Slowo wstepne - Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych

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: [email protected]; [email protected]
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
Biuletyn Informacyjny GEOFIZYKA
Wyd.: Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych sp. z o.o.
www.pbg.com.pl
Badania geofizyczne...
1.
2.
3.
wywołane drastycznymi zmianami reżimu hydrologicznego i hydrogeologicznego
wywołane zmianami chemizmu środowiska gruntowo-wodnego
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
Biuletyn Informacyjny GEOFIZYKA
Wyd.: Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych sp. z o.o.
www.pbg.com.pl
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
Biuletyn Informacyjny GEOFIZYKA
Wyd.: Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych sp. z o.o.
www.pbg.com.pl
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
Biuletyn Informacyjny GEOFIZYKA
Wyd.: Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych sp. z o.o.
www.pbg.com.pl
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
Biuletyn Informacyjny GEOFIZYKA
Wyd.: Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych sp. z o.o.
www.pbg.com.pl
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
120
80
370
160
200
240
320
280
340 (m)
Przekrój geoelektrycznyelektroopornościowy
otwór wiertniczy
350
330
310
oporność (omm)
10 20 30 50 70 100 150 200 500
290
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
Biuletyn Informacyjny GEOFIZYKA
Wyd.: Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych sp. z o.o.
www.pbg.com.pl
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
Biuletyn Informacyjny GEOFIZYKA
Wyd.: Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych sp. z o.o.
www.pbg.com.pl
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. Biuletyn Informacyjny GEOFIZYKA, 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. Biuletyn Informacyjny GEOFIZYKA, 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
Biuletyn Informacyjny GEOFIZYKA
Wyd.: Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych sp. z o.o.
www.pbg.com.pl