Геофизические методы диагностики загрязнения подземных вод

Введение

В настоящее время активно развивается научно-прикладная ветвь геофизики - экологическая геофизика.
Все более разнообразным и глубоким становится воздействие антропогенных процессов на подземную гидросферу. Взаимодействие человека и подземной гидросферы имеет различные аспекты; среди отрицательных последствий этого взаимодействия наиболее серьезными являются загрязнение и истощение подземных вод. Острота этой проблемы возрастает в связи с загрязнением крупных рек и озер в густонаселенных странах и стремлением к переходу на водоснабжение подземными водами.
Предотвращение загрязнения и истощения подземных вод и неблагоприятных последствий от этих явлений - главная задача охраны подземных вод - нового направления гидрогеологии, развивающегося в последние годы.
Вода, которая находится в толще горных пород верхней части земной коры, (до глубины 12-16 км) в парообразном, твердом и жидком состояниях называется подземной.
Загрязнение подземных вод вызывает ухудшение их свойств и состава, ограничивающее или даже не допускающее использование подземных вод (для питьевых, хозяйственных, ирригационных и других целей). Загрязнение подземных вод происходит под влиянием как техногенных, так и естественных природных процессов. Это воздействие на подземную гидросферу может иметь как региональный, так и локальный характер.
Подземные воды являются полезным ископаемым, в процессе эксплуатации они способны возобновляться в естественных условиях, количество таких вод оценивается их запасами. Подземные воды являются одним из источников питания рек и находятся на всей территории России, статические запасы подземных вод составляют 28000 км3, а объем их естественных ресурсов приблизительно равен 787,5 км3 в год.
Иногда подземные воды способны вызвать оползни, заболачивание территорий, осадку грунта, они затрудняют ведение горных работ в шахтах, для уменьшения притока подземных вод проводят осушение месторождений, водоотлив.
На территории России известно 3367 месторождений подземных вод, из них эксплуатируется менее 50%, на хозяйственные и питьевые нужды используется около половины воды.
Цель работы является изучения геофизических методов диагностики загрязнения подземных вод.
Задачи: 1.Опридиление геофизическими методами диагностики. Методы геоэкологических исследований;
2. Изучение эколого-геофизические исследования техногенного загрязнения подземных вод и нижних слоев атмосферы. Изучение техногенного загрязнения подземных вод;
3. Выясним геофизические исследования при поисково-разведочных работах на воду;
4. Изучение загрязнений подземных вод.

