УДК 553.631:(556.33/52+622.023)+(502:62/65):(502:(653+656)) Хрущов Д.П., доктор геолого-мінералогічних наук, професор Інститут геологічних наук НАН України, Київ, Україна Босевська Л.П. Український науково-дослідний інститут соляної промисловості (УкрНДІсіль), Артемівськ Донецької обл., Україна Кирпач Ю.В. Степанюк О.В. Інститут геологічних наук НАН України, Київ, Україна МЕТОДОЛОГІЧНІ ТА ПРАКТИЧНІ АСПЕКТИ ВИЗНАЧЕННЯ ЗАХИЩЕНОСТІ СОЛЯНИХ ТОВЩ Соляні товщі являють собою унікальне геологічне середовище і використовуються у теперішній час у світовій практиці не лише як сировинна база для видобутку корисної копалини, а й для створення техногенних об’єктів різноцільового призначення, насамперед, підземних сховищ (переважно сховищ газу та нафти), у зв’язку із безперечними технічними, економічними та екологічними перевагами створюваних об’єктів у кам’яній солі [1]. Такі переваги обумовлені рядом специфічних властивостей кам’яної солі, а саме: високими пластичністю та міцністю, непроникністю, антисептичністю та інертністю до вуглеводнів. Але, як доведено науковими дослідженнями останніх декількох десятиліть, перелічені переваги соляних масивів не завжди мають місце, – згідно новим даним, кам’яна сіль не є суцільним непроникним масивом, а являє собою достатньо складну геодинамічну систему, яку складають неоднорідні елементи із різними властивостями, у тому числі і фільтраційними, тобто тими, що визначають проникність соляного середовища [2]. Розкриття техногенними порожнинами ділянок із підвищеною водопроникністю, які гідравлічно пов’язані із джерелом надходження агресивних вод, завжди доводить до розвитку через певний час техногенного карсту різного масштабу, що спричиняє виникнення негативних геоекологічних факторів впливу на довкілля, виникнення аварійних ситуацій при експлуатації створюваних у масиві об’єктів, у тому числі впливає на герметичність камерсховищ. Негативні геоекологічні процеси, у свою чергу, провокують руйнування як самого соляного масиву, так і земної поверхні в зоні впливу цих факторів, а також стають причиною шкідливого залпового забруднення геологічного середовища (засолення гідрографічної сітки, ґрунтів, підземних вод та ін.) хлористим натрієм. Крім того, утворювані карстові порожнини безпосередньо впливають на геомеханічну стійкість масиву порід [2]. Підземні техногенні об’єкти, що потрапили в зону розвитку карстових процесів або самі стали причиною їх розвитку, переважно для подальшого використання непридатні і підлягають ліквідації, що спричиняє величезні економічні збитки. У світовій практиці мають місце також випадки розвитку карсту внаслідок похибок при проведенні технологічних операцій. Вищенаведене свідчить, що науково обґрунтоване визначення ступеня захищеності соляних товщ (наявності передумов для розвитку техногенного карсту) є однією з головних складових частин функціональної оцінки соляних товщ. Метою даної роботи є подання методології і принципів визначення захищеності соляних товщ щодо розвитку техногенних карстових процесів. В основу дослідження покладена базова теорія розвитку соляного карсту [3, 4 та ін.], теоретичні і методологічні положення, розроблені академічними дослідженнями бар’єрних властивостей1 соляного сере- Термін «бар’єрні властивості» запропоновано порівняно недавно для визначення функціональних властивостей геологічного середовища. Він вживається як показник здатності геологічного середовища до затримки мігруючих речовин, у тому числі й води [5] 1 довища [1, 5] та фахівцями соляної галузевої науки (УкрНДІсіль) на протязі останніх десятиліть [6-9]. Найбільша кількість використаної інформації запозичена з досвіду експлуатації соляних ресурсів, який набувався на протязі декількох сторіч. Загальні принципи оцінки захищеності. Під терміном «захищеність соляних товщ» авторами розуміється забезпеченість їх системою гідравлічних (різновид фільтраційних) бар’єрів в уміщуючому геологічному середовищі по відношенню до існуючих або потенційних джерел агресивних підземних вод. Оцінка захищеності базується на визначенні взаємодії двох головних діючих елементів системи – водоносних горизонтів і водотривів, що відокремлюють соленосну товщу або її окремі ділянки від агресивної дії води. Як гідравлічні бар’єри слід розглядати породи з коефіцієнтом фільтрації менше 1,2·10-8 м/с (щільні глини, мергелі, аргіліти, тощо). Ступінь захищеності оцінюється сумарним захисним потенціалом (обумовлюється двома складовими: потужністю водотривів та їх