Изучение Кисловодского и Ессентукского месторождений углекислых минеральных вод на основе информационного анализа

Территория Кавказских Минеральных Вод (КМВ) имеет статус особо охраняемого эколого-курортного региона, учрежденный указом Президента Российской Федерации от 27.03.1997, и характеризуется широким развитием совокупности ценных в бальнеологическом отношении, редко встречающихся в природе минеральных вод и благоприятных климатических факторов. Благодаря высокоэффективным бальнеологическим свойствам, минеральные воды региона КМВ по праву пользуются известностью не только на юге России, но и на территории всей Российской Федерации и за её пределами. Среди них выделяются углекислые, сероводородные, углекисло-сероводородные и радоновые, в том числе имеющие мировую известность: «Ессентуки-17», «Ессентуки-4», «Нарзан», «Славяновская», «Смирновская». Тем не менее, по данным государственного мониторинга подземных [51] вод в регионе КМВ отмечается ухудшение качества минеральных вод. В результате совокупного техногенного воздействия на геологическую среду из баланса потребления выведены некоторые разновидности ценнейших питьевых и бальнеологических вод. На Кисловодском курорте — это источник «Чивелли», на Ессентукскомисточники «Ессентуки 20» и «Гаазо-Пономаревский». Высоко востребованная минеральная вода главного источника «Нарзан» (каптированный источник в Курортном парке) загрязнена микробиологически, и часть её после санации используется здравницами курорта для ванн. В связи с повсеместной застройкой г. Ессентуки, нарастает риск загрязнения жемчужины Кавказских Минеральных Вод — источников «Ессентуки-17» и «Ессентуки-4», находящихся в черте города и в Лечебном парке.

В связи с высоким спросом на природные минеральные столовые воды в регионе КМВ отмечается активизация строительства новых заводов-розлива и реконструкция ранее сооруженных, что вызывает постановку геологоразведочных работ на многих участках, ранее считавшиеся неперспективными по некондиционному содержанию углекислоты и минерализации в подземных водах. На сегодня в округе горно-санитарной охраны региона КМВ уже имеется более 500 скважин различного назначения на высоконапорные углекислые минеральные воды. Техническое состояние ряда скважин оценивается как неудовлетворительное, а иногда и как аварийное, что создает опасность возникновения экологических проблем на ряде эксплуатируемых месторождениях минеральных вод (Нагутское, Железноводское, Змейкинское, Бештаугорское). По этой причине возникла необходимость поисков новых месторождений минеральных вод с привлечением нестандартных методов изучения, обеспечивающих сохранность экологического состояния территории. Кроме того, использование нестандартных методов позволит повысить экономическую эффективность поисковой стадии за счет снижения затрат на проведение буровых работ и геофизических исследований. Такой подход становится реальным в процессе создания пространственных информационных моделей, адаптирующихся к реальной ситуации в процессе обучения и оценки эффективности на хорошо изученных участках и распознавания гидрогеологической ситуации в районах, где ведутся поиски месторождений минеральных вод.

Главной целью работы является изучение Кисловодского и Ессентукского месторождений минеральных вод, что включает в себя создание пространственных информационных моделей этих месторождений для уточнения условий формирования минеральных вод, а также для прогнозирования наличия зон различной минерализации и повышенной концентрации углекислоты в подземных водах.

Основные задачи работы формулируются следующим образом:

1. Усовершенствование и адаптация алгоритма информационного анализа для целей изучения месторождений минеральных вод;

2. Составление перечня признаков для построения пространственных информационных моделей Кисловодского и Ессентукского месторождений минеральных вод;

3. Выбор оптимального комплекса информативных простых и сложных признаков и выполнение серии операций по распознаванию выходных показателей Y в тестовых и прогнозных частях моделей;

4. Картирование выявленных участков повышенных концентраций углекислоты и минерализации в пределах прогнозных частей изучаемой территории;

5. Интерпретация матриц взаимной информативности и уточнение закономерностей формирования минеральных вод на территории Кисловодского и Ессентукского месторождений минеральных вод.

Настоящая диссертационная работа является логическим продолжением научных работ, проводимых на кафедре гидрогеологии РГГРУ под руководством профессора, д.г.-м.н. А. Б. Лисенкова, которая расширяет методические подходы к изучению и поискам месторождений углекислых минеральных вод. Автором расширены возможности информационного анализа и проведена его адаптация, применительно к изучению месторождений углекислых минеральных вод региона КМВ. Методы исследований заключались в использовании широкого комплекса средств, включающего анализ и обобщение фондовых и литературных данных, дешифрирование космических изображений, обработку данных в ГИС среде, информационные расчеты, анализ и графическую интерпретацию полученных результатов.

Исходным геолого-гидрогеологическим материалом, положенным в основу исследований, послужили:

— результаты буровых, геологических и гидрогеологических работ, проводимых на изучаемой территории в разные годы;

— данные дистанционного зондирования Земли, выполненного сенсором LandsatTM;

— опубликованная и фондовая литература большого числа авторов, в том числе:

A.M. Овчинникова, А. Б. Островского, Н. С. Погорельского, В. Г. Гимохина, С. А. Шагоянца,.

B.Б. Адилова, А. Б. Лисенкова и других.

Для обработки фондовых материалов и материалов ДЗЗ автором были использованы современные программные продукты компаний ESRI (ArcGIS 9.2, ArcView GIS 3.2а, включая модуль пространственной обработки информации Spatial Analist), ERDAS Inc (пакет для обработки геоданных Erdas Imaging 8.4), модуль Lessa (автор А. А. Златопольский, http://Iessa.az.ru), Microsoft (Access 2003, Excel).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Усовершенствован и адаптирован алгоритм информационного анализа для целей изучения и прогнозирования месторождений минеральных вод региона КМВ;

2. Впервые были построены пространственные информационные модели Кисловодского и Ессентукского месторождений углекислых минеральных вод, на основе которых были выделены поисковые признаки на минеральные воды типа «Нарзан» и «Ессентуки»;

3. На основе информационного анализа были уточнены основные закономерности формирования углекислых минеральных вод Кисловодского и Ессентукского месторождений, и установлена роль линеаментов различных простираний в формировании минеральных вод типа «Нарзан» и «Ессентуки».

Использованный в работе информационный анализ позволяет снизить экономические затраты при проведении поисковых работ в условиях достаточной изученности региона, за счет обучения и тестирования модели на известных участках и распознавания гидрогеологической ситуации на недостаточно изученных территориях. Также информационный анализ может быть применен при гидрогеологическом картировании в условиях недостаточной обеспеченности пунктами получения информации.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Использованный в работе алгоритм информационного анализа позволил выделить информативные признаки, характеризующие особенности геологического строения и гидрогеологических условий месторождений углекислых минеральных вод КМВ.

2. Для месторождений минеральных вод типа «Нарзан» и «Ессентуки» определены конкретные ландшафтные, геологические, тектонические и гидрогеологические информативные признаки, по которым выполнено прогнозирование участков с повышенной концентрацией С02 и различной величиной минерализации минеральных вод.

3. Созданные пространственные информационные модели изученных месторождений уточнили основные закономерности их формирования и подтвердили гипотезу глубинного генезиса углекислоты.

Работа прошла апробацию на научных конференциях: «Новые идеи молодежи в науках о Земле», Москва, РГГРУ, 2010; Международной научной конференции: «Гидрогеология в начале XXI века», Новочеркасск, НПИ, 2006; Научной конференции: «Гидрогеология, инженерная геология и гидрогеоэкология», Томск, ТПУ, 2005; Международном симпозиуме «Будущее гидрогеологии: современные тенденции и перспективы», Санкт-Петербург, 2007; семинаре ЗАО «Геолинк» «Актуальные вопросы гидрогеологии и геоэкологии», 2009 г. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Диссертационная работа состоит из 6 глав.

