CC BY
13
УДК 624 131 1
В.И. Сергеев, Т.Г. Шимко, H.A. Свиточ, H.H. Данченко
АНАЛИЗ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ВЫБОРЕ МЕСТА СКЛАДИРОВАНИЯ ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ
В статье обоснована необходимость разработки комплексного специализированного инженерно-геологического подхода к проблеме размещения хранилищ токсичных отходов В основе такого подхода лежит положение о том, что грунтовая толща ложа хранилища может служить природным геохимическим барьером на пути распространения загрязнителей из хранилища в водоносный горизонт Экранирующая способность грунтовой толщи зависит от ряда природных факторов, выделение, оценка, анализ и систематизация которых проводятся в статье Результаты предлагается отражать на карте специального инженерно-геологического районирования, где определяются участки с различными условиями защищенности подземных вод Это позволяет наиболее рационально определить место для размещения хранилища и снять ряд проблем природоохранного характера при его эксплуатации
Введение. Проблема безопасной эксплуатации хранилищ токсичных отходов является одной из наиболее актуальных при охране окружающей среды промышленных регионов В настоящее время она не имеет достаточно обоснованных и надежных решений Применяемые инженерно-геологические и технологические мероприятия, направленные на предотвращение попадания загрязнителя через грунты ложа в водоносный горизонт, часто являются дорогостоящими и не дают гарантии полной безопасности Исследования сотрудников лаборатории охраны геологической среды (ЛОГС) позволяют сделать заключение, что комплексный специализированный подход к выбору участка для размещения хранилища может способствовать рациональному (с природоохранных позиций) размещению объекта В основе такого подхода лежит положение о том, что грунтовая толща в основании хранилища может служить надежным экраном на пути переноса загрязнителя через ложе в водоносный горизонт Известно, что экранирующая способность грунтовой толщи определяется в основном ее фильтрационными и поглощающими свойствами, которые в свою очередь зависят от ряда природных факторов [Бочевер, Орадовская,1972; Гольдберг, Газда, 1984, Орадовская, 1962] Систематизация, анализ и определение значимости этих факторов составляли задачу нашей работы Результаты исследований обобщены в виде специализированной карты инженерно-геологического районирования по условиям защищенности подземных вод Картографическая форма подачи материала предлагается как наиболее информативная и наглядная, она дает возможность оценить в совокупности максимальный комплекс природных факторов
В основу работы положены практические исследования, выполненные на хвостохранилищах Коч-карской, Многовершинной, Васильковской, Мард-жанбулакской золотообогатительных фабрик, а также
Алмалыкского горнообогатительного комбината и ряда золохранилищ тепловых электростанций (Реф-тинская, Омская, Артемоваская, Красноярская )
Принципы составления специализированной инженерно-геологической карты и их обоснование
В основу составления карты положен принцип последовательного районирования, достаточно хорошо разработанный сотрудниками кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ [Голодковская, Елисеев, 1989, Попов, 1961, Трофимов и др , 1995]
В 80-е гг прошлого века сотрудниками кафедры под руководством Г М. Терешкова был составлен комплекс специализированных мелкомасштабных карт для оценки воздействия на геологическую среду предприятий горнодобывающей промышленности, транспортного строительства, гидротехнических сооружений и пр Рекомендации по составлению крупномасштабных карт для выбора оптимального участка под хранилище токсичных отходов предлагаются в настоящей работе
Районирование проводится на базе показателей, определяющих свойства фунтовой толщи как природного противофильтрационного и геохимического барьера Результатом исследований является обоснованный выбор участка под хранилище токсичных отходов с наиболее благоприятными условиями природной защищенности подземных вод.
