Ѕаза знаний студента. –еферат, курсова€, контрольна€, диплом на заказ

курсовые,контрольные,дипломы,рефераты

»зменение химического состава подземных вод в ограниченных карбонатных структурах при окислении пирита покровных отложений — √еографи€

ѕосмотреть видео по теме –еферата

(на примере ѕолдневского месторождени€ ≈горшинско- аменской синклинали ¬осточно-”ральского прогиба)

¬ишн€к јлександр »льич

јвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

¬ведение

јктуальность проблемы. Ќа многих водозаборах —реднего ”рала наблюдаетс€ тревожна€ тенденци€ в изменении химического состава подземных вод. ¬ 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 4-7 ммоль/л до 8-15 ммоль/л). “акое изменение химического состава подземных вод отмечаетс€ на водозаборах, каптирующих пресные подземные воды меридионально выт€нутых ограниченных карбонатных структур, которые прот€нулись на многие сотни километров по границе √орноскладчатого ”рала и «ападно-—ибирской низменности. «начительные ресурсы подземных вод, формирующиес€ в данных карбонатных структурах, многие годы активно используютс€ дл€ водоснабжени€ городов ”рала. ƒальнейша€ трансформаци€ химического состава может привести к невозможности использовани€ водозаборов по назначению.

ѕричиной описанного выше ухудшени€ качества подземных вод €вл€етс€ активизаци€ в результате водоотбора процессов окислени€ пирита и сернокислотного выщелачивани€. Ќаиболее изучены эти процессы на сульфидных (—мирнов, 1955; ўербина, 1955; “абаксблат, —ахарова, 1994) и угольных (јмосов, 1965) месторождени€х. ќднако такие €влени€ наблюдаютс€ на месторождени€х почти всех видов полезных ископаемых, добываемых на —реднем ”рале ( овальчук и др., 1963): колчеданных, полиметаллических и золотополиметаллических, железорудных, угольных, огнеупорных глин, бокситов, известн€ков. Ѕольшое количество материалов по развитию процессов окислени€ сульфидов в различных горных породах обобщено ј.».ѕерельманом (ѕерельман, 1968).

»зменение химического состава подземных вод на водозаборах —реднего ”рала, св€занное с окислением пирита, рассмотрено в р€де работ (Ћехов, Ўваров, 1997, 2002; ‘ельдман, ¬ишн€к, –ыбникова, 2001, 2002; Ћехов, ¬ишн€к 2005).   насто€щему времени сложились следующие представлени€ об этом процессе. ѕолосы карбонатных пород разбиты на отдельные разобщенные в гидродинамическом плане блоки. ѕлощадь блоков составл€ет первые дес€тки квадратных километров. ѕланова€ ограниченность данных гидрогеологических структур приводит к образованию в результате водоотбора глубокой депрессии. ¬ сформировавшейс€ таким образом зоне аэрации оказываютс€ мезокайнозойские осадочные породы, слагающие верхний этаж месторождений, которые изначально содержат рассе€нный пирит, образовавшийс€ в результате де€тельности сульфатредуцирующих бактерий. —мена восстановительных условий на окислительные приводит к окислению сульфидных минералов. ¬ результате образуютс€ кислые сульфатные воды. ѕри взаимодействии их с карбонатами кальци€ и магни€ происходит нейтрализаци€ кислотности, а за счет поступлени€ в раствор ионов кальци€ и магни€ наблюдаетс€ рост жесткости и минерализации.

÷ель и задачи исследовани€. Ќесмотр€ на то, что причина ухудшени€ качества подземных вод на рассматриваемых водозаборах известна, удовлетворительна€ количественна€ гидрогеохимическа€ модель данного процесса до сих пор не разработана. ¬ результате без ответа остаютс€ р€д важных практических вопросов: 1)  огда прекратитс€ трансформаци€ химического состава воды на действующих водозаборах и будет ли вода пригодна дл€ питьевого водоснабжени€; 2) ¬озможно ли улучшение или стабилизаци€ качества воды на давно эксплуатируемых водозаборах путем изменени€ схемы или интенсивности водоотбора; 3)  ак надо проектировать и эксплуатировать водозаборы в данных гидрогеологических структурах, и какие дополнительные исследовани€ необходимы на этапе разведки.

÷ель данной работы - разработка теоретических и методических основ дл€ количественного моделировани€ процессов изменени€ качества воды на водозаборах, св€занного с окислением пирита. Ёто позволит дать ответы на поставленные выше вопросы.

¬ задачи исследовани€ входили: 1) ќбобщение фактических и литературных данных по вопросам окислени€ пирита; 2) Ќатурные исследовани€, включа€ бурение скважин, опробование и химико-аналитические исследовани€; 3) —равнительный анализ изменени€ химического состава подземных вод на серии водозаборов; 4) ‘ормулировка математической модели с учетом миграции кислорода, нейтрализации серной кислоты, миграции продуктов; 5) –асчеты скорости изменени€ химического состава отбираемой воды за счет фактической изменчивости мощности покровных отложений.

ќбъект исследовани€. ћесторождени€ подземных вод в ограниченных карбонатных структурах —реднего ”рала характеризуютс€ сходством геолого-гидрогеологических и геохимических условий. –ассмотреть в рамках одной работы все месторождени€, где наблюдаетс€ ухудшение качества подземных вод вследствие окислени€ пирита, невозможно. Ќеобходимо использовать принцип аналогии, изучив развитие процесса на одном месторождении и распростран€€ полученные выводы на остальные.

Ѕазисным объектом исследовани€ стало ѕолдневское месторождение подземных вод, используемое дл€ хоз€йственно-питьевого водоснабжени€ города Ѕогданович —вердловской области. ѕо данному месторождению в последнее врем€ получено наибольшее количество данных. “ам проводитс€ мониторинг подземных вод, св€занный с совместной эксплуатацией месторождени€ огнеупорных глин и водозабора. Ќа этом объекте развитие процесса окислени€ пирита и сернокислотного выщелачивани€ может быть исследовано не только в услови€х естественного сложени€ горных пород, но и в техногенных образовани€х, св€занных с горными работами (отвалы, рекультивированные и действующие карьеры).

