способ геохимического контроля проницаемости водозащитной толщи на месторождениях калийных солей

Формула изобретения

Способ геохимического контроля проницаемости водозащитной толщи на месторождениях калийных солей, заключающийся в бурении наблюдательных скважин, отборе проб воды из этих скважин и выделения растворенных в воде газов, отличающийся тем, что бурение скважин проводится глубиной до первого водоносного горизонта, отбор проб воды из каждой скважины производится многократно и последовательно во времени, а в отобранных пробах газа определяют содержание метана и водорода, а также изотопное отношение аргон-40 / аргон-36; причем при величине изотопного соотношения более 296 делают заключение о нарушении целостности водозащитного слоя, а при увеличении концентрации метана и водорода более 0,2 об.% делают заключение о начале растворения соляных пластов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и дает возможность вести контроль за условиями разработки и эксплуатации месторождений калийных солей путем выявления проницаемых участков в водозащитной толще и соответственно прогнозирования возможных разрушений этой толщи вплоть до возникновения чрезвычайных и/или катастрофических ситуаций.

Геохимические методы исследования широко используются для картирования проницаемых зон в осадочной толще земной коры.

Выявление проницаемых участков верхней части земной коры основано на явлении миграции газов-индикаторов из глубины к поверхности земной коры. Методика проведения этих работ заключается в исследовании распределения концентрации воднорастворимых газов по глубине скважин в пределах выбранного профиля исследований, содержащего, как правило, серию измерительных скважин. При наличии в пределах исследуемого профиля аномально высоких содержаний газов в воде, заполняющей скважину, делается заключение о наличии зон повышенной проницаемости верхней части земной коры (тектонические разломы, дизъюнктивные нарушения, зоны повышенной трещиноватости, гидрогеологические "окна" и т.п.). В качестве газа-индикатора, позволяющего выявлять зоны повышенной проницаемости верхней части земной коры, наиболее широко используется гелий, который ввиду своих специфических свойств наиболее подходит для решения поставленной задачи. Во-первых, гелий как радиогенный газ постоянно генерируется в недрах Земли в процессе радиоактивного распада. Во-вторых, в связи с малой плотностью гелия он активно покидает глубину земли и по трещинам устремляется на поверхность, выбирая при этом наиболее проницаемые участки земной коры. Пример использования данной методики с определением аномальных концентраций гелия для выделения проницаемых разломов представлен в прототипе.

Основным недостатком известного способа является то, что при использовании гелия в качестве газа-индикатора возможно выявление только вертикальных или субвертикальных глубинных разломов и связанных с ними зон повышенной проницаемости. Как правило, это сквозные, долгоживущие разломы, обусловленные боковым строением верхней части земной коры.

При эксплуатации месторождений калийных солей необходимо картировать мелкие дизъюнктивные нарушения, проявляющиеся в верхней части разреза и обусловленные явлениями тектоники соляной залежи и неравномерной деформацией надсолевых толщ вмещающих пород. Указанные дизъюнктивные нарушения в принципе не могут достигать больших глубин, с которых выделяется гелий. Поэтому известный способ практически неприменим для исследования водозащитной толщи месторождений калийных солей.

Цель настоящего изобретения - обеспечение геохимического контроля проницаемости водозащитной толщи в процессе отработки шахтных полей, прогноза опасных зон при проведении горнодобывающих работ и прогнозирование возможности возникновения чрезвычайных ситуаций.

Поставленная цель достигается тем, что согласно предлагаемому способу геохимического контроля, основанному на проведении бурения наблюдательных скважин, отбора проб воды их этих скважин и выделения растворенных в них газов, скважины бурятся глубиной до первого водоносного горизонта, отбор проб из каждой скважины проводится последовательно и многократно во времени, в а отобранных пробах определяют содержание метана и водорода, а также изотопное отношение аргон-40/аргон-36. Сдвиг изотопного отношения аргон-40/аргон-36 на величину более 0,2% (величина отношения более 296,2) свидетельствует о нарушении целостности (сплошности) водозащитной толщи, а увеличение концентрации метана и водорода более 0,1% свидетельствует о начале растворения соляного пласта.

Способ предложен на основании следующих геолого-геофизических факторов.

Продуктивные пласты калийных солей являются источником радиогенного аргона-40, который является продуктом распада естественного радиоактивного изотопа калий-40, всегда имеющегося в калийных солях. Радиогенный аргон-40, мигрируя вверх через толщу соляного пласта, достигает газонепроницаемого водозащитного слоя и концентрируется в верхней части соляных пластов. Метан и водород находятся в связанном состоянии в толще калийных солей и выделяются их этих солей только при растворении последних в воде.

