Геоэкология и геофизика

Геоэкология и геофизика

Гольдшмидт Владимир, проф., Израиль

В экологии - науке о соотношении окружающей среды, живых организмов и человека, включающей в себя и их охрану, выделяется несколько подразделов и, среди них:

Геоэкология - изучающая изменение геологического строения среды (в контексте данной статьи), связанное с промышленной деятельностью людей.

Экология геохимическая -изучающая влияние геохимических факторов среды (в частности, засорение почв, грунтов и подземных вод), на живые организмы и геологию, также в определенной мере, связанное с промышленной антропогенной деятельностью.

В настоящее время уже нет сомнения в том, что промышленная деятельность человека, осознанно или нет, но чаще всего в погоне за сверхприбылью, нередко порождает экологически опасные зоны.

Одной из таких опасных зон, является юг Израиля, где расположены химические заводы, от деятельности которых страдает окружающая среда и живущие здесь люди. Опасное состояние окружающей среды, в том числе, и геологическое строение прилегающих территорий, создает практическая деятельность предприятий Рамат-Ховав.

Это стало особенно очевидно и актуально, после таких событий, как пожар, а также взрыв летом 2007 г. на химическом заводе "Махтешим Аган" компании "Махтешим", в результате которого в атмосферу было выброшено большое количество опасного органического фосфора.

14 января 2009 на ашдодском заводе "Аган химикалим" - химическом предприятии, производящем удобрения - пестициды, произошло возгорание, которому предшествовали два сильных взрыва. Пожар грозил перерасти в грандиозную экологическую катастрофу: поблизости от места возгорания находились опасные химические вещества. Если бы огонь добрался до них, и ядовитые элементы попали в воздух, пострадать могли бы сотни жителей Ашдода - в первую очередь, от поражения дыхательной системы парами хлора.

Известны несколько крупных производственных катастроф в других странах, и их возможные губительные последствия.

10 июля 1976 г. в результате взрыва на химической фабрике в Севезо (Италия) и выброса ядовитого облака диоксина было эвакуировано все население и город в течение 16 месяцев был необитаем.

3 декабря 1984 г. произошла утечка смертельного газа метилизоцианата на заводе пестицидов в Бхопале (Индия), эта катастрофа по числу непосредственно погибших в ней людей считается крупнейшей за всю историю развития промышленности. Из резервуаров завода в воздух было выброшено вреднейшее химическое вещество, вызывающее удушье и потерю зрения. Только за три дня после катастрофы в городе погибло от удушья около 2.000 человек.
В 1988 году во Флориде при заполнении дизельным топливом лопнул резервуар. Примерно 14.000 тонн горючего за считанные секунды гигантской волной высотой 10м перехлестнули через огораживающую насыпь и попали в реку Мононгахилу. Без воды осталось 23 тыс. человек, пришлось эвакуировать 1200 семей, закрыть десятки предприятий.

1 декабря 2008 на химическом заводе, изготавливающим полиграфию и лаки для металлов и пластика в промышленном комплексе города Слау (35 километров западнее Лондона) произошел сильный взрыв и пожар, сопровождающийся столбом черного дыма.

Не всегда публикуются истинные причины таких катастроф, но не исключено, что они могут быть связаны, наряду с другими причинами, и со смещением громоздкого и тяжелого заводского оборудования, обусловленным нарушением геологических условий, т.е прочности подстилающих грунтов из-за недостаточно безопасной деятельности этих предпрятий, допускающих проникновение в почву агрессивных компонентов и, в свою очередь, могут привести к усложнению геоэкологической обстановки.

Проблема, которой посвящена статья - это исследование возможностей геофизических методов для определения и пространственной локализации участков изменения геологической среды, образующихся в промышленных зонах под влиянием производственных процессов, в том числе, техногенных агрессивных, химически активных вод, теряемых оборудованием заводов при его эксплуатации.

В качестве примера, приводится нарушение геоэкологической обстановки уже упомянутыми химическими заводами Рамат-Ховав.

