CC BY
21
УДК 550.4.02, 550.379
DOI: 10.183 03/2618-981X-2018-4-3 02-309
ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОГЕННОГО ОТВАЛА ПО ДАННЫМ ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ И ПРЯМЫХ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Кристина Юрьевна Тулисова
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант, тел. (913)796-68-48, e-mail: Tulisova.christina@gmail.com
Татьяна Алексеевна Кулешова
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант, тел. (953)794-94-98, e-mail: Kuleshova.nstu@gmail.com
Наталия Викторовна Юркевич
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доцент кафедры геофизических систем; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, тел. (383)363-91-94, e-mail: YurkevichNV@ipgg.sbras.ru
Приводятся результаты лабораторных экспериментов по определению взаимосвязи между удельным электрическим сопротивлением, полученным методом микро-электротомографии, удельной электропроводностью по данным прямых кондуктометрических измерений на примере растворов разной минерализации (0-15 г/л) и модели техногенного отвала, содержащего отходы Урского золоторудного месторождения. Разница между измеренными значениями по данным электротомографии и кондуктометрии при различной минерализации раствора колеблется от 16 до 22 %, что позволяет использовать данную схему микрозондирования для проведения малообъемного лабораторного моделирования.
Ключевые слова: хвостохранилище, электротомография, лабораторный эксперимент, переработка.
GEOELECTRIC MODEL OF TECHNOGENIC TAILING DUMP BY ELECTROMOGRAPHY DATA AND DIRECT CONDUKTOMETRIC MEASUREMENTS
Kristina Y. Tulisova
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Graduate, phone: (913)796-68-48, e-mail: Tulisova.christina@gmail.com
Tatyana A. Kuleshova
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Graduate, phone: (953)794-94-98, e-mail: Kuleshova.nstu@gmail.com
Nataliya V. Yurkevich
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Researcher; Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Associate Professor, Department of Geophysical Systems; Novosibirsk National Research State University, 2, Pirogova St., Novosibirsk, 630073, Russia, phone: (383)363-91-94, e-mail: YurkevichNV@ipgg.sbras.ru
The results of laboratory experiments to determine the relationship between the specific electrical resistance (SER) obtained by the micro-Electrical Resistivity Tomography (micro-ERT), the specific electrical conductivity from the data of direct conductometric measurements on the example of solutions with mineralization 0-15 g /L and the model of technogenic dump containing the tailings of the Ursky gold ore deposit are presented. The difference between the measured values from the micro-ERT data and conductometry for different solutions varies from 16 to 22 %, which allows using this microsounding for a small-scale laboratory simulation.
Key words: mine tailings, electrical resistivity tomography, laboratory experiment, recycling.
Проблема влияния хвостохранилищ горнорудного производства на окружающую среду будет актуальна, пока существуют предприятия, создающие их, и пока очистные сооружения не станут обязательными условиями в обращении с отходами [1, 2]. Постоянно возрастающие объемы складируемых отходов формируют новые техногенные ландшафты, которые становятся интенсивными источниками пылеобразования и дренажных стоков, содержащих металлы, мышьяк и другие токсичные элементы. Одним из перспективных подходов к изучению состава хвостохранилищ является электроразведка, позволяющая оптимизировать систему мониторинга техногенных систем [3, 4, 5]. Цель работы - установление взаимосвязи между электрофизическими и геохимическими параметрами среды сульфидсодержащих отходов на примере отвала Урского золоторудного месторождения с применением лабораторного моделирования. Техногенный отвал, расположенный в пос. Урск Кемеровской области, образован в 30-х годах прошлого века. Исходное вещество отходов хвостохранилища, взятое для лабораторного эксперимента, представлено двумя типами «песка»: рыжим «окисленным» неоднородным материалом с включениями гравия и темно-серым «первичным» однородным песком с отчетливым запахом серной кислоты. Были проведены две серии экспериментов:
1) Определение удельного электрического сопротивления (УЭС) водной среды с добавлением соли NaCl. Эксперимент произведен для «калибровки» метода электротомографии в однородной среде.
Для проведения эксперимента использован контейнер из плексигласа размерами 110х40х38 см, заполненный водопроводной водой объемом 67.7 литров, куда последовательно добавлялись порции кристаллического NaCl, раствор перемешивался, сопротивления среды измерялись двумя методами: микро-электротомографией на приборе «Скала-48» и кондуктометрией при помощи прибора «Cond 315i». Эксперимент проводился в 6 этапов при 25 0 С с концентрациями NaCl в водном растворе: 0, 1, 2, 5, 10, 15 г/л путем последовательного добавления навесок NaCl в аквариум с водой: 0, 70, 70, 195, 335, 335 г соответственно.
