Анализ геологических условий при выборе места складирования токсичных отходов

УДК 624 131 1

В.И. Сергеев, Т.Г. Шимко, H.A. Свиточ, H.H. Данченко

АНАЛИЗ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ВЫБОРЕ МЕСТА СКЛАДИРОВАНИЯ ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ

В статье обоснована необходимость разработки комплексного специализированного инженерно-геологического подхода к проблеме размещения хранилищ токсичных отходов В основе такого подхода лежит положение о том, что грунтовая толща ложа хранилища может служить природным геохимическим барьером на пути распространения загрязнителей из хранилища в водоносный горизонт Экранирующая способность грунтовой толщи зависит от ряда природных факторов, выделение, оценка, анализ и систематизация которых проводятся в статье Результаты предлагается отражать на карте специального инженерно-геологического районирования, где определяются участки с различными условиями защищенности подземных вод Это позволяет наиболее рационально определить место для размещения хранилища и снять ряд проблем природоохранного характера при его эксплуатации

Введение. Проблема безопасной эксплуатации хранилищ токсичных отходов является одной из наиболее актуальных при охране окружающей среды промышленных регионов В настоящее время она не имеет достаточно обоснованных и надежных решений Применяемые инженерно-геологические и технологические мероприятия, направленные на предотвращение попадания загрязнителя через грунты ложа в водоносный горизонт, часто являются дорогостоящими и не дают гарантии полной безопасности Исследования сотрудников лаборатории охраны геологической среды (ЛОГС) позволяют сделать заключение, что комплексный специализированный подход к выбору участка для размещения хранилища может способствовать рациональному (с природоохранных позиций) размещению объекта В основе такого подхода лежит положение о том, что грунтовая толща в основании хранилища может служить надежным экраном на пути переноса загрязнителя через ложе в водоносный горизонт Известно, что экранирующая способность грунтовой толщи определяется в основном ее фильтрационными и поглощающими свойствами, которые в свою очередь зависят от ряда природных факторов [Бочевер, Орадовская,1972; Гольдберг, Газда, 1984, Орадовская, 1962] Систематизация, анализ и определение значимости этих факторов составляли задачу нашей работы Результаты исследований обобщены в виде специализированной карты инженерно-геологического районирования по условиям защищенности подземных вод Картографическая форма подачи материала предлагается как наиболее информативная и наглядная, она дает возможность оценить в совокупности максимальный комплекс природных факторов

В основу работы положены практические исследования, выполненные на хвостохранилищах Коч-карской, Многовершинной, Васильковской, Мард-жанбулакской золотообогатительных фабрик, а также

Алмалыкского горнообогатительного комбината и ряда золохранилищ тепловых электростанций

Принципы составления специализированной инженерно-геологической карты и их обоснование

В основу составления карты положен принцип последовательного районирования, достаточно хорошо разработанный сотрудниками кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ [Голодковская, Елисеев, 1989, Попов, 1961, Трофимов и др , 1995]

В 80-е гг прошлого века сотрудниками кафедры под руководством Г М. Терешкова был составлен комплекс специализированных мелкомасштабных карт для оценки воздействия на геологическую среду предприятий горнодобывающей промышленности, транспортного строительства, гидротехнических сооружений и пр Рекомендации по составлению крупномасштабных карт для выбора оптимального участка под хранилище токсичных отходов предлагаются в настоящей работе

Районирование проводится на базе показателей, определяющих свойства фунтовой толщи как природного противофильтрационного и геохимического барьера Результатом исследований является обоснованный выбор участка под хранилище токсичных отходов с наиболее благоприятными условиями природной защищенности подземных вод.

Показатели, определяющие грунтовую толщу как экран, объединены в следующие группы I — структурно-тектоническая; II — геоморфологическая, III — литолого-фациальная, IV — инженерно-геологичес-кие процессы и явления

Систематизация показателей выполняется на основании полевых исследований, анализа фондовых и опубликованных материалов

I. Структурно-тектоническая группа. Зависимость защитных свойств грунтовой толщи от структурного положения и тектонических условий места ее формирования представлена в табл 1 Приведем характеристику каждого показателя

1-1. Динамика движения структур. 1-1-А. Известно [Шанцер, 1951], что отложения рек, пересекающих положительные воздымающиеся структуры, по составу менее дисперсные и сортированные, чем отложения рек, развитых в пределах отрицательных структур В областях развития воздымающихся структур часто отмечаются крупные трещины отрыва с оперяющими их мелкими разрывными нарушениями типа раздвига, что приводит к разуплотнению и повышенной проницаемости пород Экранирующие свойства грунтовой толщи в таких условиях неблагоприятные