‘актический материал. √еологическое строение ѕолдневского месторождени€ охарактеризовано 98 разведочными скважинами. –егул€рные режимные наблюдени€ за химическим составом, уровнем подземных вод и величиной водоотбора на объекте провод€тс€ с начала 60-х годов. ¬ 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 р€дами наблюдений более 30-40 лет.

ƒл€ детального изучени€ зоны окислени€ в рамках данной работы были пробурены две скважины на покровные отложени€ естественного сложени€ (глубиной 19 и 50 м) и одна скважина на породы внутреннего отвала (глубиной 35 м) в теле рекультивированного карьера. ћонолиты, отобранные в процессе бурени€ через 1 - 5 м (всего 31), использовались дл€ определени€ водно-физических свойств, гранулометрического состава, химического состава пород, минералогического анализа, химического состава поровых растворов и растворимых компонентов.  роме того, из данных скважин отобраны пробы воды дл€ определени€ состава грунтовых вод на участке зоны окислени€.

ћетоды исследовани€. –абота заключалась в обобщении и анализе многолетних наблюдений за режимом подземных вод на ѕолдневском месторождени€, а так же в изучении результатов опробовани€ скважин, вскрывающих непосредственно зону окислени€. ћетодами математического моделировани€ на основе непосредственно измеренных параметров, либо данных, заимствованных из литературных источников, строилась гидрогеохимическа€ модель зоны окислени€ и области миграции продуктов окислени€.  орректность построени€ моделей и прин€тых параметров определ€лась сравнением с данными, полученными при опробовании реальной зоны окислени€. ѕо результатам моделировани€ выполн€лись прогнозы дальнейшего развити€ ситуации, которые необходимы дл€ выработки рекомендаций по дальнейшей эксплуатации месторождений подземных вод данного типа и освоению новых участков, перспективных дл€ водоснабжени€.

—остав и структура работы. –абота состоит из п€ти частей: 1. ќписание гидрогеологических особенностей ѕолдневского месторождени€. 2. ’арактеристика покровных отложений, структуры их порового пространства и закономерностей распределени€ пирита. 3. ћатематическа€ модель окислени€ пирита, преобразовани€ и миграции продуктов окислени€ в покровных отложени€х ѕолдневского месторождени€. 4. ќценка интенсивности окислени€ пирита и выноса продуктов окислени€ на различных типовых разрезах в реальном диапазоне параметров методами численного моделировани€. ќпределение лимитирующей стадии процесса. 5. ѕрогноз изменени€ химического состава воды на действующих водозаборах (на примере ѕолдневского и —еверо-ћазулинского водозаборов).

Ќаучна€ новизна. —оздана комплексна€ модель окислени€ пирита в покровных отложени€х с учетом преобразовани€ и миграции продуктов реакции. ¬ ходе проведенного исследовани€ и в результате моделировани€ получено несколько новых выводов, касающихс€ месторождений подземных вод, на которых в зоне аэрации могут оказатьс€ пиритсодержащие песчано-глинистые отложени€ с обычными концентраци€ми пирита (от 0,05 до 10 кларков или 0,025-5 весовых процентов):

”становлено, что интенсивность окислени€ пирита лимитируетс€ диффузионным переносом кислорода вглубь толщи покровных отложений, поэтому на ухудшение качества подземных вод концентраци€ пирита практически не вли€ет (достаточно даже 0,05 кларка или 0,025 % пирита).

¬ы€влено, что после длительной эксплуатации качество воды на водозаборах не может быть восстановлено за разумный период времени, даже если прекратить окисление пирита путем повышени€ уровн€ подземных вод. Ётому преп€тствует значительный период водообмена, характерный дл€ рассматриваемого типа месторождений (50-200 лет). ¬рем€ миграции загр€знени€ до водозаборных скважин от разных участков зоны окислени€ колеблетс€ от первых лет до сотни лет, что св€зано с резкой изменчивостью мощности покровных отложений.

ќценена роль процесса гипсообразовани€ в зоне окислени€ - как буфера, преп€тствующего катастрофическому ухудшению качества воды на питьевых водозаборах.

”становлено, что при складировании пиритсодержащих глинистых пород на поверхности земли за несколько мес€цев может окислитьс€ до 20% пирита, а дл€ полного вымывани€ образовавшегос€ гипса инфильтрационным потоком потребуетс€ несколько сотен лет.

ѕрактическа€ значимость. ¬ работе дан прогноз времени стабилизации и конечного химического состава подземных вод на ѕолдневском и —еверо-ћазулинском водозаборах, которые используютс€ дл€ хоз€йственно-питьевого водоснабжени€ городов Ѕогданович и  аменск-”ральский. –азработана гидрогеохимическа€ модель окислени€ пирита и миграции продуктов окислени€ в водоносный горизонт. ѕоказано, что допустимое понижение уровн€ подземных вод на месторождени€х данного типа должно учитывать верхнюю границу распространени€ пород, содержащих пирит. –екомендовано применение барражных скважин, дл€ защиты водозаборов от загр€знени€ со стороны карьеров и отвалов.

–езультаты исследований использовались при переоценке эксплуатационных запасов ѕолдневского, Ѕогдановичского и —еверо-ћазулинского месторождений подземных вод и проведении мониторинга на “роицко-Ѕайновском месторождении огнеупорных глин. Ќа основе авторских рекомендаций в 2002 году была изменена схема ѕолдневского водозабора с использованием барражной скважины между карьером и водозабором. Ёто позволило существенно улучшить качество отбираемой воды и довести его до питьевых кондиций по жесткости (по крайней мере, на ближайшие 10 - 20 лет).

јпробаци€ работы. ќсновные положени€ диссертационной работы были изложены в 6 публикаци€х и 2 отчетах по оценке эксплуатационных запасов подземных вод дл€ водоснабжени€ г. Ѕогданович, утвержденных “ « ƒѕ– по ”ральскому региону (2002, 2003), доложены на международном конгрессе Ё ¬ј“Ё  2002, на конференции (—.ѕетербург, 2002), на —ергеевских чтени€х (ћосква, 2002, 2005), на Ћомоносовских чтени€х √еологического факультета ћ√” (ћосква, 2005).