Показатели, определяющие грунтовую толщу как экран, объединены в следующие группы I — структурно-тектоническая; II — геоморфологическая, III — литолого-фациальная, IV — инженерно-геологичес-кие процессы и явления
Систематизация показателей выполняется на основании полевых исследований, анализа фондовых и опубликованных материалов
I. Структурно-тектоническая группа. Зависимость защитных свойств грунтовой толщи от структурного положения и тектонических условий места ее формирования представлена в табл 1 Приведем характеристику каждого показателя
1-1. Динамика движения структур. 1-1-А. Известно [Шанцер, 1951], что отложения рек, пересекающих положительные воздымающиеся структуры, по составу менее дисперсные и сортированные, чем отложения рек, развитых в пределах отрицательных структур В областях развития воздымающихся структур часто отмечаются крупные трещины отрыва с оперяющими их мелкими разрывными нарушениями типа раздвига, что приводит к разуплотнению и повышенной проницаемости пород Экранирующие свойства грунтовой толщи в таких условиях неблагоприятные
1-1-Б. Отложения рек, формирующиеся в условиях опускания территории, обычно представлены тонкими сортированными осадками, выдержанными по простиранию, что способствует образованию грунтовых толщ с хорошими экранирующими свойствами
1-2. Характер залегания пород. 1-2-А. Нарушенные дислоцированные структуры характеризуются наличием большого количества трещин, выветрелостью и раздробленностью пород Для таких зон характерна повышенная фильтрационная проницаемость, а также наличие крупнозернистых, грубообломочных пород Все это дает основание считать области их развития неблагоприятными для размещения в их пределах хранилищ токсичных отходов
1-2-Б. Горизонтальное залегание пород — положительный фактор при изучении свойств грунтовой толщи в качестве экрана в случае выдержанности пород по простиранию, достаточной мощности и соответствующей дисперсности [Гольдберг, Скворцов, 1986]
1-3. Зоны разломов, их кинематика. Определение кинематики разломов является необходимым исследованием при оценке свойств грунтовой толщи как природного барьера Такие структурные нарушения, как раздвиг (1-3-Б), сброс (1-3-Г), взброс (1-3-Д), зоны пересечения и сочленения разломов (1-3-Ж), приводят к разуплотнению пород, возникновению открытых трещин или трещин с грубозернистым или брекчиевидным заполнителем Пример высокой проницаемости таких структур отмечается в ложе хвосто-хранилища Многовершинного ГОКа, где коэффициент фильтрации пород, выполняющих структуры типа раздвига и зону пересечения разломов, на порядок выше, чем в зонах нарушений типа сдвиг (1-3-А), не говоря уже о ненарушенных породах
Характерную особенность зон развития тектонических нарушений типа сдвиг можно отметить в ложе хвостохранилища Кочкарской ЗИФ Породы, выполняющие эти зоны, уплотнены и переработаны до глинистой фракции, участки их развития наименее проницаемы Расчеты времени достижения загрязнителем уровня фунтовых вод для этих зон, выполненные
Таблица 1
Оценка влияния структурно-тектонических условий на экранирующие свойства грунтовой толщи
Показатели Использование в качестве барьера*
1 Динамика движения структур А — положительные, воздымающиеся
Б — отрицательные, опускающиеся ■
2 Характеристика залегания пород А — деформированные, дислоцированные структуры —
Б — нормальное (ненарушенное) +
3 Тип тектонических движении А — сдвиг —
Б — раздвиг —
В — надвиг +
Г — сброс —
Д — взброс —
Ж — зоны пересечения разломов —
4 Наличие неотектонических движений —
* Здесь и далее плюс — положительный фактор, минус — отрицательный фактор