В этой промышленной зоне находятся 20 химзаводов, самый крупный из них "Махтешим". В процессе работы оборудования происходят значительные потери химических компонентов, формирующих сильно минерализованные промышленные растворы, которые фильтруясь через грунты основания - трещиноватые мелы формируют в них слои техногенных подземных вод. Под воздействием этих агрессивных вод, меловые отложения частично растворяются и разрушаются, в них появляются полости и каверны, что приводит к ослаблению их прочностных свойств, делает их опасным основанием для крупных химических реакторов, особенно действующих на заводе "Махтешим", а это чревато катастрофическими последствиями. По данным бурения, образующиеся здесь подземные каверны залегают на глубинах 0-20 и более метров.

Для более полного выяснения состояния подстилающих грунтов представлялось целесообразным, дополнительно к уже имеющимся немногочисленным данным бурения, провести геофизические исследования.

На отдельных небольших участках Беэр-Шевским университетом были выполнены: детальная электроразведка (с аппаратурой Шлюмберже), которая позволила охарактеризовать водоносность разреза; микромагнитная съемка, показавшая возможность изучения трещиноватости мелов эоцена, что в итоге привело к рекомендации дальнейшего применения геофизических методов.

Одними из первых более масштабных работ Геофизического института Израиля были магнитометрические и сейсмические исследования.

Они были осуществлены в этои районе, по договорам с заинтересованными организациями в 2001 г..

Наряду с загрязнением окружающей среды сточными водами, отравлением атмосферы и др., имеется и проблема обнаружения старых химически опасных могильников с захороненными в них химическими отходами прозводства, которые вносят свой "посильный вклад" в ухудшение геохимической экологии. Старые захоронения химических отходов в металлических бочках, местоположение которых не всегда известно, пытались обнаружить с помощью магнитометрических исследований. Работы проведены по 10 широтно-ориентированным профилям, с помощью высокочувствительной аппаратуры GSM-19, GEM Systems Inc. с автоматической регистрацией напряженности магнитного поля (Rybakov, M. and A.Beck. 2001. Magnetic survey at the Ramat-Hovav site. Rep.275/92/01. The Geophysical Institute of Israel).

На рис. 1 приведен график магнитного поля по одной из линий, аномалиями которого, зафиксированными в центре профиля, локализуются металлические бочки с их опасным содержимым.

Рис. 1.

По-видимому, не сохранилась информация о расположении всех мест старых могильников отравляющих веществ, гибельных для окружающей среды, и это внушает особую тревогу, потому что они могут быть расположены еще ближе к г.Беэр-Шева.

Между прочим, и в России существует множество захоронений ядерных и химических веществ, которые без должного внимания, охраны и переработки могут стать причиной крупнейших экологических катастроф.

Сейсмические исследования (Ezersky M. 2001. Seismic refraction survey at the Ramat-Hovav site. Rep.275/92/01(A). The Geophysical Institute of Israel.), осуществлялись, как и все остальные работы, вне территории заводов, на том же участке, что и магниторазведка.

Работы проводились методом преломленных волн (с прослеживанием продольных Р-волн) по шести линиям, охватывающим заводы с юга, запада и севера, расположенным от них на расстоянии 25-100 м. При съемке использовалась 48-канальная станция Geometrics Strata-Viev recording system, сейсмические колебания генерировались станцией DIGIPULSE.

Рис. 2

Все сейсмические глубинно-скоростные разрезы вдоль шести линий рефракции выявили три слоя (рис. 2.). Верхний, мощностью 2-8 м. со скоростью Vp=370-670 m/sec, представлен почвами, наносами. Второй, мощностью 0-20 м. со скоростью Vp=1400-1920 m/sec, представлен трещиноватыми выветрелыми (ослабленными) мелами. Третий, на глубине 6-26 м. со скоростью Vp=2160-2340 m/sec, представлен твердыми невыветрелыми мелами. Проблематичным, с точки зрения прочности, а следовательно и опасности, как основания для тяжелого заводского оборудования представляет второй слой, возможно подвергшийся воздействию химически-агрессивных вод. Такой результат получен за пределами территории заводов, можно полагать, что непосредственно вблизи оборудования эффект ослабления второго слоя будет более выражен.

Наиболее основательные работы, в том числе по проекту с участием автора этой статьи, сотрудника Геофизического института и члена амуты "Ученые юга": "The surveys were arranged to support a geophysical study in the Ramat Hovav industrial zone (Prof. V.Goldshmidt, Association of Scientists of the South)" (Rybakov, M. and M.Goldman. 2002. Microgravity and Geoelectric surveys at the Ramat-Hovav site. Rep.861/265/03). The Geophysical Institute of Israel.), описаны ниже.

