Лаборатория геологии техногенных процессов
Максимович Н.Г. Некоторые подходы к решению экологических проблем // Проблемы геологии континентов и океанов: Докл. рос. учен. участников 31-го МГК (школа - семинар на НИС "Академик Иоффе", июль - авг. 2000 г.) / Рос. акад. Наук. Отд - ние геологии, геохимии, геофизики и горных наук (ОГГГГ РАН) и др.; отв. ред. В.И. Гончаров, Ю.В. Миронов - Магадан: Кордис, 2001. - С.262 - 267.
Некоторые подходы к решению экологических проблем
Максимович Н.Г.
В настоящее время активно развиваются новые направления в цикле наук о Земле геоэкология и экологическая геология [8, 14, 17 ,18]. Одной из практических задач решаемых этими науками является разработка методов управления экологической обстановкой с целью сохранения ее оптимального состояния [13]. Для принятия управленческих решений необходима максимально объективная оценка современной экологической обстановки, прогноз ее изменения во времени, поиск и реализация наиболее эффективных способов снижения отрицательных последствий на литосферу. Рассмотрим возможные подходы к решению этих задач.
Оценка экологической обстановки
Экологическая обстановка территорий формируется в результате взаимодействия комплекса факторов, важнейшими из которых являются особенности компонентов природной среды и характеристика техногенного воздействия. Среди абиотических компонентов природной среды значительную роль играют геологические факторы.
Существующие подходы к оценке геолого-экологической обстановки обычно рассматривают литосферу без учета истории ее геологического развития, т.е. тенденций и закономерностей изменения ее свойств, которые существовали и существуют независимо от техногенного воздействия.
Опыт оценки современной экологической обстановки для различных территорий показывает, что обстановка во многом обусловлена историей геологического развития данного участка литосферы. В ходе этого развития происходит формирование и преобразование химического и минералогического состава, фильтрационных, физических, физико-химических, физико-механических и других свойств пород, характера и типов геологических процессов. Совокупность этих характеристик определяют реакцию литосферы на техногенное воздействие и возникающие экологически важные последствия. Можно сказать, что в ходе эволюции литосферы закладываются потенциальные экологические проблемы. Знание закономерностей формирования геологических условий территории в значительной степени позволяет выявлять и прогнозировать развитие неблагоприятных с экологической точки зрения процессов и явлений.
В настоящее время наиболее полно история геологического развития изучена для районов распространения осадочных горных пород. Литология, изучающая эти породы, характеризуется генетической направленностью и историчностью подхода к объектам исследования [19], что позволяет использовать ее методологический подход для анализа современного состояния и тенденций развития литосферы.
Формирование состава и свойств пород тесно связано со стадиями литогенеза. Литогенез, согласно современным представлениям большинства литологов [4, 11, 12, 16], представляет собой совокупность процессов образования осадков (седиментогенез), превращения осадков в осадочные горные породы (диагенез) и последующего изменения осадочных пород до образования метаморфических пород (катагенез), а также процессов гипергенеза, которые, в зависимости от истории геологического развития каждого конкретного региона, могут выступать в качестве как предыстории осадкообразования, так и завершающих процессов осадочного цикла.
Рассмотрим на конкретном примере как анализ преобразования состава и свойств вещества на различных стадиях литогенеза может быть использован для оценки и прогноза экологической обстановки.
В западной части Курганской области предполагается строительство крупного и технически сложного объекта по уничтожению химического оружия.
Основная часть исследуемого района в структурно-тектоническом плане относится к области Среднего Зауралья, и частично к области Южного Зауралья. Территория представляет собой западную окраинную часть Западно-Сибирской мезозойской плиты, прилегающую с востока к палеозойским структурам Урала [3].
Геологический разрез территории характеризуется четко выраженным двухъярусным строением. Нижний ярус образован дислоцированными и метаморфизованными породами палеозоя, которые образуют кристаллический фундамент территории и являются восточным продолжением Уральской складчатой системы [15]. На палеозойском фундаменте с размывом залегает мощный покров верхнемезозойских и кайнозойских пород (верхний ярус), представляющих собой типичный платформенный чехол.
Существование на рассматриваемой территории условий морского бассейна с туронского века мелового периода до раннеолигоценового времени определило своеобразие геохимических условий района. Морские условия формирования глинистых отложений чеганской свиты и кремнистых пород ирбитской и серовской свит обусловили их специфичный геохимический состав, который по сравнению с маломощными вышележащими континентальными преимущественно песчаными отложениями, отличается значительным содержанием водорастворимых солей, микроэлементов Mn, Fe, S, В, Sr, Ba, Li, Co, Cu. На стадии диагенеза и катагенеза произошла повсеместная пиритизация осадков. В ходе гипергенных изменений в приповерхностной части происходит окисление пирита с формированием кислой среды и как следствие повышение подвижности катионогенных элементов, образование типичных минералов - ярозита, гипса, сидерита.
