A kutatás során alkalmazott geofizikai módszerek Hulladéklerakók vizsgálata geoelektromos mérésekkel Gyenes Gáborné - Bucsi Szabó László (Háromkő Bt.) Bevezetés A HÁROMKŐ BT. fontos tevékenysége környezetvédelmi problémák megoldása geofizikai mérésekkel. Az ezredforduló egyik kihívása a környezetszennyezés csökkentése, a bekövetkezett szennyeződések, hulladéktelepek, -lerakók felülvizsgálata és biztonságba helyezése. Geofizikus szemmel a hulladéklerakó telep speciális, mesterséges hatónak tekinthető, amelynek fizikai-kémiai paraméterei eltérnek a befogadó kőzet tulajdonságaitól. Megállapítható és kis túlzással kijelenthető, hogy egy „jó” kommunális lerakó az összes természetes ásványi lelőhely kedvező paraméterét egyesíti magában; a környezetnél kisebb a térfogatsúlya, kisebb az elektromos ellenállása (a felszíni száraz résztől eltekintve), jól gerjeszthető, hőt termel, természetes (főleg redox) potenciálok forrása. A hulladéklerakó jól kutatható geofizikai eszközökkel. Különböző mérési együttesek ajánlhatók, a hőtérképezéstől a földmágneses mérésekig, az SP térképezéstől a „töltött test” módszeréig. A geotechnikai ajánlások, a geofizikusokkal egyetértésben - a felderítő- és előzetes kutatási fázisban különösen - a geoelektromos szondázást és szelvényezést előnyben részesítik, így a hulladéklerakó határa és mélysége gyorsan és olcsón meghatározható. A többi módszer, mint finomítás vagy valamely anyag (szerves, fémes) kutatása a „ható” speciális tulajdonságától függ. Újabban egyre nagyobb szerep jut a gerjesztett polarizációs (GP vagy IP) vizsgálatnak, mivel az időtartományban mért lecsengési görbe menetéből következtetéseket vonhatunk le a szennyeződés mértékére és fajtájára vonatkozóan. Tapasztalataink szerint az elektromos ellenállásmérés és a GP szondázás kombinációja igen hatékony. Az előzetes geofizikai kutatást követően a talaj- és vízminta-vevő fúrásokat, figyelő kutakat a jellegzetes anomáliákra lehet telepíteni, növelve a talaj- és folyadék-mintavétel hatékonyságát, csökkentve az eredménytelen feltárások számát. A két módszer alkalmazásának nagy előnye, hogy egy adott területről átfogó információt ad, szemben a közvetlen feltárások pontszerű adatszolgáltatásával. VESZ és GP szondázás a gergely utcai hulladéklerakón, Köbányán A kutatás során alkalmazott geofizikai módszerek Elsőként a mérnöki gyakorlatban széles körben elterjedt, VESZ módszert ismertetem röviden. A vertikális elektromos szondázást a rétegzett féltér geometriai (rétegek vastagsága) és geofizikai (fajlagos ellenállás) paramétereinek meghatározására használjuk. A mérés végrehajtása viszonylag egyszerű és gyors. Tápelektródákon keresztül betáplált áram hatására kialakuló potenciáltér változását mérőelektródákon mérjük. Az elektromos potenciáltér annál mélyebbről hoz információt, minél nagyobb a tápelektródák távolsága. Hulladéklerakók esetén 40-50 méteres mélységig célszerű a kutatást végrehajtani. A sokelektródás ellenállásmérésnél az áram hatására létrejövő elektromos potenciáltér vertikális szelvénybeli eloszlását határozzuk meg. Az elektródákat a feltételezett ható méretének megfelelő sűrűségben, egyenközűen telepítjük. Monitorozáskor az így létrejövő potenciálkép időbeli változását észleljük, a rögzített mérési pontokon történő ismételt mérésekkel, s követjük a szennyezett víz frontjának előnyomulását. A látszólagos fajlagos ellenállásból inverzióval valódi fajlagos ellenállást határozunk meg, s ezt ábrázoljuk. A gerjesztett polarizációs mérési módszer a környezetszennyezések kimutatására az egyik legjobban alkalmazható geofizikai módszer. A hulladéklerakók heterogén anyaga jól gerjeszthető, különösképpen a