Biuletyn Informacyjny 1/2008 BADANIA GEOFIZYCZNE DLA POTRZEB ROZPOZNAWANIA I MONITOROWANIA GEOZAGROŻEŃ RYSZARD BIAŁOSTOCKI, JAN FARBISZ, G. PACANOWSKI Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych sp. z o.o., ul. Jagiellońska 76, 03-301 Warszawa e-mail: j.farbisz@pbg.com.pl; g.pacanowski@pbg.com.pl Abstrakt Artykuł przedstawia wyniki badań geofizycznych wykonanych w celu rozpoznania oraz monitorowania zagrożeń środowiska geologicznego. Artykuł ilustrowany jest przykładami pochodzącymi z dokumentacji prac, realizowanych przez Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych. Słowa kluczowe geozagrożenia, geofizyka, geoekologia, ochrona środowiska Abstract The article contains the description of shallow geophysical investigations performed for recognition and monitoring of geohazards. Presented examples are taken from documentation of surveys performed by PBG Geophysical Exploration Co. Key words: geohazards, geophysics, geo-ecology, environmental protection Stały postęp cywilizacyjny w coraz większym stopniu i pod różną postacią powoduje wzrost oddziaływania na środowisko naturalne i jego zasoby. W rezultacie środowisko naturalne podlega dodatkowym zmianom, przy czym w krótszym lub dłuższym okresie czasu, zmiany te na ogół są dla środowiska naturalnego niekorzystne. Wobec istniejących wzajemnych powiązań pomiędzy człowiekiem, a elementami środowiska naturalnego, zmiany te mogą w konsekwencji obrócić sie przeciwko człowiekowi, tak więc każdą próbę oddziaływania człowieka na środowisko należy traktować jako potencjalne źródło zagrożenia środowiska. Geozagrożenia to polski odpowiednik popularnego w literaturze naukowej angielskiego słowa geohazards. W Polsce nie zdarzają się wprawdzie tak spektakularne katastrofy naturalne jak trzęsienia ziemi czy tsunami, pochłaniające tysiące ofiar, nie mamy także w kraju czynnych wulkanów, jednakże działają inne procesy geologiczne, powodujące straty gospodarcze, a czasami odbierające życie (www.pgi.gov.pl). Geozagrożenia, czyli zagrożenia środowiska geologicznego, mogą mieć charakter naturalny jak i być wywołane działalnością człowieka. Możemy je podzielić na trzy grupy: 1
Badania geofizyczne... 1. wywołane drastycznymi zmianami reżimu hydrologicznego i hydrogeologicznego 2. wywołane zmianami chemizmu środowiska gruntowo-wodnego 3. wywołane przekroczeniem krytycznych wartości naprężeń w górotworze, skutkujące ruchami masowymi Zjawiska te mogą występować samodzielnie, jak i w interakcji ze sobą (np. zmiany reżimu hydrogeologicznego, a naprężenie w górotworze). Walka z nimi polega na ich wykrywaniu, rozpoznawaniu rozmiarów, ograniczaniu bądź likwidowaniu, a także na likwidowaniu skutków katastrof, do jakich dochodzi w środowisku. Ryc. 1. Mapa rozkładu oporności elektrycznej na głębokości około 10 m, na podstawie badań metodą sondowań geoelektrycznych-elektrooporowych (SGE) prowadzonych wokół zbiornika Żelazny Most, największego w Europie składowiska odpadów poflotacyjnych zagłębia miedziowego. Badania otoczenia zbiornika prowadzone są od 1981 roku do chwili obecnej, w związku ze stwierdzoną ekspansją wysoko zmineralizowanych wód na jego przedpola. Głównym celem badań jest prognozowanie ekspansji wód skażonych na podstawie danych z powtarzanych serii pomiarowych SGE w ustalonych cyklach czasowych, umożliwiających identyfikację infiltracji wód zmineralizowanych w utworach piaszczysto-żwirowych poprzez stwierdzenie obniżania się oporności pierwotnie wysokooporowych warstw. Do precyzyjnego okonturowania stref skażenia wokół zbiornika wykorzystywane są obecnie profilowania elektromagnetyczne, jednakże z przestrzennego punktu widzenia pomiary metodą tomografii elektrooporowej ERT dałyby lepsze efekty (Białostocki R., Farbisz J., 2007). 2
