Гiдрогеохiмiчне моделювання впливу фiльтрацiйних втрат високомiнералiзованих шахтних вод зi ставка-накопичувача у балцi Свистунова (версiя 0.75)

Ставок-накопичувач високомінералізованих шахтних вод у балці Свистунова було побудовано у 1976 р. Останні два десятиліття ставок щорічно приймає 10-13 млн/куб.м шахтних вод від південної групи шахт Криворізького залізорудного басейну. В подальшому накопичені води скидаються в ріку Інгулець. При цьому, частина вод втрачається через днище ставка, дренуючись у водоносний горизонт відкладів міоцену. За період існування ставка-накопичувача в навколишніх породах сформувався потужний ореол забруднення, який призвів до суттєвих змін гідрогеологічного режиму та хімічного складу водоносного горизонту. На південь від комплексу шламосховищ та ставка-накопичувача практично відсутні питні води четвертинного та більш захищеного неогенового водоносних горизонтів. При цьому - фактична межа контуру забруднення не встановлена. Проблема операційної діяльності ставка-накопичувача потребує багатовекторного комплексного підходу, оскільки поєднує гідрогеохімічні, екологічні, інженерні, економічні та соціальні чинники, які взаємодіють у просторі та часі. Це вимагає системного аналізу для адекватного оцінювання ризиків та прийняття рішень. Метою представленого дослідження є моделювання довготривалого геохімічного впливу фільтраційних втрат високомінералізованих шахтних вод зі ставка-накопичувача на водоносний горизонт, який залягає у вапнякових відкладах. Для досягнення поставленої мети проведено цикл математичного моделювання гідрогеохімічних процесів у горизонті підземних вод та подальший аналіз отриманої геопросторової інформації. Основним методом дослідження є обчислення термодинамічної рівноваги розчинених у горизонті підземних вод компонентів. Особливу увагу приділено рівновазі карбонатних мінералів: кальциту (Calcite), арагоніту (Aragonite), невпорядкованого доломіту (Dolomite(disordered)) та магнезиту (Magnesite). Процеси розчинення та доломітизації вапняків високомінералізованими та розбавленими водами - відомий факт, який описаний у численній науковій літературі. Ці процеси спричиняють не лише зміну пористості та проникності вапнякових товщ, але й суттєво впливають на переведення токсичних мікроелементів-домішок у міграційні форми. Дослідження базується на результатах хімічного аналізу проб води, відібраних із випускної труби, ставка-накопичувача та навколишніх спостережних свердловин упродовж березня 2012-листопада 2021 та березня 2023 року. Автор усвідомлює ймовірні методичні обмеження та недоліки у процесах відбору та хімічного аналізу проб води. Однак ці дані є єдиною доступною емпіричною базою, на якій формуються управлінські рішення та оцінюється стан довкілля. Саме це робить їх легітимним об'єктом для подальшого наукового аналізу та моделювання. Окремо автор зауважує на тому, що існуюча мережа спостережних свердловин не охоплює всю зону впливу ставка-накопичувача - навіть у найвіддаленіших свердловинах не досягається термодинамічна рівновага суміші вод із масивом водовміщуючих вапняків. На момент проведення дослідження автору не було відомо про жодні відкриті роботи, в яких використовувались би методи термодинамічних розрахунків для підземних вод, що зазнають впливу шахтних вод зі ставка-накопичувача у балці Свистунова. З огляду на дуже обмежене поширення програмного забезпечення типу PHREEQC серед українських фахівців та відсутність публікацій, присвячених рівноважному геохімічному моделюванню, можна з високою ймовірністю припустити, що подібні розрахунки раніше не виконувалися або залишалися в межах закритих відомчих звітів. Таким чином, представлена робота може розглядатися як перша спроба відкритого й прозорого аналізу умов рівноваги підземних вод із гірськими породами у зоні техногенного впливу. На відміну від класичних описових методів, представлене дослідження зосереджується на термодинамічному аналізі потенційної розчинності мінералів, змінах індексів насичення та оцінці поведінки макро- і токсичних мікроелементів. Такий підхід дозволяє виявити ймовірні процеси, які не фіксуються безпосередньо в результатах моніторингу, але можуть чинити критичний вплив на стан водоносної системи. У рамках цього дослідження автор пропонує інтерпретацію процесів забруднення водоносного горизонту як геохімічного аналога інфільтраційного метасоматозу. Такий підхід дозволяє вийти за межі описової фіксації підвищених концентрацій та розглядати інфільтрацію шахтних вод як активне заміщення мінерального складу середовища в умовах відкритої гідродинамічної системи. Також це дозволяє суттєво розширити класичну дифузійну модель, яка розглядає лише механічне <<розповзання>> забруднюючих речовин у горизонті підземних вод. Натомість ореол забруднення розглядається як складно організована гідрогеохімічна система, в межах якої формуються реакційні зони з характерними мінеральними й хімічними перетвореннями. За результатами термодинамічного моделювання та подальшого аналізу даних, в ореолі забруднення простежується зональність, наявність реакційних фронтів, процеси мобілізації та іммобілізації хімічних елементів, а також утворення вторинних мінералів у результаті локального перенасичення. Таким чином, зона впливу ставка-накопичувача може розглядатися як своєрідний метасоматичний пояс, який поступово змінює властивості водоносного горизонту та, що є найважливішим, породного масиву. Для дослідження потенційних ризиків міграції токсичних мікроелементів було здійснено гідрогеохімічне моделювання можливих форм міграції кадмію, стронцію, свинцю, цинку та ванадію. Результати моделювання вказують на високу міграційну здатність