Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

СОВРЕМЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ШАХТНЫХ ВОД В ВОСТОЧНОМ ДОНБАССЕ

Гавришин А.И. 1 Борисова В.Е. 1 Торопова Е.С. 1
1 Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова
В работе выполнен анализ гидрогеохимической информации с привлечением широкого арсенала математико-статистических методов. Описаны закономерности формирования химического состава шахтных вод Восточного Донбасса по результатам обобщения данных за столетний период. Выявлен волнообразный характер изменений состава вод. Выделены и детально охарактеризованы четыре основных направления изменения состава вод до и после массовой ликвидации угольных шахт. После ликвидации шахт произошло коренное изменение направлений и процессов формирования химического состава шахтных вод. Резко сократился приток подземных вод со значительных глубин, в шахты поступают грунтовые и поверхностные воды, существенно обогащенные кислородом и вызывающие развитие процессов окисления, выщелачивания и растворения серы и вмещающих пород. Эти воды образуют обширные потоки загрязнения поверхностных и подземных вод, что требует проведения реабилитационных мер во всех компонентах окружающей среды.
Восточный Донбасс
химический состав
шахтные воды
1. Gavrishin A.I., Coradini A. The origin and the formation laws of groundwater and mine water chemistry in the eastern Donets Basin // Water Resources. – 2009. – T .36. № 5. – P. 538–547.
2. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. – М.: Наука, 2004. – 677 с.
3. Zakrutkin V.E., Sklyarenko G.Y. The influence of coal mining on groundwater pollution (Eastern Donbass) // International multidisciplinary Scientific Geo Conference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM 15th. – 2015. – P. 927–932.
4. Гидрогеология СССР. Донбасс. – М.: Недра, 1970. – 480 с.
5. Гавришин А.И., Корадини А. Многомерный классификационный метод и его применение при изучении природных объектов. – М.: Недра, 1994. – 92 с.
6. Заяц Г.Н., Фесенко Н.Г. Шахтные воды Ростовской области // Гидрохимические материалы. – 1963. – Т. 35. – С. 131–134.
7. Назарова Л.Н. Шахтные воды восточной части Донецкого бассейна и некоторые вопросы происхождения их химического состава // Гидрохимические материалы. – 1968. – Т. 47. – С. 99–109.
8. Бобух В.А., Чихирин А.А., Тюльдин В.Н. Региональное надвигообразование северных окраин Восточного Донбасса в связи с формированиями залежей УВ // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. – 2004. – № 7. – С. 22–28.
9. Маломинерализованные воды глубоких горизонтов нефтегазоносных провинций / Под ред. Колодия В.В. – Киев: Наук. думка, 1985. – 280 с.
10. Суярко В.Г. Гидрогеохимические особенности подземных вод Донбасса // Геохимия. – 1988. – № 5. – С. 738–747.
11. Гавришин А.И. Некоторые важные закономерности формирования химического состава шахтных вод в Восточном Донбассе // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11–11. – С. 2465–2470.

В Восточном Донбассе длительная отработка угольных месторождений и функционирование водопонизительных систем привели к значительному преобразованию гидрогеологических и гидрогеохимических условий на больших территориях. Изменяется режим и баланс подземных вод, происходит трансформация химического состава природных вод с образованием минерализованных шахтных вод, загрязнение поверхностных водотоков, развитие процессов консолидации и уплотнения пород и многие другие негативные явления и процессы.

Массовое закрытие угольных шахт в Восточном Донбассе вызвало многие отрицательные процессы и последствия: оседание земной поверхности и деформация горных пород, подтопление территорий и породных отвалов, формирование высокоминерализованных вод и интенсивное загрязнение природных, выделение «мертвого воздуха» и другие.

Эти негативные факторы вызвали интенсивную деформацию и разрушение сооружений, производственных и жилых зданий, что потребовало переселения части населения на безопасные территории. Возникли проблемы в многих компонентах окружающей среды: воздушной, водной, биологической, геологической и социальной [1–5].

Материалы и методы исследования

Для изучения закономерностей формирования химического состава шахтных вод Восточного Донбасса привлечено более 1700 анализов за период от 1920 до 2015 г. Около 1000 анализов относятся к действовавшим и действующим шахтам и более 700 анализов отобрано во время ликвидации угольных шахт и после ликвидации. По грунтовым водам использовано более 1200 анализов за период с 1950 по 2015 г. [1, 4, 6, 7].

Анализ информации выполнен с привлечением широкого комплекса математико-статистических методов: интервальная оценка параметров, проверка гипотез (статистические критерии), корреляционный и регрессионный анализы, использован оригинальный G-метод классификации многомерных наблюдений (выделения однородных совокупностей – таксонов), основанный на критерии Z-квадрат (Гавришина), детальное описание которого можно найти в ряде публикаций [1, 5]. G-метод реализован в виде компьютерной технологии AGAT-2, позволяющей автоматически строить классификации многомерных наблюдений различного уровня детальности, и успешно применён для изучения природных и природно-антропогенных систем [5].