1-1-Б. Отложения рек, формирующиеся в условиях опускания территории, обычно представлены тонкими сортированными осадками, выдержанными по простиранию, что способствует образованию грунтовых толщ с хорошими экранирующими свойствами

1-2. Характер залегания пород. 1-2-А. Нарушенные дислоцированные структуры характеризуются наличием большого количества трещин, выветрелостью и раздробленностью пород Для таких зон характерна повышенная фильтрационная проницаемость, а также наличие крупнозернистых, грубообломочных пород Все это дает основание считать области их развития неблагоприятными для размещения в их пределах хранилищ токсичных отходов

1-2-Б. Горизонтальное залегание пород — положительный фактор при изучении свойств грунтовой толщи в качестве экрана в случае выдержанности пород по простиранию, достаточной мощности и соответствующей дисперсности [Гольдберг, Скворцов, 1986]

1-3. Зоны разломов, их кинематика. Определение кинематики разломов является необходимым исследованием при оценке свойств грунтовой толщи как природного барьера Такие структурные нарушения, как раздвиг (1-3-Б), сброс (1-3-Г), взброс (1-3-Д), зоны пересечения и сочленения разломов (1-3-Ж), приводят к разуплотнению пород, возникновению открытых трещин или трещин с грубозернистым или брекчиевидным заполнителем Пример высокой проницаемости таких структур отмечается в ложе хвосто-хранилища Многовершинного ГОКа, где коэффициент фильтрации пород, выполняющих структуры типа раздвига и зону пересечения разломов, на порядок выше, чем в зонах нарушений типа сдвиг (1-3-А), не говоря уже о ненарушенных породах

Характерную особенность зон развития тектонических нарушений типа сдвиг можно отметить в ложе хвостохранилища Кочкарской ЗИФ Породы, выполняющие эти зоны, уплотнены и переработаны до глинистой фракции, участки их развития наименее проницаемы Расчеты времени достижения загрязнителем уровня фунтовых вод для этих зон, выполненные

Таблица 1

Оценка влияния структурно-тектонических условий на экранирующие свойства грунтовой толщи

Показатели Использование в качестве барьера*

1 Динамика движения структур А — положительные, воздымающиеся

Б — отрицательные, опускающиеся

2 Характеристика залегания пород А — деформированные, дислоцированные структуры —

Б — нормальное (ненарушенное) +

3 Тип тектонических движении А — сдвиг —

Б — раздвиг —

В — надвиг +

Г — сброс —

Д — взброс —

Ж — зоны пересечения разломов —

4 Наличие неотектонических движений —

* Здесь и далее плюс — положительный фактор, минус — отрицательный фактор

по методике В М Гольдберга [Гольдберг, Газда, 1984], показывают, что сложенная ими грунтовая толща является надежным противофильтрационным экраном 1-4. Наличие неотектонических подвижек. Выявление зон неотектонических подвижек на рассматриваемом этапе исследований проводится методом анализа уровней одновозрастных террас или методом повторного высокоточного нивелирования Породы в таких зонах, как правило, разуплотнены, выветрелы и трещиноваты, соответственно их нельзя рассматривать в качестве природного экрана Кроме того, наличие неотектонических подвижек может привести к резкому снижению эффективности работы противо-фильтрационных сооружений — разуплотнениям экрана, разрывам экранирующих пленок и пр Характерный пример — хвостохранилище Многовершинного ГОКа, расположенного в зоне развития блоковой разрывной тектонической деятельности. По правому борту долины, в которой находится хранилище, одновозрастные террасы расположены на различных гипсометрических уровнях Не исключено, что здесь развиты разрывные нарушения, по которым произошло разноамплитудное опускание блоков В ложе хранилища с целью предотвращения донной фильтрации был уложен суглинистый экран мощностью до 1,5 м В процессе эксплуатации по правому борту произошло разуплотнение экрана и образование воронок размыва, по которым жидкая фаза пульпы, содержащая тяжелые металлы и цианиды, транспортировалась в нижележащие аллювиальные высокопроницаемые отложения

II. Геоморфологическая группа. Изучение геоморфологических условий при выборе места для хранилища исключительно важно, так как принадлежность к

определенным элементам рельефа во многом определяет условия защищенности подземных вод

П-1. Характеристика элементов современного рельефа. При оценке геоморфологических условий места складирования токсичных отходов в первую очередь следует проанализировать гипсометрическую карту, из которой можно получить предварительную информацию 6 направлении поверхностного и подземного стоков, уклонах местности, участках местной разгрузки подземных вод, наличии или отсутствии неотектонических движений, наличии инженерно-гео-логических процессов и явлений

