Еколого-геофізичні дослідження техногенного забруднення підземних вод і нижніх шарів атмосфери

5.4.1. Вивчення техногенного забруднення підземних вод. При формуванні комплексу геофізичних досліджень для вивчення екологічно небезпечного техногенного (геохімічного) забруднення підземних вод основною метою досліджень є одержання інформації про гідрогеологічні умови забруднення, про джерела забруднення, зміні якості вод, його впливі на екосистеми, біоту і здоров'я людей, про границі і динамік поширення забруднення. Передбачається кілька стадій досліджень, на яких змінюються склад геофізичного комплексу, послідовність робіт і методи інтерпретації (табл. 5.2).

На першій стадії досліджень задачею геофізичного комплексу є розчленовування розрізу і виявлення природних границь потоку підземних вод. У випадку регіональних досліджень спеціальних польових робіт не проводиться: виконується спрямована переінтерпретація дистанційної і фондової геолого-геофізичної інформації, що є в даному районі. Використовуються дані аерокосмічних зйомок (КФЗ, АФЗ, ТАЗ), регіональних геофізичних досліджень (гравімагніторозвідка, МТЗ, ІЧ, ДЕЗ і ін.), які частково доповнюються регіональними даними свердловинної геофізики.

При середньо- і великомасштабному картуванні ведуться польові роботи з використанням комплексу наземних методів, що включає електророзвідку (ВЕЗ, ВЕЗ-ВП, ЗСБ, ПП, ЕП), сейсморозвідку (МЗХ), аквальні геофізичні дослідження, а також геофізичні дослідження в свердловинах (методи КС, ПС, гамма-каротаж (ГК) — у теригенному розрізі; КС, бічний каротаж (БК, ГК), акустичний каротаж (АК) — у карбонатному розрізі). Зазначений комплекс дозволяє розчленувати зону аерації, визначити рівень ґрунтових вод, оцінити глибину залягання і потужність водоносних горизонтів і водоупорів, якісно оцінити мінливість фільтраційних властивостей розрізу.

На другій стадії досліджень геофізичні методи покликані обґрунтувати геофільтраційну схему потоку. Їхнім основним завданням є вивчення структури потоку, границь і граничних умов, а також геофільтраційних параметрів, що залежать від ємності і проникності порід. Застосовується комплекс пішохідних аквальних геофізичних спостережень ("руслова геофізика"), що доповнюється дистанційними даними і наземними електророзвідувальними дослідженнями (ВЕЗ, ЕП, ПП). Результати спільного аналізу одержуваних даних дозволяють виявити ділянки забруднення поверхневих і підземних вод, визначити наявність гідрогеологічних "вікон " у водотривких породах, намітити ділянки гідрогеологічних робіт на водотоках і мережа спостережливих свердловин.

При вивченні геофільтраційних параметрів водовміщуючих і поділяючих товщ використовується комплекс наземних електророзвідувальних (ВЕЗ, КВЕЗ, ПП) і свердловинних досліджень. У цей комплекс крім методів, перерахованих вище, включаються додатково індукційний каротаж (ІК) для теригенних відкладів; бічне каротажне зондування (БКЗ), густиний гамма-гамма-каротаж (ГГК-П) і нейтронний гамма-каротаж (НГК) для карбонатних колекторів, а також резістивиметрія, розходометрія, метод "зарядженого" тіла (МЗТ). Спільна інтерпретація даних електророзвідки і каротажу свердловин дає можливість одержати

Таблиця 5.2

Цільові геофізичні комплекси для вивчення техногенного забруднення підземних вод у межах верхньої частини літосфери

