Введение к работе
Актуальность исследований. В настоящее время активно развивается научно-прикладная ветвь геофизики - экологическая геофизика. Задачей экологической геофизики является изучение «...состояния 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» (Хмелевской В.К.).
В диссертации рассматривается геоэкологическая проблема регионального уровня, поскольку объектом исследований являются обширные территории, подвергшиеся техногенной нагрузке за счет попадания токсичных 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 обо-гащаются 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.
Возникает необходимость в геоэкологической диагностике районов размещения накопителей отходов производства с целью выявления участков повышенного экологического риска. Поэтому актуальность работы определяется в первую очередь экологическим аспектом проблемы. 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 жидкими 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 электропроводность пород существенно зависит от минерализации флюида, заполняющего поро-во-трещинное пространство. Обогащение подземных вод минерализованными промышленными стоками сопровождается увеличением электропроводности горных пород, а наиболее чувствительной к такому изменению физического свойства породы является электрометрия.
С начала девяностых годов в лаборатории экологической геофизики Института геофизики УрО РАН под руї о^^твймаай^ШЗШегОіЛаборатори-
«то J
ей Р В.Улитина ведутся теоретические и методические разработки, выполняется практическая реализация экологической диагностики геологической среды, подвергшейся техногенному загрязнению.
Цель исследований - разработка геоэлектрической методики выявления и трассирования зон миграции подземных вод, загрязненных токсичными промышленными стоками в результате нарушения гидроизоляционной защиты накопителей жидких отходов производства; геоэлектрический 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, 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: пластово-поровой и тектонически-трещинной В результате исследований для пластово-поровой модели установлена линейно-вытянутая морфология 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 (вертикальный пласт и шар 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.
9/fl?67
- 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 предложенной геоэлектрической диагностики техногенного загрязнения геологической среды на разных геоэкологических объектах:
-
В районах накопителей промстоков выявляются и трассируются утечки загрязненных вод по ослабленным зонам просачивания. Картируется химическое загрязнение геологической среды.
-
На примере изучения геоэлектрическими методами территории, подвергшейся загрязнению утечками керосина, оценена разрешающая способность применяемых методов при геокартировании техногенного загрязнения среды углеводородами.
-
Геоэлектрическим мониторингом грунтового гидротехнического сооружения (плотины) показана эффективность режимных наблюдений при изучении динамики фильтрации загрязненной воды сквозь тело плотины.
Защищаются следующие научные положения:
-
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).
-
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.
-
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 среду; установить положение флангов и фронта ореола миграции токсичных подземных вод; изучить распространение загрязнения в разрезе; проводить мониторинг динамики фильтрации промстоков из накопителей.
Практическая значимость работы.
Предложенная геоэлектрическая методика позволяет оперативно и недорого производить геоэкологическую диагностику территорий размещения накопителей жидких отходов производства' обнаружение действующих очагов и потенциальных мест фильтрации токсичных вод из мест их складирования; электрометрический мониторинг динамики процесса фильтрации загрязняющих веществ в геологической среде. По результатам работ даются рекомендации по выбору места бурения скважин для гидрогеологических и других скважинных изысканий, что значительно может снизить затраты на экологические исследования.
Комплексная геоэлектрическая диагностика техногенного загрязнения геологической среды применялась более чем на двадцати объектах, расположенных в различных регионах: Свердловской, Челябинской областей; Хабаровского края; Казахстана. 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 динамики изменения электрофизических свойств насыпного гидротехнического сооружения По геофизическим данным удалось обнаружить место просачивания токсичных вод из водоема 11 сквозь тело плотины. Заверочное бурение не только установило разжижение фунта в аномальной зоне, но и обнаружило каверну, также выделяемую по результатам электромагнитных зондирований. В настоящее время ведутся работы по укреплению плотины.
В диссертации рассматривается опытно-методическая работа по изучению 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.
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" (Ржатеринбург 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.
Похожие диссертации на Геоэлектрическая диагностика загрязнения геологической среды промышленными стоками
