СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПОЧВАХ И ГРУНТОВЫХ ВОДАХ
METHOD OF DETECTING CONTAMINATION IN SOILS AND GROUNDWATERS

Изобретение относится к способам геоэлектроразведки, а именно к технологии радиомагнитотеллурического (РМТ) зондирования, и может быть использовано для выявления и оконтуривания загрязнений в почвах и грунтовых водах.
В настоящее время актуальной задачей является изучение потенциально загрязненных территорий, выявление загрязнений, вызванных утечками со свалок, токсичными сбросами, бытовыми и промышленными отходами, содержащими, в частности, тяжелые металлы, углеводородные вещества и прочее, в том числе погребенных загрязнений, расположенных в местах закрытого или законсервированного производства.
Для исследования потенциально загрязненных территорий перспективным является использование методов геоэлектроразведки, основанных на том, что загрязненные участки проявляются, как участки с измененными электрическими свойствами на фоне незагрязненных пород и характеризуются пониженным и иногда - повышенным удельным электрическим сопротивлением.
Так, известен способ геоэлектроразведки, применяемый, в частности, для выявления области распространения техногенно загрязненных подземных вод [2340918], основанный на изучении электросопротивления участков геологической среды.
Согласно данному способу используют источник электрического поля, к одной клемме которого подключено заземление, отнесенное в бесконечность, а к другой клемме осуществляют последовательное подключение нескольких питающих заземлений, которые расположены в скважине с некоторым шагом по глубине. При каждом подключении измеряют падение напряжения между каждым скважинным питающим заземлением и двумя подвижными приемными заземлениями, расположенными на поверхности земли и подключенными к измерительному прибору. Затем приемные заземления перемещают по линии профиля на земной поверхности, вдоль которого осуществляется исследование геологической среды. По полученным результатам находят значения кажущегося сопротивления. Строят планы изолиний электросопротивления для всех глубин, на которых расположены скважинные питающие заземления. По этим планам судят о наличии и положении геоэлектрических неоднородностей, свидетельствующих о локализации загрязнений. В пределах выявленных аномальных участков одно их приемных заземлений перемещают по окружности вокруг другого и измеряют падение напряжения между ними. По направлению приемной линии при максимальном падении напряжения судят либо о простирании линейно вытянутых неоднородностей, либо о положении локальных неоднородностей.
Данный способ является достаточно трудоемким и дорогостоящим, что обусловлено необходимостью бурения скважин для осуществления измерений.
Известен способ выявления загрязнений в почвах и грунтовых водах, основанный на методе радиомагнитотеллурических (РМТ) зондирований, описанный в [ж. Региональная экология, №1-2(36), 2015], который выбран в качестве ближайшего аналога.
Рассматриваемый способ включает регистрацию электромагнитного отклика исследуемого участка земли на зондирующее электромагнитное излучение.
В качестве зондирующего сигнала используют электромагнитные поля радиостанций в диапазоне частот 10-1000 кГц. Зондирующий электромагнитный сигнал проникает в землю и возбуждает в ней индукционные токи и вторичное электромагнитное поле, характеристики которого связаны со строением и свойствами геологической среды на участке исследования в диапазоне глубин обычно от 1 до 20-30 м.
С помощью приемных датчиков регистрируют составляющие электрического (Е) и магнитного (Н) поля, возбужденного зондирующим сигналом, в ряде точек (здесь и далее в точках зондирования), которые расположены с некоторым шагом вдоль профилей (здесь и далее - линий зондирования), распределенных по площади участка загрязнения.
Обрабатывают измеренные данные и определяют значения поверхностного импеданса, которые пересчитываются в значения кажущегося сопротивления и фазы импеданса, а также строят кривые зондирования - частотные зависимости кажущегося сопротивления и фазы импеданса. Инверсия указанных кривых зондирования позволяет осуществить построение геоэлектрических разрезов (здесь и далее зависимостей, характеризующих распределение значений удельного сопротивления от глубины), а также срезов по глубинам (здесь и далее площадных распределений значений удельного сопротивления на разных глубинах).
Обработку измеренных сигналов осуществляют с помощью применяемого в методе РМТ зондирований математического аппарата, реализованного в специальном программном обеспечении.
При выявлении геоэлектрических неоднородностей в точках зондирования судят о наличии загрязнения в почвах и в грунтовых водах на исследуемом участке.
Преимуществом рассматриваемого способа является его относительно высокая производительность, достаточная достоверность результатов измерения и относительная дешевизна, что связано, в том числе, с отсутствием необходимости бурения скважин для осуществления измерений.