цих елементів як у воді ставка-накопичувача, так і в зоні змішування первинних та високомінералізованих вод у водоносному горизонті. Це дозволяє прогнозувати подальше їхнє потрапляння до гідрографічної мережі. Автор пропонує новий підхід до визначення межі зони техногенного впливу ставка-накопичувача на водоносний горизонт. На відміну від традиційної практики, яка базується на досягненні фонових або граничних концентрацій певних компонентів, запропонований підхід ґрунтується на показниках термодинамічної рівноваги між підземними водами та вміщуючими гірськими породами. Порушення цієї рівноваги, зокрема з кальцитом та іншими карбонатними мінералами, розглядається як фундаментальна ознака геохімічної деструкції середовища. Відповідно, справжня межа зони впливу повинна фіксуватись не там, де <<все виглядає нормально за концентраціями>>, а там, де система переходить від зміненого до збалансованого первинного стану. Особливу увагу автор приділяє якісній візуалізації результатів, що є запорукою швидкого орієнтування в багатофакторних даних і кращого розуміння просторово-геохімічної структури ореолу забруднення. Графічне подання не лише доповнює текстовий аналіз, але й виступає аналітичним інструментом, який дозволяє виявляти закономірності, аномалії, діагностично значущі кластери та межі. Візуальна перевірка даних у різних координатних проекціях, з фільтрацією або без, є важливою частиною авторського підходу до верифікації та інтерпретації отриманих результатів. Наразі, гідрогеохімічні процеси які відбуваються із високомінералізованими шахтними водами, можна поділити на декілька самостійних фаз: фаза змішування вод різного походження в системах гідрозахисту шахтних полів, фаза змішування води з різних шахтних полів та часткове відстоювання у проміжних резервуарах, фаза потрапляння та відстоювання води безпосередньо у ставку-накопичувачі, фаза змішування води із прісною водою карбонатного водоносного горизонту та фаза змішування частково <<деактивованої>> води із водою ріки Інгулець після дренування карбонатного водоносного горизонту мережею джерел у долині ріки. Окремо можна виділити фазу змішування в період скиду шахтних вод зі ставка-накопичувача. Кожна із описаних фаз має свій окремій набір термодинамічних параметрів та можливих гідрогеохімічних процесів. У даному дослідженні розглядається лише фаза перетворень втрачених зі ставка-накопичувача вод у карбонатному водоносному горизонті. Виявлені в ході дослідження закономірності вказують на те, що ореол забруднення являє собою двоступеневу зональну структуру. Внутрішня та зовнішня зони пов'язані між собою механізмом позитивного зворотного зв'язку. Така конфігурація свідчить про самопідсилення процесів поширення забруднення в поточних умовах гідрогеохімічної взаємодії. Ліквідація втрат води зі ставка-накопичувача не припинить процеси деградації масиву вапняків. Аналіз ризиків у межах цього дослідження базується передусім на вивченні геохімічних процесів, які визначають напрямки еволюції системи та потенційні сценарії розвитку подій іншого характеру - фізичного, економічного, соціального або екологічного. На переконання автора, саме геохімічні (фізико-хімічні) чинники формують початкові умови, від яких безпосередньо залежать подальші зміни в інших підсистемах. Відтак геохімія розглядається як вихідна база для міждисциплінарного аналізу та прогнозування. Формування переліку літературних джерел здійснювалося на основі персонального ознайомлення автором із матеріалами. Сучасні генеративні моделі штучного інтелекту дають можливість скласти величезний перелік дотичних до теми літературних джерел, у яких містяться підтвердження висловлених тез та гіпотез. Проте автор обрав <<класичний>> підхід до ознайомлення та обробки інформації з результатів попередніх досліджень, який полягає в індивідуальному ознайомленні з літературними джерелами та їхніми описами. Дослідження виконано на стику кількох наукових напрямів: гідрогеохімії, просторового та статистичного аналізу, чисельного моделювання та теорії метасоматичної зональності. Автор усвідомлює, що така багатошарова структура підходу може виглядати нетипово для класичних дисциплінарних рамок. Водночас, саме така інтеграція дозволяє виявити приховані закономірності та пропонувати нові інтерпретації складних природно-техногенних процесів. Основний фокус утримано не на ортодоксальності, а на пояснювальній силі моделі, побудованої на основі реальних даних. Частина запропонованих інтерпретацій є гіпотетичними та не претендує на остаточну істину. Їхня цінність полягає у спробі системного узагальнення і формулювання нових підходів, які можуть бути перевірені при подальших дослідженнях. Незважаючи на відсутність попередніх академічних публікацій автора, ця монографія є результатом багаторічної дослідницької роботи, здійсненої в умовах повної незалежності - без інституційної підтримки, грантів чи доступу до академічних баз. Структура, стиль та наукова аргументація обрані свідомо, як спроба адаптувати класичний формат монографії до умов самоорганізованого дослідження. Цей підхід не імітує академічність - він прагне зберегти її сутність у нових реаліях незалежних дослідницьких ініціатив. Після публікації цієї монографії у версії 0.72 спостерігається активізація певних організацій, які раніше не виявляли зацікавленості у системному аналізі даних стосовно проблеми ставка-накопичувача у балці Свистунова. На думку автора, це може свідчити про усвідомлення актуальності розкритих у цій роботі підходів. У цьому сенсі поява альтернативних гіпотез чи повторних досліджень слід розглядати не як критику, а як індикатор впливовості та резонансу незалежної ініціативи.