Геоэлектрическая диагностика загрязнения геологической среды промышленными стоками

В настоящее время активно развивается научно-прикладная ветвь геофизики — экологическая геофизика. Экологическая геофизика изучает «.состояние и мониторинг (слежение за изменением во времени) геофизических полей для получения информации о статике и динамике геоэкологических процессов на глобальном (биосистемном), региональном (геосистемном) и локальном (объектном) уровнях» [5].

В диссертации рассматривается геоэкологическая проблема регионального уровня поскольку объектом исследований являются обширные территории, подвергшиеся техногенной нагрузке за счет попадания ток®сичных промышленных стоков в подземные воды и их миграции.

Техногенное загрязнение геологической среды жидкими отходами промышленных предприятий (промстоками) происходит из-за нарушения гидроизоляционной стойкости ограждающих дамб и ложа накопителей промышленных стоков, в результате чего поверхностные и подземные воды обогащаются минерализованными токсичными веществами. Мигрируя по направлению подземного стока токсиканты распространяются на значительные расстояния, создавая региональное загрязнение поверхностных и ^ # подземных источников водоснабжения. В результате увеличивается степень экологического риска для населения, использующего воду из таких источников для хозяйственно-бытовых целей [45].

Возникает необходимость в геоэкологической паспортизации районов размещения накопителей отходов производства с целью выявления участков повышенного экологического риска.

Таким образом, актуальность работы определяется в первую очередь экологическим аспектом проблемы. Во-вторых, поскольку загрязнение техногенными отходами происходит в верхней части литосферы, то целесообразно привлечение геофизических технологий как наиболее современных, технически обеспеченных, мобильных и относительно недорогих средств изучения геологической среды. Разработка геофизической методики диагностики и мониторинга загрязнения геологической среды техногенными отходами производства становится актуальной.

Из геофизических методов целесообразно применить геоэлектрические методики. Основным критерием в выборе геоэлектрики и ее перспективности для геоэкологического контроля среды является то, что минерализация флюида, заполняющего порово-трещинное пространство, тесно связана с электропроводностью пород. Обогащение подземных вод минерализованными промышленными стоками сопровождается увеличением электропроводности горных пород, а наиболее чувствительная к такому изменению физического свойства породы является электрометрия [46].

Актуальность рассматриваемой проблемы вызвала повышенный интерес у сотрудников Института геофизики УрО РАН, и с начала девяностых годов в институте ведутся теоретические и методические работы по осуществлению экологической диагностики геологической среды, подвергшейся техногенному загрязнению.

Большое внимание этой проблеме уделяет лаборатория экологической геофизики. Под руководством заведующего лабораторией Р. В. Улитина в процессе многолетних экспериментальных и теоретических работ сформировался определенный подход к решению нетрадиционной для геофизики задачи, который заключается в применении, как говорилось выше, геоэлектрических методов, так как они являются наиболее эффективными в данных исследованиях [49,50].

Цель исследований — разработка геоэлектрической методики выявления и трассирования зон миграции подземных вод, загрязненных токсичными промышленными стоками в результате нарушения гидроизоляционной защиты накопителен жидких отходов производствагеоэлектрический мониторинг техногенного загрязнения геологической среды.

Основные задачи исследований:

— определение нарушения гидроизоляционной стойкости ограждающих дамб хранилищ жидких отходов производства и локализация мест утечек промстоков;

— обнаружение и трассирование ореола техногенного загрязнения химическими веществами и картирование границ его распространения;

— выявление и прогнозирование смещения фронта ореола распространения загрязнения в геологической среде;

— электрометрический мониторинг динамики процесса фильтрации загрязняющих веществ в геологической среде;

— рекомендации по выбору места бурения заверочных скважин для гидрогеологических и других скважинных изысканий.

Научная новизна исследований:

1. Получены экспериментальные данные, по которым установлено, что ореолы загрязнения геологической среды в результате утечек промстоков формируются по двум основным моделям распространения подземных вод: пластово-поровой и тектонически-трещинной. В результате исследований для первой модели установлена линейно-вытянутая структура ореола, горизонтальная мощность которого не превосходит размеры утечки.

2. Проанализированы методические основы геоэлектрических методов, используемых при диагностике техногенного загрязнения среды:

— На основе изучения распределения электрического поля при дифференциальном электропрофилировании с установкой MAN над локальными объектами: вертикальным пластом и шаром в однородном полупространстве установлена высокая разрешающая способность метода при определении границ раздела неоднородности с вмещающей средой. Натурными экспериментами обоснована перспективность применения данного метода для выявления и трассирования зон загрязнения.

