Изменение химического состава подземных вод в ограниченных карбонатных структурах при окислении пирита покровных отложений: На примере Полдневского месторождения Егоршинско-Каменской синклинали Восточно-Уральского прогиба тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.07, кандидат геолого-минералогических наук Вишняк, Александр Ильич

• Вишняк, Александр Ильич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Вишняк, Александр Ильич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛДНЕВСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ.

1.1. Административное и географическое положение.

1.2. Климат и гидрометеорологическая характеристика.

1.3. Геологическое строение.

1.4. Гидрогеологические условия.

1.5. Историяэксплуатациикарьерногодренажаиводозабора. Современная водохозяйственная обстановка.

1.6. Площадь месторождения.

1.7. Баланс водоотбора. Величина инфильтрационного питания.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОКРОВНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПОЛДНЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

2.1. Методика опробования покровных отложений.

2.2. Генезис и распространение сульфидов в осадочных породах.

2.3. Пирит в покровных отложениях Полдневского месторождения.

2.4. Миграционная среда покровных отложений.

2.5. Выводы.

3. ОКИСЛЕНИЕ ПИРИТА В ЗОНЕ АЭРАЦИИ.

3.1. Химические реакции окисления пирита.

3.2. Кинетика окисления пирита в условиях нейтральной среды.

3.3. Оценка наличия ингибирующей пленки на поверхности пирита в естественных условиях.

3.4. Экспериментальные данные по интенсивности окисления пирита в условиях нейтральной среды.

3.5. Кинетика окисления пирита в условиях кислой среды.

3.6. Эволюционные стадии окисления приритсодержащих пород после исчерпания карбонатного буфера.

3.7. Доступ кислорода в зону окисления.

3.8. Расходование кислорода на конкурирующие реакции.

3.9. Преобразование продуктов окисления пирита в покровных отложениях.

3.10. Современная зона окисления на Полдневском месторождении.

3.11. Выводы.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОКИСЛЕНИЯ ПИРИТА В ЗОНЕ АЭРАЦИИ.

4.1. Цель и методика моделирования.

4.2. Моделирование окисления пирита.

4.3. Моделирование миграции продуктов в зоне окисления.

4.4. Результаты моделирования и выводы.

5. ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ НА ВОДОЗАБОРАХ

5.1. Схема миграции загрязнения от зоны окисления до водозаборных скважин.

5.2. Миграция загрязнения через толщу покровных отложений.

5.3. Миграция загрязнения в водоносном горизонте.

5.4. Прогноз изменения химического состава воды на водозаборах по режимным данным.

5.5. Влияние отвалов песчано-глинистых пород на качество подземных вод.

5.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изменение химического состава подземных вод в ограниченных карбонатных структурах при окислении пирита покровных отложений: На примере Полдневского месторождения Егоршинско-Каменской синклинали Восточно-Уральского прогиба»

Актуальность проблемы. На многих водозаборах Среднего Урала наблюдается тревожная тенденция в изменении химического состава подземных вод. В процессе длительной эксплуатации водозаборов (более 30 лет) происходит постепенное увеличение концентрации сульфатов (с 10-20 до 100-300 мг/л), минерализации (с 0,2-0,3 до 0,7-0,9 г/л) и жесткости (с 47 ммоль/л до 8-15 ммоль/л) (рис. 1). Такое изменение химического состава подземных вод отмечается на водозаборах, каптирующих пресные подземные воды меридионально вытянутых ограниченных карбонатных структур, которые протянулись на многие сотни километров вдоль границы Горноскладчатого Урала и Западно-Сибирской низменности. Эти карбонатные структуры, располагая значительными ресурсами подземных вод, многие годы активно используются для водоснабжения городов Урала. Дальнейшая трансформация химического состава может привести к невозможности использования водозаборов по назначению. Возникнет острая проблема в обеспечении питьевой водой крупных городов, расположенных на границе Урала и Западной Сибири. Водоснабжение городов Зауралья базируется на подземных источниках. Реки региона фактически являются сточными канавами для расположенных на Урале промышленных центров и не могут рассматриваться как источники воды питьевого качества (реки Исеть и Пышма входят в число наиболее загрязненных рек России). Альтернативы подземным источникам водоснабжения для городов данного района не существует, поэтому решение проблемы качества подземных вод является весьма актуальной задачей.

Причиной описанного выше ухудшения качества подземных вод является активизация в результате водоотбора процессов окисления пирита и сернокислотного выщелачивания карбонатных пород. Наиболее изучены эти процессы на сульфидных (Смирнов, 1955; Щербина, 1955; Табаксблат, Сахарова, 1994) и угольных (Амосов, 1965) месторождениях. Однако такие явления наблюдаются на месторождениях почти всех видов полезных ископаемых, добываемых на Среднем Урале (Ковальчук и др., 1963): колчеданных, полиметаллических и золотополиметаллических, железорудных, угольных, огнеупорных глин, бокситов, известняков. Большое количество материалов по развитию процессов окисления сульфидов в различных горных породах обобщено А.И. Перельманом (Перельман, 1968).

