Гiдрогеохiмiчне моделювання впливу фiльтрацiйних втрат високомiнералiзованих шахтних вод зi ставка-накопичувача у балцi Свистунова (версiя 0.75)
Description
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.
Abstract (English)
The impoundment (storage pond) for highly mineralized mine waters in the Svystunova Gully was constructed in 1976. Over the past two decades, the impoundment has annually received 10–13 million cubic meters of mine water from the southern group of mines in the Kryvyi Rih Iron Ore Basin. Subsequently, the accumulated water is discharged into the Inhulets River. However, part of the water is lost through the bottom of the impoundment, draining into the aquifer of Miocene horizon.
Over the years of operation, a powerful pollution halo has formed in the surrounding rocks, leading to significant changes in the hydrogeological regime and chemical composition of the aquifer. South of the tailings complex and the impoundment, potable water is practically absent in both the Quaternary and the more protected Neogene aquifers. The actual boundary of the contamination plume remains undefined.
The operational issues of the impoundment require a multi-vector and integrated approach,
as they involve hydrogeochemical, ecological, engineering, economic, and social factors that interact across space and time. This necessitates a systemic analysis for an adequate risk assessment and decision-making.
The aim of this study is to model the long-term geochemical impact of filtration losses of highly mineralized mine water from the impoundment on the aquifer hosted in limestone formation.
To achieve this goal, a cycle of mathematical modeling of hydrogeochemical processes within the groundwater horizon was conducted, followed by analysis of the resulting geospatial data. The primary research method is the calculation of thermodynamic equilibrium of dissolved components in groundwater. Particular attention is paid to the equilibrium of carbonate minerals: calcite, aragonite, disordered dolomite, and magnesite.
Processes of limestone dissolution and dolomitization by both highly mineralized and diluted waters are well-known phenomena described in numerous scientific publications. These processes not only alter the porosity and permeability of the limestone formations but also significantly influence the transformation of toxic trace elements into mobile forms.
The research is based on chemical analyses of water samples taken from the outlet pipe, the impoundment itself, and surrounding monitoring wells between March 2012 and November 2021, as well as in March 2023. The author acknowledges potential methodological limitations and drawbacks in the sampling and analytical procedures. However, these data represent the only available empirical basis on which management decisions are made and environmental conditions are assessed. This makes them a legitimate subject for further scientific analysis and modeling. The author further notes that the current network of monitoring wells does not cover the entire impact zone of the impoundment — even in the most remote wells, thermodynamic equilibrium between the water and the host limestones is not reached.
At the time of writing, the author was unaware of any open publications using thermodynamic modeling methods for groundwater impacted by the impoundment in the Svystunova Gully. Given the limited dissemination of software like PHREEQC among Ukrainian specialists and the absence of publications devoted to equilibrium geochemical modeling, it is highly likely that such calculations have not been previously performed or remain confined within internal departmental reports. Thus, this study may be considered the first open and transparent attempt to analyze groundwater–rock equilibrium conditions in a zone of anthropogenic impact.
Unlike classical descriptive approaches, this study focuses on the thermodynamic analysis of mineral solubility, changes in saturation indices, and the behavior of macro- and toxic microelements. Such an approach allows for the identification of probable processes not directly captured by monitoring data but capable of exerting critical influence on the state of the aquifer system.
The author proposes interpreting aquifer contamination as a geochemical analogue of infiltration metasomatism. This perspective goes beyond recording elevated concentrations and considers mine water infiltration as active replacement of the mineral composition in an open hydrodynamic system. It significantly expands the classical diffusion model, which views pollution as mere spreading of contaminants within the groundwater horizon. Instead, the pollution halo is considered a complex hydrogeochemical system, within which reaction zones with specific mineral and chemical transformations are formed. Thermodynamic modeling and subsequent data analysis reveal clear zonation, reaction fronts, mobilization and immobilization of elements, and secondary mineral formation due to local oversaturation. Thus, the impoundment’s impact zone can be seen as a metasomatic belt that gradually alters the properties of both the aquifer and, more importantly, the rock mass itself.
