Badania geoelektryczne rozprzestrzeniania się wód skażonych chemicznie ze składowiska odpadów poflotacyjnych Żelazny Most

Transkrypt

1 Mat. Symp. str Janusz ANTONIUK *, Jerzy W. MOŚCICKI *, Krzysztof JANICKI ** * Akademia Górniczo Hutnicza, Kraków ** KGHM Polska Miedź S.A., Lubin Badania geoelektryczne rozprzestrzeniania się wód skażonych chemicznie ze składowiska odpadów poflotacyjnych Żelazny Most Streszczenie Przedstawiono zastosowanie metod geoelektrycznych do badania i monitorowania stanu środowiska geologicznego w otoczeniu składowisk odpadów przemysłowych. Metodyka badań dostosowywana jest do warunków geologicznych oraz do rozmiarów i charakterystyki składowiska. Opisano wyniki badań przeprowadzonych w rejonie zbiornika osadnikowego Żelazny Most (KGHM) w celu wykrycia i skartowania stref filtracji skażonych wód podziemnych na przedpolu składowiska. 1. Wprowadzenie Składowiska odpadów przemysłowych (hałdy, mogilniki, osadniki) wywierają negatywny wpływ na otaczające je środowisko geologiczne. Wody z opadów atmosferycznych a niekiedy wody gruntowe filtrując przez nagromadzony na wysypiskach materiał, ługują z niego rozpuszczalne składniki, osiągając wysoki stopień mineralizacji. Wody te przenikając do warstw wodonośnych zmieniają naturalne warunki hydrochemiczne. Podobne efekty wywołuje przenikanie do środowiska hydrogeologicznego skażonych wód ze zbiorników osadnikowych, w których składowane są na mokro odpady przemysłowe. Proces filtracji skażonych wód podziemnych w otoczeniu wyżej wymienionych obiektów jest zazwyczaj śledzony poprzez pobieranie próbek wody ze specjalnie w tym celu wykonanych otworów piezometrycznych i przeprowadzanie analiz chemicznych tych próbek. Jest to metoda pozwalająca bezpośrednio określić koncentrację i skład chemiczny zanieczyszczeń. Jednakże, w pewnych okolicznościach, wadą tej metody jest jej lokalny charakter wynik odnosi się do miejsca usytuowania otworu. Przy skomplikowanej budowie geologicznej nie jest realne wykonanie takiej ilości otworów, by otrzymać obraz krążenia wód narzucony przez przestrzenny rozkład przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych skał. Dlatego też, bardzo ważnym uzupełnieniem bezpośrednich pomiarów hydrogeologicznych prowadzonych w otworach, są pomiary geoelektryczne wykonywane na powierzchni ziemi. Badania geoelektryczne pozwalają obserwować przestrzenną migrację skażeń w wodach podziemnych w sposób pośredni poprzez śledzenie zmian przewodności (oporności) elektrycznej ośrodka hydrogeologicznego. Zmiany te wywoływane są zmianami chemizmu wód podziemnych. Należy zaznaczyć, że na podstawie badań geoelektrycznych można szacować wyłącznie wielkość mineralizacji ogólnej (sumaryczną ilość rozpuszczonych w wodzie związków chemicznych) a nie ma możliwości określenia składu chemicznego. Najlepsze efekty w badaniu skażeń chemicznych środowiska 383