Сопоставлением, выделенных автоматически на компьютере однородных таксонов, обнаружены и количественно описаны закономерности формирования химического состава шахтных вод региона, частично охарактеризованные в настоящей работе.

При анализе данных использованы названия типов вод по классификации О.А. Алекина. В название вод по химическому составу включаются компоненты с содержанием более 25 %-молей и располагаются в порядке возрастания содержаний.

Результаты исследования и их обсуждение

Для изучения современных особенностей формирования химического состава шахтных вод в Восточном Донбассе выполнено сравнение основных направлений и генезиса изменений состава вод в 1992 г. перед периодом массовой ликвидации шахт региона и в 2015 г. после завершения ликвидации. Состав вод в 1992 г. характеризовался относительно высокой изменчивостью, и в среднем это воды хлоридно-сульфатные натриевые второго типа (отдельные пробы – первого и четвёртого типов). С величиной минерализации сильная корреляционная связь обнаружена для Na, далее по мере убывания тесноты связи компоненты располагаются в следующий ряд: Сl, SO4, НСО3, Mg.

С помощью G-метода последовательного классификационного анализа по компьютерной программе АГАТ-2 были выделены четыре главных геохимических направления изменения химического состава шахтных вод, характеристика которых приведена в табл. 1.

Первое направление характеризуется преобразованием исходных гидрокарбонатно-сульфидных вод в кислые (рН до 2,0) сульфатные воды с высокими содержаниями Fe, Mn, Аl, Cu и других металлов и обусловлено интенсивным развитием процессов окисления, выщелачивания и растворения серы (содержание серы в углях и во вмещающих породах составляет в основном 1,5–6 %, в донецких углях в среднем 3,5 %).

По второму геохимическому направлению образуются хлоридно-сульфатные нейтральные воды, в незначительной степени обогащенные Fe и Mn. Теперь, наряду с процессами окисления серы, приблизительно равную роль начинают играть процессы увеличения концентраций хлор-иона за счет притока хлоридных подземных вод при углублении угольных шахт.

Третье геохимическое направление изменения состава шахтных вод фиксирует преобразования гидрокарбонатно-сульфатных вод в сульфатно-хлоридные. На первое место выходит процесс роста концентрации Сl за счет притока хлоридных подземных вод при отработке глубоких шахтных горизонтов. Рост концентрации SO4 и процесс окисления сульфидов переходит на второе место.

Таблица 1

Средний химический состав шахтных вод в 1992 г. по главным гидрогеохимическим направлениям изменения состава (мг и %-моль)

Направление

рН

НСO3

SO4

Cl

Ca

Mg

Na

Fe

М

1

6,0

360

2515

266

349

205

730

11,1

4450

9

80

11

26

26

48

2

7,6

516

1577

730

290

138

873

3,4

4235

14

53

33

23

18

59

3

7,8

487

1489

1396

179

124

1370

1,6

5055

10

40

50

11

13

76

4

7,6

1217

1105

885

107

84

1350

1,1

4566

29

34

37

8

10

82

 

По четвертому геохимическому направлению изменения химического состава шахтных вод образуются оригинальные содовые гидрокарбонатно-сульфатно-хлоридные и хлоридные натриевые воды с высокими содержаниями НСО3 и очень низкими Са и Mg. Типоморфными компонентами четвертого направления являются содержания НСO3 и Сl (высокие содержания), а также Са и Mg (низкие содержания). Ведущую роль играет приток содовых подземных вод, которые формируются в результате испарительно-конденсационных процессов в водоуглеродной газовой фазе (обратная геохимической зональности подземных вод региона). В районе угольных шахт, где образуются содовые воды четвертого направления, наиболее высоки перспективы обнаружения нефтегазовых скоплений, например, в структурах Гуково-Зверевского угленосного района [1, 5]. Важно отметить, что в пределах Восточного Донбасса в северной зоне мелкой складчатости уже обнаружены перспективные нефтегазопроявления [8–10].

Рассмотрим общие закономерности формирования химического состава шахтных вод Восточного Донбасса за столетний период с 1920-х гг. до 2015 г. по результатам более 1700 анализов. Средний состав этих вод приведен в табл. 2. Во все периоды шахтные воды были сульфатными с переменным составом катионов (преимущественно натриевые). Анализ закономерностей изменений химического состава шахтных вод в Восточном Донбассе за столетний период показал, что этот процесс носит волнообразный характер. Наряду с периодами относительной стабилизации, установлены периоды интенсификации процессов окисления, выщелачивания и растворения. Эти процессы приводят к резкому увеличению минерализации вод и особенно содержаний сульфатов и железа (табл. 2). Такая ситуация обнаружена в шахтных водах после периодов затопления шахт во время оккупации территории в Великую Отечественную войну и после массовой ликвидации угольных шахт в 1990-е гг. [11].

