Техногенная трансформация геологической среды Верхнекамского соленосного бассейна

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕХНОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ВЕРХНЕКАМСКОГО СОЛЕНОСНОГО БАССЕЙНА

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология»

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени

доктора геолого-минералогических наук

БЕЛКИН Владимир Викторович

Екатеринбург 2010

Работа выполнена в Березниковском филиале Пермского государственного технического университета.

Научный консультант: доктор геолого-минералогических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Грязнов Олег Николаевич

Официальные оппоненты:

Грабовников Валерий Аркадьевич - доктор геолого-минералогических наук, профессор

Свидзинский Сергей Александрович - доктор геолого- минералогических наук

Филатов Владимир Викторович - доктор геолого- минералогических наук, профессор

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им.Н.М. Федоровского (ВИМС) МПР РФ

Защита диссертации состоится 15 апреля 2010 г. на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 (III уч. корпус, ауд. 3326)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан «___» ___________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Б. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ

Актуальность проблемы. Проблема безопасного недропользования является в современном индустриальном обществе как никогда актуальной. Деятельность человека, связанная с влиянием на геологическую среду, приобрела масштабы, в значительной мере сопоставимые с действием региональных природных процессов. Длительное антропогенное воздействие на нее зачастую может приводить к нарушению достигнутого природного равновесия. При этом влияние различных техногенных факторов на геологическую среду имеет наступательный, прогрессирующий характер и его результаты являются многосторонними, охватывая и другие компоненты окружающей среды (реки, озера, почву, рельеф, атмосферу и др.).

Наиболее важным негативным последствием работы калийных рудников является их труднопрогнозируемое техногенное затопление. В мире затоплено уже более 50 калийных рудников. Другим последствием является то, что все возрастающие объемы выработанного пространства, приводящие к изменению напряженно-деформированного состояния породных массивов, увеличению техногенной нагрузки на недра, провоцируют в горнодобывающих регионах техногенные землетрясения.

Оценка техногенного влияния на недра невозможна без наличия различных по масштабу целенаправленных наблюдений за объектами геологической среды, на основе результатов которых и могут быть установлены тенденции развития различных инженерно - геологических процессов, вскрыт их механизм и разработаны способы управления ими.

В данной диссертационной работе рассматриваются эколого-геологические условия Верхнекамского соленосного бассейна (ВКСБ), приводятся теоретические и методические основы мониторинга его геологической среды с целью разработки мероприятий по его охране и рациональному комплексному использованию.

Основная идея работы - техногенные факторы влияют на рациональную и безопасную эксплуатацию месторождений Верхнекамского соленосного бассейна. Поэтому для учета этого влияния необходимо их всестороннее изучение.

Объектами исследований в данной работе послужили как разрабатываемые участки ВКСБ, так и участки, подготавливаемые к разработке.

Цель исследований - изучение и оценка эколого-геологических условий Верхнекамского соленосного бассейна.

Задачи исследований: 1) оценка масштабов техногенного воздействия на геологическую среду соленосных бассейнов, оказываемого в процессе добычи и переработки калийных руд, регистрация зон аномального строения и состояния массивов горных пород в процессе геологического доизучения и мониторинга геологической среды; 2) определение фоновых характеристик состояния геологической и сопредельных сред до начала эксплуатации соляных месторождений; 3) разработка способов ведения мониторинга геологической среды эксплуатируемых соляных месторождений и обоснование необходимого комплекса исследований; 4) выявление методов рационального использования георесурсов соленосных бассейнов при соблюдении мер охраны подрабатываемых объектов и защиты калийных рудников от затопления, повышение комплексности использования добываемого сырья. геологический месторождение соленосный бассейн

Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертационной работы положен материал, полученный лично автором или под руководством автора сотрудниками Центра мониторинга геологической среды и геологических служб различных калийных предприятий, работающих в ВКСБ и обработанный им в процессе работы по совместительству в Березниковском филиале Пермского государственного технического университета (с 1992 г. по настоящее время).

Основные исследования выполнялись в рамках проектов: «Мониторинг геологической среды Верхнекамского солеродного бассейна». Проект работ на 1998-2002 гг. Государственный регистрационный № 48-98-22. Березники,1997; «Мониторинг геологической среды южной части Верхнекамского соленосного бассейна». Проект работ на 2003 - 2007 гг. Государственный регистрационный № 48-03-58 Березники, 2002; «Разведка Палашерского и Балахонцевского участков Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей». Проект работ на 2008 - 2009 гг. Государственный регистрационный № 57-08-74. Березники, 2008. Работы выполнялись в соответствии с геологическими заданиями, согласованными с Управлением по недропользованию по Пермскому краю.

Основной фактический материал получен при ведении мониторинга геологической среды на разрабатываемых шахтных полях ВКСБ. Кроме того, автор участвовал в работах по определению фонового состояния геологической и сопредельных сред на подготовленных к разработке участках детальной разведки Верхнекамского калийного месторождения.

Автор непосредственно участвовал в проведении наземных и подземных исследований эколого-геологического состояния ВКСБ и обработке полученных результатов. Диссертантом сформулированы методические основы и принципы ведения мониторинга геологической и сопредельных сред на калийных рудниках, разработана и внедрена на территории соленосного бассейна методика скважинных наблюдений за гидрогеодеформационным и газовым полем, предложен способ определения фоновых характеристик состояния геологической и сопредельных сред до начала эксплуатации соляных месторождений. При активном участии автора выявлено месторождение экологически чистой пищевой соли, обнаружено новое полезное ископаемое - золото в глинистых прослоях соляной толщи, обоснован состав смеси компонентов искусственной морской воды для плавательных бассейнов, на отдельных участках ВКСБ выявлены зоны с аномальным строением водозащитной толщи.