Анализ указанных особенностей территории определил стратегию инженерно-экологических изысканий для промышленного объекта, которые позволили выявить существующие и потенциальные экологические проблемы.
- Указанный геохимический фон определяет низкое качество подземных вод, являющихся единственным источником водоснабжения территории. Вода характеризуется повышенной минерализацией (1,1-2 г/л), превышением ПДК для питьевого водоснабжения по железу, бору, брому, марганцу и литию, что существенно влияет на общую экологическую ситуацию.
- Равнинный характер территории, близкое (до 1.5 м) залегание к поверхности регионального водоупора глин чеганской свиты обуславливает развитие на рассматриваемой территории процессов подтопления.
- Незначительная глубина залегания глин чеганской свиты обуславливает необходимость использование их в качестве основания фундаментов. Глины в виду указанных выше геохимических особенностей характеризуются сульфатной и общекислотной агрессивностью. Содержание в грунтах пирита и гипса создает дополнительный потенциал агрессивных свойств, которые могут увеличиться за счет развития окислительных процессов пирита и растворения гипса при проведении строительных работ, благодаря облегченному доступу к ним кислорода и воды.
- Близкое залегание подземных вод и прогнозируемое подтопление территории обуславливает необходимость осушения промплощадки с помощью дренажей. Дренажные воды предполагается использовать в технологическом цикле и частично сбрасывать в гидросеть. На основании экспериментальных данных прогнозируется увеличение кислотности вод, повышение содержания водах железа, сульфатов и микроэлементов.
Для уменьшения ущерба от выявленных и прогнозируемых процессов и явлений были разработаны рекомендации по очистке и снижению агрессивности вод, оптимизации дренажей, которые вошли в проектные решения.
Для уменьшения ущерба от выявленных и прогнозируемых процессов и явлений были разработаны рекомендации по очистке и снижению агрессивности вод, оптимизации дренажей, которые вошли в проектные решения.
Пути решения экологических проблем
На основе оценки экологической обстановки необходимо принятие управленческих решений по снижению негативных последствий техногенного воздействия на литосферу. Анализ современных экологических проблем показывает, что формирование неблагоприятной экологической обстановки в значительной степени обусловлено загрязнением окружающей среды. Загрязнение в свою очередь вызвано усилением миграции и преобразованием форм нахождения химических элементов под воздействием техногенных факторов.
В общем виде литосферу можно представить, как совокупность геологических тел с различной концентрацией элементов. Тела с концентрацией выше определенного уровня рассматриваются человеком как месторождения полезных ископаемых. Эти участки, как правило, являются объектами интенсивного техногенного воздействия. Месторождения являются основным источником загрязняющих веществ, образующихся при добыче и многократной переработке полезных ископаемых.
Из огромного количества вещества, изымаемого из природной среды, в конечный продукт превращается 1,5-2 %. Негативным следствием этого процесса, является неконтролируемая миграция элементов или загрязнение окружающей среды.
При техногенном воздействии на участок литосферы с определенной концентрацией вещества может начаться его миграция в окружающей среде. В ряде случаев происходит превышение пороговых концентраций в определенных средах - подземных и поверхностных водах, почвах и т.д. то есть происходит их загрязнение. С формальной точки зрения пороговые концентрации определяются рядом нормативных документов.
При техногенном воздействии кроме рассеивания, вещество трансформируется в другие соединения с различными пороговыми концентрациями. Эти концентрации могут в сотни-тысячи раз превышать таковые для исходного вещества.
С точки зрения геологического течения времени, после прекращения техногенного воздействия, за какой-то период произойдет рассеивание веществ ниже пороговых концентраций, их трансформация в неопасные или малоопасные формы и концентрация на определенных участках литосферы, называемых геохимическими барьерами.
Основываясь на теории геохимических барьеров, разработанной А.И. Перельманом [9] и развиваемой В.А. Алексеенко [1], Е.М. Емельяновым [2], Н.С. Касимовым [10] и др. можно сформулировать принцип стратегического подхода к защите окружающей среды от загрязнения. Для защиты окружающей среды от загрязнения наиболее оптимальными являются методы, основанные на ускорении естественной трансформации загрязняющих веществ в неопасные формы или их целенаправленной концентрации на определенных ограниченных в пространстве участках литосферы, т.е. создание искусственных геохимических барьеров. Частным случаем этого принципа может являться разработка методов, основанных на поиске естественных участков литосферы с подобными свойствами в отношении загрязняющих веществ [22].