— На примере простых моделей (вертикальный пласт и шар), аппроксимирующих каналы миграции и места аккумуляции токсичных подземных вод, рассмотрены особенности теоретических разрезов кажущегося сопротивления, позволяющие повысить качество обработки результатов в методе вертикального электрического зондирования, применяемого для изучения верхней части разреза.

— Дана теоретическая оценка возможности применения метода заряда для обнаружения фронта миграции загрязняющих веществ и изучения его динамики по измерениям второй производной потенциала, выполненных по части профиля.

3. Результатами экспериментальных исследований подтверждена эффективность геоэлектрической диагностики техногенного загрязнения геологической среды на разных геоэкологических объектах:

1. В районах накопителей промстоков выявляются и трассируются утечки загрязненных вод по ослабленным зонам просачивания. Картируется химическое загрязнение геологической среды.

2. На примере изучения геоэлектрическими методами территории, подвергшейся загрязнению утечками керосина, оценена разрешающая способность применяемых методов при геокартировании техногенного загрязнения среды углеводородами.

3. Геоэлектрическим мониторингом грунтового гидротехнического сооружения (плотины) показана эффективность режимных наблюдений при изучении динамики фильтрации загрязненной воды сквозь тело плотины.

В соответствии с намеченной целью и задачами защищаются следующие научные положения:

1. По изучению строения верхней части разреза комплексом электрометрических методов установлено, что ореолы загрязнения геологической среды в результате утечек промстоков формируются по двум основным моделям распространения подземных вод: пластово-поровой и тектонически-трещинной. Для первой модели теоретически установлена и экспериментально подтверждена ленточно-вытянутая форма ореола, смещающегося по направлению стока подземных вод и имеющего горизонтальную мощность близкую к линейным размерам источника загрязнения (утечки).

2. Теоретическими расчетами и натурными экспериментами обоснована эффективность использования метода дифференциального электропрофилирования с установкой MAN при геоэлектрическом исследовании верхней части разреза. Показана перспективность применения метода для обнаружения близповерхностных геологических неоднородностей и оценки их горизонтальной мощности.

3. Предложена комплексная геоэлектрическая методика изучения загрязнения геологической среды в результате утечек промышленных стоков, включающая дифференциальное электропрофилирование, электромагнитное зондирование и метод заряда. Методика позволяет: выявить положение очага поступления промстоков в средуустановить положение флангов и фронта ореола миграции токсичных подземных водизучить распространение загрязнения в разрезепроводить мониторинг динамики фильтрации промстоков из накопителей.

Практическая значимость работы.

Комплексная геоэлектрическая диагностика техногенного загрязнения геологической среды применялась более чем на двадцати объектах, ® расположенных в различных регионах: Свердловской, Челябинской областяхХабаровского краяКазахстана. В' диссертации приводится лишь небольшая часть экспериментальных работ, подтверждающих эффективность использования предложенной методики. Так в 1995;96 г. г. в результате проведенных работ в районе ПО «Маяк» (Челябинская обл.) выявлены зоны тектонически нарушенных, водопроницаемых пород, по которым происходит фильтрация минерализованных вод из водоема В-11. Здесь же на плотине 11, последней в Теченском каскаде водоемов, с 1995 по 2003 годы применялся геоэлектрический мониторинг с целью изучения динами®ки изменения электрофизических свойств насыпного гидротехнического сооружения. По геофизическим данным удалось обнаружить место просачивания токсичных вод из водоема В-11 сквозь тело плотины. Заверочное бурение не только установило разжижение грунта в аномальной зоне, но и обнаружило каверну, так же выделяемую по результатам электромагнитных зондирований. В настоящее время ведутся работы по укреплению плотины.

В диссертации рассматривается опытно-методическая работа по изу-• чению загрязнения геологической среды керосином, выполненная в 2002 году в районе г. Каменск-Уральский (Свердловская обл.). По результатам комплексных геоэлектрических работ удалось оконтурить площадное загрязнение и наметить точки для заверочного бурения. Первый опыт изучения загрязнения природной среды углеводородами показал перспективность применения предлагаемого комплекса геоэлектрических методик для выявления загрязнения веществами, повышающими удельное сопротивление горной породы. А Апробация работы.