Изменение химического состава подземных вод на водозаборах Среднего Урала, связанное с окислением пирита, рассмотрено в ряде работ (Лехов, Шваров, 1997, 2002; Фельдман, Вишняк, Рыбникова, 2001, 2002; Лехов, Вишняк, 2005). К настоящему времени сложились следующие представления об этом процессе. Карбонатные структуры, к которым приурочены рассматриваемые месторождения подземных вод, располагаются в зоне сочленения, где складчатые структуры Урала постепенно погружаются под мезо-кайнозойский осадочный чехол Западно-Сибирской плиты. Известняки и доломиты слагают нижний этаж, сверху они перекрыты мезо-кайнозойскими породами преимущественно супесчано-суглинистого состава. Полосы карбонатных пород разбиты тектоническими нарушениями на отдельные разобщенные в гидродинамическом плане блоки. Площадь блоков составляет первые десятки квадратных километров (в среднем 5x15 км). Ограниченность в плане данных гидрогеологических структур приводит к образованию в результате водоотбора глубокой депрессии. В сформировавшейся таким образом зоне аэрации оказываются мезокайнозойские осадочные породы, которые изначально содержат рассеянный пирит, образовавшийся в результате деятельности сульфатредуцирующих бактерий. Смена восстановительных условий на окислительные приводит к окислению сульфидных минералов. В результате образуются кислые сульфатные воды. При взаимодействии их с карбонатами кальция и магния происходит нейтрализация кислотности, а за счет поступления в раствор ионов кальция и магния наблюдается рост жесткости и минерализации. Четкая корреляция между ростом жесткости и ростом концентрации сульфат иона объясняется тем, что кальций и магний поступают в раствор в количестве, практически эквивалентном сульфат иону, образующемуся при окислении (рис. 2).

Цель и задачи исследования. Несмотря на то, что причина ухудшения качества подземных вод на рассматриваемых водозаборах известна, удовлетворительная количественная гидрогеохимическая модель данного процесса до сих пор не разработана. Без нее невозможно ни объяснить наблюдаемые количественные закономерности изменения химического состава подземных вод, ни дать прогноз развития ситуации, ни разработать мероприятия для предотвращения дальнейшего ухудшения качества подземных вод. В результате без ответа остаются ряд важных практических вопросов:

1) Когда прекратится рост концентрации сульфатов, жесткости и минерализации на действующих водозаборах и каким станет в конечном итоге химический состав воды (будет ли она пригодна для питьевого водоснабжения);

2) Обратим ли процесс изменения химического состава подземных вод и можем ли мы подавить его на действующих водозаборах (возможно ли улучшение или стабилизация качества воды на давно эксплуатируемых водозаборах путем изменения схемы или интенсивности водоотбора);

3) Какие дополнительные исследования необходимо выполнять на этапе разведки месторождений подземных вод, чтобы прогнозировать изменение качества воды в период эксплуатации;

4) Как надо эксплуатировать водозаборы в данных гидрогеологических структурах, чтобы не допускать развитие неблагоприятных геохимических процессов, связанных с окислением пирита.

Цель данной работы - разработка теоретических и методических основ для количественного моделирования процессов изменения качества воды на водозаборах, связанного с окислением пирита. Это позволит дать ответы на поставленные выше вопросы.

В задачу исследования входили: 1) Обобщение фактических и литературных данных по вопросам окисления пирита; 2) Натурные исследования, включая бурение скважин, опробования и химико-аналитические исследования; 3) Сравнительный анализ изменения химического состава подземных вод на серии водозаборов; 4) Формулировка математической модели с учетом миграции кислорода, нейтрализации серной кислоты, миграции продуктов; 5) Расчеты скорости изменения химического состава отбираемой воды за счет фактической изменчивости мощности покровных отложений.

Объект исследования. Месторождения подземных вод в ограниченных карбонатных структурах Среднего Урала характеризуются сходством геолого-гидрогеологических и геохимических условий. Рассмотреть в рамках одной работы все месторождения, где наблюдается ухудшение качества подземных вод вследствие окисления пирита, невозможно. Необходимо использовать принцип аналогии, изучив развитие процесса на одном месторождении и распространяя полученные выводы на остальные.

Базисным объектом исследования стало Полдневское месторождение подземных вод, используемое для хозяйственно-питьевого водоснабжения города Богданович. По данному месторождению в последнее время получено наибольшее количество данных. Там проводится мониторинг подземных вод, связанный с совместной эксплуатацией месторождения огнеупорных глин и водозабора. На этом объекте развитие процесса окисления пирита и сернокислотного выщелачивания может быть исследовано не только в условиях естественного сложения горных пород, но и в техногенных образованиях, связанных с горными работами (отвалы, рекультивированные и действующие карьеры). Это особенно важно, если учесть, что на Урале дренажные воды часто используются как попутное полезное ископаемое (питьевые воды), а горные работы оказывают существенное влияние на процесс окисления пирита.

