В качестве примера таких работ рассмотрим комплекс гидрогеологических исследований, выполненных специалистами Научно-производственной группы «Тектоника» на участке Амазарканского золоторудного месторождения (Могочинский район Читинской области) в 2011 г.
Амазарканское золоторудное месторождение локализовано в интенсивно измененных кристаллических породах докембрия, с включениями интрузий палеозойского и мезозойского возраста и приурочено к узлу сочленения разнонаправленных и разновозрастных тектонических структур. В настоящее время месторождение разрабатывается открытым способом. Извлечение золота производится с применением технологии кучного выщелачивания.
Бассейн р. Амазаркан характеризуется развитием толщ многолетнемерзлых пород сплошного распространения с прерывистыми сквозными и несквозными таликами. Мощность толщи многолетнемерзлых пород составляет от 100 до 200 м [1].
В районе месторождения встречаются экзогенные и экзогенно-эндогенные талики. Естественные экзогенные (надмерзлотные подрусловые) талики наблюдаются в долине р. Амазаркан с высотными отметками 780–790 м. Мощность их незначительна и не превышает 15 м. Ниже глубины 10–15 м в долинах рек и ручьев вскрыта толща многолетнемерзлых пород на всю глубину изучения.
Экзогенно–эндогенные талики распространены на склонах речных доли преимущественно южной экспозиции, а также на повышенных участках рельефа. Поверхностные границы таликов картируются на абсолютных отметках выше 915–920 м. Граница распространения зоны подмерзлотных и межмерзлотных вод, приуроченных к таликам экзогенно-эндогенного типа, проходит ниже по склону на абсолютных отметках 860–870 м. Поисковые скважины вскрывают здесь напорные воды, при этом дебиты самоизлива достигают 1,0–2,0 л/с (рисунок 1). На площадях развития таликов существует гидравлическая связь между надмерзлотными водами сезонно-талого слоя и подмерзлотными водами трещинного криогенно–таликового водоносного комплекса.
Рисунок 1. Скважина с самоизливом 1,2 л/с. Восточный фланг Широтной залежи Амазарканского золоторудного месторождения
Межмерзлотные и подмерзлотные воды, встреченные в пределах Амазарканского золоторудного месторождения, пресные с минерализацией 0,4 г/л, по химическому составу сульфатно–гидрокарбонатные магниево–кальциевые.
При выполнении гидрогеологических исследований в Забайкалье специалисты НПГ «Тектоника» использовали накопленный опыт работ на участках распространения скальных пород в пределах Уральского региона. Опыт изучения фильтрационной структуры скальных массивов был ранее обобщен в рамках научного направления «гидрогеомеханика скальных массивов» [5].
Как показывает практика, наиболее эффективным методом решения гидрогеологических задач на площадях залегания скальных пород является целенаправленный поиск, выделение и изучение линейных проницаемых зон тектонических нарушений [3]. Зоны тектонических разломов нередко обладают фильтрационными свойствами, на порядок превосходящими среднюю проницаемость породного массива, формируют гидродинамическую структуру рудных полей и предопределяют гидрогеологические условия месторождений [2, 5].
Гидрогеологические исследования в пределах площадей распространения скальных горных пород должны опираться на методы геомеханического анализа. Основная идея геомеханического анализа заключается в том, что фильтрационная структура трещинных водоносных комплексов в пределах массивов прочных скальных пород формируется под воздействием современных тектонических сил. Силовое воздействие на массивы горных пород обусловлено естественным напряженно–деформированным состоянием земной коры. Породные массивы постоянно находятся в состоянии предельного равновесия, когда избыточные напряжения снимаются в результате деформаций. Результатом деформаций является формирование массовой трещиноватости и тектонических разломов [2, 4, 5].
Тектонические разломы и трещины являются подвижными структурами. Взаимное расположение систем трещин, простирание тектонических разломов и кинематика смещения вдоль тектонических швов контролируются современным полем напряжений. Взаимное расположение тектонических структур зависит от ориентировки трех векторов главных нормальных напряжений [2, 4, 5].
Распределение азимутов простирания тектонических разломов подчиняется определенным закономерностям, что дает широкие возможности для их анализа. Изучение закономерностей ориентировки тектонических разломов позволяет прогнозировать расположение наиболее проницаемых водоносных зон и способствует выбору перспективных водоносных участков.