Методы исследований. При проведении исследований использованы методы:

- анализа состояния геологической среды, в т.ч. геолого-структурных особенностей горных массивов на разных масштабных уровнях;

- проходки разведочных горных выработок и скважин и натурных измерений в них;

- комплексного анализа геологических, гидрогеологических, гидрологических, геофизических, маркшейдерских и геомеханических данных с использованием ГИС-технологий.

Научная новизна:

- оценены эколого-геологические условия разработки месторождений Верхнекамского соленосного бассейна;

- разработана, запатентована и внедрена методика получения и обработки информации, касающейся фонового состояния и последующего мониторинга геологической среды на калийных рудниках;

- впервые предложен и внедрен на калийных рудниках новый метод наблюдений - одновременно за гидрогеодеформационным полем Земли и состоянием газовой атмосферы в кровле соляной толщи;

- впервые обоснован и внедрен способ получения смеси природных минералов галита и карналлита, перемешанных в соотношении 1: 2,5-5,0 для получения искусственной морской воды в бассейнах;

- на отдельных участках ВКСБ выявлены зоны с аномальным строением водозащитной толщи (ВЗТ).

Практическая значимость:

- в «Инструкцию по геологическому обслуживанию калийных рудников» (СПб,2002) включен написанный автором раздел «Мониторинг геологической среды» и на его основе внедрены в практику мониторинговые исследования;

- открыто в пределах ВКСБ месторождение экологически чистой пищевой поваренной соли, разработан способ отработки месторождения, что позволило получить миллионы тонн экологически чистой пищевой соли;

- ООО «СВ» (г. Москва) реализуют смесь природных минералов галита и карналлита в соотношении 1:2,5-5,0 для получения искусственной морской воды в бассейнах в расфасовке по 1 и 50 кг;

- в прослоях глины в пределах соляной толщи ВКСБ выявлено новое полезное ископаемое - золото. Горным институтом УрО РАН ( г. Пермь) проводятся опытные испытания по его извлечению.

Защищаемые положения.

1. Длительное техногенное воздействие на геологическую среду соленосных бассейнов, оказываемое в процессе добычи и переработки калийных руд, приводит к нарушению ее устойчивости, сопровождаемому возрастающей сейсмичностью калийдобывающих регионов, проявлением оседаний земной поверхности, прорывами подземных вод в горные выработки и затоплением калийных рудников, образованием провалов на месте их затопления. При этом добыча нефти из подсолевых отложений усиливает проявление негативных процессов. Зоны аномального строения и состояния массивов горных пород регистрируются в процессе доизучения геологической среды (главы 1,2).

2. Фоновые характеристики состояния геологической и сопредельных сред изучаются до начала эксплуатации соляных месторождений. Исследования включают: уточнение строения калийных пластов, оценку гидрогеологических условий их разработки, выявление природы геофизических аномалий, оценку состояния атмосферного воздуха, качество поверхностных и подземных вод, загрязнения снежного и почвенного покровов, величины радиационного фона, состояния флоры и фауны (глава 3).

3. Мониторинг геологической среды эксплуатируемых соляных месторождений осуществляется комплексом исследований, включающим дистанционное зондирование, инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности, выявление связи ее деформаций с объемами добытой руды, ведение сейсмологического контроля, проведение сейсмо-, электро-, гравиразведки на участках с аномальным строением водозащитной толщи, регистрацию гидродинамического, гидрогеохимического и газового режима подземных вод (глава 4).

4. Рациональное использование георесурсов соленосных бассейнов обеспечивается соблюдением мер охраны подрабатываемых объектов и защиты калийных рудников от затопления, комплексным использованием добываемого сырья с получением, кроме удобрений экологически чистой пищевой соли, смеси компонентов искусственной морской воды, приближенной по составу к воде Мертвого моря, золота, извлеченного из глинистых отходов калийного производства (глава 5).

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на ряде всероссийских и международных научных конференций и совещаний, в том числе: на Международной конференции «Проблемы безопасности и совершенствования горных работ («Мельниковские чтения»)» (Москва-Санкт-Петербург, 1999), Международной конференции « Геодинамика и напряженное состояние земных недр» (Новосибирск, 1999), Первом Всероссийском совещании по мониторингу геологической среды на объектах горнодобывающей промышленности (Березники, 1999), Региональной конференции «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Европейской территории России и Урала» (Екатеринбург, 2000), Всероссийском съезде геологов и научно-практической геологической конференции (Санкт-Петербург, 2000), Координационном совете по защите калийных рудников от затопления (г. Березники, 22. 10. 2001 г.), Международном научном совещании «Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика» (Апатиты, 2004), Международной научной конференции «Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов» (Пермь, 2005), Региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2008), Международной конференции «Комбинированная геотехнология: комплексное освоение и сохранение недр Земли» (Екатеринбург, 2009).

Публикации. Содержание работы и результаты исследований отражены в 82 работах, в том числе двух монографиях, 67 публикациях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК, в двух учебных пособиях для вузов, в десяти материалах конференций, изобретение «Способ отработки калийного месторождения под склонами речных долин» (патент РФ № 2186978) вошло в «Список 100 лучших изобретений России» за 2008 г., заняв второе место в номинации «Технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых».

Благодарности. Автор выражает благодарность научному консультанту, доктору геолого-минералогических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ О.Н. Грязнову, а также докторам геолого-минералогических наук А.И. Кудряшову, Б.М. Осовецкому, А.П. Красавину, В.Н. Дублянскому, К.С. Иванову, докторам технических наук А.А. Баряху, В.И. Костицыну, Ю.П. Кудрявскому, заслуженному геологу РФ Н.В.Кузнецову за ценные консультации в процессе выполнения работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы - 280 страниц, иллюстраций - 38, таблиц - 25. Список использованных источников включает 187 наименований.

