Условия формирования подземных вод Бугульминского бассейна (на примере северо-западных районов Оренбургской области)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Условия формирования подземных вод Бугульминского бассейна (на примере северо-западных районов Оренбургской области)

Общая характеристика работы

Актуальность работы. На современном этапе роль подземных вод в системе факторов, формирующих среду обитания человека и сферы его деятельности, особенно возросла. Это связано с развитием промышленных, топливно-энергетических, агропромышленных предприятий, ростом городов. Наличие водных ресурсов необходимого качества во многом определяет дальнейший рост и развитие производства, хозяйственную деятельность, улучшение жизненных условий.

Постоянно возрастающая нагрузка на подземные воды приводит к снижению их ценности как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения. При этом меняется природный состав вод, нарушается уровенный режим, условия питания и разгрузки, другие показатели. Нередко без объективных причин для производственно-технических целей широко используются пресные воды зоны активного водообмена, что приводит к истощению водных ресурсов и ухудшению их качества.

В пределах исследуемой территории расположено 51 месторождение нефтедобывающего комплекса. В структуре современного водопотребления значительный объем приходится на техническую воду, используемую в системе поддержания пластового давления. Тенденция ежегодного увеличения добычи нефти крупнейшей в рассматриваемом районе нефтедобывающей компании ТНК-ВР неизбежно влечет к увеличению потребности в воде технического качества. Темпы же поисковых работ сдерживаются отсутствием научно-обоснованных поисковых критериев.

Основными источниками питьевых и технических вод в рассматриваемом районе являются подземные воды нижнетатарских и верхнеказанских отложений, в составе которых присутствуют гипс и ангидрит. Условия формирования подземных вод в загипсованных нижнетатарских и верхнеказанских отложениях изучены слабо (В.С. Самарина, А.Я. Гаев и др., 1999). Это негативно отражается на процессах поисков подземных вод и их результатах, поскольку увеличивается продолжительность поисково-разведочных работ, происходит их удорожание.

Таким образом, вытекает необходимость изучения вопросов формирования подземных вод в северо-западной части Оренбургской области и выработка критериев поисков подземных вод в целях их рационального использования и защиты от истощения.

Цели и задачи работы. Целью исследований являлось выявление закономерностей формирования подземных вод в условиях загипсованности водовмещающих пород, влияние ее на химический состав вод и возможность их использования для хозяйственно-питьевого и производственно-технического водоснабжения. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить закономерности развития сульфатов (гипса и ангидрита) и сульфатсодержащих пород в нижнетатарских, верхнеказанских и других отложениях верхнего отдела пермской системы.

2. Выявить особенности изменения химического состава подземных вод в зонах активного и замедленного водообмена с учетом влияния физико-географических факторов в условиях разной степени загипсованности водовмещающих пород.

3. Разработать критерии поисков пресных и солоноватых вод и дать рекомендации по рациональному проведению поисково-разведочных работ на хозяйственно-питьевые и производственно-технические нужды.

Объект исследований - верхняя часть подземной гидросферы в Оренбургской части Бугульминского бассейна подземных вод

Предмет исследований - процессы формирования подземных вод верхней части подземной гидросферы

Фактический материал и методы исследований. Диссертация основана на анализе, систематизации, научном обобщении фактического материала, собственных исследований, опубликованной литературы и фондовых источников Оренбургского территориального фонда геологической информации, ОАО «ОренбургНИПИнефть» и др. Фактический материал собирался автором на протяжении последних 6 лет во время обучения в аспирантуре на кафедре геологии Оренбургского государственного университета и работы в ОАО «ОренбургНИПИнефть», в том числе в процессе полевых работ на ключевых объектах. Автором проработаны также керновые материалы Нежинского государственного унитарного геологического предприятия. В работе использованы данные более 1000 гидрогеологических скважин, информация по которым после тщательного анализа и отбраковки была сформирована в автоматизированный электронный банк данных. Исследования проводились с активным применением компьютерных технологий и ГИС-методик.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Образование сульфатных вод и водовмещающих пород верхнепермского отдела определяется особенностями трансгрессивно-регрессивных ритмов, отражающих возрастание степени континентальности условий осадконакопления снизу вверх по разрезу. Это обусловило уменьшение сульфатности вод в том же направлении и приуроченность максимальной загипсованности пород к фациям перехода от седиментационного бассейна к инфильтрационному.

2. Определяющую роль в формировании гидрохимической зональности подземных вод зоны активного водообмена играют процессы выноса сульфатов из сульфатсодержащих пород, протекающие под воздействием экзогенных процессов и новейших тектонических движений в условиях современного рельефообразования.

3. Региональная граница глубины распространения солоноватых вод в верхней гидродинамической зоне зависит от насыщенности пород сульфатами, степени их выщелачивания и интенсивности процессов водообмена. Она является надежным критерием поисков пресных и солоноватых вод.

Научная новизна:

- выполнены комплексные региональные исследования гидродинамических и гидрохимических параметров гидрогеологических подразделений с использованием современных компьютерных технологий, позволившим провести объемное картирование верхней гидродинамической зоны;

- выявлены закономерности распространения и условия формирования подземных вод в разрезе верхнепермских отложений и связь их состава и зональности с распространением сульфатов и загипсованных пород;

- установлено влияние процессов рельефообразования на глубину распространения пресных и солоноватых вод в зоне активного водообмена;

- разработаны методические основы поисков пресных и солоноватых подземных вод, отражающие региональные и локальные условия их формирования;

- установлен и закартирован региональный уровень пресных и солоноватых подземных вод.