Результаты работ докладывались: на международном семинаре им. Д. Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Екатеринбург 1999, 2002 г. г.) — на Уральской молодежной научной школе по геофизике (Екатеринбург 2000, 2002 г. г.) — на международной конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург 2003 г.) — на научных чтениях им Ю. П. Булашевича «Ядерная геофизика, геофизические исследования литосферы, геотермия» (Екатеринбург 2003 г.) — на международной конференции «Экогеология — 2003» (С.-Петербург 2003 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 156 страниц текста, 54 рисунка, 7 таблиц и список литературы из 60 наименований.

Основные результаты исследований состоят в следующем:

1. На основе анализа физико-геологического строения верхней части разреза территорий, подвергшихся техногенному загрязнению утечками промышленных стоков из мест их складирования, комплексом геоэлектрических методов выделены две приоритетные: модели формирования ореола загрязнения геологической среды: пластово-поровая, характерная для близповерхностных водопроницаемых четвертичных отложенийтектонически-трещинная, приуроченная к тектонически нарушенным зонам коренных пород. Экспериментальными исследованиями установлена линейно-вытянутая морфология ореола химического загрязнения геологической среды.

2. Дана теоретическая оценка миграции вещества в пластово-поровой модели для параметров среды, приближенных к реальнымРасчеты подтвердили линейно-вытянутую морфологию ореола загрязнения, горизонтальная мощность которого не превосходит линейные размеры источника загрязнения (утечки). Загрязнение распространяется по стоку подземных вод.

3. Выполнены: теоретические расчеты распределения электрического поля при профилировании с дифференциальной установкой MAN над вертикальным пластом и шаром в однородном полупространстве, на основе которых: установлена высокая разрешающая способность методики при определении границ раздела локального объекта с вмещающей средойсформулированы основные требования к технологическому регламенту исследований по методу дифференциального профилированияпоказана возможность оценки удельного электрического сопротивления сравнительно мощных вертикальных пластов.

4. Экспериментальными исследованиями подтверждена перспективность применения метода дифференциального профилирования при выявлении локальных объектов в верхней части разреза и более точного определения его границ с вмещающей средой. Предлагается включать данный метод в геоэлектрический комплекс геоэкологической диагностики природной среды.

5. Предложена комплексная, геоэлектрическая методика изучения загрязнения геологической среды утечками промышленных стоков и стадийность ее применения:

— на поисковом этапе предлагается применять оперативные методы профилирования, позволяющие обнаружить утечки и локализовать близ-поверхностные геоэлектрические неоднородности, связанные с ними: ди-польное (кондуктивное либо индуктивное) — дифференциальное с установкой MAN;

— на стадии детализации выявленных аномалий предложено использовать: методику вертикальных электрических зондирований, позволяющую изучать распространение проводящих зон на глубинуметод зарядадля определения фронтальной части ореола загрязнения;

— контроль за развитием выявленного загрязнения в пространственно-временном интервале целесообразно осуществлять геоэлектрическим мониторингом.

6. Для проработки методических основ предложенных методов применительно к геоэкологическим задачам:

— рассмотрены теоретические разрезы кажущегося сопротивления в методе вертикального электрического зондирования, применяемого для изучения миграции загрязняющих веществ в основание разреза, на примере простых моделей, аппроксимирующих каналы миграции и места аккумуляции токсичных подземных вод.

— дана теоретическая оценка возможности применения метода заряда для обнаружения переднего фронта миграции загрязняющих веществ и изучение его динамики по измерениям второй производной потенциала, проведенным по части профиля.

7. Комплексная геоэлектрическая методика диагностики техногенного загрязнения геологической среды утечками промстоков была опробована на ряде геоэкологических полигонах. В работе представляются результаты геоэлектрических исследований, проводившихся на нескольких объектах:

— показана эффективность применения предложенной методики при геоэлектрическом картировании химического загрязнения природной среды в районе накопителей высокоминерализованных промышленных стоков;

— на примере геоэлектрических исследований, проведенных на загрязненной керосином территории, рассмотрена перспективность использования геоэлектрического комплекса при изучении загрязнения геологической среды углеводородами;

— эффективность проведения геоэлектрического мониторинга, позволяющего изучать динамику процесса фильтрации токсичных мигрантов в результате утечек промстоков из накопителей, рассмотрели на примере мониторинга гидротехнического сооружения — насыпной грунтовой плотины, ограждающей накопитель жидких отходов производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.