Во введении показаны актуальность исследований, цели и задачи работы, научная новизна и практическая значимость. В первой главе «Крупнейшие соленосные бассейны зарубежных стран» рассмотрено геологическое строение Саскачеванского месторождения калийных солей (Канада), месторождений калийных солей Германии и Старобинского месторождения калийных солей (Белоруссия). Показаны последствия техногенного воздействия на их геологическую среду и методы ее мониторинга. Во второй главе «Техногенез геологической среды при разработке калийных руд Верхнекамского соленосного бассейна» приводится описание геологического строения ВКСБ, раскрываются последствия многолетней добычи калийных руд подземным способом, такие как повышенная сейсмичность, оседания и провалы земной поверхности, описывается влияние добычи нефти на геологическую среду и даны результаты ее геологического доизучения и мониторинга. В третьей главе «Определение фоновых характеристик геологической и сопредельных сред» приводятся результаты изучения характеристик на одном из намечаемых к отработке участков ВКСБ: строение калийных пластов, гидрогеологические условия, природа геофизических аномалий, состояние атмосферного воздуха, качество поверхностных и подземных вод, загрязнение снежного и почвенного покровов, величина радиационного фона, состояние флоры и фауны. В четвертой главе «Мониторинг геологической среды Верхнекамского соленосного бассейна» рассмотрен оптимальный комплекс исследований, входящий в систему мониторинга. В пятой главе «Охрана недр и рациональное использование георесурсов Верхнекамского соленосного бассейна» предложены методы и способы комплексного использования добываемого сырья при обеспечении соблюдения мер охраны подрабатываемых объектов и защиты калийных рудников от затопления.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Длительное техногенное воздействие на геологическую среду соленосных бассейнов, оказываемое в процессе добычи и переработки калийных руд, приводит к нарушению ее устойчивости, сопровождаемому возрастающей сейсмичностью калийдобывающих регионов, проявлением оседаний земной поверхности, прорывами подземных вод в горные выработки и затоплением калийных рудников, образованием провалов на месте их затопления. При этом добыча нефти из подсолевых отложений усиливает проявление негативных процессов. Зоны аномального строения и состояния массивов горных пород регистрируются в процессе доизучения геологической среды (главы 1,2).

Природная среда является важнейшей составной частью окружающей среды, включающей в себя четыре главных компонента (Ферсман,1953) - стратосферу, тропосферу, гидросферу и литосферу. Три последние в этом ряду геосферы образуют (Вернадский, 1954) биосферу - сложную наружную оболочку Земли, среду обитания биоты - живого «вещества» планеты. Часть литосферы, а точнее земной коры, которая непосредственно выступает как минеральная основа биосферы, как один из важнейших компонентов окружающей среды, с конца 70-х гг. прошлого века выделяется под названием «геологическая среда». Согласно Е.М. Сергееву (1979), под геологической средой понимается верхняя часть литосферы, которая рассматривается как многокомпонентная динамическая система, находящаяся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека и, в свою очередь, в известной степени определяющая эту деятельность. Верхней границей геологической среды является поверхность рельефа (дневная поверхность); нижняя граница - плавающая, неоднородная и неодинаковая по глубине в разных областях Земли. Она определяется глубиной проникновения человека в земную кору (Королев, 1995).

В результате открытия в конце 50-х гг. минувшего столетия крупнейших месторождений калийных солей в провинциях Саскачеван и Нью-Брансуик Канада заняла лидирующее положение в мире по запасам, добыче и экспорту этого вида сырья. Месторождение Саскачеван входит в состав обширного среднедевонского бассейна эвапоритовой седиментации, так называемой синклинали Элк Пойнт Бродфью, вытянутого в северо-западном направлении субпараллельно юго-западной границе докембрийского Канадского кристаллического щита на расстояние более 1500 км при ширине, местами достигающей 400 км. В течение времени с силура до среднего девона этот бассейн был местом максимального погружения в Западной Канаде. Среднедевонское море, наступавшее сюда с юго-востока, распалось на несколько локальных бассейнов с ограниченной циркуляцией воды и эвапоритовым режимом осадконакопления. Калийный пласт на Саскачеванском месторождении размещается в толще формации эвапоритов прерий на глубине около 1000 м. В кровле залегает каменная соль мощностью 15-20 м. Выше расположен второй пласт красноцветных аргиллитов, над которым залегает водоносная толща аргиллитов, известняков, доломитов и ангидрита формации Даусон Бей. Наиболее острой проблемой калийных рудников во всем мире является их затопление. В Саскачеване из семнадцати стволов калийных шахт, пущенных в эксплуатацию, пять имели большие притоки воды или были полностью затоплены при их прохождении. Шесть из девяти рудников в провинции столкнулись с большими притоками воды на различных участках шахтных полей. В районе калийной залежи Esterhazy, в середине декабря 2006 г. зафиксированы первые признаки притока рассолов. По результатам исследований к третьей декаде января 2007 г. приток составлял от 20 до 25 тыс. галлонов (около 76-95 литров) в минуту. Другой проблемой калийных рудников является техногенная сейсмичность. До начала ведения горных работ, а также в течение первых 14 лет их ведения сейсмическая лаборатория Службы геологической съемки Канады (GSC) не фиксировала, например, в районе Esterhazy наличия сейсмической активности. Первое землетрясение силой 3,0 балла по шкале Рихтера произошло в районе шахты K-1 7 ноября 1976 года. Эпицентр находился над пройденными выработками, при осмотре которых не было выявлено никаких повреждений. Начиная с 1976 года вблизи обоих действующих рудников (К-1 и К-2) произошло несколько десятков землетрясений с максимальной силой 3,7 балла.