по методике В М Гольдберга [Гольдберг, Газда, 1984], показывают, что сложенная ими грунтовая толща является надежным противофильтрационным экраном 1-4. Наличие неотектонических подвижек. Выявление зон неотектонических подвижек на рассматриваемом этапе исследований проводится методом анализа уровней одновозрастных террас или методом повторного высокоточного нивелирования Породы в таких зонах, как правило, разуплотнены, выветрелы и трещиноваты, соответственно их нельзя рассматривать в качестве природного экрана Кроме того, наличие неотектонических подвижек может привести к резкому снижению эффективности работы противо-фильтрационных сооружений — разуплотнениям экрана, разрывам экранирующих пленок и пр Характерный пример — хвостохранилище Многовершинного ГОКа, расположенного в зоне развития блоковой разрывной тектонической деятельности. По правому борту долины, в которой находится хранилище, одновозрастные террасы расположены на различных гипсометрических уровнях Не исключено, что здесь развиты разрывные нарушения, по которым произошло разноамплитудное опускание блоков В ложе хранилища с целью предотвращения донной фильтрации был уложен суглинистый экран мощностью до 1,5 м В процессе эксплуатации по правому борту произошло разуплотнение экрана и образование воронок размыва, по которым жидкая фаза пульпы, содержащая тяжелые металлы и цианиды, транспортировалась в нижележащие аллювиальные высокопроницаемые отложения
II. Геоморфологическая группа. Изучение геоморфологических условий при выборе места для хранилища исключительно важно, так как принадлежность к
определенным элементам рельефа во многом определяет условия защищенности подземных вод (табл 2)
П-1. Характеристика элементов современного рельефа. При оценке геоморфологических условий места складирования токсичных отходов в первую очередь следует проанализировать гипсометрическую карту, из которой можно получить предварительную информацию 6 направлении поверхностного и подземного стоков, уклонах местности, участках местной разгрузки подземных вод, наличии или отсутствии неотектонических движений, наличии инженерно-гео-логических процессов и явлений (современный карст, суффозия, оползни, заболоченность)
П-1-А. При развитии эрозионных террас на дневную поверхность часто выходят коренные, в различной степени трещиноватые и выветрелые породы или древние песчано-галечные отложения Следовательно, грунтовая толща зоны аэрации на данных участках будет обладать значительной проницаемостью и невысокими поглощающими свойствами и вследствие этого не может служить природным экраном на пути загрязнителей
П-1-Б. В пределах развития аккумулятивных террас в составе аллювия обычно присутствуют тонкодисперсные суглинистые, илистые и глинистые отложения, обогащенные органикой, с низкими значениями коэффициента фильтрации Это дает основание на предварительном этапе рассматривать такие участки как благоприятные для сооружения отстойников
1-1-В Строение эрозионно-аккумулятивных террас характеризуется двухслойным разрезом, низы которого представлены более древними аллювиальными отложениями или выветрелыми трещиноватыми коренными породами Они перекрыты более молодыми аллювиальными образованиями, невыдержанными по литологическому составу и мощности Это дает основание считать такие участки проблематичными с точки зрения защищенности подземных вод
П-1-Д. Высокая пойма часто является местом расположения хранилищ золошлакового материала ТЭС Ее поверхность [Трофимов и др , 1995] характеризуется неоднородным строением, слагающие отложения обычно не выдержаны по простиранию, мощности и составу При проектировании здесь хранилищ рекомендуется тщательный геоморфологический анализ микрорельефа поймы с выделением прирусловых валов, стариц, западин и пр Характерный пример — золохранилище Омской ТЭЦ, которое находится на высокой пойме р Иртыш Геоморфологический анализ показал, что в пределах его ложа расположена система прирусловых валов, что дает основание предполагать развитие здесь проницаемых пород, преобладающих в строении зоны аэрации Следовательно, возможна фильтрация загрязнителя в грунтовые воды через ложе хранилища
П-1-Г. Конусы выноса, как правило, сложены неоднородными по составу и невыдержанными по про-