Одним из методов геомеханического анализа является построение роз–диаграмм ориентировки тектонических разломов и линейных элементов рельефа. Суть метода состоит в измерении азимутов простирания и относительных длин тектонических разломов, обозначенных на геологических и гидрогеологических картах, и нанесении их на розу–диаграмму. На диаграмме откладываются отрезки с азимутами простирания, соответствующими простиранию разломов. Если в некоторый угловой диапазон (например, от 265 до 2700) попадает несколько отрезков, их длины складываются. В результате, на диаграмме образуются пики, которые показывают, разломы с какими азимутами простирания имеют наибольшую суммарную длину или, иными словами, разломы какой ориентировки имеют преимущественное развитие на данной территории.
Построение роз–диаграмм может выполняться не только на основании геологических данных, но и путем геоморфологического анализа участка местности с выделением выраженных линейных элементов рельефа: линейных участков русел рек, ручьев, логов и понижений, цепочек озер и пр.
Как правило, построение роз-диаграмм позволяет выявить типовую картину распределения тектонических нарушений в массиве. На рисунке 2 показана типовая структура пространственного расположения тектонических разломов в скальных массивах Уральского региона [2]. На представленной розе-диаграмме показаны характерные пики, соответствующие группам разломов с определенной кинематикой смещения.
Сбросовые структуры имеют азимуты простирания 260 и 2850. Правые хрупкие сдвиги имеют азимуты простирания 220-230°, правые хрупко-пластичные сдвиги – 200-2100. Левые хрупкие сдвиги имеют азимуты простирания 310-320°, левые хрупко-пластичные сдвиги – 330-3400. Надвиговые нарушения имеют азимуты простирания 180-190 и 350-3600. Такое распределение тектонических разломов в пространстве и характер смещений вдоль тектонических швов обусловлен субширотной ориентировкой оси главного максимального напряжения. Скальные массивы в пределах Уральского пояса находятся в состоянии широтного сжатия, ось главного максимального напряжения ориентирована по азимуту 2600.
При анализе данных предшествующих гидрогеологических работ, выполненных на участке Амазарканского золоторудного месторождения в 2008 г., авторами был сделан вывод о наличии определенного сходства в тектоническом строении данного месторождения и скальных массивов Уральского региона. В ходе работы были сопоставлены результаты геомеханического анализа пространственной ориентировки тектонических структур Амазарканского рудного поля и типовой розы-диаграммы по Уральскому региону.
На диаграмме ориентировки линейных элементов рельефа в районе Амазарканского золоторудного месторождения (рисунок 3 а) отчетливо проявился полный набор характерных пиков, азимуты простирания которых совпадают с азимутами простирания, показанными на типовой диаграмме по Уральскому региону (см. рис. 1). На диаграмме хорошо видны пики сбросовых структур с азимутами простирания 260 и 2850, правые хрупкие сдвиги с азимутами простирания 220-2300, правые хрупко-пластичные сдвиги с азимутами простирания 200-2100, левые хрупкие сдвиги с азимутами простирания 310-3200, левые хрупко-пластичные сдвиги с азимутами простирания 330-3400 и надвиговые нарушения с азимутами простирания 180-190 и 350-3600.
Рисунок 3. Розы-диаграммы участка Амазарканского золоторудного месторождения: а) построенная по данным пространственной ориентировки линейных элементов рельефа; б) построенная по данным пространственной ориентировки тектонических разломов, обозначенных на гидрогеологической карте.
На диаграмме пространственной ориентировки тектонических разломов (рисунок 2 б) наиболее отчетливо проявилось два пика: пик сбросовых нарушений с азимутами простирания 250-2600 и пик хрупко-пластичных правых сдвигов с азимутами простирания 2100. Это говорит о том, что данные типы тектонических нарушений наиболее широко развиты в скальном массиве Амазарканского золоторудного месторождения и играют основную роль в формировании гидрогеологической структуры изучаемой территории.
