|
Інститут геологічних наук НАН України
Данишурка Наталія Анатоліївна
УДК 553.63:(621.039.75:658.567.5)](477)
СОЛЕНОСНІ ФОРМАЦІЇ Дніпровсько-ДОНЕЦЬКОЇ ЗАПАДИНИ І ПЕРСПЕКТИВИ ЇХ ВИКОРИСТАННЯ ДЛЯ СТВОРЕННЯ ПІДЗЕМНИХ СХОВИЩ.
04.00.21-літологія
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата геологічних наук
Київ – 2003
Дисертація є рукопис
Робота виконана в Інституті геологічних наук Національної академії наук України (ІГН НАНУ)
Захист відбудеться “2” жовтня 2003 року о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.162.04 в Інституті геологічних наук НАН України за адресою: Україна, 01601, м. Київ, вул. О. Гончара 55б.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту геологічних наук НАН України (Україна, 01601, м. Київ, вул. О. Гончара 55б)
Автореферат розісланий 29 серпня 2003 року
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Соляні товщі є сприятливим середовищем для будівництва і використання підземних споруд різного цільового призначення – сховищ для зберігання енергетичної сировини (нафти, нафтопродуктів, вуглеводневих газів), стиснених і зріджених газів, хімічних продуктів, а також для видалення радіоактивних і токсичних відходів.
Актуальність будівництва підземних сховищ набуває особливої гостроти в Україні у зв’язку з необхідністю вирішення проблеми видалення величезних накопичень радіоактивних відходів, що утворились в результаті багаторічного функціонування атомної енергетичної галузі і при аварії на ЧАЕС, а також токсичних відходів, що виникли внаслідок десятиріч діяльності підприємств хімічної, металургійної, гірничодобувної, машинобудівної галузей промисловості, агропромислового комплексу і побутової сфери. Потреба створення державних запасів енергетичної сировини та сталого розвитку нафтопереробної, нафтохімічної, газової, хімічної і енергетичної галузей індустрії також зумовлює необхідність заснування мережі підземних сховищ і ємкостей різного призначення.
Вибір геологічних об’єктів, ділянок і інтервалів соляних товщ для розміщення підземних споруд у зв’язку з їх відповідними технічними умовами повинен забезпечувати довгочасову стійкість та ізолюючу здатність цих споруд, які визначаються фізико-механічними властивостями порід вміщуючого соляного масиву. Оскільки останні знаходяться у прямому зв’язку з літологічними характеристиками порід соляних масивів, науково обґрунтований вибір геологічного середовища будівництва повинен здійснюватись на основі цільового дослідження речовинного складу і структурно-текстурних особливостей вміщуючих соляних товщ за спеціальною методологією, що, власне, і складає зміст поданої роботи.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибір напрямку досліджень пов’язаний з держбюджетними темами Інституту геологічних наук НАН України: “Дослідження геологічних умов ізоляції радіоактивних і токсичних відходів” (реєстраційний номер 0198U003816), “Вплив літолого-петрографічних характеристик порід на ізоляційні властивості геологічного середовища (при створенні сховищ і резервуарів різноцільового призначення)” (реєстраційний номер 0102U003889). Дисертаційна робота включає також деякі результати госпдоговірної теми “Вибір геологічних структур і площ, сприятливих для ізоляції радіоактивних відходів в соленосних формаціях України” (реєстраційний номер 0199U003063).
Мета роботи та задачі дослідження: літологічна характеристика соленосних товщ наміченого району з точки зору оцінки їх сприятливості щодо будівництва підземних сховищ для зберігання енергетичної сировини, хімічних продуктів, а також ізоляції радіоактивних і токсичних відходів.
Для досягнення цієї мети було поставлено такі задачі:
- вивчення геологічних умов створення і функціонування підземних сховищ;
- розробка методології і визначення методичних прийомів цільових літологічних досліджень соляних формацій з модифікацією їх щодо сприятливих геологічних об’єктів наміченого району;
- розробка критеріїв оцінки, вибору, порівняння і ранжування геологічних об’єктів соленосних формацій на різних ієрархічних рівнях (для розміщення основних типів сховищ);
- детальне дослідження геологічної будови, речовинного складу, мінерало-петрографічних і геохімічних особливостей соленосних товщ;
- розробка цільових оціночних структурно-літологічних моделей типових геологічних об’єктів;
- загальна прогнозна оцінка геологічних об’єктів соленосних формацій з точки зору створення підземних сховищ різного цільового призначення.
Об’єкт досліджень - cоленосні формації Дніпровсько-Донецької западини, що сприятливі для будівництва підземних ємкостей різного цільового призначення.
Предмет дослідження - cолянокупольні структури північно-західної частини Дніпровсько-Донецької западини.
Наукова новизна одержаних результатів. На основі детальних літологічних досліджень з урахуванням взаємозв’язку між структурно-текстурними властивостями соляних порід і міцносними їх властивостями виділено сім структурно-текстурних типів кам’яної солі, що відрізняються певними характеристиками міцності і пористості.
В результаті літологічних досліджень для трьох типових солянокупольних структур розроблено крупномасштабні структурно-літологічні моделі, що становлять детальну реконструкцію внутрішньої будови соляних масивів з виділенням структурних елементів за особливостями речовинного складу і структурно-текстурними ознаками з прогнозуванням міцносних характеристик і пустотності.
На основі визначення геологічних умов створення і безпечного функціонування підземних ємкостей в соляних товщах з урахуванням технічних умов розроблено комплекси еколого-геологічних критеріїв вибору солянокупольних структур, ділянок та інтервалів соляних масивів, сприятливих для розміщення підземних ємкостей різного цільового призначення.
На основі оцінки структурно-літологічних моделей розглянутих типових структур з урахуванням загальних технічних умов щодо розміщення ємкостей різного цільового призначення в межах цих структур виділено сприятливі ділянки соляних масивів (майданчики, інтервали) зі встановленням несприятливих структурних елементів.
Теоретичне значення. Розроблено принципово нову методику встановлення структурних елементів соляних масивів, що дало змогу розвинути принципи побудови структурно-літологічних моделей солянокупольних підняттів. На основі розробки конкретних структурно-літологічних моделей типових солянокупольних структур встановлено закономірності внутрішньої будови соляних масивів.