Таблица 2
Оценка влияния геоморфологических условий на экранирующие свойства грунтовой толщи*
Показатели Использование в качестве барьера
1 Современного рельефа А — терраса эрозионная —
Б — терраса аккумулятивная +
В — терраса эрозионно-аккумулятивная
Д — высокая пойма —
Г — конус выноса —
2 Древнего рельефа А — древние долины -
* См примечание к табл 1
стиранию отложениями, их нельзя рекомендовать для расположения в их пределах хранилищ токсичных отходов без дополнительных исследований
При анализе гипсометрического положения участка складирования отходов следует обращать внимание на наличие вблизи него естественных понижений рельефа (речные долины, балокки, логи) с более низкими отметками, чем уровень стоков в накопителе, так как это может привести к боковой фильтрации [Мироненко и др , 1980] Примером, подтверждающим это положение, является хранилище золошлако-вых отходов Пермской ГРЭС Здесь водораздел, сложенный аллювиальными песками, разделяет хранилище и долину ручья с более низкими абсолютными отметками, чем уровень наполнения отстойника С целью предотвращения фильтрации из ложа через водораздел в данном случае пришлось разрабатывать специальные природоохранные мероприятия
П-2. Характеристика элементов древнего рельефа. П-2-А. Древние долины, прослеживаемые в ложе хранилища, — фактор, значительно осложняющий его эксплуатацию Они обычно выполнены плохосор-тированным грубозернистым материалом с высоким коэффициентом фильтрации и могут служить "каналами", по которым загрязненный поток попадает в водоносный горизонт Время взаимодействия токсикантов с грунтом при этом резко сокращается Примером такого явления может служить хвостохранили-ще Алмалыкского ГОКа Его основание выполнено толщей слабопроницаемых лессовидных пород, обладающих значительной поглощающей способностью Однако в зоне аэрации развита широкая сеть древних погребенных саев различного возраста, глубина их залегания колеблется от 0,5 до 5 м При этом структурное положение древних ложбин таково, что в тыловой, предгорной части хранилища они расположены вблизи дневной поверхности, резко спускаются к головной дамбе и пересекают при этом уровень грунтовых вод. Следовательно, загрязнитель из хвостохрани-лища по древним эрозионным каналам перетекает в водоносный горизонт, не взаимодействуя с основной
Таблица 3
Возможность использования грунтовой толщи в качестве экрана в зависимости от ее литолого-фациальных характеристик
Показатели Использование в качестве барьера
1 Аллювий равнинных рек А — старинный +
Б — пойменный а — приречные фации —
б — внутренние фации +
В — русловой а — стрежневая фация —
б — фации отмелей +
в — фации заводей +
2 Пролювий (в основном горных рек) А — конусы выноса а — вершинная зона —
б — средняя зона —
в — фронтальная +
Б — наземные дельты низовий а — вершинная зона
б — средняя зона •
3 Делювий А — вершинная зона —
Б — центральная зона —
В — периферийная зона +
4 Элювий А — кора выветривания а — дисперсная зона +
б — обломочная зона —
в — "трещинная" зона —
Б — почвы а — черноземные, черно-земовидные, каштановые +
б — подзолистые, болотно-подзолистые, бурые, сероземы
Таблица 4
Литолого-фациальный состав аллювиальных отложений
III-1 Перстративный аллювий (формируется за счет режима и динамики потока)
III-1-А Старинный III-1-Б Пойменный III-1-B Русловой
приречные фации (а) внутренние фации (б) стрежневые фации (а) фации отмелей (б) фации заводей (в)
Супеси, суглинки, иловатые пески, богатые органикой, с поверхности торф Переслаивание алевритов, суглинков и тонкозернистых песков Суглинки и супеси без ясной слоистости Грубообло-мочный гра- вийно-галечниковый материал Пески раз-нозернис-тые промытые, косос-лоистые Илистый материал с органикой
Литолого-фациальный состав пролювиальных образований
III-2-A III-2-A-a III-2-Б-б III-2-В-в
Конусы выноса временных водотоков Вершинная зона Средняя зона Фронтальная зона
