CC BY
22
УДК 550.37
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ЭКОГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ НА ТЕРРИТОРИЯХ РАЗМЕЩЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ
© 2011 г. В.Е. Закруткин, Н.Е. Фоменко, Д.А. Гапонов
Южный федеральный университет, Southern Federal University,
ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090,
dek_geo@sfedu.ru dek_geo@sfedu.ru
Эколого-геофизические исследования выполнены на шламонакопителе Таганрогского металлургического завода с использованием методов ЕП, электропотенцильного томографического зондирования, резистивиметрии, магнитометрии и гамма-съёмки. Установлено наличие фильтрационных процессов сквозь шлаковую дамбу в Таганрогский залив и нижележащие горизонты суглинков и песков. Определён основой фронт разгрузки шламовых вод в бухту Андреева в районе лодочной станции. Показана возможность эффективного использования экогеофизических методов для выявления фильтрационных процессов на участках размещения промышленных отходов, вызванных отсутствием изоляционного экрана.
Ключевые слова: шламонакопитель, метод ЕП, электропотенциальное томографическое зондирование, рези-стивиметрия, магнитометрия, гамма-съёмка.
Ecogeophysical survey has been conducted in the slurry tank of the Taganrog Metallurgy Plant with the methods of natural electric field, electropotential tomographic sounding, resistivimetry, magnetometry and gamma-survey. It is established a presence of filtration processes through the slurry dam to the Taganrog Bay and underlying beds of loams and sands. The main front of discharge of slurry waters to the Andreev Bight in the vicinity of the boat station is established. This paper demonstrates a possibility of efficient application of ecogeophysical approach for the purposes of evaluation of filtration processes, initiated by a lack of isolation screen, on plots of industrial waste storage.
Keywords: slurry tank, natural electric field method, electro-potential topographic sounding, resistivimetry, magnitome-try, gamma-prospecting.
Ежегодно в России образуется более 3,5 млрд т отходов. Большая их часть относится к IV-V классам опасности (малоопасным и практически неопасным) и возникает при добыче и переработке полезных ископаемых. Среди последних наибольший вклад вносят металлургические шлаки, золошлаки и минеральные шламы. В результате низкой степени вторичного использования и обезвреживания значительное количество накопленных отходов находится на промышленных площадках предприятий, занимая огромные площади. На конец 2009 г. на территориях, принадлежащих предприятиям, размещено 31,8 млрд т отходов [1].
Одним из крупнейших предприятий металлургической отрасли является Таганрогский металлургический завод. Согласно рейтингу журнала «Металло-снабжение и сбыт» [2], в 2010 г. он в составе Трубной металлургической компании занимал первое место среди лучших производителей труб России по объёмам поставок, качеству продукции и другим показателям. Завод основан в 1896 г., и за более чем столетний период на его территории, в береговой полосе Таганрогского залива, образовался шлакоотвал, внутри которого размещён шламонакопитель. Шлакоотвал имеет высоту в среднем 20 м и более над поверхностью воды. С 1961 г. после выемки части шлака для дорожно-строительных нужд образовавшиеся карьеры используются в качестве шламонакопителя. Ширина шлаковой дамбы от 70 до 150 м. Шламонакопитель состоит из 3 карт общей площадью 6,1 га. Первая и вторая карты, заполненные осадком нерастворимых соединений окислов и гидроокисей металлов, кремния, в 2006 г. были выведены из эксплуатации и подвергнуты рекультивации. Третья карта эксплуатируется в настоящее время и имеет глубину от 2 до 7 м.
В таблице показан химический состав воды и донных отложений в пределах шламонакопителя.
Химический состав воды и донных отложений
Исследуемый показатель Вода, мг/дм3 Донные отложения, г/т
Железо 14,9 202100
Цинк 12,2 36205
Свинец 0,009 3715
Марганец 0,4 917
Медь 0,008 734
Хром 0,012 479
Кадмий 0,06 185
Никель 0,035 83
Как видно из таблицы, в воде и особенно в донных отложениях зафиксированы огромные количества железа и других тяжёлых металлов, что может представлять опасность загрязнения сопредельных сред. Это вероятно, так как на дамбе отсутствует изоляционный экран, поэтому фильтрационные воды могут проникать сквозь неё в грунтовые воды и Таганрогский залив.
Цель геоэкологических исследований состояла в оценке опасности воздействия шламонакопителя на геологическую среду и поверхностные воды комплексом экогеофизических методов. Перечень основных задач включал выяснение наличия фильтрационных процессов и уточнение планового положения зон фильтрации и глубины проникновения загрязнителя.
