Геоэлектрическая диагностика химического загрязнения геологической среды в зоне влияния полигона токсичных отходов

Геоэлектрика – комплекс геофизических методов, основанных на использовании электромагнитных полей, параметры которых зависят от физических свойств горных пород, вод и технических элементов (Вахромеев, 1995; Папырин, Пустозеров, 1998; Огильви, 1990). Использование геоэлектрики при оценке и картографировании загрязнения почвогрунтов и подземных вод основано на взаимосвязи между их удельным электрическим сопротивлением и засолением, т.е. содержанием солей (Mazac et al., 1987; Огильви, 1990; Frohlich et al., 1994). Так, между электропроводностью почвы и сухим остатком водной вытяжки существует высокая степень корреляции: коэффициент корреляции составляет 0,96-0,97 (Оценка засоления почв…, 2013).

Геоэлектрика методом сопротивлений может использоваться при изучении загрязнения компонентов геологической среды различными способами: измерение электрического сопротивления в стенках разреза (по шурфам, канавам и прочим выработкам); электрическое профилирование на небольших разносах – АВ – 1,5-10 м (картирование загрязнения); вертикальное электрическое зондирование (изучение изменения загрязнения с глубиной – от поверхности до подошвы зоны аэрации); резистивиметрическое опробование почв (измерение сопротивления водных вытяжек из проб почв и грунтов); резистивиметрия поверхностных вод (измерение сопротивления пробы воды из временных и постоянных водоемов и водотоков).

Геоэлектрические методы – надежный способ выявления и картирования инфильтрации вод из каналов, водохранилищ, шла-мохранилищ и т.д. По геоэлектрическим параметрам можно судить о зонах трещиноватости (разуплотнения) в дамбах. Так, электрометрия широко используется для контроля состояния дамб шламохранилищ калийных комбинатов (Прохоров, 2003, 2007), дамб прудов (Фоменко, 2015). Геоэлектриче-ские методы применяются при оценке загрязнения подземных вод различными техногенными источниками (Mazac et al., 1987; Frohlich et al., 1994; Mycka, Mendecki, 2014; Ofomola, 2015).

Отсутствие постоянного контроля за техническим состоянием такого рода сооружений может привести к разрушению их отдельных участков, загрязнению окружающей

среды. Проведение геоэлектрической диагностики технического состояния инженерных сооружений способствует выявлению повреждений на ранней стадии, что существенно уменьшает расходы на ремонт и позволяет предотвратить техногенные аварии.

Применение геоэлектрических методов для изучения состояния технических объектов позволяет вести непрерывные площадные наблюдения при относительно низкой стоимости работ, без бурения скважин и нарушения растительно-почвенного покрова горными выработками.

Объект и методика исследований

Объект исследований – полигон твердых отходов Гомельского химического завода – крупнейшего в Беларуси предприятия химической промышленности, которое производит более 20 видов химической продукции (серная и фосфорная кислоты, аммофос, суперфосфат, азотно-фосфорно-калийные удобрения, фтористый алюминий и т.д.). На предприятии применяется технология обработки апатитового концентрата, обуславливающая образование твердых фосфогипсо-вых отходов, которые складируются на территории специального полигона. В настоящее время накоплено более 17 млн т отходов, занимающих территорию около 100 га. Фосфогипс в отвалах содержит до 40% влаги, в его составе около 97% составляет гипс и 3% – фосфаты железа и алюминия, орто-фосфорная кислота, фторсиликаты калия и натрия, фториды кальция. Отвалы фосфогипса являются постоянно действующим источником поступления загрязняющих веществ в поверхностные и грунтовые воды, почвогрунты, причиной деградации растительного покрова (Гусев и др., 2013; Гусев, 2015).

В поверхностных водах на территории отвалов минерализация достигает 10-20 г/дм3, содержание сульфат-иона – 1-6 г/дм3, фосфора фосфатного – 1-5 г/дм3, иона фтора – 0,5-1,5 1-5 г/дм3. Грунтовые воды в зоне влияния отвалов также загрязнены сульфат-ионом, фосфором фосфатным, ионами железа, фтора, аммония. Минерализация грунтовых вод составляет до 10-20 г/дм3.

Целью исследований являлось изучение состояния геологической среды в зоне влияния полигона отходов химического производства геоэлектрическим методом. Решались следующие задачи:

картирование загрязнения верхней части геологической среды на территории отвалов и в зоне их влияния;

оценка состояния земляной дамбы, задерживающей поверхностный сток с отвалов;

выяснение зон утечек загрязненных вод из отводных каналов.

Метод исследования – электропрофилирование с помощью симметричной четырехэлектродной установки AMNB (разносы – АВ= 3 м, MN= 1 м; АВ= 10 м, MN= 3 м; АВ= 30, MN= 10 м). Шаг профилирования 10-50 м. Для измерений использовалась электроразведочная аппаратура ERA-MAX.