На калийных рудниках Германии основной объект разработок - хартзальц (твердая соль), сильвинсодержащая руда с высоким содержанием примесных сульфатов магния и кальция. Многочисленные месторождения калийных солей Германии связаны с цехштейновыми галогенными толщами, широко развитыми в пределах Северо-Германской низменности. Цехштейновый бассейн осадконакопления занимал огромную площадь от Северной Британии, захватывая Северное море, Нидерланды, Данию, значительную часть Германии и Польши.

К настоящему времени одна из самых насущных проблем калийной промышленности Германии - затопление десятков как действующих, так и строящихся рудников. В начальный период существования предприятий объем имеющейся информации о геолого-гидрогеологическом строении участков месторождений, вовлекавшихся в добычу, являлся недостаточным для установления причин прорывов рассолов и вод в выработки. В дальнейшем стали уменьшать степень извлечения руды из залежи, применять сухую и гидравлическую закладку отработанных камер. Но даже такие изменения в технологии не смогли сохранить рудники: «Фон дер Гейдт», «Мантейфель», «Агата», «Нейестассфурт III» и др. - от проникновения рассолов через ангидрит или тектонические нарушения. Принятая технология работ на рудниках: «Бернтероде», «Зольштадт», «Бисмарк - Галль - Бишоффероде», «Нейе-Блейхероде» - предотвращала интенсификацию развития водопроводящих каналов. Свыше 30 лет горные работы продолжались при непрекращающихся небольших притоках рассолов. Водопроявления на рудниках «Ренгардсбрунн» (Ганновер) и «Саксен-Веймар» (Вера-Фульда) возникали при вскрытии выработками зон тектонических нарушений. Развитие мониторинговых исследований в конце 20-х гг. прошлого века позволило разработать меры для каждого калиеносного района Германии, что привело к резкому сокращению катастрофических последствий. Рекомендовалось проводить очистные работы не ближе 200 м от соляного зеркала, не отрабатывать вторичные соли, оставлять защитные пачки соли в кровле камер под соленосной глиной или ангидритом, не соединять выработками смежные шахтные поля. При камерной системе разработки предусматривалась закладка отработанных камер.

На калийных рудниках Германии также применяются сейсмологические системы мониторинга, необходимые для контроля горных предприятий. В 1986 г., например, в Центральной Германии ими зафиксировано техногенное землетрясение, обусловленное добычей калийной соли, с магнитудой 5,4. Из других мониторинговых систем на рудниках Германии наиболее широко используют прямые методы определения состояния геологической среды. В первую очередь, это наблюдения за оседаниями земной поверхности на подработанных территориях. В связи с многочисленными случаями затопления калийных рудников здесь детально отработаны методы ведения гидрогеологического мониторинга.

Старобинское месторождение калийных солей (Белоруссия) открыто в 1949 г. в 130 км к югу от Минска при проведении поисково-разведочного бурения на нефть и эксплуатируется четырьмя подземными рудниками производственного объединения «Беларуськалий» с 1961 г. с суммарной годовой добычей около 40 млн. т руды. Месторождение связано с соленосной верхнедевонской формацией, развитой в Припятском прогибе, и структурно ограничено по площади контурами одноименной локальной синклинали с максимальными углами падения пород до 4-6°. Оно входит в состав Белорусского калиеносного бассейна как один из главных (наряду с Петриковским месторождением) промышленных объектов.

Фаменская соленосная толща на участке месторождения имеет мощность от 190 до 580 м и представлена чередованием субгоризонтально залегающих пачек соляных (преимущественно каменная соль мощностью до 65 м) и глинисто-карбонатных (мощностью до 43 м) пород. В разрезах соляных пачек выявлено четыре калиеносных горизонта, залегающих в интервале глубин 365-1355 м и отстоящих друг от друга на 60-190 м. Промышленное значение имеют 2-й и 3-й горизонты. Соленосная толща перекрыта мощной (230-400 м) толщей глинисто-песчанистых пород фаменского возраста, являющейся водоупором. Выше ее залегают верхнемеловые песчаники и мел (15-30 м), палеогеновые глауконит-кварцевые пески (до35 м), а также четвертичные пески, гравий и суглинки (35-80 м).

Практически полное отсутствие подземных вод в соленосной свите, субгоризонтальное залегание ее пластов, их выдержанность по простиранию, отсутствие проявлений соляной тектоники и слабое развитие разрывных нарушений - благоприятные факторы для проведения подземной разработки месторождения. Гидрогеологические условия Старобинского месторождения, характеризующиеся наличием больших площадей с неглубоким залеганием подземных вод, способствуют активизации процессов подтопления, заболачивания и затопления. По мере расширения фронта очистных работ и развития процессов сдвижения, площадь территорий, подверженных подтоплению, заболачиванию и затоплению, растет и, по данным прогнозных расчетов, на конец процесса сдвижения составит 50 % всей площади месторождения.

На калийных рудниках Белоруссии используется примерно такой же набор мониторинговых исследований, что и на рудниках России. Данное обстоятельство обусловлено тем, что начиная с советских времен для этих рудников действовала одна инструкция ( «Методические указания по выбору мер охраны для существующих, строящихся и проектируемых объектов на территориях, подрабатываемых калийными рудниками». Л.,1976) и методическое руководство осуществлял один отраслевой НИИ (Всесоюзный научно-исследовательский институт галургии (ВНИИГ)). Однако, благодаря более благоприятным условиям проведения подземной разработки белорусских калийных руд, мониторинг геологической среды осуществляется здесь в гораздо меньших объемах.

Таким образом, на крупнейших калийных рудниках мира, кроме рудников Старобинского месторождения, отмечаются те же последствия техногенного воздействия на их геологическую среду, что и при разработке ВКСБ, и заключаются они, в первую очередь, в повышении сейсмичности регионов и затоплении рудников.