Таким образом, при реализации поисковых работ на подземные воды и изучении фильтрационной структуры скального массива особое внимание было уделено тектоническим нарушениям с азимутами простирания 250-260 и 2100. Кроме того, на участке месторождения был выделен крупный тектонический разлом с азимутом простирания 3100, пересекающий долину р. Амазаркан на протяжении 2 км и прослеживающийся в противоположном (восточном) борту долины.
Указанные тектонические разломы контролируют гидрогеологическое строение участка и играют определяющую роль в формировании фильтрационной структуры скального массива Амазарканского золоторудного месторождения.
Наличие общих закономерностей в распределении тектонических нарушений может свидетельствовать о сходной геомеханической обстановке в скальных массивах Уральского региона и Забайкалья. Вероятно, для Забайкалья также характерна обстановка современного субширотного сжатия земной коры. Однако, для однозначного подкрепления этого предположения необходимо иметь данные прямых инструментальных наблюдений за напряженным состоянием горных массивов в данном регионе.
В совокупности с методами геомеханического и геолого-структурного анализа для решения поставленных задач на участке Амазарканского золоторудного месторождения был реализован стандартный набор полевых гидрогеологических работ, включающий:
- выполнение расходометрии на поверхностных водотоках;
- площадную гидрогеологическую съемку участка работ, направленную на изучение родникового стока, особенностей питания и разгрузки водоносных горизонтов и комплексов;
- отбор проб для химического анализа поверхностных и подземных вод, полевые определения температуры и физико-химических показателей подземных вод (Eh и рН);
- бурение гидрогеологических скважин;
- выполнение опытных одиночных и кустовых откачек;
- выполнение геофизических работ в скважинах.
Результаты расходометрии на поверхностных водотоках показали, что общий расход реки Амазаркан в период наблюдений в третьей декаде августа 2011 г. составлял 0,64 м3/с в верхнем створе. Расход р. Амазаркан в нижнем створе, расположенном на южной границе участка, составил 1,13 м3/с. Расходы основных притоков – ручьев Северный, Базовый и Фабричный перед впадением в р. Амазаркан составляют 0,34, 0,23 и 0,16 м3/с соответственно.
При выполнении гидрометрических работ на р. Амазаркан и ее основных притоках часто отмечалась частичная потеря поверхностного стока. Это связано с морфологией речных долин и составом русловых отложений, представленных крупнообломочным слабоокатанным глыбовым материалом. Речные воды зачастую уходят в крупнообломочные отложения долины коллювиального, пролювиального и техногенного генезиса, формируя подрусловой подземный сток. Аналогичная картина наблюдается на малых ручьях и притоках.
Таким образом, часть поверхностного стока на изучаемом отрезке р. Амазаркан может периодически уходить в крупнообломочные отложения русла, а затем вновь разгружаться в реку. Взаимосвязь с более глубоким трещинным горизонтом коренных пород представляется маловероятной, т.к. горные породы в долинах рек проморожены на значительную глубину. Указанные особенности существенно влияют на данные измерения расхода по временным створам и практически не позволяют оценить величину действительного прироста расхода реки на участке месторождения.
В процессе гидрогеологической съемки были получены сведения по основным физико-химическим показателям подземных вод в районе месторождения. Дебиты родников в районе Амазарканского золоторудного месторождения в период обследования в августе-сентябре 2011 г, соответствующего паводковому периоду подземных вод, изменялись от 0,05 до 1,0-2,0 л/с. Водородный показатель рН родникового стока изменялся от 7,66 до 9,35, средний показатель составлял рН = 8,40. Реакция среды слабощелочная. Значения окислительно-восстановительного потенциала изменяются от - 154 до – 73 мВ, среднее значение составляет Еh = - 105 мВ, что свидетельствует о наличии восстановительной обстановки. Температура воды в родниках изменялась в пределах от 0,6 до 7,1 0С, средняя температура составляет t0 = 2,3 0С.
Для поверхностных вод участка были получены следующие показатели. Водородный показатель изменяется от 5,46 до 6,80, средний показатель рН = 6,9. Реакция среды нейтральная. Значения окислительно-восстановительного потенциала изменяются от - 73 до + 20 мВ, среднее значение составляет Еh = - 41 мВ, что свидетельствует о слабо выраженных восстановительных условиях. Температура поверхностных вод изменяется в пределах от 1,9 до 7,0 0С, средняя температура составляет t0 = 5,7 0С.
