Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » Статьи о МО » И.М. Хайкович, A.Н. Жуковский, B.В. Куриленко, Санкт-Петербургский Государственный Университет, "Метрологическое обеспечение в природо- и недропользовании"

Метрологическое обеспечение в природо- и недропользовании




И.М. Хайкович, A.Н. Жуковский, B.В. Куриленко, Санкт-Петербургский Государственный Университет

Получение измерительной информации при экогеологическом мониторинге природо- и недропользования основано на результатах опробования компонентов литогенной сферы Земли, т.е. на методах исследования состава и свойств компонентов окружающей природной среды (ОПС) как в условиях естественного залегания (in situ), так и по данным анализов предварительно отобранных геологических проб химическими или физическими методами в условиях полевых или стационарных лабораторий. Обеспечение получения надежных сведений об измеряемых параметрах ОПС по результатам опробования возможно лишь при условии, если весь процесс опробования построен на современной метрологической базе. В статье рассмотрены особенности организации метрологического обеспечения геологического опробования и сформулированы основные принципы экогеологической метрологии как науки об измерениях параметров, характеризующих экологическую обстановку зкогеологического пространства при природо- и недропользовании.

ВВЕДЕНИЕ

Анализ динамики влияния человека на экогеологическое пространство (геологическую среду) в процессе природо- и недропользования свидетельствует о необходимости постоянного прогноза экологических последствий с целью минимизации последствий антропогенных факторов как на стадиях проектирования хозяйственных объектов, так и в ходе их реализации. Изучением состава и свойств компонентов окружающей природной среды (ОПС), геохимических и геофизических полей литогенной сферы Земли, как среды обитания человека и биоты, занимается экологическая геология, а ее информационным обеспечением - экогеологический мониторинг. Последний представляет собой наблюдение, оценку и прогноз происходящих в геологической среде изменений и является составной частью экологического контроля и обоснования превентивных и восстановительных мероприятий, а также управляющих решений в процессе природо- и недропользования [2]. При этом можно с уверенностью утверждать, что именно от полноты информации о состоянии ОПС зависит как качество оценки экологической ситуации, так и правомерность рекомендаций по природоохранным мероприятиям и, в конечном счете, эффективность управления природо-и недропользованием. К тому же, поскольку измерительная информация, получаемая при экогеомониторинге, характеризуется показателями жизнеспособности ОПС и комфортностью проживания в ней человека, то (в соответствии со ст. 13 Закона РФ «Об экологической безопасности населения»), она должна быть достоверной и иметь достаточную для практических нужд точность. К сожалению, в большинстве случаев последствия антропогенного загрязнения обычно ощущаются со значительным опозданием и по субъективным внешним (явным) признакам влияния вредных веществ на человека и биоту. Для контроля степени загрязнения ОПС и своевременного выявления негативных экологических признаков на ранних стадиях процесса природо- и недропользования следует оптимизировать сам измерительный процесс и использовать современные методы и средства получения и обработки достоверной измерительной информации. Это означает, что процесс измерений при экогеомониторинге должен быть научно-методически обоснован, а все средства измерений (СИ), которые используют при экогеологическом контроле и мониторинге ОПС, должны быть метрологически обеспечены и поверены соответствующими органами с выдачей свидетельства о поверке [1]. Это, в свою очередь, подразумевает наличие эталонной базы для построения градуировочных характеристик используемой аппаратуры и для организации поверок рабочих СИ.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭКОГЕОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ

Отличительные особенности зкогеологического контроля ОПС и экогеомониторинга процесса природо- и недропользования заключаются в том, что они основаны на результатах опробования компонентов литогенной сферы Земли. При этом под термином «опробование» в широком смысле этого понятия обычно понимают исследование состава и свойств компонентов ОПС, основанные как на результатах измерений физических параметров in situ (в условиях естественного залегания), так и на анализе предварительно отобранных геологических проб химическими или физическими методами в условиях полевых или стационарных лабораторий.

Отсюда можно условно выделить два основных вида исследований, которые проводят при опробовании с целью оценки эколого-геологической обстановки:

  • изучение физических свойств горных пород и минералов (плотность, влажность, электропроводность, намагниченность и др.) и параметров физических полей в ОПС (гравитационное, электромагнитное, тепловое, поле ионизирующих излучений);
  • изучение распределения состава химических элементов и их соединений в атмосфере, литосфере и гидросфере.

На практике, к сожалению, часто смешивают понятия «опробование» и «анализ», а сами анализы классифицируют по признаку полевые и лабораторные, т.е. по признаку, который характеризует не вид анализа, а место его выполнения. Такое деление является чисто условным, поскольку полностью игнорирует назначение самих методов анализа. Кроме того, поскольку в настоящее время полевые лаборатории по оснащенности порой не уступают стационарным, то логично при экогеологических исследованиях разделять понятия «опробование» и «анализ», оставив за «опробованием» методологию отбора проб и их подготовку применительно к определенному методу исследования ОПС. Такой подход, кроме того, позволит сформулировать раздельно требования как к методам отбора проб и их первичной пробоподготовке, так и к точностным характеристикам параметров, определяемым в результате последующего анализа (физического, химического и т. п.) проб. Ведь именно требования к погрешности (неопределенности [5]) конечного результата опробования являются определяющим фактором построения метрологического обеспечения (МО) при получении измерительной информации, используемой при оценке состояния ОПС.