Практическая ценность работы. Разработанные автором поисковые критерии для решения вопросов хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения позволяют значительно снизить временные и финансовые затраты на стадии поисков источников водоснабжения и негативное воздействие на подземные воды в регионе. Рациональное проведение поисково-разведочных работ на техническую воду для нефтедобывающих предприятий дает возможность предотвратить нецелевое использование пресных подземных вод и позволяет получить максимальную производительность водозаборных скважин. Созданный обширный банк данных и ряд цифровых карт на основе ГИС-методик дает возможность оперативно использовать материалы гидрогеологических скважин для различных целей как в области водоснабжения, так и в смежных с ней областях, включая проведение мониторинга подземных вод.

Апробация работы, публикации. Основные положения и выводы выполненных исследований докладывались на научно-практических конференциях и симпозиумах: региональной конференции молодых ученых и специалистов (Оренбург, 2004); молодежной конференции «Уральская горнопромышленная декада» (Екатеринбург, 2004); международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2005); межвузовской конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (Санкт-Петербург, 2005); «Гидрогеология и карстоведение» (Пермь, 2005). По теме диссертации опубликовано 7 научных статей, материалы и наработки использованы при написании 2 научно-производственных отчетов и нескольких разделов ОВОС, одним из авторов которых является диссертант. Результаты работы используются в учебном процессе на дисциплинах «Гидрогеология» и» Гидрогеология и инженерная геология», а также при производственно-техническом водоснабжении буровых ЗАО «Ойлгазтэт».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации - 201 страница, в том числе 28 рисунков, 11 таблиц, 2 приложения, библиографический список содержит 187 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.г._м.н., профессору П.В. Панкратьеву за направление исследований, помощь при работе над диссертацией. За ценные советы по направлению работы, консультации при написании работы автор искренне признателен д.г._м.н. В.Г. Гацкову, д.г._м.н., профессору А.Я. Гаеву, а также сотрудникам КНИиВО «ЭколОС» ОАО «ОренбургНИПИнефть» и преподавателям кафедры геологии ГОУ ОГУ. Особую признательность автор выражает ведущим научным сотрудникам ОАО «ОренбургНИПИнефть» А.А. Донецковой и

Н.А. Донецкову за наставничество и консультации при написании работы.

Содержание работы

водообмен гипс ангидрит порода

В первой главе охарактеризовано состояние изученности вопроса. Систематические гидрогеологические исследования, направленные в основном на поиски источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, начали проводиться как самостоятельно, так и в комплексе с геологическими в начале ХХ века (А.А. Штукенберг, Д.Н. Соколов, С.С. Неуструев, А.В. Нечаев, А.Н. Мазарович, Я.С. Никитин).

Наиболее значимый вклад в изучение гидрогеологических условий зоны активного водообмена территории исследований внесен при проведении геологических (В.А. Ефремов, В.Б. Болдырев, А.М. Гилетин), гидрогеологических (Н.А. Донецков, А.А. Донецкова, Т.В. Ярушина) съемках, а также при поисково-разведочных работах на пресные воды (Г.С. Кархардин, М.П. Стрелков, И.А. Хисматуллин, А.М. Медведев, Н.Н. Ефременко) и воды технического качества (О.Ф. Колтунова). Обобщение региональных работ проводилось Г.С. Преображенской, И.А. Ким, В.П. Ведениной, Е.И. Токмачевым, В.И. Малиновской, В.Л. Черкасовым, И.А. Смирновой, В.С. Дубининым, Л.Ф. Шевцовой, Л.Е. Зинченко, В.Б. Черняховым и многими другими. Однако с позиций задач, решаемых настоящей работой, гидрогеологические материалы проведенных исследований не рассматривались. Не уделялось достаточного внимания условиям формирования подземных вод.

В сопредельных с Оренбургской областью регионах вопросами, связанными с формированием химического состава подземных вод при наличии в водовмещающих породах гипсов, занимались А.Я. Гаев, Р.Ф. Абдрахманов, В.Г. Попов, Г.И. Петрова и др.

Вторая глава посвящена характеристике геологического строения территории, выявлению условий формирования верхнепермских отложений и связанных с ними сульфатсодержащих пород.

Рассматриваемая территория находится в пределах южного склона Татарского свода и северной части Восточно-Оренбургского сводового поднятия. Региональное погружение пород отмечается в юго-западном направлении. Важным тектоническим элементом верхнепермского структурного плана, определяющим гидродинамические и гидрохимические условия подземных вод зоны активного водообмена, является нижнеказанский некомпенсированный прогиб. В неотектоническом отношении описываемая территория испытывает общее воздымание.

В геологическом строении территории участвуют породы верхнего протерозоя, девонской, каменноугольной, пермской, неогеновой, четвертичной систем. Подстилают их метаморфические образования кристаллического фундамента. Верхний отдел пермской системы - это мощный комплекс разнообразных по генезису осадочных образований. В составе отдела выделяются уфимский, казанский и татарский ярусы.

Анализ строения верхнепермских отложений показал, что в гидрохимической свите сульфатные породы встречены в виде относительно мощных пластов ангидрита, в сосновской свите происходит уменьшение роли сульфатов: они встречаются в виде прослоев и слоев меньшей мощности. В отложениях сокской свиты сульфаты развиты в форме небольших прослоев, включений и полностью они исчезают в нижнетатарских отложениях.