2 J. ANTONIUK, J. W. MOŚCICKI, K. JANICKI Badania geoelektryczne rozprzestrzeniania... geologicznego daje łączne stosowanie obu wymienionych metod. Na etapie projektowania składowisk i systemów drenażu odcieków z takich obiektów, badania geofizyczne powinny wyprzedzać prace wiertnicze. Wcześniejsze rozpoznanie budowy geologicznej metodami geofizycznymi umożliwia optymalną lokalizację otworów piezometrycznych służących do kontroli stanu środowiska hydrogeologicznego. 2. Cel badań geoelektrycznych prowadzonych w otoczeniu składowisk odpadów przemysłowych Badania geoelektryczne mogą być stosowane do rozwiązywania następujących zadań: a) Kartowanie aureoli zanieczyszczonych wód podziemnych wokół ogniska skażeń; - wykrywanie miejsc przenikania wód skażonych z obiektów stanowiących ogniska skażeń, - określanie zasięgu strefy zanieczyszczonych wód, - rozpoznanie, w wybranych punktach tej strefy, profili geologicznych (litologia, głębokość - występowania zwierciadła wody, miąższość warstwy wodonośnej i mineralizacja ogólna wody), - wyznaczenie profili i stanowisk pomiarowych do prowadzenia monitoringu. b) Monitorowanie przemieszczania się frontu wód skażonych. Migracja zanieczyszczeń w ośrodku hydrogeologicznym jest na ogół procesem bardzo powolnym w porównaniu z czasem potrzebnym na dokonanie pomiarów geoelektrycznych. Monitoring geoelektryczny najczęściej jest prowadzony w seriach pomiarowych powtarzanych co pewien czas na zastabilizowanych profilach czy punktach obserwacyjnych. Zmiany w rozkładzie przewodności określane co kilka miesięcy czy lat, odzwierciedlają kolejne fazy dynamicznego procesu rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń; c) Rozpoznawanie budowy geologicznej przed frontem wód skażonych i w wybranych miejscach wewnątrz aureoli. Umożliwia to prognozowanie kierunków dalszej migracji zanieczyszczeń oraz prawidłowy wybór lokalizacji studni drenażowych i otworów piezometrycznych. 3. Metodyka badań Autorzy publikacji od kilkunastu lat prowadzą badania, w których do rozpoznawania i monitoringu stanu środowiska hydrogeologicznego wokół ognisk skażeń chemicznych wykorzystują zestaw powierzchniowych i penetracyjnych metod geoelektrycznych, obejmujący: a) dipolowe profilowania indukcyjne (electromagnetic terrain conductivity measurements) aparaturą EM34-3 Geonics [3,4,5,7]; b) pomiary elektrooporowe w wersjach: - sondowań azymutalnych układami trójelektrodowymi [3,5,7]; - profilowań wielopoziomowych układami trój- i czteroelektrodowymi [2,3,4,5,8]; - tomografii elektrooporowej (resistivity imaging) [2,3,6,7,]; c) geoelektryczne badania penetracyjne (GBP) wykonywane przy pomocy sond geoelektrycznych wbijanych w luźne utwory skalne [1,3,5]; d) pomiary (in situ) przewodności elektrycznej wody w otworach piezometrycznych i w ciekach powierzchniowych [5]. Opracowana metodyka badań zakłada dużą elastyczność w doborze ilościowym wymienionych metod geoelektrycznych. Zakres ich wykorzystania zależny jest od etapu badań, charakterystyki i rozmiarów składowiska oraz od budowy geologicznej obszaru, na którym zlokalizowany jest obiekt. 384