Задачі досліджень у стадійній послідовності	Ієрарх-хічний рівень	Масш-таб ФГМ, ФГЕМ	Види дослід-жень	Технологічні комплекси	Методика спостережень	Особливості комплексної інтерпретації	Результати
дистанцій-ний	назем- ний	аквальний	свердло-винний (ГДС)
					б
Розчленову-вання гідро-геологічного розрізу, виявлення границь пото-ку підземних вод	Підсис-теми	Дрібний і середній 1:200000 1:50000	Пере-інтерпре-тація фондових даних	КФС, АФС, аерогеофі-зичні методи	Регіональні геофізичні і гідро-геологічні досліджен-ня		Регіональні дані	Майданні дослідження, регіональні профілі	Системний інтегрований аналіз багатомірних даних, евристичні прийоми оцінки фільтраційних властивостей	Прогнозні гідроген-фізичні карти і розрізи
Оцінка фільтраційних властивостей (перша стадія дослідження)	Окремі елемен-ти	Великий 1:25000 1:10000	Польові дослід-ження на конкретних об'єктах	АФЗ, ТАЗ, РЛС, МЗ	вЕз, вЕз-вп, ЗС, ПП, мЗХ	Руслова геофізика	КС,ПС, (БК, ІЧ), ГК, ВП, АК	Майданна зйомка по регулярній мережі	Теж	Те ж

Закінчення табл. 5.2

Вивчення структури геофільтраційного потоку, оцінка гео-фільтраційних параметрів (друга стадія дослідження)	Окремі еле-менти	Великий 1:25000 1:10000	Польові дослід-ження на конкрет-них об'єктах	Те ж	ВЕЗ, КВЗ, ПП, ЕП	Руслова геофіт-зика	КС,ПС, ГК, (БКЗ, ІЧ), ГГК-П, НГК, АК, РзМ, РМ, МЗТ	майданна зйомка конкретних об'єктів	Те ж	Первинні геофільтраційні моделі об'єктів забруднення підземних вод
Визначення границь забруднення, оцінка його зміни в часі (третя стадія дослідження)	Окремі еле-менти	Великий 1:25000 1:10000, детальний 1:5000 і крупніше	Те ж	Те ж	Те ж	Те ж	КС. ПС, ГК, термо-метрія, РзМ, РМ, МЗТ	Детальні спостереження по площі й у розрізі Режимні спостереження на конкретних об'єктах	Системний аналіз багатомірних даних, еври-стичні прийоми інтерпретації Аналіз даних режимних спостережень	Детальні ФГМ і ФГЕМ забруднення підземних вод Характеристика джерел забруднення

Скорочення:

КФЗ — космофотозйомка , АФЗ — аерофотозйомка, ТАЗ — теплова аерозйомка , РЛЗ — радіолокаційна зйомка, ЗСБ — зондування методом становлення поля в ближній зоні, ПП — електророзвідка методом природного поля, ЕП — електропрофілювання на постійному і змінному струмі, ВЕЗ — вертикальне електричне зондування, КВЗ — кругові ВЕЗ, БСП — безупинне сейсмопрофілювання, БДОЗ — безупинні дипольні осьові електричні зондування, Т — аквальна термозйомка, "Руслова геофізика" — аквальна ЕП, резістивиметрія, ГДС — геофізичні методи дослідження свердловин (каротаж), КС, ПС — методи позірних опорів і поля мимовільного чи природного поля ЕП, БК, ІЧ — бічний, індукційний каротаж, ГК — гамма-каротаж, АК — акустичний каротаж, Рзм — резістивиметрія, РМ — розходометрія, МЗТ — метод "зарядженого тіла"

інтегральні і дискретні якісні і кількісні характеристики фільтраційної неоднорідності розрізу, оцінити характер взаємодії окремих водоносних горизонтів. На підставі цих даних будуються первинні геофільтраційні моделі об'єктів із забрудненням підземних вод.

Остання стадія досліджень пов'язана з визначенням границь поширення забруднення й оцінкою їхньої зміни у часі. Склад геофізичного комплексу залежить від фізичних властивостей забруднювача. Якщо забруднення підземних вод різко змінює їхню мінералізацію, радіоактивність чи температуру, використання свердловинного геофізичного комплексу (КС, ГК, резістивиметрія, розходометрія, РМ, МЗТ) дозволяє одержати детальну просторово-часову характеристику процесу забруднення і розрахувати зміну концентрації забруднювача. Додаткову інформацію про параметри забрудненого потоку підземних вод дають дистанційні (АФЗ, ТАЗ, МЗ) і наземні геофізичні методи (ВЕЗ, ЕП, приповерхнева термометрія, розходометрія), а також комплекс "руслової геофізики" в акваторіях рік і озер.

