Специфика выбора участков для захоронения промстоков в ходе освоения месторождений алмазов Якутии определяется не только затратами на процесс удаления дренажных рассолов, но и ответственностью за сохранение благоприятной геоэкологической обстановки в регионе. Поэтому разработке методологии оценки и способам обнаружения перспективных геологических структур в многолетнемерзлых породах (МПП) для захоронения экологически опасных стоков в АК «АЛРОСА» придается особое значение. Следует отметить специфику ММП как среды для закачки дренажных вод, которая имеет существенные отличия, по сравнению с другими природными геологическими объектами, используемыми в качестве резервуаров для складирования жидких промышленных отходов [2, 3]. В целом подземное захоронение сточных вод в недра Земли основано в первую очередь на поглощающих способностях породных массивов или их участков вмещать и удерживать жидкие отходы. До принятия решения по удалению промышленных растворов требуется обосновать геологические условия приемлемой для этих целей среды, произвести выбор места и технологию закачки предназначенных к утилизации или захоронению стоков.
Результаты исследований
Основные требования к геологической среде, используемой для удаления сточных вод, включают:
– высокие коллекторские и поглощающие свойства горных пород, водоносных зон, горизонтов или участков геосферы;
– наличие перекрывающего (в некоторых случаях и подстилающего) непроницаемого или слабопроницаемого экрана, или буферного водоносного горизонта, комплекса, зоны;
– отсутствие прямой гидравлической связи с зоной интенсивного водообмена;
– отсутствие в пределах объекта под закачку пресных, соленых подземных вод и рассолов, используемых для водоснабжения, извлечения полезных компонентов или применения в бальнеологических целях и при смешении с которыми ухудшается их качество;
– совместимость подземных флюидов и удаляемых промстоков;
– отсутствие воздействия закачки на гидродинамические и другие показатели подземной гидросферы, сказывающейся на эффективности отработки прилегающих месторождений (главным образом нефтегазовых).
Вместе с тем, в природной обстановке трудно выбрать идеальный объект, отвечающий по своим свойствам всем выше перечисленным требованиям, особенно в условиях стохастически неоднородных сред с их разнообразными гидрогеохимическими и криогидрогеологическими системами. Из этого следует, что обоснование выбора природного резервуара и принятие решения на захоронение стоков должно опираться на определенную региональную систему признаков, построенную путем оптимизации выше обозначенных требований к геологической среде, желательно с количественным выражением. К примеру, в США при рассмотрении перспективности объекта для удаления промстоков нижним пределом минерализации воды, распространенной в пласте-коллекторе, считается 10 г/дм3 [4]. В то же время отечественный опыт использования полигонов с аналогичными или более экстремальными гидрохимическими показателями свидетельствует о неправомочности таких требований к природной криогидрогеологической среде на территории России.
Сведения об используемых компонентах геосистем той или иной территории могут быть представлены в качественной и количественной форме. При районировании и выборе благоприятных участков для удаления различных промстоков в геологическую среду многие исследователи рекомендуют чаще применять критерии (признаки) оценки с их количественными показателями. Так, для захоронения высокорадиоактивных отходов Б.Т. Кочкин [4] рекомендует использовать граничные значения признака, включая численные показатели. По его методике комплексная оценка полигона состоит из суммы балльных отметок по 16 геологическим критериям. Степень пригодности объекта по каждому критерию варьирует в пределах балльных шкал четырех размеров. Эта степень зависит от вероятности проявления негативного геологического фактора, который может оказать влияние на показатель загрязнения окружающей среды, его интенсивность, а также на достоверность поступающей информации. При данном подходе выбор наиболее безопасного места захоронения устанавливается по суммированию оценок с максимальными баллами.
Для решения проблемы многокритериальности при выборе пригодной геологической среды рекомендуется использовать агрегированный критерий оценки риска загрязнения окружающей обстановки. В.Н. Морозов и В.Н. Татаринов [7] предложили интегрированную методику, основанную на рейтинге блока, который складывается из суммы произведений экспертных оценок по 27 факторам в баллах (от 1 до 3) на их цену (от 0 до 1). Экспертная оценка отражает степень пригодности блока по данному фактору, а цена – ранг значимости. Критерии соответствия геологической среды требованиям безопасного захоронения РАО рассмотрены в работах и других исследователей [5, 6, 8].
