Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

В Пермском крае распространены все литологические типы карста – карбонатный, сульфатный и соляной. Карстующиеся породы выходят на поверхность или залегают на небольшой глубине на площади более 30 тыс. км2, что составляет 18,7 % площади края (Максимович, Горбунова, 1958). Некоторые исследователи (Дублянская, Балабанова, 2004), к районам, где карстовый процесс имеет потенциальные условия развития, относят свыше 90 % (более 148 тыс. км2) территории Пермского каря [5].

Соляной карст распространен в пределах Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей (ВКМКС). На месторождении выделяются – современный (молодой), погребенный (древний), природный (естественный), антропогенный (искусственный) и смешанный типы соляного карста, кроме того – соляной карст зоны сплошного и локального карстообразования, в ископаемых солях – поверхностный и подземный карст.

Современный карстовый процесс на площади ВКМКС протекает интенсивно, о чем свидетельствуют величины химического стока (химическая денудация – 60-65 мкм/год) [5]. Результатом активно развивающихся процессов выщелачивания на месторождении являются различные поверхностные и подземные карстовые формы. Наиболее яркие и катастрофичные проявления антропогенного карста – это провалы, произошедшие в 1986 г. (БКПРУ-3), 1991 г. (СКРУ-1), 2007 г. (БКПРУ-1), 2010 г. (ж/д станция «Березники»), 2011 г. (у АБК БШСУ – г. Березники).

В настоящее время добыча и переработка солей производится тремя соликамскими калийными рудоуправлениями – СКРУ-1 и СКРУ-2, СКРУ-3 и двумя березниковскими – БКПРУ-2, БКПРУ-4 (рисунок 1). С 2011 г. все рудоуправления входят в состав объединенной компания ОАО «Уралкалий». Калийные предприятия включают в свой состав как рудники, ведущие подземную добычу сильвинито-карналлитовых руд и каменной соли, так и обогатительные фабрики по их переработке.

Горногеологические и горнотехнические условия эксплуатации месторождения сложные из-за наличия мощного надсолевого и подсолевого водоносных комплексов, аномалий геологического строения, зон замещения солей, газоносности пород, землетрясений, площадей городской застройки и других причин. Надсолевые породы обводнены, соляная толща безводна и доступна для отработки подземным способом камерами, с оставлением ленточных целиков. Глубина отработки рабочих пластов солей составляет 250-380 м [5, 7].

Основными проблемами освоения запасов калийных солей ВКМКС являются обеспечение защиты рудников от затопления, комплексное освоение его недр (совместная разработка калийных солей и нефтяных залежей, извлечение элементов-примесей, в том числе благородных металлов) и охрана окружающей среды [5, 7].

Гидрогеологические условия территории исследования. Исследуемый район относится к северной части Предуральского артезианского бассейна Восточно-Европейской системы артезианских бассейнов, к Северо-Предуральскому бассейну блоково-пластовых вод [2, 6].

Рис. 1. Схема расположения участков детальной разведки ВКМКС: 1 – контур калийной залежи ВКМКС; 2 – границы участков детальной разведки и их номера. Участки детальной разведки: 1 – Боровской, 2 – Половодовский, 3 – Соликамский (СКРУ-1, СКРУ-2), 4 – Ново-Соликамский (СКРУ-3), 5 – Быгельско-Троицкий (БПКРУ-4), 6 – Березниковский (БПКРУ-1), 7 – Дурыманский (БПКРУ-2), 8 – Талицкий, 9 – Усть-Яйвинский, 10 – Балахонцевский (БПКРУ-3, рудник затоплен), 11 – Палашерский

По условиям взаимосвязи водоносных подразделений с поверхностью в вертикальном разрезе ВКМКС выделяют два гидрогеодинамических этажа: верхний (надсолевой) и нижний (подсолевой), которые разделены водоупорной соляной толщей. Вся надсолевая толща (исключая зону аэрации) насыщена водой, а водоносные комплексы слабо изолированы друг от друга. В верхней надсолевой толще выделяются четыре основные гидрогеологические подразделения – водоносные горизонты четвертичных отложений (pgQ, aQ, fQel), слабоводоносный локально-водоносный шешминский терригенный комплекс (P1šš[1]), водоносная верхнесоликамская терригенно-карбонатная подсвита (P1sl2), слабоводоносная нижнесоликамская соляно-мергельная подсвита (P1sl1) [2, 6, 8].

Водоносная верхнесоликамская терригенно-карбонатной подсвита является единственным источником водоснабжения городов Соликамска и Березники, а также промышленных предприятий.