Практичне значення. Побудова структурно-літологічних моделей соляних масивів є ефективним засобом прогнозування корисних копалин (калійних і магнієвих солей тощо) з одного боку і визначення ділянок, сприятливих для підземного будівництва - з іншого. Для трьох типових структур дано рекомендації ділянок соляних масивів, перспективних для будівництва підземних споруд, з ранжуванням ступеню їх сприятливості. Запропонована методика побудови структурно-літологічних моделей може бути використана при проведенні геологорозвідувальних робіт, спрямованих на пошуки корисних копалин або підземного будівництва в соляних масивах солянокупольних регіонів.
Особистий внесок здобувача. Основні результати і висновки, що викладені у роботі, отримані і обґрунтовані автором на матеріалах власних досліджень і опубліковані в фахових виданнях. У випадках колективних публікацій внесок дисертанта з співавторами носить рівноправний характер.
Фактичний матеріал. В основу роботи покладено матеріал, зібраний автором протягом навчання в аспірантурі (1998-2001 р.р.). Використано також фактичний матеріал, отриманий автором в керносховищі “Чернігівнафтогазгеологія”, певна частина кернового матеріалу була надана науковим керівником Д.П. Хрущовим та старшим науковим співробітником відділу С.Б. Шехуновою.
Оброблено та інтерпретовано великий об’єм фондових матеріалів. Вивчення опорних розрізів проведено по керну свердловин різного призначення (близько 70, всього понад 3000 м. керну) Дані щодо речовинного складу, структурно-текстурних особливостей і геохімічного складу отримані автором в результаті самостійного вивчення в шліфах (100 шт.), пришліховках (1000 шт), імерсійні препарати, а також шляхом інтерпретації даних гранулометричного (більше 100), хімічного (150), спектрального (300) та інших видів аналізів.
Апробація роботи. Результати розробок з теми дисертації доповідались на наукових конференціях: професорсько-викладацького складу геологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка “Актуальні проблеми геології України” (Київ, 2000, Київ, 2001 та Київ, 2002), молодіжній науковій конференції Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України “Сучасні проблеми геології, мінералогії, геохімії та геоекології” (Київ, 2001р.), наукова конференція, присвячена 75-річчю Інституту геологічних наук НАН України “Аспекти геологічної науки на рубежі тисячоліть” (Київ, 2001р.), науково-технічний семінар, Державна геологічна служба України “Галогенні формації України” (Київ, 2002р.), 7 – ій науково-практичній конференції УНГА “Нафта і газ України – 2002” (Київ, 2002)
Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових праць, загальним обсягом біля 53 сторінок, з яких 6 статей та 4 тези доповідей на наукових конференціях. Опубліковані матеріали повністю відображують зміст дисертації.
Об’єм та структура роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів та висновків. Робота містить 185 сторінок машинописного тексту, 55 малюнків, 5 таблиць та список літератури з 160 найменувань.
Роботу виконано 1998 – 2001 рр. у відділі інженерної геології Інституту геологічних наук НАНУ під керівництвом доктора геолого-мінералогічних наук професора Д.П. Хрущова, якому автор висловлює щиру вдячність за постійну допомогу і підтримку протягом всіх років роботи. Автор щиро вдячний кандидату геолого-мінералогічних наук, старшому науковому співробітнику С.Б. Шехуновій за цінні поради, рекомендації та істотну допомогу в роботі.
Короткий зміст роботи
Аналітичний огляд стану проблеми
Світовий досвід використання соленосних товщ для створення сховищ
У світовій практиці накопичено значний досвід будівництва та експлуатації підземних ємкостей різного цільового призначення в соляних товщах.
Найбільш широкого розповсюдження в світі набуло підземне збереження нафти та нафтопродуктів. Інтенсивного розвитку набуло будівництво підземних сховищ в соленосних товщах для збереження вуглеводневих природних газів; в цьому напрямку лідирують Франція, Росія, Німеччина. Досить цікава перспектива пов’язана зі створенням акумуляторів стислого повітря в соляних кавернах для підвищення ефективності роботи газотурбінних електростанцій. Особливо важливим напрямком є використання соленосних товщ для ізоляції відходів, що становлять небезпеку для населення і довкілля – радіоактивних і токсичних; цей напрямок реалізується в Німеччині і США. Розвиток світових тенденцій свідчить про неминучість переходу до сховищ геологічного типу для токсичних відходів на зміну використанню приповерхневих сховищ.
Проблема підземних сховищ в Україні
У зв’язку з перспективами розвитку і економічної стабілізації України постає необхідність створення державного стратегічного запасу нафти і нафтопродуктів. Найбільш прийнятним шляхом формування такого запасу є будівництво підземних сховищ в соляних товщах, зокрема - в межах Дніпровсько-Донецької западини (ДДЗ). В Україні досі не існує підземних резервуарів для збереження вуглеводневих газів (за винятком сховищ в пористих породах); необхідність створення таких ємкостей не визиває сумніву. Доцільне будівництво підземних сховищ для хімічних продуктів, інертних газів (гелію, тощо); у зв’язку з планами розвитку екологічно чистих газотурбінних електростанцій слід розглянути можливість підготовки підземних повітряних акумуляторів.
Особливо важливою для України є проблема видалення радіоактивних і токсичних відходів. У зв’язку з цим актуальним є розгляд соленосних товщ, як будівельного середовища для створення безпечних сховищ для таких відходів.
Геологічна вивченість соленосних формацій ДДЗ
Рівень геологічної вивченості соленосних формацій ДДЗ досить високий. Вивчення солянокупольних структур розпочалося з 1932 р. за прогнозом солянокупольної тектоніки западини М.С. Шатського (1931). У ході нафто- і газопошукових робіт було встановлено і досліджено нижньопермську галогенну соленосну формацію (В.Р. Літвінов, В.К. Голубцов, Т.Є. Лапчик, В.А. Гордієвич, І.Ю. Лапкін, М.В. Чирвінська та ін.), в кінці п’ятидесятих років - соленосні формації девону у пластовому заляганні (В.А. Хоменко, М.П. Кожич-Зеленко, П.Л. Шульга, Р.М. Пістрак, Є.І. Пашкевич, С.С. Восанчук). Особливості формування і розміщення солянокупольних структур висвітлювались у роботах І.Г. Баранова, Ю.А. Арсірія, В.Я. Кліменка, В.І. Кітика, В.О. Авер’єва, О.О. Білика та ін. В останні роки питаннями вивчення будови соляних відкладів і літологічних характеристик порід, що їх складають, займаються М.І. Галабуда, О.Ю. Лукін, О.І. Петриченко, Д.П. Хрущов, С.Б. Шехунова та ін.