1. Геофизические методы диагностики. Методы геоэкологических исследований
Геологические методы исследований – при геологических исследованиях изучаются главным образом верхние горизонты земной коры непосредственно в естественных обнажениях (выходах на поверхность Земли горных пород из-под наносов) и в обнажениях искусственных – горных выработках (за опушках, канавах, шурфах, карьерах, шахтах, буровых скважинах и др.). Для изучения глубинных частей земного шара применяются главным образом геофизические методы.
Метод (от греч. – путь исследования или познания, теория, учение) – путь к цели, способ построения и обоснования системы научного знания, совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности. Каждый из методов имеет определенные пределы своих познавательных возможностей.
По истории становления и опыту применения все методы делятся: на традиционные, новые (современные) и новейшие (перспективные). К традиционным, издавна применяемым методам относятся сравнительный, исторический, литературный и картографический методы. Сущность исторического метода заключается в сравнении состояний, между которыми происходят природные и техногенные изменения основных характеристик изучаемого объекта, либо факторов его формирующих. Разновидностью исторического метода являются палеоботанический, палеофаунистический, пале гляциологический методы, используемые для прогноза развития природной среды. Литературный метод широко применяется в геоэкологии, особенно при выполнении теоретических работ. Этим методом пользуется каждый исследователь, так как он обязан детально изучить литературу по теме исследования, использовать опыт других ученых и, не повторяя их, внести свой вклад в разработку научной проблемы. Одновременно с картами возникает и картографический метод исследования. Он заключается в создании географических и экологических карт и их изучении для оценки сложившейся ситуации. К новым методам относят геофизический, геохимический, статистический методы, аэрометоды и методы природной индикации.
Геофизический метод – это метод изучения взаимосвязей, существующих в геоэкосистемах в виде масса энергообмена методами современной физики. Первоначально этот метод использовался в гидр метеослужбе, которая уже более сотни лет ведет наблюдения за состоянием приземного слоя атмосферы и состоянием водных объектов.
Геохимический метод. Этот метод направлен на исследование миграции (переноса и перераспределения) химических элементов в природе. В связи с катастрофическим загрязнением отдельных участков природной среды этот метод является одним из основных в экологии и геоэкологии. С его помощью определяют содержание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, питьевой воде, поверхностных водах, почвах, пищевых продуктах.
Статистический метод представляет собой сбор, обработку и анализ многочисленных статистических данных по населению, производству разнообразной продукции, по использованию природных ресурсов, антропогенному воздействию на природную среду, выполнению плана природоохранных мероприятий.
Аэрометоды – методы исследования территории с помощью летательных аппаратов, к которым относят самолеты, вертолеты, планеры, воздушные шары и авиамоторные модели. К аэрометодам относят два вида работ: визуальные наблюдения и аэрофотосъемку. В настоящее время аэрометоды относят к дорогостоящим методам исследования, хотя они и позволяют намного сократить время проведения работ.
Методы природной индикации основаны на взаимосвязях природных компонентов и комплексов, позволяют определить скрытые и трудно наблюдаемые (деципиентные) природные компоненты и их свойства по визуально и непосредственно наблюдаемым (физиономическим) компонентам и их свойствам. Существует достаточно много различных методов индикации ареалов загрязнения: лихеноиндикация (индикация по лишайникам), крип индикация (индикация по мхам), дендроиндикация (индикация по древесной растительности), гляциоиндикация (индикация по льду ледников), педоиндикация (индикация по почвам) и др.
К новейшим методам исследования относят математические и космические методы, метод экспертных оценок, методы моделирования и прогнозирования и др.
Современная математизация – процесс, связанный с научно-техническим прогрессом принесший в геоэкологию ускорение сбора и обработки информации, улучшение методов ее хранения, способов получения объективных выводов. В связи с появлением большого количества персональных компьютеров стало возможным создание на их основе «электронных банков географической и экологической информации» и систем экспертных оценок для геоэкологического прогноза.
Метод экспертной оценки включает в себя определение современного состояния и прогнозирование результатов хозяйственной деятельности на окружающую природную среду, на здоровье и благополучие человека, а также выявление возможных нарушений экологической обстановки. В настоящее время все вновь вводимые в строй, и реконструируемые хозяйственные объекты проходят государственную экологическую экспертизу.
Метод моделирования – метод о посредственного практического или теоретического оперирования объектом, при котором исследуется непосредственно не сам объект, а его точная копия (модель).
Существую различные методы моделирования – картографическое, математическое, логическое, компьютерное и др

. Прогноз можно определить как разработку представлений о будущем состоянии объекта, оценку перспектив развития. Основные методы прогнозирования: логический, сравнений и аналогов, экстраполяции, интерпретации, статистический, экспертных оценок, картографический, математическое моделирование, социологический и др. Существует большая группа методов, используемых не только в геоэкологии, но и в других науках.
К общенаучным методам исследования относят анализ и синтез, индукцию и дедукцию, эксперимент, типологию, классификацию и др. Необходимо особо выделить методы инструментального (технического) контроля состояния природной среды. В настоящее время первичная информация о состоянии отдельных компонентов природной среды (атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почв и растительности) собирается в основном путем отбора проб и их последующего анализа в лабораторных условиях с помощью различного рода технических приборов. Сейчас существует достаточно много таких приборов: фотоэлектроколориметры, спектрофотометры, плазменные фотометры, хроматографы, ионом еры, нитратом еры, радиационные дозиметры и др.

2. Эколого-геофизические исследования техногенного загрязнения подземных вод и нижних слоев атмосферы. Изучение техногенного загрязнения подземных вод
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.
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 пере интерпретация 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.
При средне- и крупномасштабном картировании ведутся полевые работы с использованием комплекса наземных методов, включающего электроразведку (ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, ЗСБ, ЭП, ЕП), сейсморазведку (МПВ), шквальные 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 шквальных 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. 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, расходометре, метод "заряженного" тела (МЗТ). 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.
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, расходометре, РМ, МЗТ) позволяет получить детальную пространственно-временную характеристику процесса загрязнения и рассчитать изменение концентрации загрязнителя. Дополнительную информацию о параметрах загрязненного потока подземных вод дают дистанционные (АФС, ТАС, МЗ) и наземные геофизические методы (ВЭЗ, ЕП, приповерхностная термометрия, расходометре), а также комплекс "русловой геофизики" в акваториях рек и озер. 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.
Указанные водоносные горизонты разделены водоупорной пачкой глинистых пород, однако 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. 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.
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 мало глубинный геофизический комплекс, включающий методы "русловой геофизики", наземную электроразведку и гидрохимическое опробование.
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