Фактический материал. Геологическое строение Полдневского месторождения охарактеризовано 98 разведочными скважинами. Регулярные режимные наблюдения за химическим составом, уровнем подземных вод и величиной водоотбора на объекте проводятся с начала 60-х годов. На Полдневском месторождении действуют три водозаборных и одна дренажная скважина, работающая на слив. В отдельные периоды времени действовал забойный водоотлив Полдневского карьера. В разные годы на объекте действовало от 7 до 22 наблюдательных скважин вскрывающих породы палеозойского фундамента (основной водоносные горизонт, сложенный карбонатными породами, и ограничивающие его терригенные породы) с рядами наблюдений более 30-40 лет.

Специальные работы проводились автором на объекте с 1998 по 2002 гг в ходе работ по оценке эксплуатационных запасов подземных вод. За это время было выпущено 2 отчета. Для детального изучения зоны окисления в рамках данной работы были пробурены две скважины на покровные отложения естественного сложения (глубиной 19 и 50 м) и одна скважина на породы внутреннего отвала (глубиной 35 м) в теле рекультивированного карьера. Монолиты, отобранные в процессе бурения через 1 - 5 м (всего 31), использовались для определения водно-физических свойств, гранулометрического состава, химического состава пород, минералогического анализа, химического состава поровых растворов и растворимых компонентов. Кроме того, из данных скважин отобраны пробы воды для определения состава грунтовых вод на участке зоны окисления.

Методы исследования. Работа заключалась в обобщении и анализе многолетних наблюдений за режимом подземных вод на Полдневском месторождения, а так же в экспериментальном изучении результатов опробования скважин, вскрывающих непосредственно зону окисления. Методами математического моделирования на основе непосредственно измеренных параметров, либо данных, заимствованных из литературных источников, строилась гидрогеохимическая модель зоны окисления и области миграции продуктов окисления. Корректность построения моделей и принятых параметров определялась сравнением с данными, полученными при опробовании реальной зоны окисления, сформировавшейся на Полдневском месторождении подземных вод. Оно показало соответствие созданной модели реальным природным условиям. По результатам моделирования выполнялись прогнозы дальнейшего развития ситуации, которые необходимы для выработки рекомендаций по дальнейшей эксплуатации месторождений подземных вод данного типа и освоению новых участков, перспективных для водоснабжения.

Состав и структура работы. Работа состоит из пяти частей:

1. Описание гидрогеологических особенностей Полдневского месторождения.

2. Характеристика покровных отложений, структуры их порового пространства и закономерностей распределения пирита.

3. Математическая модель окисления пирита, преобразования и миграции продуктов окисления в покровных отложениях Полдневского месторождения.

4. Оценка интенсивности окисления пирита и выноса продуктов окисления на различных типовых разрезах в реальном диапазоне параметров методами численного моделирования. Определение лимитирующей стадии процесса.

5. Прогноз изменения химического состава воды на действующих водозаборах (на примере Полдневского и Северо-Мазулинского водозаборов).

Научная новизна. Создана комплексная модель окисления пирита в покровных отложениях с учетом преобразования и миграции продуктов реакции. В ходе проведенного исследования и в результате моделирования получено несколько довольно неожиданных выводов, касающихся месторождений подземных вод, на которых в зоне аэрации могут оказаться пиритсодержащие песчано-глинистые отложения с обычными концентрациями пирита (от 0,05 до 10 кларков или 0,025-5 % весовых процентов).

Доказано, что интенсивность окисления пирита лимитируется диффузионным переносом кислорода вглубь толщи покровных отложений, поэтому на ухудшение качества подземных вод концентрация пирита практически не влияет (достаточно даже 0,05 кларка или 0,025 % пирита).

Впервые установлено, что после длительной эксплуатации качество воды на водозаборах не может быть восстановлено за разумный период времени, даже если прекратить окисление пирита путем повышения уровня подземных вод. Этому препятствует значительный период водообмена, характерный для рассматриваемого типа месторождений (50-200 лет). Время прихода загрязнения к водозаборным скважинам от разных участков зоны окисления колеблется от первых лет до сотни лет, что связано с резкой изменчивостью мощности покровных отложений.

Впервые оценена роль процесса гипсообразования в зоне окисления как буфера, препятствующего катастрофическому ухудшению качества воды на питьевых водозаборах.

Впервые установлено, что при складировании пиритсодаржащих глинистых пород на поверхности земли за несколько месяцев может окислиться до 20% пирита, а для полного вымывания образовавшегося гипса инфильтрационным потоком потребуется несколько сотен лет.

Практическая значимость. В работе дан прогноз времени стабилизации и конечного химического состава подземных вод на Полдневском и Северо-Мазулинском водозаборах, которые используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения города Богданович. Разработана гидрогеохимическая модель окисления пирита и миграции продуктов окисления в водоносный горизонт. Основные параметры модели уточнены по результатам опробования покровных отложений Полдневского месторождения, поэтому она может быть использована на месторождениях - аналогах. Даны рекомендации по схемам использования дренажных вод для питьевого водоснабжения, где указана необходимость применения барражных скважин, для защиты водозаборов от загрязнения со стороны карьеров и отвалов. Кроме того, даны рекомендации по корректировке существующей методики оценки запасов на месторождениях данного типа. Показано, что допустимое понижение должно учитывать верхнюю границу распространения пород, содержащих пирит.