Методологія і методи дослідження
В основі методології цільових досліджень соленосних товщ, сприятливих для розміщення підземних ємкостей різного цільового призначення, лежать принципи вибору і оцінки геологічного середовища, які повинні задовольняти дві основні технічні умови, що є загальними для усіх типів ємкостей, а саме: механічну стійкість і цілісність споруди на весь проектний строк та забезпечення ізолюючої здатності геологічного середовища щодо виходу зі сховища і розповсюдження у біосфері продукту (речовини), що зберігається. З методологічного аналізу геологічного змісту цих технічних умов витікає, що провідним їх фактором (поряд з геодинамічним і структурним) є формаційний, тобто визначальними відповідно є літологічний і структурний напрямки досліджень. У свою чергу механізм процедури вибору геологічних об’єктів включає два етапи: встановлення комплексу вимог щодо геологічного середовища (для споруд різного цільового призначення) і вибір геологічних об’єктів (на основі встановленого комплексу вимог).
У найбільш загальному плані ця процедура є оцінкою відповідності, так би мовити “приміряння” цільових оціночних моделей конкретних геологічних об’єктів до встановленого комплексу вимог щодо геологічного середовища. При виборі геологічних об’єктів трансформація цих технічних вимог стосовно геологічних умов визначається терміном “критерії” (тобто комплекс обмежувальних умов щодо можливості цільового використання геологічних об’єктів-кандидатів), що застосовуються для вибору порівняльної оцінки і ранжування.
В разі системного підходу вибір геологічних об’єктів здійснюється на послідовних ієрархічних рівнях: регіон розповсюдження формації – зона (група структур) – локальна структура (ділянка). Подальшим етапом є характеризація ділянки, що включає як кінцевий етап вибір майданчика і інтервалу (глибин), тобто кінцевого обсягу гірського масиву (у нашому випадку – соляного тіла), необхідного і достатнього для розміщення споруди. Відповідно з цим підходом територією досліджень визначена північно-західна частина ДДЗ, три типових солянокупольних структури вибрані як об’єкти детального вивчення, але фактично у ході робіт проводився аналіз фактичних матеріалів по території всієї западини.
Для випадку солянокупольної структури, як об’єкту цільових досліджень, загальний комплекс оціночних моделей включає: структурну, літологічну, геомеханічну, неотектонічну, геоморфологічну і деякі інші моделі (з урахуванням гідрологічної для оточуючої нормальної осадової товщі). Отже, з ієрархічної точки зору комплекс моделей (або комплексна модель) геологічного об’єкту, як вищий рівень, включає ряд підпорядкованих (простих стосовно методу досліджень) моделей. У зв’язку зі спрямованістю роботи основним її завданням і методологічним знаряддям була розробка саме структурно-літологічних моделей типових солянокупольних структур. Ці моделі включають також характеристики міцносних властивостей і проникливості соляних порід, тобто елементи геомеханічної моделі.
Нами прийнята описова і графічна форми комплексних структурно-літологічних моделей.
Модель - це адекватне зображення (аналог) об’єкту, системи, процесу, явища, що відображує певну частину його ознак, властивостей і характеристик з метою пізнання, дослідження і оцінки можливостей управління.
Метою розробки цільової комплексної багатомірної структурно-літологічної моделі є створення адекватного відображення структурної будови, речовинного складу, структурно-текстурних особливостей, а також певних інженерно-геологічних та інших визначальних властивостей (з урахуванням умов утворення і розвитку) конкретного геологічного об’єкту, як основи для цільового використання (в даному випадку – розміщення сховищ різного цільового призначення).
В основу методики розробки моделей покладено загальноприйняті принципи формаційного аналізу з використанням системного підходу. Основні аспекти системного підходу, що застосовуються в роботі, полягають у розумінні вміщуючої геологічної формації (у нашому випадку - соленосної товщі солянокупольного формаційного комплексу) як певної системної одиниці (умовно - системи). Ця одиниця характеризується зовнішньою і внутрішньою структурою і знаходиться у взаємодії з суміжними системними одиницями (оточуючими геологічними формаціями).
Внутрішня структура об’єктів дослідження встановлювалась шляхом загальноприйнятих прийомів структурного аналізу (встановленням просторового розміщення в соляному тілі несоляних порід і діагностованих за структурно-текстурними ознаками соляних пластів).
На основі встановлених закономірностей взаємозв’язку структурно-текстурних особливостей і міцносних властивостей кам’яної солі (Д.П. Хрущов, Є.С. Оксенкруг, 1989) нами було розроблено методику оцінки і прогнозування міцносних характеристик (міцності на стискання) соляних порід в масиві. За даними літологічного дослідження намічених солянокупольних структур встановлено сім найбільш розповсюджених структурно-текстурних типів кам’яної солі (додаток 1); ці типи характеризуються певними параметрами міцності на стиск (визначення проводились в лабораторії ВНІІПромгаз, Москва). Встановлення за вказаними вище методичними прийомами просторового положення пластів цих структурно-текстурних типів в соляному масиві дозволяє їх геометризувати як структурні елементи і таким чином доповнити структурно-літологічну модель характеристиками міцносних властивостей. Таким же шляхом геометризуються в соляному масиві структурно-текстурні типи кам’яної солі з підвищеними пористістю і проникністю.
Цільова роль побудованих на розглянутих принципах моделей полягає у виділенні обсягів соляного масиву з різним ступенем сприятливості щодо визначальних з точки зору підземного будівництва характеристик – міцносних властивостей і пустотності-проникливості, а також особливостей речовинного складу. Отримані дані можуть приймати спрямовану орієнтацію стосовно вибору обсягу масивів для розміщення ємкостей певного цільового призначення на основі відповідних технічних критеріїв і служити як вихідні для етапу детальної розвідки.
