Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Восточный Донбасс является высокоиндустриальным регионом, в котором промышленные предприятия оказывают существенное влияние на состояние окружающей среды. Прежде всего это предприятия угледобывающего и углеперерабатывающего комплексов. При разработке угольных месторождений возникают такие отрицательные явления, как формирование техногенной трещиноватости горных пород, осушение массивов, появление высокоминерализованных шахтных вод, оседание земной поверхности, образование породных отвалов (терриконов). Массовая ликвидация угольных шахт в регионе способствовала усилению многих указанных явлений: началось подтопление территорий, деформация горных пород, загрязнение природных вод, выделение «мертвого воздуха» и многие другие [1–3]. Это потребовало выполнить детальный анализ основных направлений трансформации химического состава шахтных вод при эксплуатации и после закрытия угольных шахт. Для этого выбраны два периода: 1967 г. – период расцвета угольной промышленности Восточного Донбасса и, практически через пол века – 2015 г., когда процесс ликвидации угольных шахт региона был завершён.

Материалы и методы исследования

Накопление больших объемов количественной гидрогеохимической информации особенно остро поставило вопрос о развитии и применении методов классификационного моделирования многомерных наблюдений для эффективного анализа пространственно-временных закономерностей. Использование математики в геологии и гидрогеохимии, по мнению большинства исследователей, следует рассматривать преимущественно как применение метода математического моделирования.

Под математическим моделированием в геологии понимается такой способ познавания свойств, строения и состава литосферы, когда по определенным правилам создается математическое описание некоторых геологических свойств объекта или процесса. Далее:

1) на основе изучения этого описания совершенствуются и расширяются (часто прогнозируются) геологические знания о том же объекте или процессе;

2) на базе установления подобия нового объекта известному объекту по математическому описанию части геологических свойств производится прогнозирование других свойств нового объекта.

Задачу многомерного классификационного моделирования можно сформулировать следующим образом. Множество наблюдений N, каждое из которых охарактеризовано M признаками, необходимо разделить на систему однородных подмножеств (таксонов). В каждом из однородных подмножеств наблюдения должны быть наиболее близки друг другу по всем признакам, а подмножества должны максимально различаться между собой.

Для анализа первичной гидрогеохимической информации в данной работе широко использованы обычные математико-статистические методы (оценка параметров, корреляционный и регрессионный анализы и т.п.) и G-метод классификации многомерных наблюдений, основанный на критерии Z-квадрат [1, 4]. G-метод реализован в виде инновационной компьютерной технологии АГАТ-2 и дает возможность выделять однородные таксоны наблюдений при отсутствии априорных сведений (задача без учителя), использовать зависимые признаки, оценивать сходство между таксонами, определять информативность признаков [1].

Классификационные методы играют ведущую роль в процессе познания человека и окружающего мира. Общеизвестно значение таких гениальных классификаций в науке и повседневной жизни, как, например, периодическая система химических элементов, стратиграфическая шкала, классификации биологических видов, горных пород, природных вод по химическому составу и многих других. Каждый исследователь, получая новую информацию о природно-антропогенных системах, обязательно сталкивается с проблемой их классификации.

Анализ закономерностей формирования направлений изменения химического состава шахтных вод выполнен путем общего сопоставления параметров распределений макрокомпонентов и сравнения однородных таксонов наблюдений, выделенных автоматически по компьютерной технологии АГАТ-2. При этом в название вод включаются компоненты в основном с содержаниями более 20–25 %-молей и располагаются в порядке возрастания содержаний.

Результаты исследования и их обсуждение

Для оценки состояния окружающей среды Восточного Донбасса важное значение имеют изменения химического состава шахтных вод, которые многие годы оказывают негативное влияние на состав питьевых вод, на интенсивное загрязнение поверхностных и подземных вод, на общее состояние окружающей среды региона. В районах угольных шахт формируются мощные потоки загрязнения. По этой причине выполнен анализ главных направлений изменения состава шахтных вод в период максимального развития угольной промышленности в 1960-е гг. и после завершения массовой ликвидации шахт (2015 г.).

Таблица 1

Химический состав шахтных вод в 1967 г.

Примечания: Хср – среднее значение; Ме – медиана; S – стандартное отклонение; Xmax – максимальное значение; М – минерализация.

Таблица 2

Химический состав шахтных вод в 2015 г.

Самые общие различия в составе шахтных вод видны уже при сравнении статистических параметров распределений макрокомпонентов (табл. 1 и 2). Минерализация увеличилась в основном за счет роста содержаний сульфат-иона (в 1,43 раза), что свидетельствует об интенсификации процессов окисления серы и сульфидов, заключенных в углях и горных породах [5–7].