Рис. 1. Отвалы фосфогипсовых отходов

Результаты и их обсуждение

На территории полигона отходов и в его окрестностях были выполнены электропрофилирования на различных разносах питающих электродов АВ – 3, 10 и 30 м. Известно, что эффективная глубина проникновения тока в однородном полупространстве приблизительно равна 0,25 расстояния между питающими электродами А и В. В неоднородной слоистой среде глубина проникновения тока зависит от соотношения мощностей и сопротивлений слоев в разрезе. В большинстве случаев глубина проникновения тока (т.е. глубина исследований) изменяется в пределах 0,1-0,25 расстояния между электродами А и В (Матвеев, 1990). Исходя из этого глубина исследований составляла от 0,3 до 10 м. Обобщенные результаты измерений кажущегося электрического сопротивления приводятся в таблице.

Для фоновой территории характерно снижение кажущегося сопротивления с эффективной глубиной исследований, что обусловлено наличием водоносного горизонта (по данным замеров в скважинах уровень грунтовых вод находится на глубине 2-5 м) и особенностями геологического строения верхней части разреза (водно-ледниковые пески и супеси подстилаются моренными суглинками). Максимальные значения кажущегося сопротивления отмечаются на разносах АВ 3 и 10 м. В зоне отвалов для всего изучаемого разреза характерно низкое кажущееся сопротивление (менее 10 Ом∙м), что обусловлено высокой степенью засоления почвогрунтов и грунтовых вод. В зоне влияния отвалов (до 100 м от границы отва- лов по направлению поверхностного и подземного стока) кажущееся сопротивление увеличивается сверху вниз: наименьшее сопротивление имеет самая верхняя часть разреза (первые десятки см), а затем с глубиной сопротивление возрастает (примерно в 2 раза). Этот факт указывает на то, что источником химического загрязнения в этой зоне являются поверхностные воды, а направление движения загрязненных вод по вертикали -нисходящее. На расстоянии 100-200 м от границы отвалов фосфогипса по направлению стока дифференциация разреза по кажущемуся сопротивлению слабая, а по сравнению с зоной отвалов величина сопротивления увеличивается на порядок (таблица).

Кажущееся электрическое сопротивление по данным электропрофилирования на разных эффективных глубинах, Ом м

Разнос АВ, м	Отвалы фосфогипса	Зона влияния отвалов (до 100 м)	Зона влияния отвалов (100-200 м)	Фоновая территория
30	5,1* (3,0-9,5)**	29,0 (15,0-44,0)	66,0 (44,0-95,4)	120,0 (70,0-200,0)
10	6,8 (5,7-12,6)	17,6 (8,2-27,1)	44,7 (41,0-49,1)	420 (120,0-800,0)
3	5,7 (3,5-8,2)	14,0 (4,4-26,3)	44,1 (43,0-45,5)	433 (180,0-662,0)

* - среднее значение; ** - минимальное и максимальное значения.

На рис. 2 приведена карта изолиний кажущегося электрического сопротивления на эффективной глубине, соответствующей разносу АВ=3 м. Видно, что область отвалов фосфогипса почти полностью находится внутри изолинии 10 Ом^м.

С западной, южной и восточной стороны располагаются области относительно высокого сопротивления (100-500 Ом^м и более), обусловленного песчаным составом почвогрунтов. В северо-западном направлении от отвалов четко выражен «язык» зоны низкого сопротивления, индицирующий направление поверхностного и грунтового стока загрязненных вод.

На рис. 2 отчетливо видно, что зона пониженного сопротивления (менее 10 Ом∙м) существенно превышает по площади территорию самих отвалов и, вероятно, отграничивает ареал загрязнения почвогрунтов за счет миграции загрязняющих веществ от отвалов с поверхностным стоком.

Изменения кажущегося электрического сопротивления на эффективной глубине, со- ответствующей разносу АВ=10 м, приведены для двух профилей, расположение которых указано на рис. 2.

Профиль 1 пересекает всю территорию отвалов (шаг наблюдений составляет 50 м). Вне отвалов (обе крайние части профиля) значения сопротивления изменяются в пределах 100-300 Ом-м. На территории отвалов фосфогипса сопротивление не превышает 50 Ом^м, местами снижаясь до 5-6 Ом^м (рис. 3). Несмотря на пестрый состав верхней части геологической среды (фосфогипс, пески, супеси, суглинки, строительный мусор, захороненные почвы) и колебания уровня грунтовых вод, аномалия низкого сопротивления в зоне отвалов прослеживается очень хорошо, что, вероятно, обусловлено высокой степенью засоления как поверхностных и грунтовых вод, так и грунтов.

Профиль 2 проходит в зоне влияния отвалов в направлении поверхностного и грунтового стока (шаг наблюдений 50 м). Почти на всем протяжении профиля значения кажущегося сопротивления не превышают 100

Ом∙м, а на отдельных участках – 20 Ом∙м (рис. 4). Здесь фактор неоднородности состава и влажности грунтов верхней части геологической среды сказывается в большей степени, чем в предыдущем случае.