Особливості геологічної будови району досліджень
Тектонічне районування і особливості геологічної будови ДДЗ
Викладені сучасні погляди на тектоніку регіону і структурну будову соляних формацій. В осадовій товщі ДДЗ встановлено три соленосні формації: верхньодевонські (верхньофранську і нижньофаменську) і нижньопермську. Верхньофранська формація на багатьох занурених частинах ДДЗ залягає в порушеному стані, утворюючи солянокупольні структури (біля 85), антикліналі (більше 100). Верхньодевонські і нижньопермська соленосні формації в пластових (або слабо порушених) формах залягають на значних глибинах (верхньодевонські - від 3000 до 5000 м і більше, нижньопермські - від 1500 до 2500 м і більше).
Літостратиграфічний огляд
В осадовому чохлі западини виділено три структурних поверхи: герцинський, кімерійсько-альпійський та верхньоальпійський. Соленосні формації входять до складу першого - герцинського. Структура регіону ускладнюється солянокупольними підняттями.
Соленосні розрізи верхньофранської та нижньофаменської формацій мають подібний породний склад і представлені кам’яною сіллю, що переверствовується з ангідритами, аргілітами, доломітами, вапняками, рідше - з пісковиками та ефузивними утвореннями. Потужність соленосних розрізів у нормальному заляганні верхньофранської формації, що поширена майже по всій території ДДЗ, сягає 600 м. Нижньофаменська формація виявлена локально у прибортових частинах ДДЗ, на північному заході западини та в середній частині південно-східної крайової зони. Потужність відкладів до 400 м.
Нижньопермська соленосна формація за аналогією опорних розрізів Бахмутської улоговини поділяється на дві субформації: соленосну (никитівська і слов’янська світи) і калієносну (краматорська світа), потужністю 1200 і 600 м. відповідно.
Цільові геологічні характеристики формаційного комплексу солянокупольних структур
Зі встановлених на території ДДЗ соленосних формацій як об’єкт цільових досліджень вибрані солянокупольні структури, що знаходяться на доступних для сучасних будівельних технологій глибинах. З термінологічної точки зору ці утворення, як алохтона частина верхньофранської соленосної формації, кваліфікуються нами в ранзі формаційного комплексу (локальних роз’єднаних структур). В аспекті прийнятого нами системного підходу цей комплекс відзначається певними особливостями структури (зовнішньої, внутрішньої), речовинного складу і динамічних характеристик.
Зовнішня і внутрішня структури
Найбільш розповсюдженими формами соляного тіла діапірів є стовповидна і грибовидна (з різним ступенем симетричності карнизів), зустрічаються форми з депресійними воронками. Сольове тіло оточене зонами брекчій – надсольових і бічних. У бічних частинах соляних тіл зустрічаються карстові каверни.
Поняття “внутрішня структура” включає умови залягання виділених літологічних типів у межах конкретного геологічного тіла, в даному випадку соляного. З точки зору внутрішньої структури в найбільш загальному випадку соляне тіло куполів являє собою серію ізоклінальних складок і в різній мірі деформованих фрагментів пластів соляних, в меншій мірі – несоляних порід з блоками внутрішньоформаційних порід непорушеної будови, а також блоками надсольових утворень.
Характер дислокованості соляного тіла контролюється мінеральним складом, фізико-механічними властивостями соляних і несоляних порід, напругою, температурою, вмістом флюїдів, розміром зерен, а також мікроелементним складом окремих зерен галіту. Характер дислокацій залежить також від розмірів діапіру. Структурна будова соляного тіла може ускладнюватись також у зв’язку з ускладненням його геомеханічної моделі, що визначається присутністю елементів з різними фізико-механічними (в особливості – реологічними) властивостями: пластами несоляних порід різного складу, самої кам’яної солі з різними її різновидами, калійних солей тощо.
Для більшості діапірових структур притаманне субконцентричне розміщення пластів у плані, а у розрізі ці пласти утворюють, як вказувалось вище, серії ізоклінальних, дуже сплощених складок і пластів. Таким чином, в будові соляного тіла приймають участь структурні елементи галокінетичного (переважаючі), істотньо катагенетичного і первинного (седиментаційно-діагенетичного) походження.
Речовинний склад формаційного комплексу і петрографічні характеристики
У поняття “речовинний склад” формації (або формаційної одиниці, в нашому випадку – формаційного комплексу і т.д.) входять: літофаціальний (або породний) склад геологічних тіл, мінеральний і геохімічний склад порід.
Поняття “петрографічні характеристики” охоплює знов таки мінеральний склад порід і характеристики мінералів, що їх складають, а також визначення взаємовідношень цих мінералів як структурних елементів порід, тобто структурно-текстурні особливості. Встановлення взаємозв’язку з останніми деяких фізичних властивостей дає можливість з’ясування визначальних для підземного будівництва геомеханічних характеристик соляного масиву.
Речовинний склад
У відношенні літофаціального (породного) складу формаційний комплекс солянокупольних структур є практично суцільним літофаціальним комплексом – галітовий (з локальним розвитком невеликих ділянок сильвініт-галітового літокомплексу - Роменська, Ново-Сенжарська та інші структури), що відповідає єдиній же фації солеродного басейна вірільського типу. Цей комплекс представлено кам’яною сіллю (що складає від 85 до 98% розрізу) при підпорядкованій ролі несоляних порід –ангідритів, вапняків, доломітів, гіпсів, мергелів і глинистих порід, а також ефузивних утворень. Потужність окремих пластів кам’яної солі досягає 60 м. Особливості мінерального і геохімічного складу описуються у відповідних підрозділах.
Мінеральний склад
Розглядається мінеральний склад соляних (і частково - несоляних) порід, що утворюють соляні масиви солянокупольних структур, і мінералогічні особливості мінералів соляних порід.