Результаты исследований использовались при переоценке эксплуатационных запасов Полдневского, Богдановичского и Северо-Мазулинского месторождений подземных вод и проведении мониторинга на Троицко-Байновском месторождении огнеупорных глин. На основе авторских рекомендаций в 2002 году была изменена схема Полдневского водозабора с использованием барражной скважины между карьером и водозабором. Это позволило существенно улучшить качество отбираемой воды и довести его до питьевых кондиций по жесткости (по крайней мере, на ближайшие 10-20 лет). Кроме того, для месторождений рассмотренного типа автором рекомендовано предельно допустимое понижение в процессе эксплуатации, при котором уровень воды покровных отложений находится на глубине менее 7 м. Данное ограничение связано не с ресурсным потенциалом месторождений, а с геохимическим фактором, то есть с необходимостью поддержания пиритсодержащих пород в водо-насыщенном состоянии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были изложены в 6 публикациях и 2 отчетах по оценке эксплуатационных запасов подземных вод для водоснабжения г.Богданович, утвержденных ТКЗ ДПР по Уральскому региону (2002, 2003), доложены на международном конгрессе ЭКВАТЭК 2002, на конференции «Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики» (С.Петербург, 2002), на Сергеевских чтениях (Москва, 2002,2005), на Ломоносовских чтениях Геологического ф-та МГУ в 2005.

Диссертационная работа выполнена под научным руководством д.г.-м.н., профессора А.В. Лехова, которому автор выражает глубокую благодарность за советы и всестороннюю помощь. Автор также благодарен директору НПФ «ПАНЭКС» к.г.-м.н. А.Л. Фельдману за организацию полевых работ по изучению зоны окисления Полдневского месторождения и директору ТЦ Уралгеомониторинг к.г.-м.н. Л.С. Рыбниковой за консультации и помощь в сборе фактического материала, а также д.г.-м.н., профессору Р.С. Штенгелову за ряд ценных критических замечаний. Большую помощь в изучении истории совместной эксплуатации карьера глин и водозабора оказал главный геолог Богдановичского ОАО «Огнеупоры» Г.И. Вольхин, которому автор очень благодарен. Автор также благодарен ведущему гидрогеологу НПФ «ПАНЭКС» Ю.А. Аристову за помощь в проведении опробования зоны окисления.

1 - дренажные воды Полдневского карьера

2, 3 - водозаборные скважины Полдневского водозабора (2 - скв.№ 13э, 3 - скв.№№ 14э,15э) минерализация, мг/л сульфат-ион, мг/л

1) Северо-Восточный дренажный узел

2) Лапчинский водозабор

3) Северо-Лапчинский водозабор

Рис. 1. Изменение химического состава подземных вод на водозаборах Среднего Урала

Жесткость, мг-экв/л

Рис. 2. Зависимость жесткости подземных вод от содержания сульфат иона на водозаборах в ограниченных карбонатных структурах Среднего Урала (всего 469 анализов) f«UI vfi.

3«и«иск1

ЕЙЗЗЬЙК)

ЛФ-.ыциинснпе

Hr.aT9Bt fcnC.ti:

ПзтиДйОвО* о* оч м rotapm

-•JH&lyJ

IrtOPOBCMOn,

HcrJQw*™ . л ж» Jl4 вЛО0вч«НСН1 ibjiBpjsocf tit' fle i. lOKrtjify'JNa

Чгчцлина ' ХмВЯИЙМСССг» opaow4<icKf<i

Б**аносов/

-.COCHOBCKD*, бол Гожаиу»^

JVimtffi^fKul WffoffHd!

Up fa'0*0 ft. 2*0

Заключение диссертации по теме «Гидрогеология», Вишняк, Александр Ильич

5.6. Выводы

По разделу 5.2:

1) Поступление загрязнения в водоносный горизонт с поверхности земли через покровные отложения может описываться схемой поршневого вытеснения, поскольку при естественной величине инфильтрации макро- и микродисперсия незначительны.

2) Скорость прохождения загрязнением толщи покровных суглинистых отлоэюений мала. При обычной для средней полосы России величине инфильтрации, каждый метр пути загрязнение в среднем преодолевает за 1 - 4 года.

По разделу 5.4:

3) Средняя интенсивность образования сульфат иона на Северо-Мазулинском участке оценивается на уровне 42 мг/сут с 1 м2 площади месторождения (при максимальной концентрации 140 мг/л и величине инфильтрации 0,0003 м/сут), что эквивалентно интенсивности окисления пирита 2" 1CF4 моль/сут. На Полдневском участке интенсивность окисления пирита в два раза выше - 410'4 моль/сут (без учета техногенных ландшафтов)

4) На Северо-Мазулинском водозаборе примерно через 20 лет рост концентрации сульфат иона прекратится, достигнув значения порядка 140 мг/л. На Полдневском водозаборе концентрация будет расти еще 60-70 лет, пока не достигнет максимального значения на уровне 280 мг/л. Химический состав воды на Полдневском водозаборе станет непригодным для питьевого водоснабжения уже через 20 лет, когда жесткость превысит 10 мг-экв/л.