Микрогравиметрические и геоэлектрические (непрерывное вертикальное электрическое зондирование - CVES) исследования были проведены на небольшом участке в индустриальной зоне Рамат-Ховав с целью картирования подземного распределения плотности и электрического сопротивления пород. Исследуемый район был строго ограничен размерами пустой полосы между заборами, окружающими химические заводы "Бром" и "Махтешим" (восток и запад, соответственно).

1. Микрогравиметрия (Rybakov, M., Goldshmidt, V., Fleischer, L., and Rotstein,Y. 2001. Cave detection and 4-D monitoring: A microgravity case history near the Dead Sea" . The Leading Edge, 20 (8), p.p. 896-900. Rybakov, M. and M.Goldman. 2002. Microgravity and Geoelectric surveys at the Ramat-Hovav site. Rep.861/265/03. The Geophysical Institute of Israel.

Гольдшмидт В. 2008. Высокоточная гравиразведка (микрогравиметрия) при районировании побережья Мертвого моря. "ЭНС".

Eppelbaum, L. V., M. Ezersky, A. Al-Zoubi, V. Goldshmidt and A. Legchenko. 2008. Study of the factors affecting the karst volume assessment in the Dead Sea sinkhole problem using microgravity field analysis and 3-D modeling. Adv. Geosci., 19, 97-115) проводилась гравиметром Scintrex CG-3M Autograv 808426. Этот прибор может измерять вариации земного гравитационного поля с разрешением 0.001 мГал. Полоса (300*24 м) была исследована с шагом (расстояние между станциями) 10*10 м и 5*5 м в районе пониженной геоэлектрической аномалии (рис. 3).

Для достижения высокой точности, съёмка характеризовалась двумя отличиями от стандартой методологии и последовательности микрогравиметрических измерений: время измерения значения гравитационного поля на каждой станции удлинялось и достигало 120 сек., а для уменьшения влияния инструментального дрифта, измерения на опорном пункте проводились с часовым интервалом. Всего измерено 188 станций. Точность съёмки, оцененная по 5% контролю наблюденных станций достигает 0.004 мГал. Координаты станций измерены высокоточным лазерным геодезическим прибором.

Проведены необходимые процедуры обработки данных, вычисления аномалий (в редукции Буге), введения поправок за рельеф, вычисления регионального фона (выбран тренд 3-го порядка) и построения карты локальных аномалий (результативная карта).

Карта локальных гравитационных аномалий (рис.3а) показывает приповерхностное распределение изменений плотности на изучаемом участке, что, собственно и было промежуточной целью работ, на анализе которых остановимся ниже.

2. Линия CVES (непрерывное вертикальное электрическое зондирование) проложена в направлении С-Ю (рис.3а), ее длина 300 м., она содержит 61 равно расположенных электродов; между измерительными электродами расстояние 5 м (шаг измерений). Измерительный прибор - резистивиметр SYSCAL R2 и четыре 16-ти канальных мультиэлектродных электро- переключателя типа IRIS инструмент (Франция).

Результаты CVES показаны на рис.3b: три локальные пониженные аномалии (небольшие значения) электро-сопротивления (на рис.3b показаны в разрезе синим цветом под графиком), расположенные примерно на глубинах 5-25 м, отчетливо видны между ПК 15-45 м, 105-165 м и 205-255 м. Абсолютные значения сопротивлений примерно 1.5-2.5 ом.м., что весьма типично для солёного раствора, пропитывающего породы.

Рис.3.

Природа этих аномалий может быть объяснена двояко. Если литология и гидравлические свойства (эффективная пористость) пород не изменяется вдоль профиля, то аномалии могут быть объяснены локальными соляными телами (водяными каналами); однако, если соленость воды не изменяется вдоль профиля, то аномалии могут быть объяснены изменением гидравлических свойств пород, таких как пористость, трещиноватость и т. д.