Приведемо приклад застосування комплексних геофізичних досліджень на одному з артезіанських водозаборів у Мордовії, початих для оцінки небезпеки забруднення прісних вод продуктивної товщі вапняків мінералізованими водами, що надходять з напірного водоносного горизонту в доломітах середнього карбону (рис. 5.6). Зазначені водоносні горизонти розділені водотривкою пачкою глинистих порід, однак збереження водоупору по площі мінлива. Одним із завдань наземних і свердловинних геофізичних досліджень було встановлення в розрізі границі між прісними і мінералізованими водами і визначення ділянок, де погана збереженість водотривких порід сприяє надходженню напірних вод середнього карбону у верхній водоносний горизонт. За даними електропрофілювання вдалося виділити кілька ділянок знижених значень питомих електричних опорів товщі перекриття. Припущення, що ці аномалії пов'язані з проникненням у верхній водоносний горизонт вод підвищеної мінералізації, були підтверджені виміром електричного опору води і визначенням вертикальних її швидкостей у свердловинах. Так, у свердловинах 4, 10, 11, 12 у межах верхнього і нижнього водоносних горизонтів, крім горизонтальної фільтрації, були зафіксовані вертикальні переміщення води зі швидкістю 10—30 мм/с.

Рис 5.6. Результати комплексних наземних і свердловинних досліджень при вивченні забруднення підземних вод на артезіанському водозаборі в Мордовії (Огільві, 1990):

угорі — графіки r_п; унизу — розріз, побудований за даними свердловинних і наземних електрометричних спостережень, 1—14 — номера свердловин;

а — пісчано-глинисті відклади з прошарками піску,

б—продуктивний вапняковий горизонт, в — глинистий водоупор,

г — доломітизовані вапняки, д — доломіти, е — зони забруднення прісних вод мінералізованими; ж — напрямок руху води

Особливе значення для вивчення забруднення підземних і поверхневих вод мають методи оцінки техногенного впливу, які здійснюються викидами продуктів промислової переробки з технічних мереж, відходами сільськогосподарського виробництва, витоками з відстійників очисних споруджень і ін. В останні роки для цієї мети успішно застосовується малоглибинний геофізичний комплекс, що включає методи "руслової геофізики", наземну електророзвідку і гідрохімічне випробування.

Проілюструємо можливості цього комплексу прикладом конкретних досліджень, виконаних поблизу очисних споруджень, розташованих на річкових терасах р. Москви (рис. 5.7). Якість води р. Москви, що йде на водопостачання м. Москви, в істотному ступені визначається хімічним складом ґрунтових вод, що розвантажуються в ріку. Тим часом саме річкові тераси р. Москви, складені порівняно добре проникними ґрунтами, містять ґрунтові води. Метою геофізичних досліджень було встановлення факту витоку стічних вод з басейнів-відстійників очисних споруджень і надходження їх у ріку в якості забруднювача. Необхідно було визначити ділянки інфільтрації цих вод у дні й у стінках басейнів і місця їхнього розвантаження в руслі ріки, а також простежити шлях переносу їх у товщі порід на ділянці від очисних споруджень до ріки. Рішення задачі здійснювалося комплексом геофізичних методів, що включають наземну зйомку потенціалу природного електричного поля (метод ПП) і "руслову геофізику". Роботи проводилися безпосередньо в басейнах-відстійниках очисних споруджень, у руслі р. Москви, а також (наземні спостереження) на ділянці заплави ріки, що примикає до очисних споруджень.

Результати досліджень представлені на рис. 5.7 у вигляді карти залишкових аномалій ПП на ділянці басейнів-відстійників очисних споруджень, карти потенціалу ПП для ділянки, у межах якого виконувалися наземні роботи методом ПП, і графіків зміни уздовж профілю спостереження величини збільшення потенціалу ПП DU_еп температури донних відкладів Т і питомого електричного опору води r_в. Негативні аномалії ПП у басейнах свідчать про наявність витоку стічних вод у цих басейнах, показуючи, що інфільтрація здійснюється як через дно, так і через стінки басейнів. Цілком імовірно, що значна частина інфільтрату рухається убік ріки, де позитивні аномалії на графіках DU_еп свідчать про наявність розвантаження ґрунтових вод. Ділянка розвантаження злегка зміщена униз за течією ріки щодо очисних споруджень. Вона просторово збігається з аномаліями температури і питомого електричного опору води, що свідчить про більш високу температуру і мінералізацію техногенного флюїду в порівнянні з фоном. За даними гідрохімічного випробування, зазначені аномалії підтверджуються підвищеним вмістом хлоридів.