Наиболее интересно рассмотреть современные закономерности изменения химического состава шахтных вод после 1992 г., когда началась массовая ликвидация угольных шахт региона, преимущественно путем затопления. Анализ данных табл. 2 показывает, что наиболее интенсивные изменения состава вод произошли в период затопления шахт. Общие тенденции изменения состава вод в среднем свидетельствуют о росте минерализации, содержаний сульфат-иона и железа и уменьшении содержаний хлор-иона. Но в отдельных шахтах произошли резкие изменения состава вод, например в шахте Комиссаровская минерализация вод повысилась до 17–19, содержания сульфат-иона до 7 и железа до 1 г/л.

Таблица 2

Средний химический состав шахтных вод в различные периоды опробования (мг/л и %-моль, в скобках указаны содержания по ограниченному числу наблюдений)

Период

рН

HCO3

SO4

Cl

Ca

Mg

Na

Fe

M

1920-е гг.

6,9

183

1443

397

233

184

405

(0,1)

2840

7

68

25

26

35

39

1940-е гг.

4,4

25

2590

257

304

219

642

(32)

4040

1

88

11

25

30

45

1950-е гг.

5,2

221

2795

443

330

191

964

(52)

4947

5

78

17

23

20

57

1966 г.

6,7

264

1741

448

98

217

710

1,1

3500

8

68

24

10

35

55

1992 г.

7,5

580

1700

730

205

137

1035

3,6

4390

15

54

31

15

17

68

20

60

20

15

20

65

2002 г.

7,1

610

2372

445

223

250

886

47

4810

16

63

21

17

26

57

2010 г.

7,2

581

2708

425

366

254

886

35

5275

12

73

15

36

23

41

2015 г.

6,9

576

2812

344

287

270

940

34

5238

12

75

13

18

29

53

 

Основные изменения состава шахтных вод завершились к окончанию процесса ликвидации угольных шахт в 2005–2006 гг., и важно рассмотреть, какие же это изменения. Выполнено сравнение связей между компонентами химического состава вод на примере результатов опробования в 1992 и 2010 гг. (табл. 3 и 4).

В 1992 г., до ликвидации шахт (табл. 3), отмечаются следующие наиболее сильные связи: для минерализации (М) с Na, Cl, SO4; между компонентами: Na–Cl, SO4–Mg, SO4–Ca, HCO3–Na; отрицательные связи pH–Ca, pH–SO4. Это свидетельствует как о развитии процессов окисления серы, так и о значительном привносе Cl и HCO3 при дренировании подземных вод соответствующего состава, то есть о значительной роли третьего и четвертого направлений изменений состава шахтных вод. Наличие содовых по составу шахтных вод позволило сделать вывод о перспективах открытия нефтегазовых скоплений в регионе.

Таблица 3

Значения парных коэффициентов корреляции между компонентами химического состава шахтных вод (1992 г.)

Компоненты

рН

HCO3

SO4

Cl

Ca

Mg

Na

M

pH

1

0,27

– 0,49

0,29

– 0,67

– 0,34

0,17

– 0,11

HCO3

0,27

1

– 0,17

0,27

– 0,32

– 0,16

0,50

0,39

SO4

– 0,49

– 0,17

1

– 0,21

0,58

0,69

0,24

0,58

Cl

0,29

0,27

– 0,21

1

– 0,15

– 0,16

0,78

0,6

Ca

– 0,67

– 0,32

0,58

– 0,15

1

0,43

– 0,15

0,23

Mg

– 0,34

– 0,16

0,69

– 0,16

0,43

1

0,04

0,37

Na

0,17

0,50

0,24

0,78

– 0,15

0,04

1

0,90

M

– 0,11

0,39

0,58

0,6

0,23

0,37

0,90

1

 

Таблица 4

Значения парных коэффициентов корреляции между компонентами химического состава шахтных вод (2010 г.)