3 Bardzo często w pierwszej fazie prac stosowane są dipolowe profilowania indukcyjne w celu zlokalizowania wycieków skażeń z czaszy składowiska a następnie skartowania zasięgu jęzorów skażonych wód wnikających w przedpole. Mierzona w trakcie profilowań indukcyjnych tzw. przewodność pozorna jest wpadkową przewodnością elektryczna zależną od przestrzennego rozkładu utworów geologicznych występujących w polu widzenia układu pomiarowego. W przedstawianym w pkt. 4 przykładzie badań pomiary prowadzono przy użyciu aparatury Geonics EM34-3 i układu HD (horyzontalnych dipoli) o rozstawie 40 m. Układ ten umożliwia penetrację ośrodka geologicznego do głębokości około 30 m. Mówiąc o głębokości penetracji układu HD40 należy wyjaśnić, że szacunkowo na wartość mierzonej przewodności pozornej w 80% wpływają przewodności skał występujących pomiędzy powierzchnią terenu a głębokością 30 m. Pozostałe 20 % to wpływ ośrodka leżącego poniżej 30 m. Krok profilowania wynosił 5 m. W drugiej fazie badań geoelektrycznych przeprowadzane jest rozpoznanie profili głębokościowych w wybranych miejscach, zarówno w obrębie strefy wód skażonych jak i przed jej frontem. Badania te polegają na wydzieleniu w profilu warstw i przeprowadzeniu ich geologicznej identyfikacji, wyznaczeniu głębokości występowania zwierciadła wody, miąższości warstwy wodonośnej i oszacowanie mineralizacji ogólnej wody. Do badania profilów głębokościowych wykorzystane są sondowania elektrooporowe i geoelektryczne badania penetracyjne (GBP) przy pomocy sond wciskanych w luźne utwory skalne. Należy zaznaczyć, że sondowania elektrooporowe dostarczają danych zgeneralizowanych, natomiast badania penetracyjne (GBP) umożliwiają określanie bardzo szczegółowego profilu (wydzielenie warstw nawet o kilkucentymetrowej miąższości) [2]. 4. Przykład badań - składowisko odpadów poflotacyjnych Żelazny Most Centralną część składowiska Żelazny Most (KGKM) zajmuje zbiornik osadnikowy gromadzący około 12,5 mln m 3 wody o mineralizacji ogólnej dochodzącej do 20 g/dm 3. Część tych wód przenika przez zapory ziemne i podłoże zbiornika. W otoczeniu zbiornika obserwowany jest ciągły i niemożliwy do całkowitego powstrzymania ruch wód skażonych. Złożona budowa geologiczna powoduje, że aureola skażonych wód wokół składowiska ma bardzo skomplikowaną przestrzenną formę, zależną od rozmieszczenia przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych utworów geologicznych. Wody skażone wnikają w przedpole składowiska na różnych głębokościach i na różną odległość od zapory zbiornika. Prędkość ich przemieszczania się, podobnie jak zasięg, w otoczeniu opisywanego obiektu jest bardzo zróżnicowana. Poniżej przedstawiono wyniki badań geoelektrycznych przeprowadzonych pomiędzy zachodnią zaporą zbiornika a zabudowaniami wsi Tarnówek. Powodem podjęcia badań było pojawienie się w pobliżu wsi rozlewiska skażonych wód w zagłębieniu terenu nad rzeczką Żdżerowitą. Rozważano kwestię, czy wody te filtrują z samego zbiornika osadnikowego oddalonego od rozlewiska o około 1000 m, czy też z ewentualnego pęknięcia rurociągu z wodami skażonymi przepompowanymi z zbiornika? Tak więc należało ustalić przyczynę i miejsce wycieku oraz skartować granice (strefę) rozprzestrzenienia się skażonych wód. Badania geoelektryczne rozpoczęto od wykonania dipolowych profilowań indukcyjnych na obszarze pomiędzy potencjalnym ogniskiem skażeń zbiornikiem osadnikowym a stwierdzonym wypływem słonych wód na powierzchnię terenu (rozlewisko nad Żdżerowitą). Lokalizacja profili pomiarowych, stanowisk sondowań elektrooporowych i GBP oraz miejsce występowania rozlewiska pokazane są na rysunku 4.1. Mapa przewodności pozornej wykreślona 385

4 J. ANTONIUK, J. W. MOŚCICKI, K. JANICKI Badania geoelektryczne rozprzestrzeniania... w oparciu o wartości uzyskane z profilowań indukcyjnych przedstawiona jest na rysunku 4.2. Analizując przebieg izolinii na tej mapie oraz biorąc pod uwagę bezwzględne wartości przewodności pozornej można wyciągać wnioski odnośnie budowy geologicznej i systemu krążenia skażonych wód podziemnych. Rys Lokalizacja badań geoelektrycznych na przedpolu składowiska Żelazny Most Fig Foreland of western dam of the Żelazny Most settlement reservoir. Location of geoelectric survey 386

5 Rys Mapa przewodności pozornej na podstawie badań indukcyjnych na przedpolu zachodniej zapory zbiornika Żelazny Most Fig Apparent conductivity contours based on EM34-3 survey. Foreland of western damp of the Żelazny Most settlement reservoir 387