talajvíz alatti része. A GP-jelenség a szennyeződésre igen érzékeny, specifikus mérést tesz lehetővé. Azt a fizikai jelenséget használja ki, hogy a tápáram kikapcsolása után a mérőelektródák között nem szűnik meg azonnal a feszültség, hanem közel exponenciális függvény szerint lecseng, az anomáliát okozó polarizációs folyamatoktól függő sebességgel. A GP időtartománybeli változatánál a lecsengő feszültséget mérjük. Az időtartománybeli jelnek a teljes dinamikus információját úgy állíthatjuk elő, hogy a látszólagos polarizálhatóság időfüggvényét τ-transzformációval időállandó spektrummá transzformáljuk. Az előállított időállandó spektrum a gerjesztett közeg gerjesztő áram hatására vonatkozó emlékezetét, memóriáját minősíti. A -transzformácio alkalmazása azért célszerű, mert a szennyezőanyagok a környezetüktől eltérő módon emlékeznek a gerjesztő hatásokra. Ezáltal a szennyeződés kimutatható és minősíthetővé válik. A geofizikai módszerek alkalmazásának célja a szennyezett terület kutatásakor : A terület földtani felépítésének megismerése, tektonikai és kőzet-repedezettségi viszonyok vizsgálata Vízföldtani viszonyok kutatása (talaj-, rétegvíz helyzete, áramlási irány meghatározása) A szennyeződés szempontjából gyanús területek azonosítása, különösen fedett területek esetében A szennyezett környezet kimutatása és lehatárolása A szennyeződés terjedésének nyomon követése ahol: η(t): a mért GP görbe, t: a gerjesztő tér kikapcsolásától eltelt idő, w(t): az időállandó-spektrum, : a polarizáció időállandója A polarizáció típusai az időállandó szerint: filtrációs:  < 0,4 s membrán: 0,2 sec <  < 0,8 s elektrokémiai vagy redox: 0,6 s <  < 1,2 s fémes: 1 s<  Szerencsi hulladéklerakó A VESZ használhatósága azon alapult, hogy a területen található természetes kőzetek (riolit,kálitufa), a fekü elektromos ellenállása egy nagyságrenddel nagyobb, mint a szeméttest, vagy a csurgalékvízzel átjárt kőzet ellenállása. A degradálódott hulladék és a csurgalékvízzel átjárt fekü elektromos fajlagos ellenállása 10 ohmm-nél kisebb. A szelvényen a hulladéklerakó geoelektromos rétegszelvényét láthatjuk. A kis elektromos fajlagos ellenállású anomáliák kiterjedése alapján kiderült, hogy az adott területen 6-12 méter vastagságú kommunális hulladékot és cukorgyári maradékot, zagyot halmoztak fel. A dúsan szennyezett részeket az ábrákon kék és lila színnel emeltünk ki. A sokelektródás mérések tanulsága, hogy a szeméttelep Ny-i , D- i része alatt vastagabb a zaggyal átitatott rétegek vastagsága. Az elektromos mérésekkel meghatároztuk a fekü mélységét, beleértve a szemetet és a csurgalékvízzel átitatott kőzet vastagságát. A GP mérések a hulladék minősítését tették lehetővé. Bemutatjuk az erősen szennyezett 16. GP-szondázás TAU-transzformációjának eredményeit. Látható, hogy a kőzet minden mélységszinten szennyezett, az elektrokémiai, redox polarizáció az uralkodó. Egyébként más területeken végzett GP mérések anomáliáiban (is) a redox-potenciál a fő komponens. Az ábra kis rétegoszlopai szerint a terület egy-egy pontján könnyen áttekinthetővé válik a szennyezés minősége, és a mintavételt ennek megfelelően tervezhetjük. Az elektromos ellenállás mérésekkel sikerült lehatárolni a hulladéklerakó kiterjedését és a fekü mélységét, a GP módszer segítségével információt kaptunk a szennyezés minőségéről. A TAU transzformáció értékei a 16. pontra Tiszabezdéd-györöcskei hulladéklerakó Forrás: Szűcs Tamás, 2004. A mélységbeli szennyezettségi állapot minőségi analízisére gerjesztett polarizációs vizsgálatot használtunk. A szennyezetlen referencia ponton egy kb. 20 ohmm ellenállású fedőréteg alatt, egy nagyobb ellenállású aljzat helyezkedik