П-1-А. При развитии эрозионных террас на дневную поверхность часто выходят коренные, в различной степени трещиноватые и выветрелые породы или древние песчано-галечные отложения Следовательно, грунтовая толща зоны аэрации на данных участках будет обладать значительной проницаемостью и невысокими поглощающими свойствами и вследствие этого не может служить природным экраном на пути загрязнителей

П-1-Б. В пределах развития аккумулятивных террас в составе аллювия обычно присутствуют тонкодисперсные суглинистые, илистые и глинистые отложения, обогащенные органикой, с низкими значениями коэффициента фильтрации Это дает основание на предварительном этапе рассматривать такие участки как благоприятные для сооружения отстойников

1-1-В Строение эрозионно-аккумулятивных террас характеризуется двухслойным разрезом, низы которого представлены более древними аллювиальными отложениями или выветрелыми трещиноватыми коренными породами Они перекрыты более молодыми аллювиальными образованиями, невыдержанными по литологическому составу и мощности Это дает основание считать такие участки проблематичными с точки зрения защищенности подземных вод

П-1-Д. Высокая пойма часто является местом расположения хранилищ золошлакового материала ТЭС Ее поверхность [Трофимов и др , 1995] характеризуется неоднородным строением, слагающие отложения обычно не выдержаны по простиранию, мощности и составу При проектировании здесь хранилищ рекомендуется тщательный геоморфологический анализ микрорельефа поймы с выделением прирусловых валов, стариц, западин и пр Характерный пример — золохранилище Омской ТЭЦ, которое находится на высокой пойме р Иртыш Геоморфологический анализ показал, что в пределах его ложа расположена система прирусловых валов, что дает основание предполагать развитие здесь проницаемых пород, преобладающих в строении зоны аэрации Следовательно, возможна фильтрация загрязнителя в грунтовые воды через ложе хранилища

П-1-Г. Конусы выноса, как правило, сложены неоднородными по составу и невыдержанными по про-

Таблица 2

Оценка влияния геоморфологических условий на экранирующие свойства грунтовой толщи*

Показатели Использование в качестве барьера

1 Современного рельефа А — терраса эрозионная —

Б — терраса аккумулятивная +

В — терраса эрозионно-аккумулятивная

Д — высокая пойма —

Г — конус выноса —

2 Древнего рельефа А — древние долины -

* См примечание к табл 1

стиранию отложениями, их нельзя рекомендовать для расположения в их пределах хранилищ токсичных отходов без дополнительных исследований

При анализе гипсометрического положения участка складирования отходов следует обращать внимание на наличие вблизи него естественных понижений рельефа (речные долины, балокки, логи) с более низкими отметками, чем уровень стоков в накопителе, так как это может привести к боковой фильтрации [Мироненко и др , 1980] Примером, подтверждающим это положение, является хранилище золошлако-вых отходов Пермской ГРЭС Здесь водораздел, сложенный аллювиальными песками, разделяет хранилище и долину ручья с более низкими абсолютными отметками, чем уровень наполнения отстойника С целью предотвращения фильтрации из ложа через водораздел в данном случае пришлось разрабатывать специальные природоохранные мероприятия

П-2. Характеристика элементов древнего рельефа. П-2-А. Древние долины, прослеживаемые в ложе хранилища, — фактор, значительно осложняющий его эксплуатацию Они обычно выполнены плохосор-тированным грубозернистым материалом с высоким коэффициентом фильтрации и могут служить "каналами", по которым загрязненный поток попадает в водоносный горизонт Время взаимодействия токсикантов с грунтом при этом резко сокращается Примером такого явления может служить хвостохранили-ще Алмалыкского ГОКа Его основание выполнено толщей слабопроницаемых лессовидных пород, обладающих значительной поглощающей способностью Однако в зоне аэрации развита широкая сеть древних погребенных саев различного возраста, глубина их залегания колеблется от 0,5 до 5 м При этом структурное положение древних ложбин таково, что в тыловой, предгорной части хранилища они расположены вблизи дневной поверхности, резко спускаются к головной дамбе и пересекают при этом уровень грунтовых вод. Следовательно, загрязнитель из хвостохрани-лища по древним эрозионным каналам перетекает в водоносный горизонт, не взаимодействуя с основной

Таблица 3

Возможность использования грунтовой толщи в качестве экрана в зависимости от ее литолого-фациальных характеристик