Экогеофизические исследования состояли в изучении геоэкологической обстановки на основе анализа предшествующих работ на территориях шламона-копителей, формировании стартовой модели, выборе и опробовании методов и технологий натурных наблюдений. Комплекс методов включал измерения потенциалов постоянного естественного электрического поля (ЕП), электропотенциальное томографиче-
ское зондирование (ЭПТЗ), резистивиметрию, магниторазведку, пешеходную гамма-съёмку, химический анализ воды и донных отложений. Ситуационный план площади экогеофизических наблюдений приведен на рисунке.
Ситуационный план площади экогеофизических
наблюдений: 1 - площадные исследования; 2 - профили ЭПТЗ; 3 - точки отбора проб воды
На шлаковой дамбе произведено 440 физических наблюдений каждым из методов ЕП, магниторазведки и гамма-съёмки в масштабе 1 : 2000. Аномальность геофизических полей оценивалась путём сопоставления данных, полученных этими же методами на фоновом профиле, расположенном в 100 м севернее дамбы.
Съёмка ЕП проводилась способом градиентов потенциалов. Выбор данного способа обусловлен двумя причинами: промышленными помехами и террасиро-ванностью склона шлакоотвала.
Методика магнитометрических наблюдений сводилась к двухуровневым измерениям на каждой точке профиля на высотах 0,4 и 1,8 м от поверхности земли с целью получения градиентных значений суммарного вектора геомагнитного поля.
Методика маршрутной гамма-съёмки заключалась в регистрации мощности экспозиционной дозы у-излу-чения (МЭД) на двух уровнях: на поверхности грунта и на высоте 2 м, что позволяло оценивать у-фон приземной атмосферы и приповерхностных отложений.
Измерения технологией ЭПТЗ [3] проводились на месте отработанных карт шламонакопителя по трём профилям, а также на фоновом профиле. Всего сделано 323 замера.
Лабораторные определения воды производились методом резистивиметрии. Отбор проб выполнялся дважды в апреле и июле 2010 г. Пробы брались непосредственно из шламонакопителя, а так же из Таганрогского залива по периметру шлакоотвала и из фоновой точки, которая расположена на городском пляже в 3 км южнее объекта исследований. Резистиви-метрией проанализировано 35 проб.
Результаты исследований
Анализ поля ЕП на шлаковой дамбе показал, что его значения изменяются в диапазоне от -160 до 240 мВ при фоновых значениях 160 ^ 170 мВ. Все расчёты произведены от одной точки, расположенной в северной части дамбы у уреза воды. Отметим достаточно высокий уровень фона, связанный с расположением объекта исследования в береговой зоне. На дамбе, с учётом фоновых значений, выявлены отрицательная и положительная аномалии. Первая с амплитудой от 60 до -160 мВ приурочена к положительной форме рельефа и является, по сути, зеркальным её отражением. Такие аномалии обычно возникают при фильтрации вод в рыхлых отложениях [4]. Вторая имеет значения 180 ^ 240 мВ, расположена в юго-западной части дамбы и контролирует основную область разгрузки шламовых вод в бухту Андреева.
В геоэлектрических разрезах, полученных технологий ЭПТЗ на картах накопителя, выделяются 4 слоя. Первый - высокоомный с удельными электрическими сопротивлениями (УЭС) 50 ^ 100 Омм и мощностью от 2 до 7 м. Он соответствует шламовому материалу, перекрытому шлаковым щебнем и почвенным слоем, и характеризуется высокой степенью неоднородности. Об этом свидетельствуют многочисленные проявления C- и P-эффектов [5]. Второй имеет УЭС 10 ^ 25 Омм и мощность от 3 до 5 м. Он контролирует загрязнённый шламовыми водами массив шлаковой дамбы и подстилающий слой четвертичных суглинков. Третий при значениях УЭС 3 ^ 5 Омм и мощности от 10 до 13 м соответствует водоносным пескам четвертичного возраста. Четвёртый характеризуется УЭС 8 ^ 10 Омм и отвечает песчанистым глинам четвертичного возраста. Слои суглинков и песков загрязнены, так как их УЭС на фоновом профиле в 2 - 3 раза выше и составляют в среднем 22 и 12 Омм.
Значения УЭС воды в шламонакопителе и Таганрогском заливе отличаются в 2 - 3 раза. То же самое характерно и при сравнении с водой из бухты Андреева. Тенденция одинакова для проб, отобранных в апреле и в июле. По сопротивлению вода из бухты и залива не отличается от фоновой пробы. В апреле в основании шлаковой дамбы были обнаружены «родники». УЭС трёх отобранных проб оказались близки к значениям шламовых вод и резко отличаются от вод залива. Самые низкие значения УЭС зафиксированы в районе лодочной станции, что свидетельствуют о большей по сравнению с другими пробами концентрации загрязнителя.
