Роль цифровых моделей рельефа для увеличения точности геофизических исследований техногенного металлического загрязнения в условиях криолитозоны (На примере Норильского полигона)

Камбалин Игорь Олегович аспирант; Биологический факультет; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1 Kambalin Igor Olegovich Postgraduate student; Faculty of Geography; Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1 igorkambalin@gmail.com Кошурников Андрей Викторович ORCID: 0000-0001-6160-7795 доктор геолого-минералогических наук преподаватель; кафедра гляциологии и криолитологии; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119192, Россия, г. Москва, ул. Столетова, 9, кв. 12 Koshurnikov Andrey Viktorovich Doctor of Geology and Mineralogy Lecturer; Department of Glaciology and Cryolithology; Moscow State University 119192, Russia, Moscow, Stoletova str., 9, sq. 12 koshurnikov@msu-geophysics.ru

Балихин Ермолай Игоревич аспирант; геологический факультет; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119234, Россия, г. Москва, ул. Ленинские горы, 1 Balihin Ermolai Igorevich Postgraduate student; Faculty of Geology; Lomonosov Moscow State University 119234, Russia, Moscow, Leninskie gory str., 1 ermikus2@mail.ru

Природные условия района исследований

Район исследований располагается в непосредственной близости к террикону шлакоотвала никелевого завода города Норильска. Климат района расположения Норильска – субарктический, суровый, с продолжительной морозной зимой, причем очень часто сильные морозы отмечаются в сочетании с сильными ветрами. Характерной особенностью климата являются частые метели. Лето короткое, прохладное и пасмурное. Увлажнение достаточное, осадки практически равномерно выпадают в течение года. Над рассматриваемой территорией перенос воздушных масс обычно осуществляется в направлении с запада на восток, однако временами наблюдаются выходы циклонов с юга или юго-запада, обусловливающие нередко обильные осадки. Осенью, наоборот, сюда чаще вторгаются воздушные массы, приходящие с севера, – со стороны Баренцева и Карского морей. Зимой, особенно в декабре-феврале, циклоническая деятельность проявляется слабо, так как в это время обычно развивается антициклогенез. Участок изысканий расположен в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород. Наибольшая глубина сезонного оттаивания на метеостанции Норильск составляет 150 см.

Влажность воздуха характеризуется тремя основными показателями: парциальным давлением водяного пара (упругостью водяного пара) и относительной влажностью. Парциальное давление водяного пара увеличивается от зимы к лету, повторяя ход температуры воздуха, и в среднем за год составляет 4,1 гПа (таблица 5.1.8). Максимальное в году значение парциального давления водяного пара (10,9 гПа) наблюдается в июле, минимальное (0,7 гПа) – в январе. Относительная влажность воздуха имеет слабо выраженный годовой ход. Наиболее высокие её значения наблюдаются в осенние месяцы, наиболее низкие – в летние месяцы. Среднегодовая относительная влажность воздуха 77 %. Наименьшая относительная влажность, равная 67 % отмечается в июле, наибольшая, равная 82 %, – в октябре.

На участке изысканий располагаются два небольших озера, связанных через систему проток с рекой Наледной (Новой Наледной), протекающей в 360 м к востоку от границы участка (рис. 1).

Рис. 1. Схема участка изысканий

Также по участку изысканий с запада на восток в направлении озер растекается поверхностный плоскостной сток с отвала Никелевого завода (искусственный сток). Данный сток распластан, течет между локальными понижениями рельефа. Глубина воды в потоке не более 10 см (в естественных углублениях), в среднем – 3–6 см.

Преимущественно, приповерхностные отложения сложены тундровыми глеево-торфянистыми и торфяными (глееземы торфянистые и торфяные тундровые) почвами, залегающими на глинистых и тяжелосуглинистых щебнистых породах. ^[1,2] Также были получены данные о составе техногенных отложений террикона, представленных силикатами железа (Fe₂SiO₄), обладающими хорошими проводящими свойствами при условиях активного выветривания ^[3,4].

Методы исследований

Для определения характера распространения металлического загрязнения пылевыми частицами были произведены геофизические исследования методом естественного поля и методом частотного зондирования, а также полётные миссии на БПЛА для создания ЦМР.

Метод ЕП (естественного поля) основан на изучении естественных постоянных электрических полей, формирующихся вследствие окислительно-восстановительных, фильтрационных и диффузионно-адсорбционных процессов в среде ^[5]. В силу высокой чувствительности данного метода к окислительно-восстановительным реакциям, для производства работ использованы специальные неполяризующиеся электроды.

В ходе выполнения геофизических работ методом естественного поля, было сделано 704 физических наблюдений, по 11 профилям северо-западного простирания, расположенных в границах кадастрового участка исследований, расположенных на постоянном расстоянии друг от друга равным 10 м и перемещаемыми одновременно по профилю с шагом 10 метров. Расположение точек ЕП относительно участка проведения инженерно-геофизических изысканий приведены на рис. 2.

Рис. 2. Карта фактического материала по методу ЕП

Электропрофилирование методом частотного зондирования осуществлялось бесконтактным способом - создается управляемое по фазе переменное магнитное поле последовательно на нескольких частотах (количество частот выбирает оператор в зависимости от поставленной задачи). На каждой частоте выполняется измерение реальной и мнимой компонент вторичного поля. Цикл измерения на каждой частоте включает два этапа:

Первый - измерение прямого поля, по значению которого определяется величина тока в генераторе.

Второй - измерение сигнала от токов, наведенных в изучаемой среде.