Показатели Использование в качестве барьера

1 Аллювий равнинных рек А — старинный +

Б — пойменный а — приречные фации —

б — внутренние фации +

В — русловой а — стрежневая фация —

б — фации отмелей +

в — фации заводей +

2 Пролювий (в основном горных рек) А — конусы выноса а — вершинная зона —

б — средняя зона —

в — фронтальная +

Б — наземные дельты низовий а — вершинная зона

б — средняя зона •

3 Делювий А — вершинная зона —

Б — центральная зона —

В — периферийная зона +

4 Элювий А — кора выветривания а — дисперсная зона +

б — обломочная зона —

в — "трещинная" зона —

Б — почвы а — черноземные, черно-земовидные, каштановые +

б — подзолистые, болотно-подзолистые, бурые, сероземы

Таблица 4

Литолого-фациальный состав аллювиальных отложений

III-1 Перстративный аллювий

III-1-А Старинный III-1-Б Пойменный III-1-B Русловой

приречные фации

Супеси, суглинки, иловатые пески, богатые органикой, с поверхности торф Переслаивание алевритов, суглинков и тонкозернистых песков Суглинки и супеси без ясной слоистости Грубообло-мочный гра- вийно-галечниковый материал Пески раз-нозернис-тые промытые, косос-лоистые Илистый материал с органикой

Литолого-фациальный состав пролювиальных образований

III-2-A III-2-A-a III-2-Б-б III-2-В-в

Конусы выноса временных водотоков Вершинная зона Средняя зона Фронтальная зона

Крупнозернистые, плохосортированные пески, галька, гравий Переслаивание песков, супесей, суглинков Суглинисто-глинистые образования

толщей лессовых грунтов зоны аэрации и не испытывая их поглощающей способности

III. Литолого-фациальные факторы. Важными факторами, определяющими возможность безопасной

эксплуатации хранилища отходов, являются состав, мощность и строение грунтовой толщи, залегающей выше уровня грунтовых вод

Благоприятно развитие фаций, представленных дисперсными, слабопроницаемыми породами, для которых характерны высокие показатели поглощающей способности К отрицательным факторам отнесено наличие фаций, сложенных плохо сортированными грубообломочными или песчаными отложениями

Остановимся подробнее на литоло-гических характеристиках различных фа-циальных групп, взяв за основу классификацию Е В Шанцера [Шанцер, 1951]

Аллювий горных рек характеризуется развитием, как правило, одной фациаль-ной разновидности — русловой Она представлена несортированным валунно-галечниковым материалом, часто с плотным гравелисто-песчано-глинистым заполнителем, кольматирующим все промежутки между крупными разностями Участки его распространения в качестве основания для хранилищ не рассматриваются

Аллювий равнинных рек имеет различный литологический состав, который определяется условиями его формирования

Литологический состав пролювиальных образований отличается значительной неоднородностью как по простиранию, так и по разрезу

Строение и состав делювиальных образований во многом определяются их положением на склоне и составом подстилающих пород (табл 6) Элювиальные отложения обобщены в две группы коры выветривания и почвы В табл 7 приводится строение коры выветривания коренных пород, образованной за счет химического и физического разрушения пород в аридных и гумидных областях (по Г С Золотареву) [Мироненко и ДР , 1980]

Кора выветривания, формирующаяся в зоне развития многолетнемерзлых пород, представлена, как правило, щебнистым материалом с су-песчано-суглинистым заполнителем

Ш-4-Б. Почвы. Способность почв поглощать определенные элементы из фильтрующихся через них

Таблица 5

растворов зависит от их состава и условий формирования

Известно [Грунтоведение , 1983], что наибольшими емкостями обмена обладают все виды черноземов, содержащие значительное количество гу-миновых кислот и органики Адсорбция почв обусловлена значительной поверхностью дисперсных частиц, а также минеральным и органическим составом содержащихся в них коллоидных растворов [Добровольский, Никитин, 1986, 1990] Хорошо промытые почвы песчаного и супесчаного состава нельзя рассматривать в качестве природного экрана, так как они обладают низкой сорбци-онной способностью как по катионам, так и по анионам Черноземные и черноземовид-ные почвы, напротив, характеризуются высокими значениями ЕКО, их необходимо изучать в качестве поглотителей загрязнителей из промстоков Недооценка роли таких почв может привести к значительным осложнениям в эксплуатации хранилищ

В качестве примера можно привести условия работы хранилища токсичных хвостов Кочкарской ЗИФ Сброс пульпы