Соляні породи представлені головним чином кам’яною сіллю, що з мінералогічної точки зору представлена галітом, який є соляною частиною породи, і несоляними мінералами, що становлять так званий нерозчинний залишок. Кам’яна сіль як порода містить домішки різного фазового стану – тверді, рідкі, газоподібні, газово-рідкі, що зумовлюють її колір, який звичайно змінюється від безбарвного до сірого і темно-сірого; рідко зустрічаються різновиди з рожевим і жовтим забарвленням. З числа соляних мінералів можуть бути як домішки сильвін, полігаліт та ін. В піщано-алевритових фракціях нерозчинного залишку кам’яної солі серед уламкового матеріалу найбільш часто зустрічаються кварц (який складає більшу частину уламкового матеріалу), польові шпати, халцедон, хлорити, біотит, мусковіт, глауконіт, а також рудні мінерали важкої фракції. Нерідко зустрічаються уламки різних порід. До аутігенних мінералів належать ангідрит, гіпс, доломіт, магнезит, кальцит, кварц, халцедон, інколи самородна сірка, турмалін та інші. Із рудних мінералів значну частину нерозчинного залишку може складати пірит.
У глинистих фракціях звичайно переважають глинисті мінерали, зустрічаються дрібнодисперсні карбонати (кальцит, доломіт, магнезит), ангідрит, гіпс, хлорит, незначна кількість мінералів уламкового походження і рудні. Із глинистих мінералів найбільш розповсюджені гідрослюди.
Органічні мінерали представлені вуглистими і бітумними включеннями.
Кристали галіту мають кубічний (або близький до нього) габітус, зерна галіту характеризуються гіпідіоморфною, алотріоморфною і ксеноморфною структурою. Кристалографічні характеристики відповідають довідковим. Сильвін звичайно відзначається в суцільних зернистих скупченнях разом з галітом, де йому притаманний більш низький у порівнянні з галітом ступінь ідіоморфізму, переважно – ксеноморфний.
Структурно-текстурні особливості
Макротекстура соляних порід діапірових масивів брекчієва, іноді верствувата. Текстура кам’яної солі досить різноманітна, переважно слабо виражена флюїдальна, флюїдальна, брекчієва, рідше псевдобрекчієва, верствувата. За розміром зерен переважають крупнозернисті та вельми крупнозернисті, рідше зустрічаються гігантозернисті і середньозернисті, дуже рідко – дрібнозернисті, мікрозернисті та пелітові структури.
З точки зору форми зерен найбільш розповсюджені кристалопластичні, кристалобластові (гіпідіоморфні, рідко - ідіоморфні), іноді – ізометричнозернисті структури.
Мікротекстури кам’яної солі зумовлені розподілом мікровключень, найбільш розповсюджені: безладна, згусткова (незалежні від структури галіту), а в разі концентрації мікровключень у міжзернових просторах – сітчаста, з різним ступенем розвитку.
Наводяться характеристики мінералів-домішок кам’яної солі. Описані специфічні текстурні різновиди кам’яної солі; релікти непорушеної або слабопорушеної первинної будови первинно-седиментаційного походження тонкозерниста галітова порода, що є по суті “соляним пісковиком” (за деякими авторами - галіт висалювання), рихла слабо зцементована або майже зовсім незцементована галітова порода гадано галокінетичного походження та ін. За фізико-механічними властивостями деяки з цих різновидів становлять істотні відхилення від довідкових параметрів.
Геохімічний склад
Загальна схема розподілу хімічних елементів в солянокупольних структурах фактично відображує породний і мінеральний склад вміщуючи товщі, тобто досить складна і визначається взаємодією кількох факторів і процесів розвитку, а саме: первинним розподілом матеріалу в солеродному басейні, наступними процесами діагенезу і катагенезу, перерозподілом його при зростанні солянокупольних структур, знову процесами катагенезу і, нарешті, накладеними процесами.
Таким чином геохімічні моделі солянокупольних структур характеризують динамічні, на окремих етапах нерівноважні системи. Але на неотектонічному етапі ці системи можуть розглядатися як відносно рівноважні, статичні моделі яких відображають стан, що встановився протягом мільйонів років. Загальна схема розподілу хімічних елементів розглядає дві підпорядковані схеми: соляних і несоляних порід (остання нами спеціально не розглядається). Соляна, або водорозчинна, частина соляних (і соленосних) порід визначаються різними співвідношеннями породоутворюючих, або макроелементів, при участі мікроелементів. Несоляна частина характеризується складними варіаціями елементів, що визначаються характером розподілу мінералів різного походження. Надається генетична інтерпретація породоутворюючих і мікроелементів.
Породоутворюючі елементи. Соляна частина соляних і соленосних порід з геохімічної точки зору визначається наявністю Nа, К, Мg, Cа, СІ, S, О, Н.
Розподіл вмісту Na і Cl в соляних породах пов’язаний із вмістами галіту (за винятком поодиноких випадків) і знаходяться у зворотній кореляції з нерозчинним залишком, тобто фактично інформація щодо цього розподілу носить чисто статистичний характер. В калієносних пластах, що розкриті в Роменській і Ново-Сенжарській структурах, встановлено значне підвищення вмісту калію, що досягає 22,73%. Соляна (водорозчинна) частина соляних порід характеризується наявністю мікроелементів Вг, В, I, Сг, Al, Sі, Си, РЬ, Zn, V та інших.
В ході роботи проведено визначення розподілу кластофільних (за М.М. Страховим) мікроелементів в соляних породах.
Динамічні характеристики солянокупольних структур
Встановлюються такі види розвитку солянокупольних структур (за Кітиком 1963 та ін.): стрибкоподібний ріст першого порядку; стрибкоподібний другого порядку; повільний консидементаційний; швидкий консидементаційний. Закономірні групування цих рухів утворюють цикли формування соляних структур. Кожен з циклів має два етапи. Перший етап (фаза повільного тектогенезу) охоплює: уповільнений конседиментаційний зріст і стрибкоподібний зріст другого порядку, другий (фаза інтенсивного тектогенезу) є стрибкоподібним зростом першого порядку.
В межах ДДЗ виділено чотири цикли соляного тектогенезу: передкам’яновугільний, передпізньопермський, передпалеогеновий і передчетвертичний, або сучасний; останній є незавершеним. У них встановлені фази інтенсивного тектогенезу: у передпізньопермському – передвізейська, передпізньовізейська, передсерпухівська, передбашкірська і передпізньопермська, у передпалеогеновому – передтріасова, передюрська, передкрейдова.
За геодинамічними характеристиками в неотектонічному етапі виділяються зростаючі, деградуючі і відносно стабільні діапірові структури.
