CC BY
60
----------------------------------------- © Б.А Бачурин, А.А. Борисов,
С.В. Глебов, 2011
УДК 550.8:622.363.2
Б.А. Бачурин, А.А. Борисов, С.В. Глебов
ГАЗОГЕОХИМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРОЦЕССОВ ТЕХНОГЕНЕЗА В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ КАЛИЙНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Проведены исследования по изучению особенностей приповерхностного газового фона в пределах шахтных полей калийных рудников. Установлено, что изменчивость содержания в подпочвенных газах углеводородных компонентов отражает характер деформации породного массива, что позволяет использовать газогеохимические методы при контроле процессов техногенеза в геологической среде калийных месторождений. Ключевые слова: калийные месторождения, газы, процессы деформации, мониторинг.
~ЖЪ настоящее время газогеохимиче-и ские исследования, основанные на изучении особенностей приповерхностного газового фона, получают все более широкое применение при решении различных горно-геологических задач. Накопленная информация свидетельствует, что газы литосферы, являющиеся наиболее мобильным ее компонентом, несут важнейшую информацию об особенностях ее строения и происходящих в ней природных и природно-техногенных процессах.
Проведенные исследования свидетельствуют, что газы приповерхностной части осадочной толщи в своем качественном и количественном составе могут формировать различные ассоциации компонентов, генезис которых обусловлен не только сингенетичными, но и глубинными источниками, причем роль последних в значительной степени зависит от геолого-тектонических условий, определяющих интенсивность процессов восходящей миграции газовых компонентов («газовое дыхание недр»). Не вдаваясь в подробности обсуждения механизма восходящей миграции газов, отметим, что в настоящее время преоб-
ладает мнение, что в случае наличия в разрезе системы взаимосвязанных пор и трещин наиболее вероятен их струйный массоперенос в виде микропузырьков. Высказываются предположения, что данный процесс носит пульсационный характер, причем максимальные его скорости характерны для периодов усиления геодинамической активности недр
[1]. Исходя из отмеченного, можно предполагать не только значительную площадную изменчивость приповерхностного газового фона (приуроченность аномалий к участкам повышенной трещиноватости разреза), но и его временную флуктуацию. Последнее может быть вызвано и техногенными факторами - изменением напряженно-деформированного состояния массива пород (включая образование и раскрытие трещин) вследствие ведения горных работ. Это дает теоретическую основу использования газогеохимических методов для мониторинга происходящих в геологической среде процессов техногенеза.
В качестве объекта газогеохимического опробования наиболее информативно зондирование почвенного покро-
Таблица 1
Сведения о составе связанных газов соляных пород ВКМКС [3]
Газона- сыщен- ность, 3/ 3 м /м Компонентный состав, % об.
Порода СН4 СО2 Н28 N2 О2
карналлит 0,06 н.с. 7,0-9,9 8,4 25,5-32,6 29,0 10,6-22,0 16,3 н.с. 38,0-54,1 46,0 н.с.
пестрый сильвинит 0,11-0,13 0,12 0,6-5,4 2,8 1,1-14,1 6,3 3,2-15,2 11,2 н.с. 26,0-87,0 73,0 н.с.
полосчатый сильвинит 0,08-0,20 0,14 0,7-10,4 3,8 0,2-12,8 5,8 0,5-8,5 4,5 0,1-2,4 0,7 30,0-89,2 68,9 23,0-29,0 26,0
красный сильвинит 0,02-0,46 0,15 1,8-7,6 4,2 0-22,9 8,6 0,1-8,0 5,0 1,1-8,6 4,8 52,0-85,6 73,4 22,0-25,3 23,8
каменная соль 0,14-0,20 0,17 7,0-13,0 10,0 2,9-6,7 4,8 0,7-2,4 1,6 0,2-1,5 0,8 52,0-66,4 59,2 24,0-28,0 26,0
Примечание: в числителе - пределы колебаний, в знаменателе - среднее значение; н.с. - нет сведений
ва, выступающего в качестве природного сорбционного геохимического барьера, перехватывающего миграционные компоненты. Проведенные исследования показали, что сорбированные в поч-во-грунтах газы отражают кумулятивный эффект накопления миграционных компонентов, а рассеянные в подпочвенном воздухе - относительно «свежее» их поступление. Это позволяет путем комплексирование данных методов исследований газовой составляющей почв с определенной степенью достоверности судить о времени формирования газовых аномалий и динамике процессов вертикального массопереноса миграционных компонентов.