производился в ложе, где с поверхности развиты черноземовидные почвы мощностью до 2,0 м. В результате режимных наблюдений установлено, что поступления токсикантов через ложе в первый водоносный горизонт не отмечалось При сооружении нового хвостохранилища с поверхности ложа был полностью снят почвенный слой Проведенные сотрудниками ЛОГС исследования показали, что это привело к значительному снижению поглощающей способности грунтовой толщи в основании хвостохранилища и возможной фильтрации токсичной пульпы в водоносный горизонт В результате строители были вынуждены вернуть почвенный слой на отдельные участки ложа, что потребовало дополнительных финансовых затрат

IV. Инженерно-геологические процессы и явления. При изучении территории с целью размещения в ее пределах хранилища отходов необходима оценка любых инженерно-геологических процессов и явлений, приведенных в табл 8

Таблица

Литолого-фациальный состав делювиальных отложений

III-3 -А III-3 -Б III-3 -В

Привершинная зона Центральная зона Периферийная зона

Щебень, дресва, крупнозернистые пески Щебень, разнозернистые пески,супеси Суглинки с включением щебня и дресвы

Таблица 7

Строение коры выветривания

Зона переработки Цитологический состав

III- 4-А-а Дисперсная (полное химическое преобразование пород) Глины, суглинки и супеси выщелоченные, ожелезненные, карбонатизированные

III- 4-А-б Обломочная (с преобладанием физической дезинтеграции и частичного химического разложения) Постепенный переход супесчано-суглинистых отложений в щебнисто-песчаный и крупнообломочный материал

III- 4-А-в Трещинная (начало разложения пород по крупным трещинам) Трещиноватые породы

Таблица

Классификация процессов, по Б.М. Сергееву

Процессы

IV-1 Эндогенные

IV-1-А (Эрогенные и эпейрогенические движения земной коры, сейсмические явления, вулканизм IV-1-Б Сейсмические явления, вызванные взрывами, опускание поверхности при добычи полезных ископаемых, откачке воды и пр

IV-2 Экзогенные природные и вызванные деятельностью человека IV-3 Обусловленные характером рельефа

IV-2-A климатического характера IV-2-Б ветрового характера IV-2 водного характера

IV-2 А-а выветривание IV-2-A-6 криогенные и посткриогенные IV-2-Б эоловые IV-2-B-a растворение IV-2 В-б размывание IV-2 -В-в заболачивание IV-3-A обвалы IV-3-Б оползни IV-3-B осыпи

Выводы. 1. Изучение и систематизация природных факторов на стадии выбора участка для размещения хранилища токсичных отходов должны проводиться по стандартизированным наборам показателей, охарактеризованным в статье

2 Результаты анализа и систематизации стандартизированных показателей отражаются на карте специального инженерно-геологического районирования по условиям защищенности подземных вод

3 Карта может быть основанием для принятия "управляющих" решений при выборе места складирования токсичных отходов

4 Карта служит основой для последующей количественной оценки защищенности подземных вод на выделенном участке и может быть использована при разработке рекомендаций природоохранных мероприятий

5 Карта в дальнейшем может быть использована для определения мест размещения объектов геоэкологического мониторинга

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бочевер Ф М, ОрадовскаяА С Гидрологическое обоснование защиты подземных вод и водозаборов от загрязнения М Недра, 1972

2 Голодковская Г М, Елисеев Ю Б Геологическая среда промышленных регионов М Недра, 1989

3 Гольдберг В М, Газда С Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения М Недра, 1984

4 Гольдберг ВМ, Скворцов НП Проницаемость и фильтрация в глинах М Недра, 1986

5 Грунтоведение / Под ред Е М Сергеева Изд 5-е М Изд-во МГУ, 1983

6 Добровольский ТВ, Никитин ВД Экологические функции почв М Изд-во МГУ, 1986

7 Добровольский Г В, Никитин ВД Функции почв в биосфере и экосистемах (Экологическое значение почв) М Наука, 1990

8 Мироненко ВА, Румынии В Г, У чаев В К Охрана подземных вод в горнодобывающих районах Л , 1980

9 Орадовская А Е Определение сорбционной способности грунтов в целях прогноза распространения промстоков в подземных водах // Гидрогеологические основы подземного захоронения промстоков М, 1962 С 160—174

10 Попов ИВ Инженерная геология СССР Ч I Общие основы региональной инженерной геологи М Изд-во МГУ, 1961

11 Сергеев ЕМ Инженерная геология М Изд-во МГУ,

1978

12 Трофимов В Т, Королев В А, Герасимова А С Классификация техногенных воздействий на геологическую среду//Геоэкология 1995 №5 С 96—107

13 Шанцер ЕВ Очерки учения о генетических типах континентальных осадочных образований М , 1951

Поступила в редакцию 24 04 2007