В административном отношении месторождение находится в Чердынском, Красновишерском, Соликамском, Усольском и Добрянском районах Пермского края, а также на территориях, подчиненных городам Березники и Александровску. Крупнейшими населенными пунктами, полностью расположенными в пределах ВКМС, являются города Березники и Соликамск, образующие крупную градопромышленную агломерацию
Рельеф района работ по степени расчлененности делится на две орографические зоны: низкую аккумулятивную равнину, включающую в себя долину Камы и участки долин низовий ее притоков до абсолютных отметок +120 м; а также возвышенную денудационную равнину, расчлененную сетью логов, долинами ручьев и мелких рек. Абсолютные отметки рельефа колеблются в пределах от +106 м (урез Камского водохранилища) до +272 м (юго-восток месторождения) (Харитонов, 2002ф).
Рисунок 1.1 - Схема расположения ВКМС
Климат района континентальный. Зима - холодная и продолжительная, с устойчивыми морозами, а лето - теплое и дождливое. Среднегодовая температура воздуха составляет +0,7°С. Самым теплым месяцем является июль, а наиболее холодным - январь. Среднегодовое количество осадков - 600-700 мм при величине годовой испаряемости для территории 400- 450 мм характеризует территорию как зону избыточного увлажнения. Наибольшее количество осадков выпадает в летний период, наименьшее в зимний (с января по март). Устойчивый снежный покров устанавливается в последних числах октября и удерживается до 190 дней. Наибольшей высоты снег достигает в марте: 50 - 60 см, в отдельные годы до 1,0 м. Таяние его происходит с двадцатых чисел апреля по середину мая и зависит от открытости места и экспозиции склона (Харитонов, 2002ф; Кудряшов, 2013).
Глубина промерзания почв, в среднем, не превышает 1,2-1,4 м при максимальной глубине 1,6-2,0 м. Преобладающие направления ветров: летом - северное, северо-западное, а зимой - юго- западное (Харитонов, 2002ф).
Геологическое строение ВКМС. В тектоническом отношении месторождение приурочено к Соликамской впадине Предуральского краевого прогиба. Геологический разрез района ВКМС изучен до глубин 2900-3000 м, вскрытых опорными и нефтепоисковыми скважинами (рис. 2.2). Наиболее древними в рассматриваемом районе являются породы кудымкарской свиты (Vkd) валдайской серии вендского комплекса, представленные алевролитами, аргиллитами и песчаниками. Вскрытая мощность вендского комплекса составила 342 м. Выше залегают отложения девонской, каменноугольной, пермской систем, а также четвертичные отложения. Палеогеновые и неогеновые отложения развиты локально (Кудряшов, 2013).
Рисунок 1.2 - Геологический разрез Соликамской впадины (по А.И. Кудряшову, 2013)
1 - карбонатные и существенно карбонатные отложения; 2 - рифовые постройки; 3 - преимущественно терригенные отложения; 4 - «терригенный клин»; 5 - каменная соль; 6 - калийная залежь; 7 - Всеволодо-Вильвенский надвиг; 8 - по подошве соляной толщи (ОГ С); 9 - по кровле терригенной - а (ОГ АТ) и карбонатной - б (ОГ АК) толщ артинского яруса; 10 - по кровле терригенной пачки визейского яруса (ОГ II); 11 - по кровле терригенной пачки тиманского горизонта (ОГ III); скважины и их номера: 12 - солеразведочные; 13 - нефтяные; 14 - структурные.
Собственно месторождение представлено солями нижнепермской галогенной формации Соликамской впадины, которая включает отложения карнауховской, березниковской свит и нижнесоликамской подсвиты (Шилов и др., 2006).
Карнауховская свита мощностью около 100 м представлена четырьмя чередующимися пачками сульфатных и карбонатных пород.
Березниковская свита состоит из соляной толщи и подстилающей её глинисто-ангидритовой толщи (ГАТ). ГАТ сложена мергелями и аргиллитами, доломитами и, в меньшей степени, известняками, ангидритовой породой, каменной солью, алевролитами, песчаниками. Мощность изменяется от 145 м на западе до 325 м на востоке, в среднем составляя 230 м (Иванов, Воронова, 1975). Соляная толща месторождения подразделяется (снизу вверх) на подстилающую каменную соль (ПдКС), калийную залежь и покровную каменную соль (ПКС).
Подстилающая каменная соль. Каменная соль, слагающая толщу, серая, светло- и темно- серая средне-, крупно- и гигантозернистая, прослоями водяно-прозрачная шпатовая, перистая с глинистыми и глинисто-ангидритовыми прослойками (галопелитового материала). Мощность ПдКС по скважинам достигает 300 м. Примерно в 20 м ниже кровли находится хорошо определяемый пласт «маркирующая глина» (МГ), обнаруженный во всех скважинах.