Проанализируем дополнительно отмеченные выше аномалии, посколько именно они представляют интерес, с точки зрения, разрушения меловых отложений (вмещающей среды) химически активными водами. Эти аномалии могут быть обусловлены, по меньшей мере, двумя техногенными причинами:

1) увеличением в этих зонах процента минерализации (солёности) химически активных вод ; и/или 2) разрушением вмещающей среды, т. е. увеличением трещиноватости (и, соответственно, её разуплотнением), что может привести к повышению концентрации в этих зонах, солёных вод. Не исключены и некоторые другие геолого-литологические причины.

Cопоставление разреза электро-сопротивлений с картой локального гравитационного поля и с графиком этого поля вдоль профиля CVES

показывает понижения гравитационного поля, интенсивностью до ~0.02 мГал в районе центральной аномалии пониженного сопротивления (рис 3b). При точности съёмки в 0.004 мГал, это вполне реальные аномалии. Они зафиксированы на фоне общего понижения гравитационного поля в центральной части карты с тенденцией к ещё большему погружению на восток, в направлении завода "Бром". По восточному краю карты выделяются отчётливые локальные относительно отрицательные аномалии, свидетельствующие о разуплотнении пород в направлении завода "Бром". Не исключено, что это могут быть комбинации литологических и техногенных причин.

Компьютерное моделирование гравитационного поля вдоль профиля CVES, проведенное с использованием интерпретационной системы GravModeler показывает, что относительно отрицательные аномалии интенсивностью до ~ 0.02 мГал, могут быть обусловлены зонами разуплотнения среды на 0.1 г/см³, расположенными на той же глубине, что и зоны пониженного электро-сопротивления (рис.3, справа вверху).

В соответствии с графиком зависимости плотность/пористость пород, полученным по материалам юга Израиля ( рис.3, справа внизу), разуплотнение среды на 0.1 г/см³, соответствует увеличению пористости на 2-3%, что обусловлено воздействием агрессивных растворов и, что, в свою очередь, может быть причиной увеличения концентрации в этих зонах, солёных растворов. Разуплотнение же пород на этих участках ведет к уменьшению прочности основания на котором установлены реакторы, что и представляет собой опасность их обрушения и, соответственно, возникновения экологической катастрофы.

К сожалению, исследуемые участки были строго ограничены по месту расположения и размерам. Так, основной участок исследования, был ограничен размерами полосы между химическими заводами "Бром" и "Махтешим" (восток и запад, соответственно), хотя целесообразнее было-бы их проводить непосредственно на территории заводов, где проявление химических процессов значительно ощутимее. Однако, руководство заводов ограничивает возможность проведения на их территории геофизических работ, ближе к месту, на котором установлено оборудование. Есть все основания полагать, что на территории заводов геофизическая индикация разрушительных процессов в геологическом строении подстилающих пород была бы более конкретной и выразительной.

Тем не менее, результаты уже проведенных исследований дают основания для опасений, связанных с ослаблений грунтов под тяжелым оборудованием упомянутых заводов.

Хотя по имеющимся данным ( GoldshmidtV.,Rybakov M., Rotstein Y. 1995. Gravity and magnetic patterns of the Levant. Israel Geological Society, Annual Meeting, Zikhron Ya'aqov, p. 42; M. Rybakov, V. Goldshmidt and Y. Rotstein. 1997. New regional gravity and magnetic maps of the Levant. Geophysical research letters, vol. 24, No. 1, Pgs 33-36; Гольдшмидт В. 2008. Изучение геофизических (потенциальных) полей Израиля. "ЭНС"), этот район не является сейсмоопасным, тем не менее, здесь известен ранне-миоценовый каньон, возможны близповерхностные и глубинные "живущие" активные разломы и поэтому целесообразно более широкое его "геофизическое" освещение.

С этой целью были дополнительно проведены "региональные" геофизические исследования Северного Негева.

Рис. 4

На рис. 4 показаны геофизические: карта локального гравитационного поля со "снятым" региональным фоном (слева), карта магнитного поля (справа), разрез по линии АА1, пересекающей скважины Gevim1 и Hazerim, разрез по линии ВВ1, пересекающей скважины Pleshet и Betarim, Беер-Шеву и Рамат-Ховав. На разрезах показаны графики гравитационного (красные - локальные аномалии и черные - общее поле), и магнитного (синие линии) полей, поверхности кристаллического фундамента до глубин -10 км.