Начало казанского века знаменуется активизацией тектонических движений на больших территориях. В горном Урале происходят поднятия, а на востоке Русской платформы развивается постепенное погружение, которое и приводит с севера в рассматриваемый район морские воды. С этого момента и до середины сосновской свиты существовал морской бассейн. Палеогидрогеологическая обстановка в этот период была неодинакова. В начале накапливались терригенно-карбонатные отложения калиновской свиты, а потом обособилась огромная лагунная область южнее Большекинельского вала. В ней начали отлагаться сульфатные (ангидриты и гипсы), а затем и галогенные осадки гидрохимической свиты. На северо-востоке и востоке, где сильнее ощущался приток речных вод - карбонатно-терригенные отложения.

После того как лагуну юго-восточнее исследуемого района полностью заполнили сульфатно-галогенные осадки и, вследствие этого, исчез барьер, разделявший воды с различной степенью минерализации, сразу же довольно резко увеличилась минерализация морских вод на всей рассматриваемой территории. Этот момент развития бассейна в разрезе осадочных напластований запечатлелся пластом надсолевых ангидритов гидрохимической свиты, плавно сменяющихся в северо-восточном направлении сульфатизированными доломитами.

К середине сосновского времени морской бассейн прекратил свое существование, окончательно порвав последние связи с открытым морем. Однако, оставшаяся от открытого бассейна лагуна продолжала жить, перейдя в качественно новую форму своего развития став морем-озером.

Накопление осадков во второй половине сосновского времени и всего сокского периода проходило уже в море-озере. Частое, порой ритмичное переслаивание в разрезах пачек пестроцветных терригенных и карбонатных пород позволяет говорить о периодической смене здесь аллювиально-дельтовых и озерных, прибрежно-бассейновых и внутрибассейновых условий седиментации. К юго-западу от прибрежно-бассейновой равнины началась область распространения вод повышенной солености, где вместе с терригенным материалом осаждались доломитово-известковые илы в ассоциации с гипсами.

Незадолго до окончания казанского века внутриконтинентальный бассейн стал отступать в юго-западном направлении. Этот этап его развития совпал с обильным привносом реками в пределы исследуемого района песчаного материала (серо-фиолетовый маркирующий пласт песчаников сокской свиты). Вследствие того, что накопление осадков в казанское время происходило в море или в море-озере, большая засоленность пород при слабой дренированности территории могла сохраниться и до наших дней.

Таким образом, осадконакопление в казанский век отличалось большим многообразием, в отложениях наблюдается контрастное переплетение терригенных толщ с карбонатными, тех и других с сульфатными и галогенными, их взаимопереходы.

Началу раннетатарской седиментации предшествовало кратковременное, но достаточно энергичное поднятие района, которое зафиксировано в разрезе осадочных напластований четкой эрозионной границей большикинельских образований с подстилающими верхнеказанскими. Вслед за этим началось формирование обширной аллювиальной равнины.

Основу аллювиальной большекинельской толщи составляют русловые фации косослоистых песчаников, которые неоднократно и ритмично сменяются пойменными и озерными фациями, причем объем последних возрастает к верхам разреза.

Условия осадконакопления в аманакское время являются до некоторой степени унаследованными, аллювиальный режим в значительной мере уступает свое место озерному.

Палеогеографическая обстановка второй половины татарского времени, всей мезозойской эры и раннего кайнозоя нам совсем не известны, поскольку отложения этих возрастов в районе развиты незначительно (отложения малокинельской свиты) или отсутствуют. Однако совершенно ясно, что основной тенденцией движений в послепермское время была тенденция к поднятию территории, поэтому она длительное время подвергалась денудационным процессам и развитию эрозионной деятельности рек. Фильтрующиеся и стекающие по поверхности атмосферные осадки интенсивно взаимодействуют с вмещающими породами, из последних происходит выщелачивание солей. В конечном итоге начинают формироваться инфильтрационные воды. Химический состав вод постепенно меняется вслед за сменой гидрохимической обстановки. Вначале формируются солоноватые воды, а затем и пресные.

Литолого-фациальные условия осадконакопления в верхнепермское время были следующими. Отложения гидрохимической свиты на большей части рассматриваемой территории представлены ангидритами с редкими невыдержанными по простиранию линзообразными прослоями доломитов, залегающих в различных частях разреза. В северо-восточном направлении в разрезе свиты возрастает мощность и количество прослоев доломитов, появляются прослои песчаников и глин, в юго-западном - в разрезе свиты появляется толща галита.

В крайней северной и северо-восточной части территории гидрохимическая свита представлена доломитами, ангидритами, гипсами, песчаниками, мергелями и глинами. Доломиты, занимающие господствующее положение, темно- и светло-серые, крепкие, плотные, тонкослоистые и плитчатые. По характеру чередования отдельных разностей пород разрез гидрохимической свиты имеет много общих черт с разрезом нижней части сосновской свиты, и границу между ними отбить достаточно сложно. Описанный тип разреза осадков гидрохимической свиты выделен в первую зону лагунно-морских сульфатно-карбонатных осадков.

Вторая литолого-фациальная зона - зона лагунных сульфатных осадков - развита на большей части рассматриваемой территории. Гидрохимическая свита сложена толщей ангидрита голубовато-серого и голубого, реже с розоватым оттенком, плотного, кристаллического, местами с включением гипса. Ангидриты неравномерно загрязнены песчано-глинистым или карбонатным материалом.