По разделу 5.5:

5) При ведении горных или строительных работ уже в течение первых месяцев прямого контакта с атмосферой песчано-глинистые породы, содержащие дисперсный пирит, накапливают значительное количество новообразованного гипса. Благодаря этому изменение геохимической обстановки становится практически необратимым (состав воды уже не зависит от окисления пирита, а определяется растворением новообразованного гипса). Для растворения всего гипса может потребоваться несколько сотен лет.

6) Складирование песчано-глинистых пород, содержащих дисперсный пирит, в пределах местороэюдений питьевых подземных вод может приводить к серьезному ухудшению качества воды на водозаборах (вплоть до полной потери водозабора).

Заключение

Результаты исследований изменения химического состава эксплуатируемых подземных вод при наличии пирита в покровных отложениях, кратко формулируются как защищаемые положения:

1. Месторождения подземных вод в ограниченных карбонатных структурах, перекрытых рыхлыми песчано-глинистыми отложениями морского происхождения, имеют ярко выраженную геохимическую специфику. При эксплуатации водозаборов происходит увеличение мощности зоны аэрации, что приводит к окислению практически всегда присутствующего в покровных отложениях дисперсного пирита (кларковое содержание на уровне 80 моль/м3), ранее находившегося под уровнем подземных вод. В результате образуется серная кислота, которая нейтрализуется карбонатной составляющей покровных отложений (кларковое содержание кальцита около 1400 моль/м3) с возможным выпадением гипса. Это вызывает увеличение жесткости и минерализации подземных вод. Окисление пирита проходит в условиях нейтральной среды.

2. При прямом контакте песчано-глинистых пород с атмосферой интенсивность окисления дисперсного пирита лимитируется ингибирующей пленкой преимущественно гидроокиси железа, образующейся на его поверхности в условиях нейтральной среды. Изначально пленка на поверхности пирита отсутствует. С ростом толщины пленки интенсивность окисления снижается. В таких условиях скорость окисления пирита практически не зависит от кинетики химической реакции, а определяется удельной площадью его поверхности и толщиной пленки. В различных песчано-глинистых покровных отложениях удельная площадь поверхности пирита составляет 5-10 м2/моль, при преобладающем средневзвешенном размере зерен 15-30 мкм.

3. Складирование песчано-глинистых пород, содержащих дисперсный пирит, в пределах месторождений питьевых подземных вод может приводить к серьезному ухудшению качества воды на водозаборах (вплоть до полной потери водозабора). За полгода контакта с атмосферой в породе может окислиться от 5 до 25 % пирита и образоваться значительное количество гипса (в среднем около 4 кг на кубометр породы). Благодаря этому изменение геохимической обстановки становится практически необратимым даже если окисление пирита прекратить (состав воды уже не зависит от окисления пирита, а определяется растворением новообразованного гипса). Для растворения всего гипса может потребоваться несколько сотен лет.

4. В естественном залегании породы, содержащие пирит, располагаются на значительной глубине (10-30 м). Согласно результатам моделирования, при глубине залегания пиритсодержащих пород более 10 м интенсивность окисления перестает зависеть от концентрации пирита и размеров его зерен (в характерном диапазоне данных параметров). Интенсивность окисления лимитируется диффузией кислорода через толщу пород.

5. Рост концентрации сульфатов и жесткости на водозаборе происходит постепенно и растянут на 50 - 200 лет. Это связано в основном с различным временем миграции сульфатов через покров от зоны окисления до кровли водоносного горизонта (в зависимости от мощности покрова на разных участках месторождения).

6. При оценке запасов подземных вод в понятие «допустимое понижение» должен закладываться не только гидродинамический, но и геохимический смысл. Изменить в лучшую сторону качество воды на водозаборах, эксплуатирующихся длительное время, уже невозможно. Однако можно предотвратить ухудшение качества воды на перспективных участках, только вводимых в эксплуатацию. Для этого нужно не допускать осушения покровных отложений, содержащих пирит, или свести к минимуму площадь их осушения. Ниже естественного уровня подземных вод существует зона окисленных пород утративших пирит. Область с понижением уровня ниже окисленной зоны должна быть минимальной. Ее площадь должна рассчитываться на основании представлений о допустимом изменении состава эксплуатируемых вод.

По результатам исследований действующих водозаборов и перспективных участков определяются практические рекомендации:

На действующих водозаборах предлагается делать прогноз дальнейшего изменения химического состава воды, аналогичный тому, который выполнен для Полдневского водозабора. Прогноз позволит оценить время, в течение которого будет сохранено кондиционное качество воды. Это необходимо для своевременного принятия решений по строительству станции умягчения или переходу на другой источник водоснабжения. Прогноз выполняется при наличии необходимой информации (режимные наблюдения за уровнем, дебитом и химическим составом подземных вод, а также данные по мощности покровных отложений).