А.К. Лисицин и А.Н. Сысоев [6] рекомендуют выделять пласты-коллекторы и блоки пород при отсутствии у исследуемой формации массообмена с дневной поверхностью. К дополнительным критериям выбора мест захоронения, в частности, жидких РАО и токсичных промышленных отходов в осадочном чехле, по мнению авторов, следует относить: невысокую мобильность земной коры; длительную унаследованность процессов развития структуры; высокую степень консолидации пород фундамента; отсутствие масштабных геотермических аномалий; низкую сейсмичность (0–3 балла) или ее отсутствие. Этим особым критериям при стабильном тектоническом режиме в большей мере соответствуют толщи чехла древних платформ с докембрийским фундаментом, а также большая мощность осадочных пород. По их представлениям, во всех районах криолитозоны Сибирской платформы можно производить захоронение радиоактивных и токсичных промышленных отходов ниже яруса ММП.
В то же время набор большого количества разработанных и предлагаемых даже геологических критериев, в условиях криолитозоны не несет необходимой конкретной информации по оцениваемому объекту. Имеются в виду такие факторы, как глубинные аномалии силы тяжести, плотностная дифференциация корово-мантийных блоков, уровень естественных напряжений и т.д. Поэтому при районировании и выделении перспективных объектов в криолитозоне необходим индивидуальный подход к выбору мест захоронения дренажных стоков с учетом экологической безопасности предполагаемого способа удаления.
Следует отметить, что ранее выделенные и применяемые поисковые критерии выбора криогидрогеологического объекта под захоронение дренажных стоков в основном имели качественные показатели, основанные на сравнении разных участков криолитозоны по каким-либо свойствам природной среды. Оптимизация показателей криогеологической (криогидрогеологической) среды часто сопряжена с субъективным характером рассмотрения. Однако окончательная оценка перспективности объекта зависит от прогнозных объемов природных резервуаров, основанных на поглощающих свойствах толщ пород, масштабности их распространения на полигоне и по району, а также мощности перекрывающего мерзлого экрана в экологически опасных направлениях. По нашему мнению, обоснованным отступлением от вышеперечисленных и общепринятых требований к геологическим объектам под закачку можно считать обратную закачку дренажных вод или заводнение пластов однородными по качеству и составу флюидами (рассолами), поступающими в горные выработки из одних и тех же горизонтов подземной гидросферы. Характерным примером такого отступления от установленных требований можно считать обратную закачку дренажных стоков карьера «Мир» или рудника «Интернациональный» в подмерзлотный водоносный комплекс.
При использовании ММП для удаления дренажных рассолов основным условием и требованием, считается наличие поглощающего горизонта (зоны), участка и перекрытого слабо- или непроницаемым экраном, которым является толща ММП. Следует подчеркнуть, что роль остальных свойств среды для захоронения жидких промышленных отходов в криолитозоне при использовании разных методов и объектов под закачку нельзя преуменьшать, а необходимо также рассматривать их как основополагающие, особенно показатели совместимости растворов, температуры мерзлых пород и свойств техногенных стоков.
Использование тектонически нарушенных участков (зон) осадочного чехла в разных интервалах криогенных областей для захоронения промстоков считается несколько противоречащим основным требованиям, предъявляемым к геологической среде. Но как показывает многолетний положительный опыт на разных месторождениях, использование таких участков для удаления дренажных вод вполне приемлемое и перспективное направление [2, 3]. К примеру, выбор участков геологической среды в Якутии при поисковых и разведочных работах и последующее строительство полигонов захоронения АК «АЛРОСА» с высокой приемистостью скважин связаны, главным образом с существующей трещинной пустотностью и проницаемостью пород, которые зависят в первую очередь от структурно-тектонических условий криогенных массивов и подмерзлотных водоносных горизонтов.