фільтраційними параметрами), визначення якого дозволяє розрізнити 5 груп захищеності за їх ступенем: дуже високий, високий, задовільний, незадовільний, катастрофічний. Для соляних тіл різних морфоструктурних типів методологія оцінки захищеності соляних товщ відрізняється через відміни характеру взаємовідносин соляного тіла з осадовою товщею, що його уміщує, та різницю у внутрішній будові. Але при цьому головні принципи і підходи до визначення захищеності взагалі практично не відрізняються та підпорядковуються спільним законам. При визначенні захищеності соляних товщ треба розрізняти природну захищеність соляного масиву та захищеність техногенно-геологічної системи (ТГС) «соляний масив – техногенна порожнина». Природна захищеність існуючих соляних товщ сама по собі є досить стабільною характеристикою, оскільки попри притаманну соляним породам вразливість щодо дії підземних вод значні об’єми соленосних формацій зберігаються на протязі геологічного часу, виміри якого сягають принаймні фанерозою. При недостатньому ступеню природної захищеності соляний поклад не зберігається або зберігається частково. При наявності високого ступеня захищеності соляний поклад у природному стані може зберігатися практично без ознак вилуговування. Природна захищеність для випадку задовільного її стану є досить умовним поняттям: вона обумовлена створенням тимчасового природного рівноважного стану між усіма складовими (геолого-гідрогеологічними) компонентами системи, що включає соляний поклад. Компоненти системи, що є потенційно небезпечними з точки зору можливого розвитку карсту, в урівноваженому стані можуть або зовсім не визначатися, або визначатися розвитком локального природного карсту на окремих ділянках, швидкість розвитку якого у реальному часі незначна. Природний карст впливає на морфологію соляного тіла таким чином. Завдяки природному карсту соляний масив Рис. 1. Схема формування природного самозахи«зрізується» в геологічному часі практисту відкритої поверхні соляного штоку. чно до рівня місцевого базису дренажу 1 – кам’яна сіль; 2 – рівень водоносного горизонту; 3 (так зване площинне вилуговування), піс– напрям руху підземних вод; 4 – прошарки порід з підвищеною проникністю; 5 – зональність водоносного ля чого набуває певного рівноважного горизонту: I – зона насичених розсолів, II – зона солостану, який забезпечений умовами самоних вод, III – зона прісних агресивних вод. захисту соляного покладу (рис. 1). Створення умов самозахисту полягає в тому, що навколо соляного тіла формуються розсільні горизонти та кепроки або бічна брекчія вилуговування. Розсільні горизонти, інертні до соляного тіла, формують завдяки своїм властивостям (підвищеній в’язкості та щільності) зони застійного водообміну, що призупиняє розвиток вилуговування. Кепроки (залишкові утворення несоляних компонентів соляної товщі) стають для соляного масиву додатковим гідравлічним бар’єром, що поліпшує його захищеність [1, 3, 5, 8]. Бар’єрні властивості кепроків (та їх окремих зон) визначаються первинним складом несоляних компонентів вилуговуваної частини соляної товщі: переважання глинистого матеріалу підвищує їх ізоляційну здатність, а карбонатного, ангідритового, піщаного матеріалу, тощо – навпаки. Такі стрічкоподібні зони вилуговування сформовані в Артемівському родовищі на ділянках виходу соляних шарів під обводнені породи надсольової товщі, що з кутовим неузгодженням перекривають слов’янську соленосну світу (рис. 2). Процеси природного вилуговування кам’яної солі в межах цих зон відбувались на протязі тривалого часу і досить інтенсивно продовжуються зараз. Так, доведено, що зона вилуговування БП живить слабонапірний мінералізований водоносний горизонт вапняків, що підстеляють БП. Рис. 2. Схематичний розріз Артемівського пластового родовища кам’яної солі (вертикальний масштаб збільшений у порівнянні із горизонтальним у 5 разів). 