Структурно-гидрогеологический анализ и физико-химическое моделирование процессов формирования подземных вод района Северо-Муйского тоннеля БАМ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.07, кандидат геолого-минералогических наук Данилова, Мария Александровна

• Данилова, Мария Александровна
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Данилова, Мария Александровна

Введение

Глава 1. Особенности формирования подземных вод в кайнозойских рифто- 9 вых структурах

Глава 2. Природные условия формирования подземных вод северо- 26 восточного фланга Байкальской рифтовой зоны

2.1. Ландшафтные факторы

2.1.1. Орография

2.1.2. Гидрография

2.1.3. Климат

2.1.4. Почвы и растительность

2.1.5. Распространение многолетнемерзлых пород

2.2. Геолого-структурные условия

2.2.1. История геологического развития

2.2.2. Характеристика современных геологических структур

Глава 3. Структурно - гидрогеологическое районирование и характеристика гидрогеологических структур

3.1. Основные типы гидрогеологических структур

3.1.1. Гидрогеологические бассейны •

3.1.2. Гидрогеологические массивы

3.1.3. Обводненные разломы

3.2. Особенности формирования подземных вод района Северо- 75 Муйского тоннеля БАМ

3.2.1. Муяканский бассейн

3.2.2. Северо-Муйский массив

3.2.3. Приповерхностные и глубокие обводненные разломы

Глава 4. Современная обводненность Северо-Муйского тоннеля БАМ

4.1. Конструктивные особенности инженерного сооружения

4.2. Детальное структурно-гидрогеологическое районирование и гидро- 102 геохимическая типизация

Глава 5. Физико-химическое моделирование в структурной гидрогеологии

5.1. Моделирование гидрогеохимических процессов

5.2. Моделирование процессов формирования состава подземных вод 130 района Северо-Муйского тоннеля

5.2.1. Исходные данные для построения модели

5.2.2. Модель №1 «подземные воды массивов и приповерхностных раз- 136 ломов»

5.2.3. Модель № 2 «подземные воды глубоких разломов»

5.3. Моделирование процесса разрушения бетонной обделки

5.3.1. Модель №3.1 «бетон - вода» при 14°С и 3 9°С

5.3.2. Модель № 3.2. «гранит-вода» при 14 °С и 39 °С 157 Заключение 162 Список литературы 166 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурно-гидрогеологический анализ и физико-химическое моделирование процессов формирования подземных вод района Северо-Муйского тоннеля БАМ»

Процессы и закономерности формирования подземных вод в рифтовых структурах остаются до настоящего времени слабоизученными. А именно в них по глубоким тектоническим зонам осуществляется обмен веществом между поверхностью Земли и мантией; происходят наиболее существенные геологические процессы: современная вулканическая деятельность, высокая сейсмичность, повышенные значения тепловых потоков и гидротермальная активность. В результате создаются особые структурно-гидрогеологические условия, протекают специфические физико-химические процессы и формируются растворы, не существующие ни в каких других геотектонических об-становках. Подземные воды рифтовых структур являются специфичными в силу того, что их количественные и качественные характеристики на современном этапе развития рифта невозможно объяснить только существующими геолого-структурными и климатическими особенностями. Своими особенностями они обязаны соответствующему этапу эволюции рифтовой зоны, в отличие от атмогенных вод, существующих без влияния процессов рифтообра-зования. Выяснение механизма формирования природных вод в рифтовых условиях и определение роли эндогенной составляющей в этом процессе позволит объяснить специфику химического состава как подземных, так и поверхностных вод.

В последние годы роль флюидного режима в литосфере рассматривается в широком спектре геологических процессов - от геодинамических до гидросферных. Вопросы происхождения флюидов, возможности поступления флюида и воды в земную кору из мантии, количество и состав эндогенной фазы остаются остро дискуссионными.