Однако использование радиостанций как источников электромагнитных полей для создания зондирующих сигналов не во всех случаях позволяет получить надежные данные о загрязнении.
В частности, это связано с тем, что в удаленных и малонаселенных регионах имеется возможность измерения сигналов только радиостанций сверхдлинноволнового (СДВ) диапазона 10-30 кГц, имеющих большую мощность и значительную дальность действия. Радиостанции длинноволнового (ДВ) диапазона 30-300 кГц и части средневолнового (СВ) диапазона 300-1000 кГц в малонаселенных регионах обычно отсутствуют. В результате при проведении измерений сигналов радиостанций СДВ диапазона в узком интервале частот удается реализовать работы только по методике профилирования без возможности оконтуривания загрязненных зон по глубине. Кроме того, загрязненные зоны обычно расположены на малых глубинах и более надежно они могут быть выделены на частотах ДВ и СВ радиостанций. В ряде случаев имеются глубоко залегающие зоны загрязнений, и глубинности стандартного метода РМТ (20-30 м) недостаточно для оценки глубины распространения загрязнений.
При использовании удаленных радиостанций в качестве источников поля точки зондирований, как правило, находятся в дальней зоне источника. С одной стороны, это позволяет применять при обработке и интерпретации данных зондирований хорошо разработанные методы и программные средства магнитотеллурики. С другой стороны, при проведении измерений в промежуточной имеется возможность получения дополнительных информативных параметров среды.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности результатов зондирования при выявлении и оконтуривании зон загрязнения в плане и по глубине.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе выявления загрязнений в почвах и грунтовых водах, основанном на регистрации электромагнитного отклика пород на зондирующее электромагнитное излучение с частотой, лежащей в диапазоне от сверхдлинноволновых до средневолновых частот, при этом с помощью источника излучают зондирующий электромагнитный сигнал, с помощью датчиков измеряют электрическую и магнитную составляющие возбужденного указанным зондирующим сигналом электромагнитного поля в точках зондирования, расположенных с некоторым шагом на линиях зондирования, распределенных по площади исследуемой зоны, обрабатывают измеренные данные и определяют значения поверхностного импеданса и частотные зависимости кажущегося сопротивления и фазы импеданса в точках зондирования, по результатам интерпретации которых судят о наличии загрязнения в почвах и в грунтовых водах, согласно изобретению в качестве источника зондирующего сигнала используют автономный генератор с частотным диапазоном от 1 до 1000 кГц и генераторную линию, выполненную в виде заземленного на концах кабеля конечной длины, измеряют электрическую и магнитную составляющие электромагнитного поля в точках зондирования, образующих сеть измерения, заведомо перекрывающую территорию возможной зоны загрязнения, и расположенных с шагом от 5 до 50 м на линиях зондирования, ориентированных в одном направлении, отстоящих друг от друга на расстоянии от 10 до 200 м, при этом контролируют местоположение источника зондирующего излучения таким образом, чтобы точки зондирования находились в дальней зоне его действия.
В частном случае изобретения дополнительно осуществляют измерения электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля в точках зондирования, контролируя местоположение источника таким образом, чтобы точки зондирования находились в промежуточной зоне его действия, после чего осуществляют обработку и интерпретацию измеренных данных для более надежного выделения тонких пластов загрязнений высокого удельного сопротивления и оценки анизотропии пород.
Принципиально важным в заявляемом способе является использование в качестве источника зондирующего излучения автономного генератора, генерирующего излучение в широком диапазоне частот о 1 до 1000 кГц, обеспечивающим изучение разреза в диапазоне глубин от 1 до 50-100 м в точках зондирования, образующих сеть измерения, заведомо перекрывающую территорию возможной зоны загрязнения.
При этом под возможной зоной загрязнения понимают участок местности, предположительно занимаемый загрязнениями, информация о местоположении и размерах которого может быть получена от компетентных органов, осуществляющих мониторинг функционирования промышленно - хозяйственных систем, определена по данным предварительных тестовых исследований, выявлена на основании оценки объема попавших в почву и грунтовые воды загрязнений, а также другими способами.
В качестве источника зондирующего излучения используют автономный генератор с генераторной линией, выполненный в виде заземленного на концах кабеля конечной длины - горизонтального электрического диполя.
Использование указанного источника обеспечивает возможность выбора требуемых частотных характеристик излучения, а также варьирования его местоположения, что является важным для выбора условий проведения работ в дальней зоне источника.