При разведке месторождений подземных вод, которые характеризуются наличием пирита в покровных отложениях, предлагается дополнительно проводить следующие виды работ:

- Поинтервальное опробование покровных отложений при бурении скважин (для количественного определения содержания пирита, форм и размеров его зерен, а так же содержания кальцита).

- Снабжение всех скважин пьезометрами на покровные отложения для оценки перепада уровней между покровом и основным водоносным горизонтом (для достоверного прогноза мощности зоны аэрации в зависимости от понижения в эксплуатируемом горизонте).

- Оценка допустимого понижения с учетом геометрии кровли пород, содержащих пирит.

Необходимо особо отметить месторождения подземных вод, в пределах которых ведется добыча твердых полезных ископаемых открытым способом. На значительной площади таких месторождений формируются техногенные ландшафты представленные карьерами, внутренними и внешними отвалами перемещенных пород. В пределах техногенных ландшафтов на поверхности земли оказываются пиритсодержащие породы, извлеченные из нижних горизонтов покровных отложений в результате горных работ. Практически на всей площади техногенных ландшафтов формируются воды равновесные с гипсом, поэтому данные площади рекомендуется исключать из области захвата питьевых водозаборов. Для этого могут использоваться барражные скважины. В ходе подготовки данной диссертационной работы автором была дана рекомендация по организации барража между Полдневским водозабором и карьером глин. Схема водоотбора была изменена, а скважина 13э с 2002 года стала использоваться как барражная. Это позволило снизить концентрацию сульфатов на водозаборе в два раза, уменьшить минерализацию и довести качество добываемой воды до питьевых кондиций по жесткости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Вишняк, Александр Ильич, 2005 год

1. Аверьянов С.Ф. Борьба с засолением орошаемых земель. М., Колос, 1978.

2. Акинфиев Н.Н., Баронецкая Л.Д., Осмоловский И.С., Швец В.М. Физико-химическая модель формирования состава вод отвалов горнодобывающих предприятий // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2001, №5, С.411-419.

3. Аммосов И.И.Зона окисления углей. М.: Наука, 1965.

4. Борисов М. В., Шваров Ю. В. Термодинамика геохимических процессов. М.: МГУ, 1992.

5. Брилинг И.А. Фильтрация в глинистых породах. М., 1984.- Гидрогеология и инженерная геология: Обзор/ВНИИ экон. минер, сырья и геол.-развед. работ. ВИЭМС.

6. Веригин Н.Н. Методы прогноза солевого режима грунтов и грунтовых вод. М., Колос, 1979.

7. Вишняк А.И. Оценка ресурсов и регулирующих запасов подземных вод в ограниченных карбонатных структурах Среднего Урала. ЭКВАТЭК-2002: Материалы конгресса. М., 2002. С 232-233

8. Вишняк А.И. Влияние отвалов песчано-глинистых пород на качество подземных вод // Вестник воронежского университета. 2006. № 1 (в печати)

9. Волков И.И. Глобальный биогеохимический цикл серы и влияние на него деятельности человека.-М.:Наука, 1983.

10. Воронин А.Д. Основы физики почв: Учеб. Пособие. -М.: Изд-во Моск. Ун-та 1986.

11. Вострокнутов Г. А. Формирование и геохимические особенности рудных и ореольных вод сульфидных месторождений Урала // Формирование химического состава и запасов подземных вод Урала: Гидрогеологический сборник № 5.-Свердловск, РИСО1. УФ АН СССР, 1968.

12. Всеволожский В.А. Основы гидрогеологии. -М.: МГУ, 1991.

13. Газенко Н.В., Рошаль А.А., Шестаков В.М. Изучение солепереноса при промывках засоленных земель на основе модели гетерогенно-блокового строения В кн.: Гидрогеология и инженерная геология. Новочеркасск, 1977, С. 3-13.

14. Годовиков А.А. Минералогия. М., Недра, 1975.

15. Гольдберг В.М., Скворцов Н.П. Проницаемость и фильтрация в глинах. М.:Недра, 1986.

16. Грязнов О.Н., Новиков В.П., Фельдман A.J1. Гидрогеологические и геоэкологические аспекты разработки рудных месторождений горно-складчатого Урала. Известия ВУЗов. Горный журнал, 1995 № 5.

17. Джамалов Р.Г., Злобина B.JL, Мироненко М.В., Рыженко Б.Н. Влияние закисления атмосферных осадков на химические равновесия. Полевые данные. Термодинамическое моделирование // Водные ресурсы 1996, том 23, № 5, С.556-564.

18. Добровольский Е.В., Дорофей Е.Н. Основные кинетические константы гидрогеохимических процессов. Киев: ИГН УСССР, 1988.

19. Емлин Э.Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала. Свердловск: Изд-во Урал, ун-та, 1991.

20. Закутан В.П. Окислительно-восстановительные состояния хозяйственно-питьевых подземных вод.-Отечественная геология, 1992, №9, С.65-73.

21. Иванов О.П. Основные факторы развития зон окисления сульфидных месторождений в условиях многолетней мерзлоты // Геохимия. 1966. № 6. С. 1095-1104.

22. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. Книга 1. s-элементы. -М.: Недра, 1994.

23. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. Книга 2. Главные р-элементы. М.: Недра, 1994.

24. Иовчев Р. И. и др. Влияние разработки месторождений полезных ископаемых на состояние подземной гидросферы.//Подземные воды и эволюция литосферы. М.: Наука. Т. 2,1985. С. 399-402.

25. Кизилыптейн Л.Я. Генезис серы в углях. Ростов-на-Дону: Изд-во Рост.ун-та, 1975.

26. Крайнов С.Р. Геохимические модели прогноза формирования качества подземных вод // Водные ресурсы. 1999, том 26, № 3, С. 322-334.

27. Крайнов С.Р., Закутан В.П. Геохимико-экологическое состояние подземных вод России (причины и тенденции изменения химического состава подземных вод).-Геохимия, 1994, №3, С.312-328.

28. Крайнов С.Р., Шваров Ю.В., Гричук Д.В. и др. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии. М.: Недра, 1988.

29. Крайнов С.Р., Швец В.М. Основы геохимии подземных вод.-М.:Недра, 1980.

30. Крамаренко JI. Е. Геохимическое и поисковое значение микроорганизмов подземных вод. J1.: Недра, 1983.

31. Кузнецов С.И., Иванов М.В., Ляликова Н.Н. Введение в геологическую микробиологию. Изд-во АН СССР, 1962.

32. Кулик Д.А., Чудненко К.В., Карпов И.К. Алгоритм физико-химического моделирования эволюции системы локально-равновесных резервуаров, связанных потоками подвижных групп фаз // Геохимия. 1992. № 6. С. 858-870.

33. Лехов А.В., Вишняк А.И. Модель окисления дисперсного пирита песчано-глинистых отложений при водопонижении // Геоэкология. 2005. № 6. С. 505-516.

34. Лехов А.В., Соколов В.Н. Проблемы миграции продуктов разложения осадка сточных вод // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2002, №1, С.39-48.

35. Лехов А.В., Шваров Ю.В. Влияние пирита покровной толщи карбонатного водоносного горизонта на повышение минерализации водозабора. Тез. Док. Ломоносовских чтений, 1997, Геологический ф-т МГУ

36. Лехов А.В., Шваров Ю.В. Рост минерализации эксплуатируемых подземных вод при наличии пирита в покровных отложениях // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2002, № 4, С.316-325.

37. Макаров В.Н., Кременецкая И.П., Васильева Т.Н., Корытная О.П. Влияние влажности на скорость окисления сульфидов // Инженерная экология. 1997. №5. С. 19-25.

38. Металлогения и геохимия угленосных и сланцесодержащих толщ СССР/ Под ред. Н.А.Созинова.-М.:Наука, 1987

39. Мироненко В.А. Румынии В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии. Монография в трех томах., М., издательство Московского государственного горного института 1999.

40. Намиот АЛО. Растворимость газов в воде: Справочное пособие. М.: Недра, 1991.

41. Перельман А. И. Геохимия эпигенетических процессов (зона гипергенеза). М.: Недра, 1968.

42. Перельман А.А. Геохимия. -М.: Высш. школа, 1979.

43. Перельман А.И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза. М.:Недра, 1972.

44. Перри Дж. Справочник инженера-химика.-М.:Химия, т.1,1969.

45. Попов В.Г., Абдрахманов Р.Ф., Тугуши И.Н. Обменно-адсорбционные процессы в подземной гидросфере. Уфа, БНЦ УрО РАН, 1992.

46. Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник.-М.:Мысль, 1990.

47. Рекс J1.M., Шестаков В.М. Прогнозы водно-солевого режима и рассоления пород зоны аэрации. Тезисы докл. третьего межвед. совещ. по вопросам прогноз, гидрогеол., инж.-геол. и почвенно-мелиоративн. условий, вып. 1. М., 1977.

48. Ронов А.Б., Магдисов А.А. Эволюция химического состава пород щитов и осадочного покрова Русской и Северо-Американской платформ // Геохимия.-1970.-№4. С.403-438

49. Смирнов С.С. Зона окисления сульфидных месторождений. Изд-во АН СССР, 1955.

50. Табаксблат J1.C., Сахарова В.М. Основные гидролизаты кислых рудничных вод сульфидных месторождений // Геология Казахстана 1994, № 2. С. 71-78.

51. Тютюнова Ф.И. Физико-химические процессы в подземных водах.-М.:Наука, 1976.

52. Тютюнова Ф.И., Пантелеев И.Я., Пантелеева Т.И., Огильви А.Н., Федорова Т.К. Прогноз качества подземных вод в связи с их охраной от загрязнения. М., «Наука», 1978.

53. Тютюнова Ф.И. Гидрогеохимия техногенеза. М.: Наука, 1987.

54. Фельдман A.JL, Вишняк А.И., Рыбникова JI.C. Природно-техногенное загрязнение подземных вод при эксплуатации водозаборов и дренажей на Среднем Урале. Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики: Сб. докл. конференции.-СПб., 2002. С. 161-169

55. Чантурия В.А., Башлыкова Т.В. Технологическая оценка минерального сырья с помощью автоматического анализа изображений. Горный вестник, № 1, 1998 г.