Методы опробования, которые используют при организации мониторинга ОПС, удобно классифицировать следующим образом:

экогеологическое опробование - отбор и подготовка проб с целью получения измерительной информации о физических свойствах и составе вредных для ОПС химических элементов и их соединений по результатам химических и/или физических анализов проб горных пород, почв, подземных и поверхностных вод, донных отложений и газов. На практике экогеологическое опробование подразделяют еще на два вида: эко-геохимическое опробование - отбор и подготовка проб абиогенной составляющей ОПС с целью получения информации о путях миграции в геологической среде вредных для биоты и человека химических элементов, и биогеохимическое опробование - отбор и подготовка проб биогенной составляющей ОПС с целью получения информации о наличии в ОПС вредных для биоты и человека химических элементов и микроорганизмов, способных привести к необратимым процессам [2];

экогеофизическое опробование - получение измерительной информации о составе и свойствах вредных для ОПС горных пород и руд по результатам измерений физических параметров или характеристик геофизических полей (таких, например, как поле силы тяжести, магнитное, электрическое, электромагнитное, радиоактивное и т.п.) непосредственно в условиях естественного залегания (вт.ч. «дистанционными» методами). Важной особенностью методов экогеофизического опробования является то, что они могут быть реализованы как в наземном, так и в каротажном и воздушном (дистанционном) вариантах.

Каждый вид опробования характеризуется присущей ему «глубинностью» или представительностью, т. е. объемом (массой) породы (среды), который участвует в сборе информации об исследуемом параметре объекта. Как правило, представительность геофизических методов опробования гораздо выше экогеологических.

Что касается анализов для получения измерительной информации о составе и свойствах компонентов ОПС, то их удобно классифицировать по методам - например, следующим образом:

  • химический анализ-получение измерительной информации об элементном (химическом) составе специально подготовленных проб (твердых жидких и газообразных) химическими методами;
  • физический анализ-получение измерительной информации о составе и свойствах специально подготовленных проб физическими, в т.ч. ядерно-физическими методами;
  • биогеохимический анализ - метод получения измерительной информации о наличии в ОПС вредных для биоты микроорганизмов биогеохимическими методами и т.д.

Обычно, говоря об опробовании, добавляют «с химическим, физическим (в т, ч. ядерно-физическим), биохимическим и т.д. окончанием».

Следует отметить, что за последние десятилетия чувствительность аналитических методов изучения состава проб возросла на 7-8 порядков. И связано это с тем, что в настоящее время аналитическая химия широко использует физические методы, основанные на атомной и молекулярной спектрометрии, на изотопной масс-спектрометрии, на явлениях радиоактивности, электрохимии и т.п. Однако в экогеологии эти усовершенствования не избавляют от таких трудоемких операций как отбор проб и пробоподготовке И основной недостаток методов основанных на предварительном пробоотборе,- в их сравнительно малой представительности, в значительных природных вариациях элементосодержаний «от пробы к пробе», а также в том, что время, затрачиваемое на отбор проб и на пробоподготовку, зачастую на порядок превышает время на сам анализ.

Противоречия между возможностью современных аналитических методов и случайным характером пробоотбора в ряде случаев могут быть преодолены как за счет строго регламентированных требований к методологии пробоотбора и пробоподготовки, так и с помощью методов геофизического опробования (в том числе дистанционных методов), которые позволяют получать измерительную информацию непосредственно в условиях естественного залегания (in situ). Однако в любом случае обеспечение получения надежных сведений об измеряемых параметрах ОПС возможно лишь при условии, если весь процесс опробования будет построен на современной метрологической базе, учитывающей специфические особенности методов опробования, применяемых в экогеологии. Это дает основание для выделения в метрологии самостоятельного направления - экогеологической метрологии - как науки об измерениях экологических параметров геологической среды, определяющих ее экогеологическую обстановку (свойства и состав) в процессе природо- и недропользования.

При формировании основ экогеологической метрологии естественно воспользоваться более чем полувековым опытом геологов, геохимиков и геофизиков, накопленным при изучении состава и свойств руд природных образований. Ниже сформулированы основные принципы, которые, по нашему мнению, должны быть положены в основу догеологической метрологии.

2. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ

В качестве отличительных особенностей организации метрологического обеспечения (МО) в экогеологической метрологии можно выделить следующие:

  • измерения параметров ОПС основаны на результатах опробования, которые зависят от места измерений (для измерений in situ), места и метода отбора пробы и ее объема и, наконец, от подготовки отобранной пробы к анализу (при экогеологическом опробовании);
  • наличие эталонной базы практически полностью основанной на стандартных образцах (СО), адекватно воспроизводящих условия измерений как при анализе отобранных проб (при экогеологическом опробовании), так и при измерении параметров ОПС in situ (в основном при экогеофизическом опробовании) [8,9,10].