To assess the potential migration risks of toxic trace elements, the study models the migration forms of cadmium, strontium, lead, zinc, and vanadium. The results indicate a high mobility of these elements both in the impoundment water and in the mixing zone of primary and highly mineralized waters in the aquifer. This allows prediction of their potential transfer into the hydrographic network.
The author proposes a novel approach to defining the boundary of the impoundment’s anthropogenic impact zone. Unlike traditional practices that rely on reaching background or threshold concentrations of certain components, this approach is based on the thermodynamic equilibrium between groundwater and the host rocks. A disturbance of equilibrium — especially with calcite and other carbonates — is viewed as a fundamental indicator of geochemical degradation. Therefore, the true boundary should be defined not where “everything looks normal in terms of concentrations” but where the system transitions from an altered to a balanced initial state.
Special attention is given to the visual presentation of results, which ensures better orientation in multifactorial data and a clearer understanding of the spatial–geochemical structure of the pollution halo. Visualization not only complements the textual analysis but also serves as an analytical tool for identifying patterns, anomalies, diagnostic clusters, and boundaries. Visual inspection in various coordinate projections, with or without filtering, is a key part of the author’s data verification and interpretation approach.
Currently, the hydrogeochemical transformation of highly mineralized mine water can be divided into several distinct phases: mixing of waters from different origins within mine field protection systems; mixing of water from various mine fields with partial settling in intermediate reservoirs; direct settling in the impoundment; mixing with fresh water in the carbonate aquifer; and finally, mixing of partially “deactivated” water with Inhulets River water, after being drained from the carbonate aquifer via springs in the river valley. Another phase is the mixing during active discharge from the impoundment. Each phase has a distinct set of thermodynamic parameters and hydrogeochemical processes. This study focuses only on the transformation of water lost from the impoundment into the carbonate aquifer.
Patterns revealed in this research suggest that the pollution halo forms a two-stage zonal structure. The inner and outer zones are linked by a mechanism of positive feedback. This configuration indicates self-reinforcement of pollution spread under current hydrogeochemical conditions. Eliminating filtration losses from the impoundment will not stop degradation processes in the limestone mass.
Risk assessment in this study is primarily based on understanding the geochemical processes that define the system’s evolution and possible physical, economic, social, or environmental outcomes. The author believes that geochemical (physicochemical) factors define the initial conditions from which changes in other subsystems directly follow. Therefore, geochemistry is viewed as a foundation for interdisciplinary analysis and forecasting.
The list of references was compiled based on the author’s personal review of materials. Modern AI models can generate vast lists of thematically relevant sources containing confirmations of the presented theses and hypotheses. However, the author chose a “classical” approach — personal review and analysis of previous research literature.
This research lies at the intersection of several disciplines: hydrogeochemistry, spatial and statistical analysis, numerical modeling, and metasomatic zonality theory. The author acknowledges that such a multilayered structure may seem unconventional in traditional academic frameworks. Yet, this very integration enables the discovery of hidden patterns and new interpretations of complex natural–technogenic processes. The focus is not on orthodoxy but on the explanatory power of a model grounded in real data. Some interpretations are hypothetical and not definitive. Their value lies in the attempt to systematically generalize and propose new approaches that can be tested in future research.
Despite the absence of previous academic publications, this monograph is the result of many years of independent research — carried out without institutional support, grants, or access to academic databases. Its structure, style, and scientific argumentation were consciously selected to adapt the classical monograph format to the conditions of a self-organized study. This approach does not imitate academia — it seeks to preserve its essence within the new realities of independent research initiatives.
Since the release of version 0.72 of this monograph, several organizations previously uninterested in systemic data analysis regarding the Svystunova Gully pond issue have begun to show activity. According to the author, this may reflect growing recognition of the relevance of the approaches presented in this work. In this context, the emergence of alternative hypotheses or follow-up studies should be seen not as criticism, but as an indicator of the impact and resonance of an independent initiative.
Files
SvistunovaGully_075_20250804.pdf
Files
(5.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:874ef6cd9fd8aada8e3ab2a8113cc6f5
|
5.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (English)
- Hydrogeochemical modeling of the impact of filtration loss of highly mineralized mine water from the storage pond in the Svystunova gully (version 0.75)
Related works
- Has version
- Book: 10.5281/zenodo.15528795 (DOI)
Dates
- Updated
-
2025-08-04