Використання соляних товщ для створення підземних сховищ
Бар’єрні властивості соляних порід і технологічність соляних товщ
Використання соляних товщ для створення підземних сховищ базується на їх здатності забезпечити дві основні технічні умови: механічну стійкість ємкостей і бар’єрні властивості вміщуючої товщі (головним чином кам’яної солі). Бар’єрна функція вміщуючої товщі відіграє подвійну роль: стосовно виходу речовини, що знаходиться у сховищі, і проникнення факторів, які можуть зумовити руйнування ємкості і міграцію цієї речовини в біосферу.
Основними типами бар’єрів у геологічному середовищі є: механічні, фізико-хімічні і біогеохімічні.
Основним (практично майже єдиним) типом бар’єру соляного масиву є механічний. В роботі цитуються характеристики бар’єрних властивостей кам’яної солі. Втім, наведені в спеціальних і довідкових літературних джерелах дані щодо низької проникливості кам’яної солі відображають характеристики лише референтних структурно-текстурних типів.
При помірних параметрах тиску кам’яна сіль більшості петрографічних типів непрониклива для нафти і нафтопродуктів, багатьох хімічних продуктів, навіть кислот і лугів.
Сорбційна, іонообмінна і поглинальна здатність кам’яної солі настільки низькі, що їх практично можна вважати близькими до нуля. Проте проверстки і уламки несоляних порід, а також мінерали-домішки слід розглядати, як можливі сорбенти відповідно до їх фазового складу.
З іншого боку за умов аварійних ситуацій при надходженні води у соляний масив кам’яна сіль є потенційно активним геохімічним фактором, що може спричинити деградацію інженерних бар’єрів і подальшу міграцію речовин зі сховища.
Геологічне оточення соляних діапірів з одного боку становить середовище міграції хімічних речовин у водоносних горизонтах, з іншого – містить ряд механічних і фізико-хімічних бар’єрів.
Таким чином, в цілому соляні товщі (як солянокупольних, так і пластових форм залягання) характеризуються досить високим рівнем бар’єрних властивостей, функціональне значення яких повинне розглядатись спеціально.
В той же час серед соляних порід досить розповсюджені структурно-текстурні типи кам’яної солі, що характеризуються високими показниками пустотності і відповідно, проникливості, а також рихлі різновиди, що можуть відзначатись низькими міцностними властивостями - до нульової, що розглядається у спеціальному підрозділі. Технічні вимоги різних типів сховищ істотно відрізняються, що відповідно, потребує на належні параметри бар’єрних властивостей.
Типізація підземних сховищ і геологічне обґрунтування загальних вимог щодо вміщуючого геологічного середовища
Сприятливі бар’єрні властивості і технологічність соляних товщ зумовлюють найбільш різноманітний, порівняно з іншими типами порід, ряд підземних сховищ і споруд. У практиці відомі такі типи: резервуари рідких вуглеводнів (нафти, нафтопродуктів), резервуари зріджених і стиснених газів, сховища різних хімічних продуктів, камери для повітряних акумуляторів газотурбінних станцій і сховища для ізоляції радіоактивних і токсичних відходів.
Загальні підходи щодо вибору геологічного середовища для розміщення підземних сховищ базуються передусім на врахуванні несприятливих факторів. (Д.П. Хрущов, 1989).
Виключаючи карстові явища і обвалення, однаково небезпечні для всіх видів підземних споруд, при створенні і експлуатації камер різного цільового призначення значущими є різні групи факторів, а саме ті, що визначають: для сховищ рідких вуглеводнів (сировини і палива), хімічних продуктів і газів - стійкість, формоутворення, герметичність і якість збереженого продукту; для камер захоронення - стійкість і екологічну ізольованість; для населених об'єктів - забезпечення істотного запасу стійкості, іноді з урахуванням стійкості від сейсмічних впливів, при застосуванні вибухових методів – певні фактори, що зумовлюють галакінетичну і стійкісну стабільність товщі. Фактори, що визначають можливість конвергенції в результаті галокінезу, повинні враховуватися у всіх випадках.
На основі наведених відомостей базуються комплекси технічних умов щодо вміщуючого геологічного середовища для розміщення ємкостей різного цільового призначення.
Загальні принципи та критерії вибору ділянок і обсягів соленосних масивів для розміщення підземних сховищ різного цільового призначення
Розглянутий комплекс вимог до геологічного середовища при процедурі вибору конкретних геологічних об’єктів забезпечується системою критеріїв вибору, порівняння і ранжування (та виключення).
Перелік критеріїв і їх зміст відрізняються для різних типів сховищ. У тексті роботи наводиться комплекс і зміст критеріїв, що є загальними для всіх типів сховищ, а також комплекси критеріїв вибору для основних типів резервуарів: нафти і нафтопродуктів, вуглеводневих газів, гелію, повітряних акумуляторів, а також сховищ радіоактивних і токсичних відходів.
Структурно-літологічні цільові моделі типових солянокупольних структур і їх прогнозна оцінка для створення сховищ
Для цільових структурно-літологічних досліджень нами були намічені три солянокупольні структури, що визначені як типові за рядом істотних з точки зору підземного будівництва ознак, з урахуванням ступеню вивченості геологорозвідувальними роботами.
Метою розробки цільових структурно-літологічних (з елементами фізико-механічних властивостей) моделей є створення адекватних відображень основних характеристик зовнішньої структури і внутрішньої будови (структури) намічених геологічних об’єктів (солянокупольних структур), як основи для вибору майданчиків і інтервалів розміщення підземних сховищ різного цільового призначення.
Структурно-літологічні моделі
Структура № 1
Структура являє собою соляний шток, що прориває південно-східну частину Журавсько-Каплинцивської антиклінальної складки в південній крайовій зоні. Наводиться опис зовнішньої структури соляного тіла. Соляне тіло включає уламки і проверстки несоляних порід – глинисто-карбонатних утворень, мергелів, вапняків, аргілітів, ангідритів і брекчій. У східній частині штоку виявлено блок діабазу. Соляна товща штоку характеризується відносно низькими (для девонської штокової солі) значеннями коефіцієнтів соленасичення – від 63,1 до 96,8%, у середньому по семи свердловинам 85,2%. З генетичної точки зору по розрізам соляного тіла встановлені структурні елементи (блоки, зони) галокінетичної і катагенетичної, а також непорушеної первинної (седиментаційно-діагенетичної), будови.
