CC BY
19УДК 504.43 DOI: 10.35567/1999-4508-2019-1-3
защита геохимическими барьерами месторождений подземных вод в долинах среднего урала
© 2019 г. А.В. Скалин, В.А. Скалин, А.А. Скалин
Научно-производственное объединение «Уралгеоэкология», г. Екатеринбург, Россия
Ключевые слова: месторождение подземных вод, трещинно-карстовые пласты, речная долина, инфильтрационный водозабор, геохимические барьеры, гидрогеоэкология, Средний Урал.
Рассмотрены особенности методики поисково-разведочных работ месторождений подземных вод в трещинно-карстовых пластах в речных долинах Восточно-Уральской гидрогеологической складчатой области, эксплуатируемых инфильтрационными водозаборами. Определен вид месторождений подземных вод в метаморфических породах, где возможно производить водоподготовку в пластах на геохимических барьерах.
Представлены результаты экспериментальных гидрогеоэкологических исследований на геохимических барьерах Оброшинского месторождения подземных вод в трещинно-карстовых пластах, естественные ресурсы которого относятся по качеству к минеральным природным столовым водам для промышленного розлива. Обоснована возможность использования Оброшинского месторождения в качестве резервного источника питьевых подземных вод для водоснабжения г. Екатеринбурга.
В гидрогеологических складчатых областях широко распространены безнапорные подземные воды, недостаточно защищенные от загрязнения сверху слабоводопроницаемыми глинистыми слоями кор выветривания в зоне аэрации. Вместе с тем, возможно выделение видов месторождений, где происходит самоочищение подземных вод на геохимических барьерах. Однако водоподготовка в пластах на геохимических барьерах не рассматривалась при обосновании стратегии и тактики поисково-разведочных работ резервных водозаборов подземных вод, выполнявшейся в ходе последнего этапа региональной оценки пресных подземных вод Уральской сложной гидрогеологической складчатой области. Организация такой во-доподготовки также не учитывается действующими санитарными нормами и правилами при определении границ зоны санитарной охраны водозаборов подземных вод.
Научно-практический журнал № 1, 2019 г.
В рамках проведения экспериментальных гидрогеоэкологических исследований авторами статьи предпринята попытка доказать, что геохимические барьеры могут являться эффективным средством защиты от загрязнения подземных вод в пластах. В качестве объектов исследований выбраны месторождения подземных вод трещинно-карстовых пластов в речных долинах, характеризующихся сравнительно большими величинами запасов вод, где возможно сооружать береговые водозаборы. Опытные исследования произведены на Оброшинском месторождении подземных вод в трещинно-карстовых пластах метаморфических пород, расположенном в четырех км северо-западнее г. Екатеринбурга на мысе Гамаюн Верх-Исеткого пруда. Об-рошинское месторождение разведано за счет собственных средств НПО «Уралгеоэкология», а его естественные ресурсы под наименованием минеральных природных столовых вод «Гамаюн» утверждены Государственной комиссией по запасам по категории В для промышленного розлива.
ОБОСНОВАНИЕ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ПЛАСТАХ
По аналогии с классификацией технологических схем водоподготовки в наземных сооружениях предлагается подразделить средства и методы водоочистки в пластах на два класса. В класс безреагентных входит гид-рогеодинамический метод очистки подземных вод от загрязнения взвешенными нефтепродуктами, основанный на использовании физического принципа расслоения несмешивающихся жидкостей, различающихся по плотности примерно на 20 % [1]. К классу реагентных следует отнести способ очистки подземных вод на геохимических барьерах, которые имеют электрохимическую природу.
Гидрогеоэкологические основы миграции подземных вод разработаны В.А. Мироненко и В.Г. Румыниным [2]. Первая типизация геохимических барьеров предложена А.И. Перельманом: карбонатный, кислородный, восстановительный, сероводородный, сульфатный, кислый, сорбционный барьеры [3]. Процессы самоочищения подземных вод вследствие осаждения нормируемых элементов на геохимических барьерах впервые были изучены С.Р. Крайновым и В.М. Швецом [4], на Урале - А.Я. Гаевым и др. [5], Я.Я. Яндыгановым и др. [6].