Освоение Верхнекамского соленосного бассейна (ВКСБ) началось после его открытия в 1925 г. В настоящее время ОАО “Уралкалий” и ОАО “Сильвинит” производят около 20 % от мирового объема калийных удобрений (рис.1). Подземные горные работы, производимые на калийных рудниках, - основной фактор техногенного воздействия на геологическую среду Верхнекамского соленосного бассейна. К ВКСБ относится крупная площадь сплошного развития соленосных отложений с пластами каменной соли, сильвинита и карналлитовой породы в единой структуре - Соликамской впадине, расположенной в пределах Предуральского краевого прогиба и ограниченной с запада Восточно-Европейской платформой, а с востока - Западно-Уральской зоной складчатости. Она занимает площадь 11847км², приурочена преимущественно к левобережной части р. Камы и вытянута примерно на 200 км в меридиональном направлении и до 50 км - в широтном. Большую часть Верхнекамского соленосного бассейна (Соликамской впадины) занимает одноименное месторождение калийных солей, представляющее собой многопластовую залежь, вытянутую в меридиональном направлении и делящуюся субширотными структурами (Боровицкой и Дуринской) на три обособленные части: северную, центральную и южную. Площадь развития калийных солей, залегающих на глубинах до 600 м, составляет 3750 км². В строении бассейна выделяют три существенно различных по составу комплекса пород осадочного чехла - нефтеносный подсолевой, соленосный и водоносный надсолевой.

Подсолевые отложения охарактеризованы по данным бурения на нефть. Сложены они породами верхнего протерозоя и среднего-верхнего палеозоя. Протерозойские отложения представлены переслаиванием песчаников, алевролитов и аргиллитов с туффитами. На них с размывом лежит карбонатный комплекс палеозоя. Общая мощность этих отложений составляет более четырех тысяч метров.

Выделяют два типа разрезов среднего и верхнего палеозоя - рифовый и межрифовый. Породы представлены известняками, в различной степени доломитизированными, с прослоями песчаников. Повсеместно присутствует фауна: фораминиферы, остракоды, брахиоподы, криноидеи и т.п. Нефть пространственно связана с рифовыми образованиями. Размеры девонско-турнейских «рифовых структур» - от одного до десяти километров в плане, а их высота составляет 40 - 80 м (рис. 2).

Рис. 1 Общая схема Верхнекамского соленосного бассейна

Отложения ассельского и сакмарского ярусов нижней перми представлены известняками, участками окремнелыми, прослоями органогенно-детритовыми, иногда глинистыми, битуминозными. Мощность их изменяется от 120 до 450 м (рис. 3).

В составе артинского яруса нижней перми выделяют несколько одновозрастных комплексов, фациально сменяющих друг друга в широтном направлении и объединенных в саргинский горизонт. На западе Соликамской впадины это глины и мергели дивьинской свиты, а на востоке - обломочные- обломочные породы (конгломераты, песчаники) урминской свиты (артинский терригенный клин). Средняя мощность саргинского горизонта составляет около 125-130 метров. Артинские «рифы» по размерам меньше фаменских и не всегда расположены в контурах девонских структур.

Березниковская свита (P₁br) кунгурского яруса, развитая в центральной части ВКСБ, представлена глинисто-ангидритовой и соляной толщами, последняя включает калийную залежь. Мощность отложений свиты составляет 150-800 м.

Глинисто-ангидритовая толща (ГАТ - Р₁br₁) сложена мергелями и аргиллитами, доломитами и, в меньшей степени, известняками, ангидритовой породой, каменной солью, алевролитами, песчаниками. В западных разрезах преобладают глинисто-мергельные и карбонатные породы, в восточных - алевролиты и песчаники. Ангидритовые породы распространены по площади равномерно. В разрезе толщи встречаются линзы и пласты каменной соли мощностью до 12 м. Мощность толщи изменяется от 145 м (на западе) до 325 м (на востоке), в среднем составляя около 230 м.

Соляная толща общей мощностью до 550 м подразделяется (снизу вверх) на подстилающую каменную соль (ПдКС - Р₁br₂), калийную залежь (Р₁br₃) и покровную каменную соль (ПКС - Р₁br₄). Кровля ПКС является верхней границей иренского горизонта. Калиеносная часть соляной толщи залегает на подстилающей соли и подразделяется на сильвинитовую (СЗ) и карналлитовую (КЗ) зоны (рис.4).

СЗ сложена чередующимися пластами красных сильвинитов (КрасныйIII, КрасныйII и КрасныйI), полосчатого сильвинита (А) и разделяющих их пластов каменной соли (Красный II -Красный III, Красный I - Красный II, А - Красный I). Наиболее мощный и выдержанный по составу пласт "Красный II" сложен семью прослоями (нумерация сверху вниз) богатого (нечетные слои) и бедного (четные слои) сильвинита. Пласт Красный III разделен двумя пластами каменной соли мощностью 0,2 - 4,5 м на три самостоятельных пласта - Красный III^а, Красный III^б и Красный III^в.

СКЗ сложена чередующимися пластами калийно-магниевых солей (девять слоев, которые индексируются снизу вверх буквами от Б до К) и

Рис. 2 Геологический разрез ВКСБ (по А.И. Кудряшову): 1 - карбонатные и существенно карбонатные отложения; 2 - рифовые постройки; 3 -преимущественно терригенные отложения; 4 - каменная соль; 5 - калийные и калийно-магниевые соли; 6 - Всеволодо-Вильвенский надвиг; 7-10 - отражающие горизонты: 7 - по подошве соляной толщи (ОГ С). 8 - по кровле терригенной (ОГ А^т) и карбонатной (ОГ А^к) толщ артинского яруса, 9 - по кровле терригенной пачки верейского яруса (ОГ II), 10 - по кровле терригенной пачки тиманского горизонта (ОГ III);, 11-13 - скважины и их номера: 11 -солеразведочные, 12 - нефтяные, 13 - структурные

Рис. 3 Стратиграфическая схема пермских отложений ВКСБ (по А.И. Петрику)

Рис. 4 Стратиграфический разрез калийной залежи Верхнекамского соленосного бассейна (по А.И. Кудряшову)

1- каменная соль; 2 - карналлитовая порода; 3 - пестрый сильвинит; 4 - красный сильвинит; 5 - полосчатый сильвинит

каменной соли (восемь слоев - от Б-В до И-К). В основании зоны, непосредственно на пласте А, залегает пласт Б.На части площади месторождения карналлитовые породы замещаются пестрыми сильвинитами, которые, в свою очередь, могут замещаться каменной солью.