Вместе с тем, несмотря на теоретическую простоту применения методов газогеохимического зондирования для оценки уровня интенсивности процессов техногенеза горнодобывающего профиля в недрах, существует целый ряд методических трудностей интерпретации получаемой информации, наиболее значительным из которых является определение уровня информативности различных газовых компонентов. Выбор газов-
индикаторов, с одной стороны, должен быть обусловлен их взаимосвязью с минеральными ассоциациями полезных ископаемых, с другой стороны, позволять выделять миграционные компоненты из природного приповерхностного газового фона.
Применительно к месторождениям калийных солей использование газогеохимических методов базируется на наличии в породах галогенных формаций значительного количества свободных и связанных газов (табл. 1).
Обобщение имеющейся информации свидетельствует, что газонасыщенность соляных пород колеблется в пределах 0,024-0,216 м3/м3 (в среднем 0,131 м3/м3). Основной особенностью состава данных газов является высокая степень их насыщенности углеводородами: содержание метана достигает до 5-15%, а его гомологов (до пентана включительно) - 210%. Еще одной особенностью состава данных газов является присутствие водорода, максимальные концентрации характерны для карналлитовых пород.
Несомненно, что нарушение данных пород будет приводить к высвобожде-
нию определенного количества связанных газов в свободную фазу и дальнейшему их перераспределению в надпро-дуктивной части разреза. Максимальной интенсивности данные процессы будут достигать в случае выщелачивания соленосного массива, когда растворение пород будет приводить к высвобождению в свободную фазу всех содержащихся в них газах.
Последнее подтвердилось при контроле за развитием аварийной ситуации, связанной с затоплением рудника БКПРУ-1 Верхнекамского месторождения калийномагниевых солей (ВКМКС) вследствие нарушения водозащитной толщи. Проведенные газогеохимические исследования показали, что выщелачивание солей привело к высвобождению столь значительного количества газов, что содержание метана в подпочвенном воздухе за относительно короткий период возросло в данном районе до 20000-60000 ppm (2-6%), а в сорбированных в почво-грунтах газах - 7,5-20,6%
[2].
В этот же период получил практическую апробацию при проведении газогеохимических исследований газоанализатор Ecoprobe-5 (производство фирмы RS DINAMICS Ltd, Чехия), предназначенный для экспресс-анализа состава подпочвенного воздуха, откачиваемого из шпуров глубиной 0.5-0.8 м. Сочетание в данном приборе ФИД- и ИК-детекторов позволяет с высокой чувствительностью (20 ppm или
0,002%) измерять концентрацию метана, диоксида углерода, суммарных содержаний углеводородов (С1-С5) и летучих органических соединений (ЛОС). Простота и высокая точность измерений делают данный прибор весьма эффективным в случае необходимости проведения оперативного
контроля за динамикой приповерхностного газового фона. При использовании данного прибора в качестве основного параметра при контроле процессов техногенеза в геологической среде ВКМКС было принято содержание в подпочвенном газе метана, являющегося основным углеводородным компонентом газов калийных пластов и обладающего высокой миграционной способностью. Опробование участков, расположенных вне шахтных полей, показало, что в качестве фонового значения, отражающего возможность присутствия в почвах сингенетичного метана, может быть принято значение 400 ppm (0,04%).