Решение задачи по обеспечению реагентной водоподготовки в трещинно-карстовых пластах можно начать с рассмотрения метода аналогии между управляемой техногенной миграцией подземных вод в зоне гидрогеохимического щелочного карбонатного барьера и технологическим процессом искусственной водоочистки с применением в качестве коагулянта железного купороса и подщелачиванием известью. Как известно, железный купорос Бе28 04 в результате реакции нейтрализации преобразуется с выделением углекислого газа С02 в гидроксид железа Бе(0Н)2, который в присутствии
water sector of russia
растворенного кислорода в воде очень быстро переходит в гидроксид железа Бе(ОН)3. Гидроксид железа образует в воде золи с положительным зарядом в грануле. Для связывания в зоне реакции образующихся при гидролизе ионов водорода и углекислоты добавляют известь, которая кроме прямого назначения, являясь электролитом, оказывает коагулирующее влияние, а ее нерастворимая часть действует как механический сорбент. Гидроксиды железа флокулируют и соосаждаются с частицами взвеси, а также сорбируют на поверхности своих частиц бактерии, гуминовые вещества и другие соединения, например, ионы тяжелых металлов [7]. В качестве примера процесса водоподготовки можно привести реакцию нейтрализации известковым молоком отработанных горячих кислотных сульфатных железосодержащих растворов на шламонакопителях трубных заводов Среднего Урала [6].
ГИДРОГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТРЕЩИННО-КАРСТОВЫХ ВОД В РЕЧНЫХ ДОЛИНАХ
В Восточно-Уральской гидрогеологической складчатой области безнапорные подземные воды подвергаются загрязнению вследствие промышленного техногенеза [7]. На близлежащих к мегаполисам территориях воды родников часто загрязнены или содержат повышенные концентрации радона-222 [9]. Актуальной задачей становится решение вопросов создания резервных источников питьевых подземных вод для крупных городов Среднего Урала [10-12].
В качестве объекта гидрогеоэкологических исследований для разработки методов защиты безнапорных подземных вод от загрязнения посредством геохимических барьеров был выбран тип месторождений пресных подземных вод (МППВ) в трещинно-карстовых пластах, пересекающих речные долины (согласно типизации Л.С. Язвина и Б.В. Боревского [13]), которые характеризуются значительными объемами эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ). Унифицированная методика поисково-разведочных работ для МППВ данного типа, в целом, разработана [13], за исключением использования геохимических барьеров как средства защиты подземных вод от загрязнения.
В Восточно-Уральской гидрогеологической складчатой области предлагается, согласно принципу иерархии, подразделить тип МППВ трещинно-карстовых пластов в речных долинах на два региональных вида: запад-ноуральский и восточноуральский. Критерием выделения видов является нахождение сорбционного гидроксидного геохимического барьера в метаморфических породах, поисковым признаком которого служат линейные зоны осадочных железных руд. Например, Исетская рудная полоса месторождений кремнистого железняка разрабатывалась в XIX в. рудниками Исетским, Четыре брата, Клоповским, Решетским, Оброшинским (с севе-
Научно-практический журнал № 1, 2019 г.
ра на юг). Характерным представителем западноуральского вида является Сергинское месторождение пресных подземных вод в трещинно-карстовых известняках, прорезаемых долиной р. Серги, на западном склоне Среднего Урала. ЭЗПВ данного месторождения утверждены Государственной комиссией по запасам в количестве 130 тыс. м3/сут для хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Первоуральска, к которому откачиваемая вода подается по трубопроводу диаметром 900^600 мм и длиной около 65 км [10, 13]. К восточноуральскому виду относится Оброшинское МППВ в трещинно-карстовом пласте мраморов шириной около 200 м, площадь которого была частично затоплена в 1726 г. при создании Верх-Исетского пруда на р. Исеть. В балансовой структуре запасов Оброшинского МППВ представлены естественные ресурсы в количестве 420 м3/сут по категории В и искусственные прогнозные ресурсы около 30 тыс. м3/сут по категории Р1.