1 – шари кам’яної солі – Брянцевський (БП), Підбрянцевський (ПБП), Надбрянцевський (НБП); 2 – обводнені теригенна та теригенно-хемогенна товщі порід (глини, пісковики, аргіліти, гіпси, ангідрити (T1dr, Р1krm); 3 – зони вилуговування соляних шарів. Цей горизонт частково розвантажується на протязі тривалого часу (понад 70 років) у підошві гірничих виробок однієї з Артемівських шахт. Процес розвивається дуже повільно завдяки тому, що у зоні вилуговування відбувається насичення розсолу до мінералізації, близької до граничної. Наближення виробок у кам’яній солі до сучасних зон вилуговування є особливо небезпечним у разі живлення таких зон агресивними водами, бо це може спровокувати непередбачуваний розвиток інтенсивного карсту та завершитися затопленням шахти із формуванням на поверхні провальних воронок (шахта Шевченко, Артема № 1, Ситенко та ін.). Природна захищеність соляних товщ мінлива у часі і може порушуватися в результаті тектонічних рухів або техногенного втручання. Захищеність ТГС «соляний масив – техногенна порожнина», перш за все, визначається умовами природної захищеності соляної товщі. Для попередження розвитку техногенного карсту потрібно виконання головної умови – збереження природного урівноваженого геолого-гідрогеологічного стану системи. Визначення захищеності ТГС являє собою прогнозну оцінку вірогідності збереження такої рівноваги у процесі створення і функціонування техногенних порожнин. Для випадку низького ступеня природної захищеності додержання зазначеної умови можливо лише тоді, коли цілісність самого соляного масиву як гідравлічного бар’єру забезпечує повну гідроізольованість техногенних порожнин. Таким чином, доречно розрізнити зовнішню та внутрішню захищеність ТГС. Зовнішня захищеність згідно з прийнятим визначенням щодо соляної товщі обумовлюється взаємодією системи гідравлічних бар’єрів уміщуючого геологічного середовища та існуючих (або потенційних) джерел агресивних підземних вод. Внутрішня захищеність ТГС зумовлена бар’єрними властивостями самого соляного масиву, які можуть значно розрізнятися для соляних порід з різними літологічними характеристиками і розподіляються в об’ємі соляного тіла відповідно до його структури [1, 2, 7]. Бар’єрні властивості соляного масиву змінюються також в результаті перерозподілу навантажень при створенні і функціонуванні техногенних порожнин у відповідності до реологічних властивостей соляних та інших порід. Методологічно проникність кам’яної солі визначається такими фізичними характеристиками, які обумовлюють природну пустотність (пористість, тріщинуватість, міжзернові простори), тому проблема визначення внутрішньої захищеності полягає у визначенні в межах соляної товщі розповсюдження таких ділянок. Ділянки певних різновидів кам’яної солі з відповідними фізико-механічними (фільтраційними) властивостями є абсолютними водотривами [1-3, 5, 7-9], що ілюструється численними прикладами зовсім сухих соляних виробок, які існують (або існували) на протязі тривалого часу (Артемівські шахти, нові горизонти Ілецького діапіру, створені під затопленими виробками, виробки центральної частини Солотвинського куполу, які успішно експлуатувалися більше 145 років, виробки Аванського соляного куполу). Але в цілому проникність кам’яної солі може варіювати в дуже широкому спектрі, навіть до показників, характерних для порід з високими фільтраційними властивостями. Так, підвищена проникність притаманна рихлим та слабозцементованим структурно-текстурним різновидам кам’яної солі як седиментаційно-діагенетичного (пісковиковоподібна кам’яна сіль, первинно слабозцементована, часто із наявністю у проміжках між кристалами седиментаційних розсолів), так і галокінетичного походження (кам’яна сіль із незавершеною перекристалізацією, породи зон течії, подрібнення, тріщинуватості всередині соляної товщі, яким притаманна брекчієвидна і кристалопластична структура та флюїдальна текстура). Найбільш небезпечним є розвиток площин зісковзування, які утворюють систему розривів. Ця система відображає стадію переходу кристалопластичних деформацій у розривні. Крім того, сприятливі умови фільтрації вод існують вздовж послабленого брекчійованого контакту кам’яної солі із породами, що уміщують соляний поклад або перекривають його із неузгодженням. Перерозподіл у масиві ділянок із різною проникністю повністю обумовлений структурно-літологічним фактором, тобто усіма елементами внутрішньої будови соляної товщі. Найскладніша будова притаманна соляним тілам, що були піддані дії галокінезу (передусім різні діапірові форми). Для них характерні наявність внутрішньої складчастості різних порядків, зон брекчіювання та тріщинуватості, а також зон подрібнення брекчійованих соленосних і засолонених порід. У соляних товщах, які не були піддані дії галокінезу, зон з підвищеною проникністю значно менше. На зовнішніх ділянках соляних тіл, що контактують з водоносними горизонтами, утворюються так звані «зони вивітрювання кам’яної солі» із розвинутою мікротріщинуватістю; нижня границя їх залягає на різних глибинах від поверхні соляного тіла (наприклад, для