В отличие от данного подхода современные природоохранные мероприятия основаны в основном на использовании технологических приемов, как правило не учитывающих геохимические особенности окружающей среды и не использующих их для повышения эффективности и существенного снижения стоимости.
В качестве материалов для создания барьеров в зависимости от состава загрязнителей могут применяться природные образования (почвы, горные породы и т.д.) или иные вещества, например, производственные отходы. Опыт работы, накопленный за последние годы, показал возможность использования барьеров в различных ситуациях.
Очистка сточных вод от взвешенных частиц. Для очистки дражных стоков от взвешенных частиц на месторождении алмазов в Пермской области предложено использовать грунтовые фильтры, укладываемые в русле реки. В качестве материала для фильтров использовались дражные отвалы. Опытные натурные работы показали, что в зависимости от длины пути фильтрации концентрация взвешенных частиц в стоках может снижаться в десятки и сотни раз [20].
Нейтрализация кислых стоков. Шахты Кизеловского угольного бассейна сбрасывают практически без очистки в гидрографическую сеть кислые (рН=2-4) высокоминерализованные сульфатные воды, имеющие в составе повышенные содержания железа, алюминия, тяжелых металлов. Нейтрализацию кислых шахтных вод возможно проводить с использованием отходов щелочного состава. Лабораторные работы показали, что при использование щелочных отходов содового производства рН шахтных вод можно повышать до нейтральных значений. При этом содержание загрязнителей снижается до допустимых концентраций [5].
Снижение интенсивности загрязнения подземных вод в районах складирования шахтных отвалов. Складирование отходов угледобычи в Кизеловском бассейне приводит к интенсивному загрязнению подземных вод. В районах породных отвалов они имеют низкие значения рН, повышенную минерализацию, а также высокие содержания сульфатов, железа, алюминия, тяжелых металлов. Для нормализации состава подземных вод в районах отвалов в качестве реагента предложено использовать соединения бария, а также дробленые карбонатные породы, укладываемые в траншеи в зоне стока с отвалов. Натурные исследования показали, что в результате применения метода на опытном участке водородный показатель подземных вод повысился с 1,8 до 6,4 и сохранял близкие значения в течение года наблюдений. Существенно снизилась минерализация воды с 24 до 3 г/л, а также содержание основных загрязняющих компонентов [5].
Снижение содержания сульфатов в технических водах. На Холбольджинском угольном разрезе (Бурятия) использование для полива технической воды, большие запасы которой сосредоточены в выработанном карьере, затруднены повышенным содержанием в ней сульфатов - до 1200 мг/л. Для снижения содержания сульфатов использовались соединения бария. В результате опытных натурных работ содержание сульфатов снизилось до 440 мг/л (при максимально допустимой концентрации 500 мг/л). Содержание остальных компонентов не превышало нормативных значений [6].
Снижение сульфатной агрессивности подземных вод. При планировочных работах на промплощадке Губахинского химического завода использовались породы отвалов угольных шахт Кизеловского бассейна, характеризующиеся высоким содержанием различных форм серы. В результате подтопления в насыпных грунтах, на отметках выше заложения фундаментов, сформировались подземные воды, обладающие сульфатной агрессивностью к бетону. Снижение содержания сульфатов в подземных водах проводилось путем применения реагентов, содержащих барий. Проведенные на площадке опытные натурные работы показали, что в результате применения метода подземные воды, обладавшие средней и сильной сульфатной агрессивностью, становились неагрессивными по отношению к бетону [21].
Защита подземных вод от загрязнения в районах шламохранилищ. Складирование отходов Пашийского металлургическо-цементного завода привело к загрязнению подземных вод в районе действующего шламохранилища. В пульпе с щелочной реакцией среды выявлены повышенные содержания Cu, Cd, Pb, Zn, Ni, Mo, As, Ti, значительно превышающие ПДК. Металлы образуют устойчивые комплексы с органическими веществами, подвижные в щелочной среде. Совместно с лабораторией Охраны геологической среды МГУ, предложено создание комплексного, многослойного экрана для снижения интенсивности загрязнения подземных вод. Основной слой, выполняющий функцию перехвата загрязнителей, предлагается создавать из смеси торфа и пиритных огарков, что позволяет связывать металлы в сульфиды в анаэробных восстановительных условиях. Лабораторные исследования показали, что применение метода обеспечивает защиту подземных вод от поступления указанных загрязнителей на весь период запланированной эксплуатации [7]. В настоящее время ведется строительство шламохранилища.