Предметом исследований на Оброшинском МППВ являлись гидрогеохимические процессы на сорбционном гидроксидном геохимическом барьере, образующемся при миграции сульфатных железосодержащих подземных вод через карбонатный барьер водоносной зоны трещинно-карстовых вод в мраморах (по лицензии на геологическое изучение недр СВЕ № 00393 ВП от 14.09.1995 г.).
В геологическом отношении Оброшинский участок приурочен к обнаженной сверху полосе мраморизованных известняков девона, которая контактирует с графитистыми оруденелыми парасланцами черно-сланцевой формации силур-девона, контактово-метаморфизованной в термальном ореоле Верх-Исетского гранитоидного батолита (рис. 1, 2) [14]. По данным поинтервального изучения шлифов керна скважин 11, 14, 15, 43, рудные минералы в парасланце составляют 1-2 % (в основном пирит, в малых примесях - пирротин и халькопирит). Оруденелые разности «черных сланцев» содержат повышенные концентрации золота, серебра и элементов платиновой группы (по результатам пробирных анализов). Вдоль контакта мраморов и парасланцев сформировалось месторождение бурого железняка, добываемого в XIX в. «по оброку» крестьянами для Верх-Исетского металлургического завода.
В тектоническом отношении Оброшинский участок находится в зоне действия Верх-Исетского разлома - разрывного нарушения лево-сдвигового характера большой амплитуды протяженностью около 500 км, к которому приурочена долина р. Исети.
Весьма показательно сопоставление геологического строения на разных сторонах Верх-Исетского сдвига. Так, в створе «Екатеринбург-СИТИ» на правобережье городского пруда Исети находится габбровый массив, а на левобережье вскрыта линза мраморов (при изысканиях под станцию
Scientific/practical journal No. 1, 2019 г.
water sector of russia
Рис. 1. Гидрогеохимическая схема Оброшинского месторождения: 1 - линия уреза Верх-Исетского пруда; 2 - линия щелочного гидрогеохимического барьера вдоль контакта полосы мрамора, трассируемая лимонитизированными глинами с конкрециями бурых железняков; 3 - линия тектонического нарушения; 4 - мрамор; 5 - парасланец графитисто-биотит-кварцевый с сульфидной минерализацией 1-10 %; 6 - ортосланец биотит амфиболовый; 7 - плагиогранит; 8 - знак гидрогеологической скважины: сверху - номер, цвет соответствует преобладающему макроаниону в химическом составе подземной воды (голубая НСО3-, желтая - SO42-, красная - CI-).
Научно-практический журнал № 1, 2019 г.
метро «Динамо») [15]. На Оброшинском участке полоса мраморов также не прослеживается на правобережье, а русло Исети приурочено к тектоническому контакту мраморов и сланцев (рис. 2). Тектонические нарушения в метаморфических породах характеризуются, как правило, повышенной водопроводимостью [16].
В гидрогеологическом отношении на Оброшинском участке водоносная зона трещинно-карстовых подземных вод в полосе мраморов дренирует слабоводоносную зону трещиноватости метаморфических пиритизи-рованных пород, при этом наблюдается взаимообусловленное изменение параметров геофильтрационного и гидрогеохимического полей: водопро-водимость меняется почти на два порядка. При пересечении щелочного геохимического барьера метаморфизуется состав вод, характеризуемый сменой гидрогеохимических типов со II на 111а (согласно классификации О.А. Алёкина, с дополнениями Е.В. Посохова [6]) и отложением лимони-тизированных глин в карстовых полостях. В слабоводоносной зоне региональной трещиноватости метаморфических пиритизированных пород формируются воды II гидрогеохимического типа. В качестве примера приведем состав пробы воды, отобранный в конце пробной откачки из скважины 15э:
50459НС0338С13 М°18 Са52Мд29(Ыа + К) 19'
2-'4 '
при этом НС03- < Са2+ + Mg2+ < НС03- + Б04
Образование «коагулянта-сернокислого железа» происходит особенно интенсивно в коре выветривания пиритизированных «черных сланцев». При окислении сульфидов в «черных сланцах» подземные воды обогащаются ионами Б042' и Бе2+:
2БеБ2 + 702 + 2Н20 ^ 2БеБ04 + 2Н2Б04;
4БеБ04 + 02 + 2Н20 ^ 2Бе (Б04)3 + 2Н20.