Выбор северо-восточного фланга Байкальской рифтовой зоны в качестве объекта исследований объясняется приуроченностью к данному региону Северо-Муйского тоннеля (СМТ), сложнейшего участка трассы Байкало

Амурской магистрали (БАМ), который является уникальным объектом для непосредственного изучения процессов формирования подземных вод на значительных глубинах. Его высокая обводненность термальными и холодными подземными водами, изучение геологических процессов на глубинах до 300 м дают богатый фактический материал и обширные возможности для исследований. В то же время, именно обводненность является главной проблемой эксплуатации тоннеля, требующей решения.

Северо-Муйский тоннель — уникальное инженерное сооружение по многим показателям своего проектирования и строительства. По протяженности (15 км 343 м) он является самым длинным тоннелем в России и шестым — в мире. Трасса его считается одной из сложнейших в истории мирового тоннелестроения, так как пролегает в породах разной степени крепости, рассеченных многочисленными зонами разломов мощностью от 2 до 50 м с водопритоками от 10 до 1000 м /час, с напором воды до 4 МПа и колебаниями температуры воды от + 3 до + 50°С. Строительство тоннеля началось в 1978 году, а сбойка произошла лишь в 2001. До момента сооружения тоннеля поезда следовали по обходной железнодорожной ветке длиной 54 км (рис. 1, 2), что сопровождалось большими расходами по содержанию пути и обеспечению безопасности движения, перепробег поездов при этом составлял 33 км, а общие ежегодные издержки в ценах 2003 года достигали 15 млн. руб. в год. Кроме того, эксплуатация Северо-Муйского тоннеля дает возможность отказаться от двойной тяги, переведя движение поездов с высокогорной трассы обводного пути. Именно поэтому решение проблемы высокой обводненности тоннеля в настоящее время является актуальной.

Цель работы заключается в установлении процессов формирования подземных вод в рифтовых геодинамических условиях района Северо-Муйского тоннеля БАМ; определении особенностей распределения водопри-токов и выявлении причин деструкции бетонной обделки тоннеля.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Проанализирована история геологического развития северо-восточного фланга Байкальской рифтовой зоны (БРЗ).

2. Выполнено разномасштабное структурно-гидрогеологическое районирование региона исследований.

3. Проведена типизация подземных вод района исследований по их составу, в том числе, детальная - района Северо-Муйского тоннеля БАМ.

4. Выполнено термодинамическое моделирование процессов формирования подземных вод в различных гидрогеологических структурах.

5. Построены термодинамические модели систем «гранит-вода» и «бетонвода».

Рис. 1 Железнодорожный серпантин в обход Северо-Муйского тоннеля

Исходные материалы и вклад автора в решение проблемы. Работа выполнена на базе современного структурно-гидрогеологического анализа с привлечением физико-химического моделирования (программный комплекс «Селектор», разработанный в институте геохимии СО РАН под руководством доктора г.-м.н. Карпова И.К.). В ходе работы автором проводились полевые наземные и подземные исследования в Северо-Муйском тоннеле и разведочно-дренажной штольне, сопровождавшиеся детальными гидрометрическими рабогами и отбором проб воды, пород и новообразований. Макро-и микрокомпонентный анализы природных вод, в том числе ICP-MS, выполнялись в Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (Иркутск). Статистическая обработка результатов химических анализов с целью типизации подземных вод района исследований проводилась с использованием программы «Кластер-анализ».

Рис. 2 Обходной железнодорожный путь

Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей формирования подземных вод района и особенностей современной обводненности СМТ; разработке типизации подземных вод по химическому составу, подкрепляющей выполненное детальное структурно-гидрогеологическое районирование; определении роли глубоких разломов в формировании подземных вод и уточнении генезиса термальных трещинно-жильных подземных вод района СМТ, а также выявлении причин неустойчивости бетонной обделки тоннеля на основе результатов имитационного термодинамического моделирования.

Защищаемые положения. 1. В районе Северо-Муйского тоннеля установлено два типа подземных вод, отражающих особенности их генезиса. Первый тип объединяет подземные воды атмосферного происхождения гидрогеологических массивов, бассейнов и приповерхностных разломов; второй - это трещинно-жильные воды глубоких разломов, принципиально отличающиеся по температуре и химическому составу в связи с иными условиями образования. Основная современная обводненность тоннеля связана с разгрузкой трещинно-жильных вод приповерхностных и глубоких обводненных разломов.