Таким чином, комплексні геофізичні і гідрогеологічні дослідження на очисних спорудженнях показали, що конструкція очисних споруджень допускає інфільтрацію стічних вод у дно і стінки басейнів-відстійників з наступним розвантаженням цих вод у русло ріки. Ґрунтовий потік від очисних споруджень до ріки характеризується високою інтенсивністю, достатньої для порушення природного гідродинамічного і гідрохімічного режиму фільтрації. Води, що розвантажуються в русло ріки, мають більш високу в порівнянні з фоновими значеннями температуру і мінералізацію, що підтверджує їхнє техногенне походження і дає підставу говорити про очисні спорудження як про джерело значного забруднення підземних і річкових вод.

Крім розвитку цільового комплексування геофізичних методів у даний час йде інтенсивне вдосконалення старих, добре відомих геофізичних методів контролю забруднення підземних вод. Зокрема, одержала додаткове теоретичне обґрунтування методика інтерпретації вертикальних електричних зондуванні (ВЕЗ) для виділення схованих локальних вогнищ забруднення підземної гідросфери на нафтопромислах. В даний час інтерпретація ВЕЗ звичайно ведеться на якісному рівні.

Рис. 5.7. Результати комплексних еколого-геофізичних досліджень при вивченні впливу очисних споруджень на забруднення підземних і поверхневих вод:

угорі — карта фільтраційних потенціалів (DU_еп) природного електричного поля;

унизу — графіки змін DU_еп (у мв), Т (у ⁰С), r_в, (в Ом×м) по профілю АБ; 1, 2 — негативні і позитивні аномалії DU_еп в очисних спорудженнях; 3 — еквіпотенціали природного поля на ділянці заплави; 4 — передбачуваний напрямок потоку забруднених вод; 5 — лінії максимального градієнта природного поля, 6 — вміст хлор-іону (у мг/л) у придонному шарі річкової води

5.4.2. Вивчення техногенного забруднення нижніх шарів атмосфери. Вивчення техногенного забруднення нижніх шарів атмосфери може здійснюватися з метою встановлення джерел і складу промислових викидів, їхнього просторового поширення, що залежить від метеорологічних умов, а також для безпосередньої еколого-геофізичної оцінки фізичного впливу, що виконується різними видами атмосферного забруднення на екосистеми різних рівнів.

При просторовому картуванні і моніторингу техногенних викидів найчастіше застосовуються дистанційні методи досліджень у різних діапазонах електромагнітного спектра, лазерні (лидарні) зйомки. Широке застосування одержав комплекс дистанційного аеромоніторингу, до складу якого входять газове аерознімання з визначенням концентрації NO₂,SO₂, CH₄ у приземному шарі атмосфери; аерозольна зйомка з визначенням концентрацій елементів-забруднювачів в атмосферному аерозолі; вимір об'ємного вмісту радіоактивних елементів у приземному шарі атмосфери.

При виконанні газової аерозйомки використовуються чутливі газоаналізатори; вимірюється сумарна концентрація газів уздовж траси польоту і визначається середня концентрація по довжині цієї траси. Похибка складає близько 15%. Аерозольне аерознімання здійснюється шляхом добору проб аерозолю; одна проба характеризує просторовий елемент площею від 1 до 4 км². Проба містить від одного до чотирьох фільтрів. Час експозиції кожного фільтра складає 60с, що забезпечує широкий діапазон досліджень складу аерозолів-забруднювачів. Відібраний на фільтри аерозоль аналізується в лабораторних умовах атомно-адсорбційним і атомно-емісійним методами, що дозволяють виділяти до 60 хімічних елементів.

За даними газової і аерозольної аерозйомки будуються карти концентрацій аналізованих газових компонентів, карти елементів-забруднювачів в атмосферному аерозолі і карти сумарного аерозольного компонента. Ця інформація дозволяє виявити особливості забруднення повітряного середовища дослідного регіону в період проведення зйомки.