В качестве элемента индикатора можно рассматривать растворенное в подземной воде железо, концентрация которого составляет около 2 мг/дм3. В Оброшинской «природной водоочистной системе» при смешении вод в зоне щелочного гидрогеохимического барьера происходит метаморфиза-ция их химического состава по реакции, известной при искусственной во-доподготовке воды:
4СаС03 + 4БеБ04 + 02 + 6Н20 ^ Бе (0Н)3 + 4СаБ04 + 4С02|.
При этом железо удаляется из подземных вод в виде хлопьев Бе(0Н)3, осаждающихся в карстовых полостях и образующих гнездовые залежи бурого железняка, в большей или меньшей мере кремнистого. В XIX в. на
Scientific/practical journal No. 1, 2019 г.
water sector of russia
Оброшинском железном руднике залежи бурого железняка были вскрыты дудками на глубину около 50 м. При коагуляции сернокислого железа в Об-рошинской водоочистной системе одновременно устраняется коллоидная кремниевая кислота и марганец. В случае непредвиденного техногенного загрязнения могут осаждаться некоторые органические и радиоактивные вещества. Выделение углекислого газа в результате указанной реакции обусловливает следующие последствия: угнетение жизнедеятельности патогенных бактерий при загрязнении второго пояса зоны санитарной охраны; природную консервацию расфасованной воды; повышение устранимой жесткости воды:
СаС03 + С02 + Н20 ^ Са2+ + 2НС03-.
Изменение химического состава подземных вод в Оброшинской «природной водоочистной системе» закономерно нарастает при удлинении пути миграционного потока сульфатных вод от границы щелочного гидрогеохимического барьера по карбонатным породам к водоприемной части скважины, что позволяет прогнозировать добычу питьевой подземной воды с качеством «под заказ» (под указанные в геологическом задании диапазоны значений элементов, нормируемых СанПиН 2.1.4.1074-01 («Питьевая вода»...). Так, например, минеральную природную столовую воду «Гамаюн» можно добывать с дебитом 420 м3/сут в центральной части Оброшинской водоносной зоны скважиной 43-рэ с водоприемной частью в интервале глубин 38,0-74,5 м. По мере удаления от границ щелочного барьера к центральной части Оброшинской водоносной зоны вследствие метаморфизации химического состава жесткость воды увеличивается в четыре раза, достигая оптимальной концентрации для человека 4,1-4,7 ммоль/дм3, а содержание растворенного в воде железа (элемента-индикатора) уменьшается на два порядка, составляя менее 0,01 мг/дм3. «Формула Курлова» химического состава воды в скважине 43-рэ имеет следующий вид:
НС0373С11750410 -!-— РН7,6 ,
м,
0,4
Са77М820(№ + К)3
при этом НС03- + Я042' < Са2+ + Mg2+; С1- > Ыа+, т. е. вода 111а гидрогеохимического типа.
По результатам гидрогеоэкологического эксперимента на Оброшин-ском МППВ можно сделать вывод, что в зоне действия сорбционно-го гидроксидного барьера могут формироваться естественные ресурсы подземных вод высшей категории качества, предъявляемого санитарно-эпидемиологическими нормами к питьевой воде, расфасованной в емкости.
Научно-практический журнал № 1, 2019 г.
а б
Рис. 2. Виды обнажений полосы мрамора Оброшинского месторождения на мысе Гамаюн: - стрелкой обозначен коренной выход на акватории Верх-Исетского пруда, б - восточный бок; этикетка бутилированной питьевой воды «Гамаюн».
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ
В гидрогеологических складчатых областях геохимические барьеры следует рассматривать в качестве эффективного средства защиты от загрязнения зоны санитарной охраны водозаборов питьевых подземных вод, это должно быть учтено при подготовке актуализированной редакции Сан-ПиН 2.1.4.1110-02 «Зоны санитарной охраны...».