Нижний гидрогеологический этаж (подсолевой) представлен слабонапорными застойными минерализованными водами (часто рассолами) с минерализацией до 200-290 г/дм3. Они отличаются высокой степенью метаморфизации, низкой сульфатностью, обогащенностью бромом (до 2,4 г/дм3), другими галофильными элементами и редкими щелочными металлами [5].

Под действием инфильтрационных вод соляные породы повсеместно претерпели постседиментационные преобразования – от избирательного выщелачивания до полного растворения солей. Границей между карстогенными и соляными породами, не претерпевшими постседиментационных преобразований, является соляное зеркало, абсолютные отметки которого изменяются от -63 до +93 м (Поповский купол) [5].

Объектом исследований является верхний гидрогеодинамический этаж.

По степени защищенности подземных вод на территории исследований выделяются в основном незащищенные и условно защищенные категории. В особо неблагоприятных условиях находится четвертичный аллювиальный водоносный горизонт, относящийся к «незащищенной» категории, к условно защищенным – подземные воды верхнесоликамской терригенно-карбонатной подсвиты [2, 6].

Оценка современного состояния подземных вод на площади разрабатываемых участков дана для территорий соликамских калийных рудоуправлений (СКРУ-1, СКРУ-2, СКРУ-3). Состояние подземных вод охарактеризовано по данным производственного экологического контроля соледобывающих предприятий, многолетнего мониторинга нескольких крупных водозаборов и особенностям родниковой разгрузки. Период наблюдений составляет последние 10 лет (2003-2013 г.г.). Характеристика состояния подземных вод дана на основе сравнения содержания химических элементов в воде с ПДК по действующим нормативным документам ГН 2.1.5.1315-03, ГН 2.1.5.2280-07 и СанПиН 2.1.4.1074-01 и критериев согласно [1, 3].

Режимные гидрогеологические исследования. Соликамские калийные рудоуправления ВКМКС в рамках программы производственного экологического контроля осуществляют режимные наблюдения за качеством подземных вод зоны активного водообмена в пределах существующих шахтных полей. Наблюдательные скважины заложены с учетом главного направления потока подземных вод и размеров зоны влияния промышленных объектов (шламохранилищ, солеотвалов, промплощадок, рассолосборников), их глубина от 5 до 115 м.

Ретроспективный анализ результатов режимных наблюдений показал, что грунтовые воды четвертичных отложений в зоне влияния промышленных объектов преимущественно хлоридного и сульфатного состава, минимальная минерализация 1-3 г/дм3, максимальная – 54-192 г/дм3. На фоне повышенной минерализации отмечается превышение ПДК по хлоридам, сульфатам, ионам натрия, магния, общего железа, в отдельных пробах зафиксированы очень низкие значения рН (до 3,6-4,0). Подземные воды шешминского терригенного комплекса гидрокарбонатного и хлоридного состава, в отдельных пробах отмечается преобладание сульфатов. Минерализация не превышает 1,5 мг/дм3. Только содержание хлоридов не соответствует нормируемым пределам. Подземные воды верхнесоликамской терригенно-карбонатной толщи хлоридного состава, соленые с минерализацией 8-10 до 11 г/дм3. В интервале 70-80 м отмечается самая высокая степень засоления, минерализация стабильно высокая – 40-82 г/дм3. Концентрация хлоридов, ионов магния и натрия в 5-10 раз больше ПДК. Подземные воды соляно-мергельной толщи на протяжении всего периода исследований хлоридного состава с очень высокой минерализацией – от 50-70 до 100-130 г/дм3. Концентрация сульфатов и ионов магния в разы, а хлоридов и ионов калия в десятки раз выше ПДК.

На участках вне зоны влияния промобъектов в четвертичных отложениях распространены пресные гидрокарбонатные воды без признаков загрязнения. Для шешминского водоносного комплекса возможно повышенное содержание сульфатов, что связано с загипсованностью толши. Подземные воды верхнесоликамской терригенно-карбонатной подсвиты пресные гидрокарбонатного состава, на участках смешения с рассолами возможно повышение минерализации (до 3-5 г/дм3) и жесткости. В соляно-мергельной толще воды преимущественно хлоридные с минерализацией, увеличивающейся с глубиной от 2-2,5 до 50-300 г/дм3.

Режимные наблюдения за уровнем подземных вод в скважинах показали, что в целом сезонная зависимость сохраняется – наиболее низкое положение уровня подземных вод характерно для периода зимней межени, наиболее высокое – для весенне-летнего половодья.

Характеристика водозаборов подземных вод. На территории исследований можно выделить порядка 10 крупных водозаборов и множество водозаборных скважин, которые расположены в населенных пунктах (таблица). Все водозаборы и водозаборные скважины эксплуатируют водоносную верхнесоликамскую терригенно-карбонатную подсвиту [4].