2) Эксперимент по взаимодействию отходов Урского отвала с дистиллированной водой был поставлен для выявления геоэлектрической зональности отходов различной степени окисленности и обводненности с помощью методов электротомографии, кондуктометрии и потенциометрии.
Для его проведения использован контейнер из плексигласа (рис. 1), который заполнили пенопластом, чтобы искусственно воссоздать неровности слоев почвы; дно засыпали гравием для обеспечения дренажа; далее положили слой кварцевого песка; после были добавлены сульфидные пески: серый первичный и рыжий окисленный.
Рис. 1. Экспериментальная модель среды
В данный контейнер раз в неделю добавлялась порция дистиллированной воды. После добавления производились измерения удельного электрического сопротивления, рН и электропроводности. Кроме того, отбирали пробы дренажного раствора для последующего измерения концентраций макро-катионов, анионов и микроэлементов.
Для проведения микро-электротомографии использовалась электроразведочная коса длиной 69 см с 24 медными электродами, расположенными с шагом 3 см. В процессе измерений использовалась установка «Шлюмберже». Фильтрация данных проведена в программе Siber Tools [6]. Основной критерий - удаление «выбросов» из «облака» кривых зондирования. Обработка данных проведена с применением программы Res2DInv.
По результатам микро-электротомографии, выполненной при помощи прибора «Скала-48» [6], сопротивления среды в объеме контейнера, заполненного водопроводной водой, распределены относительно равномерно (рис. 2, А). Прибор произвел 150 прямых измерений, из которых найдено среднее значение УЭС 30 Омм. С помощью кондуктометра «Cond 315i» [7] получена удельная электропроводность - % = 430 мкСм/см или 25 Омм.
По данным электротомографии среднее УЭС при концентрации раствора NaCl 1 г/л снизилось по сравнению с водопроводной водой почти в 5 раз и составило 6.2 Омм по данным электротомографии, 4.8 Омм - по результатам кондуктометрии.
По мере добавления NaCl растет электропроводность, сопротивление среды падает. И при двукратном увеличении концентрации раствора NaCl до 2 г/л
сопротивление среды снижается в 2 раза и по данным электротомографии составляет в среднем 3.5 Омм (2.7 Омм по результатам кондуктометрии), при этом УЭС в объеме контейнера распределено неравномерно (рис. 2, Б).
Аналогичным образом при дальнейшем добавлении NaCl электропроводность раствора растет, сопротивление среды снижается, что отражается на геоэлектрических разрезах по данным электротомографии и кондуктометрических замеров. При этом с ростом минерализации усиливается неравномерность распределения УЭС, и появляются аномалии по бортам контейнера (рис. 2, Б, В, Г).
При увеличении концентрации NaCl до 15 г/л (масса NaCl в воде составляет 1005 г) на геоэлектрическом разрезе видно, что сопротивления среды распределены относительно равномерно с небольшими аномалиями по краям. По результатам микроэлектротомографии и кондуктометрии УЭС составляют около 0.5 Ом-м (рис. 2, Д).
Разница между измеренными значениями по данным электротомографии и кондуктометрии при различной минерализации раствора колеблется от 16 до 22 %.
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Рис. 2. Изменение геоэлектрического разреза в ходе эксперимента с водопроводной водой при концентрациях NaCl 0-15 г/л
Итак, в ходе эксперимента при постепенном добавлении NaCl электропроводность среды растет, сопротивление падает, что находит отражение в результатах электротомографических и кондуктометрических замеров. Геоэлектрические разрезы для водопроводной воды и раствора NaCl 15 г/л демонстрируют относительно равномерное распределение УЭС, в растворах с промежуточными концентрациями соли проявляются аномалии у стенок, УЭС распределены неравномерно.
В ходе сравнения полученных результатов со значениями литературного источника [8] установлено, что экспериментальные данные близки к справочным для температуры 20 0 С.
В эксперименте по взаимодействию отходов отвала с дистиллированной водой (при соотношении вода:порода (В:П) равном 0) электрическая проводимость вещества естественной влажности составляет % = 0.2 мкСм/см или 200 Омм для первичного сульфидного песка; % = 2 мкСм/см или 5 Омм для окисленного материала и % = 0.1 мкСм/см или 10 Омм для кварцевого песка.