Следует подчеркнуть, что в условиях осадочного чехла древних платформ редко встречаются достаточно однородные литолого-фациальные комплексы с характерным составом и коллекторскими свойствами пород. Разнонаправленные исследования показывают, что осадочные толщи неоднородны в фильтрационно-емкостном плане, как правило, по латерали и вертикали на всех уровнях, начиная от микроучастка, заканчивая крупным флюидонасыщенным бассейном. В осадочных комплексах пород могут существовать благоприятные природные резервуары следующих типов: структурно-литологические, структурно-стратиграфические, структурные, литологические. Каждый генетический тип потенциального резервуара отличается закономерностями размещения в подземном пространстве, развитием пород-коллекторов и экранирующих толщ. В чистом виде эти типы практически не встречаются и взаимодействуют комплексно, формируя свойственные им фильтрационно-емкостные показатели подземной крио- или гидросферы. Следует отметить, что не для каждого региона (района) перспективной может быть любая из выделяемых геологических (криогидрогеологических) структур и не всегда применим метод аналогии. Поэтому подход к выбору объекта, используемого для захоронения промстоков в криолитозоне, должен быть индивидуальный, как по показателям природной среды, так и по закачиваемым промстокам.
Как ранее отмечено, факторы, определяющие перспективность природного объекта, разнообразны и могут быть объединены в соответствующие группы. Для условий криолитозоны существующие геологические признаки благоприятных участков были дифференцированы по качественным показателям [2, 3]. Для выбора перспективных криогенных структур разработан и успешно применен на практике комплекс поисковых критериев, включающий структурные, тектонические, геоморфологические, газодинамические, температурные, гидрогеологические, геофизические, геохимические и прямые признаки. Каждый из этих критериев имеет свою физическую основу, т.е. напрямую или косвенно связан с фильтрационно-емкостными свойствами определенной криогеологической среды на отдельном объекте.
На основе анализа имеющихся материалов по полигонам захоронения дренажных рассолов АК «АЛРОСА» и перспективным участкам, которые могут в дальнейшем использоваться для удаления промстоков, проведена систематизация (ранжирование) и представлена более подробная характеристика существующих и выделяемых критериев с их количественной оценкой. Рассмотрим особенности выполненного разделения, в котором характерные элементы представленной системы обобщенных показателей приведены с их количественным представлением по значимости. Набор используемых геологических критериев (признаков) определяет перспективность того или иного природного объекта на рассматриваемой территории и позволяет осуществлять ее районирование по каждому признаку с последующим картографическим отображением. Этот подход к районированию с разделением по значимости и последующим установлением границ участков для каждого критерия и далее по обобщенному показателю существенно снижает трудозатраты поисковых работ и увеличивает эффективность предлагаемой методики оценки криогеологических структур. Пример районирования и апробации предложенной методики оценки перспективности участков в ММП выполнен для Западной Якутии вблизи Удачнинского ГОКа (рисунок) и представлен в таблице.
Рассмотрим детали выполненной количественной оценки существующих критериев. В предложенном варианте разделения комплексной поисковой системы каждому установленному признаку присваивается ранг. Ранее проведенными исследованиями установлено, что выделенные признаки неодинаково характеризуют эффективность (значимость) существующего критерия. Поэтому для более детального разделения им присваиваются индексы в виде чисел (1, 2, … n) с установлением обобщенного индекса (Pn). Известно, что отмеченные и рассматриваемые признаки в разной степени отображают и эффективность критерия, поэтому для соответствия проводимого ранжирования территории исследований вводим характеризующий балл (коэффициент) по прерогативе и весомости используемого признака (от 1 до 10). Далее рассчитывается обобщенный показатель (Кр) перспективности природного объекта в ММП для удаления дренажных рассолов, который выражен суммой всех признаков (Pn), усиленных соответствующим коэффициентом (баллом) (in), и представляется в следующем виде:
Кр = Σ Pn in.