Средняя мощность СЗ и СКЗ составляет соответственно 17,4 и 53,8 м.

Уфимский ярус нижней перми расчленен на два горизонта - соликамский и шешминский. Нижняя часть cоликамского горизонта - соляно - мергельная толща (СМТ) - благодаря применению гамма - каротажа, разделена на 9 ритмопачек. За верхнюю границу галогенных отложений принято считать кровлю девятой ритмопачки СМТ, где иногда отмечаются маломощные соляные прослои. Нижняя часть СМТ (СМТ₁) является региональным водоупором, а вышележащие породы в различной степени обводнены. Верхняя подтолща соликамского горизонта, сложенная известняками, доломитами, песчаниками, отнесена к терригенно-карбонатной толще (ТКТ). Породы ТКТ имеют серый цвет, слоистую текстуру, много трещин. Широко развита в известняках фауна брахиопод и остракод. В верхней части толщи развиты серые, иногда красноватые песчаники, алевролиты, аргиллиты. Мощность соликамского горизонта сильно изменяется, уменьшаясь на поднятиях и возрастая в прогибах, и составляет в среднем 120 м.

Пестроцветная толща (ПЦТ), относимая к шешминскому горизонту уфимского яруса, сменяет вверх по разрезу отложения соликамского горизонта. Граница между ними проводится по смене плитчатых мергелей пестроцветными обломочными породами, в основном песчаниками. Эти породы имеют красно-бурую, серую, зеленовато-серую окраску. Для пестроцветов характерны проявления окисленных медных руд, изменчивость литологического состава, линзовидное залегание в разpезе. Отложениями шешминского горизонта заканчивается разрез пермских отложений в Верхнекамском соленосном бассейне. Мощность горизонта подвержена сильным колебаниям. На поднятиях пестроцветы отсутствуют, и, наоборот, в прогибах их мощность достигает значительной мощности.

Структурный план соляной толщи ВКСБ согласуется в основных чертах с региональными элементами. Характерным свойством всех пликативных структур соляной толщи является линейная форма в плане и западная вергентность. В кровле соляной залежи прослеживаются поднятия, вытянутые в меридиональном направлении, и смежные с ними прогибы. Наиболее заметным в рельефе соляной кровли поднятием является Камско-Вишерский вал, амплитуда которого по отношению к Камскому прогибу составляет около 350 м. За счет ундуляции шарнира на валу прослеживаются поднятия (Усольское, Пыскорское, Дубровское и др.) в виде цепи брахиантиклинальных структур. Выделяют две зоны региональных сдвигов - Боровицкую и Дуринскую.

В.В. Филатов, Г.Г. Кассин (1989) связывают формирование современной тектонической структуры ВКСБ с активизацией глубинных разломов разного ранга. Блоки и разломные зоны земной коры в районе ВКСБ являются, как это следует из принципа автомодельности, элементами высоких рангов единой иерархической блочно-разломной структуры Уральской складчатой системы. Детальное тектоническое строение бассейна В.В. Филатовым и Г.Г. Кассиным было установлено путем геологической интерпретации результатов высокоточных гравимагнитных съемок масштабов 1: 10000, 1: 25000. В пределах ВКСБ установлено четыре системы разломов: субмеридиональная, субширотная и две диагональные. В физических полях наиболее отчетливо картируется ортогональная система субмеридиональных и субширотных разломов (рис. 5).

Рис. 5 Схема разрывных нарушений Верхнекамского соленосного бассейна (по В.В. Филатову, Г.Г. Кассину): 1- зона Красноуфимского глубинного разлома; 2 - зоны внутриблоковых разломов; 3 - участки повышенной трещиноватости горных пород; 4 - границы Дуринского прогиба и зоны одноименного глубинного разлома; 5 - интенсивные гравитационные аномалии, связанные с локальными прогибаниями кровли солей на площади Дуринского прогиба; 6 - провал на БКПРУ-3; 7 - скважины

К числу важнейших тектонических структур ВКСБ, кроме разломных зон, следует отнести и локальные участки дилатационного разуплотнения среды или участки повышенной трещиноватости - участки деструкции среды. Такие участки распространены повсеместно в надсолевой толще. Породы, слагающие их, обладают пониженной плотностью и пониженными значениями модулей деформации, и поэтому они как отверстия в напряженной среде являются концентраторами напряжений и представляют большую угрозу для целостности водозащитной толщи.

Все более актуальной для безопасной эксплуатации бассейна становится задача прогнозирования мест проявления динамических событий (геодинамическое районирование территории), решение которой становится невозможным без детального изучения тектонического строения ВКСБ Г.Г. Кассина и В.В. Филатова (2001, 2002).

Обоснованность построенной Г.Г. Кассиным и В.В. Филатовым (1995, 2001) структурно-тектонической модели ВКСБ была проверена априори при анализе динамических событий, произошедших в 1986 г. на БКПРУ-3 и в 1995 г. на СКРУ-2. При изучении причин этих событий и структурно-тектонической позиции, в которой находятся шахтные поля, было установлено, что в обоих случаях рудники расположены в пределах узловых структур, представляющих места пересечения или сочленения разноориентированных разломов с наличием трещинной зоны в надсолевой толще.