Для поля электрического диполя условие дальней зоны соблюдается, когда участок работ расположен на удалении r=(3-5)d от источника поля, где d≈500√(ρ/f) - толщина скин-слоя, ρ - удельное сопротивление пород, выраженное в омметрах, f - частота электромагнитного поля, выраженная в герцах.
Соблюдение условия дальней зоны для точек зондирования, расположенных как внутри возможной зоны загрязнения, так и за ее пределами, позволяет рассматривать зондирующий сигнал, как плоскую электромагнитную волну, распространяющуюся только по воздуху, для которой применимы используемые в магнитотеллурике методы и программные средства обработки и интерпретации результатов измерения, что обеспечивает достижение высокой надежности результатов зондирования.
Использование автономного (контролируемого) источника позволяет изучать участки с потенциальным загрязнением в регионах, где отсутствуют радиостанции ДВ и СВ диапазона, и получать информацию о наличии загрязнений в верхней, обычно наиболее загрязненной, части разреза. За счет использования источника зондирования с расширенным частотным диапазоном в сторону низких частот до 1 кГц достигается повышение глубинности исследования, что позволяет выявлять глубоко залегающие загрязнения.
Для перекрытия полного частотного диапазона от 1 до 1000 кГц можно использовать сигналы, излучаемые горизонтальным электрическим диполем на нескольких основных частотах и их субгармоники, что способствует повышению производительности измерений.
Проведение измерений в точках зондирования, образующих сеть измерения, заведомо перекрывающую территорию возможной зоны загрязнения позволяет получить опорные данные об электрических характеристиках незагрязненных геологических пород для сравнения их с электрическими характеристиками загрязненной геологической среды, что повышает надежность интерпретации результатов зондирования при оконтуривании зоны загрязнения.
Диапазон параметров сети измерения, включающих шаг между точками зондирования от 5 до 50 м вдоль линий зондирования и расстояние между линиями зондирования от 10 до 200 м, выбран авторами экспериментально и обеспечивает получение надежных результатов при изучении загрязненных территорий.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является повышение надежности результатов зондирования при выявлении и оконтуривании зон загрязнений.
Проведение дополнительных измерений для точек зондирования в промежуточной зоне источника и осуществление обработки и интерпретации измеренных данных обеспечивает возможность получения дополнительной информации об исследуемой среде, в частности, позволяет получить значения коэффициентов анизотропии электрических свойств загрязненной среды, выделить тонкие слои загрязнений высокого удельного сопротивления, что позволяет более надежно выявлять загрязнения почвы и грунтовых вод и повышает информативность способа.
Для поля электрического диполя условие промежуточной зоны соблюдается, когда участок работ расположен на удалении от источника r=(0.5-3)d.
Обработку и интерпретацию данных, измеренных в условиях нахождения источника в промежуточной зоне, осуществляют с использованием известных в методе РМТ подходов (см., например, ж. Физика Земли, №4, 2015, стр. 128-147).
Способ осуществляют следующим образом.
На основании предварительно полученной информации выясняют природу загрязнений и предполагаемые границы зоны загрязнения.
Получают исходные данные о породах, залегающих в области нахождения возможной зоны загрязнения (используя, в частности, данные геологической съемки, геологические карты), и об электрических свойствах указанных пород.
Планируют сеть измерений, заведомо перекрывающую территорию возможной зоны загрязнения, выбирая шаг между точками зондирования от 5 до 50 м и расстояние между профилями от 10 до 200 м. При этом точки зондирования, заведомо выходящие за предполагаемые границы зоны загрязнения, служат в качестве опорных точек, несущих информацию об электрических свойствах незагрязненной среды.
В качестве источника зондирующего сигнала используют горизонтальный электрический диполь - заземленный на концах кабель длиной от 200 до 1000 м.
Выбирают частотный диапазон источника в зависимости предполагаемой глубины зондирования. При этом чем больше предполагаемая глубина зондирования, тем более низкие частоты должны присутствовать в частотном диапазоне источника.
Выбирают местоположение источника излучения таким образом, чтобы для всех точек зондирования в выбранном частотном диапазоне выполнялось условие дальней зоны, и при этом, чтобы мощность сигнала была достаточной для проведения уверенных измерений.
С помощью приемных датчиков проводят измерения горизонтальных взаимно ортогональных составляющих магнитного и электрического поля в точках зондирования. Используют аппаратурный комплекс, содержащий регистратор, приемные электрическую и магнитную антенны, а также средства программной обработки измеренных сигналов.