Нижче наводиться опис структурно-літологічної моделі північного сектору соляного штоку за розрізами трьох геологорозвідувальних свердловин.
Літологічні характеристики наводяться по трьом ділянкам сектору. Соленасиченість товщі від 83,67 до 92%. Потужності соляних пластів від 52,72 до 148 м. Несоляні породи представлені (%): глинами і аргілітами (3,91-7), глинистими брекчіями (до 9,57), ангідритами (1,84) та вапняками (0,56-1,57). Кам’яна сіль за кількісним співвідношенням соляної і несоляної (нерозчинного залишку) частин відноситься переважно до груп слабо забрудненої і забрудненої, частково - сильно забрудненої і чистої. За структурою галіту кам’яна сіль дуже крупнозерниста, переважно кристалопластична. Текстура кам’яної солі майже повсюдно флюїдальна і слабо виражена флюїдальна. В розрізі двох свердловин встановлені блоки непорушеної первинної будови. Вміст нерозчинного залишку від 0,03 до 12,21%. У відношенні гранулометричного складу в нерозчинному залишку переважають фракції < 0,01 мм.
У важкій фракції нерозчинного залишку переважає пірит, визначені також целестин, флюорит, гранати, оксиди заліза, у тому числі магнетит. В окремих ділянках соляної товщі спостерігаються тріщини, заповнені бітумінозною речовиною.
З точи зору внутрішньої структури соляний масив являє собою серію падаючих з різними кутами пластів кам’яної солі і підпорядкованих несоляних порід. Серед пластів кам’яної солі за встановленою нами методикою виділяються три функціональні структурно-текстурні (з відповідними міцносними характеристиками) типи кам’яної солі, які фактично теж формують структурні елементи масиву (додаток 2).
У тексті роботи наводиться описи структури різних ділянок північного сектору соляного купола з характеристиками пластів соляних і несоляних порід, їх потужностей, умов залягання, а також виділенням функціональних структурно-текстурних типів кам’яної солі, серій пластів і структурних зон.
По розрізам трьох досліджених свердловин вміст встановлених трьох типів кам’яної солі у масиві складає (%): ІІ –5, ІІІ – 67, IV –20.
Структура № 2
Структура являє собою соляний шток, що прориває брахіантиклінальну складку у північно-східній краєвій зоні. У розрізі шток має грибоподібну форму з шириною карнизів до 200-300 м, з помітним нахилом на північний захід. Висота штоку понад 3500 м.
Наводяться літологічні характеристики і опис внутрішньої структури соляного тіла, що в цілому близькі до таких соляного купола №1, з дещо більшою роллю несприятливих типів кам’яної солі (додаток 3). Встановлені локальні прояви калійних солей.
Структура № 3
Структура являє собою соляний шток, що прориває північний схил Петрівцівсько-Калайдинського валу у південно-західній крайовій зоні ДДЗ. Площа штоку невелика: на абсолютній відмітці – 100 м всього 700 х 1250 м. У верхній частині штоку утворена воронка прогинання.
Літологічні характеристики соляної товщі наводяться по чотирьом секторам площі штоку.
Соленасиченість масиву взагалі порівняно висока і в середньому складає 98%, змінюється по секторам від 83,71 до 97%.
Потужність соляних пластів досягає до 33,3-38,55 м. Несоляні породи представлені (%) аргілітами (2-12,4), ангідритами (1-4,1), вапняками (до 0,5) На частку розкритого карсту, що представлений піскуватою породою, приходиться 3%, і бічної брекчії – 7%. Кам’яна сіль за вмістом несоляних домішок (нерозчинного залишку) відноситься переважно до групи забрудненої, частково – слабо і сильно забрудненої з поодинокими проверстками чистої. Вміст нерозчинного залишку від 0,09 до 23,1%.
За структурою галіту кам’яна сіль дуже крупнозерниста і крупнозерниста, переважно кристалопластична. Текстура кам’яної солі повсюдно флюїдальна, місцями слабо виражена флюїдальна, локально-брекчієва.
У розрізах північно-західної і центральної частин штоку зустрінуто також проверстки “соляного пісковика”, у розрізі північно-східної крайової частини – блок первинної (седиментаційно-діагенетичної) будови.
З точки зору внутрішньої структури соляний масив штоку становить серії падаючих переважно під крутими кутами пластів кам’яної солі. За прийнятою нами методикою виділяються сім функціональних структурно-текстурних типів.
В середній частині північно-західного сектора штоку, центральній і північно-східній крайовій його частинах внутрішня структура масиву відзначається частим чергуванням переважно малопотужних пластів кам’яної солі різних типів з поодинокими пластами несоляних порід – аргілітів і ангідритів. Кути падіння пластів від помірних (50-700) до крутих (80-870). У розрізах встановлено кілька соляних пластів потужністю від 15 - 19 до 38,55 м, але всі вони відносяться до типів з низькими міцносними властивостями (IV-VII) або переверствовування з цими типами. Потужності пластів ІІІ, ІV і V типів від 16-19 до 29,8-32 м. Зустрічаються поодинокі пласти солі ІІ типу потужністю 15,5, 20,0 і 30,7 м. з точки зору розподілу соляних пластів різних типів кам’яної солі розріз строкатий.
В північно-західній крайовій зоні штоку встановлено наявність соляного карсту і два інтервали проходження бічної брекчії. Структурна будова соляної товщі відрізняється тим, що у верхній половині розрізу спостерігається переверствовування порівняно потужних пластів кам’яної солі переважно ІІІ, а також ІІ і ІV типів з потужністю до 32,6 м. У нижній його частині відмічено часте чергування малопотужних (4-5 м) пропластів солей переважно ІІІ, ІІ і ІV типів, за пластами V і VІ типів потужністю до 21,55 - 27,24 м (додаток 4).
Соляний шток використано для будівництва підземних сховищ нафтопродуктів. На ємкостях сховищ відомі декілька аварійних ситуацій, пов’язаних з обрушеннями вміщуючих порід. Інтервали ємкостей (приблизно 350-450 м) були намічені невдало, оскільки саме в них спостерігається часте чергування малопотужних соляних пластів з участю несприятливих типів кам’яної солі, а також присутність пластів несоляних порід, що здатні до обрушення.