По результатам оценки рассматриваемой территории получаем, что чем выше обобщенный показатель, тем перспективнее природный объект (геологическая структура) для решения проблемы по закачке дренажных рассолов в ММП. Это подтверждено натурными данными при использовании участков для закачки рассолов в Удачнинском ГОКе. Аналогичное районирование с ранжированием по значимости и количественными оценками было проведено в Айхальском и Нюрбинском ГОКах АК «АЛРОСА». Данный подход к выбору перспективных площадей для захоронения дренажных рассолов рудника «Айхал», карьеров «Юбилейный», «Комсомольский», «Нюрбинский» был применен на практике и оценен как положительный. Рассмотренные количественные показатели поисковых критериев при оценке криогеологических структур под захоронение дренажных вод в ММП могут быть использованы на других территориях Якутии.
Районирование территории, перспективной для закачки дренажных рассолов: 1 – современные отложения; 2 – ордовикская система, олдондинская свита; 3 – кембрийская система, верхний отдел, онхойюряхская свита, нижняя пачка; 4 – кембрийская система, верхний отдел, моркокинская свита; 5 – недифференцированные и слабо дифференцированные пластовые и секущие интрузии долеритов; 6 – кимберлитовые трубки, дайки, жилы; 7 – границы между разновозрастными образованиями: (а) достоверные; б) предполагаемые); 8 – линии тектонических нарушений: (а) достоверные; б) выделенные по дешифрированию); 9 – Силигиро-Мархинский разлом фундамента; 10 – перспективные участки; 11 – эксплуатационные участки; 12 – Сугуннахский блок; 13 – алмазоносные трубки.
Распределение поисковых признаков и обобщенного показателя по перспективным участкам вблизи Удачнинского ГОКа
|
№ п/п |
Поисковые признаки (Pn) |
Участки |
|||||
|
Северный |
Левобережный |
Чужой |
Киенгский |
Октябрьский |
Сугуннахский |
||
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
Региональные тектонические нарушения: – кимберлитоконтролирующие северо-восточного простирания; – базитовмещающие северо-западного простирания; – субмеридиональные зоны нарушений; – субширотные зоны нарушений. Структурные: отрицательные, неравномерно опущенные структуры; положительные, неравномерно поднятые структуры Геофизические: отрицательные гравитационные аномалии; линейные аномалии электрического сопротивления; локальные магнитные аномалии трубочного и дайкового типов Газодинамические: разнонаправленные движения воздуха в скважинах (л/сек): до 1; более 1 Геоморфологические: возвышенные, водораздельные участки с мощностью ММП (м): до 100; более 100 Геохимические линейные аномалии: по разным химическим элементам; газовых компонентов по Не, Н2, УВГ Гидрогеологические: повышенные показатели фильтрационно-емкостные показатели подмерзлотного горизонта (Т, м2/сут): до 1; более 1 Распределение температур внутри ММП: – закономерное; – аномальное Коэффициент приемистости скважин (м3/ч/м): < 0,1; 0,1–1,0; > 1,0 |
– – 3 3 – – – – – – – – 4 1 – – – 1 – – 5 – |
5 – 3 3 – – – – 2 – – – 4 1 – – – – 3 – – 10 |
– – 3 3 – – – – – – – – 4 1 – – – 1 – – 5 – |
5 5 3 3 5 – 2 2 2 – 4 – 4 1 3 – 4 – 3 – – 10 |
5 5 3 3 5 – 2 2 2 – 4 – 4 1 3 – 4 – 3 – – 10 |
– 5 3 3 – 3 2 2 2 – – – 4 1 3 – – – 3 – 5 – |
|
Обобщенный показатель перспективности (Кр) |
17 |
31 |
17 |
56 |
56 |
36 |
|
Заключение
Резюмируя вышеизложенное, можно констатировать, что наиболее благоприятный участок (полигон) под захоронение дренажных рассолов в ярус ММП для условий криолитозоны Сибирской платформы должен, как правило, находиться вблизи трапповых тел и обладать полным комплексом показателей, включающих сложное структурно-тектоническое строение, отрицательные (сбросовые) или положительные структуры с сопутствующими аномалиями геофизических (гравитационных, магнитных, температурных и др.) и химических (геохимических, гидрохимических, атмохимических) полей, а также иметь максимальные мощности ММП. Предложенная количественная оценка криогеологических структур позволяет осуществлять детальное районирование территории и выделять наиболее значимые объекты по перспективности их использования для закачки дренажных рассолов.