Водозаборы Соликамских рудоуправлений имеют утвержденные зоны санитарной охраны, скважины оборудованы, основными наблюдаемыми показателями являются величина водоотбора, дебит отдельных водозаборных скважин, уровень подземных вод, физические свойства и химический состав подземных вод.

Перечень исследуемых водозаборов

Мониторинг подземных вод осуществляется регулярно и в полном объёме по микробиологическим, органолептическим и обобщенным показателям. Согласно результатам оценки наблюдений за составом подземных вод, качество извлекаемой воды полностью отвечает питьевым нормам СанПиН 2.1.4.1074-01, оно стабильно и не претерпевает существенных изменений, как в многолетнем, так и внутригодовом режиме. Тенденция ухудшения качества воды не наблюдалась. Исключение составляет водозабор № 1 СКРУ-3, который возник стихийно в период 1988-1989 г.г. без проведения геологоразведочных работ, здесь при соответствии качества вод по основным показателям отмечены единичные превышения величины общей жесткости вод.

Несмотря на интенсивную техногенную нагрузку с поверхности земли – со стороны многочисленных производственных предприятий, химический состав и минерализация подземных вод верхнесоликамской водоносной подсвиты за последние два-три десятилетия не претерпели существенных изменений. Это обеспечивается хорошей естественной защищенностью водоносного подразделения, организацией зон санитарной охраны водозаборов, соблюдением величины разрешенного водоотбора [4].

Родниковая разгрузка подземных вод на территории исследований происходит в долинах рек Усолка, Поповка, Суходойка и Селянка. Восходящие и нисходящие источники разгружаются из верхнесоликамской терригенно-карбонатной подсвиты. Расходы родников от 1-2 до 15-18 дм3/с, температура воды – от 1-2 до 11-12 ºС.

По химическому составу вод родники можно объединить в 2 группы (рис. 2) – солоноватые, соленые источники хлоридного состава и пресные гидрокарбонатные.

Рис. 2. Соотношения основных ионов в химическом составе родниковых вод на территории исследования

К первой группе относятся источники, разгружающиеся в долине р. Усолки – в западной и восточной частях г. Соликамска. На западной окраине города повышенные содержания хлоридов и других элементов в водах родников обусловлены гидравлической связью водоносной верхнесоликамской терригенно-карбонатной подсвиты со слабоводоносной нижнесоликамской соляно-мергельной подсвитой. Здесь минерализация подземных вод составляет 2-7,5 г/дм3, воды жесткие и очень жесткие, преимущественно Cl--Na+-SO42- и Cl--Na+-Ca2+ состава (по [3]). На восточной окраине города гидрохимический режим родников техногенный – они разгружаются в прибрежной зоне техногенного озера, которое расположено в непосредственной близости от шламохранилища СКРУ-3. Минерализация варьирует в широких пределах (2-4 до 18 г/дм3), воды очень жесткие, преобладающие гидрохимические фации (по [3]) – Cl--Ca2+-Na+ и Cl--Ca2+-HCO3-.

Для другой группы родников, разгрузка которых происходит в долинах рек Усолки, Суходойки, Мокрогуски, характерен естественный гидрокарбонатный состав и небольшая минерализация (0,4-0,9 г/дм3). Преобладающими фациями являются – природная HCO3--Ca2+-SO42- и HCO3--Ca2+-Cl-. Воды средней жесткости (до 5 мг-экв/дм3), макроэлементный состав в норме. Возможным фактором повышенного содержания азотистых соединений является несанкционированное складирование бытового мусора, как в местах разгрузки подземных вод, так и выше по потоку.

Выводы. Современный гидрохимический облик подземных вод верхней надсолевой толщи на площади разрабатываемых участков соликамских калийных рудоуправлений формируется не только под влиянием техногенных факторов. Подземные воды вне зон влияния промышленных объектов имеют преимущественно естественный природный облик – пресные, гидрокарбонатного состава, средней жесткости. На отдельных участках, где существует гидравлическая связь верхнесоликамской терригенно-карбонатной подсвиты с нижнесоликамской соляно-мергельной подсвитой, распространены солоноватые и соленые воды хлоридного состава жесткие и очень жесткие.

На участках в зоне влияния промплощадок, шламохранилищ, солеотвалов, рассолосборников они подвержены интенсивному загрязнению (засолению), обусловленному высокими концентрациями хлоридов натрия и калия.

Гидрохимический режим подземных вод в пределах эксплуатируемых месторождений пресных подземных вод полностью отвечают питьевым нормам и достаточно стабилен во времени, что обеспечивается хорошей естественной защищенностью верхнесоликамской водоносной подсвиты – основного коллектора пресных подземных вод исследуемой территории, и организацией зон санитарной охраны водозаборов, соблюдением величины разрешенного водоотбора.