Солодов И.Н., Величкин В.И., Рубцов М.Г., Купер В.Я., Черток М.Б.

Гидрогеохимический каротаж:
теория и практика

Оглавление

Оглавление

Введение

Опыт гидрогеохимических исследований показывает, что в подземных водах, по мере увеличения глубины их залегания, возрастают давление (P), температура (T), соленость и газонасыщенность, аэробная обстановка сменяется анаэробной, окислительные свойства вод трансформируются в восстановительные. Однако до сих пор оценки этих изменений в значительной степени базируются на данных традиционных методов гидрогеохимического опробования, в ходе которых пробы воды, отобранные из буровых скважин, анализируются в лабораторных условиях спустя некоторое время после их отбора. Естественно, что при этом заметно искажаются химический состав и, как следствие, физико-химические параметры (pH, Eh) подземных вод. Характерно, что степень этого искажения тем существеннее, чем более значительно отличаются P-T-Eh параметры в исследуемом водоносном горизонте от аналогичных характеристик вод на дневной поверхности. Практика показывает, что указанные искажения реальных параметров подземных вод могут приводить к серьезным ошибкам при решении гидрогеохимических задач различного научного и практического значения.

Традиционное опробование подземных вод не обеспечивает также требуемой детальности при исследовании гидрогеологических разрезов с высокой фильтрационной и геохимической неоднородностью. Особенно заметно сказывается несовершенство этого метода при изучении в водоносных горизонтах закономерностей миграции загрязненных подземных вод и их физических и химических параметров.

До настоящего времени недостаточно используются методы, которые позволяют более прецизионно оценивать основные характеристики подземных вод. По-прежнему редко применяются полевые методы химического анализа воды для определения концентрации неконсервативных компонентов и измерения pH и Eh в потенциометрических ячейках непосредственно возле опробуемых скважин. Еще более редкое явление -- измерения неустойчивых параметров гидрогеохимической среды, прежде всего pH и Eh, в водоносных горизонтах (in situ) методом дистанционного зондирования. По этой тематике в отечественной и зарубежной литературе имеются лишь единичные публикации за длительный период совершенствования методов гидрогеохимического опробования скважин (Т.П.Попова, В.С.Росляков, Н.Ф.Щипунов, 1967; B.Bolviken, O.Logn, A.Breen, O.Uddu, 1972; Е.Г.Ларионов, Н.М.Николаева, А.В.Пирожков, 1977; А.В.Зотов, В.А.Приходько, Е.Г.Шеймин, 1981; D.J.Bottomley, J.D.Ross, B.W.Graham, 1984; H.Rohler, 1997).

Таким образом, анализ современного состояния гидрогеохимических исследований показывает, что для получения истинных характеристик состава и свойств подземных вод необходимо создать принципиально новый метод, с помощью которого можно было бы изучать основные свойства подземных вод непосредственно в водоносных горизонтах. Такой метод разработан в течение 90═х гг. прошлого столетия специалистами Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ) Российской академии наук (РАН) и Научно-производственного центра (НПЦ) "ПАЛС". Он получил название "гидрогеохимический каротаж (ГХК)". Этот экспрессный метод позволяет с высокой степенью детальности получать достоверные данные об основных физических и химических параметрах подземных вод в реальных термобарических и окислительно-восстановительных условиях водоносных горизонтов.

Аппаратурной основой метода ГХК является многоканальный микропроцессорный гидрогеохимический зонд. С высокой точностью зонд непрерывно и одновременно регистрирует основные физические и химические параметры подземных вод: температуру, гидростатическое давление, удельную электрическую проводимость (E), водородный показатель (pH), окислительно-восстановительный потенциал (Eh), концентрацию растворенных газов (O₂, H₂S) и ионов (нитрат, аммоний, натрий, кальций и др.).

Одновременно с апробацией первых модификаций зонда в реальных гидрогеохимических обстановках велись углубленные исследования по выявлению и изучению искажений свойств подземных вод, которые обусловлены конструкцией буровых скважин, материалом обсадных труб, химическими и гидродинамическими процессами, протекающими во внутрискважинном пространстве. В ходе этих исследований установлены причины этих искажений и определена их сущность. В конструкцию зонда и методику проведения ГХК внесены необходимые изменения, которые позволили устранить факторы, вызывающие упомянутые выше искажения.

Метод и аппаратура ГХК апробированы в разнообразных геотехнических и гидрогеологических условиях: в ходе мониторинга подземных вод в районе скважинных водозаборов (Тверская обл.; г.Юба-Сити, Сев. Калифорния, США); в нефтедобывающих скважинах на месторождениях Самарского Поволжья; при мониторинге подземных вод, подвергшихся селеновому загрязнению в долине Сан-Хоакин (Центральная Калифорния, США); в ходе изучения гидрогеохимии пластовых инфильтрационных месторождений урана Бешкак, Северный и Южный Букинай, Канжуган и их освоения методом подземного выщелачивания (ПВ) (Узбекистан, Южный Казахстан); в процессе мониторинга на полигонах подземного захоронения жидких радиоактивных отходов (ЖРО) (Томская обл.); при изучении взаимодействия ЖРО с трещиноватыми кристаллическими породами в районе оз. Карачай (Челябинская обл.); на предприятии МосНПО "Радон" в Московской области. На всех перечисленных объектах поставленные задачи были успешно решены с помощью метода ГХК.