R. Białostocki, J. Farbisz, G. Pacanowski Na każdym etapie walki z wszelkiego rodzaju geozagrożeniami, zastosowanie znajdują geofizyczne metody badań środowiska gruntowo-wodnego. Pozwalają one na otrzymanie informacji niemożliwych do uzyskania samymi tylko metodami inwazyjnymi (w tym wierceniami), a także wpływają na ograniczenie zakresu wierceń. Jedną z najważniejszych cech badań geofizycznych jest ich bezinwazyjność. Ryc. 2. Wynik badań metodą sondowań geoelektrycznych-elektrooporowych (SGE) prowadzonych w rejonie składowiska płuczki powiertniczej w Chwalimiu. Badania przeprowadzono dla celów stwierdzenia ewentualnych wycieków wysokozasolonej płuczki ze składowiska i określenia stopnia zagrożenia okolicznych ujęć wody pitnej. Mapa i przekroje geoelektryczne prezentują geofizyczny obraz warunków hydrogeologicznych terenu posadowienia składowiska. Ujawniają powstały wyciek solanki, odzwierciedlający się anomalną strefą niskoooporową. Rozprzestrzenianie się skażenia implikuje rozmieszczenie kompleksów wysokooporowych, odzwierciedlających warstwy przepuszczalnych osadów piaszczysto-żwirowych. Rozkład wartości oporności pozornych na mapie, wskazuje na wypłycanie się od południa stropu niskooporowych, nieprzepuszczalnych iłów trzeciorzędowych, czyli istnienie naturalnej bariery dla ekspansji skażenia w tym kierunku. Objaśnienia do rysunku: I: przepuszczalne utwory ilasto-żwirowe; II: słabo przepuszczalne gliny, gliny piaszczyste; III. nieprzepuszczalne ilasto-mułkowe utwory trzeciorzędu; IV: strefa infiltracji zasolonej płuczki do warstwy wodonośnej (Farbisz E., 1995) Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych (PBG) zajmuje się tak zdefiniowaną problematyką geozagrożeń od co najmniej czterdziestu lat. W ciągu ostatnich lat wdrożono w PBG rozpoznawanie i monitorowanie geozagrożeń bezinwazyjnymi metodami geofizycznymi, takimi jak: sondowania geoelektryczne-elektrooporowe (SGE), tomografia 3
Badania geofizyczne... elektrooporowa (ERT), profilowania georadarowe (GPR), profilowania konduktometryczne (EM), a także metodę atmogechemiczną. Metody te znalazły zastosowanie w badaniach i monitorowaniu stref skażenia środowiska gruntowo-wodnego, w badaniach stanu wałów przeciwpowodziowych i zapór wodnych, w badaniach stabilności skarp i osuwisk czyli wszędzie tam, gdzie mogą występować geozagrożenia zdefiniowane powyżej. Zastosowanie metod płytkiej (środowiskowej) geofizyki w powiązaniu z innymi metodami fizykochemicznymi, wierceniami, analizami laboratoryjnymi oraz wiedzą z zakresu kartografii geologicznej i hydrogeologicznej, pozwala na kompleksowe, opłacalne, bezpieczne i wiarygodne rozpoznanie i monitorowanie stanu środowiska geologicznego. Wykonanie badań geofizycznych powinno zatem poprzedzać wszelkiego rodzaju decyzje inwestycyjne, dotyczące zabudowy i rolniczego wykorzystania gruntów (np. zmiany chemizmu gruntów w wyniku nawożenia i zasilania przez wody podziemne), lokalizacji składowisk odpadów przemysłowych (stan zanieczyszczenia wód podziemnych i gruntów w ich otoczeniu), regulacji stosunków wodnych, ochrony przeciwpowodziowej i budowy obiektów hydroenergetycznych i energetyki (w tym jądrowej), górnictwa odkrywkowego i podziemnego. Ryc. 3. Wyniki badań metodą profilowań konduktometrycznych/elektromagnetycznych (EM) przeprowadzonych na terenie starej gazowni, dla celów rozpoznania i zinwentaryzowania zalegających w gruncie zbiorników ze smołami pogazowymi, stanowiącymi potencjalne źródło zanieczyszczenia gruntu i wód podziemnych. W ramach prowadzonych badań, w strefach anomalnych, typowanych również na podstawie oceny makroskopowej zanieczyszczeń w rdzeniu, pobrano próbki gruntu do szczegółowych badań geochemicznych. Ocenę stopnia zanieczyszczenia gruntu zaznaczono w profilach wierceń czerwoną zygzakowatą linią; większa amplituda linii oznacza większe, rejestrowane makroskopowo zanieczyszczenie rdzenia (Pacanowski G. et al., 2007). 4