Прогнозна оцінка солянокупольних структур
На основі розроблених структурно-літологічних моделей дана прогнозна цільова оцінка розглянутих типових солянокупольних структур з виділенням сприятливих ділянок і інтервалів (а також несприятливих інтервалів) з точки зору розміщення підземних сховищ різного цільового призначення.
Структура № 1. За розмірами і особливостями внутрішньої будови вона наближається до принципової моделі “великого штоку” (за Д.П. Хрущовим і Є.С. Оксенкругом, 1989), що в цілому визначає сприятливі умови з точки зору структурної будови і міцносних властивостей соляного масиву, як будівельного середовища. В загальному масштабі соляний масив являє собою серію досить потужних пластів кам’яної солі (переважно III – IV функціональних структурно-текстурних типів) з підпорядкованими переважно малопотужними соляними пластами інших типів та несоляних порід.
В розрізі трьох ділянок площі штоку виділено ряд сприятливих інтервалів кам’яної солі ІІ – ІІІ типів кам’яної солі (а також несприятливих інтервалів і зон). За вмістом нерозчинного залишку намічені інтервали (і пласти), які характеризуються переважанням слабо забруднених різновидів, що дає можливість вільного вибору технологій будівництва.
За загальною потужністю соляних пластів, набором сприятливих типів кам’яної солі і структурною позицією для підземного будівництва є частина штоку, виділено пріоритетності: I рангу (центральна частина штоку), II рангу (краєва західна його частина) і III рангу (середня частина північного сектору штоку).
Структура № 2. За розміром і особливостями внутрішньої будови вона також може співставлятись з принциповою моделлю “великого штоку”, що є сприятливою передумовою. Переважна частина всіх розрізів складена частим чергуванням малопотужних верств кам’яної солі різних типів, в тому числі з низькими міцносними властивостями і високими показниками проникливості. Тим не менш майже в усіх розрізах можна виділити окремі пласти або їх групи з достатньою потужністю в різних інтервалах глибин. Соляні пласти ІІ типу малої потужності, але в ряді випадків вони межують з більш потужними пластами ІІІ типу, тобто можуть об’єднуватись ((в залежності) від конкретних технічних умов).
За вмістом нерозчинного залишку в розрізах переважає забруднена кам’яна сіль, на другому місці за поширенням слабо забруднена. В цілому з точки зору адаптації більшості будівельних технологій цей фактор розглядається як задовільний.
Таким чином, за набором сприятливих типів кам’яної солі і загальною потужністю пластів фактично перспективною (І рангу) для підземного будівництва є лише одна – центральна частина структури. Перспективність ІІ рангу визначена для північної крайової частини західного сектору, наближеної до південного краю штоку частини цього ж сектору західного штоку і наближеної до центру частини східного сектору. Умовні перспективи (ІІІ ранг) визначаються для товщ переверствування малопотужних пластів (верхів розрізу) наближеної до південного краю штоку частини західного сектору, а також західного і східного секторів (де розкриті пласти калійних солей).
Структура № 3. За розрізом і особливостями внутрішньої будови вона співставляється з принциповою моделю “малого штоку”. Переважаюча частина більшості розрізів характеризується частим чергуванням малопотужних пластів кам’яної солі різних структурно-текстурних типів, у тому числі тих, що відзначаються низькими міцносними властивостями (V – VI) і, нарешті, присутністю проверстків “соляного пісковика”.
Середня частина північно-західного сектору штоку і його центральна і північно-східна крайова частини недостатньо сприятливі для підземного будівництва через часте чергування малопотужних соляних пластів зі значною часткою типів з низькими міцносними властивостями (V-VII) у тому числі “соляного пісковика”.
Північно-західна крайова частина штоку теж відзначається складністю розрізу. Наближеність розрізу до краю штоку, а також наявність карстової зони і бічної брекчії зумовлює несприятливість його щодо будь-яких напрямків будівництва.
На основі порівняльної цільової оцінки розглянутих типових структур, отриманої на базі цільових літолого-структурних моделей, можна провести ранжування цих структур за критеріями кількості, потужності і якісного складу сприятливих пластів та інтервалів.
Перше місце посідає структура № 1 за такими чинниками: значний розмір соляного тіла і його належність до принципової моделі “крупний шток”; кількість (5) і потужності сприятливих інтервалів (35, 52, 49, 36 і 65 разом 237 м); якісна їх характеристика (ІІ і ІІІ типи кам’яної солі, незначний вміст нерозчинного залишку); наявність сприятливих інтервалів у розрізах всіх свердловин.
Друге місце належить структурі №2 за такими ознаками: значний розмір соляного тіла і його відповідність принциповій моделі типу “крупний шток”; кількість сприятливих інтервалів (5), їх потужності (49, 45, 34, 38, 33 разом 199 м) і якісна характеристика (ІІІ і ІІ типи кам’яної солі); прийнятний вміст нерозчинного залишку; наявність сприятливих інтервалів в 2/3 досліджених свердловин. Негативним фактором може бути наближеність структури до населеного пункту масштабу районного центру.
Третє місце посідає структура № 3 за такими умовами: обмежений розмір соляного тіла і його належність до принципової моделі “малого штоку”; істотна роль несприятливих типів кам’яної солі в соляному масиві; обмежена кількість сприятливих інтервалів (3) і їх потужності (35, 46, 71 разом 152 м); наявність сприятливих інтервалів лише у половині досліджених свердловин; якісна характеристика пластів (ІІІ і ІІ типи кам’яної солі); прийнятний вміст нерозчинного залишку.
Наведені дані з оцінки досліджених структур, намічених в них ділянок і інтервалів не є цільово спрямованими стосовно певних типів сховищ і ємкостей. Ця оцінка на поданому етапі має розглядатись як якісна доти, доки вона не буде вимірюватись за певною системою критеріїв. Інакше кажучи, отримані дані можуть служити основою для цілеспрямованого вибору на базі конкретних комплексів критеріїв (в тому числі чисельних), прийнятих для визначених типів сховищ.
| 
