Janusz ANTONIUK*, Jerzy W. MOŚCICKI*, Krzysztof JANICKI

WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Mat. Symp. str. 383 – 391
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
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
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
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 m3 wody o mineralizacji ogólnej dochodzącej do 20 g/dm3. 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
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. 4.1. Lokalizacja badań geoelektrycznych na przedpolu składowiska „Żelazny Most”
Fig. 4.1. Foreland of western dam of the ”Żelazny Most” settlement reservoir. Location of geoelectric survey
____________________________________________________________________________
386
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Rys. 4.2. Mapa przewodności pozornej na podstawie badań indukcyjnych na przedpolu
zachodniej zapory zbiornika „Żelazny Most”
Fig. 4.2. Apparent conductivity contours based on EM34-3 survey. Foreland of western damp
of the ”Żelazny Most” settlement reservoir
____________________________________________________________________________
387
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/dm3). 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/dm3) wód nasycających piaski.
____________________________________________________________________________
388
Rys. 4.3. Lokalizacja i wyniki sondowań elektrooporowych
Fig. 4.3. Location and results of resistivity soundings
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
389
J. ANTONIUK, J. W. MOŚCICKI, K. JANICKI – Badania geoelektryczne rozprzestrzeniania...
____________________________________________________________________________
Rys. 4.4. Wyniki geoelektrycznych badań penetracyjnych
Fig. 4.4. 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 25-30 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
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
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, 857 – 862.
[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, 179 – 194.
[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, 9 – 30.
[5] Antoniuk J. 2001: Problem wprowadzania poprawek do pomierzonych wartości przewodności
pozornej przy niskoczęstotliwościowych, dipolowych profilowaniach indukcyjnych. GEOLOGIA,
Tom 27, Zeszyt 2-4, 625 – 639.
[6] Antoniuk J. 2002: Monitoring geoelektryczny zanieczyszczonych chemicznie wód podziemnych.
Publs. Inst. Geophys., Pol. Acad. Sc., M-27 (352), 167 – 178.
[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, 315 – 325.
[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), 179 – 193.
[9] Mościcki W. J. 2002 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), 155 – 165.
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