ƒиссертационна€ работа выполнена под научным руководством д.г.-м.н., профессора ј.¬. Ћехова, которому автор выражает глубокую благодарность за советы и всестороннюю помощь. јвтор также благодарен директору Ќѕ‘ к.г.-м.н. ј.Ћ. ‘ельдману за организацию полевых работ по изучению зоны окислени€ ѕолдневского месторождени€ и директору “÷ ”ралгеомониторинг к.г.-м.н. Ћ.—. –ыбниковой за консультации и помощь в сборе фактического материала, а также д.г.-м.н., профессору –.—. Ўтенгелову за р€д ценных критических замечаний. Ѕольшую помощь в изучении истории совместной эксплуатации карьера глин и водозабора оказал главный геолог Ѕогдановичского ќјќ √.». ¬ольхин, которому автор очень благодарен. јвтор также благодарен ведущему гидрогеологу Ќѕ‘ ё.ј. јристову за помощь в проведении опробовани€ зоны окислени€.

√лава 1. ќбщие сведени€ о ѕолдневском месторождении

¬ данной главе описываютс€ гидрогеологические особенности месторождений подземных вод в ограниченных карбонатных структурах широко распространенных на стыке горно-складчатого ”рала и «ападно-—ибирской низменности на примере типичного ѕолдневского месторождени€. ¬ геологическом строении района принимают участие комплексы пород, принадлежащие двум структурным этажам: нижний сложен дислоцированными породами палеозойского возраста и принадлежит ”ральской геосинклинали, верхний представлен мезо-кайнозойскими осадками и принадлежит платформенному покрову «ападно-—ибирской низменности. ѕалеозойский фундамент сложен осадочными породами верхнедевонского и каменноугольного возраста. Ќаличие значительного количества дизъюнктивных нарушений обусловливает блочное строение палеозойского фундамента. ќтложени€ среднего карбона сохранились только в €драх вторичных складок и в плане рисуютс€ в виде нескольких выт€нутых по меридиану узких полос известн€ков. Ќа неровной поверхности палеозойского фундамента трансгрессивно залегают континентальные и морские мезозойско-кайнозойские отложени€ мощностью в среднем 35-40 м.

ѕитание водоносных комплексов происходит путем инфильтрации атмосферных осадков, разгрузка в естественных услови€х в местную речную сеть. ¬ пределах района в естественных услови€х развиты пресные воды с минерализацией 0,2-0,8 г/л, по химическому составу гидрокарбонатные кальциевые или кальциево-магниевые. ¬ процессе эксплуатации водозаборов горизонтальное движение воды происходит в водоносном горизонте каменноугольных известн€ков, высокой водопроводимости. ѕокровные отложени€ обеспечивают регулирование неравномерности инфильтрационного питани€ благодар€ высокой емкости.

ѕолдневской водозабор расположен в пределах “роицко-Ѕайновского месторождени€ огнеупорных глин. ќтработка карьеров до марта 1957 года велась без опережающего водопонижени€ в известн€ках. ѕолдневской дренажный водозабор с 1971 используетс€ дл€ хоз€йственно-питьевого водоснабжени€ г. Ѕогданович. «а врем€ эксплуатации ѕолдневского водозабора и карьерного дренажа состав воды из гидрокарбонатного стал сульфатно-гидрокарбонатным, минерализаци€ возросла от 0,5 до 0,9 г/л и более, преимущественно за счет сульфата от 15 до 60-180 мг/л и жесткости (от 6-6,5 до 8-10 мг-экв/л) (рис. 1).

јнализ показывает, что депрессионна€ воронка имеет асимметричное строение и выт€нута по простиранию полосы известн€ков. — 1973 года, после увеличени€ водоотбора с 5-6 до 18-19 тыс. м3/сут, произошло резкое снижение уровней подземных вод от 25-26 м до 35-37м в 1977 году. — тех пор наблюдаетс€ колебание уровн€ в пределах от 36 до 33 м, св€занное с производительностью суммарного водоотбора и водностью периода наблюдений.

ќбща€ площадь карбонатных пород в пределах депрессии 42 км2.  роме того, в формировании эксплуатационных запасов данного месторождени€ участвуют площади терригенных пород, подземный и поверхностный сток с которых направлен в сторону депрессии в карбонатных породах. ѕлощадь терригенных пород, участвующих в формировании эксплуатационных запасов подземных вод ѕолдневского месторождени€, 16 км2. ќбща€ площадь формировани€ ресурсов 58 км2. ћодуль подземного стока терригенных пород дл€ данного района составл€ет 1.1 л/с/км2. Ёксплуатационный модуль на площади известн€ков составл€ет 3.5 л/с с км2 и превышает модуль общего стока данной территории в 1.2 раза. Ёто объ€сн€етс€ тем, что поверхностный сток с территории терригенных пород направлен на площади развити€ известн€ков, где он поглощаетс€, обеспечива€ дополнительное питание подземных вод. ¬ формировании эксплуатационных запасов ѕолдневского месторождени€ участвует не только инфильтрационное питание, но и привлекаемый транзитный сток р. Ѕол.  алиновка (10 - 15 % водоотбора).

√лава 2. ’арактеристика покровных отложений ѕолдневского месторождени€

”худшение качества подземных вод на ѕолдневском месторождении (как и на месторождени€х - аналогах) происходит в результате формировани€ зоны окислени€ пирита, содержащегос€ в покровных отложени€х. ѕоэтому большое значение имеет изучение закономерностей распределени€ пирита и структуры порового пространства покровных отложений. ѕоследн€€ определ€ет доступ кислорода в зону окислени€ и миграцию продуктов окислени€ на кровлю водоносного горизонта.

ћетодика изучени€ покровных отложений

ƒл€ изучени€ покровных отложений и сформированной в них зоны окислени€ на площади ѕолдневского месторождени€ было пробурено три скважины с отбором керна: 7н и 2г' на покровные отложени€ естественного сложени€, 6тн на породы внутреннего отвала в теле рекультивированного карьера.  ажда€ проба раздел€лась на 2 части 1) дл€ определени€ водно-физических свойств и гранулометрического состава, 2) подвергалась квартованию, а затем раздел€лась на три части дл€ передачи в разные лаборатории. —кважины после бурени€ обсаживались глухими трубами, кроме небольшого интервала, где устанавливалс€ фильтр. »з скважин 6тн и 7н после прокачки были отобраны пробы воды с последующим химическим анализом.