Третья зона - зона распространения лагунных сульфатно-галогенных осадков протягивается полосой вдоль южной границы площади. Здесь осадки гидрохимической свиты представлены ангидритами и каменной солью. Разрез свиты четко разделяется на три пачки: нижнюю, сложенную ангидритами, среднюю, сложенную каменной солью, и верхнюю, также сложенную ангидритами. Каменная соль белая, реже с желтоватым или розоватым оттенком, участками загрязнена глинисто-карбонатным материалом.

Отложения сосновской свиты характеризуются большим разнообразием фаций. В разрезе свиты чрезвычайно разнообразно представлены морские, лагунные, континентальные отложения. Почти в любом разрезе скважины наблюдаются совершенно различные в генетическом отношении породы.

В северной части территории расположена зона мелководных морских и континентальных отложений. Здесь в разрезе сосновской свиты наряду с известняками и сероцветными песчано-глинистыми породами присутствуют коричневые, буровато- и красно-коричневые глины и песчаники континентального происхождения. Меньшее значение в разрезе имеют породы лагунного происхождения: загипсованные доломиты, ангидриты и гипсы.

В южном направлении увеличивается количество доломитов и сульфатов, за счет уменьшения, вплоть до полного исчезновения, красноцветных песчаников и глин. Сульфаты в этой зоне прослеживаются уже в виде самостоятельных прослоев. Южный тип разреза выделен в зону лагунно-континентальных карбонатно-терригенных пород.

Отложения сокской свиты связаны с зоной лагунно-континентальных красноцветных загипсованных карбонатно-песчано-глинистых пород. Разрезы этой зоны представлены красноцветными терригенными породами, главным образом песчаниками и глинами с незначительными по мощности прослоями мергелей и доломитов. По всему разрезу свиты отмечается загипсованность.

По литолого-фациальным особенностям отложения большекинельской свиты относятся к континентальным (преимущественно озерным) отложениям. Разрез большекинельской свиты представлен преимущественно глинами и песчаниками. Карбонатные породы встречаются редко в виде маломощных прослоев.

Породы аманакской свиты по литолого-фациальным особенностям принадлежат к зоне континентальных (преимущественно озерных и дельтовых) терригенных отложений. Отложения аманакской свиты представлены красноцветными глинами и алевролитами с прослоями песчаников, известняков, мергелей.

Результаты анализа водных вытяжек керна скважин показали, что с возрастом наблюдается тенденция роста концентрации солей сульфата кальция от 0,006 (в отложениях аманакской свиты) до 0,991% (в породах гидрохимической свиты). Суммарное содержание солей также увеличивается в направлении к более древним отложениям с 0,104 до 1,141%. Наряду с этим, относительное содержание CaSO₄ в общей сумме солей с возрастом также растет от 5,8% (аманакская свита) до 86,8% (гидрохимическая свита). Анализ построенных эпюр показал, что повышение содержания CaSO₄, наблюдаемое в ионно-солевом комплексе пород, напрямую связано с ростом количества и качества загипсованных отложений, а рост относительного содержания CaSO₄ в общей сумме солей свидетельствует об увеличении загипсованности в направлении от аманакской свиты к гидрохимической.

Анализ условий, в которых происходило формирование подземных вод и осадконакопление (рисунок 1), показывает, что образование сульфатных вод и водовмещающих пород верхнепермского отдела определяется особенностями трансгрессивно-регрессивных ритмов, отражающих возрастание степени континентальности условий осадконакопления снизу вверх по разрезу. Это обусловило уменьшение сульфатности вод в том же направлении и приуроченность максимальной загипсованности пород к фациям перехода от седиментационного бассейна к инфильтрационному.

Рисунок 1. Влияние степени континентальности условий осадконакопления на содержание в породах сульфатов и характер их распространения

В третьей главе рассмотрены гидрогеологические условия территории. В вертикальном разрезе выделяются три гидродинамические зоны: верхняя - активного водообмена, средняя - замедленного водообмена, нижняя - весьма замедленного водообмена. В верхнепермских и кайнозойских отложениях исследуемой территории, слагающих указанные зоны, выделены гидрогеологические подразделения четвертичного, верхнеплиоценово-среднечетвертичного, малокинельского, аманакского, большекинельского, сокского, сосновского, гидрохимического, калиновского и уфимского возрастов. Проведенная детальная характеристика каждого гидрогеологического подразделения, с составлением гидрогеолоической модели зоны активного водообмена и сводной таблицы гидрогеологических и гидрохимических параметров, показала, что нижняя граница зоны активного водообмена на востоке района проводится по подошве калиновских отложений верхнеказанского подъяруса, а на западе поднимается до кровли сосновских. Подошва зоны замедленного водообмена повсеместно прослеживается по нижней части уфимского яруса.

Подстилающего и перекрывающего водоупора комплексы, слагающие зону активного водообмена, не имеют, между ними существует гидравлическая взаимосвязь. Несмотря на это, условия для создания напора имеются, и возникает он благодаря сочетанию пород с разными фильтрационными свойствами. В пределах области питания подземные воды носят безнапорный и слабонапорный характер.

Отметим также, что водообильность водоносных комплексов, слагающих зону активного водообмена, повышается с глубиной, достигая максимальных значений в сосновском водоносном комплексе.

Гидрокарбонатные подземные воды сосредоточены в малокинельском, аманакском, большекинельском комплексах. В водоносных комплексах казанского яруса (сокском, сосновском, гидрохимическом, калиновском), гидрокарбонатные воды сосредоточены только в областях их питания, то есть в местах выхода их на дневную поверхность и на небольшую глубину (не более 30-50 м).