Предложенная методика газогеохимического контроля за процессами техногенеза в геологической среде ВКМКС получила дополнительную апробацию при выяснении генезиса поверхностных газопроявлений в р. Зырянка, зафиксированных в феврале 2009 года на удалении около 1 км от образовавшейся в зоне аварии провальной воронки. Проведенное с помощью экспресс-газоанализатора Ecoprobe-5 обследование данного района подтвердило признаки дегазации недр, обусловленных разгрузкой в процессе восстановления сформировавшейся при затоплении рудника де-прессионной воронки скопившейся в надсолевой части разреза газовоздушной смеси по зоне природной трещиноватости. Однако данный процесс носил кратковременный характер и спустя месяц полностью прекратился (табл. 2). Положительные результаты апробации методики газогеохимических исследований послужили основой для программы газогеохимического мониторинга, разработанной во исполнение решения
Таблица 2
Состав подпочвенного воздуха на участке поверхностных газопроявлений в районе р. Зырянка
Значение
Компонентный состав, ppm
CH4
I
УВГ
CO2
16.02.2009 г.
минимальное 0 0 473
максимальное 36458 33165 33809
среднее 1183 1014 4401
встречаемость, % проб 22,5 22,5 100
25.02.2009 г.
минимальное 0 0 465
максимальное 4200 3015 28218
среднее 129 77 2490
встречаемость, % проб 7,5 7,5 100
Правительственной комиссии по недопущению негативных последствий техногенной аварии, вызванной затоплением рудника БКПРУ-1. Основными объектами контроля были определены участки застроенной территории шахтного поля, где в затопленном выработанном пространстве прогнозируется возможность формирования газовоздушных шапок.
Структура газогеохимического мониторинга предусматривает комплекси-рование площадного опробования районов предполагаемого образования газовоздушных шапок и организацию стационарных постов, представленных мелкими (1,5 м) скважинами-шпурами, предназначенными для контроля масштабов выделения углеводородных газов из почв в свободную фазу. Площадное ежемесячное газогеохимическое опробование с использованием экспресс-газоана-лизатора ЕсоргоЬе-5 проводится с шагом 50-70 м по системе профилей, пересекающих районы предполагаемого образования газовоздушных шапок. Этим же прибором проводится контроль состава подпочвенного газа, скопившегося в стволах скважин-шпуров.
В случае выявления признаков активизации поступления метана в приповерхностную часть разреза и формиро-
вания устойчивых газогеохимических аномалий в грунтах предусмотрено сгущение сети опробования с целью уточнения их конфигурации. При достижении концентрации метана в подпочвенном газе более 5000 ppm (0,5 об.%) должен осуществляться отбор герметизированных проб почво-грунтов и хроматографическое исследование компонентного состава десорбированного из них газа. При подтверждении формирования в приповерхностной части разреза аномалий с высоким содержанием углеводородных газов и водорода частота опробования увеличивается и проводится контрольное опробование воздуха подвальных помещений в прилегающих зданиях.
В 2009 г. на рассматриваемых объектах дополнительно были организованы 3 стационарных поста автоматизированного контроля, использующих разработанные фирмой RS DINAMICS Ltd на базе газоанализаторов Ecoprobe-5 мониторинговые станции. Каждая станция включает зонд для отбора проб подпочвенного газа, спущенный в специально пробуренные скважины глубиной 1,52,0 м, камеру смешивания, сенсорный блок, вакуумный насос, электронный вычислительный блок, модуль передачи данных, беспроводной коммуникатор.
■ - ♦ - -СН4 -------■--УВГ
Рис. 1. Динамика изменения концентраций углеводородных компонентов в составе подпочвенного газа (по данным станции автоматизированного мониторинга)
Данная комплектация обеспечивает работу станций в автоматизированном режиме (запрограммировано ежечасовое опробование) и передачу данных в режиме реального времени на пункт обработки в г. Пермь.