–езультаты водно-физических и гранулометрических исследований использовались при анализе структуры порового пространства пород покровных отложений. ¬ ходе химического анализа, определ€лись различные формы серы, углерода, железа. ќбщее содержание серы определ€лось объемным методом с чувствительностью 0.008 % от сухого веса породы. ћинералогический полуколичественный анализ выполн€лс€ с целью установлени€ характерных размеров зерен пирита и их содержани€ в породе. ќпределение минералов выполн€лось в классах частиц крупности: > 0.05 мм; от 0.01 до 0.05 мм; < 0.01 мм. ƒл€ оценки преобразовани€ продуктов окислени€ пирита в покровных отложени€х выполн€лс€ анализ водных выт€жек в соответствии с √ќ—“ 26423-85 (423-428).

—труктура порового пространства покровных отложений

ѕокровные отложени€ в пределах ѕолдневского месторождени€ подземных вод (как и на месторождени€х - аналогах) представлены толщей переслаивающихс€ песчано-глинистых отложений. ѕреобладают глины, суглинки и супеси. –едкие песчаные прослои представлены глинистыми песками. √линистые покровные отложени€ характеризуютс€ €рко выраженной гетерогенностью порового пространства. ƒл€ схематизации миграционной среды покровных отложений, всю пористость целесообразно разбить на три типа: 1) —оответствующа€ гравитационной водоотдаче, обеспечивает конвективный перенос вещества в зоне полного водонасыщени€ и заполнена воздухом в зоне аэрации. 2) —оответствующа€ максимальной молекул€рной влагоемкости, участвует в диффузионном переносе. 3) «акрыта€ или изолированна€ - характеризует объем изолированных пор, которые не могут участвовать ни в конвективном, ни в диффузионном массопереносе.

ѕо результатам проведенных исследований на ѕолдневском месторождении обща€ пористость составл€ет в среднем 0,39 (от 0,30 до 0,53), из них около 0,03 (от 0,00 до 0,14) доступно дл€ конвективного переноса и 0,20 (от 0,10 до 0,31) - дл€ диффузионного, а 0,16 (от 0,12 до 0,21) приходитс€ на закрытую пористость.

ѕирит в покровных отложени€х ѕолдневского месторождени€

ѕо результатам химического анализа фиксируетс€ полное отсутствие серы (и сульфидной и сульфатной) в верхних част€х разреза. ƒаже ниже естественных отметок уровн€ подземных вод сульфиды до некоторой глубины также могут отсутствовать в св€зи с формированием зоны окислени€ кислородных вод. ¬ среднем на ѕолдневском месторождении бессульфидна€ зона, сформированна€ за длительное геологическое врем€, имеет мощность 10-15 м от поверхности земли. »сключение составл€ет тело внутреннего отвала (скважина 6тн), где в процессе отвалообразовани€ на поверхности земли оказались пиритосодержащие породы.

»зучение распределени€ зерен пирита по классам различной крупности выполн€лось минералогическим полуколичественным анализом. ѕервичный пирит, образовавшийс€ при бактериальной редукции морского сульфата (ранний диагенез), наблюдаетс€ преимущественно в виде тонкозернистой вкрапленности (0.005-0.02 мм). ѕирит, переотложенный при позднем диагенезе, характеризуютс€ крупнозернистой вкрапленностью с размером зерен 0.1-0.2 мм. ѕсевдоморфозы пирита по органическим остаткам или сростки с другими минералами могут иметь размеры около 1 мм и более. “аким образом, зерна и агрегаты пирита группируютс€ в три группы с характерными размерами, что дало возможность расчета площади поверхности пирита в единичном объеме породы - параметра скорости окислени€ пирита. ”дельна€ площадь поверхности пирита (S, м2/м3) мен€етс€ в довольно широком диапазоне: от 2 до 12000 м2/м3, пр€мо пропорциональна его содержанию в породе (N, моль/м3): S=13N.

√лава 3. ќкисление пирита в зоне аэрации

 инетика реакции окислени€ пирита

 инетика окислени€ пирита изучалась многими авторами (Apello, Postma, 1996; Nicholson, Gilham, Reardon, 1988, 1990; Arkesteyn, 1980; McKibben, Barnes, 1986; Wehrli, 1990; јкинфиев и др., 2001; Peiffer, Stubert, 1999).

ѕокровные отложени€ характеризуютс€ нейтральной реакцией среды, котора€ может поддерживатьс€ длительное врем€ и в процессе окислени€ пирита, что св€зано с наличием карбонатной составл€ющей пород.

 инетика окислени€ пирита в буферизированном карбонатом растворе исследовалась в лабораторных услови€х (Nicholson, Gilham, Reardon, 1988). ¬ нейтральной среде пирит окисл€етс€ исключительно кислородом, поскольку концентраци€ трехвалентного железа ничтожно мала в результате выпадени€ гидроокиси в осадок. —корость окислени€ оказалась пр€мо пропорциональна площади поверхности пирита и концентрации молекул кислорода адсорбированных на ней.

Ёксперименты продолжительностью около 13 мес€цев (Nicholson, Gilham, Reardon, 1990) показали сильное уменьшение скорости окислени€ пирита со временем, св€занное с образованием на его поверхности ингибирующей пленки представленной в основном лепидокрокитом (γ-FeOOH).  оэффициент диффузии кислорода через пленку (D) оценен на уровне 2.6.10-11 м2/сут (на 6 пор€дков ниже коэффициента диффузии кислорода в воде). ќгромное диффузионное сопротивление ингибирующей пленки приводит к тому, что уже через несколько недель интенсивность окислени€ пирита лимитируетс€ преимущественно диффузионным переносом через пленку и практически не зависит от скорости реакции на поверхности пирита. ѕравомерность пренебрежени€ кинетикой реакции на поверхности пирита в услови€х нейтральной среды подтверждаетс€ экспериментальными данными (рис.2). »меютс€ опубликованные данные по экспериментальному окислению песчаных отложений Ќидерландов (Hartog, Griffioen, 2002). “еоретическа€ крива€, пренебрегающа€ кинетикой реакции, полностью совпадает с результатами эксперимента при условии нулевой толщины пленки в начале опыта.