Сульфатные воды сформировались в погруженных частях сокского, сосновского, гидрохимического и калиновского водоносных комплексов. Причем распространены сульфатные воды в указанных комплексах как при погружении их под более молодые отложения, так и в нижних частях одновозрастных подразделений, при выходе комплексов на дневную поверхность.

Как известно, формирование подземных вод зависит от геологического строения территории и находится под воздействием ряда физико-географических факторов (климат, рельеф и др.) (В.С. Самарина, 1963). Так как климат на рассматриваемой территории практически одинаковый, распределение осадков по площади происходит равномерно, то наиболее выразительно из физико-географических факторов проявлен рельеф.

Для оценки влияния элементов рельефа на глубину залегания загипсованных отложений было проведено разделение скважин, по которым отмечалась загипсованность, по принадлежности их к элементам рельефа (таблица 1). В этой таблице информация генерализирована как по бассейнам крупных рек района, так и в целом по бассейнам рек Волга, Кама-Волга. Диапазон колебания мощности незагипсованных пород в целом по площади изменяется от 10 м (скв. №30 в бассейне р. Мочегай) до 178 м (скв. №19 в бассейне р. Салмыш).

Таблица 1. Распределение глубины залегания загипсованных отложений по элементам рельефа речных бассейнов

Примечание - в числителе глубина от-до; в знаменателе: среднее значение (количество скважин)

Все верхнепермские отложения, выходящие на дневную поверхность можно разделить на 2 группы. К первой группе относятся породы малокинельской, аманакской и большекинельской свит татарского яруса, которые изначально загипсованы не были. Отложения сокского и более древних возрастов, залегающие ниже, в связи с некоторой удаленностью от поверхности при формировании современного рельефа значительных изменений не претерпели, загипсованные породы в них осталась невыщелоченными. Следовательно, глубина залегания загипсованных пород первой группы напрямую зависит от мощности вышележащих отложений татарского яруса, которая по понятным причинам на водоразделах больше чем в долинах.

Ко второй группе относятся выходящие на поверхность сокские и более древние верхнепермские отложения, которые в момент своего образования были загипсованы. В период формирования современного рельефа произошло частичное выщелачивание сульфатных пород на разную глубину. Факт выщелачивания загипсованных пород в верхнеказанских отложениях, выходящих на дневную поверхность или залегающих близко к ней, убедительно подтверждается наличием в них характерного перехода: кавернозность в приповерхностной зоне, затем - каверны, заполненные кальцитом, и далее - невыщелоченный гипс. Причем, на водоразделах, мощность кавернозных пород больше, чем в долинах.

Объясняется это тем, что именно от характера рельефа зависит величина инфильтрационного питания и скорость фильтрации подземных вод. В совокупности все эти факторы определяют скорость выщелачивания растворимых пород, которая по данным А.Е. Орадовской зависит от скорости фильтрации.

На рассматриваемой территории скорости фильтрации равны: для долин - 0,005 м/сут, для склонов - 0,021 м/сут, для водоразделов -

0,028 м/сут. Более застойный характер движения подземных вод в долинах влияет на скорость отвода продуктов взаимодействия системы «вода-порода», что способствует сохранению повышенной минерализации подземных вод и, как следствию, снижению скорости выщелачивания гипса.

Благодаря этому в процессе продвижения потока подземных вод формируются три зоны: зона полного выщелачивания (пресных вод), зона постепенного увеличения засоленности и невыщелоченная зона, которым в нашем случае соответствуют водоразделы, склоны и долины, а сформировавшаяся в результате выщелачивания гипса глубина кровли загипсованных пород подчиняется той же закономерности, что и в отложениях первой группы: на водоразделах она больше, в долинах - меньше.

Таким образом, изучение условий распространения сульфатных пород в отложениях верхнего отдела пермской системы, выполненное на большом фактическом материале, показало, что положение кровли загипсованных отложений определяется рельефом местности. Максимальная глубина залегания кровли загипсованных отложений связана с водоразделами, минимальная - с долинами (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема зависимости глубины залегания загипсованных пород от элементов рельефа

Таким образом, на северо-западе Оренбургской области определяющую роль в формировании гидрохимической зональности подземных вод зоны активного водообмена играют процессы выноса сульфатов из сульфатсодержащих пород, протекающие под воздействием экзогенных процессов и новейших тектонических движений в условиях современного рельефообразования.

Четвертая глава характеризует закономерности формирования химического состава подземных вод рассматриваемого района.

В начале главы охарактеризована методика сбора и обработки информации. При анализе накопленного по рассматриваемой территории материала особое внимание обращалось на наличие в разрезе скважин загипсованности пород. Исследование фондовых материалов и образцов керна, показало, что гипс и ангидрит развиты в виде самостоятельных слоев, прослоев, линз, гнезд, желваков, а также в тонкодисперсном состоянии. Из общего количества рассмотренных скважин (более 1000) по 88 скважинам исследуемой территории имеются данные о наличии в разрезе загипсованности или об ее отсутствии. Полученные сведения были привязаны к бассейнам крупных рек. По этим данным был сформирован каталог загипсованности отложений, который послужил основой для дальнейших исследований.

Для определения наличия связи подземных вод с водами выщелачивания соленосных пород или гипсовых отложений, а также с водами нефтяных и газовых месторождений использовались коэффициенты rSO₄/Cl и rNa/Cl. Анализ фактического материала показал, что подземные воды верхних водоносных комплексов исследуемой территории являются, как правило, водами выщелачивания гипсовых отложений и не связаны с пластовыми водами нефтяных и газовых месторождений. По всем водоносным комплексам средние коэффициенты rSO₄/Cl и rNa/Cl больше 1.