2. Формирование состава подземных вод массивов, бассейнов и приповерхностных разломов обусловлено процессами взаимодействия в системе «атмогенные воды - породы гранитного состава» и сопровождается образованием минералов зоны гипергенеза. В формировании термальных вод принимает участие глубинная компонента, что проявляется в их температуре и высоких содержаниях сульфатов, Не, F, Li. Состав гранита при существующих скоростях фильтрации не способен обеспечить переход в подземные воды фиксируемых количеств этих компонентов.

3. Основная причина неустойчивости бетонной обделки тоннеля заключается в более интенсивном разрушении гранитов, по сравнению с бетоном, в результате взаимодействия с подземными водами с образованием новых гидрогенно-минеральных комплексов. Для снижения обводненности тоннеля необходимо использование клинкерного материала, способного после взаимодействия с подземными водами образовывать минеральный парагенезис, экранирующий обделку тоннеля.

Практическая значимость. Дифференцированы водопритоки на основании гидрометрических замеров в тоннеле и разведочно-дренажной штольне, выявлена ведущая роль трещинно-жильных вод в обводнении СМТ, что позволяет целенаправленно осуществлять мероприятия по водоотливу, снижению гидростатических напоров и сохранению бетонной обделки. Проведена гидрогеохимическая типизация подземных вод, подтверждающая выделение трещинно-жильных вод глубоких разломов в отдельный класс, ярко отличный от подземных вод массивов и приповерхностных разломов. Определены причины разрушения бетонной обделки.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях «Гидроминеральные ресурсы Восточной Сибири» (Иркутск, 2001, 2005), на ежегодных научно-технических конференциях факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии ИрГТУ (Иркутск, 2003, 2005, 2006), на XXI Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2005), на Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Г.В. Богомолова (Минск, 2005), на III Межвузовской конференции молодых ученых и студентов «Молодые - наукам о Земле» (Москва, 2006), на семинаре стипендиатов программы DAAD «Михаил Ломоносов» (Бонн, Германия, 2006), на Всероссийской научной конференции памяти академика Л.В.Таусона (Иркутск, 2007), на III Международной научно-практической конференции, посвященной году планеты Земля и 85-летию Республики Бурятия (Улан-Удэ, 2008), на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование» (Оренбург, 2008).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 работах, в том числе 4 статьи в научно-технических сборниках, из них 1 в рецензируемом издании из перечня ВАК, 10 статей в сборниках по материалам конференций, среди них 4 международных, 5 всероссийских и 1 региональная.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и 5 приложений. Объем работы составляет 178 стр. текста, в том числе 50 рисунков и 21 таблица. Список литературы включает 187 наименований.

Заключение диссертации по теме «Гидрогеология», Данилова, Мария Александровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе выполнено детальное структурно-гидрогеологическое районирование в условиях Северо-Муйского тоннеля, выделены три типа гидрогеологических структур: гидрогеологические массивы, гидрогеологические бассейны и обводненные разломы с присущими им типами подземных вод и особенностями их формирования. Подтверждается факт, что основная современная обводненность Северо-Муйского тоннеля связана с разгрузкой трещинно-жильных вод приповерхностных и глубоких разломов. Это обусловлено местонахождением тоннеля в пределах Байкальской рифтовой зоны, характеризующейся высокой сейсмической активностью, которая, в свою очередь, является причиной постоянных подвижек тектонических блоков по зонам разломов, локализующих водопритоки. Особые условия обводнения существуют в интервале Ангараканской депрессии, где в формировании водопритоков принимают участие порово-пластовые воды одноименного бассейна и тре-щинно-жильные воды Ангаракан-Ковоктинского обводненного разлома. До проходки тоннеля и штольни этот интервал представлял собой зону дробления регионального Ангаракан-Ковоктинского разлома, перекрытого с поверхности аллювиальными отложениями долин рек Итыкит и Ангаракан. В процессе проходки произошел колоссальный вынос водно-грунтовой массы из разломной зоны и заполнение освободившегося пространства поверхностными четвертичными отложениями, что привело к образованию так называемой Ангараканской депрессии. Суммарные водо-притоки в разведочно-дренажную штольню в настоящее время достигают 13400 м3/ч.