В результате химического опробования был определен состав поверхностных и подземных вод Амазарканского золоторудного месторождения. Воды родников и выходов подземных вод сезонно-талого слоя на территории Амазарканского золоторудного месторождения ультрапресные с минерализацией, в среднем, 0,064 г/л. По химическому составу воды сульфатно–гидрокарбонатные магниево–кальциевые.
Межмерзлотные и подмерзлотные воды водоносного криогенного-таликового трещинного комплекса имеют минерализацию 0,4 г/л, воды пресные. По химическому составу воды сульфатно–гидрокарбонатные магниево–кальциевые.
Поверхностные воды на участке работ ультрапресные с минерализацией 0,053 г/л, гидрокарбонатные, реже сульфатно–гидрокарбонатные, магниево–кальциевые.
В ходе работ по изучению гидрогеологических условий Амазарканского золоторудного месторождения в августе – октябре 2011 года было пробурено 12 гидрогеологических скважин, в том числе 6 поисково-разведочных (рисунок 4).
Рисунок 4. Бурение гидрогеологической скважины.
Сооружение гидрогеологических скважин проводилось с целью изучения положения уровня подземных вод и определения фильтрационных свойств трещиноватых скальных пород. В каждой скважине была выполнена одиночная откачка длительностью 1 сутки или экспресс-налив (рисунок 5). Также на участке месторождения были выполнены две кустовые откачки из скважин, при которых в качестве наблюдательных использовалось несколько инженерно-геологических скважин.
Рисунок 5. Подготовка опытной откачки из скважины.
Целью опытно-фильтрационных работ являлось определение основных гидрогеологических параметров водоносного комплекса для выполнения прогнозных расчетов по величине притока подземных вод в проектируемые карьеры и обоснования дебита водозаборных скважин.
На основании опытных работ были определены следующие значения гидрогеологических параметров водоносного криогенно-таликового комплекса: коэффициент водопроводимости Т = 8,1 м2/сут (в пределах проницаемых зон тектонических нарушений – до 70 м2/сут), коэффициент пьезопроводности а = 1,15*105 м2/сут, параметр перетекания В = 73,5 м.
В ходе работ были также обследованы гидрогеологические скважины, пробуренные на предыдущей стадии гидрогеологических работ в 2008 г. Указанные скважины располагаются в долине р. Амазаркан и ее основных притоков, во всех скважинах зафиксированы ледяные пробки на глубине 10-15 м.
Режим подземных вод в районе Амазарканского золоторудного месторождения имеет определенные особенности. Паводковый период совпадает с паводковым периодом для поверхностных вод и связан с максимальным количеством атмосферных осадков, выпадающих в августе-сентябре. В октябре-ноябре поверхностные водотоки замерзают, начинается промерзание сезонно-талого слоя. С октября по июнь-июль наблюдается меженный период с минимальным питанием подземных горизонтов. Годовой ход уровней подземных вод может достигать 20 м с минимальным положением уровней в июне-июле.
Амазарканское месторождение располагается в пределах замкнутой гидрогеологической структуры, перекрытой сверху толщей многолетнемерзлых пород в диапазоне глубин от 2-5 до 30 м. На некоторых участках многолетнемерзлые породы вновь встречаются в разрезе, начиная с глубины 80 м. В плане таликовая зона ограничена толщей многолетнемерзлых пород. Площадь таликовой зоны составляет около 1 км2/.
Таким образом, было установлено, что при оценке гидрогеологических условий месторождения и выполнении прогнозных расчетов следует опираться на схему «пласт-круг» с непроницаемой границей второго рода. Также, следует учитывать, что в паводковый период подземных вод в районе месторождения возникают благоприятные условия для дополнительного питания трещинного комплекса за счет перетекания. Благодаря перетеканию происходит сокращение депрессионных воронок, в результате чего влияние граничных условий не проявляется. Поэтому, для паводкового периода целесообразно проводить расчеты с использованием схемы безграничного пласта с перетеканием из горизонта с постоянным напором.
Расчет прогнозного притока в карьер для паводкового периода подземных вод продолжительностью два месяца (август-сентябрь) был выполнен по схеме безграничного пласта с перетеканием на основании упрощенного уравнения Хантуша. Величина прогнозного притока составила Q = 7816 м3/сут (326 м3/час).