Калийная залежь представлена серией продуктивных пластов, разделенных каменной солью. По составу продуктивных пластов залежь делится на сильвинитовую и карналлитовую (сильвинит-карналлитовую) зоны. Сильвинитовая зона сложена пластами красных (КрIII, КрII, КрI) и полосчатых (А) сильвинитов, отделенных пластами каменной соли (КрII-КрIII, КрI-КрII, А-КрI). Пласт КрIII разделен двумя пластами каменной соли на три самостоятельных пласта - КрIIIа, КрIIIб, КрIIIв. Мощность сильвинитовой зоны изменяется от 3,3 до 30 м, составляя в среднем 17,4 м. Карналлитовая зона сложена чередующимися пластами калийно-магниевых солей (девять пластов, которые индексируются снизу вверх буквами от Б до К) и каменной соли (восемь слоев - от Б-В до И-К). В основании зоны пласт Б залегает непосредственно на пласте А, образуя единый промышленный пласт АБ. Мощность карналлитовой зоны изменяется от 38 до 80 м, составляя в среднем 53,8 м.
Покровная каменная соль распространена на всей площади участка, за исключением сводов некоторых поднятий. Мощность ПКС варьирует в незначительных пределах (16-22 м), в среднем составляя 20 м. По внешнему облику она заметно отличается от подстилающей: слоистость более тонкая и неровная, прослои часто выклиниваются, структура более мелкозернистая, окраска светлее.
Нижнесоликамская подсвита представлена соляно-мергельной толщей (СМТ), которая распространена по всей площади месторождения. Толща сложена в основном мергелями, глинами и каменной солью. Наиболее типичен мергель серого цвета разных оттенков. Иногда встречаются слои сульфатных пород. Нижняя часть СМТ, содержащая пласты каменной соли, носит название переходной пачки (ПП), её мощность в среднем составляет 20 м. Общая мощность СМТ варьирует от 15 до 160 м (в среднем - 100 м).
Галогенная формация перекрывается верхнесоликамской подсвитой, которая на месторождении представлена терригенно-карбонатной толщей (ТКТ), шешминской свитой, представленной пестроцветной толщей (ПЦТ), а также комплексом палеогеновых, неогеновых и четвертичных отложений.
ТКТ сложена карбонатными породами, алевролитами, песчаниками. Карбонатные породы характеризуются различным содержанием глины - от чистых известняков до известковой глины. Встречаются прослои гипса и ангидрита. Иногда по карбонатным породам развита доломитизация. Мощность ТКТ изменяется от 90 до 170 м.
ПЦТ сложена песчаниками и алевролитами бурыми, зеленовато-серыми и серыми, иногда с маломощными пропластками мергеля и известняка. Мощность ПЦТ изменяется от 0 до 675 м, достигая наибольших показателей в пределах Дуринского прогиба.
Четвертичные отложения представлены болотными, аллювиальными, флювиогляциальными, элювиальными и техногенными образованиями. Болотные отложения, приуроченные к террасе р. Камы, представлены торфами и залегают как на поверхности земли, так и на небольшой глубине (до 5 м). Аллювиальные и флювиогляциальные отложения представлены супесями, суглинками, песками и гравийно-галечниковыми отложениями, элювиальные отложения ? суглинками, глинами и щебнисто-дресвяными отложениями. Общая мощность четвертичных отложений на площади месторождения может достигать 80 м. Техногенные отложения получили распространение в связи с деятельностью человека и представлены насыпными грунтами суглинистого, супесчаного и песчаного состава с включением щебня известняка, обломков кирпичей и древесины. Рассматривая отвалы солеотходов как техногенные отложения, величина мощности этой категории на рассматриваемой территории составит 100 и более метров (Балдин, 1996ф).
химический калийный соледобыча загрязнение водообмен
1.1 Анализ закономерностей и механизмов изменения химического состава подземных вод зоны активного водообмена
Анализ закономерностей и механизмов изменения химического состава подземных вод зоны активного водообмена на территории Верхнекамского месторождения солей проводится по результатам сравнительного изучения гидрохимических условий разрабатываемых участков месторождения (Соликамский, Ново-Соликамский), а также Половодовского участка ВКМС, освоение которого намечено на ближайшую временную перспективу (3-е десятилетие XXI в.). Все изучаемые участки территориально сопряжены и располагаются в центральной части ВКМС, в бассейне р. Усолки. Для оценки закономерностей и механизмов изменения химического состава подземных вод используются обобщённые результаты гидрохимического опробования родникового стока, методика получения которых описана в разделе 3 настоящей работы. Характеристики химического состава подземных вод на территории Половодовского участка, ввиду его удалённости от действующих калийных предприятий и расположению в правобережной части бассейна р. Усолки, принимаются в настоящей работе в качестве условно фоновых значений.
