Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Рецензия
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

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.

Рецензия № 1

1464 KB

Рецензия № 2

1239 KB

Статья в формате PDF

0 KB

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)

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)

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.)

Таблица 4

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

Таблица 5

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

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