В первой главе рассматривается опыт применения алгебраической теории информации в геолого-гидрогеологических исследованиях, математический аппарат информационного анализа и алгоритм информационного анализа, адаптированный для изучения и поисков месторождений минеральных вод. Во второй главе приводятся оценка и результаты геолого-гидрогеологической изученности региона Кавказских Минеральных Вод. В третьей главе рассмотрены геолого-гидрогеологические условия Кисловодского и Ессентукского месторождений минеральных вод. В четвертой главе сформулированы основные особенности формирования минеральных вод территории КМВ, совокупность которых определяет концептуальную модель объектов исследования. Также приводится перечень показателей, участвующих в информационном моделировании и методы получения исходной информации. В пятой главе рассмотрено решение прогнозной задачи для Кисловодского и Ессентукского месторождений углекислых минеральных вод. В шестой главе изложены представления автора об условиях формирования углекислых минеральных вод в пределах Кисловодского и Ессентукского месторождений, основанные на результатах анализа матриц взаимной информативности, полученных в процессе составления пространственных информационных моделей.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору кафедры гидрогеологии РГГРУ, заслуженному деятелю науки РФ, д.г.-м.н. А. Б. Лисенкову за внимание, ценные советы и помощь при выполнении работызаведующему кафедрой гидрогеологии РГГРУ, заслуженному деятелю науки РСФСР, д.г.-м.н. В. М. Швецу и всем сотрудникам кафедры гидрогеологии за внимание и всестороннюю помощь. Автор крайне признателен сотрудникам Федерального агентства по недропользованию «Роснедра» к.г.-м.н. Е. В. Попову и к.г.-м.н. Р. В. Грушину за помощь при выполнении работы. Автор благодарит д.г.-м.н., профессора кафедры гидрогеологии РГГРУ, д.г.-м.н. В. А. Грабовникова, доцента кафедры гидрогеологии РГГРУ, к.г.-м.н. Н. В. Фисун, к.г.-м.н. Е. Г. Потапова (ОАО «Холод»), к.г.-м.н. А. Н. Клюквина (ЗАО «Геолинк»), к.г.-м.н. А. В. Платонову (ФГУГП «Гидроспецгеология») за ценные советы.

Заключение

.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем: L. Усовершенствована и адаптирована методика информационного анализа для целей изучения месторождений минеральных вод региона КМВ:

1.1. В алгоритм информационного анализа автором введен блок, позволяющий провести оценку условий формирования минеральных вод месторождений региона КМВ. Для оценки условий формирования минеральных вод проводится анализ и интерпретация матриц взаимной информативности признаков, оказывающих наибольшее влияние на формирование обобщенных показателей химического состава подземных вод;

1.2. Для получения фактических значений показателей, участвующих в информационном моделировании, автором был разработан алгоритм, основанный на использовании ГИС. Применение ГИС позволяет существенно сократить время на обработку исходного картографического материала и добиться высокой пространственной и математической точности получаемых результатов. Кроме того, минимизация участия эксперта в обработке большого массива данных снижает количество ошибок, вызванных «человеческим фактором».

2. На основе адаптированной методики были составлены пространственные информационные модели Кисловодского и Ессентукского месторождений минеральных вод:

2.1. Были выделены поисковые признаки на минеральные воды типа «Нарзан» и «Ессентуки»:

2.1.1. Факторами, оказывающими основное влияние на формирование углекислых минеральных вод типа «Нарзан», являются: ландшафтный, геологический, тектонический и гидрогеологический. На территориях, характеризующихся нарушенным режимом подземных вод и присутствием нормального и инверсионного распределения уровней, поисковыми признаками следует считать комплекс сложных признаков. Этот комплекс состоит из 6 простых, наиболее информативные из которых — абсолютная отметка уровня подземных вод титонского водоносного подгоризонта, элементарные ландшафты и относительная плотность линеаментов северо-восточного простирания;

2.1.2. Факторами, оказывающими основное влияние на формирование углекислых минеральных вод типа «Ессентуки», являются: геологический, тектонический и гидрогеологический. На территориях, характеризующихся нарушенным режимом подземных вод, монотонным погружением стратиграфических подразделений и высокой степени раздробленности осадочного чехла, поисковыми признаками следует считать комплекс сложных признаков. Этот комплекс состоит из 8 простых, наиболее информативные из которых — минерализация подземных вод верхнемелового водоносного горизонта, относительная плотность всех линеаментов и абсолютная отметка кровли фундамента.