После добавления первой порции дистиллированной воды до соотношения В : П = 0.2, сопротивления среды в объеме контейнера распределены неравномерно и находятся в большом диапазоне значений от 1 Омм до 15 000 Омм (рис. 3, А). Наименьшие сопротивления (1 Омм - 30 Ом^м) соответствуют сульфидным пескам, расположенным в верхней части геоэлектрического разреза на глубине 0-5 см. Горизонт, в котором расположен кварцевый песок, характеризуется сопротивлениями от 30 до 1 300 Омм. Слой непроводящего гравия на дне модели имеет сопротивление от 1 00 до 15 000 Омм.
При добавлении следующей порции воды до соотношения В : П = 0.5 мощность поверхностного проводящего слоя увеличивается, граница между низкоомным горизонтом сульфидных песков и подстилающим кварцевым песком сдвигается вниз по глубине разреза, что, вероятно, указывает на равномерное просачивание проводящего дренажного раствора по всему объему контейнера (рис. 3, Б, В). УЭС серого сульфидного песка по данным кондуктометрии снижается до 2 Омм по сравнению с исходными значениями (200 Ом^м). Сопротивление кварцевого песка при добавлении воды составляет 7 Омм, что существенно ниже, чем в исходном «сухом» состоянии за счет пропитывания проводящим дренажным раствором. Значение рН дренажного раствора, выходящего на границе между сульфидным слоем и кварцевым песком, составило 1.5 ед. при температуре Т = 19 С.
При соотношении В : П = 0.7 в левой части контейнера наблюдается низ-коомная аномальная область, связанная с искусственным наклоном рельефа, что приводит к стеканию раствора в левую часть и скоплению воды на поверхности. Как раз под этим скоплением расположены наиболее проводящие слои. Формируется канал миграции раствора в левую часть разреза. Проводимость нижнего подстилающего гравийного горизонта существенно увеличивается, это подтверждается данными геоэлектрического разреза (рис. 3, Г), что связано с миграцией дренажного раствора по глубине за счет инфильтрации. УЭС серого сульфидного песка по данным кондуктометрии снижается до 8 Омм по сравнению с исходными значениями (200 Ом^м). Сопротивление кварцевого песка при добавлении воды - 8 Омм, что существенно ниже, чем в исходном «сухом» состоянии за счет пропитывания проводящим дренажным раствором. рН дренажного раствора в конце эксперимента - 1.75 ед. при температуре Т = 20,5 С.
А. ВЛ=0.2
О
1111111111 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6
В ВЛ=0.5
0__1__1__1_1
0 2 8 29 101 352 1232 4303 15037
Рис. 3. Изменение геоэлектрического разреза в ходе эксперимента по взаимодействию Урских отходов с дистиллированной водой при соотношениях В : П = 0.2 (А), 0.5 сразу после добавления воды (Б), 0.5 через неделю после добавления воды (В), 0.7 (Г)
Эксперимент с №С1 позволил считать метод электротомографии достоверным для проведения аналогичных измерений на модели отвала. Исследование взаимодействия вещества Урского хвостохранилища с дистиллированной водой в лабораторных условиях показало, что с увеличением соотношения «вода : порода» удельное электрическое сопротивление среды снижается и по данным электротомографии, и кондуктометрии. На геоэлектрическом разрезе сопротивления среды распределены неравномерно при малых соотношениях вода - порода (В : П). С ростом соотношения В : П горизонты с низкими сопротивлениями определяются на больших глубинах, чем в начале эксперимента.
Появляется аномалия по сопротивлению, связанная с неровностями поверхности экспериментальной среды. Самый нижний горизонт (модель коренных пород) становится более проводящим в конце эксперимента за счет увлажнения дренажным раствором, образующимся в верхних горизонтах при взаимодействии отходов с водой.
Электротомографические измерения позволяют определить области распространения кислого дренажа от сульфидсодержащих отходов обогащения руд Урского месторождения. В вертикальном направлении происходит просачивание дренажных потоков в коренные породы.
Разница между измеренными значениями по данным электротомографии и кондуктометрии при различной минерализации раствора колеблется от 16 до 22 %, что позволяет с известной достоверностью использовать данную схему микрозондирования для проведения малообъемного лабораторного моделирования.
Работа выполнена в рамках проекта НИР ИНГГ СО РАН IX 138.3.1 и при финансовой поддержке гранта фонда Президента РФ № МК-6654.2016.5.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бортникова С. Б., Гаськова О. Л., Айриянц А. А. Техногенные озера: формирование, развитие и влияние на окружающую среду. - Новосибирск : Изд-во СО РАН филиал ГЕО, 2003. - 120 с.
2. Kossoff D. et al. Mine tailings dams: characteristics, failure, environmental impacts, and remediation // Applied Geochemistry. - 2014. - Т. 51. - P. 229-245.