На основе структурно-гидрогеологических и гидрогеохимических данных осуществлена систематизация подземных вод района и выявлены основные закономерности формирования подземной гидросферы исследуемого региона. Установлено существование двух типов подземных вод, отражающих особенности их генезиса: первый тип объединяет подземные воды гидрогеологических массивов и приповерхностных разломов, второй тип - это трещинно-жильные воды глубоких разломов. Трещинно-жильные термальные воды глубоких разломов принципиально отличаются от подземных вод первого типа по химическому составу в связи с иными условиями образования. Определяющими факторами выступают температура, глубина формирования, а также возможное влияние мантийной составляющей, что проявляется в высоких содержаниях сульфатов, Не, F, Li. Подземные воды гидрогеологических массивов, бассейнов и приповерхностных разломов, благодаря атмоген-ному происхождению растворителя, могут быть объединены в один тип.

Для исследования особенностей формирования состава подземных вод, участвующих в обводнении тоннеля и разведочно-дренажной штольни, а также для решения проблемы деструкции бетонной обделки, использовался программный комплекс имитационного физико-химического моделирования «Селектор», созданный в Институте геохимии СО РАН под руководством доктора геолого-минералогических наук И.К. Карпова. По результатам численного моделирования процесса формирования подземных вод массивов и приповерхностных разломов их состав обусловлен процессами взаимодействия в системе «атмогенные воды - породы гранитного состава» и сопровождается образованием минералов зоны гипергенеза. При этом эволюция состава фильтрата при движении вглубь массива проявляется в увеличении рН, что сказывается на растворимости Si, НСО3, Ca, Na и S и др. и зависит от скорости фильтрации (степени протекания реакции). Главный вывод сводится к установлению зависимости степени изменения состава фильтрующихся вод от степени протекания реакции. Чем выше скорость фильтрации, тем меньше степень протекания реакции, выражающаяся в меньших преобразованиях состава фильтрата. Обращает внимание тот факт, что концентрации компонентов в разгружающихся в тоннель и штольню подземных водах мас-совов и приповерхностных разломов полностью укладываются в диапазон колебаний содержаний элементов в фильтрате, полученном при моделировании. В целом он оказывается маломинерализованным, недонасыщенным и способным к агрессивному выщелачивающему воздействию на обделку тоннеля.

Моделирование процесса формирования термальных вод зон глубоких разломов, рассматриваемый по схеме нагревания атмогенных вод на глубине около 4 км при давлении 1000 бар, подъема и разгрузки в дренажной штольне, показало, что состав гранитов не способен обеспечить переход необходимого количества F и Li в подземные воды, что свидетельствует об ином источнике микрокомпонентов. Таким источником в рифтовой геодинамической обстановке может являться подкоровый глубинный флюид. При этом макро-компонентный состав модельных термальных вод полностью соответствует реальному составу подземных вод на ПК 7861 и воде Окусиканского источника.

Также в работе описаны основные этапы взаимодействия в системе «вода-порода», определена роль бетонной обделки тоннеля в преобразовании состава и свойств подземных вод. На основании термодинамического моделирования установлено, что подземные воды Северо-Муйского тоннеля при прочих равных условиях обладают более деструктивным воздействием на вмещающие породы, чем на бетонную обделку тоннеля. Постоянный вынос материала из породы приводит к образованию неустойчивых участков и пустот, бетон теряет сцепление с породой и разрушается под лито- и гидростатическим напорами. Возможным вариантом решения проблемы может служить внешняя гидроизоляция бетонной обделки путем нагнетания органических полимеров высокой вязкости в разломные зоны гранитов. Однако это требует специальных дополнительных исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Данилова, Мария Александровна, 2010 год

1. Аверьев В.В. Условия разгрузки Паужетских гидротерм на юге Камчатки // Гидротермальные процессы и минералообразование в областях активного вулканизма. Труды Лаборатории вулканологии. —М.: Изд-во Акад. наук СССР, 1961. -№ 19. С. 8098.