Водоприток в карьер в меженный период был рассчитан на основании аналитического уравнения для схемы «пласт-круг» с непроницаемым контуром. Величина прогнозного притока составила Q = 2255 м3/сут (94 м3/час).
Среднегодовой приток за счет подземных вод в проектируемый карьер Амазарканского золоторудного месторождения будет составлять 133 м3/час.
Поисковые работы с целью производственно-технического водоснабжения золотоизвлекательной фабрики и хозяйственно-питьевого водоснабжения рабочего поселка были завершены по результатам опробования трех поисковых скважин. Было установлено, что указанные скважины могут эксплуатироваться с общим дебитом 175 м3/сут, что полностью покрывает потребность добывающего предприятия в воде.
Таким образом, в результате проведенных исследований были определены прогнозные водопритоки в проектируемые карьеры Амазарканского золоторудного месторождения, в том числе, приток за счет подземных вод, за счет атмосферных осадков и пиковые притоки, связанные с ливневыми осадками. Полученные данные позволяют выполнить проектирование системы водоотлива и определить необходимую мощность водоподъемного оборудования.
Поскольку на сульфидных месторождениях всегда очень остро встает вопрос качества дренажных вод, авторами даны рекомендации по организации опережающего дренажа. Водопонижение на участке месторождения позволит снизить приток подземных вод в действующий карьер и исключить их контакт с рудой в зоне окисления, где, как правило, происходит существенное снижение рН природных подземных вод и насыщение вредными компонентами. Сбрасывать такие воды в речную сеть без предварительной очистки становится невозможным.
Если же подземные воды перехватить несколькими дренажными скважинами на внешнем контуре карьера, они сохраняют свое природное качество и могут быть использованы в технологических целях, либо перепущены в речную сеть без дополнительной очистки.
Также авторами даны рекомендации по организации производственно-технического и хозяйственно-питьевого водоснабжения добывающего предприятия. Определены участки, обладающие необходимыми запасами подземных вод.
На основании методов геомеханического анализа, положительно зарекомендовавшими себя при проведении гидрогеологических работ на Урале, выделены участки повышенных фильтрационных свойств трещинного водоносного комплекса, оптимальные для заложения скважин водопонижения и водоснабжения. Данные участки связаны с линейными проницаемыми зонами тектонических нарушений, определяющими гидрогеодинамическую структуру скального массива Амазарканского золоторудного поля.
Выполненные работ доказали эффективность применения методов геомеханического анализа в том числе и в районах сплошного распространения многолетнемерзлых пород. Результаты геомеханического анализа свидетельствуют о наличии сходных закономерностей в современном напряженно-деформированном состоянии скальных массивов в пределах Уральского региона и в районе Забайкалья.
При копировании материалов, представленных на сайте, ссылка на первоисточник обязательна.
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гидрогеология СССР, том XXI, Читинская область. Н.С. Богомолов, Л.М. Орлова и др. М., «Недра», 1969, 444стр.
2. Лукьянов А.Е. Гидрогеомеханический анализ ориентировки водоносных тектонических структур в скальных породах. // Изв. Вузов. Горный журнал. – 2008. - №8 – С. 182–184.
3. Тагильцев С.Н., Лукьянов А.Е., Серебренникова Е.В. Гидрогеологические особенности дренажной системы станции метро «Ботаническая». // Проблемы комплексных инженерных изысканий для всех видов строительства: Материалы научно – практической конференции (16 – 17 июля 2009 г). – Екатеринбург: ЗАО «УралТИСИЗ», 2009. – 121–124 С.
4. Тагильцев С.Н., Осипова А.Ю., Лукьянов А.Е. Напряженное состояние геологической среды и активные тектонические структуры г. Екатеринбурга. // Эколого–геологические проблемы урбанизированных территорий: материалы Второй Всероссийской научно–практической конференции. – Екатеринбург: изд-во УГГУ. – 2009.
5. Тагильцев С.Н. Основы гидрогеомеханики скальных массивов. Учебное пособие. Екатеринбург: Из-во УГГГА, 2003. С. 51 – 85.