el. A GP mérések eredményei itt, minden mélységponton 2% alatti polarizálhatóságot mutattak, igazolva, hogy a referencia pont alatt valóban szennyezetlennek vehető a behatolási mélységig a rétegsor. A referenciaponton végzett szondázások felhasználásával kiszámítottuk a szennyezett területen végzett VESZ és GP mérések szennyezésre való relatív érzékenységi görbéit. Ezekből megállapítható, hogy a területen VESZ mérés Roa paraméterének a szennyezésre való relatív érzékenysége 100% körüli, a GP méréseknél ettől jóval nagyobb ( esetenként több ezer % !!) értékeket kapunk. Ez azt mutatja, hogy a szennyezett térrészek VESZ méréssekel felfedezhetők, azonosíthatók, a bizonyosságot GP mérés szolgáltatja. Az ábrákról leolvasható, hogy a GP4-es pont alatt a felszín közelében már nincs szennyezés, azonban a mélyebb szintek még itt is gyengén szennyezettek. A szelvény többi része intenzíven szennyezett. A legerősebb szennyezés a GP1 és GP2 pont között, kb. 3-18 m mélységben található, amely genetikailag a fémes-redox és elektrokémiai szennyezés típushoz köthető. Ezt igazolja, hogy a GP1 ponton mélyített figyelő kút, egyszersmind a később alkalmazott „töltött test” módszer injektáló kútja folyadékmintáján 8900 S/cm elektromos vezetőképességet (Rw=1.12 ohmm) mértünk, kissé távolabb, a GP4 közeli K-3 ellenőrző fúrásban 1520 S/cm volt a vezetőképesség. Szennyezés típus a GP mérés alapján GP1 GP2 GP3 GP4 A Roa szennyezésre való relatív érzékenysége [ % ] 1 3.3 10 33 Gyõröcske, 1999. 20 30 40 50 60 70 X [ méter ] A B / 3 [ m é t e r ] 80 90 A pásztói kommunális hulladéklerakó A Pásztó városi Hulladéklerakó rekultiválásával kapcsolatos geofizikai vizsgálataink, és kutatásunk során VESZ méréseket végeztünk három vonal mentén 32 ponton, ezt követően gerjesztett polarizációs szondázásokat végeztünk egy vonalon és a referencia ponton. Kutatásaink alapján megállapítható, hogy a területen nagy kiterjedésben találhatók kis elektromos fajlagos ellenállású (átl.10 ohmm) rétegek, melyek csak részben származhatnak természetes településű agyagos kőzetektől. A szondázási görbéken tapasztalható rendszertelen és meredek változások - kiegészítve a talajmechanikai fúrásokban észlelt 1500-2400 S/cm vezetőképesség adatokkal - analógiák alapján arra figyelmeztetnek, hogy az elektromos ellenállásminimumok másik oka a kőzetet kitöltő szennyező fluidum. A GP mérések alapján nyilvánvalóvá vált, hogy a vizsgált részen csak kis mértékű környezetszennyezés található, amely genetikailag főleg fémes és elektrokémiai szennyezésekhez köthetők. A kis mértékű szennyezés réteges szerkezetű. A felszini gyengén szennyezett sáv alatt egy szennyezetlen, mélyebben viszont újra egy gyengén szennyezett intervallum talalható, melyben viszont a mélységgel nő a szennyezés mértéke. Az enyhén szennyezett felszínközeli intervallum a Zagyva felé a GP4-es pont közelében kiékelődik, ami arra utal, hogy ez a szennyezés a lerakóból kiszivárgó oldott anyagok redox polarizációjának, illetve az oldott fémsók fémes polarizációjának a hatására jött létre. A mélyebben levő enyhén szennyezett sáv genetikailag szintén a szeméttelephez köthető, s feltehetően a hulladéklerakót átmosó csurgalékvizek kioldó hatására jött létre. Összegzés A VESZ mérések alapján információt tudtunk szolgáltatni a felső talajréteg állapotáról (szennyetettség, talajvíz), a mélyebben elhelyezkedő fiatal törmelékes üledékek rétegződéséről, valamint a keményebb kőzetek (mészkő,riolit) helyzetéről. A sokelektródás geoelektromos mérés alkalmazásával jó eredményeket értünk el a geoelektromos szempontból eltérő tulajdonságú rétegek pl. agyag-homok szelvénybeli lehatárolásában. A GP mérés során