56. Шваров Ю. В. Алгоритмизация численного моделирования динамических геохимических процессов. Геохимия, № 6,1999, С. 646-652

57. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика.-М.: МГУ, 1995.

58. Шестаков В.М. Динамика подземных вод.М.: МГУ, 2-е изд., 1979.

59. Шестаков В.М., Пашковский И.С., Сойфер A.M. Гидрогеологические исследования на орошаемых территориях. М., Недра, 1982.

60. Шестаков В.М., Широкова Е.К. Изучение проницаемости зоны аэрации на опытном участке орошения. Научные труды ТашГУ, вып. 488, 1976, С.56-67.

61. Щербина В.В. К геохимии зоны окисления рудных месторождений. «Советская геология», 1955, № 43.

62. Юровский А.З. Сера каменных углей. М.: Изд-во АН СССР. 1960.

63. Ярошевский А.А. Кларки геосфер // Справочник по геохимическим поискам полезных ископаемых.-М.: Недра, 1990. С. 7-14.

64. Яхонтова JI.K., Грудев А.П. Минералогия окисленных руд: Справочное пособие. М.: Недра, 1987.

65. Apello С. A. J., Postma D. Geochemistry, groundwater and pollution. Rotterdam, Balkema, 1996.

66. Arkesteyn G.J.M.W. Pyrite oxidation in acid sulphate soils: The role of microorganisms // Plant & Soil. 1980. V.54.P.119-134.

67. Bear J. Dynamics of fluids in porous media. Amer. Els.N.Y., 1972.

68. Chang Soobum, Berner Robert A. Coal weathering and the geochemical carbon cycle // Geochim et cosmochim acta 1999.-63, № 19-20. - P. 3301-3310.

69. Cosby B.J., Hornberger G.M., Wright R.T., Gallaway J.N. Modeling the effect of acid deposition: Control long-term sulfate dynamics by soil sulfate adsorption. Water Res. Res., 1986, v.22, № 8, P. 1283-1291.

70. Cravotta C. A. Effect of sewage sludge on formation of acidic ground water at a reclaimed coal mine. Ground Water, v. 35, No. 6,1998, P. 9-19

71. Cresser M., Edwards A. Acidation of freshwater. Cambridge University Press, 1987.

72. Hartog N., Griffioen J., Van Der Weijden C. Distribution and Reactivity of 02-Reducing Components in Sediments from a Layered Aquifer. Environ. Sci. Technol. 2002,36,23382344

73. Kakegava Takeshi, Kawai Hajime, Ohmoto Hiroshi. Origins of pyrites in the -2,5 Ga Mt. McRae shale, the Hamersley distridct, Western Australia // Geochim. et cosmochim. acta.-1998.-62, № 19-20.-P.3205-3220.

74. Kinzelbach W. Groundwater Modeling. An Introduction with Sample Programs in Basic. -Developments in Water Science. Amsterdam, 1986, P.333.

75. March K.B., Tillman R.W., Syers J.K. Charge relationships of sulfate sorption by soils. -Soil Sci. Soc. Am. Journal, 1987, v.51, P. 318-323.

76. McKibben M. A., Barnes H. L. Oxidation of pyrite in low temperature acidic solution: Rate laws and surface textures. Geochim. Cosmochim. Acta, 50, 1986, P. 1509-1520

77. Nicholson R. V., Gilham R. W., Reardon E. J. Pyrite oxidation in carbonate-buffered solution: 1. Experimental kinetics. Geochim. Cosmochim. Acta, 52,1988, P. 1077-1085

78. Nicholson R. V., Gilham R. W., Reardon E. J. Pyrite oxidation in carbonate-buffered solution: 1. Rate control by oxidation coatings. Geochim. Cosmochim. Acta, 54,1990, P. 395402

79. Ogata A. Theory of dispersion in granular medium. Fluid Movements in Earth Materials. Geological Survey Professional Paper 411-1,1970.

80. Peiffer Stefan, Stubert Irene. The oxidation of pyrite at pH 7 in the presence of reducing and nonreducing Fe(m)-chelators // Geochim et cosmochim acta 1999.-63, № 19-20. - P. 3171-3182.

81. Robertson W.D., Russel B.M., Cherry J. A. Attenuation of nitrate in aquitard sediments of southern Ontario. Journal of Hydrology, 1996, v. 180, № 1-4, P. 267-281.

82. Singer P. C., Stumm W. Acid mine drainage: The rate limiting step. Science, 167,1970, P. 1121-1123

83. Van Beek C.G.E.M., Van Puffelen J. Changes in the chemical composition of drinking water after well infiltration in an unconsolidated sandy aquifer. Water Res. Res., 1987, v.23, № 1, P. 69-76.

84. Wehrli B. Redox reactions of metal ions in mineral surfaces // Acuatic Chemical Kinetics / Ed. W. Stumm. Ch. 11. Chichester: John Wiley & Sons, 1990. P.311-336.