Проверкой модели стало ее использование и для прогноза динамических событий. Была построена схема геодинамического районирования территории с выделением наиболее активных участков. Одним из таких участков стала внутренняя зона Ново-Зырянского субширотного разлома, расположенного южнее г. Березники. Обоснованность прогноза В.В. Филатова и Г.Г. Кассина (2008) была подтверждена в 1999 г., когда вдоль осевой линии этого разлома в земной поверхности образовалась цепочка провалов земной поверхности глубиной 2-4 м и шириной около метра. Новое событие в 2006 г., проявившееся в прорыве подземных вод в горные выработки БКПРУ-1, произошло в той части разлома, которая была отмечена на схеме как потенциально опасная на проявление какого-либо динамического события.

Негативное влияние на геодинамическую обстановку в регионе оказывает и добыча нефти из подсолевых отложений. Первое месторождение нефти (Бельское) в подсолевых отложениях открыто в 1968 г. В последующие годы были открыты месторождения: Чашкинское, Юрчукское, Уньвинское, Логовское, Сибирское, Боровицкое, Жилинское, Осокинское и имени Архангельского. Промышленные месторождения нефти залегают на глубинах 1700-2300 м в нижне - среднекаменноугольных отложениях и фаменских осадках верхнего девона (см. рис. 2). В настоящее время на территории ВКСБ и вблизи его границ ведется разработка пяти месторождений нефти.

На территории ВКСБ к основным процессам, которые приводят к нарушению устойчивости геологической среды, можно отнести очистную выемку калийных руд, добычу нефти и воды, эксплуатацию шламохранилищ, солеотвалов, работу промышленных предприятий. В процессе более чем 75-летней эксплуатации ВКСБ горным способом в его недрах образовались сотни миллионов кубических метров пустот. В солеотвалах высотой до 100 м скопилось более 300 млн. т твердых отходов, а в шламохранилищах калийных предприятий сосредоточены сотни тысяч кубометров жидких отходов. В пределах Верхнекамского соленосного бассейна из надсолевых водоносных горизонтов ежесуточно откачивается 150 - 200 тыс. м³ подземных вод, а из подсолевых отложений добывается ежегодно несколько миллионов тонн нефти. На площади бассейна расположены три крупных водохранилища, используемых для целей технического водоснабжения. На участках складирования твердых и жидких солеотходов наблюдается засоление почв, подземных и поверхностных вод. На нескольких шахтных полях фиксировались ускоренные оседания земной поверхности. В 1986 г. в результате нарушения сплошности водозащитной толщи (ВЗТ) был затоплен рудник Третьего Березниковского калийного рудоуправления (БКРУ-3).19 октября 2006 г. из-за нарушения целостности водозащитной толщи началось затопление рудника БКРУ-1. Затопление рудников привело к тяжелым не только технико-экономическим, но и геоэкологическим последствиям. Одним из таких последствий явилось образование на месте их затопления провалов земной поверхности, размеры которых к 2009 году достигли соответственно в плане 210 Ч140 м и 446 х 335 м.

В конце прошлого века на территории ВКСБ было зафиксировано три землетрясения, произошедших 25.10.93г. (силой около 3 баллов), 05.01.95 г.(5 баллов) и 09.10.97 г. (3 балла). Наиболее интенсивное землетрясение произошло 5 января 1995 г. в 17 час 46 мин по местному времени в районе г. Соликамска. Оно вызвало одновременные внезапные многочисленные газодинамические явления, обрушения пород кровли горных выработок и разрушение междукамерных целиков в северо-восточной части рудника Второго Соликамского калийного рудоуправления (СКРУ-1) ОАО «Сильвинит» на площади 560 Ч 660 м ( с одновременным проседанием земной поверхности на 4,4 м и размерами в плане 670 Ч 840 м). Только наличие в кровле водозащитной толщи пластичной глинисто-ангидритовой «шляпы» мощностью 15-20 м спасло от затопления этот рудник и соединенный с ним выработкой соседний (Первый Соликамский).

Аварии на рудниках и многочисленные сейсмические явления дают основание полагать, что различные техногенные воздействия в настоящее время переходят в наступательную, прогрессирующую стадию. Их влияние приобретает комплексный характер, охватывая не только геологическую, но и сопредельные среды (поверхностная гидросфера, атмосфера, биоресурсы, лесной фонд и др.).

Можно констатировать, что устойчивость геологической среды (по В.А. Королеву, 1995), то есть способность противостоять внешним и внутренним возмущениям, сохраняя равновесное состояние, а также структуру и характер функционирования, в значительной мере снижена.

Весьма существенную дополнительную нагрузку на геологическую среду региона оказывает добыча нефти из подсолевых отложений. Кроме того, в случае нежелательного, по нашему мнению, дальнейшего освоения подобными темпами месторождений нефти, залегающих под кондиционными калийными залежами уникального Верхнекамского соленосного бассейна, значительная часть балансовых запасов калийных солей будет потеряна в предохранительных целиках вокруг скважин на нефть, оставляемых во избежание затопления будущих калийных рудников подземными водами вышележащих водоносных горизонтов через пробуренные стволы.

