Groundwater Sulphate Content changes in Estonian Underground Oil Shale Mines

Kokkuvõte

Töö käigus uuriti põlevkivimaardla 220 km2 suuruse keskosa suletud ja töötavate kaevanduste alal levivate Kvaternaari ja Ordoviitsiumi põhjaveekihi sulfaatide sisalduse muutusi. Ordoviitsiumi põhjavee moodustavad põlevkivikaevanduste alal Nabala-Rakvere, Keila-Kukruse ja Lasnamäe-Kunda veekiht. Põlevkivi kaevandamisel kuivendatakse Keila-Kukruse veekoht, kus peale veetaseme alanemise muutub vee keemiline koostis eelkõige sulfaatide sisalduse, vee mineraalsuse ja kareduse poolest. Kaevanduste sulgemisel aga moodustuvad maa-alused foonilisest erineva keemilise koostisega veekogumid.

Töö eesmärk on uurida kaevandamiseelse perioodi vee keemilist koostist, kaevandamise aegseid ja järgseid muutusi Keila-Kukruse põhjaveekihis, leida omavahelisi seoseid kujunenud maa-aluste veekogude vahel ja selgitada Keila-Kukruse ning Lasnamäe-Kunda veekihi sulfaatide sisalduse muutusi suletud põlevkivikaevanduste alal. Töö põhineb AS Eesti Põlevkivi ja Eesti Geoloogiakeskuse vaatlusvõrgu ja autori isiklike vaatluste ning mõõtmiste andmetel. 

Olulisemad tulemused võib kokku võtta järgmiselt:

1. põlevkivikaevanduste hüdrogeoloogilist režiimi mõjutavad aeratsioonivöö paksus, geoloogilises läbilõikes esinevad tektoonilised lõhed ja rikked, veetaseme ja -surve alanemised, mis põhjustavad vee voolusuundade ning kiiruse muutusi (artikkel I);

2. lihtsamate hüdrogeoloogiliste ülesannete lahendamisel eeldatakse, et põhjavesi voolab homogeenses geoloogilises keskkonnas igas suunas ühtlaselt (isotroopselt); põlevkivi kaeveala on aga anisotroopne ja mittehomogeenne (artikkel III) ning välistab lihtsustatud lähenemise;

3. kaevandamiseelsel perioodil põhjavee keemiline koostis kujunes looduslikes toitumistingimustes (artikkel II); kaevandamisaegsel perioodil vee väljamisel kaevandustest kujunesid mitmete kilomeetrite ulatuses levivad piesomeetrilise rõhu regionaalsed alandused (artikkel I) ja suurenes indikaatorelemendi (SO42) sisaldus kuni 50 korda (looduslik - 2-10 mg/l) (artikkel II, IV);

4. kaevandamisjärgselt, pärast kaeveõõnte veeg täitumist, sulfaatide sisaldus suurenes paari aasta jooksul 3-4 korda (1500 mg/l), ent alanes nelja aasta pärast kuni 200 mg/l (artikkel IV);

5. põlevkivikaevandusete sulgemine ja üleujutamine on muutnud Lasnamäe-Kunda veekihi põhjaveevaru  moodustumise tingimusi (artikkel IV);

6. suletud kaevanduste vesi on tehnogeensete mõjurite tõttu seotud Lasnamäe-Kunda põhjaveekihiga, seda näitavad sulfaadi sisalduse suured kõrvalekalded foonilisest sisaldusest nii kaeveväljal kui ümbritsevates Lasnamäe-Kunda põhjaveekihi puurkaevudes (artikkel IV);

7. suletud kaevanduse vee eemaldamise ja üleujutuse vähendamise aktiivsete ja passiivsete meetodite seast oleks soovitav valida kas ülevoolu puuraugud (Ahtme kaevandus) või kuivendustunnel (kaevandus nr 2) (5. ptk);

8. aktiivsed kaevandusvee tasemete alandamismeetodid põhjustavad suuri aastasiseseid vee keemilise koostise muutusi (5. ptk);

9. suletud kaevanduste vesi vastab põhikomponentide osas Eesti Joogivee Standardile (5. ptk) ja väljapakutud vee töötlemismeetodi tagajärjeks võib olla laiaulatuslik sekundaarne reostus, mistõttu autor ei pea kaevanduste vee eritöötlust otstarbekaks.

Abstract

During the course of the studies changes in the sulphate content in the Quaternary and Ordovician groundwater within ca 220 km2 area of closed and working underground mines in the central part of the Estonian oil shale deposit were investigated. In the area of oil shale mines, the Ordovician groundwater is stored in the carbonate rocks of the Nabala-Rakvere, Keila-Kukruse and Lasnamäe-Kunda aquifers. The oil shale mining causes drainage of the Keila-Kukruse strata. This affects the groundwater regime. Besides, the chemical composition of the water also changes. This concerns, first of all, the content of sulphates, concentration of dissolved mineral salts and hardness of water. In the eight closed mines underground water pools have formed. The chemical composition of water in these pools differs from relevant background values.

The aim of the work was to study the sulphate content of surface (lake) and groundwater in pre-mining period, but also mining and post-mining changes in the Keila-Kukruse aquifer. It was attempted to find out interfaces between underground water pools and to study the sulphate content changes in the Keila-Kukruse and Lasnamäe-Kunda aquifers in the area of closed oil shale mines in a lateral and transversal direction. The thesis is based on the databases of Estonian Oil Shale Company and Geological Survey of Estonia and on the data obtained by the author in the course of her studies.

The main results may be summarised as follows:

1. the hydrogeological regime in the oil shale mines is controlled by the thickness of the aeration zone, tectonical faults and fractures in the geological section, alteration of hydraulic gradients causing changes in the flow direction and rate (Paper I);
2. water table drawdown predictions are generally based on the assumption that geologic materials transmit water equally in all directions (isotropically); however, the oil shale mining area is unisotropic and non-homogeneous (Paper III) and simplified approach is excluded;
3. in pre-mining time, the groundwater quality was mainly affected by precipitation (Paper II). During the mining period, the sulphate content increased and was up to 50 times as high as under natural conditions (2-10 mg/l) (Papers II, IV);
4. in post-mining time, the mines fill with water; the content of sulphates increases sharply – 3–4 times (1,500 mg/l) during two years and then, after four years, decreases to 200 mg/l (Paper IV);
5. closing and flooding of underground mines has radically changed the groundwater forming conditions in the Lasnamäe-Kunda aquifer (Paper IV);
6. due to tehnogenic impact the water of closed mines is connected with the Lasnamäe-Kunda aquifer. Evidence is derived from the deflection of the content of sulphate from natural background both in the mining field and in the observation wells tapping the Lasnamäe-Kunda aquifer in the surroundings of the mining area (Ch. 4);
7. of the active and passive methods applicable to water removal from the closed mines and prevention of flooding of the surrounding area the author recommends to choose overflow wells (Ahtme mine) (Ch. 5). Generally, passive treatment technologies are preferred since these are more sustainable and can be made to integrate much better into their surroundings;
8. active water level regulation methods cause mine water depletion and changes in the sulphate content of the water around the year (Ch. 5);
9. generally, the water of closed mines meets the requirements of the Drinking Water Standard of Estonia (RTL 2001/100/1369) (Ch. 5) and the recommended active treatment method can cause large-scale secondary pollution. In view of this, the author of the thesis considers special mine water treatment unpurposeful.