Зона санитарной охраны Оброшинского месторождения пресных подземных вод находится в Оброшинском лесопарке и защищена от загрязнения сорбционным гидроксидным геохимическим барьером, а Верх-Исетский пруд в створе мыса Гамаюн (рис. 2) относится к водоемам рыбохозяйствен-ного значения II категории и используется для хозяйственно-питьевого водоснабжения северной части г. Екатеринбурга. Качество питьевых природных вод «Гамаюн» отвечает требованиям ГОСТ 2874-82 и СанПиН 2.1.4.1116-02, что подтверждено гигиеническим сертификатом Свердловского областного ЦСЭН от 18.11.1996 г. № 15-С-22, заключениями ЕМНЦ профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий, ТУ 0131001-44644796-97, лицензиями и сертификатами соответствия на право пропуска продукции Уральского ЦСМ Госстандарта России. В соответствии с ТУ 10.04.06.132-88 и ТУ 0131-001-44644796-97 питьевая вода «Гамаюн» отнесена к минеральным природным столовым водам.
Scientific/practical journal No. 1, 2019 г.
water sector of russia
Балансовые эксплуатационные запасы минеральных природных столовых вод «Гамаюн» в трещиноватых и закарстованных мраморах нижнего девона Оброшинского склонового месторождения утверждены Государственной комиссией по запасам по состоянию на 01.05.1997 г. на неограниченный срок эксплуатации для промышленного розлива в количестве 420 м3/сут по категории В (Протокол ГКЗ № 454 от 10.12.1997 г.). Наименование питьевой воды «Гамаюн» было предложено НПО «Уралгеоэкология» для преемственности с названием «гамаюнской» культуры бронзового и железных веков (VII-VI вв. до н. э), которая была выделена в конце 1950-х годов Е.М. Берс и получила свое имя по названию мыса на Верх-Исетском пруду, где впервые была открыта стоянка с керамикой этого типа. В информационных этикетках воды «Гамаюн» использованы фрагмент картины В. Васнецова «Гамаюн - птица вещая» и поэтические строки А. Блока, вдохновленного этим образом (рис. 2).
Для обеспечения населения г. Екатеринбурга чистой питьевой водой и создания резервного водозабора, в соответствии с Постановлением № 878 от 29.12.1995 г. главы города А.М. Чернецкого, было создано предприятие смешанной формы собственности ООО «Муниципальное научно-производственное предприятие «Гамаюн» (65 % - долевое участие МО «Город Екатеринбург» и 35 % - «Уралгеоэкология» с уставным капиталом, эквивалентным десяти тысячам минимальных размеров оплаты труда (около 100 млн руб. в ценах 2018 г.). После разведки и сооружения водозабора минеральной природной столовой воды «Гамаюн» с соответствующей инфраструктурой, опытного розлива и успешной реализации бутилирован-ной воды руководством «Уралгеоэкология» в 1999 г. было принято решение о безвозмездной передаче доли предприятия в пользу Муниципального образования «Город Екатеринбург».
За прошедшие два десятилетия с начала «заморозки» Оброшинского социального проекта в окрестностях Екатеринбурга не было разведано ни одного месторождения питьевых подземных вод (из 17 опоискованных участков) с утверждением ЭЗПВ по категориям А и В для сооружения резервных водозаборов питьевых подземных вод, имеющих без водоочистки сбалансированный для организма человека химический состав. Таким образом, в настоящее время в лесопарковой зоне Екатеринбурга нет альтернативы Оброшинскому резервному водозабору питьевых подземных вод. После завершения строительства кольцевой дороги, соединяющей Московскую и Серовскую автострады, доставка воды с мыса Гамаюн может стать более рентабельной, поэтому целесообразно организовать снабжение питьевой водой «Гамаюн» сети водоматов в жилых микрорайонах Екатеринбурга.
Научно-практический журнал № 1, 2019 г.
В ходе проведенного исследования выявлено, что в гидрогеологических складчатых областях возможно организовать реагентную водоподготов-ку в трещинно-карстовых пластах с помощью геохимических барьеров. В Восточно-Уральской гидрогеологической складчатой области выделен восточноуральский вид месторождений питьевых подземных вод, где происходит самоочищение на сорбционном гидроксидном барьере. К таким месторождениям относится Оброшинское, которое рассматривается как резервный питьевой источник для населения г. Екатеринбурга, обеспечивающий безопасность водоснабжения в случае катастрофического техногенного загрязнения водохранилищ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скалин А.В., Скалин А.А. Способ гидрогеодинамической очистки от нефтепродуктов водоносных пластов и гидрогеодинамическая ловушка для нефтепродуктов. Патент на изобретение РФ № 2666561. Бюл. № 26. 2018.