6 J. ANTONIUK, J. W. MOŚCICKI, K. JANICKI Badania geoelektryczne rozprzestrzeniania... Na mapie zaznaczył się jęzor skażonych wód podziemnych ciągnący się od samej zapory aż po rzeczkę Żdżerowitę i obejmujący wspomniane wcześniej rozlewisko. Świadczy to o migracji skażeń bezpośrednio ze zbiornika a nie z podziemnego rurociągu. Na południe od głównego jęzora widoczny jest na mapie drugi, znacznie mniejszy, który można traktować jako jego boczną odnogę. Generalnie można przyjąć, że w tym przypadku, kształt i zasięg strefy wód skażonych odzwierciedla na mapie przebieg izolinii 60 ms/m. Należy zaznaczyć, że w opisywanym rejonie dość harakterystyczną cechą jest występowanie struktur o kształcie rynien czy rur, wypełnionych utworami przepuszczalnymi (piaski, żwiry), leżących wśród nieprzepuszczalnych utworów czwartorzędowych (gliny, iły). Dlatego też strefy filtracji skażonych wód na przedpolu zbiornika osadnikowego bardzo często przyjmują kształt jęzorów, których długość znacznie przewyższa rozmiary poprzeczne. Zazwyczaj osie tych struktur mają przebieg zbliżony do kierunku równoleżnikowego. Poza opisanymi jęzorami mapa przewodności pozornej odzwierciedla jeszcze inne, nie analizowane w tej pracy elementy budowy geologicznej związane głównie z przestrzennym rozkładem glin i utworów piaszczystożwirowych. W dalszej fazie badań geoelektrycznych, w wybranych na podstawie profilowań indukcyjnych miejscach, wykonano sondowania elektrooporowe i geoelektryczne badania penetracyjne (GBP). Umożliwiło to rozpoznanie w tych miejscach głębokościowych profilów geologicznych i określenie pionowego rozkładu skażeń. Na rysunku 4.3 przedstawiono fragment mapy przewodności pozornej (rys. 4.2) i wyniki sondowań elektrooporowych W28 i W17. Pierwsze z nich zlokalizowano na osi głównego jęzora skażonych wód, przy jego najbardziej wysuniętym, zachodnim krańcu. Z wyinterpretowanego profilu geoelektrycznego widać, że od powierzchni terenu do głębokości 9 m występują utwory o bardzo małych opornościach, które należy identyfikować z piaskami nasyconymi skażonymi wodami o wysokiej mineralizacji (12 15 g/dm 3 ). Poniżej zawodnionych piasków występuje ośrodek o oporności 20 m, który można utożsamiać z utworami ilastymi. Drugie sondowanie, W17, zostało wykonane w centrum mniejszej, lokalnej anomalii, wyodrębniającej się z głównego jęzora. Tu również stwierdzono występowanie warstwy piaszczystej z skażonymi wodami (od powierzchni do głębokości 7 m). Na rysunku 4.4. zestawiono wyniki geoelektrycznych badań penetracyjnych (GBP) wykonanych w dwóch różnych miejscach, oznaczonych na mapie przewodności pozornej symbolami GBP-4 i GBP-2 (rys. 4.2.). Pierwsze ze stanowisk pomiarowych zlokalizowano osi jęzora skażonych wód podziemnych, drugie (GBP-2) w miejscu, które według przeprowadzonej interpretacji profilowań indukcyjnych znajdowało się poza jęzorem (w pobliżu jego północnej granicy). Badania te miały szczegółowo rozpoznać w wybranych miejscach głębokościowe profile geologiczne a tym samym zweryfikować koncepcję budowy geologicznej tego rejonu ustaloną na podstawie profilowań indukcyjnych. Wykresy GBP przedstawiają rozkład oporności pozornej w funkcji głębokości pogrążenia sondy pomiarowej pod powierzchnią terenu. Na podstawie analizy wykresu dla GBP-4 można stwierdzić, że od powierzchni terenu do głębokości 8,5 m występują piaski stanowiące kolektor wód. Położenie zwierciadła wody w piaskach zaznaczyło się na wykresie bardzo wyraźnym spadkiem oporności od wartości przekraczających 1000 m (w strefie aeracji ) do około 100 m na głębokości około 0,8 m. Od poziomu h =1,5 m obserwuje się charakterystyczny, stopniowy spadek oporności, związany zapewne ze wzrostem mineralizacji z głębokością. Przy powierzchni ziemi skażone wody są rozcieńczane przez opady atmosferyczne. Od głębokości 5 m pod powierzchnią terenu rejestrowano oporności 2 2,5 m, co wskazuje na ustabilizowaną i wysoką mineralizację (>12 g/dm 3 ) wód nasycających piaski. 388