2. Аверьев В.В. Гидротермальный процесс в вулканических областях и его связь с вулканической деятельностью // Труды II всесоюз. вулканолог, совещ. М.: Наука, 1966. -Т.1. -С.118-128.

3. Алексеева Л.П. Типы мерзлотно-гидрогеологических условий и использование подземных вод для водоснабжения рифтовой части зоны БАМ: автореф. дис. . канд. геол.-мин. наук (25.00.07). Иркутск, 1990. - 21 с.

4. Алтынникова М.А., Диденков Ю.Н. Гидрогеологические структуры северовосточного фланга Байкальской рифтовой зоны // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований. Иркутск, 2005. - С. 231— 236.

5. Арноррсон С., Кононов В.И., Поляк Б.Г. Общие черты и геохимические особенности гидротерм Исландии // Геохимия, 1974. № 12. - С. 1747-1767.

6. Арсанова Г.И. Редкие щелочи в термальных водах вулканических областей. Новосибирск: Наука, 1974. - 111 с.

7. Базаров Д.Б. Кайнозой Прибайкалья и Западного Забайкалья. Новосибирск: Наука. Сиб.отд-е, 1987.-181 с.

8. Байкальский рифт. Под редакцией Н.А. Флоренсова. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е, 1975.- 135 с.

9. Басков Е.А., Суриков С.Н. Гидротермы Земли. Ленинград: Недра. Ленингр. отд-е, 1989.-245 с.

10. Белова В.А. История развития растительности котловин Байкальской рифтовой зоны. -М., 1975. -142 с.

11. Белоусов В.В., Герасимовский В.И., Горячев А.В. и др. Восточно-Африканская рифтовая система. Т. 1. Основные черты строения. Стратиграфия. М.: Наука, 1974. -264 с.

12. Белоусов В.В., Герасимовский В.И., Горячев А.В. и др. Восточно-Африканская рифтовая система. Т. 2: Гипергенные образования. Геоморфология. Неотектоника. — М.: Наука, 1974.-260 с.

13. Борисенко И.М., Замана JI.B. Минеральные воды Бурятской АССР. Улан-Удэ, 1978.-162 с.

14. Бычинский В.А., Исаев В.П., Тупицын А.А. Физико-химическое моделирование в нефтегазовой геохимии. Часть 1. Теория и методология физико-химического моделирования: учебное пособие. Иркутск, 2004а. - 132 с.

15. Бычинский В.А., Исаев В.П., Тупицын А.А. Физико-химическое моделирование в нефтегазовой геохимии. Часть 2. Модели гетерогенных систем: учебное пособие. — Иркутск, 20046. 160 с.

16. Валяев Б.М. Углеводородная дегазация Земли и генезис нефтегазовых месторождений // Геология нефти и газа, 1997. №9. - С. 30-37.

17. Валяшко М.Г. Эволюция химического состава воды океана // История Мирового океана.-М., 1971.-С. 97-104.

18. Верхозин И.И., Тугарина М.А., Диденков Ю.Н., Шабынин JI.JI., Реуцкая A.M., Ал-тынникова М.А., Легун А.Ю. Условия обводненности Северомуйского тоннеля // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, 2005. — № 4 (8). С. 152 -159.

19. Виноградов А.П. Химическая эволюция Земли. М.: Изд-во АН СССР, 1959. - 44 с.

20. Виноградов А.П. Изотопы кислорода и фотосинтез. М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 33 с.

21. Власов С. Н. БАМ. Тоннели. МПС, 1999. - 218 с.

22. Вотинцев К.К., Глазунов И.В., Толмачева А.П. Гидрохимия рек бассейна озера Байкал. М.: Наука, 1965. 498 с.

23. Гаврилов В.П., Григорьянц Б.В., Дворецкий П.И. и др. Разломная тектоника и нефте-газонакопление в земной коре // Отечественная геология, 1997. № 10. - С. 3-8.