Разрабатываемые новые подходы к решению экологических проблем, основанные на изучении на генетической основе геологических особенностей территории и максимальном использовании ее естественных защитных свойств литосферы могут найти широкое применение на практике.
Таким образом, разрабатываемые принципиальные подходы к решению экологических проблем основанные на максимально полном учете геологических факторов заключаются в следующем.
- Анализ закономерностей историко-геологического развития территории позволяет более достоверно прогнозировать экологические последствия техногенного воздействия и соответственно предусматривать мероприятия по снижению нежелательных процессов и явлений.
- Наиболее естественным и экономически целесообразным путем защиты окружающей среды от загрязнения является использование методов, основанных на ускорении природной концентрации элементов, т.е. создании искусственных или использовании естественных геохимических барьеров.
Список литературы
- Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. М.: Логос, 2000. - 627 с.
- Емельянов Е.М. Барьерные зоны в океане. Калининград: 1998.- 416 с.
- Кононенко И.И., Халевин Н.И., Блюмин М.А., Ященко В.Р. Современная геодинамика Урала. - Свердловск: УрО АН СССР, 1990.
- Логвиненко Н.В., Орлова Л.В. Образование и изменение осадочных пород. Л., Недра, 1987.- 237 с.
- Максимович Н.Г., Блинов С.М. Использование геохимических барьеров для защиты подземных и поверхностных вод от загрязнения // Сергеевские чтения.Вып.2: Материалы годич. сесс. Науч. совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии.-М.ГЕОС,2000.- 224-231 с.
- Максимович Н.Г., Блинов С.М. Технологии реабилитации окружающей среды на основе геохимических барьеров / Контроль и реабилитация окружающей среды: 2-й междунар. симпоз: Материалы симпоз. - Томск,2000.- 245-246 с.
- Максимович Н.Г., Блинов С.М., Сергеев В.И., Савенко В.С., Шимко Т.Г. Разработка комплексного экрана для защиты подземных вод в районе шламохраниища / Уральский геологический журнал, 2000.- N2(14).- 153-166 с.
- Осипов В.И. Геоэкология: понятие, задачи, авторитеты // Геоэкология. - 1997. - № 1. - 3-11 с.
- Перельман А.И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза. М.: Недра, 1972.- 288 с.
- Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея - 2000.- 768 с.
- Рухин Л.Б. Основы литологии. Л., Недра, 1969. - 703 с.
- Страхов Н.М. Избранные труды. Общие проблемы геологии, литологии и геохимии. - М.: Наука, 1983. - 640 с.
- Теория и методология экологической геологии / Трофимов В.Т. и др. Под ред. В.Т. Трофимова. - М.: Изд-во МГУ, 1997. - 368 с.
- Трофимов В.Т. , Зилинг Д.Г. Инженерная геология и экологической геологии: теоретико-методологические основы и взаимоотношение. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1999. - 120 с.
- Умова Л.А., Цаур Г.И., Шатров В.П. Палеогеография Восточного склона Урала и Зауралья в меловое и палеоценовое время. - Свердловск, 1968.
- Фролов В.Т. Литология. М., МГУ, 1992. Кн. 1: 336 с.; 1993. Кн. 2: 430 с.; 1995. Кн. 3: 535 с.
- Экогеология России. Т. 1. Европейская часть / Гл. ред. Г.С. Вартанян. М.: ЗАО "Геоинформмарк", 2000. - 300 с.
- Экологические функции литосферы/ Трофимов В.Т. и др. Под ред. В.Т. Трофимова. - М.: Изд-во МГУ, 2000. - 432 с.
- Япаскурт О.В. Предметаморфические изменения осадочных пород в стратисфере: Процессы и факторы - М.: ГЕОС, 1999. - 260 с.
- Maximovich N.G., Blinov S.M. Hydrosphere transformation in the diamond placers mining area in the Vishera river basin, the Urals // Proceeding Engineering Geology and the Environment, Athens, Greece. Rotterdam, Brookfield. - V.3.- 1997. P.2467-2469.
- Мaximovich N.G., Blinov S.M. The use of geochemical methods for neutralization of surroundings aggressive to underground structures // Proceeding 7 Int. Congress Ass. of Engineering Geology, Portugal, Lisboa. Rotterdam, Brookfield. - V.5. - 1994. - P.3159-3164.
- Sergeev V.I., Shimko T.G., Kuleshova M.L., Maximovich N.G. Ground water protection against pollution by heavy metals at waste disposal sites// Wat. Sci. Tech, 1996 - Vol. 34,-N 7-8.-P.383-387.
|
|
|
