Способ оценки процесса карстования массивов карбонатных пород Советский патент 1989 года по МПК G01V5/00 

Изобретение относится к гидрогеологии и инженерной геологии и предназначено ддя определения скорости растворения массивов карбонатных пород под действием метеогенных вод.

Целью изобретения является повышение достоверности способа и снижение затрат на его осуществление.

Способ основан на следующих закономерностях .

Процесс карстования массивов карбонатных пород в общем виде можно представить как растворение кальцита

(доломита) под действием агрессивной углекислоты. В естественных условиях генерация углекислого газа происходит главным образом в гипергенных условиях

(в почвенном слое) за счет корневого дыхания растений и микробиологической деятельности. Интенсивность выноса

сравнительно хорошо растворимого гидрокарбоната кальция в свою очередь является функцией интенсивности водообмена. Влияние на интенсивность карстования карбонатных пород литогиче- ских особенностей пород, температуры, химического состава и ионной силы раствора и других факторов также связано с динамикой подземных вод. Изотопы углерода являются наиболее ин- формативньши показателями процесса карстования карбонатных пород. Действительно, растворению подвергаются углеродсодержащие породы под действием также углеродсодержащего растворенного в подземных водах газа (углекислого) .

Карбон атные породы и биогенный углекислый газ значительно различаются по изотопному составу углерода.

СП

Од

Ь

00

Среднее значение с/ С карбонатных пород морского генезиса равно О %о (-5- -5 %о), С пресноводных карбонатов в среднем составляет- II %о, f С биогенного (почвенного) углекислого газа равно - 25 %о. Растворенные карбонатные компоненты имеют характерные изотопные метки, поз - воляюшие определять долю , об- разовавшейся в результате растворения карбонатных пород.

Если увеличение содержания карбонатных компонентов в воде в условиях подземной циркуляции происходит в результате растворения карбонатных пород коллектора, при растворении СО с образованием гидрокарбонатионов происходит фракционирование изотопов и растворенные карбонатные компонен-- ты обогащаются изотопом С на 7%о по сравнению с газообразной двуокись углерода.водоносный горизонт сложен известняками морского генезиса, а почвенный углекислый газ имеет стандартный изотопный состав, коч центрация карбонатных компонентов (, НСОз , СО,) в исследуемой воде М мг/л, то концентрация составляющей, связанной с растворением пород (pi),

о „.,к,.). -1 8%о

где .относительное содержание в растворенны карбонатных подземных вод.

В водоносном горизонте, сложснног карбонатами кальция и магния, в формировании изотопного состава стабильного углерода карбонатной сис темы подземных вод значител-ьнуто роль могут играть процессы«осаждения вторичных карбонатов, неучет которые, приводит к существенным погрешностям в определении доли карбонатов, поступивших в раствор из породы. Отсюда общее количество углерода, с./1цество- вавшее до выпадения вторичного кальцита, можно выразить как

С

пр

Частичное выпадение в осадок карбонатов кальция приводит к фракционированию изотопов углерода по реле- евскому механизму с коэффициентами

разделения 1,004.

13

1,002 и с,,

Фракционирование С необходимо учитывать при восстановлении изотопного состава стабильного углерода карбонатной системы подземных вод.

/С пр

С + С

-) 13

пр

СЯР + lOOO(l-K)

к

)

где

с/

испр

- ИЗОТОПНЫЙ состав ста- бнльного углерода карбонатной системы : подземных вод до выпадения вторичного кальцита .

Ин 1-енсивность выноса карбонатных компонентов из карстующегося массива карбонатных пород и, следовательно, интенсивность карстовых процессов, помимо величины m (насыщения подземных вод карбонатами водовме- щающих пород), в большей степени зависит от среднего времени пребывания воды L в изучаемом массиве пород. Цля стационарной системы С V/q, где V - естественные запасы подземных вод, а q - их ресурсы, откуда

qm qМ ()

испр

-18%о

гГ г о CMC

,

-18%о

-)

Среднее время пребывания (или возраст) воды может быть определен по -госмогенному радиоактивному изотопу углерода С.