“еоретически пирит даже в зоне полного водонасыщени€ может иметь ингибирующую пленку, котора€ могла образоватьс€ за счет окислени€ пирита инфильтрационными водами, содержащими растворенный кислород. ѕри этом должна существовать переходна€ зона между полностью окисленным пиритом и пиритом не подвергшемс€ окислению. ¬ этой зоне толщина пленки должна мен€тьс€ от нул€ до полного радиуса зерна. –азмер переходной зоны устанавливалс€ путем моделировани€ одномерного потока (трубки тока) с учетом конвективного переноса растворенного кислорода и его поглощени€ на окисление пирита. ƒл€ моделировани€ использовались алгоритм и программа PYROXID проф. ј.¬. Ћехова. ќсновной вывод из рассмотренной задачи - размер переходной зоны между породами лишенными пирита и содержащими пирит исчисл€етс€ дол€ми метра. “о есть в естественных услови€х пирит преимущественно либо полностью окислен, либо еще не подвергалс€ окислению.

ƒвижение атмосферного кислорода к зернам пирита

¬ услови€х интенсивного окислени€ пирита ограничивающим фактором может €вл€тьс€ затрудненное поступление кислорода в зону аэрации из атмосферы. √азообмен между атмосферой и зоной аэрации осуществл€етс€ преимущественно за счет диффузии.  оэффициент диффузии кислорода в воздухе (D0) при общем атмосферном давлении и температуре около 10o— равен 0.18 см2/сек или 1.55 м2/сут.  оэффициент диффузии в воздухе пористой среды (Dв) рассчитываетс€ по формуле Dв = D0nвφ, где φ - коэффициент извилистости, а nв - открыта€ дл€ воздуха пористость.

Ёкспериментальное изучение диффузии газов в породах предпринималось в основном в св€зи с проблемами съемки и проблемами аэрации почв. ¬се эти исследовани€ показали, что дл€ одной и той же горной породы с увеличением влажности коэффициент диффузии резко падает, причем быстрее, чем уменьшаетс€ объем порового пространства, открытого дл€ воздуха (рис. 3). ѕри максимальном водонасыщении породы расчетный коэффициент извилистости составл€ет пор€дка 0,1 (максимальна€ извилистость), а в сухой породе доходит до 0,6 (минимальна€ извилистость).

ќбъемна€ дол€ воздуха в супесчано-суглинистых породах ѕолдневского месторождени€, определенна€ с использованием зависимости јверь€нова, составл€ет около 1-8 % в зависимости от величины инфильтрационного питани€.  оэффициент диффузии кислорода в данных породах имеет пор€док 10-3-10-2 м2/сут (при коэффициенте извилистости 0,1).

ѕреобразование продуктов окислени€ пирита в покровных отложени€х

ќсновными непосредственными подвижными продуктами реакции окислени€ пирита €вл€ютс€ ионы SO42-, H+, Fe2+. —ерна€ кислота нейтрализуетс€ преимущественно кальцитом, слагающим карбонатный цемент и в результате реакций ионного обмена H+ на Ca2+ или другие катионы.  ларковые концентрации карбонатов в покровных отложени€х способны полностью нейтрализовать кислоту, образующуюс€ в результате окислени€ пирита. Ёто подтверждаетс€ результатами водных выт€жек из пород зоны окислени€ покровных отложений на ѕолдневском месторождении, где поровые растворы имеют нейтральную реакцию (рЌ 6-8). Ќейтральна€ среда способствует осаждению гидроокисей железа.

ќсновным механизмом вывода из раствора сульфат иона €вл€етс€ осаждение гипса. –ост концентрации кальци€ в процессе нейтрализации кислотности приводит в конечном итоге к пересыщению раствора по гипсу и его выпадению. Ќасыщение по гипсу не будет достигатьс€ только в том случае, когда интенсивность промывки зоны аэрации инфильтрационными водами выше интенсивности образовани€ сульфат иона в процессе окислени€ пирита.

«она окислени€ на ѕолдневском месторождении

—удить о развитии зоны окислени€ на ѕолдневском месторождении можно по результатам анализов водных выт€жек из монолитов, отобранных при поинтервальном опробовании скважин 7н, 2г' и 6тн. –езультаты водных выт€жек показали, что нейтрализаци€ кислотности происходит уже в зоне окислени€, а поступающий при этом в раствор ион кальци€ св€зывает значительную часть сульфат иона в результате осаждени€ гипса.

¬ скважине 7н загипсованные породы вскрыты на глубине 11-13.2 м, при уровне залегани€ грунтовых вод 15.1 м. »нтервал загипсованных пород находитс€ в зоне окислени€, сформированной в результате снижени€ уровн€ грунтовых вод. ¬ скважине 2г породы содержащие пирит залегают на глубине ниже современного уровн€ грунтовых вод, поэтому зона окислени€ отсутствует. ¬ теле внутреннего отвала (скв. 6тн) загипсованные породы залегают как выше, так и ниже уровн€ грунтовых вод, т. к. в отвал складировались уже окисленные и загипсованные породы. ѕроцесс вскрыти€, выемки, перемещени€ и складировани€ горных пород занимал значительный промежуток времени, в течение которого порода находилась в непосредственном контакте с атмосферой (мес€цы, годы). Ётого было достаточно дл€ окислени€ и загипсовани€ пород. јнализ воды из скважины 6тн показывает, что она также характеризуетс€ состо€нием насыщени€ по гипсу (концентраци€ SO4 составл€ет 1370 мг/л).

√лава 4. ћоделирование окислени€ пирита в зоне аэрации

ƒл€ изучени€ процесса окислени€ дисперсного пирита в зоне аэрации примен€лось математическое моделирование в программе PYROXID. ƒанна€ программа позвол€ет рассматривать процесс пирита окислени€ в новообразованной зоне аэрации.

ѕеред моделированием ставились следующие задачи: 1) ќценить интенсивность окислени€ пирита и выноса сульфатов в возможном диапазоне изменени€ параметров. 2) ќценить степень вли€ни€ каждого параметра на интенсивность окислени€.

ƒл€ моделировани€ использовались три типовые схемы: 1) ≈стественное залегание - пирит на глубине 5 м. 2) ≈стественное залегание - пирит на глубине 15 м. 3) ќтвал (на поверхности земли). ¬ысота отвала 10 м.