Осуществляют обработку измеренных данных и определяют значения поверхностного импеданса, которые пересчитываются в значения кажущегося сопротивления и фазы импеданса, а также получают кривые зондирования - зависимости кажущегося сопротивления и фазы импеданса от частоты. По результатам интерпретации полученных кривых получают геоэлектрические разрезы - распределения значений удельного сопротивления по профилям в зависимости от глубины, а также срезы по глубине - площадные распределения значений удельного сопротивления на разных глубинах.
Анализируют полученные данные и выявляют участки с отличающимися по отношению к незагрязненным породам электрическими свойствами, определяют контуры границ их залегания как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. При этом, используя данные измерений в опорных точках, несущих информацию об электрических свойствах незагрязненных пород, и данные измерений в прочих точках сети, несущих информацию об электрических свойствах загрязненной среды, удается надежно установить реальные границы зоны загрязнения.
Экономически целесообразным вначале осуществлять измерения, выбирая относительно редкую сеть измерения с большим шагом между точками зондирования и расстоянием между профилями, и в случае, когда этого является недостаточным для точного оконтуривания зоны загрязнения, выбирать более густую сеть измерения, уменьшая шаг между точками зондирования и расстояние между профилями.
При необходимости более надежного выделения тонких пластов загрязнений высокого удельного сопротивления и оценки анизотропии пород проводят описанные выше измерения для точек зондирования в промежуточной зоне источника, располагая его на более близком расстоянии от исследуемого участка.
Возможность реализации способа показана в примерах его выполнения.
Пример 1
От природоохранных органов были получены данные о наличии вблизи населенного пункта свалки погребенных бытовых отходов, которая расположена на площади (100×300) м.
На основании изучения геологических карт определили, что основной породой, залегающей на территории, погребенной свалки, является песок, который, как известно, характеризуется относительно высокими значениями удельного электрического сопротивления (300-500 Ом⋅м).
Наметили сеть измерений, у которой шаг между точками зондирования составлял 10-20 м, а расстояние между профилями 20-50 м, при этом длина профилей составляла 360 м, а их краевые участки в двух сторон выходили за границы возможной зоны загрязнения.
В качестве источника зондирующего сигнала использовали горизонтальный электрический диполь длиной 500 м.
Выбрали частотный диапазон источника от 1 до 1000 кГц. При этом, поскольку глубина залегания загрязнений была неизвестна, частотный диапазон включал минимальную нижнюю частоту 1 кГц с целью обеспечения зондирования на максимально возможную глубину (50 м).
Располагали источник излучения на расстоянии 1 км от границ возможной зоны загрязнения. Ориентировали электрический диполь таким образом, чтобы линии зондирования располагались вдоль его оси. Указанное расстояние предположительно являлось достаточным для соблюдения условия дальней зоны для всех точек зондирования при обеспечении достаточной для уверенных измерений мощности сигнала.
С помощью датчиков - приемных электрической и магнитной антенн - проводили измерения горизонтальных взаимно ортогональных составляющих магнитного и электрического поля в намеченных точках зондирования.
Использовали частоты излучения 1, 5, 50, 105 кГц и их нечетные субгармоники.
В качестве приемной аппаратуры использовали аппаратурно-программный комплекс - регистратор, приемные электрическую и магнитную антенны, а также средства программной обработки измеренных сигналов.
С помощью регистратора осуществляли обработку измеренных данных и определяли значения поверхностного импеданса, значения кажущегося сопротивления и фазы импеданса.
При этом в ряде опорных точек анализировали полученные данные с целью проверки соблюдения условия дальней зоны. Так, в частности, проверяли соответствие измеренного значения сопротивления значению удельного сопротивления для песка, контролировали фазу импеданса. Поскольку полученные значения соответствовали ожидаемым, был сделан вывод о соблюдении условия дальней зоны при выбранном положении источника и варьирования его положения не потребовалось.
По результатам обработки данных измерений получали кривые зондирования - зависимости кажущегося сопротивления и фазы импеданса от частоты.
По результатам интерпретации полученных кривых получили геоэлектрические разрезы - распределения значений удельного сопротивления по профилям в зависимости от глубины, а также срезы по глубине - площадные распределения значений удельного сопротивления на разных глубинах. Указанную обработку осуществляли с использованием программного обеспечения ZondMT2D.
Анализируя полученные данные, выявили зону с удельным электрическим сопротивлением среды 10-50 Ом⋅м, характерным для бытовых отходов, а также установили контуры ее границ. Зона загрязнения занимает территорию (95×290) м при глубине залегания загрязнений от 2 до 30 м.
Пример 2
От гидрологов были получены сведения о попадании нефти в реку. Исследования показали, что источником загрязнения являлись загрязненные нефтью грунтовые воды, в которые нефть попадала из погребенных в прибрежной полосе бочек, удаленных от реки на расстояние около 1 км.