Вынос карбонатных компонентов из массива пропорционален скорости растворения единицы объема карстую- Егихся пород, поэтому выражение

N М (1 - )/8033in

-18%о

С С

является показателем наличия карстового процесса.

Оценку интенсивности развития карста в пространстве и времени производят путем изучения изменения вели11ины N по площади исследуемой территории или во времени.

Способ реализуют следующим образом .

}{а исследуемом массиве карбо- (татных пород отбирают пробы воды из любых существующих водопроявлений

515

(скважин, колодцев, родников) н определяют общий химический состав, содержание карбонатных компонентов и изотопный состав углерода карбонатной системы этих вод ( и t С ) . Все эти определения производят известным способом. По полученным данным вычисляют показатели N, Тд и 1 и делает вывод об ин- тенсивности карстования пород на исследуемой территории. Зная по независимым наблюдениям среднюю мощность изучаемых отложений Н С) и их среднюю пористость п, по значению пока

зателя N. (определенного как среднее из всех N, на массиве или участке массива) переходят к показателю карстовой денудации D (мм эа 1- тыс лет, или м -км год который равен

N

ср

де 5,2 -10

5,2 -10 Н-п,

- константа, учитывающая объемную массу карбоната кальция и перевод массовой концентрации карбонатных компонентов в карбонат кальция, d также согласующая размерности определяемых величин.

Предлагаемый способ позволяет повсить достоверность оценки процесса карстования массивов карбонатных пород и снизить затраты на ее осущесвление .

Формула изобретения

Способ оценки процесса карстованн массивов карбонатных пород, включающий отбор проб подземных вод, изучение их химического состава с определением содержаний растворенных карбонатных компонентов и суждение по полученным данным о наличии и интенсивности карстовых процессов, отличающийся тем, что, с целью повьщ1е- ния достоверности способа и снижения затрат на его осуществление, дополнительно определяют изотопный состав углерода карбонатной системы подземных вод и его изменение во времени,при этом о наличии карстового

Ю

69986

. процесса и его интенсивности судят с использованием показателей

М( 1

-187.0

)/8033

fn

-5.7-с/ Снспр . 3

N,/ ;

5

5

0

5

0

5

0

5

где

испр

N - показатель наличия

() или отсутствия (N 0) карстового процесса

М - содержание в воде растворенных карбонатных компонентов ;

изотопный состав стабильного углерода карбонатной системы подземных вод с учетом поправки к измеренному значению для данной пробы в зависимости от выпадения вторичных карбонатов в условиях подземной циркуляции

с( С + 1000(1-К)

мспр

где К

С

пр

к

0,002

N

С

измеренное содержание растворенного углерода в пробе

ВОДЫ;

с - количество углерода, выпавшего в осадок в виде вторичного кальцита, определяемое по химическому составу воды в точке опробования

концентрация р5диоуглерода в подземных водах; интенсивность развития карста по территории исследований;

показатель наличия карстового процесса в точке i во время t,;

показатель наличия карстового процесса, максимальный из зафиксированных в районе исследования;

интенсивность развития карста во времени; показатель наличия карстового процесса в точке i во время t-..

N

МОШС

ч t

N

N . - показатель наличия карстово- го процесса в точке i

Изобретение относится к гидрогеологии и инженерной геологии и предназначено для определения скорости растворения массивов карбонатных пород под действием метеогенных вод. Цель изобретения - повышение достоверности способа и снижение затрат на его осуществление. Способ заключается в том, что по данным о химическом составе подземных вод и об изотопном составе углерода карбонатной системы этих вод (¹³С,¹⁴С) судят о количестве карбонат-иона, поступившего в подземные воды за счет растворения водовмещаемых пород (¹³С), и о скорости выноса растворенных карбонатных компонентов из массива (¹⁴С).