Более детальный анализ главных направлений трансформации химического состава шахтных вод выполнен при классификации гидрогеохимической информации по компьютерной технологии АГАТ-2 [1, 4] с выделением однородных видов наблюдений (табл. 3), которые систематизированы по главным направлениям. По данным 1967 г. выделено 13 однородных видов, которые объединены в четыре главных направления изменения состава (обнаружены воды всех четырех направлений). По данным 2015 г. было выделено 9 однородных видов, но они объединены в три главных направления (табл. 4). Третье направление, когда образуются сульфатно-хлоридные воды, отсутствует.

Далее рассмотрено, как у шахтных вод формируются изменения химического состава (табл. 5). В 1967 г. кислые сульфатные шахтные воды формируются по первому гидрогеохимическому направлению. Их происхождение связано с развитием в горных выработках интенсивных процессов окисления серы и сульфидов. Эти воды вносят наибольший вклад в загрязнение окружающей среды региона. Формирование хлоридно-сульфатных шахтных вод по второму направлению связано с процессами окисления серы и с притоком хлоридных подземных вод при углублении горных выработок. В третьем направлении воды становятся сульфатно-хлоридными за счет притока хлоридных подземных вод на глубоких горизонтах отработки угольных пластов, процессы окисления серы значительно ослабевают.

По четвертому направлению формируются оригинальные содовые (первый тип по О.А. Алекину) шахтные воды с повышенным содержанием иона HCO3 и очень низкими – Ca и Mg. Происхождение этих вод связано с притоком в горные выработки подземных вод содового типа. Для Донецкого бассейна установлено два главных вида вертикальной гидрогеохимической зональности:

1) прямая гидрогеохимическая зональность характеризуется увеличением минерализации подземных вод с глубиной до 70–90 г/л и формированием хлоридных натриевых вод, которые сказываются на изменении состава шахтных вод по второму и третьему гидрогеохимическим направлениям;

2) по обратной вертикальной гидрогеохимической зональности происходит образование на значительных глубинах маломинерализованных подземных вод содового состава, происхождение которых авторы связывают с протеканием испарительно-конденсационных процессов и наличием нефтегазовых скоплений в Восточном Донбассе [1, 8]. Эти содовые подземные воды, поступая в горные выработки, формируют четвертое гидрогеохимическое направление изменения состава шахтных вод.

После ликвидации угольных шахт к 2015 г. произошло коренное изменение направлений трансформации состава шахтных вод (табл. 5). Существенно усилились процессы окисления серы по первому направлению, что привело к увеличению содержаний SO4 с 2,9 до 4,0, а минерализации вод с 4,4 до 6,7 г/л. Во втором направлении так же происходит резкий рост содержаний SO4 с 1,8 до 4,1, минерализации с 4,4 до 7,3 г/л; снижается содержание Cl. Третье направление изменения состава вод, когда формировались сульфатно-хлоридные воды, отсутствует. Это свидетельствует о том, что резко снизился приток подземных хлоридных вод, формирующихся по прямой вертикальной геохимической зональности. Четвертое направление образования содовых вод претерпело некоторые изменения: уменьшились содержания НСO3 и Cl; воды стали сульфатными.

Эти преобразования связаны с изменением направлений движения вод, теперь поток направлен через водовмещающее пространство шахт в окружающую среду, что приводит к формированию обширных потоков загрязнения природных вод [1, 4, 9].

Заключение

Приведён анализ направлений изменения химического состава шахтных вод на территории Восточного Донбасса в период с 1967 по 2015 г. Детальное изучение процесса трансформации состава шахтных вод выполнено с помощью оригинальной технологии классифицирования многомерных наблюдений АГАТ-2. Обнаружено четыре направления изменения состава вод. По первому направлению формируются кислые сульфатные воды в результате процессов интенсивного окисления сульфидов и серы, заключенных в углях и горных породах. Хлоридно-сульфатные воды образуются по второму направлению и процессы окисления переходят на второй план. По третьему направлению обнаружены сульфатно-хлоридные воды, образованные за счет притока в шахты (особенно глубокие) минерализованных хлоридных по составу подземных вод. По четвертому направлению формируются оригинальные содовые воды, которые могут свидетельствовать о наличии в регионе нефтегазовых месторождений. Во время и после завершения ликвидации угольных шахт к 2015 г. резко усилились процессы окисления и образования сульфатных вод первого направления, снизилось образование вод второго направления, полностью отсутствуют воды третьего направления, слабо выражено четвертое направление. Эти преобразования связаны с тем, что кардинально изменилось направление движения вод, теперь поток вод направлен через выработанное пространство шахт в окружающую среду, что приводит к формированию мощных «айсбергов» загрязнения и необходимости мероприятий по реабилитации окружающей среды в Восточном Донбассе.