Крупнозернистые, плохосортированные пески, галька, гравий Переслаивание песков, супесей, суглинков Суглинисто-глинистые образования
толщей лессовых грунтов зоны аэрации и не испытывая их поглощающей способности
III. Литолого-фациальные факторы. Важными факторами, определяющими возможность безопасной
эксплуатации хранилища отходов, являются состав, мощность и строение грунтовой толщи, залегающей выше уровня грунтовых вод (зоны аэрации) Это определяет необходимость детального литолого-фаци-ального анализа отложений, слагающих участок размещения хранилища (табл. 3)
Благоприятно развитие фаций, представленных дисперсными, слабопроницаемыми породами, для которых характерны высокие показатели поглощающей способности К отрицательным факторам отнесено наличие фаций, сложенных плохо сортированными грубообломочными или песчаными отложениями
Остановимся подробнее на литоло-гических характеристиках различных фа-циальных групп, взяв за основу классификацию Е В Шанцера [Шанцер, 1951]
Аллювий горных рек характеризуется развитием, как правило, одной фациаль-ной разновидности — русловой Она представлена несортированным валунно-галечниковым материалом, часто с плотным гравелисто-песчано-глинистым заполнителем, кольматирующим все промежутки между крупными разностями Участки его распространения в качестве основания для хранилищ не рассматриваются
Аллювий равнинных рек имеет различный литологический состав, который определяется условиями его формирования (табл 4)
Литологический состав пролювиальных образований отличается значительной неоднородностью как по простиранию, так и по разрезу (табл. 5)
Строение и состав делювиальных образований во многом определяются их положением на склоне и составом подстилающих пород (табл 6) Элювиальные отложения обобщены в две группы коры выветривания и почвы В табл 7 приводится строение коры выветривания коренных пород, образованной за счет химического и физического разрушения пород в аридных и гумидных областях (по Г С Золотареву) [Мироненко и ДР , 1980]
Кора выветривания, формирующаяся в зоне развития многолетнемерзлых пород, представлена, как правило, щебнистым материалом с су-песчано-суглинистым заполнителем
Ш-4-Б. Почвы. Способность почв поглощать определенные элементы из фильтрующихся через них
Таблица 5
растворов зависит от их состава и условий формирования
Известно [Грунтоведение , 1983], что наибольшими емкостями обмена обладают все виды черноземов, содержащие значительное количество гу-миновых кислот и органики Адсорбция почв обусловлена значительной поверхностью дисперсных частиц, а также минеральным и органическим составом содержащихся в них коллоидных растворов [Добровольский, Никитин, 1986, 1990] Хорошо промытые почвы песчаного и супесчаного состава нельзя рассматривать в качестве природного экрана, так как они обладают низкой сорбци-онной способностью как по катионам, так и по анионам Черноземные и черноземовид-ные почвы, напротив, характеризуются высокими значениями ЕКО, их необходимо изучать в качестве поглотителей загрязнителей из промстоков Недооценка роли таких почв может привести к значительным осложнениям в эксплуатации хранилищ
В качестве примера можно привести условия работы хранилища токсичных хвостов Кочкарской ЗИФ Сброс пульпы
производился в ложе, где с поверхности развиты черноземовидные почвы мощностью до 2,0 м. В результате режимных наблюдений установлено, что поступления токсикантов через ложе в первый водоносный горизонт не отмечалось При сооружении нового хвостохранилища с поверхности ложа был полностью снят почвенный слой Проведенные сотрудниками ЛОГС исследования показали, что это привело к значительному снижению поглощающей способности грунтовой толщи в основании хвостохранилища и возможной фильтрации токсичной пульпы в водоносный горизонт В результате строители были вынуждены вернуть почвенный слой на отдельные участки ложа, что потребовало дополнительных финансовых затрат