Компоненты

pH

HCO3

SO4

Cl

Ca

Mg

Na

М

pH

1,00

– 0,03

– 0,55

0,13

– 0,35

– 0,59

– 0,12

– 0,46

HCO3

– 0,03

1,00

– 0,16

0,09

– 0,09

– 0,14

0,19

– 0,05

SO4

– 0,55

– 0,16

1,00

0,04

0,42

0,84

0,65

0,95

Cl

0,13

0,09

0,04

1,00

0,23

0,21

0,49

0,34

Ca

– 0,35

– 0,09

0,42

0,23

1,00

0,45

0,08

0,44

Mg

– 0,59

– 0,14

0,84

0,21

0,45

1,00

0,38

0,84

Na

– 0,12

0,19

0,65

0,49

0,08

0,38

1,00

0,79

М

– 0,46

– 0,05

0,95

0,34

0,44

0,84

0,79

1,00

 

Таблица 5

Средний химический состав шахтных вод в 2015 г. по главным гидрогеохимическим направлениям изменения состава (мг и %-моль)

Направление

рН

НСO3

SO4

Cl

Ca

Mg

Na

Fe

М

1

6,2

368

4115

203

277

370

1214

43,8

6547

6,2

87,9

5,9

14,2

31,6

54,2

2

7,1

662

3045

533

288

238

1267

3,2

6033

12,2

71,0

16,8

16,1

22,2

61,7

3

4

7,3

445

1167

202

73

41

695

1,1

2623

19,6

65,2

15,2

9,7

9,2

81,1

 

В 2010 г. (табл. 4), после практически полного завершения ликвидации шахт отмечаются следующие наиболее сильные связи: M с SO4, Mg, Na; между компонентами SO4–Mg, SO4–Na и отрицательные связи pH–Mg, pH–SO4. Это свидетельствует о резком усилении процессов окисления серы (наиболее высокие коэффициенты для сульфат-иона), снижении роли хлор-иона и уменьшении притоков подземных вод глубокой циркуляции, то есть об интенсификации первого и подавлении роли третьего и четвертого направлений изменения состава шахтных вод.

Сравнение результатов анализа основных направлений изменения химического состава шахтных вод по данным 1992 г. (табл. 1) и 2015 (табл. 5) полностью подтвердило сделанные выше выводы о коренном преобразовании этих направлений.

По первому направлению еще более усилились процессы окисления серы, заключенной в углях и вмещающих породах, что привело к увеличению содержаний SO4 с 2,5 до 4,1, и Fe с 11,1 до 43,8 мг/л, а минерализации вод – с 4,4 до 6,5 г/л; несколько снизилось содержание Cl. По второму направлению также происходит резкий рост содержаний SO4 с 1,6 до 3,0, минерализации с 4,2 до 6,0 г/л; снижается содержание Cl. Третье направление изменения состава вод, когда формировались сульфатно-хлоридные воды, вообще отсутствует. Это свидетельствует о том, что резко снизился приток подземных хлоридных вод, формирующихся по прямой геохимической зональности вод и содовых вод, образование которых связано с обратной вертикальной геохимической зональностью вод в Донбассе [2, 5]. Четвертое направление претерпело существенные преобразования: значительно уменьшилась минерализация и содержания НСO3, Cl и Na; воды стали сульфатными.

Заключение

Анализ гидрогеохимической информации выполнен с привлечением широкого арсенала математико-статистических методов, оригинального критерия Z2 и инновационного G-метода классификации многомерных наблюдений.

Описаны закономерности формирования химического состава шахтных вод Восточного Донбасса по результатам обобщения более 1700 анализов вод за столетний период (1920-х гг. до 2015 г.). Выявлен волнообразный характер изменений состава вод в указанный период. Выделены и детально охарактеризованы четыре основных направления изменения состава вод до и после массовой ликвидации угольных шахт в регионе.

Анализом корреляционных связей установлено, что в формировании состава вод в 1992 г. помимо первого направления значительную роль играют второе, третье и четвертое направления изменения состава. К 2010 г. ситуация резко изменилась: увеличилось влияние первого направления, частично сохранилось второе, практически отсутствует третье и снизилась роль четвертого.

Все перечисленные факты убедительно свидетельствуют о том, что после ликвидации угольных шахт в Восточном Донбассе произошло коренное изменение направлений и процессов формирования химического состава шахтных вод. Резко сократился приток подземных вод со значительных глубин, что привело к уменьшению содержаний хлор-иона. В шахты поступают грунтовые и поверхностные воды, существенно обогащенные кислородом и вызывающие развитие процессов окисления, выщелачивания и растворения серы и вмещающих горных пород. Эти воды имеют высокую минерализацию, преимущественно сульфатный состав, обогащены Fe, Mn, Al, Co и другими поллютантами, образуют обширные потоки загрязнения поверхностных и подземных вод. Это требует проведения в регионе эффективных реабилитационных мер во всех компонентах окружающей среды.


Библиографическая ссылка

Гавришин А.И., Борисова В.Е., Торопова Е.С. СОВРЕМЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ШАХТНЫХ ВОД В ВОСТОЧНОМ ДОНБАССЕ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 7. – С. 59-63;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36478 (дата обращения: 15.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074