R. Białostocki, J. Farbisz, G. Pacanowski Dla rozwiązywania problemów odnoszących się do geozagrożeń stosowane jest tradycyjne i często w Polsce spotykane podejście, polegające na preferowaniu wierceń jako metody badawczej. Na ogół udział kosztów wierceń w całkowitym koszcie badań jest dość wysoki. Wiercenia dają wprawdzie bezpośrednie, ale tylko punktowe rozpoznanie miejsc, w których zostały one wykonane. W takiej sytuacji nie zawsze możliwy jest rozsądny kompromis pomiędzy dążeniem do minimalizacji kosztów badań, z jednoczesną maksymalizacją gęstości rozpoznania, w odniesieniu do lokalnych, często skomplikowanych warunków ośrodka gruntowo wodnego. Ryc. 4. Przekrój georadarowy (GPR) z badań przeprowadzonych na obszarze skażenia produktami naftowymi na skutek awarii podziemnego ropociągu. Badania wykonano kilka miesięcy po stwierdzeniu awarii (Musiatewicz M., Pacanowski G., 2005). Stwierdzono, że w sprzyjających warunkach, dzięki znacznemu zróżnicowaniu oporności elektrycznej utworów zawierających węglowodory od utworów zawierających wodę, na przetworzonych przekrojach georadarowych można w sposób wyraźny zaznaczyć strefy skażenia gruntu, co pozwoliło na zlokalizowanie przestrzeni skażonej, a nawet wyznaczenie jej granice (Marcak H., 2001; Musiatewicz M., Pacanowski G., 2005). Zastosowanie metod geofizycznych i szczegółowość otrzymanych za ich pomocą informacji, pozwala na zredukowanie zakresu prac wiertniczych na badanym obszarze, poprzez wskazanie optymalnej lokalizacji wierceń. Wiąże się to zarówno z podwyższeniem 5
Badania geofizyczne... wiarygodności wyników badań i obniżeniem kosztów prac, jak też, w przypadku zanieczyszczeń, eliminuje możliwość przypadkowego pozostawienia ognisk skażenia, co może nastąpić przy pokryciu badanego obszaru dużą ilością otworów badawczych, zwłaszcza gdy wykonuje się szeroki zakres wierceń na obszarze, gdzie występują interakcje pomiędzy zmianami reżimu hydrogeologicznego, ruchami masowymi i obecnością skażeń gruntu. 0 40 80 120 160 200 240 280 320 340 (m) 370 otwór wiertniczy Przekrój geoelektrycznyelektroopornościowy 350 330 310 oporność (omm) 290 10 20 30 50 70 100 150 200 500 Przekrój sejsmiczny 370 350 330 310 290 0 40 80 120 160 200 240 280 320 340 (m) gliny i rumosze skalne silnie spękany i naruszony masyw skalny lite skalne podłoże Ryc. 5. Optymalnym zestawem metod geofizycznych dla rozpoznania obszarów osuwiskowych są metody: sejsmiczna refrakcyjna i geoelektryczna elektrooporowa, oparte na różnych podstawach fizycznych i dobrane tak, by zróżnicowanie mierzonych parametrów fizycznych było możliwie ściśle związane ze zróżnicowaniem geologicznym badanego ośrodka. Rycina prezentuje wynik badań przeprowadzonych metodą tomografii elektrooporowej (ERT) i sejsmiki refrakcyjnej, wykonanych w celu uszczegółowienia rozpoznania obszarów osuwiskowych na trasie przełożenia linii kolejowej (Bestyński Z., Pacanowski G., 2007) 6