Проблеме трансформации ионного состава природных вод, в том числе и подземных, в районах влияния калийного производства посвящено большое количество исследовательских работ и публикаций (Тютюнова, 1987; Мироненко, 1988; Горбунова, 1990; Бельтюков, 2000; Хайрулина, 2012, 2014, 2017; Otero, 2002: Lucas, 2010 и др.). Основной специфической чертой сырья и продуктов переработки калийного производства является их высокая растворимость. В связи с этим, большинство исследователей отмечают ведущее направление трансформации пресных подземных вод зоны активного водообмена под влиянием калийного производства - обогащение их хлоридами калия и натрия.
Анализ изменения концентраций основных ионов. Результаты изучения химического состава родников верхнесоликамской терригенно-карбонатной подсвиты, проведенные в настоящей работе, в целом, подтверждают указанную тенденцию. Смена преобладающих ионов в подземных водах, происходящая под влиянием объектов калийного производства, иллюстрирована на диаграмме Пайпера (рис. 4.1.). На диаграмму нанесены результаты химического анализа рассолов, отобранных из действующего шламохранилища, а также пробы фильтрата, разгружающегося у подножия солеотвала (маркеры 1, 2). Эти воды представляют собой насыщенные рассолы хлоридного натриевого состава. Усредненный состав пресных подземных вод верхнесоликамской подсвиты, не испытывающих техногенного влияния калийного производства, характеризуется преобладанием ионов кальция и гидрокарбонат-ионов (маркер 3). Обобщенный состав минерализованных родников, разгружающихся в пределах разрабатываемых участков (маркер 4), характеризуется резким преобладанием хлоридов среди других анионов. Катионный же состав значительно более пёстрый, чем у насыщенных рассолов с рудников и пресных вод фонового участка. В этих водах содержание ионов натрия и кальция находится на одинаковом уровне, несколько ниже содержание ионов магния.
Значительное повышение коэффициента вариации показателей общей минерализации и жёсткости в сравнении с фоновыми значениями ярко указывает на техногенную природу роста их значений.
Анализ трансформации ионного состава подземных вод верхнесоликамской подсвиты показывает, что в родниках, разгружающихся в пределах разрабатываемых участков, происходит увеличение концентрации всех исследуемых компонентов, за исключением гидрокарбонатов и нитритов. При этом наибольший рост концентраций выражается в содержаниях катионов калия и натрия, а также хлоридов (в 200-500 раз). Вторую группу (увеличение концентраций в 10-25 раз) образуют катионы аммония, магния и кальция, а также бромиды.
Необходимо отметить, что в связи с отсутствием данных по содержанию бромидов в родниках на территории Половодовского участка, в настоящей работе в качестве фоновых значений использованы результаты сводной характеристики качества воды верхнесоликамской подсвиты по результатам опробования гидрогеологических скважин и родников на всей территории ВКМС, приведенные в отчете по гидрогеологической съемке месторождения (Харитонов, 2002ф). Использование результатов анализов по всем участкам, в том числе и разрабатываемым, привело к некоторому завышению фонового значения содержания бромидов. Для всех вышеуказанных компонентов химического состава, кроме увеличения их концентраций, характерен рост коэффициента вариации (Квар>100 для всех компонентов), что свидетельствует о значительной амплитудной изменчивости значений и присутствии отдельных высоких содержаний. Это является признаком наличия различных по времени и интенсивности воздействия источников поступления компонентов в подземные воды верхнесоликамской подсвиты.
Концентрации нитратов и сульфатов, а также ионов железа характеризуются значительно меньшим ростом (1-3 раза), при этом содержание сульфат-аниона в изученных пробах минерализованных родников относительно стабильно (Квар = 61,9), его рост закономерно происходит с ростом общей минерализации. Наличие отдельных высоких значений характерно только для нитратов и общего железа.
Результаты сопоставления ионного состава фоновых и минерализованных родников, с учетом перечня выявленных элементов-индикаторов воздействия калийной промышленности, приведенного в разделе 1.2. настоящей работы, позволяют сделать следующие выводы о механизме изменения ионного состава подземных вод зоны активного водообмена вблизи калийных предприятий: