Исследование возможности захоронения техногенной углекислоты в глубокие водоносные горизонты: На примере северо-западной части Московской синеклизы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.06, кандидат геолого-минералогических наук Романова, Марина Андреевна

  • Романова, Марина Андреевна
  • кандидат геолого-минералогических науккандидат геолого-минералогических наук
  • 2000, Москва
  • Специальность ВАК РФ04.00.06
  • Количество страниц 150
Романова, Марина Андреевна. Исследование возможности захоронения техногенной углекислоты в глубокие водоносные горизонты: На примере северо-западной части Московской синеклизы: дис. кандидат геолого-минералогических наук: 04.00.06 - Гидрогеология. Москва. 2000. 150 с.

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Романова, Марина Андреевна

Введение

Глава 1. Состояние вопроса об утилизации техногенной углекислоты

Глава 2. Характеристика геологических условий северо-западной части Московской синеклизы (промышленный район г. г. Череповец, Рыбинск, Ярославль)

2.1. стратиграфия и коллекторские свойства пород

2.2. тектоника и история геологического развития

Глава 3. Гидрогеологические условия.

3.1. Характеристика подземных вод

3.2. Зональность подземных вод

Глава 4. Оценка геолого-гидрогелогических условий с позиций возможности захоронения техногенной углекислоты.

Глава 5. Физико-химическое моделирование в гидрогеохимической системе «природный раствор -порода - газ».

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Гидрогеология», 04.00.06 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование возможности захоронения техногенной углекислоты в глубокие водоносные горизонты: На примере северо-западной части Московской синеклизы»

В настоящее время проблема парникового эффекта широко обсуждается с точки зрения возможной экологической катастрофы. Из техногенных газов наибольшее значение для возникновения парникового эффекта имеет диоксид углерода, вклад которого в процесс общего потепления атмосферы составляет 50 - 60 %. Поэтому предотвращение парникового эффекта во многом зависит от контроля над содержанием СО2 в атмосфере и источниками его эмиссии.

В настоящей работе, в качестве одного из вариантов борьбы с парниковым эффектом, рассматривается идея гидрогеохимического метода предотвращения парникового эффекта, заключающаяся в закачке техногенного СО2 в глубокие водоносные горизонты.

Объектом исследований, является блок геологической среды, выделенный в пределах промышленного района г.г. Череповец, Рыбинск, Ярославль, северо-западной части Московской синеклизы (рис. 3). Изучаемый район имеет значительную промышленную нагрузку, что определяет необходимость применения мер для утилизации выбросов Череповецкого металлургического комбината.

Целью работы является исследование геолого-гидрогеологических условий для предполагаемого захоронения техногенной СО2 на данной территории, а также установление основных закономерностей протекания физико-химических процессов в гидрогеохимической системе "поровый раствор - порода - техногенная углекислота". Основными задачами исследований являются:

1. Оценка геолого-гидрогеологических условий района; выбор возможного водоносного горизонта для проведения закачки техногенной углекислоты;

2. Исследование процессов взаимодействия техногенной углекислоты с природными водами и вмещающими их породами в выбранных гидрогеохимических системах;

3. Выбор физико-химических моделей, соответствующих природным условиям;

4. Анализ и сравнение результатов термодинамического моделирования гидрогеохимических процессов для различных расчетных моделей;

5. Количественная оценка влияния возможных процессов взаимодействия техногенной углекислоты с природными водами и вмещающими их породами на природную гидрогеохимическую систему с помощью термодинамического моделирования.

Для исследований были использованы следующие методы: 3

1. Анализ фондовых материалов по геологии и гидрогеологии района, данных по материалам бурения глубоких скважин и результатов опробования дочетвертичных водоносных горизонтов;

2. Термодинамическое моделирование физико-химических процессов, возможных при закачке техногенной углекислоты в выбранный водоносный горизонт.

Защищаемыми положениями в данной работе являются следующие:

1. Геолого-гидрогеологические условия являются основополагающими при выборе водоносного горизонта, перспективного для возможной закачки техногенной углекислоты.

2. Гидрогеохимическая система «СОг - природный раствор - кварц-полевошпатовые терригенные породы» является наиболее благоприятной для проведения закачки углекислоты.

3. Гидрогеохимическая система «СО2 - природный раствор - карбонатные породы» не отвечает требованиям экологической безопасности и не пригодна для возможной утилизации СО2.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 68 наименований, 4 графических и 4 текстовых приложений, изложена на 94 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, 16 таблиц.

Похожие диссертационные работы по специальности «Гидрогеология», 04.00.06 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Гидрогеология», Романова, Марина Андреевна

Заключение.

В результате проведенных исследований был собран и проинтерпретирован большой материал по тематике поставленной проблемы. Современное состояние вопроса о парниковом эффекте, дало возможность выделить наиболее перспективные аспекты для дальнейшего рассмотрения и изучения. В настоящей работе, в качестве одного из вариантов борьбы с этим экологически неблагоприятным явлением, рассматривается гидрогеохимический способ, заключающийся в закачке техногенной углекислоты в глубокие водоносные горизонты. Объектом исследований являлся блок геологической среды в северозападной части Московской синеклизы (промышленный район г.г. Череповец, Рыбинск, Ярославль), как возможный для предполагаемой утилизации техногенного СОг, выбрасываемого в атмосферу Череповецким металлургическим комбинатом.

Целью работы являлся выбор глубокого водоносного горизонта, перспективного для проведения возможной закачки техногенной углекислоты. Для этого собраны и проанализированы материалы по геологии, гидрогеологии и тектоническому строению промышленной зоны и прилежащим к ней областей, которые явились основополагающими при выделения блока геологической среды в пределах исследуемого района, а также послужили исходными данными при исследовании процессов взаимодействия СО2 с природными водами и вмещающими их породами.

Анализ геолого-гидрогеологических условий в свете предъявляемых общих требований к подземному захоронению жидких промышленных отходов, позволяет выбрать ряд водоносных горизонтов, перспективных для этих целей:

Горизонты в отложениях фаменского яруса верхнего отдела и живетского яруса среднего отдела девонской .системы, максимально отвечают предъявляемым требованиям. Эти горизонты залегают на глубинах, соответствующих зоне застойного гидродинамического режима, где водообмен совершается не чаще, чем 1 цикл в 300 лет (зона замедленного или весьма замедленного водообмена с земной поверхностью). Литологический состав пород девона (пески, алевриты, песчаники) определяет достаточно однородные условия фильтрации, а значения водопроводимости составляют 1-10 м2/сутки при пористости пород 9-11 %, проницаемость - от 37 мДарси (скв. Любим) до 840 мДарси (скв. Солигалич), величина внутрипластового давления составляет 10-17 МПа.

Они не содержат пресные и слабосолоноватые воды, пригодные для питьевых целей. Природные растворы, содержащиеся в поровых формациях этих

ОД Н0СНЫХ горщонтов1 ра е даацией до 270 г/л. Температура воды 40 - 45 ° С. Подземные воды девонских тложении содержат , повышеннь* кол„ествах ^ ^ e ^^^ ^ ^

ВОДЫ „е используются для бальнеологических и промышленных целей.

В пределах исследуемой площади, пласты „е содержат полезных ископаемых и не эксплуатируются.

Следует также обратить внимание „а экономическую эффективность захоронения СО, кот™«, „ ,

2, которая в значительной степени определяется глубиной поглощающих скважин. Так как с глубиной ухудшаются фильтрационные свойства и приемистость пластов, это ограничивает возможна закачки. Исходя из анал^а изменения фильтрационных свойств с глубиной, вертикальной гидрохимической зонально^ наиболее оптимальными для захоронения являются глубины от 500 До М. Выбранные водоносные горизонты и комплексы отвечают этому требований Горизонты надежно изолированы слабопроницаемыми порода»« (глинами, мергелями, гипсом, аргиллитами) от выщележащих водоносных горизо«™ Перекрывающие и подстилающие водоупоры выдержаны по площади и яв^»™ региональными. Глубина залегания водоносного горизонта во франско-жив^ких отложениях девонского комплекса составляет М00 м, мощностью от 150 м до 200 м, верхним водоупором служат карбонатно-глинис™ отложения верхнедевонского возраста, мощностью пп i7<

Д0 175 м в Раионе Солигалича, являющиеся региональным - упором; в подошве ГОризонта залегают глинистые литы ^ глины нижнеживетского возраста, также являющиеся региональным водоупором. б фе ны ВЫШе В0Д°УП0Р0В' Перекрьшающйх намечаемые горизонты, залегают ^Уферные водоносные горизонты, содержащий подземные воды, непригодные для питьевых, бальнеологических и промышленных целей Такими буферными горизонтами являются: для отложений фаменского яруса верхнего нижнекаменноугольный водоносный комплекс, содержащих хлоридно -рассолы с минерализацией от 20 г/л; для водоносного горизонта ^отложени^среднего дев0на- фра„ский водоносный комплекс.

Закономерности-, лространственного распространения отложении должны обеспечивать достаточно протяженную зону транзита подземных вод до предполагаемой зоны разгрузки. Зона транзита вод данного комплекса перекрыта, примерно, в радиусе 100 км региональным водоупором: , ™ создает надежную защиту от проникновения углекислош газа в выше- ^ пласты. девона -натриевые живетских водоносных нижележащие

87

В ближайшей окрестности (в радиусе 20-30 км), пласт выходит на поверхность и не связан с рекой.

Исследуемый район не является тектонически-сложным и сейсмически активным.

Анализ природных условий исследуемого района, позволил спрогнозировать возможные гидрогеохимические процессы, которые, в свою очередь, могут быть физико-химически смоделированы. Для моделирования взят макрокомпонентный состав природного раствора скважины N 22 (г. Вологды). Скважина вскрывает отложения девона, которые представлены двухслойной толщей, состоящей из карбонатных и терригенных пород. Было выделено две гидрогеохимические системы, которые послужили основанием для составления физико-химических моделей: терригенной и карбонатной (или терригенной адаптированной). Компьютерное моделирование проводилось при помощи программы «БАЛАНС» Н. Н. Акинфиева. Нами моделировался следующий процесс: в водоносный горизонт закачивается углекислота (предварительно выделенная из газовой смеси, сжиженная или сжатая); задаются давление, температура, состав природного раствора и породы; протекают реакции в растворе, реакции породы с раствором; процесс заканчивается установлением термодинамического равновесия в системе газ - природный раствор- порода. Рассчитывается равновесный состав системы при заданных давлении и температуре. Показано, что при возможной закачке, в данных природных условиях будут протекать химические реакции взаимодействия, приводящие к изменению физико-химических условий в данном водоносном горизонте. Повышение давления углекислого газа над раствором приводит к увеличению растворимости углекислого газа в соответствии с законом Генри, в результате начинает преобладать физический процесс растворения, ведущий к переходу газообразного С02 в форму СО20:

С02 (газ)= С02° , что, в свою очередь, приводит к изменению реакции среды на кислую. Растворение СО2 сопровождается расширением системы. Преобладание физического процесса растворения углекислоты над растворением породы очень важно для пшщманм ггро^ходящего процесса, поскольку он приводит к увеличению общего объема систем. За счет взаимодействий СО2 с породами и природным раствором^ изменяется объем как твердой, так и жидкой составляющих системы. Видно, что уменьшение объема твердой фазы в системе карбонатных пород компенсируется увеличением объема жидкой фазы за счет изменения растворенного СО2; в случае

88 терригенных пород происходит преобразование гидрослюд и значительный рост объема систем снимает вопрос о возможности карстообразования в данных условиях. Кольматация водоносного горизонта в данных условиях также невозможна, так как пористость водовмещающих пород значительно превышает объемы образовавшихся гидрослюд.

В результате проведенной работы был выделен водоносный комплекс, развитый в терригенных отложениях средне - верхнедевонского возраста, как максимально отвечающий предъявляемым требованиям к подземному захоронению промышленных выбросов.

Выбор конкретных площадей для задач утилизации промышленных газов, в настоящее время, требует дополнительной проработки имеющейся геологической информации с целью районирования всей территории по условиям сохранности газа в недрах. Представляется, что наиболее подходящими геологическими объектами для закачки в них промышленных газов могут быть локальные поднятия (антиклинальные складки) вблизи Ярославля, бесперспективность нефтегазоносности которых достаточно очевидна. Кроме того, определенный интерес могут представлять зоны развития региональных флюидоупоров вдоль поверхностей стратиграфического несогласия, в частности, зона трансгрессивного срезания венда и ордовика отложениями девона, расположенная в районе Ярославля и Рыбинска на глубине (~ 1,5 км) вполне приемлемой для закачки промышленного газа.

Следует отметить, что вопрос о возможном захоронении СО2 на данной территории рассматривался, в настоящей работе, с принципиальной точки зрения. Не затрагивались многие вопросы, которые позволили бы принять окончательное решение о возможности утилизации техногенной углекислоты, как с точки зрения методики, так и применительно к конкретной площади. Также остаются неизученными многие вопросы, связанные с геологическим строением наиболее глубоких водоносных горизонтов (характер и распространение трещиноватости известняков по площади и в пределах мощности пластов; на отдельных участках не известна глубина залегания и тектоническое строение кристаллического фундамента, а также воды распространенные в отложениях кристаллического фундамента; не достаточно изучены подземные воды глубоких водоносных горизонтов и их режим). Также остались нерассмотренными такие важные вопросы как динамика

89 взаимодействий в пласте и влияние изменения фильтрационных и емкостных свойств в массиве пород.

90

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Романова, Марина Андреевна, 2000 год

1. Атлас гидрогеологических и инженерно геологических карт ВСЕГИНГЕО, М. 1983.

2. Акинфиев H.H. Алгоритм расчета гетерогенных равновесий для микро-ЭВМ. // Геохимия. N 6 .

3. Акинфиев H.H., Епифанова С.С., Келебеев А. С., Панкратов A.B., Швец В.М. // О гидрогеохимическом способе защиты от парникового эффекта. Геоэкология. 1993. №3.

4. Акинфиев H.H. и др. Методические указания по термодинамическим расчетам равновесий в растворах на ЭВМ. М. 1991.

5. Акинфиев H.H., Никоноров А. П., Осмоловский И. С. Методические указания к лабораторным занятиям по теме: «Термодинамические основы расчетов равновесий в водных растворах». М. 1989.

6. Алихова Т. Н. Стратиграфия ордовикских отложений Северо-западной части Русской платформы с описанием некоторых руководящих форм брахиопод. ВСЕГЕИ. 1951.

7. Барановская 3. Н., Дик Н. Е. К истории формирования бассейна рек Москвы, Клязьмы и Верхней Волги. Землеведение. Том 40. Выпуск 1. 1938.

8. Бакиров А. А. Главнейшие черты геотектонического развития внутренней части Русской платформы // сборник « К геологии Центр. Обл. Русской платформы». ВНИИГАЗ. 1951.

9. Бернштейн В. Б., Гребенюк С. С., Лачина Т. И., Стерлин И. Д. Геологическое строение и гидрогеологические условия бассейна р. Волги в районе Рыбинского водохранилища. Л.: 5 геологическое управление, партия № 692. 1964.

10. Белов П. С., Голубева И. А. Экология производства химических продуктов из углеводородов нефти и газа. М.: Химия. 1991.

11. Борисов М.В., Шваров Ю.В. Термодинамика геохимических процессов. М.: Изд-во МГУ. 1992.

12. Гавич И. К., Жемерикина Л. В., Крысенко А. М., Чумакова Д. М. Практикум по гидрогеологии. М.: Недра. 1995.

13. Газовая динамика // сборник статей под ред. Попова С. Г. Институт литосферы АН. 1950.

14. Гатальский М. А. Подземные воды и газы палеозоя северной части Русской платформы. Л.: Гостопиздат. 1954.91

15. Гейслер А. Н., Суханов В. Н. Палеозойские отложения Вологодского района, том 1. Сводный отчет по обработке материалов Вологодской опорной скважины. 1954.

16. Геологическая карта СССР масштаба 1 : 200 ООО ( серия Тихвинско Онежская, лист О -31 - 8).Объяснительная записка. М.: Недра. 1968.

17. Геологическая карта СССР масштаба 1 : 200 ООО ( серия Тихвинско Онежская, лист О - 37 - 9).Объяснительная записка. М.: Недра. 1979.

18. Геологическая изученность СССР. Т. 7. М.: Недра. 1976.

19. Геохимия подземных вод некоторых районов Европейской части СССР. М.: Изд-во АН. 1963

20. Гидрогеология СССР. Том XLIV.

21. Гидрогеология газоносных районов Советского Союза// Труды ВНИИГаз. Выпуск 33/41. М. 1970,

22. Гидрогеология СССР , сводный том, выпуск 1. М.: Недра. 1976.

23. Гидрогеологические условия нечерноземной зоны РСФСР. Под ред. Куликова В. Г. М.: Недра. 1983.

24. Гольдберг В. М., Лукьянчикова Н. П., Скворцов Н. П. Подземное захоронение промышленных сточных вод. М.: Недра. 1994.

25. Дорфман М.Д., Горощенко Я.Г., Сикорская Я.К., Дорфман А.М. О взаимодействии нефелина с водными растворами фтористого натрия и углекислого газа. //Геохимия. 1967. №7.

26. Есин О. А., Гельд П. В. Физическая химия пиррометаллических процессов. Реакции между твердой и газаовой фазой. Свердловск М.: Металлургиздат. 1950.

27. Жуковицкий А. А. Адсорбция газов и паров. Ред. Сыркина Я. К. М.: Химическая литература. 1938.

28. Зайцев И. К., Толстихин Н. И. Закономерности распространения и формирования минеральных подземных вод. М.: Недра. 1972.

29. Игнатович Н. К . Гидрогеология Русской платформы. М.: Изд-во МГУ. 1948

30. Каталог глубоких скважин вскрывших подземные воды в водонапорной системе Московской синеклизы. Кафедра гидрогеологии МГРИ, 1974.

31. Келебеев A.C., Акинфиев H.H., Швец В.М. Физико химическое взаимодействие углекислого газа с щелочными породами глубоких водоносных горизонтов, //Известия вузов. Геология и разведка, 1996 . №1.

32. Кирюхин В. А., Коротков А. И., Шварцев С. Л. Гидрогеохимия. М.: Недра. 1993.

33. Клименко В.В., Снытин С.Ю., Федоров М.В. Теплоэнергетика. N6.92

34. Крайнов СР., Шваров Ю.В., Гричук Д.В. и др. Методы геохимического моделирования и программирования в гидрогеологии. М.: Недра. 1988.

35. Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия. М.: Недра. 1992.

36. Крайнов С.Р., Мерьков А.Н., Петрова М.Г. и др. О существовании в глубоких горизонтах Ловозерского массива фтор-силикатных рассолов с резкощелочной (pH =12) реакцией. //Геохимия. 1969. №7.

37. Крылова A.B. Сокращение выбросов С02 в атмосферу: процессы его рекуперации и использования в промышленности. //Обзорная информация ВИНИТИ. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов 1989. №7.

38. Кудряшов С. Н. Не дышите диоксинами // газета «Труд» от 04.03.91.

39. Мейсон Э., Малинаускас А. Перенос в пористых средах (перевод с английского) под ред. Баканова С. П. М.: Мир. 1986.

40. Наумов Г. Б., Рыженко Б. Н., Ходаковский И. Л. Справочник термодинамических величин. М.: Атомиздат, 1971.

41. Николаев Н. И. Неотектоника и ее выражение в структуре и рельефе территории СССР. Вопросы региональной и теоретической неотектоники. М.: Госгеолтехиздат. 1962.