 оэффициент диффузии кислорода через породы зоны аэрации задавалс€ равным 10-2 м/сут.

–адиус зерен пирита определ€лс€ крайними значени€ми веро€тного диапазона от 20 мкм до 50 мкм.

 онцентраци€ пирита в породах также задавалась крайними значени€ми от 0,2 кларков (16 моль/м3) до 1 кларка (80 моль/м3).

— учетом этого общее число модельных вариантов составило 12 (по числу комбинаций модельных схем и измен€емых параметров). ћоделирование по каждому варианту производилось на срок 250 лет. Ќа рисунке 4 в качестве примера привод€тс€ профили изменени€ содержани€ гипса, пирита, кислорода и интенсивность окислени€ пирита на характерные моменты времени дл€ одной из типовых схем.

ѕо результатам моделировани€ можно сделать следующие выводы: 1) ѕри глубине залегани€ пиритсодержащих пород более 10 м интенсивность окислени€ перестает зависеть от концентрации пирита и размеров его зерен (в заданном диапазоне). »нтенсивность окислени€ лимитируетс€ диффузией кислорода через толщу пород. 2) ѕри малых глубинах залегани€ интенсивность окислени€ сильно зависит от площади поверхности пирита, то есть от его концентрации и размера зерен. »нтенсивность окислени€ лимитируетс€ диффузией через ингибирующую пленку. 3) √лубина, на которой лимитирующие стадии выравниваютс€, сильно зависит от коэффициента диффузии кислорода. ѕри коэффициенте диффузии кислорода 10-3 м/сут глубина будет значительно меньше 10 м. 4) ѕри значительной скорости окислени€ пирита интенсивность выноса сульфатов практически не зависит от концентрации пирита и размера его зерен.  онцентраци€ сульфатов ограничиваетс€ растворимостью гипса.

√лава 5. ѕрогноз изменени€ химического состава воды на водозаборах

—хема миграции загр€знени€ от зоны окислени€ до водозаборных скважин

ќт зоны окислени€ до водозаборных скважин загр€знение мигрирует через толщу покровных отложений, поступает на кровлю водоносного горизонта, и далее переноситс€ потоком по водоносному горизонту к водозаборным скважинам. Ќаблюдающийс€ постепенный рост концентрации сульфатов и жесткости на водозаборе св€зан с различным временем миграции загр€знени€ от различных участков зоны окислени€.

ќбщее врем€ миграции загр€знени€ складываетс€ из времени миграции через покров и времени миграции по водоносному горизонту с различных участков месторождени€. –асчеты дл€ схемы пласт-полоса показывают, что врем€ миграции по водоносному горизонту незначительно, с 90% площади месторождени€ загр€знение доходит за 2-10 лет. ќсновна€ задержка св€зана с миграцией загр€знени€ через покровные отложени€.

ƒвижение воды в толще покровных отложений происходит преимущественно в вертикальном направлении, поэтому задача миграции продуктов окислени€ в покровных отложени€х может сводитьс€ к одномерной со скоростью фильтрации равной средней величине инфильтрации. ƒисперсионное рассеивание вещества в процессе массопереноса св€зано с молекул€рной диффузией, микродисперсией и макродисперсией (гетерогенностью). ќни завис€т соответственно от нулевой, первой и второй степени скорости фильтрации. ƒиапазонные расчеты показали, что при столь низких скорост€х фильтрации (1-5).10-4 м/сут все три вида дисперсии имеют коэффициент примерно одного пор€дка 10-5-10-4 м2/сут.

 ак показывает численный анализ, при длине пути миграции 10-50 м, размер переходной зоны составл€ет соответственно 4-10 м. ”читыва€ небольшой размер переходной зоны, массоперенос может приближенно описыватьс€ схемой поршневого вытеснени€: t = (m-z)n/v, где (m-z) - путь миграции равный мощности покровных отложений (m) под зоной окислени€ на глубине z, n - пористость доступна€ дл€ миграции, v - скорость фильтрации.

¬ работе дан прогноз дл€ ѕолдневского и —еверо-ћазулинского водозаборов. ƒанные месторождени€ подземных вод, как и месторождени€ - аналоги, характеризуетс€ крайней изменчивостью мощности покровных отложений (рис. 5). Ёто обусловливает сильное различие времени прихода загр€знени€ на кровлю водоносного горизонта на различных участках месторождени€.

ѕрогноз изменени€ химического состава воды на водозаборах по режимным данным

ƒл€ прогноза изменени€ химического состава воды на действующих водозаборах обычно имеетс€ следующа€ информаци€: 1) режимные данные по изменению химического состава воды за период эксплуатации водозабора; 2) данные по изменчивости мощности покровных отложений на площади месторождени€ и их литологическом составе (по геологическим колонкам скважин); 3) данные по величине инфильтрационного питани€ (по эксплуатационному модулю).

¬ насто€щей работе разработан графоаналитический метод прогноза изменени€ химического состава воды на водозаборах. ќн заключаетс€ в наложении двух графиков изменени€ относительной концентрации сульфатов во времени. ѕервый график строитс€ по данным режимных наблюдений за составом воды на водозаборе. ƒл€ построени€ второго графика используетс€ кумул€тивна€ крива€ мощностей покровных отложений.

Ўаг 1: ѕостроение графика по кумул€тивной кривой мощности

ќсь ординат кумул€тивной кривой мощности покровных отложений может характеризовать долю площади месторождени€, на которой (в данный момент времени) сульфатное загр€знение достигло кровли водоносного горизонта (P). ƒл€ этого по оси абсцисс вместо мощности (m) необходимо откладывать эквивалентное врем€ миграции t = (m-z)n/w, где z - средн€€ глубина залегани€ пиритсодержащих пород, w - средн€€ величина инфильтрационного питани€ (на данных месторождени€х - 3.10-4 м/сут). “аким образом, зна€ z и n можно легко преобразовать кумул€тивную кривую мощности покровных отложений в теоретический график изменени€ относительной концентрации во времени.