IV. Инженерно-геологические процессы и явления. При изучении территории с целью размещения в ее пределах хранилища отходов необходима оценка любых инженерно-геологических процессов и явлений, приведенных в табл 8
Таблица
Литолого-фациальный состав делювиальных отложений
III-3 -А III-3 -Б III-3 -В
Привершинная зона Центральная зона Периферийная зона
Щебень, дресва, крупнозернистые пески Щебень, разнозернистые пески,супеси Суглинки с включением щебня и дресвы
Таблица 7
Строение коры выветривания
Зона переработки Цитологический состав
III- 4-А-а Дисперсная (полное химическое преобразование пород) Глины, суглинки и супеси выщелоченные, ожелезненные, карбонатизированные
III- 4-А-б Обломочная (с преобладанием физической дезинтеграции и частичного химического разложения) Постепенный переход супесчано-суглинистых отложений в щебнисто-песчаный и крупнообломочный материал
III- 4-А-в Трещинная (начало разложения пород по крупным трещинам) Трещиноватые породы
Таблица
Классификация процессов, по Б.М. Сергееву
Процессы
IV-1 Эндогенные
IV-1-А (Эрогенные и эпейрогенические движения земной коры, сейсмические явления, вулканизм IV-1-Б Сейсмические явления, вызванные взрывами, опускание поверхности при добычи полезных ископаемых, откачке воды и пр
IV-2 Экзогенные природные и вызванные деятельностью человека IV-3 Обусловленные характером рельефа (склоновые)
IV-2-A климатического характера IV-2-Б ветрового характера IV-2 водного характера
IV-2 А-а выветривание IV-2-A-6 криогенные и посткриогенные IV-2-Б эоловые IV-2-B-a растворение IV-2 В-б размывание IV-2 -В-в заболачивание IV-3-A обвалы IV-3-Б оползни IV-3-B осыпи
Выводы. 1. Изучение и систематизация природных факторов на стадии выбора участка для размещения хранилища токсичных отходов должны проводиться по стандартизированным наборам показателей, охарактеризованным в статье
2 Результаты анализа и систематизации стандартизированных показателей отражаются на карте специального инженерно-геологического районирования по условиям защищенности подземных вод
3 Карта может быть основанием для принятия "управляющих" решений при выборе места складирования токсичных отходов
4 Карта служит основой для последующей количественной оценки защищенности подземных вод на выделенном участке и может быть использована при разработке рекомендаций природоохранных мероприятий
5 Карта в дальнейшем может быть использована для определения мест размещения объектов геоэкологического мониторинга
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Бочевер Ф М, ОрадовскаяА С Гидрологическое обоснование защиты подземных вод и водозаборов от загрязнения М Недра, 1972
2 Голодковская Г М, Елисеев Ю Б Геологическая среда промышленных регионов М Недра, 1989
3 Гольдберг В М, Газда С Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения М Недра, 1984
4 Гольдберг ВМ, Скворцов НП Проницаемость и фильтрация в глинах М Недра, 1986
5 Грунтоведение / Под ред Е М Сергеева Изд 5-е М Изд-во МГУ, 1983
6 Добровольский ТВ, Никитин ВД Экологические функции почв М Изд-во МГУ, 1986
7 Добровольский Г В, Никитин ВД Функции почв в биосфере и экосистемах (Экологическое значение почв) М Наука, 1990
8 Мироненко ВА, Румынии В Г, У чаев В К Охрана подземных вод в горнодобывающих районах Л , 1980
9 Орадовская А Е Определение сорбционной способности грунтов в целях прогноза распространения промстоков в подземных водах // Гидрогеологические основы подземного захоронения промстоков М, 1962 С 160—174
10 Попов ИВ Инженерная геология СССР Ч I Общие основы региональной инженерной геологи М Изд-во МГУ, 1961
11 Сергеев ЕМ Инженерная геология М Изд-во МГУ,
1978
12 Трофимов В Т, Королев В А, Герасимова А С Классификация техногенных воздействий на геологическую среду//Геоэкология 1995 №5 С 96—107
13 Шанцер ЕВ Очерки учения о генетических типах континентальных осадочных образований М , 1951
Поступила в редакцию 24 04 2007