42. Овчинников А. М. Минеральные воды. М.: Госгеолтехиздат. 1963.

43. Овчинников А. М. Общая гидрогеология. М.: Изд-во МГУ. 1955.

44. Осипов А. С. и др. Отчет о результатах предварительной и детальной разведки питьевых минеральных вод в г. Череповце (Вологодской области). Л. 1990 г.

45. Патент №1789033. На изобретение:» Способ защиты атмосферы от попадания в нее углекислого газа». Авторы: Панкратов А. В., Швец В. М. 29 ноября 1990 год.

46. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. Л.: Гидрометеоиздат. 1989.

47. Панкратов A.B., Швец В.М. Гидрогеохимический аспект защиты от парникового эффекта.// Советская геология. 1991. N6.

48. Панкратов A.B., Швец В.М. Зароем парниковый эффект?//Химия и жизнь. 1993. №6.

49. Пименов В. П. Филиппова Г. А. , Швец В.М. // О возможностях захоронения техногенного углекислого газа в глубокие водоносные горизонты ( в связи с защитой от парникового эффекта. Геоэкология. 1996. №2.

50. Питьева К. Е. Гидрогеохимия. М.: Изд-во МГУ. 1978.

51. Питьева К. Е. Гидрогеохимические аспекты охраны геологической среды. М.: Изд-во МГУ. 1989.93

52. Попова Н. М. Катализаторы очистки газовых выбросов промышленных производств. М.: Химия. 1991.

53. Сводная гидрогеологическая карта северной половины листа 0-37 (Вологда) в масштабе 1 : 1 ООО ООО. ВСЕГИНГБО. 1951.

54. Соломин Г.А., Крайнов С.Р., Щелочные составляющие прирдных и сточных щелочных вод, геохимические процессы их нейтрализации кислыми и околонейтральными подземными водами//Геохимия. 1998 .№2.

55. Тарат Э.А., Мухленов И.П., Туболкин А. Ф. и др. //Химическая промышленность. 1980. №9.

56. Тютюнова Ф. М. Гидрогеохимия техногенеза. М.: Наука. 1987.

57. Фаркаш А. Физическая химия углеводов (перевод с английского) под ред. Тиличева М. Д. М.: Гостехиздат. 1957.

58. Хавин Е. И., Николаев Ю. В. Отчет о комплексной геолого гидрогеологической съемке масштаба 1 : 200 ООО, проведенной на территории Монголо - Шекснинского участка Рыбинского водохранилища (Вологодская область). Череповецка ГСП 1959 - 1961

59. Хомяков А.П. Минералогия ультраагпаитовых щелочных пород. М.: Наука. 1990.

60. Шимдт Ю. П. Окись углерода ее значение и применение в технической химии. М.: ОНТИ. Гл. Редакция химической лит-ры. 1936.

61. Johnson J.W., Oelkers E.N., Helgeson H.C.SUPCRT92: A software package for calculating the standart molal thermodinamic properties of minerals, gases, aquerous species,and reactions from 1 to 5000 bars and 0 to 1000 C. Comp.Geosci., 1992. v. 18.

62. Hogfeltd E. Stability constans of metal-ion complexses. Part A: Inorganic ligands / /IUPAC Ehem. Data Series. 1982. V. 21.

63. Ind. and Environ. 1990. № 2.

64. Hileman B. //Chem. and Eng. News . 1992 . № 17.

65. A.S.Kelebeev, N.N.Akinfiev, V.M.Shvets, Carbon dioxide utilization in aquifer: CO2 interaction with hyperagpatic alkaline rocks.«Fourth International Conference on Carbon Dioxide Utilization»,September 7-11. 1997. Kyoto, Yapan. Abstracts94

66. E.I.Yantovsri ,V.M.Shvets, N.N.Akinfiev, A.S.Kelebeev, V.P.Pimenov Fuel fired power plant with the seqestering of liqud carbon dioxide in a deep aquifer , Proceedings conference ECOS' 95. july 11-14. 1995. Istambul-Turkiye.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.