6.4. Эколого-геофизические исследования техногенного загрязнения подземных вод и нижних слоев атмосферы

6.4.1. Изучение техногенного загрязнения подземных вод. При формировании комплекса геофизических исследовании для изучения экологически опасного техногенного (геохимического) загрязнения подземных вод основной целью исследований является получение информации о гидрогеологических условиях загрязнения, об источниках загрязнения, изменении качества вод, его воздействии на экосистемы, биоту и здоровье людей, о границах и динамике распространения загрязнения. Предусматривается несколько стадий исследований, на которых меняются состав геофизического комплекса, последовательность работ и методы интерпретации (табл. 6.2).

На первой стадии исследований задачей геофизического комплекса является расчленение разреза и выявление естественных границ потока подземных вод. В случае региональных исследований специальных полевых работ не проводится: выполняется направленная переинтерпретация дистанционной и фондовой геолого-геофизической информации, имеющейся в данном районе. Используются данные аэрокосмических съемок (КФС, АФС, ТАС), региональных геофизических исследований (гравимагниторазведка, МТЗ, ЧЗ, ДЭЗ и др.), частично дополняемые региональными данными скважинной геофизики (см. разд. 4.3, 4.4).

176

При средне- и крупномасштабном картировании ведутся полевые работы с использованием комплекса наземных методов, включающего электроразведку (ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, ЗСБ, ЭП, ЕП), сейсморазведку (МПВ), аквальные геофизические исследования, а также геофизические исследования в скважинах (методы КС, ПС, гамма-каротаж (ГК) - в терригенном разрезе; КС, боковой каротаж (БК, ГК), акустический каротаж (АК) - в карбонатном разрезе). Указанный комплекс позволяет расчленить зону аэрации, определить уровень грунтовых вод, оценить глубину залегания и мощность водоносных горизонтов и водоупоров, качественно оценить изменчивость фильтрационных свойств разреза.

На второй стадии исследований геофизические методы призваны обосновать геофильтрационную схему потока. Их основной задачей является изучение структуры потока, границ и граничных условий, а также геофильтрационных параметров, зависящих от емкости и проницаемости пород. Применяется комплекс пешеходных аквальных геофизических наблюдений ("русловая геофизика"), дополняемый дистанционными данными и наземными электроразведочными исследованиями (ВЭЗ, ЭП, ЕП) (см. п. 4.4.4). Результаты совместного анализа получаемых данных позволяют выявить участки загрязнения поверхностных и подземных вод, определить наличие гидрогеологических "окон" в водоупорных породах, наметить участки гидрогеологических работ на водотоках и сеть наблюдательных скважин.

При изучении геофильтрационных параметров водовмещающих и разделяющих толщ используется комплекс наземных электроразведочных (ВЭЗ, КВЭЗ, ЕП) и скважинных исследований (см. п. 4.4.4). В этот комплекс помимо методов, перечисленных выше, включаются дополнительно индукционный каротаж (ИК) для терригенных отложений; боковое каротажное зондирование (БКЗ), плотностной гамма-гамма-каротаж (ГТК-П) и нейтронный гамма-каротаж (НГК) для карбонатных коллекторов (см. табл. 4.3), а также резистивиметрия, расходометрия, метод "заряженного" тела (МЗТ) (см. п. 4.4.6). Совместная интерпретация данных электроразведки и каротажа скважин дает возможность получить интегральные и дискретные качественные и количественные характеристики фильтрационной неоднородности разреза, оценить характер взаимодействия отдельных водоносных горизонтов. На основании этих данных строятся первичные геофильтрационные модели объектов с загрязнением подземных вод.

Последняя стадия исследований связана с определением границ распространения загрязнителя и оценкой их изменения во времени.

177

178

179

Рис. 6.6. Результаты комплексных наземных и скважинных исследований при изучении загрязнения подземных вод на артезианском водозаборе в Мордовии (Огильви, 1990):
вверху - графики ρ_К; внизу - разрез, построенный по данным скважинных и наземных электрометрических наблюдений; 1 - 14 - номера скважин; а - песчано-глинистые отложения с прослоями песка; б - продуктивный известняковый горизонт; в - глинистый водоупор; г - доломитизированные известняки; д - доломиты; е - зоны загрязнения пресных вод минерализованными; ж - направление движения воды

Состав геофизического комплекса зависит от физических свойств загрязнителя. Если загрязнение подземных вод резко меняет их минерализацию, радиоактивность или температуру, использование скважинного геофизического комплекса (КС, ГК, резистивиметрия, расходометрия, РМ, МЗТ) позволяет получить детальную пространственно-временную характеристику процесса загрязнения и рассчитать изменение концентрации загрязнителя (см. разд. 4.1). Дополнительную информацию о параметрах загрязненного потока подземных вод дают дистанционные (АФС, ТАС, МЗ) и наземные геофизические методы (ВЭЗ, ЕП, приповерхностная термометрия, расходометрия), а также комплекс "русловой геофизики" в акваториях рек и озер (см. разд. 4.3, 4.4). Приведем пример применения комплексных геофизических исследований на одном из артезианских водозаборов в Мордовии, предпринятых для оценки опасности загрязнения пресных вод продуктивной толщи известняков минерализованными водами, поступающими из напорного водоносного горизонта в доломитах среднего карбона (рис. 6.6). Указанные водоносные горизонты разделены водоупорной пачкой глинистых пород, однако