При дизъюнктивном нарушении водозащитного слоя вниз устремляются подземные воды, находящиеся выше водозащитного слоя, но зона повышенной проницаемости достигает только глубины верхней кромки пласта (залежи) калийных солей. При этом происходит интенсивное освобождение аргона-40, который немедленно растворяется в подземных водах. Избыток радиогенного аргона-40 приводит к увеличению изотопного отношения аргон-40/аргон-36 от фоновой величины, соответствующей атмосферному и равной 295,6 до 296 и более. Обычная погрешность определения изотопного отношения аргон-40/аргон-36 составляет 0,1% (0,25 ед.). Поэтому увеличение изотопного отношения на величину более чем два значения погрешности с достоверностью 0,95 свидетельствует о высвобождении аргона-40, который скопился в верхней части пласта калийных солей. Фактически при нарушении целостности водозащитного слоя изотопное отношение увеличивается на 1 - 2% (0,3 - 0,6 ед. отношения аргон-40/аргон-36).

Как только вода достигает соляного пласта, соль начинает растворяться, и соответственно в процессе ее растворения в раствор выделяются метан и водород, которые находятся в калийных солях в связанном состоянии. Обычно концентрация метана и водорода в подземных водах не превышает 0,01 об.%. При растворении же калийных солей концентрация метана и водорода в подземных водах резко увеличивается в 50 - 60 раз, достигая значений до 0,5 - 0,6 об.%.

Таким образом, имеются два надежных прогностических признака разрушения водозащитной толщи: 1. увеличение изотопного отношения аргон-40/аргон-36 на величину, превышающую две погрешности измерения, что свидетельствует о возникновении газопроницаемой зоны в водозащитной толще; 2. увеличение концентрации растворенных в воде наблюдательных скважин метана и водорода, что свидетельствует о проникновении воды до соляной залежи и начале растворения соляных пластов.

Предлагаемый способ был опробован на соликамском месторождении калийных солей. На фиг. 1 схематически представлен геологический разрез, типичный для соликамского месторождения. Наносы (1) и известняки (2) в верхней части разреза обычно перекрывают водоносный горизонт, представленный песчаником (3). Рабочий пласт калийных солей (4) обычно перекрыт несколькими маломощными пластами глины (5) и калийных солей (6). Наблюдательные скважины (7) обычно имеют глубины до песчаника водоносного горизонта (3).

В рассматриваемом случае в январе месяце произошло техногенное землетрясение, которое, как предлагалось, могло нарушить водозащитный слой глин (5) с образованием в нем проницаемой зоны (8), по которой будет совершаться обмен газами между маломощным соляным пластом (6) и водой, циркулирующей по песчанику (3).

Анализ изотопного отношения аргон-40/аргон-36 и регистрация содержания метана и водорода в воде наблюдательной скважины в течение большого промежутка времени показали следующее (фиг. 2).

С января по март в подземных водах наблюдалось постоянное, в пределах погрешности измерений (0,1%), изотопное отношение аргон-40/аргон-36, типичное для атмосферного воздуха (295,60,25). Содержание метана и водорода не превышает погрешности измерений (0,01%) за весь период с января по май.

Однако с апреля начинается изменение изотопного отношения, максимум которого достигается в мае. При этом соответственно содержание аргона-40 увеличивается на 0,58%. Постепенно величина изотопного отношения аргона возвращается к исходному состоянию (июль). Начиная с мая месяца, в подземных водах наблюдательной скважины появляются метан и водород, которые выделяются из калийных солей по мере их растворения. Концентрации метана и водорода в подземных водах увеличиваются относительно первоначального уровня более чем в 60 раз и достигают величин больших, чем дополнительное увеличение концентрации радиогенного аргона. Уменьшение концентраций метана и водорода во времени медленнее, чем наблюдаемое уменьшение концентрации аргона.

Указанные измерения позволяют смоделировать процесс нарушения водозащитной толщи следующим образом.

Вследствие тектонического землетрясения постепенно разрушился первый слой водозащитной толщи, что привело сразу же к появлению дополнительного радиогенного аргона-40 в подземных водах. Затем происходил размыв первого нерабочего прослоя калийных солей, что привело к выделению метана и водорода, растворенных в этих солях. Дальнейшее развитие процесса приостановилось.

Использование данного способа позволяет установить непрерывный контроль за поведением состояния водозащитной толщи в процессе отработки шахтных полей и осуществлять прогноз во времени если не катастрофической, то чрезвычайной ситуации.