Напряжённость геомагнитного поля на шлаковой дамбе характеризуется пониженными значениями (42 000 ^ 45 000 нТл) по сравнению с фоновыми (50 000 ^ 51 000 нТл). Изометрические аномалии обоих знаков на малом расстоянии друг от друга, вероятно, связаны с наличием в толще коржей и обломков металлургического производства. В отличие от природных железорудных залежей, характеризующихся, как правило, однородным термоостаточным намагничиванием рудных блоков, вектор остаточного намагничивания техногенных скоплений железа может быть ориентирован в пространстве произвольным образом. Складываясь с индукционным намагничива-
нием таких скоплений в современном поле Земли, результирующий вектор геомагнитного поля над различными частями техногенной залежи непредсказуемо изменяет свою амплитуду от 36 000 до 80 000 нТл. Возникновение вытянутой положительной аномалии на границе шламонакопителя и шлаковой дамбы может быть обусловлено двумя причинами. Во-первых, напряжённым состоянием участка дамбы в данном месте, вызванном подпором вод. Во-вторых, данная область соответствует зоне перехода от положительных значений потенциалов ЕП к отрицательным, поэтому здесь, возможно, имеет место нелинейный эффект, при котором происходит трансформация одного вида физической энергии в другую. Такие эффекты называются перекрёстными, являются результатом взаимодействия геофизических полей между собой и сопровождаются изменением эффективных геофизических характеристик среды, таких как электропроводность, магнитная проницаемость и др. [6].
Интенсивность гамма-поля для большей части дамбы весьма низкая и составляет 4 ^ 7 мкР/ч. Это объясняется практически полным отсутствием в шлаковом субстрате радиоактивных элементов. Заметное увеличение происходит лишь в районе рекультивированных карт (8 ^ 12 мкР/ч), из которых наиболее высокими значениями характеризуется первая. Распределение МЭД в воздухе аналогично тенденции для грунтов с той лишь разницей, что значение для большей части дамбы колеблется от 3,5 до 6 мкР/ч, а для отработанных карт - от 5,5 до 10. Интенсивность гамма-излучения на фоновом профиле составила 1012 мкР/ч для почв и 10,5-11 мкР/ч для воздуха. Кроме того, измеренные значения для воды в шламонакопи-теле - 4 мкР/ч.
Из вышеизложенного следует, что в результате применения комплекса экогеофизических методов установлено наличие фильтрационных процессов, вызванных отсутствием изоляционного экрана и разницей в уровнях воды в шламонакопителе и Таган-
Поступила в редакцию_
рогском заливе. Шламовые воды содержат повышенные концентрации железа и цинка и проникают до глубины 25-28 м, до первого флюидоупора. Более глубокое проникновение загрязнителя не фиксируется и в целом маловероятно вследствие того, что накопитель расположен на территории палеодолины, заполненной аллювиальными отложениями, в месте разгрузки грунтовых вод в Таганрогский залив.
Основанная область разгрузки вод из шламонако-пителя расположена в юго-западной части дамбы, в районе лодочной станции.
Мощность экспозиционной дозы шлаковой дамбы, приземного слоя воздуха и вод шламонакопителя не превышают фоновых значений.
Общий анализ проведенных наблюдений позволяет сделать вывод о достаточной эффективности применения комплекса экогеофизических методов для решения геоэкологических задач на территориях размещения промышленных отходов.
Литература
1. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2009 году». М., 2010. 528 с.
2. Рейтинг ведущих российских производителей и поставщиков металлопродукции за 1 и 2-е полугодия 2010 года. URL:http://metalinfo.ru/ru/magazme/rate/2010/2010-2 (дата обращения: 02.03.2011).
3. ФоменкоН.Е., Гапонов Д.А. Геофизический модуль в системе геоэкологического мониторинга территорий размещения промышленных и бытовых отходов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2010. № 4. С. 115 - 119.
4. Тархов А.Г., Бондаренко В.М., Никитин АА. Принципы комплексирования в разведочной геофизике. М., 1997. 221 с.
5. Геоэкологическое обследование предприятий нефтяной промышленности / под ред. В.А. Шевнина, И.Н. Мо-дина. М., 1999. 511 с.
6. Кузнецов О.Л., Богословский В.А., Кузьмина Э.Н. Эколого-геофизические исследования Московского региона М., 1995. 92 с.
30 мая 2011 г.