Диапазон частот зондирования 2.5-250 кГц число значений частот 14, глубина исследуемого грунта до 7 м. Измеряемые сигналы обрабатываются путем трансформации в кажущиеся сопротивления. Распределения полученных кажущихся величин УЭС представляются в виде разрезов и карт.

Всего было выполнено 5414 физических наблюдения по 11 профилям северо-западного простирания. Шаг по профилю фиксирован и равен 0,5 метра, расстояние между профилями – 50 метров. Расположение точек относительно границ кадастрового участка приведены на рис. 3.

Рис. 3. Карта фактического материала по методу ЧЗ

Также была проведена съемка цифровой модели рельефа на бпла Mavic 3 Enterprise с привязкой GNSS, которая обладает сравнительно низкой точностью для определения абсолютных координат точек модели в пространстве, но высокой точностью точек относительно друг друга, что позволило произвести дешефрирование по ортофотоплану, а также построить карту распределения стоков по характеристикам наклона в пределах каждой ячейки (пикселя) растра поверхности (рис. 4).

Результаты и обсуждение

Полученные данные методом комплексного анализа были изучены в программном комплексе ArcGis Pro и были выявлены следующие закономерности: 1. В областях распространения около-нулевых значений естественного напряжения по методу ЕП наблюдаются повышенные значения удельного электрического сопротивления по методу ЧЗ. Также, в этих областях наблюдается концентрация истоков линий стока.

2. Господствующие ветра имеют направление от террикона в ЮЗ части территории к СВ части исследуемой области, что говорит о возможности пылевого переноса терригенных отложений.

3. Области повышенных значений ЕП располагаются в местах с относительно низкой концентрацией растительности. После дешефрирования ортофотоплана также стало ясно, что эти области, в отличие от областей низких значений ЕП не заболочены, что видно на рис. 4.

.

Рис. 4. Значения естественного потенциала в точках измерения на дневной поверхности

Такие характеристики, при условии, в целом, постоянного литологического состава отложений, что было выявлено в ходе натурных наблюдений и заверочного бурения, были проинтерпретированны следующим образом:

1. Области высоких удельных электрических сопротивлений, расположенные на относительном возвышении (в центральной части исследуемой территории) являются зоной распространения мерзлых грунтов. По-видимому, засчёт гипсометрического положения этой области металлический частицы в течение года не накапливаются в этой области, а при накоплении – смываются сезонными осадками.

2. Области низких удельных электрических сопротивлений могут иметь наведенную проводимость засчёт окислительных процессов в пределах областей высоких значений естественного потенциала, что объясняет несоответсвие глубин до высокоомного слоя полученных в ходе исследования методом частотного зондирования в ЮЗ части площадки. Также это говорит о наличии загрязнения металлическими частицами сдувов со шлакоотвального террикона, которые подвержены воздействию света и воздуха и находятся в активной стадии выветривания.

3. В областях пониженных естественных потенциалов, напротив, наблюдается большая заболоченность территории, что говорит о развитии микробиологической активности, способствующей ускорению восстановительных реакций с учетом притока ионов с ЮЗ части территории, Однако, так как значения сопротивлений в этой части остаются высокими – велика вероятность, что металлическая пыль в этой оседает в меньшей степени (рис. 5).

Рис. 5. Модель распространения электрического сопротивления по методу частотного зондирования в первых семи метрах разреза

Актуальность исследования сдувов с террикона шлакоотвала проявляется в недостаточной изученности схожих процессов и широкой их распространенности ^[6,7]. Территория шлакоотвала Никелевого завода в Норильске представляет собой сложную геофизическую среду, характеризующуюся многолетней мерзлотой и неоднородными грунтами с развитым техногенным загрязнением. Но при правильном комплексировании методов непрямого изучения грунтов можно эффективно решать задачи по картированию как геокриологических характеристик среды, так и экологических. Чтобы подтвердить это положение построена карта-схема природных условий и техногенного загрязнения (рис. 6), которая позволяет в пространстве оценить распространение загрязнения с юго-запада на северо-восток, а также влияние этого загрязнения на структуру выделяемых мерзлых толщ. Так, стало ясно, что мерзлые толщи распространены в пределе большей части исследуемой площадки, глубина до кровли составляет от 30 сантиметров, до 2.4 метров с юга к северу, соответственно. Однако, в непосредственной близости к двум озёрам в северной части наблюдается таликовая область в которой кровлю мерзлоты не удалось обнаружить методом частотного зондирования, что говорит о её глубоком залегании. Проведение дополнительных исследований материалов керна позволяет оценить абсолютные значения загрязнений, однако, без анализа оных оценкаа возможна только на качественном уровне.

Заключение

Нашими исследованиями установлено, что металлическое загрязнение распространено в пределах исследуемой почти повсеместно, максимальное удаление загрязненных территорий от центра террикона шлаковых отвалов достигает 980 метров. Мощность сезонно-талого слоя в пределах исследуемой территории колеблется от 0.3 сантиметров до 2 метров (с юга на север с локальным уменьшением до 0.25 в центральной части) и переходит в таликовую зону на севере, в которой обнаружить кровлю мерзлых пород не удалось. Высокая заболоченность наблюдается в северной части исследуемой территории, что, однако, не приводит к увеличению мощности сезонно-талого слоя, но и металлическое загрязнение в этой области замечено в наименьшей степени. Южная часть, в свою очередь, обладает значительно большей загрязненностью металлическими частицами, значительную концентрацию линий стока и близкое залегание многолетне мерзлых пород. Цифровая модель рельефа, послужившая основой для анализа стока и геоморфологического исследования, позволила более точно оконтурить и оценить как геокриологическое строение участка, так и характер техногенного загрязнения.

Рис. 6. Комбинированная карта-схема природных условий и техногенного загрязнения