Рис. 2. Изолинии кажущегося электрического сопротивления (Ом м) на эффективной глубине, соответствующей разносу АВ=3 м

Таким образом, химическое загрязнение верхней части геологической среды на территории отвалов фосфогипса и в зоне их влияния фиксируется аномалиями низкого кажущегося электрического сопротивления, измеряемого на разносах питающих электродов 3-10 м.

Для изучения эффективности земляной дамбы, перекрывающей поверхностный сток с территории полигона в бассейн малой реки Рандовка (приток р. Уза), по профилю, проложенному перпендикулярно потоку поверхностных и грунтовых вод, было выполнено профилирование методом сопротивления на двух разносах линии АВ (30 и 10 м). Электрометрический профиль располагался ниже дамбы по потоку.

Поток грунтовых вод фиксируется в электрическом профилировании падением сопротивления (рис. 5). Причем, на разносах АВ=10 наблюдается снижение сопротивления с 50-70 до 20 Ом∙м, на разносах АВ=30 м – с 60-70 до 20-40 Ом∙м. Видно, что на разносе АВ=10 м аномалия пониженного сопротивления более выражена. Наблюдается падение сопротивления по всему фронту движения загрязненных грунтовых вод (с 3 по 14 пикеты). На разносе АВ=30 м аномалия наиболее выражена (кажущееся сопротивление ниже 30 Ом∙м) в районе 10-13 пикетов.

Рис. 3. Изменения кажущегося электрического сопротивления по профилю 1 (АВ=10 м)

Рис. 4. Изменения кажущегося электрического сопротивления по профилю 2 (АВ=10 м)

Рис. 5. Изменение кажущегося электрического сопротивления вдоль земляной дамбы

Отбор проб почв в центральной части профиля геоэлектрических исследований и последующий их химический анализ показали, что минерализация водной вытяжки составляет 1,3-1,5 г/дм3 (при фоне 0,1-0,3 г/дм3), содержание сульфат-иона 0,6-0,9 г/дм3 (при фоне 0,03-0,06 г/дм3).

Таким образом, геоэлектрические исследования показали низкую эффективность земляной дамбы, которая лишь частично перекрыла поток загрязненных вод.

Для отвода поверхностных вод с территории отвалы ограждены каналами (глубина – 3-5 м, ширина – около 10 м). В канале, ограждающем отвалы с южной стороны, минерализация воды составляет 4,2-13,7 г/дм3, содержание сульфат-иона – 0,7-1,6 г/дм3, фосфора фосфатного – 0,4-3,4 г/дм3. Для предотвращения распространения загрязненных вод внешний борт канала оборудо- ван в качестве дамбы из уплотненного гравийно-щебнистого материала. Для выяснения мест утечек вод из канала в окружающую среду по дамбе было выполнено электропрофилирование (MN=3 м, АВ=10 м, шаг 10 м). Для большей части профиля (общая протяженность 700 м) характерны высокие значения кажущегося электрического сопротивления (сотни и тысячи Ом∙м), что объясняется составом грунтов верхней части насыпи (сухие пески, гравий, щебень). Обнаружены локальные участки (1-2 пикета), на которых имеет место снижение сопротивления от 50 Ом∙м (рис. 6). Такие аномалии пониженного сопротивления могут быть обусловлены проникновением в тело дамбы засоленных вод из канала.

Рис. 6. Изменения кажущегося электрического сопротивления по профилю вдоль канала (фрагмент)

Выводы

Химическое загрязнение (преобладающие вещества-загрязнители – сульфат-ион, фосфат-ион, фтор-ион) верхней части геологической среды на территории отвалов фосфогипса и в зоне их влияния индицируется аномалиями низкого кажущегося электрического сопротивления (менее 10 Ом∙м), измеряемого на разносах питающих электродов 3-10 м. Изолиния кажущегося сопротивления 10 Ом∙м может служить границей зоны распространения загрязненного поверхностного стока с отвалов.

Геоэлектрические исследования земляной дамбы, предназначенной для перекрытия потока загрязненных вод в речной бассейн, показали ее низкую эффективность. Проникновение загрязненных вод за дамбу фиксируется кажущимся электрическим сопротивлением ниже 25 Ом∙м на эффективной глубине, соответствующей разносу АВ=10 м (фоновые значения 60-90 Ом∙м).

Вероятные места утечек загрязненных вод из водоотводного канала отмечаются аномалиями пониженного кажущегося сопротивления (менее 50 Ом∙м) на фоне высоких значений этого показателя (500 Ом∙м и более), характерных для верхней части ограждающей дамбы.

Таким образом, метод электропрофилирования на серии разносов АВ 3-30 м позволяет быстро и эффективно оценить химическое загрязнение верхней части геологической среды.