Ілецького діапіру – до 150 - 160 м) та завжди має дуже складну форму. Техногенне розкриття зон підвищеної проникності, які мають навіть опосередкований гідравлічний зв’язок з водоносними горизонтами, завжди веде до початку фільтрації вод у підземну порожнину, формує умови для створення глибинного базису дренажу і спричиняє прогресуючий розвиток карсту. Схема розвитку даного процесу полягає в наступному. Пустоти у соляному масиві (навіть мікротріщини) на певній стадії свого розвитку здатні втягувати в себе капілярну воду, в результаті чого послаблені ділянки (відкриті до підземних вод) зазвичай містять практично нерухомі розсоли (див. рис. 1). При виникненні базису дренажу, яким стає простір створених порожнин, що розкрили ці ділянки, виникає рух цих вод. Спочатку цей рух досить повільний, оскільки розсоли, що мають місце у пустотах, на перших етапах неагресивні, високомінералізовані (із пониженою текучістю). Перші прояви розпочатого руху вод зазвичай являють собою капіж з потолочин підземних порожнин або підвищене зволоження стінок. У процесі розвантаження вод у підземний простір на місце розсолів починають надходити менш насичені води, які, насичуючись хлористим натрієм, розширюють мікротріщини за рахунок вилуговування їх стінок. Оскільки первинні водопровідні шляхи являють собою відкриту систему, розчинення соляних порід набуває прогресуючого характеру. По мірі розвитку процесу збільшуються швидкості руху вод і, як наслідок, зменшується їх мінералізація (тобто підвищується агресивність). Максимальна глибина розвитку карсту не може перебільшувати глибину розташування базису дренажу, тобто, якщо вимоїни формуються на рівні базису дренажу, вони розвиваються у горизонтальній площині. Швидкість подальшого розвитку процесу залежить від багатьох чинників, але завжди лише зростає, і через деякий час процес стає неконтрольованим. Як свідчить світовий досвід експлуатації соляних покладів, зупинити розвиток карсту у більшості випадків неможливо. Створюється технічно і екологічно небезпечна ситуація, з якої є лише єдиний вірний вихід – ліквідація базису дренажу шляхом затоплення виробок (рекомендується природне, штучне або комбіноване затоплення в залежності від конкретних обставин) [1, 8-10]. Таким чином, визначення захищеності соляних товщ, яка проводиться за наведеними вище принципами, становить обов’язкову складову цільової оцінки соляних масивів для створення техногенних об’єктів будь-якого призначення і їх експлуатаційного моніторингу, а також аналізу створення екологічно небезпечних ситуацій та прийняття рішень з їх попередження і ліквідації наслідків. 1. Чабанович Л. Б. Научно-технические основы сооружения и эксплуатации подземных хранилищ в каменной соли / Л. Б. Чабанович, Д. П. Хрущев. – К.: Варта, 2008. – 304 с. 2. Босевская Л. П. Основные принципы инженерно-геологической оценки соляных массивов для использования их как среды для сооружения подземных объектов различного назначения / Л. П. Босевская // Сборник трудов ДонНТУ. Серия «Горно-геологическая». – Донецк, 2009 (у друку). 3. Короткевич Г.В. Соляной карст / Георгий Васильевич Короткевич. – Л.: «Недра», 1970. – 256 с. 4. Иванов А. А. Галогенные формации / А. А. Иванов, М. А. Воронова. – М.: Недра, 1972. – 328 с. 5. Барьерные свойства геологической среды / Д. П.Хрущев, Р. Я. Белевцев, В. Н. Бублясь и др. // Сучасні проблеми літології і мінерагенії осадових басейнів України та суміжних територій : [зб. наук. пр.] / НАН Украйни; [ред. П. Ф. Гожик]. – К., 2008. – С. 278 - 284. 6. Тузикова З. Р. Гидрогеологическая характеристика Аванского участка Ереванского солянокупольного месторождения / З. Р. Тузикова // Геология и гидрогеология месторождений поваренной соли : труды ВНИИсоль. – Выпуск 16 (24); [ред. Костенко И.Ф.] – Артемовск, 1970. – Часть I. – С. 18-22. 7. Антипова А.А. Особенности развития соляного карста Илецкого месторождения каменной соли. // Проблемы соленакопления. Том II. – Новосибирск: Наука, 1977. – С. 79 83. 8. Повышение эффективности процессов добычи и переработки соли // Материалы 6-й научн.-техн. конф. молодых ученых и спец. соляной пром-ти (Артемовск, 1988). – М., 1988. – С. 21 - 28. 9. Проблемы безопасной разработки калийных месторождений: Материалы научно-технической конференции (Солигорск, 11-13.09.1990). – Минск, 1990. – С. 18-20. 10. Лиманов Е. Л. Причины затопления соляных рудников / Е. Л. Лиманов, М. И. Елизаров, А. Мусанов // Геология и разведка [Изд. вузов]. – 1971. – № 3. – С. 159 - 160.