Распределение химических анализов по генетическим типам Курнакова-Валяшко показало, что, на рассматриваемой территории в верхних водоносных комплексах преобладают подземные воды сульфатного типа, на втором месте воды гидрокарбонатного типа. Среди вод сульфатного типа в основном распространены воды сульфатно-натриевого подтипа. В аманакских и большекинельских отложениях наибольшим распространением пользуются воды магниевой группы, в нижележащих водоносных комплексах - преимущественно кальциевой группы.

С целью изучения характера взаимосвязи минерализации подземных вод и содержания сульфат-иона был проведен расчет коэффициента корреляции между указанными величинами. В результате этого выявлено, что при росте минерализации подземных вод в диапазоне от 0,1 до 3,0 г/дм³ коэффициент корреляции между минерализацией и содержанием анионов SO₄ равен 0,90, достоверность аппроксимации линии тренда 0,91 (рисунок 3). «Гипсовое» происхождение сульфат-иона косвенно подтверждает рост содержания катионов Ca, сопутствующий повышению концентрации анионов SO₄, коэффициент корреляции между сульфат-ионом и содержанием катионов кальция равен 0,80.

Также по каждому возрасту были построены корреляционные зависимости между химическим составом и минерализацией подземных вод, анализ которых показал, что пресные воды по химическому составу преимущественно гидрокарбонатные по анионам и смешанные (с преобладанием кальция или магния) по катионам: в этих водах анионы с содержанием от 50 до 70 экв.% являются преимущественно гидрокарбонат-ионами, а при содержании более 70 экв.% - в подавляющем большинстве случаев гидрокарбонат-ионами.

В подземных водах с минерализацией от 1 до 3 г/дм³ химический состав претерпевает значительные изменения. Характерной особенностью этих вод является то, что анионы с содержанием выше 50 экв.% как правило являются сульфатами, а катионы с содержанием выше 50 экв.% - катионами кальция.

Подземные воды с минерализацией от 3 до 5 г/дм³ встречаются реже. По химическому составу они схожи с вышерассмотренными водами с минерализацией от 1 до 3 г/дм3, но в отличие от них наблюдается некоторое увеличение содержание ионов хлора и натрия за счет уменьшения магния.

Рисунок 3 - Зависимость минерализации подземных вод от содержания в воде ионов SO₄ и их влияние на концентрацию катионов Ca

Воды с минерализацией более 5 г/дм³ (21 проба из 724), как правило, с преобладанием ионов хлора (сульфатно-хлоридные или хлоридные, реже хлоридно-сульфатные) и повсеместно с преобладанием натрия в катионной части (от 55 до 97 экв.%).

Полученные зависимости полностью согласуются с известными сведениями (Е.В. Посохов, 1972) о том, что минерализация сульфатных кальциевых вод, образующихся при взаимодействии гипсов и загипсованных пород с атмосферными осадками, инфильтрующимися в них, не превышает 2,6-2,8 г/дм³, что определяется величиной растворимости гипса (2,09 г./дм³ в стандартных условиях).

Таким образом, на основе анализа полученных корреляционных зависимостей между химическим составом и минерализацией подземных вод в районе исследований, можно с уверенностью сделать вывод о том, что загипсованность пород имеется не только по скважинам, закартировавшим гипсы, но и в других опорных скважинах (из 724), где в литологической колонке последняя по тем или иным причинам не нашла отражение. На большей части территории загипсованность приурочена к отложениям казанского и уфимского ярусов. В западной и юго-западной части загипсованность пород вторичного происхождения имеется также в нижней части большекинельской свиты.

На основании выявленных закономерностей по характеру изменения химического состава подземных вод, связанных с гипсами, для скважин с содержанием сульфат-иона больше 60 экв.% и минерализацией больше 1 г/дм³ была построена карта, отражающая глубину распространения солоноватых подземных вод, связанных с гипсами.

В связи с непостоянной мощностью загипсованных отложений (от 1-5 до 100 м и более), различным характером загипсованности (вкрапления, прослои, слои) для выявления возможности влияния загипсованных отложений на химический состав подземных вод было проанализирована зависимость химического состава подземных вод от загипсованности отложений, которая рассматривалась по бассейнам крупных рек.

Проведенный анализ по каждой скважине показал, что даже при незначительном содержании гипсов в водовмещающих породах (небольшая мощность загипсованных пород или присутствие гипса в виде вкраплений) в подземных водах наблюдается характерное для таких вод повышение минерализации и смена анионного и катионного состава на сульфатный кальциевый. Убедительно данный вывод подтверждается при проведении в скважине двух опробований: первого - выше интервала загипсованности, а второго - в этом интервале или ниже.

Используя карту глубины залегания кровли загипсованных отложений и карту распространения солоноватых подземных вод, была построена карта, отражающая влияние загипсованных отложений на относительное залегание солоноватых подземных вод. Установлено, что на большей части территории глубина залегания солоноватых вод выше кровли загипсованных отложений на величину порядка 25 м, реже на 25-50 м. В западной части территории, в бассейне р. Савруша, солоноватые воды находятся выше кровли загипсованных пород на величину порядка 75-125 м. Связано это с тем, что здесь повышение минерализации и смена химического состава наблюдается вследствие ухудшения условий водообмена, так как в указанном районе глубина залегания загипсованных отложений максимальна, в то время как выше их развита мощная толща пород верхне- и нижнетатарского яруса.