180

сохранность водоупора по площади изменчива. Одной из задач наземных и скважинных геофизических исследований было установление в разрезе границы между пресными и минерализованными водами и определение участков, где плохая сохранность водоупорных пород способствует поступлению напорных вод среднего карбона в верхний водоносный горизонт. По данным электропрофилирования удалось выделить несколько участков пониженных значений удельных электрических сопротивлений перекрывающей толщи. Предположения, что эти аномалии связаны с проникновением в верхний водоносный горизонт вод повышенной минерализации, были подтверждены измерением электрического сопротивления воды и определением вертикальных ее скоростей в буровых скважинах. Так, в скважинах 4, 10, 11, 12 в пределах верхнего и нижнего водоносных горизонтов, помимо горизонтальной фильтрации, были зафиксированы вертикальные перемещения воды со скоростью 10 - 30 мм/с.

Особое значение для изучения загрязнения подземных и поверхностных вод имеют методы оценки техногенного воздействия, оказываемого выбросами продуктов промышленной переработки из технических сетей, отходами сельскохозяйственного производства, утечками из отстойников очистных сооружений и др. В последние годы для этой цели успешно применяется малоглубинный геофизический комплекс, включающий методы "русловой геофизики", наземную электроразведку и гидрохимическое опробование (см. п. 4.4.4).

Проиллюстрируем возможности этого комплекса примером конкретных исследований, выполненных вблизи очистных сооружений, расположенных на речных террасах р. Москвы (рис. 6.7). Качество воды р. Москвы, идущей на водоснабжение г. Москвы, в существенной степени определяется химическим составом грунтовых вод, разгружающихся в реку. Между тем именно речные террасы р. Москвы, сложенные сравнительно хорошо проницаемыми грунтами, содержат грунтовые воды. Целью геофизических исследований было установление факта утечки сточных вод из бассейнов-отстойников очистных сооружений и поступления их в реку в качестве загрязнителя. Необходимо было определить участки инфильтрации этих вод в дне и в стенках бассейнов и места их разгрузки в русле реки, а также проследить путь переноса их в толще пород на участке от очистных сооружений к реке. Решение задачи осуществлялось комплексом геофизических методов, включающим наземную съемку потенциала естественного электрического поля (метод ЕП) и "русловую геофизику". Работы проводились непосредственно в

181

Рис. 6.7. Результаты комплексных эколого-геофизических исследований при изучении влияния очистных сооружений на загрязнение подземных и поверхностных вод:
вверху - карта фильтрационных потенциалов (ΔU_ЕП) естественного электрического поля; внизу - графики изменений ΔU_ЕП (в мВ), Т (в °С), ρ_в (в Ом · м) по профилю АБ; 1, 2 - отрицательные и положительные аномалии Δ U_ЕП в очистных сооружениях; 3 - эквипотенциали естественного поля на участке поймы; 4 - предполагаемое направление потока загрязненных вод; 5 - линии максимального градиента естественного поля; 6 - содержание хлор-иона (в мг/л) в придонном слое речной воды

бассейнах-отстойниках очистных сооружений, в русле р. Москвы, а также (наземные наблюдения) на участке поймы реки, примыкающем к очистным сооружениям.

Результаты исследований представлены на рис. 6.7 в виде карты остаточных аномалий ЕП на участке бассейнов-отстойников очистных сооружений, карты потенциала ЕП для участка, в пределах которого производились наземные работы методом ЕП, и графиков изменения вдоль профиля наблюдения величины приращения потенциала ЕП ΔU_ЕП, температуры донных отложений Т и удельного электрического сопротивления воды рв. Отрицательные аномалии ЕП в бассейнах свидетельствуют о наличии утечки сточных вод в этих бассейнах, показывая, что инфильтрация осуществляется как через дно, так и

182

через стенки бассейнов. Вполне вероятно, что значительная часть инфильтрата движется в сторону реки, где положительные аномалии на графиках ΔU_ЕП свидетельствуют о наличии разгрузки грунтовых вод. Участок разгрузки слегка смещен вниз по течению реки относительно очистных сооружений. Он пространственно совпадает с аномалиями температуры и удельного электрического сопротивления воды, что свидетельствует о более высокой температуре и минерализации техногенного флюида по сравнению с фоном. По данным гидрохимического опробования, указанные аномалии подтверждаются повышенным содержанием хлоридов.

Таким образом, комплексные геофизические и гидрогеологические исследования на очистных сооружениях показали, что конструкция очистных сооружений допускает инфильтрацию сточных вод в дно и стенки бассейнов-отстойников с последующей разгрузкой этих вод в русло реки. Грунтовый поток от очистных сооружений к реке характеризуется высокой интенсивностью, достаточной для нарушения естественного гидродинамического и гидрохимического режима фильтрации. Воды, разгружающиеся в русло реки, имеют более высокую по сравнению с фоновыми значениями температуру и минерализацию, что подтверждает их техногенное происхождение и дает основание говорить об очистных сооружениях как об источнике значительного загрязнения подземных и речных вод.

Помимо развития целевого комплексирования геофизических методов в настоящее время идет интенсивное совершенствование старых, хорошо известных геофизических методов контроля загрязнения подземных вод. В частности, получила дополнительное теоретическое обоснование методика интерпретации вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) для выделения скрытых локальных очагов загрязнения подземной гидросферы на нефтепромыслах. В настоящее время интерпретация ВЭЗ обычно ведется на качественном уровне.

183