3. Bortnikova S., Manstein Y., Saeva O., Yurkevich N., Gaskova O., Bessonova E., Romanov R., Ermolaeva N., Chernuhin V., Reutsky A. Acid mine drainage migration of Belovo zinc plant (South Siberia. Russia): multidisciplinary study // Water Security in the Mediterranean Region. NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security - Springer, Dordrecht, 2011. - С. 191-208.
4. Bortnikova S., Yurkevich N., Bessonova E., Karin Y., Saeva O. The combination of Geoelectrical Measurements and Hydro-Geochemical Studies for the Evaluation of Groundwater Pollution in Mining Tailings Areas. The Handbook of Environmental Chemistry. - Springer, Berlin, Heidelberg, 2013. - С. 239-256. ISSN: 1867-979X (Print) 1616-864X (Online). DOI: 10.1007/698_2013_234. 2013
5. Yurkevich N. V., Saeva O. P., Karin Y. G. Geochemical anomalies in two sulfide-bearing waste disposal areas: Fe, Cu, Zn, Cd, Pb, and As in contaminated waters and snow, Kemerovo and Chelyabinsk regions, Russia // Toxicological & Environmental Chemistry. - 2015. - V. 97. - I. 1. -Р. 1 -14.
6. Балков Е. В., Панин Г. Л., Манштейн Ю. А., Манштейн А. К., Белобородов В. А. Электротомография: аппаратура, методика и опыт применения - ИНГГ СО РАН, 2012. -13 с.
7. Smart R., Skinner W. M., Levay G., Gerson A. R., Thomas J. E., Sobieraj H., Stewart W. A. ARD test handbook: Project P387, A prediction and kinetic control of acid mine drainage // AMIRA, International Ltd, Ian Wark Research Institute, Melbourne, Australia - 2002.
8. Номоконова Г. Г., Петрофизика, Удельное электрическое сопротивление пластовых вод. - Томск : Изд-во ТПУ, 2008.
REFERENCES
1. Bortnikova S. B., Gas'kova O. L., Ajriyanc A. A. Tekhnogennye ozera: formirovanie, razvitie i vliyanie na okruzhayushchuyu sredu. - Novosibirsk : Izd-vo SO RAN filial GEO, 2003. -120 s.
2. Kossoff D. et al. Mine tailings dams: characteristics, failure, environmental impacts, and remediation // Applied Geochemistry. - 2014. - T. 51. - P. 229-245.
3. Bortnikova S., Manstein Y., Saeva O., Yurkevich N., Gaskova O., Bessonova E., Romanov R., Ermolaeva N., Chernuhin V., Reutsky A. Acid mine drainage migration of Belovo zinc plant (South Siberia. Russia): multidisciplinary study // Water Security in the Mediterranean Region. NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security - Springer, Dordrecht, 2011. - S. 191-208.
4. Bortnikova S., Yurkevich N., Bessonova E., Karin Y., Saeva O. The combination of Geoelectrical Measurements and Hydro-Geochemical Studies for the Evaluation of Groundwater Pollution in Mining Tailings Areas. The Handbook of Environmental Chemistry. - Springer, Berlin, Heidelberg, 2013. - S. 239-256. ISSN: 1867-979X (Print) 1616-864X (Online). DOI: 10.1007/698_2013_234. 2013
5. Yurkevich N. V., Saeva O. P., Karin Y. G. Geochemical anomalies in two sulfide-bearing waste disposal areas: Fe, Cu, Zn, Cd, Pb, and As in contaminated waters and snow, Kemerovo and Chelyabinsk regions, Russia // Toxicological & Environmental Chemistry. - 2015. - V. 97. - I. 1. -Р. 1-14.
6. Balkov E. V., Panin G. L., Manshtejn Yu. A., Manshtejn A. K., Beloborodov V. A. Elektrotomografiya: apparatura, metodika i opyt primeneniya - INGG SO RAN, 2012. - 13 s.
7. Smart R., Skinner W. M., Levay G., Gerson A. R., Thomas J. E., Sobieraj H., Stewart W. A. ARD test handbook: Project P387, A prediction and kinetic control of acid mine drainage // AMIRA, International Ltd, Ian Wark Research Institute, Melbourne, Australia - 2002.
8. Nomokonova G. G., Petrofizika, Udel'noe elektricheskoe soprotivlenie plastovyh vod. -Tomsk : Izd-vo TPU, 2008.
© К. Ю. Тулисова, Т. А. Кулешова, Н. В. Юркевич, 2018