meghatározott polarizálhatóságból pedig jól látható, hogy hol helyezkednek el a különböző típusú szennyező anyagok. Összefoglalásképpen tehát az általunk alkalmazott felszíni módszerekről elmondható, hogy a földtani felépítés és a rétegek jól lehatárolhatóak, a szennyezett területek gyors térképi megjelenítését és kiértékelését teszik lehetővé, hiszen a mérési adatok ábrázolásánál jól elkülönülnek a szennyezett és szennyezetlen területek. A kész térképek alapján meg lehet állapítani, hogy hol célszerű a földtani kutatásokat folytatni, a hulladéklerakó további állapotvizsgálata, és a monitoring ezek alapján eldönthető. Delineation of waste deposits by geoelectrical resistivity and induced polarization methods Within the last decade – as a new technique – combined electrical resistivity (Ro) and induced polarization (IP) geophysical methods were introduced to waste site exploration in NE Hungary. They have originally been applied mainly for water and ore prospection worldwide. Of all wellknown surface geophysical methods, the electrical resistivity method has generally been proposed and applied for waste material mapping and water leakage tracing. Its portable and easy to operate equipment facilitate rapid and cost effective Schlumberger-array vertical electrical sounding (VES). As for the interpretation, it is reliable for the geological structure and helps to determine the presence and approximate degree of a pollution, - but excludes the identification of the composition and character of the „target”, i.e. the natural agents or underground processes. Originally the IP method is well known as an effective electromagnetic geophysical tool for ore exploration, because both time-domain and frequency-domain IP measurements are capable to detect even small amounts of metallic minerals. Recent years it becomes a useful geophysical method in the detection of waste sites, contaminated debris. Time domain η(t) polarizability curves can be constructed in the field, collecting the data by Schlumberger electrode array, simultaneously with the resistivity sounding. Introducing TAU-transformation – a special algorithm developed by Turai – for analizing the w(τ) spectrum function, after solution the resulting different τ time-constant frequency values are characterizing the basic polarization mechanisms and different physico-chemical processes in a burried public waste. Taking into account test measurements and some previous experiments, the following time-constant (τ) values proved to be characteristic: τ < 0.4 s – filtration; 0.2 s < τ < 0.8 s - membrane polarization; 0.6 s < τ < 1.2 s – electrochemical or redox polarization; τ > 1.0 s – metallic or electrode potencial polarization. Further on case histories are presented from the Györöcske and Szerencs waste sites. Irodalom Turai E.- Elsen K.- Limbrock K., 1992: Analysis of IP Time-Domain Data Measured Above Waste Site Near Offheim Using Tau-Transformation of IP Chargeability Curves. JEEP 1553 TEMPUS project report, DMT-Bochum. A szerencsi kommunális hulladéklerakó vizsgálata, kutatási jelentés. Háromkő Földtani és Geofizikai Kutató Bt. 2003 Tiszabezdéd- győröcskei kommunális hulladéklerakó vizsgálata, kutatási jelentés. Háromkő Földtani és Geofizikai Kutató Bt. 1999 Turai Endre: A győröcskei kommunális hulladéklerakó szennyezettségének meghatározása és minősítése céljából végzett GP mérések, kutatási jelentés, 1999 A pásztói kommunális hulladéklerakó vizsgálata, kutatási jelentés. Háromkő Földtani és Geofizikai Kutató Bt. 2000 Filep Gy.-Kovács B.-Lakatos J.-Madarász T.-Szabó I., Szennyezett területek kármentesítése, Miskolci Egyetemi Kiadó, 2002.