С 1979 по 2001 гг. исследования методом ГХК проведены в 151 скважине, общий метраж которых составил 44 пог.км. Измерения T, P, удельной электропроводности (E), pH, Eh, концентрации растворенных газов (O₂, H₂S) и активностей ионов (Na⁺, NH₄⁺, Ca₂⁺, NO₃^-) выполнены в скважинах различной конструкции глубиной от 6 до 1865 м, в температурном диапазоне 6 div 42^o и P < 150 атм.

Методика исследований включала натурные эксперименты и прямое наблюдение за природными и техногенными геохимическими процессами в водоносных горизонтах, которые дополнялись лабораторными экспериментами. Результаты исследований обрабатывались методами компьютерного физико-химического моделирования с использованием программ "EQ3/6", "Анализ" и "HCh". На большинстве объектов исследовались все компоненты геологической среды: горные породы, подземные воды, растворенные газы и естественная подземная микрофлора. Для этого привлекались как классические, так и современные методы анализа вещества. Аналитические исследования выполнены в лабораториях ИГЕМ РАН, ГЕОХИ РАН, ЛОМЭ ВСЕГИНГЕО и ВИМС.

Оценка достоверности гидрогеохимических методов исследования выполнялась путем сопоставления результатов измерений in situ с теоретическими количественными оценками изучаемых параметров и их экспериментальной проверкой в лабораторных и натурных условиях.

Гидрогеохимический зонд, являющийся аппаратурной основой метода ГХК, прошел проверку в Поволжском метрологическом центре (г.Самара) и государственные метрологические испытания во ВНИИОФИ. На основании комплексных испытаний гидрогеохимического зонда Госстандартом России выдан сертификат RU. C.31.003. А о его утверждении в качестве типа средства измерения -- "зондов гидрогеохимических скважинных -- ГХК═001", -- зарегистрированного в Государственном реестре средств измерений под --01 и допущенного к применению на территории Российской Федерации. Нестандартная и стандартная аппаратура, используемая для тестирования приборов и градуировки датчиков, прошла метрологическую аттестацию в органах Госстандарта России.

В настоящей монографии изложены сведения об истории создания принципиально нового метода гидрогеохимических исследований подземных вод в буровых скважинах -- "гидрогеохимическом каротаже", информация о его аппаратурной основе -- многоканальном гидрогеохимическом зонде, методика проведения гидрогеохимического каротажа в полевых условиях и интерпретация полученных данных, результаты апробации метода в различных геотехнических и гидрогеологических условиях.

Основные положения монографии докладывались и обсуждались на III═й Всесоюзной конференции по геотехнологическим методам добычи полезных ископаемых "Проблемы геотехнологии" (Люберцы, 1983), на Координационном совете по подземному выщелачиванию месторождений твердых полезных ископаемых МИНГЕО СССР (п. Зеленый, ВСЕГИНГЕО, 1985), на 5═й Международной конференции "Геохимические пути миграции радионуклидов в биосфере" (ГЕОХИ РАН, г.Пущино, 1991), на Всероссийской конференции "Экологический мониторинг в условиях радиационного и химического загрязнения окружающей среды" (г.Челябинск, 1993), на 5═й и 7═й Международных конференциях "Radwaste management and environmental remediation" в Берлине (1995) и Сингапуре (1997), на научных конференциях ИГЕМ РАН (1997, 1999), на годовом совещании в Американском институте гидрологии "Hydrologic issue for the 21^st Century: ecology, environmental and health" (г.Сан-Франциско, США, ноябрь 1999), на 2═м семинаре НКК МНТЦ "Реабилитация больших территорий" (г.Снежинск, 1999), на конференции "Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики" (С-Петербург, февраль 2002), на совещании "Подземное и кучное выщелачивание урана, золота и других металлов, современное состояние" (г.Москва, ВНИИХТ, ноябрь 2002).

Авторы глубоко признательны академику РАН Н.П.Лаверову за поддержку, внимание и всестороннюю помощь при создании нового метода гидрогеохимических исследований. Авторы считают приятным долгом выразить благодарность А.В.Зотову, консультации которого по методике скважинной гидрогеохимической потенциометрии были весьма полезны, а также В.В.Новосельцеву, В.Я.Фарберу, В.П.Савинову, Е.Г.Дрожко, А.В.Глаголеву, Е.Петриченко, А.В.Скокову, А.А.Зубкову, В.Л.Забазнову, В.Г.Язикову за практическую помощь в проведении натурных исследований. В разработке метода и полевых экспериментальных работах принимали участие О.А.Липатов, Н.Д.Калинин, С.Н.Малыхин, Л.С.Шулик, Н.И.Ганина, А.Д.Хотеев, В.А.Задворнов, Д.И.Кринов, Н.Н.Жданов и В.В.Кондратьев, которым авторы выражают свою признательность.

Измерительная аппаратура и метод ГХК разработаны и прошли полевые испытания при финансовой поддержке Российской академии наук, Минатома РФ, Миннауки РФ, НАК "Казатомпром" (Республика Казахстан), Российско-американского центра по изучению транспорта загрязнителей (LBNL, г.Беркли, США) и Научного центра компании "Шлюмберже" (г.Нью-Йорк, США).