Ўаг 2: ѕостроение графика по режимным данным

ƒл€ построени€ второго графика изменени€ относительной концентрации используютс€ данные режимных наблюдений за изменением концентрации сульфатов на водозаборе, но дл€ этого необходимо знать —max. ƒл€ ћазулинского и —еверо-ћазулинского водозаборов эта величина известна. ћазулинский водозабор эксплуатируетс€ более 70 лет и на нем максимальна€ концентраци€ достигнута. ¬ последние 4 дес€тилети€ концентраци€ сульфат иона на нем колеблетс€ от 117 до 165 мг/л, составл€€ в среднем 142 мг/л. ƒанное значение условно принимаетс€ и дл€ —еверо-ћазулинского водозабора, так как оба эти водозабора эксплуатируют единое месторождение подземных вод.

«оны окислени€ и на —еверо-ћазулинском и на ѕолдневском участке образовались ориентировочно в 1975 году, когда было достигнуто максимальное понижение уровн€ подземных вод (до насто€щего времени уровень подземных вод находитс€ примерно на тех же отметках). ѕри построении графиков относительной концентрации 1975 год может приниматьс€ за 0 по оси абсцисс.

Ќа ѕолдневском водозаборе дополнительным источником загр€знени€ €вл€ютс€ карьеры и отвалы месторождени€ огнеупорных глин. ƒл€ устранени€ этого вли€ни€ рассматривались только те скважины водозабора, в область захвата которых техногенные ландшафты (карьеры, отвалы) не попадают.

Ўаг 3: Ќаложение графиков

Ќа —еверо-ћазулинском участке графики относительной концентрации, построенные разными способами (1 - по кумул€тивной кривой и 2 - по режиму), совпадают при n = 0,2 и z = 7 м (рис. 6).

Ќа ѕолдневском участке пористость доступна€ дл€ миграции принималась равной 0,23 (по лабораторным данным). √рафики относительной концентрации построенные разными способами дл€ ѕолдневского участка совпадают при —max = 280 мг/л и z = 7 м (рис. 7).

јнализ графиков относительной концентрации показывает, что на —еверо-ћазулинском водозаборе примерно через 20 лет рост концентрации сульфат иона прекратитс€, достигнув значени€ пор€дка 140 мг/л. Ќа ѕолдневском водозаборе концентраци€ будет расти еще 60-70 лет, пока не достигнет максимального значени€ на уровне 280 мг/л.

—редн€€ интенсивность выноса сульфат иона на —еверо-ћазулинском участке оцениваетс€ на уровне 42 мг/сут с 1 м2 площади месторождени€ (при максимальной концентрации 140 мг/л и величине инфильтрации 0.0003 м/сут), что эквивалентно интенсивности окислени€ пирита 2.10-4 моль/сут. Ќа ѕолдневском участке интенсивность окислени€ пирита в два раза выше - 4.10-4 моль/сут.

¬ли€ние отвалов песчано-глинистых пород на качество подземных вод

—кладирование 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). ярким примером €вл€етс€ отработка огнеупорных глин на “роицко-Ѕайновском месторождении, карьер и отвалы которого располагаютс€ в пределах водосборной площади ѕолдневского месторождени€. ѕроцесс выемки транспортировки и складировани€ горных пород занимает определенный промежуток времени (мес€цы или даже годы). –асчеты показывают, что за полгода контакта с атмосферой в породе может окислитьс€ от 5 до 25 % пирита, причем около половины этого количества окисл€етс€ уже в течение первого мес€ца контакта.

¬ теле рекультивированного карьера, отсыпанного 25 лет назад, была пробурена скважина (6тн) с поинтервальным отбором керна. ¬ыполненные исследовани€ показали, что в теле внутреннего отвала как выше, так и ниже уровн€ грунтовых вод залегают загипсованные породы. √ипс образовалс€ в результате окислени€ дисперсного пирита во врем€ контакта пород с атмосферой (в ходе извлечени€, перемещени€ и складировани€ пород). «а короткое врем€ контакта пород с атмосферой окислилось 27 % пирита (в среднем дл€ 35-метровой толщи) при разбросе по отдельным пробам от 9 до 55 % (рис. 8).

—уммарна€ площадь карьеров и отвалов в пределах к насто€щему времени достигла 2.5 км2. ѕри равновесной концентрации сульфат-иона 1.4 г/л и оцененной величине инфильтрационного питани€ 0.0003 м/сут расчетный вынос сульфатов с территории техногенных ландшафтов достигает 1 тонны в сутки. ‘актически все скважины ѕолдневского водозабора и карьерного дренажа дают суммарный массовый вынос сульфатов в количестве около 1.5 тонн в сутки. “аким образом, несмотр€ на то, что техногенные ландшафты занимают всего 5% площади месторождени€, они несут основную ответственность за ухудшение качества добываемой воды. »з четырех скважин ѕолдневского водозабора наиболее т€желое положение сложилось на скважине 13э. Ёта скважина принимает на себ€ загр€знение с территории техногенных ландшафтов, защища€ от него остальные скважины водозабора. ¬ 2002 году скважину 13э из-за плохого качества воды пришлось перевести в разр€д защитных водопонизительных скважин, значительно сократив добычу питьевых вод (сейчас скважина 13э работает на сброс).

—реднее содержание гипса составл€ет 4.2 кг на кубометр породы, а вс€ вскрыта€ толща содержит 147 кг гипса (в расчете на 1 м2 площади отвала). ƒл€ промывки отвала от гипса потоком инфильтрационных вод потребуетс€ 670 лет. “аким образом, изменение гидрохимической обстановки на площади внутренних и внешних отвалов можно считать необратимым.

«аключение

–езультаты исследований изменени€ химического состава эксплуатируемых подземных вод при наличии пирита в покровных отложени€х, кратко формулируютс€ как защищаемые положени€:

1. ћесторождени€ подземных вод в ограниченных карбонатных структурах, перекрытых рыхлыми песчано-глинистыми отложени€ми морского происхождени€, имеют €рко выраженную геохимическую специфику. ѕри эксплуатации водозаборов происходит увеличение мощности зоны аэрации, что приводит к окислению практически всегда присутствующего в покровных отложени€х дисперсного пирита (кларковое содержание на уровне 80 моль/м3), ранее находившегос€ под уровнем подземных вод. ¬ результате образуетс€ серна€ кислота, котора€ нейтрализуетс€ карбонатной составл€ющей покровных отложений (кларковое содержание кальцита около 1400 моль/м3) с возможным выпадением гипса. Ёто вызывает увеличение жесткости и минерализации подземных вод. ќкисление пирита проходит в услови€х нейтральной среды.