Аерогаммаспектрометрична зйомка виконується за допомогою цифрових спектрометрів, що дозволяють вивчати вміст у приземній атмосфері природних (К, U, Тh, ²²²Rn) і штучних (¹³⁷Сs) радіонуклідів.

Вивчення фізичного впливу техногенного забруднення приземних шарів атмосфери на геобіоценози, біоту, здоров'я людей є порівняно новою задачею. Так, наприклад, досліджуються атмосферні електричні поля різного знаку й інтенсивності, що створюються електрично зарядженими аерозолями промислових викидів. Ці поля визначають формування складу газових і аерозольних компонентів біосфери і можуть впливати на інтенсивність біологічних процесів, що відбуваються в організмі людини. Звичайно відповідна реакція організму залишається практично незмінної до частот порядку 1000 Гц і напруженості поля в сотні вольтів на метр. У той же час, якщо біосистему за рахунок ендогенних чи екзогенних факторів привести в стан зниженої резистивності (стійкості), то дія полів може викликати патології різного ступеня, аж до летального результату. Взаємодія земної атмосфери з електромагнітними полями має важливий еколого-геофізичний аспект. Так, якщо вплив атмосфери на геомагнітні властивості Землі практично відсутній, той вплив геомагнітної обстановки на переніс і розподіл електричних зарядів, а в зв'язку з цим і багатьох нейтральних компонентів, виявляється дуже істотним. У результаті електричні поля поряд із гравітаційними, тепловими і магнітними відіграють важливу роль у керуванні процесами, які відбуваються в атмосфері.

Напруженість електричного поля атмосфери (НЕП) у нормальних умовах зменшується з висотою по експонентному законі. У середньому вона міняється від 80 В/м над океанами і 130 В/м над сушею в приземному шарі до декількох вольт на метр на висоті 50 км. Ця верхня границя електросфери являє собою сильно провідний шар і обмежує вплив на іоносферу електричних процесів, що відбуваються в нижніх шарах атмосфери. Електричне поле атмосфери істотно залежить від широти місцевості. Градієнт потенціалу електричного поля має мінімальну величину на екваторі і монотонно збільшується убік полюсів, що пояснюється зміною інтенсивності космічного випромінювання із широтою. Існують добові і річні варіації НЕП атмосфери, синхронні для всіх спостережних пунктів на Землі і пов'язані зі зміною електричного заряду Землі в цілому. Крім того, існують локальні варіації, пов'язані з наявністю і розподілом по висоті об'ємних електричних зарядів у даному районі. Саме ці локальні варіації тісно пов'язані з такими погодоутворюючими і еколого-геофізичними факторами, як вміст і висотний розподіл атмосферного аерозолю, інтенсивність турбулентного перемішування й ін.

Дослідження спектральних характеристик електричного шуму приземної атмосфери в діапазоні частот 0,2 Гц указують на те, що джерелами низькочастотних флуктуацій є такі природні фактори, як переміщення заряджених аерозолей, електризація частини хмар, туманів, опадів, трансформація складної структури атмосфери, а також зміна стану магнітосфери за рахунок флуктуації корпускулярних потоків. У діапазоні спектра низькочастотних флуктуацій НЕП 1—50 Гц можуть міститися частоти, що збігаються з біологічно значимими для людини (2,5—40 Гц — в ритми головного мозку, 0,8—2,5 Гц — ритми серця).

В даний час еколого-геофізичний контроль атмосферних процесів, вивчення унітарних варіацій напруженості, пов’язаних з зі зміною електричного заряду Землі цілому, здійснюється в регіональних центрах моніторингу атмосферної електрики.

Серед постійно контролюючих параметрів в першу чергу досліджуються напруженість електричного поля, провідність атмосфери, їх спектральні характеристики, густина струму і зарядовий склад іонізованого повітря. Результати спостережень піддаються статистичній і спектральній обробці і використовуються для проведення комплексного еколого- геофізичного аналізу, в тому числі для аналізу і прогнозування впливу фізичних характеристик атмосфери на біосиситеми і людські організми.

Література

В.А. Богославский, А.Г. Жигалин, В.К Хмелевской . Экологическая геофизика . Изд. Московского Университета. 2000г.