Результаты мониторинговых газогеохимических наблюдений свидетельствуют, что в условиях сохранности водозащитной толщи и отсутствия процессов выщелачивания соляного массива основным фактором, приводящим к поступлению углеводородных газов в приповерхностную часть разреза, являются процессы деформации надсолевого массива. Установлено, что данные процессы имеют пульсационный характер, что обуславливает значительную временную изменчивость приповерхностного газового фона. Появление повышенных концентраций метана и его гомологов в подпочвенном воздухе, превышающих фоновые значения (400 ppm), фиксиру-
ется лишь в отдельные кратковременные периоды (рис. 1).
Четких временных закономерностей в изменении содержания углеводородных газов в приповерхностном газовом фоне не установлено. По всей видимости, интенсивность поступления их в приповерхностную часть разреза контролируется характером происходящих в породном массиве деформационных процессов, контролирующих как масштабы высвобождения связанных газов, так и степень раскрытости и флюидо-проницаемости зон природно-техногенной трещиноватости. Кроме того, не исключено, что изменчивость приповерхностного газового фона контролируется экзогенными факторами и активностью жизнедеятельности углеводородокис-ляющей микрофлоры почво-грунтов.
Наиболее активно газовое «дыхание» недр происходит по зонам техногенной
Рис. 2. Характер приповерхностного газового фона в районе п. Зырянка
трещиноватости, приуроченным к краевым тому, что в районах данных зон в почвен-
частям мульд оседаний. Это приводит к ном покрове формируются относительно
стабильные очаги повышенных концентраций углеводородных газов (рис. 2).
Вместе с тем, установлено, что большая часть поступающих миграционных газов сорбируется минеральной матрицей почво-грунтов и выводится из свободного газообмена с приповерхностными слоями воздуха. Это подтверждается опробованием наблюдательных скважин-шпуров, созданных для оценки масштабов накопления газов в подпочвенном воздухе в течение длительного периода: присутствие метана и его гомологов зафиксировано лишь в отдельные периоды, а их концентрации не превышали 455-630 ppm (0,045-0,063 % объем.).
Отсутствие значительного высвобождения газов из приповерхностных поч-во-грунтов подтверждается и результатами опробования подвальных помещений жилых домов и общественных зданий, расположенных на подработанной территории г. Березники. Так из 607 опробованных подвальных помещений в пределах городской застройки присутствие метана (102-640 ppm) в воздухе зафиксировано только в 49 зданиях,
причем в большинстве из них отмечались запахи канализации, что не исключает бытовых источников его появления.
Таким образом, результаты проведенных исследований свидетельствуют, что газогеохимические методы, основанные на использование современного оборудования, могут выступать в качестве эффективного инструмента контроля за характером процессов техногенеза в геологической среде калийных месторождений. Кроме того, сочетание их с используемыми на Верхнекамском месторождении геофизическими методами позволит производить разбраковку выделяемых аномалий строения разреза и оценивать возможную флюидопрони-цаемость различного рода геологических нарушений. Не исключается принципиальная возможность внедрения технологий газогеохимического зондирования не только на месторождениях, сопряженных с галогенными формациями, но и других видов полезных ископаемых.
Исследования выполнены при поддержке РФФИ и Администрации Пермского края (проект 09-05-99023).
1. Бачурин Б.А. Теоретические и практические аспекты изучения «газового дыхания» недр // Стратегия и процессы освоения георесурсов. -Пермь. - 2008. - С.12-15.
2. Бачурин Б.А., Борисов А.А. Газогеохимическое зондирование как метод контроля за
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
развитием аварийной ситуации на БКПРУ-1 // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 4. - С. 371-378.
3. Кудряшов А.И. Верхнекамское месторождение солей. - Пермь: ГИ УрО РАН. - 200І. -429 с. ШИН
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------
Бачурин Б.А. - кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией Г орного института УрО РАН,
Борисов А.А. - младший научный сотрудник Г орного института УрО РАН,
Глебов С.В. - кандидат технических наук, главный геолог ОАО «Уралкалий», e-mail: [email protected]