7 Rys Lokalizacja i wyniki sondowań elektrooporowych Fig Location and results of resistivity soundings 389

8 J. ANTONIUK, J. W. MOŚCICKI, K. JANICKI Badania geoelektryczne rozprzestrzeniania... Rys Wyniki geoelektrycznych badań penetracyjnych Fig Results of penetrometer-based geoelectric investigations Na głębokości około 8,5 m sonda pomiarowa weszła w gliny. Zaznaczyło się to na wykresie GBP wzrostem oporności od 2 2,5 m (piaski z wodą skażoną) na głębokości 8,4 m do m (gliny) na 9,6 m. Ten stopniowy wzrost oporności na odcinku 1,2 m może świadczyć o przenikaniu skażonych wód w niżej leżącą warstwę glin, być może zapiaszczoną w partii stropowej. Drugi z zestawionych na rysunku 4.3 wykresów, GBP-2, wskazuje na obecność od powierzchni do głębokości około 10 m dość jednorodnych utworów, które na podstawie oporności (13 20 m) można określać jako gliny. Poniżej głębokości 10 m widoczny jest wzrost oporności do 40 m, co może odpowiadać glinom piaszczystym. Tak więc, została potwierdzona koncepcja budowy geologicznej ustalona na podstawie profilowań 390

9 indukcyjnych. Zakładała ona występowanie wśród glin struktury rynnowej piaskami, w które wnikają wody skażone ze zbiornika osadnikowego. wypełnionej 5. Podsumowanie Badania geoelektryczne są skutecznym narzędziem w rozpoznawaniu stanu wód podziemnych w otoczeniu ognisk skażeń chemicznych takich jak składowiska odpadów przemysłowych. Efektywność badań geoelektrycznych jest wysoka w przypadku zastosowania zestawu wzajemnie uzupełniających się metod powierzchniowych i penetracyjnych (opisanych w artykule). Adaptacja metodyki badań do konkretnego problemu, wykonywanie pomiarów oraz powiązanie wyników interpretacji geofizycznej z danymi geologicznymi i hydrogeologicznymi wymaga jednakże dużego doświadczenia. Literatura [1] Antoniuk J., Mościcki J. 1994: Metoda penetracyjnego profilowania oporności elektrycznej przykłady zastosowań. Przegląd Geologiczny, vol. 42, nr 10 (498), Wyd. PIG, [2] Antoniuk J., Czajka K., Madej J., Mościcki J. 1997: Wykorzystanie metod geofizycznych w problematyce projektowania, modernizacji i użytkowania składowisk odpadów. [3] Materiały Szkoły Gospodarki Odpadami Rytro 1997, AGH, PAN, [4] Antoniuk J., Mościcki W. J. 2001: Metody geoelektryczne w badaniach i ochronie środowiska geologicznego poddanego antropopresji. W Geofizyka w Inżynierii i Ochronie Środowiska marzec Dębe 2001 r., mat. Konferencyjne, [5] Antoniuk J. 2001: Problem wprowadzania poprawek do pomierzonych wartości przewodności pozornej przy niskoczęstotliwościowych, dipolowych profilowaniach indukcyjnych. GEOLOGIA, Tom 27, Zeszyt 2-4, [6] Antoniuk J. 2002: Monitoring geoelektryczny zanieczyszczonych chemicznie wód podziemnych. Publs. Inst. Geophys., Pol. Acad. Sc., M-27 (352), [7] Mościcki W. J., Antoniuk J. 1999: Metodyka obrazowania elektrooporowego (resistivity imaging) Przykład badań dla celów geologiczno-inżynierskich. Geofizyka w Geologii, Górnictwie i Ochronie Środowiska, V Konferencja Naukowo-Techniczna, Kraków, [8] Mościcki W. J. Antoniuk J. 2002: Zastosowanie metod geoelektrycznych w badaniach związanych z ochroną środowiska geologicznego. Publs. Inst. Geophys., Pol. Acad. Sc., M-27 (352), [9] Mościcki W. J Natura czasowych zmian oporności elektrycznej przypowierzchniowych utworów geologicznych w warunkach występowania szkód wywołanych podziemną eksploatacją górniczą. Publs. Inst. Geophys., Pol. Acad. Sc., M-27 (352), Geoelectric investigations of migration of chemically-polluted waters from the post-flotation settlement reservoir Żelazny Most The application of geoelectric methods to examination and monitoring of the natural environment in the vicinity of industrial waste sites is presented. The investigation techniques were adjusted to the geology of the surroundings as well as the size and character of the waste site. The paper presents results of investigations carried out to detect and map the extent of polluted-water infiltration zones in the vicinity of the Żelazny Most settlement reservoir. Przekazano: 20 marca 2003 r. 391