R. Białostocki, J. Farbisz, G. Pacanowski Ryc. 6. Wynik badań metodą tomografii elektrooporowej (ERT) wzdłuż odcinka wału przeciwpowodziowego (Kostrzyń n. Odrą), przeprowadzonych dla oceny szczelność ekranu hydroizolacyjnego i lokalizacji miejsc wymagających dodatkowego uszczelnienia (Z. Bestyński et al., 2008). Badania prowadzono w seriach pomiarowych przed i po wykonaniu prac uszczelniających, w celu potwierdzenia ich skuteczności na podstawie zarejestrowanego zróżnicowania oporności elektrycznej gruntu budującego obwałowanie i materiału tworzącego przesłonę. Ocena skuteczności prac uszczelniających oparta jest na względnych zmianach i zróżnicowaniu oporności ośrodka. Pomiary przed rozpoczęciem prac uszczelniających, stanowią poziom odniesienia dla pomiarów wykonanych po ich zakończeniu. Stopień spadku oporności elektrycznej ośrodka po uszczelnieniu, w sposób jakościowy określa skuteczność uszczelnienia, a jej zróżnicowanie jednorodność i ciągłość przesłony. Wprowadzanie do obwałowania materiału ilastego obniża w sposób istotny oporności jakie rejestrują się w kolejnym etapie pomiarów. Dlatego prace geofizyczne zaleca się przed i po pracach uszczelniających. Do realizacji zadania wykorzystano badania geoelektryczne-elektrooporowe z tomograficznym odwzorowaniem rozkładu oporności elektrycznej w płaszczyźnie przesłony. Stwierdzono, że obwałowania przeciwpowodziowe wykonane z miejscowego materiału piaszczysto-żwirowego mogą nie spełniać swojego zadania w przypadku dłuższych wezbrań powodziowych i wymagają uszczelnienia. Jedną z metod uszczelnienia jest iniekcja uszczelniającego materiału gliniasto-ilastego z otworów usytuowanych wzdłuż korony obwałowania. W efekcie prac uszczelniających w korpusie obwałowania powinna powstać ciągła przesłona zbudowana z materiału nieprzepuszczalnego. Wymaganie to często nie jest spełnione z powodu niejednorodności materiału budującego obwałowanie. 7
Badania geofizyczne... W każdym przypadku udział metod geofizycznych w badaniach środowiska pod kątem rozpoznawania geozagrożeń ma kapitalne znaczenie. Przy stosunkowo niewielkich kosztach współcześnie stosowane, najnowsze technologie geofizyczne, w zakresie badań elektrooporowych i elektromagnetycznych, cechują sie zdolnością niemal ciągłego rozpoznania ośrodka geologicznego, z bardzo wysoką rozdzielczością. Pozwalają na korelację informacji pozyskanej przy pomocy nawet bardzo rzadkiej siatki wierceń i tym samym na budowę szczegółowych modeli badanego ośrodka w ujęciu dwu i trójwymiarowym, precyzyjną lokalizację i określenie rozmiarów stref geozagrożeń, a także monitorowanie zmian stanu środowiska geologicznego. LITERATURA Bestyński Z., Pacanowski G., 2007. Dokumentacja badań geofizycznych na trasie przełożenia linii kolejowej Kraków-Sucha Beskidzka, na odcinku Stryszów-Zembrzyce. Bestyński Z., Hrabowski W., Pacanowski G, 2008. Evaluating the sealing efficiency of flood embankments with the use of geophysical methods. Materiały konferencyjne. 14th Meeting Meeting of Environmental and Engineering Geophysics, EAGE. Kraków, 2008. Białostocki R., Farbisz J., 2007. Badania geoelektryczne-elektrooporowe. Stan aktualny i możliwości wykorzystania wyników., Nr 1/2007 (5). Wyd. PBG. Farbisz E., 1995, Dokumentacja badań geoelektrycznych wykonanych w rejonie składowiska płuczki powierniczej w Chwalimiu. Archiwum PBG Oddział Wrocław. Marcak H., 2001. Lokalizacja zanieczyszczeń gruntu materiałami ropopochodnymi przy użyciu metod geofizycznych. Geofizyka w inżynierii i ochronie środowiska dla potrzeb samorządności lokalnej. Musiatewicz M., Pacanowski G., 2005. Środowiskowe badania geofizyczne z wykorzystaniem tomografii elektrooporowej i geordaru., Nr 1/2005 (5). Wyd. PBG. Pacanowski G., Ładoń A., W. Irmiński, 2007. Wykonanie ekspertyzy geotechnicznej w celu rozpoznania i zinwentaryzowania znajdujących się stale w gruncie podziemnych zbiorników ze smołami pogazowymi jako potencjalnego źródła zanieczyszczenia gruntu i wód. PBG Warszawa. www.pgi.gov.pl; Geozagrożenia ciemna strona sił natury. Strona internetowa Państwowego Instytutu Geologicznego, Warszawa. 8