В Верхнекамском регионе имеются и другие предприятия (кроме акционерных обществ: "Уралкалий", «Сильвинит», «Лукойл-Пермьнефть»), в значительной мере определяющие экологическую и геоэкологическую обстановку: Соликамскбумпром, Соликамский магниевый завод, "Сода", химический завод "Бератон", "Уралхим" (производство азотных удобрений), титано-магниевый комбинат "Ависма", несколько ТЭЦ. Совокупная деятельность всех промышленных предприятий оказала негативное действие на геологическую и сопредельные среды региона. Под воздействием выбросов и стоков предприятий произошло загрязнение атмосферного воздуха, почв, поверхностных и подземных вод. Показатель комплексного индекса загрязнения атмосферы (ИЗА), который учитывает пять веществ, создающих основную долю в уровне загрязнения, в Березниках в 2003 году был равен 6,3; в 2004 году - 7,4 (а это уже повышенный уровень загрязнения). В 2005 году индекс загрязнения воздуха перевалил за 10,5. В Соликамске по итогам 2006 года этот показатель был равен 8,7, в 2007 году - 14,4 (критическим считается ИЗА, равный 16).На территории г. Соликамска промышленные и бытовые коммунальные отходы занимают большие площади: это солеотвалы и шламохранилища ОАО «Сильвинит» (более 438 га); золоотвал Соликамской ТЭЦ (более 23 га); полигон промышленных отходов магниевого завода (более 20 га); городская свалка - 12 га. Несмотря на снижение в 2006 г. сброса сточных вод и загрязняющих веществ, качество воды на контролируемых участках реки Камы и ее притоков не отвечает нормам для рыбохозяйственных водоемов. Наиболее распространенными загрязняющими веществами являются нефтепродукты, фенолы, соединения марганца, меди, железа, аммонийный и нитритный азот, трудно окисляемые органические вещества, концентрации которых чаще всего находятся в пределах от 1 до 5 ПДК.

Таким образом, Верхнекамский соленосный бассейн наряду с Кузнецким угольным бассейном относится к числу регионов России, характеризующихся аномально высоким уровнем техногенной нагрузки на геологическую среду.

Во избежание затопления оставшихся рудников, необходимо тщательно изучать геологическое строение подготавливаемых к отработке участков калийного месторождения. В 2007 г. нами были завершены работы по геологическому доизучению северо-западной части Дурыманского участка (шахтное поле БКРУ-2) на площади 4,3 х 2,5 км. Доизучение осуществлялось проходкой разведочных штреков по промышленному сильвинитовому пласту АБ в пределах 10, 14 и 18 западных панелей. Эти выработки были пройдены в широтном направлении до западной технической границы шахтного поля БКРУ-2 (рис. 6).

Из разведочных штреков было пробурено 26 геологоразведочных и 7 инженерно-геологических скважин. По данным шахтных электроразведочных работ выделены несколько интервалов горных выработок с аномальными особенностями строения водозащитной толщи (ВЗТ). Выделенные электроразведкой аномальные участки детализированы шахтной сейсморазведкой. Большая часть электроразведочных аномалий коррелируется с аномальными участками строения ВЗТ, выделенными по результатам работ шахтной сейсморазведки. На участке доизучения отмечается общая тенденция поднятия промышленных пластов с востока на запад. Поднятие сопровождается мелкоамплитудными складками (рис. 7). Мощность водозащитной толщи (ВЗТ) на плошади участка колеблется, по данным бурения с поверхности разведочных скважин, от 91,5 до 106,0 м.

Рис. 6 Расположение аномальных зон в строении водозащитной толщи в северо-западной части шахтного поля БКРУ-2

Рис. 7 Геологический разрез 18 панели северо-западной части шахтного поля БКРУ-2

Установлено, что переходная зона соляно-мергельной толщи (ВЗТ₃), в пределах отрицательных форм соляного рельефа (мульд, прогибов), представлена чередованием пластов глин (мергеля) и каменной соли (ритмопачками). Над положительными формами (антиклиналями, куполами) переходная зона отсутствует (пласты соли выщелочены подземными водами). В местах выклинивания ритмопачек (выхода их на «соляное зеркало») при оседании подработанного массива горных пород возникающие трещины расслоения заполняются находящимся здесь рассолом. В случае продвигания границы очистной выемки от таких мест к участкам с большим числом соляных ритмов происходит медленное продвижение рассолов вдоль слоистости (п. 3.3.10. Методических рекомендаций к Указаниям по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей. Санкт-Петербургское представительство Горного института УрО РАН, 2008).

На основании результатов проведенных исследований выполнено районирование северо-западной части шахтного поля БКРУ-2 по условиям гидрогеологической защищенности кровли водозащитной толщи и разработаны рекомендации по порядку и параметрам отработки продуктивных пластов калийной залежи. Наличие одной ритмопачки на западе и четырех на востоке в верхней части ВЗТ (ВЗТ₃) свидетельствует о возможности фильтрации рассолов по контакту «глина (мергель) - каменная соль» по падению пласта (на восток) при развитии очистных работ в восточном направлении. В северо-западной части шахтного поля БКРУ-2 развитие очистных работ целесообразно осуществлять, таким образом, с востока на запад. В противном случае в геомеханических расчетах должна выделяться часть разреза ВЗТ₃, подлежащая исключению из водозащитной толщи (2-4 ритмопачки).

В соляной залежи, наряду с поднятиями и прогибами, необходимо картировать разрывные тектонические структуры с последующим прогнозом возможных осложнений при пересечении их горными выработками.

В центре площади доизучения нами вскрыты локальные проявления выделенного здесь (Джиноридзе,1999) Зырянского сдвига - зона замещения промышленных сильвинитовых пластов каменной солью, зона сильвинитизации карналлитов пласта В, две антиклинальные складки с амплитудой 9 м. Со сдвигом генетически связан и проявленный на земной поверхности линеамент северо-западного простирания (см. рис. 6). Наличие сдвига подтверждается результатами подземных сейсморазведочных работ на 18 западном разведочном штреке, где выявлены несколько локальных участков, на которых в районе пластов от Г до Е возможно снижение механической прочности пород в 1,5 раза. Галитизация сильвинитов и сильвинитизация карналлитов на северо-западе шахтного поля БКРУ-2 происходила, вероятно, при условии наличия восстающей на северо-восток проницаемой зоны и градиента давления, обусловливающего активный вынос вещества (газово-жидкой фазы) снизу вверх.