На основании вышеизложенного можно констатировать, что региональная граница глубины распространения солоноватых вод в верхней гидродинамической зоне зависит от насыщенности пород сульфатами, степени их выщелачивания и интенсивности процессов водообмена. Она является надежным критерием поисков пресных и солоноватых вод.

В пятой главе раскрываются гидрогеологические предпосылки для организации хозяйственно-питьевого и производственно-технического водоснабжения. Одной из важных задач в рассматриваемом районе, в связи с интенсивным развитием отраслей народного хозяйства, сопровождающемся потреблением значительного количества подземных вод, является охрана подземных вод от истощения и загрязнения.

При решении вопросов водоснабжения в районах со сложными условиями формирования химического состава подземных вод, к которым относится рассматриваемая территория, особую значимость приобретают вопросы целенаправленного проведения поисково-разведочных работ. Основные задачи при их проведении заключаются в выборе перспективных гидрогеологических подразделений, обосновании глубины и количества скважин, их производительности и др. Организация поисково-разведочных работ с использованием научно обоснованных поисковых критериев позволит получить положительные результаты.

В условиях быстрой смены химического состава воды по вертикали разреза главной задачей является обоснование глубины поисково-разведочных и эксплуатационных скважин на пресные и солоноватые (технические) воды. Необоснованное увеличение глубины скважин или форсированный отбор подземных вод может привести к перетокам солоноватых подземных вод в пресные горизонты.

Другая, не менее важная задача - обеспечение рационального водопользования - заключается в недопущении забора пресных подземных вод для целей производственно-технического водоснабжения объектов. Неправильная организация производственно-технического водоснабжения, в результате которого совместно с водами технического качества происходит забор пресных вод из вышележащих комплексов, значительно усиливает нагрузку на пресные воды зоны активного водообмена и в конечном итоге ведет к сокращению естественных ресурсов пресных подземных вод территории.

Как было показано выше, основным критерием для разделения границы пресных и солоноватых подземных вод в оренбургский части Бугульминского бассейна подземных вод является глубина залегания загипсованных отложений. Для осуществления рационального водопользования глубина проектируемых на пресную воду скважин должна быть меньше глубины появления загипсованных пород на величину не менее 20 м. Для вод технического качества интервал эксплуатации скважин должен находиться на 15-20 м ниже кровли загипсованных пород.

Для речных бассейнов северо-западной части Оренбургской области рекомендуемая глубина скважин на пресные подземные воды составляет: для бассейна р. Бол. Кинель - 40-60 м, р. Дема - 30-50 м,

р. Салмыш - 25-40 м. На подземные воды технического качества минимальные глубины скважин будут равны: для бассейна р. Бол. Кинель - 80-100 м, р. Дема - 60-80 м, р. Салмыш - 60-70 м. Необходимо также отметить, что указанные глубины скважин даны в среднем по бассейнам. С учетом элементов рельефа эти глубины в речных долинах должны быть меньше на 10-30 м (в зависимости от глубины эрозионного вреза), а на водоразделах - больше на 20-40 м.

На участках со слабо изученными гидрогеологическими условиями для уточнения глубины залегания кровли загипсованных отложений рекомендуется пробурить поисково-оценочную скважину. Наиболее целесообразно бурение таких скважин проводить при поисках источников подземных вод для водообеспечения крупных объектов. В этом случае граница разделения пресных и солоноватых вод проводится наиболее точно - по появлению в керне загипсованности различной формы с учетом указанной ранее поправки на величину не менее 20 м. По результатам бурения опорной скважины проектируется сеть остальных эксплуатационных скважин. Располагаться скважины должны на одной той же абсолютной отметке, что и опорная скважина, или как можно ближе к этой абсолютной отметке. В последнем случае глубина скважин должна корректироваться с учетом разности абсолютных отметок проектируемой и опорной скважин. При неудовлетворительном качестве воды, полученной из опорной скважины, впоследствии она может использоваться как наблюдательная за уровенным режимом и за изменением химического состава.

В настоящее время, в связи со сложным финансированием геологоразведочных работ, не всегда имеется возможность провести поисковые работы по развернутой методике. Зачастую скважины бурятся без керна (для водоснабжения мелких объектов) или проводят совместное поисково-разведочное и разведочно-эксплуатационное бурение. Основными показателями для выбора глубины таких скважин являются рекомендации настоящей работы и химический состав подземных вод ранее пробуренных скважин, по которому о глубине появления загипсованных пород можно судить по увеличению содержания сульфат-иона до 60 экв.%.

При бескерновом бурении скважин для целей поисков подземных вод питьевого качества для получения наибольшей производительности скважин предлагается использовать данные по поинтервальному изучению химического состава подземных вод. Как установлено, на рассматриваемой территории водообильность водоносных комплексов, в которых формируются пресные подземные воды, возрастает с глубиной, к более древним отложениям. Поинтервальное изучение химического состава подземных вод позволит предотвратить углубление забоя скважины в загипсованные отложения по величине возрастания сульфат-иона (в эквивалент-процентной форме) и сопутствующего роста минерализации.

Таким образом, правильное использование сведений о глубине залегания загипсованных отложений и о характере изменения химического состава подземных вод в рассматриваемом районе позволит сэкономить временные и финансовые затраты на поиски подземных вод требуемого качества и даст возможность получить положительный результат.