На основании изучения геологических карт определили, что в прибрежной полосе на глубину 3 м залегал песок, который, как известно, обладает относительно высоким удельным электрическим сопротивлением (300-500 Ом⋅м).
Ниже слоя песка залегает глинистая порода, не пропускающая нефть, вследствие чего нефть не проникала ниже песчаного слоя, а вместе с грунтовыми водами стекала в реку.
Наметили первоначальную редкую сеть измерений, которая охватывала очень большой прибрежный участок (2×2) км, территория которого заведомо превышала возможную зону загрязнения.
Шаг между точками зондирования составлял 50 м, а расстояние между профилями 200 м.
В качестве источника зондирующего сигнала использовали горизонтальный электрический диполь длиной 500 м.
Частотный диапазон источника составил 10-1000 кГц с учетом возможной глубины нахождения загрязненных грунтовых вод не ниже 3 м.
Располагали источник излучения на расстоянии 500 м от территории, занимаемой первоначальной сетью измерения. Ориентировали источник таким образом, чтобы точки зондирования находились в экваториальной зоне диполя.
С помощью приемных датчиков проводили измерения горизонтальных взаимно ортогональных составляющих магнитного и электрического поля в намеченных точках зондирования.
Использовали частоты излучения 1, 5, 50, 105 кГц и их нечетные субгармоники.
В качестве приемной аппаратуры использовали аппаратурно-программный комплекс - регистратор, приемные электрическую и магнитную антенны, а также средства программной обработки измеренных сигналов.
С помощью регистратора осуществляли обработку измеренных данных и определяли значения поверхностного импеданса, значения кажущегося сопротивления и фазы импеданса и получали кривые зондирования.
По результатам интерпретации полученных кривых получали геоэлектрические разрезы, а также срезы по глубине. Указанную обработку осуществляли с использованием программного обеспечения ZondMT2D.
Анализируя полученные данные, выявили участки расположения загрязненных нефтью грунтовых вод с удельным электрическим сопротивлением, значительно превышающим удельное электрическое сопротивление песка.
Для уточнения конфигурации зоны загрязнения наметили вторичную более густую сеть измерения на территории, удаленной от реки на 1 км, шириной 500 м.
Шаг между точками зондирования составлял 10 м, а расстояние между профилями 30 м.
Проводили измерения в точках зондирования вторичной сети и обработку полученных данных, как описано выше.
На основании проведенных исследований установили контуры зоны загрязнения в горизонтальном и вертикальном направлениях. Зона загрязнения имела вид извилистого направленного в сторону реки русла, расположенного на глубине от 1 до 2 м, имеющего ширину от 100 до 120 м.
Пример 3
Была получена информация о наличии участка местности с возможным загрязнением почвы солями тяжелых металлов.
По данным бурения было установлено, что разрез скважины сложен глинистыми известняками, характеризующегося переслаиванием тонких пропластков с большим и меньшим содержанием глинистого материала.
Была выбрана сеть измерения, включающая три профиля длиной 200 м, отстоящие на расстоянии 10 м друг от друга, на которых располагались точки зондирования с шагом 10 м.
Источник зондирующего сигнала - горизонтальный электрический диполь длиной 200 м, был расположен на удалении 400 м от профиля, что соответствовало нахождению точек зондирования в дальней зоне источника.
С помощью приемных датчиков проводили измерения горизонтальных взаимно ортогональных составляющих магнитного и электрического поля в намеченных точках зондирования.
Использовали частоты излучения 1, 5, 50, 105 кГц и их нечетные субгармоники.
В результате интерпретации полученных данных было обнаружено присутствие зон загрязнения солями тяжелых металлов на полученном геоэлектрическом разрезе по одному из профилей при относительно невысокой степени загрязнений и небольшой мощности загрязненного интервала на глубине 22-28 м.
Поле этого источник был перемещен и приближен к профилям на расстояние 150 м, что соответствовало нахождению точек зондирования в промежуточной зоне источника.
Проводили измерения горизонтальных взаимно ортогональных составляющих магнитного и электрического поля в намеченных точках зондирования, как описано выше.
По результатам интерпретации было установлено, что загрязненный интервал проявляется на геоэлектрических разрезах по всем трем профилям как анизотропный с коэффициентом анизотропии около 2, в то время как остальная часть разреза глинистых известняков характеризуется значениями коэффициента анизотропии около 1.2-1.4.
В результате удалось проследить по профилям и по площади и оценить морфологию этого интервала, в котором содержится загрязнение солями тяжелых металлов.