2. ѕри пр€мом контакте песчано-глинистых пород с атмосферой интенсивность окислени€ дисперсного пирита лимитируетс€ ингибирующей пленкой преимущественно гидроокиси железа, образующейс€ на его поверхности в услови€х нейтральной среды. »значально пленка на поверхности пирита отсутствует. — ростом толщины пленки интенсивность окислени€ снижаетс€. ¬ таких услови€х скорость окислени€ пирита практически не зависит от кинетики химической реакции, а определ€етс€ удельной площадью его поверхности и толщиной пленки. ¬ различных песчано-глинистых покровных отложени€х удельна€ площадь поверхности пирита составл€ет 5-10 м2/моль, при преобладающем средневзвешенном размере зерен 15-30 мкм.

3. ¬ естественном залегании породы, содержащие пирит, располагаютс€ на значительной глубине (10 - 30 м). —огласно результатам моделировани€, при глубине залегани€ пиритсодержащих пород более 10 м интенсивность окислени€ перестает зависеть от концентрации пирита и размеров его зерен (в характерном диапазоне данных параметров). »нтенсивность окислени€ лимитируетс€ диффузией кислорода через толщу пород.

4. –ост концентрации сульфатов и жесткости на водозаборе происходит постепенно и раст€нут на 50 - 200 лет. Ёто св€зано, в основном, с различным временем миграции сульфатов через покровные отложени€ от зоны окислени€ до кровли водоносного горизонта, в зависимости от мощности покрова на разных участках месторождени€.

5. —кладирование 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). «а полгода контакта с атмосферой в породе может окислитьс€ от 5 до 25 % пирита и образоватьс€ значительное количество гипса (в среднем около 4 кг на кубометр породы). Ѕлагодар€ этому изменение геохимической обстановки становитс€ практически необратимым даже если окисление пирита прекратить (состав воды уже не зависит от окислени€ пирита, а определ€етс€ растворением новообразованного гипса). ƒл€ растворени€ всего гипса может потребоватьс€ несколько сотен лет.

6. ѕри оценке запасов подземных вод в пон€тие должен закладыватьс€ не только гидродинамический, но и геохимический смысл. »зменить в лучшую сторону качество воды на водозаборах, эксплуатирующихс€ длительное врем€, уже невозможно. ќднако можно предотвратить ухудшение качества воды на перспективных участках, только вводимых в эксплуатацию. ƒл€ этого нужно не допускать осушени€ покровных отложений, содержащих пирит, или свести к минимуму площадь их осушени€. Ќиже естественного уровн€ подземных вод существует зона окисленных пород утративших пирит. ќбласть с понижением уровн€ ниже окисленной зоны должна быть минимальной. ≈е площадь должна рассчитыватьс€ на основании представлений о допустимом изменении состава эксплуатируемых вод.

ѕо результатам исследований действующих водозаборов и перспективных участков определ€ютс€ практические рекомендации:

Ќа действующих водозаборах предлагаетс€ делать прогноз дальнейшего изменени€ химического состава воды, аналогичный тому, который выполнен дл€ ѕолдневского водозабора. ѕрогноз позволит оценить врем€, в течение которого будет сохранено кондиционное качество воды. Ёто необходимо дл€ своевременного прин€ти€ решений по строительству станции ум€гчени€ или переходу на другой источник водоснабжени€. ѕрогноз выполн€етс€ при наличии необходимой информации (режимные наблюдени€ за уровнем, дебитом и химическим составом подземных вод, а также данные по мощности покровных отложений).

ѕри разведке месторождений подземных вод, которые характеризуютс€ наличием пирита в покровных отложени€х, предлагаетс€ дополнительно проводить следующие виды работ:

- ѕоинтервальное опробование покровных отложений при бурении скважин (дл€ количественного определени€ содержани€ пирита, форм и размеров его зерен, а так же содержани€ кальцита).

- —набжение всех скважин пьезометрами на покровные отложени€ дл€ оценки перепада уровней между покровом и основным водоносным горизонтом (дл€ достоверного прогноза мощности зоны аэрации в зависимости от понижени€ в эксплуатируемом горизонте).

- ќценка допустимого понижени€ с учетом геометрии кровли пород, содержащих пирит.

Ќеобходимо особо отметить месторождени€ подземных вод, в пределах которых ведетс€ добыча твердых полезных ископаемых открытым способом. Ќа значительной площади таких месторождений формируютс€ техногенные ландшафты представленные карьерами, внутренними и внешними отвалами перемещенных пород. ¬ пределах техногенных ландшафтов на поверхности земли оказываютс€ пиритсодержащие породы, извлеченные из нижних горизонтов покровных отложений в результате горных работ. ѕрактически на всей площади техногенных ландшафтов формируютс€ воды равновесные с гипсом, поэтому данные площади рекомендуетс€ исключать из области захвата питьевых водозаборов. ƒл€ этого могут использоватьс€ барражные скважины. ¬ ходе подготовки данной диссертационной работы автором была дана рекомендаци€ по организации барража между ѕолдневским водозабором и карьером глин. —хема водоотбора была изменена, а скважина 13э с 2002 года стала использоватьс€ как барражна€. Ёто позволило снизить концентрацию сульфатов на водозаборе в два раза, уменьшить минерализацию и довести качество добываемой воды до питьевых кондиций по жесткости.


(на примере ѕолдневского месторождени€ ≈горшинско- аменской синклинали ¬осточно-”ральского прогиба) ¬ишн€к јлександр »льич јвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук ¬ведение јктуальность про

 

 

 

¬нимание! ѕредставленный –еферат находитс€ в открытом доступе в сети »нтернет, и уже неоднократно сдавалс€, возможно, даже в твоем учебном заведении.
—оветуем не рисковать. ”знай, сколько стоит абсолютно уникальный –еферат по твоей теме:

Ќовости образовани€ и науки

«аказать уникальную работу

—вои сданные студенческие работы

присылайте нам на e-mail

Client@Stud-Baza.ru