В настоящее время строительство водозаборных скважин для обеспечения питьевой и технической водой поисково-разведочных буровых работ на нефть в западной части Оренбургской области ведется в соответствие с типовым проектом, рекомендованным к использованию на геолого-техническом совещании Оренбургского УБР ОАО «Оренбургнефть». Выявленные особенности формирования химического состава подземных вод и закономерности распространения границы пресных и солоноватых вод показывают, что на рассматриваемой территории принятая в проекте глубина эксплуатационных скважин завышена, и выбрана без учета положения скважины относительно элементов рельефа. Так, при бурении скважин на пресные воды указанные глубины в целом будут соответствовать лишь для скважин, расположенных на водораздельных пространствах. В остальных случаях воды хозяйственно-питьевого качества получены не будут.

Что касается организации производственно-технического водоснабжения, то следует подчеркнуть, что воды технического качества встречаются на глубинах, значительно меньше 230-280 м, которые рекомендованы проектом.

Возрастной диапазон отложений, выходящих на дневную поверхность в пределах рассматриваемой территории, охватывает отложения от малокинельской до сосновской свит. В связи с тем, что загипсованность отложений отмечается в породах сокского и более древних возрастов (сосновская, гидрохимическая, калиновская свиты и уфимский ярус), потенциальным источников технических подземных вод являются именно эти отложения. Для исключения захвата пресных вод продуктивный интервал эксплуатационных скважин на техническую воду должен располагаться на 15-20 м ниже глубины залегания загипсованных отложений.

Как установлено, в зоне активного водообмена водообильность пород в целом повышается с глубиной от аманакских до сосновских отложений, достигая максимального среднего значении 3,3 л/с в сосновском водоносном комплексе. В гидрогеологическом разрезе рассматриваемой территории наиболее перспективными подразделениями по количественным показателям (водообильности) являются аманакский, большекинельский, сосновский и сокский водоносные комплексы. В гидрохимическом водоносном комплексе происходит значительное уменьшение водообильности вследствие изменения литологического состава водовмещающих пород. Отложения калиновской свиты в районах нефтяных месторождений залегают в зоне замедленного водообмена, что неизбежно связано со снижением водообильности пород, в связи с чем, калиновский водоносный комплекс не перспективен на получение значительных объемов технических вод.

Таким образом, с учетом сопоставления качественного состава подземных вод и количественных показателей водоносных комплексов, установлено, что наиболее перспективными для организации производственно-технического водоснабжения нефтедобывающих предприятий в пределах исследованной территории являются отложения сокского и сосновского водоносных комплексов. По каждому из этих комплексов были построены карты водообильности пород на основании которых для всех месторождений была составлена таблица, в которой отражены рекомендуемая глубина скважин на воду технического качества, перспективный водоносный комплекс и прогнозный дебит эксплуатационных скважин, т.е. основные поисковые критерии, необходимые для решения вопросов водообеспечения нефтяных промыслов.

Заключение

В результате обобщения и анализа имеющегося гидрогеологического материала по более 1000 скважинам (включая керновый материал и сведения по гамма- и электрокаротажу) по всей изученной площади с применением методов математического анализа и геоинформационных систем были получены следующие основные результаты:

1. Установлено влияние процессов рельефообразования на глубину распространения пресных и солоноватых вод.

2. Составлена и детально охарактеризована гидрогеологическая модель зоны активного водообмена.

3. Выявлены закономерности распространения сульфатных вод, связанных с загипсованными породами, в верхней гидродинамической зоне.

4. Уточнено представление о протекании процесса выщелачивания загипсованных отложений на основе сопоставления результатов исследований с известными экспериментальными данными.

5. Установлен региональный уровень развития пресных и солоноватых подземных вод с составлением каталога и карты их развития.

6. Выявлены особенности метаморфизации подземных вод на границе пресных и солоноватых вод под действием природных факторов.

7. Разработаны теоретические основы определения глубины залегания кровли загипсованных отложений с использованием методов математического анализа, позволившие обобщить большой фактический материал и повысить степень достоверности созданной картографической модели региональной границы пресных и солоноватых вод.

8. Создан цифровой и картографический банк данных на основе ГИС-методик, который позволяет оперативно использовать материалы гидрогеологических скважин для различных целей как в области водоснабжения, так и в смежных с ней областях, включая проведение мониторинга подземных вод.

9. Предложены критерии поисков пресных и солоноватых подземных вод, отражающие региональные и локальные условия их формирования, которые могут быть использованы на стадии проектирования поисково-оценочных работ что даст возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов, денежных средств и времени на их проведение.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Мишурин А.В. Экологическая защищенность подземных вод в районе Романовского нефтяного месторождения // Материалы региональной научно-практической конференции молодых специалистов и ученых. Оренбург, 2004. С. 161-162.

2. Мишурин А.В. Гидрогеологическая характеристика подземных вод района Спасского нефтяного месторождения и влияние гипсов на их качественный состав // Материалы Уральской горнопромышленной декады. Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2004. С. 83-87.

3. Мишурин А.В. Особенности формирования химического состава подземных вод на северо-западе Оренбургской области // Материалы докладов VП Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле». М., 2005, Т. 4. С. 135.

4. Мишурин А.В. Использование геоинформационных технологий для поиска подземных вод различного качества на примере северо-западной части Оренбургской области // Материалы шестой межвузовской молодежной научной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования». СПб, 2005. C. 253-255.

5. Мишурин А.В. Проблемы рационального использования ресурсов пресных подземных вод в районах с их ограниченным распространением // Перспектива. Сборник статей молодых ученых №5. Оренбург: ГОУ ОГУ. - 2005. С. 212-215.