Изрезанность гравитационного поля, его резкие градиенты, наблюдаемые на картах и графиках, в сопоставлении с топокартой - слева и геологической схемой - справа (рис. 5), подтверждают и локализуют наличие в районе на небольшой глубине каньона, нарушений-разломов и некрупных грабенов-провалов. По ним химические техногенные агрессивные растворы, теряемые оборудованием заводов Рамат-Ховав, могут перемещаться в направлении г. Беэр-Шевы (по направлению Рамат-Ховав - Беер-Шева отметки рельефа снижаются), нарушая и там геоэкологический баланс.

Рис. 5

В связи со всем описанным выше, необходим мониторинг окружающей природной среды - т.е. система регулярных длительных наблюдений в пространстве и времени за состоянием окружающей природной среды и предупреждение о создающихся критических ситуациях, вредных и опасных для здоровья людей и других живых организмов. В отдельных регионах, где расположены "вредные" предприятия, аналогичные рассмотренным в этой статье, необходим мониторинг экологического состояния геологической среды, мониторинг экологического состояния поверхностных вод и связанных с ним экосистем, так называемый импактный мониторинг, т.е мониторинг региональных и локальных антропогенных воздействий (действия человека и результатов его деятельности) на окружающую среду в особо опасных зонах и местах.

Геофизические методы, как использованные в исследованиях, описанных в этой статье, так и некоторые другие (например, ультразвуковое просвечивание и др.) по результативности, оперативности и финансовым затратам, незаменимы для решения рассмотренных выше задач.

Отзыв на работу профессора В.И.Гольдшмидта:

Геоэкология и геофизика

Профессор В.И. Гольдшмидт - крупный ученый-геофизик, который широко известен в нашей стране и за рубежом своими работами по изучению гравитационного поля Земли и комплексной интерпретации геофизических полей.

Вопросы, которые автор поднимает в этой статье, очень важны и актуальны, особенно для Израиля - страны с развитой промышленностью, высокой плотностью населения и сложной геолого-геофизической обстановкой. Как известно, на территории нашей страны расположены многочисленные действующие разломы (самый известный из них - Сирийско-Африканский), а верхняя часть геологического разреза сложена рыхлыми осадочными породами. Эти и другие факторы приводят к тому, что вероятность землетрясений и сейсмодислокаций (обвалов, оползней, обрушения полостей) довольно велика. На этом фоне влияние промышленной деятельности человека на окружающую среду высоко и может привести к необратимым последствиям.

Автор предлагает использовать комплекс геофизических методов для изучения геологического строения в промышленных зонах. На примере применения геофизических исследований в районе химических предприятий на юге Израиля (Рамат-Ховав), убедительно показаны возможности геофизических методов в изучении геологического строения, оценки и прогноза состояния грунтов и верхней части разреза. Выбранный автором и его коллегами комплекс геофизических методов - микрогравиразведка, непрерывное вертикальное электрическое зондирование, сейсморазведка и магниторазведка - позволил наиболее полно и всесторонне охарактеризовать верхнюю часть разреза в непосредственной близости к химическим предприятиям, и сделать заключения об особенностях литологического и геологического строения, которые с определенной степенью вероятности обусловленны деятельностью промышленных предприятий.

Наиболее важный вывод автора - о необходимости системы регулярных длительных наблюдений за состоянием разреза (мониторинг). Эти наблюдения геофизическими методами позволят оценить и прогнозировать состояние окружающей среды в связи с хозяйственной деятельностью, предотвратить усложнение геоэкологической обстановки и повысить безопасность промышленных предприятий, расположенных в непосредственной близости от мест компактного проживания населения.

Необходимо отметить, что данная статья очень своевременна, написана на высоком профессиональном уровне и предлагает конкретные решения сложных проблем.

С уважением,

Др. Маргарет Резников,

Старший Геофизик,

Парадигм Геофизикал

Комментарии: 1, последний от 09/02/2016. © Copyright проф. Владимир Гольдшмидт (v28@netvision.net.il) Обновлено: 01/06/2016. 24k. Статистика. Статья: Израиль Иллюстрации: 5 штук.		Оценка: *5.935** Ваша оценка:

проф. Владимир Гольдшмидт: другие произведения.

Геоэкология и геофизика