2.2. На базе выделенных поисковых признаков были сформированы оптимальные (по эффективности распознавания) матрицы Т, и проведено распознавание в пределах прогнозных участков территорий (Березовский участок Кисловодского местрождения и Новоблагодарненский участок Ессентукского месторождения). По результатам распознавания были построены прогнозные карты, на которых выделены области развития подземных вод с различной минерализацией и концентрацией углекислоты. Полученные прогнозные значения соответствуют данным, полученным в процессе разведки и эксплуатации рассмотренных участков, что говорит о возможности использования построенных пространственных информационных моделей для поиска новых месторождений минеральных вод Кисловодского и Ессентукского типов. 3. Для уточнения условий формирования углекислых минеральных вод, автором были рассмотрены матрицы взаимной информативности, полученные в процессе информационных расчетов. Результат анализа матриц показал:

3.1. Основным источником углекислоты в пределах рассмотренных территорий, являются крупные разломы фундамента северо-восточного простирания;

3.2. Для Кисловодского месторождения минеральных вод было установлено, что в пределах склонов долин и водораздельных пространств существует инверсия вертикального распределения напоров. Обусловленные этим нисходящие инфильтрогенные потоки препятствуют пространственной миграции углекислоты, мигрирующей из пород фундамента. На участках, где отмечается аллювиальный тип ландшафта, инверсия вертикального распределения напоров отсутствует, и создаются условия для беспрепятственной инжекции углекислоты в отложения титона и её пространственная миграция. Основную роль в формировании химического состава подземных вод титонского водоносного подгоризонта играют процессы растворения и углекислотного выщелачивания водовмещающих пород. Атмосферные воды по мере движения по титонскому водоносному подгоризонту от областей питания, взаимодействуя с сульфат содержащими породами, меняют свой состав на гидрокарбонатно-сульфатный и сульфатный. На участках, где концентрация углекислоты выше фоновых значений (более 0,5 г/л) отмечается рост минерализации за счет увеличения содержания гидрокарбонат иона;

3.3. Для Ессентукского месторождения минеральных вод было установлено, что основные скопления углекислоты приурочены к участкам, где относительная плотность всех линеаментов выше средней. В процессе настоящих исследований автором были получены результаты, которые подтверждают теорию глубинного происхождения углекислоты в подземных водах отложений осадочного чехла.

В пределах Ессентукского месторождения основное влияние на формирование подземных вод с различной минерализацией, следовательно, и разного химического состава оказывают процессы Схмешения инфильтрационных и древних морских вод, а также углекислотное выщелачивание водовмещающих карбонатных пород.

В результате смешения формируются воды гидрокарбонатно-хлоридного состава с широким диапазоном изменения минерализаций. Этот процесс интенсивнее идет в областях с высокой относительной плотностью линеаментов северо-западного простирания.

В процессе углекислотного выщелачивания водовмещающих пород формируются воды с минерализацией 5−10 г/л, на что указывает принадлежность к этому интервалу вод сульфатно-хпоридно-гидрокарбонатного и хлоридно-гидрокарбонатного состава, а так же участков с высоким содержанием углекислоты. В центральной части изучаемой территории, на участках с высокой проницаемостью отложений нижнего плиоцена, обусловленной в основном высокой плотностью линеаментов северного простирания, происходит подток подземных вод верхнего мела, обогащенных гидрокарбонат-ионом, в процессе углекислотного выщелачивания водовмещающих карбонатных пород. Также вертикальная взаимосвязь происходит и по разрывным нарушениям прочих простираний и по узлам разломов за пределами центральной части рассматриваемой территории.