2. Мироненко В.А., Румынин В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии. Т.1. Теоретическое изучение и моделирование геомиграционных процессов. М.: Изд-во МГУ, 1998. 611 с.
3. Перельман А.И. Геохимия: учебник. Изд. 3-е. М.: ЛЕНАНД, 2016. 544 с.
4. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. М.: Наука, 2004. 677 с.
5. Бабушкин В.Д., Гаев А.Я., Гацков В.Г., Миронов С.В., Штерн В.О. Научно-методические основы защиты от загрязнения водозаборов хозяйственно-питьевого назначения. Пермь: Перм. ун-т, 2003. 264 с.
6. Яндыганов Я.Я., Власова Е.Я., Скалин В.А. Водохозяйственный кластер пром-района (проблемы, эффективность). Екатеринбург: УГЭУ, 2016. 281 с.
7. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка: учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МГУ, 2003. 680 с.
8. Грязнов О.Н. Инженерно-геологические условия Урала. Екатеринбург: Изд-во Урал.гос.горного ун-та, 2017. 240 с.
9. Семенищев В.С., Воронина А.В., Никифоров А.Ф. Определение радона-222 в природных источниках питьевой воды в окрестностях города Екатеринбурга // Водное хозяйство России. 2014. № 4. С. 95-101.
10. Водные ресурсы Свердловской области / под научн. ред. Н.Б. Прохоровой. ФГУП РосНИИВХ. Екатеринбург: АМБ, 2004. 432 с.
11. Носаль А.П., Шубарина А.С., Сокольских И.И. Повышение безопасности водоснабжения крупных населенных пунктов в период маловодья (на примере города Екатеринбурга) // Водное хозяйство России. 2011. № 6. С. 33-46.
12. Палкин С.В., Палкин С.С., Рыбникова Л.С. К вопросу о возможности полного водообеспечения города Екатеринбурга поземными водами // Водное хозяйство России. 2011. № 5. С. 75-88.
13. Боревский Б.В., Хордикайнен М.А., Язвин Л.С., Зайцев Г.И. Разведка и оценка месторождений эксплуатационных запасов месторождений подземных вод в трещинно-карстовых пластах. М.: Недра, 1976. 247 с.
water sector of russia
14. Язева Р.Г., Бочкарёв В.В. Силурийская островная дуга Урала: структура, развитие, геодинамика // Геотектоника. 1995. № 3. С. 76-85.
15. Скалин А.А. Опыт гидрогеологических изысканий в скальном массиве для высотного строительства «Екатеринбург-СИТИ» // Жилищное строительство. 2017. № 11. С 7-12.
16. Тагильцев С.Н., Кибанова Т.Н. Закономерности поля тектонических напряжений в геологической среде Краснотурьинского рудного района // Изв. Урал. гос. горного ун-та. 2017. Вып. 2 (46). С 43-46.
Сведения об авторах:
Скалин Анатолий Владимирович, канд. геол.-минерал. наук, генеральный директор, ООО НПО «Уралгеоэкология», Россия, 620027, г. Екатеринбург, ул. Мель-ковская, 9; e-mail: inform@uralgeoecologyru, uralgeo@bLru
Скалин Владислав Анатольевич, канд. экон. наук, коммерческий директор, ООО НПО «Уралгеоэкология», Россия, 620027, г. Екатеринбург, ул. Мельковская, 9; e-mail: inform@uralgeoecology.ru, uralgeo@bk.ru
Скалин Антон Анатольевич, технический директор. ООО НПО «Уралгеоэкология», Россия, 620027, г. Екатеринбург, ул. Мельковская, 9; e-mail: inform@uralgeo-ecology.ru, uralgeo@bk.ru
Научно-практический журнал № 1, 2019 г.