24. Галушкин Ю.Н. Тепловой режим и условия генерации углеводородов на рифтовой стадии развития континентальных осадочных бассейнов // Геология нефти и газа, 2005.-№6.-С. 13-24.

25. Гаррелс P.M. Минеральные равновесия при низких температурах и давлении. М.: Изд-во иностр. лит., 1962. - 306 с.

26. Гаррелс P.M., Крайст И.Л. Растворы, минералы, равновесия. М.: Мир, 1968. - 386 с.

27. Геологическая эволюция и самоорганизация системы вода-порода: в 5 томах. Т. 1. Система вода-порода в земной коре: взаимодействие, кинетика, равновесие, моделирование. Отв. ред. тома С.Л. Шварцев. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. - 244 с.

28. Геологическая эволюция и самоорганизация системы вода-порода: в 5 томах. Т. 2:

29. Система вода—порода в условиях зоны гипергенеза. Отв. редактор тома Б. Н. Рыжен-ко ИНГГ СО РАН: Изд-во СО РАН, 2007. - 389 с.

30. Геологическое развитие Байкальского рифта // Озеро Байкал: прошлое, настоящее, будущее: Атлас. Иркутск, 2005. - С. 16-20.

31. Геология и сейсмичность зоны БАМ. Т.1. Гидрогеология. Отв. ред. Пиннекер Е.В., Шабынин JI.JL, Ясько В.Г. и др. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1984а. - 165 с.

32. Геология и сейсмичность зоны БАМ. Т. 2. Кайнозойские отложения и геоморфология. Отв. ред. Ендрихинский А.С., Осадчий С.С., Агафонов Б.П. и др. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1983. - 171 с.

33. Геология и сейсмичность зоны БАМ. Т.З. Неотектоника. Отв. ред. Шерман С.И., Леви С.И., Ружич В.В. и др. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 19846. - 207 с.

34. Гидрогеология Африки. Под. Ред. Н.А. Маринова. М.: Недра, 1978. - 371 с.

35. Голубев В.А. Тепловые и химические характеристики гидротермальных систем Байкальской рифтовой зоны.// Сов. геология, 19826. №10. - С.100-108.

36. Голубев В.А. Геотермический прогноз глубин нижней границы газогидратного слоя в донных отложениях озера Байкал // Доклады академии наук, 1997а. Т. 352. - №5. - С. 652-655.

37. Голубев В.А., Шабынин JI.JI. Перераспределение глубинного тепла потоками метеогенных вод в Байкальской рифтовой зоне: данные по Северо-Муйскому тоннелю БАМ // Доклады академии наук. 19976. - Т.355. - № 4. - С. 532-535.

38. Голубев В.А. Кондуктивный и конвективный вынос тепла в Байкальской рифтовой зоне. Новосибирск: изд-во «Гео», 2007. - 222 с.

39. Грачев А.Ф. Рифтовые зоны Земли. Недра. Ленингр. отд-ние, 1977. 247 с.

40. Грачев А.Ф., Мартынова М.А. Некоторые закономерности формирования гидросферы // Вестник ЛГУ, 1980. № 24. - С. 76-85.

41. Гричук Д.В. Термодинамические модели субмаринных гидротермальных систем. -М.: Научный мир, 2000. 304 с.

42. Гусев В.А., Карпов И.К., Киселев А.И. Алгоритм построения иерархической кластер-анализом в геолого-геохимических приложениях // Известия АН СССР. Серия геологическая, 1974. №8. — С.61-68.

43. Дегазация Земли и геотектоника // I Материалы симпозиума. Под. ред. П.Н. Кропоткина. М.: Наука, 1980. - 292 с.

44. Диденков Ю.Н. Формирование гидросферы Байкальского региона в связи с процессами рифтогенеза // Геология, поиски и разведка месторождений рудных полезных ископаемых. Иркутск: ИрГТУ, 1998. - №22. - С. 68-77.45.46,4750,51,52,53,54,55.