В соответствии с ГОСТ 8.315-97 Стандартный образец-это средство измерений в виде определенного количества вещества или материала, предназначенного для воспроизведения и хранения размеров величин, характеризующих состав или свойство этого вещества (материала), значения которых установлены в результате метрологической аттестации, используемое для передачи размера единицы при поверке, калибровке, градуировке СИ, аттестации методик выполнения измерений и утвержденное в качестве стандартного образца в установленном порядке. Стандартные образцы подразделяют на СО состава вещества и/или материала (СО с установленными значениями величин, характеризующих содержание определенных компонентов в веществе: химических элементов, их изотопов, соединений и т. п.), и СО свойств веществ и/или материала (СО с установленными значениями величин, характеризующих физические, химические, биологические и другие свойства вещества). Все СО, которые используются в экогеологической метрологии, можно условно разделить на две группы. В первую группу следует отнести СО, которые призваны обеспечить метрологию при анализе отобранных проб (при геологическом опробовании); вторую группу представляют все СО для организации МО при измерении параметров, характеризующих состояние (состав и свойства) ОПС в условиях естественного залегания (при геофизическом опробовании). Естественно, что все многообразие условий измерений, с которыми приходится иметь дело на практике, невозможно отразить в СО. И потому при их создании и использовании следует привлекать методы математического моделирования и принципы подобия физических систем - например, как это сделано в радиометрии [7].

При экогеологическом (экогеохимическом, экобиогеохимическом) опробовании СО следует использовать только на его окончательной стадии - при анализе вещества специально подготовленных проб. Такие СО обычно представляют собой однородные порошковые пробы заданной (известной) крупности и состава; их обычно готовят из материала, состав которого(матрица) идентичен составу подлежащих анализу проб, и используют для измерений методом компарирования, расходуя при этом только часть СО.

Основные требования к составу и свойствам СО, которые используют для анализа вещества, сводятся к следующему:

  • СО должен иметь такое агрегатное состояние, которое необходимо для его непосредственного использования в конкретном аналитическом методе, поскольку всякие дополнительные операции над СО после его аттестации (перевод в раствор, измельчение и т.д.) могут сопровождаться неконтролируемыми погрешностями и поэтому нежелательны;
  • неоднородность распределения аттестованных элементов в материале СО, которая характеризуется средним квадратическим отклонением в используемых навесках, не должна превышать требуемой (допустимой) погрешности анализа;
  • матрица СО, которая зависит от состава вмещающего материала,должна быть выбрана с учетом селективности аналитического метода к матричному эффекту и должна иметь состав, близкий по химическим и/или физическим (в зависимости от вида анализа)свойствам к материалу в анализируемой пробе;
  • содержания анализируемого элемента (элементов) в комплекте СО должны быть равномерно распределены по диапазону анализируемого элемента; число СО в комплекте для построения градуировочной характеристики - не менее трех. В ряде случаев число СО можно сократить до одного, основываясь на методах математического моделирования.

Как было сказано выше, основными факторами достоверной (правильной)оценки экологической обстановки по результатам экогеологического опробования являются технология отбора проб и технология их пробоподготовки. И лишь в малой степени точность результата опробования зависит от результатов анализа проб - естественно, при условии соблюдения определенных (стандартных) требований к самим анализам. В связи с этим, наряду с обеспечением получения результатов анализа с заданной погрешностью, особое внимание должно быть уделено технологии отбора проб и пробоподготовке. Именно для обеспечения единства и требуемой точности экогеологического опробования каждый вид опробования должен быть обеспечен методическими рекомендациями, в которых излагаются технология отбора проб (густота сети, место отбора, масса пробы и т.д.), технология пробоподготовки для последующего анализа, рекомендуемый вид анализа пробы и требования к точностным характеристикам анализа.

При геофизическом опробовании измерение параметров геофизических полей (таких, например, как поле силы тяжести, магнитное, электрическое, радиоактивное и т.п.) проводят непосредственно в естественных условиях различной аппаратурой и в различное время. Естественно, что без соблюдения определенных требований к подготовке СИ и к процессу измерений результаты таких измерений могут существенно различаться и приводить к недопустимым отклонениям от реальных значений. Следовательно, необходимо принять все меры, чтобы гарантировать единство и требуемую точность результатов измерений параметров одного и того же объекта в разные интервалы времени.

Основное требование к СО, которые используются для МО геофизических методов опробования, сводится к следующему: конструкция, состав и свойства СО должны более или менее адекватно воспроизводить измерения параметров геофизических полей в «естественных» условиях. А это означает, что размеры СО должны обеспечивать представительность опробования, т.е. размер (объем) СО должен быть выбран из расчета, чтобы обеспечить условия «насыщения» при измерении данного параметра. СО этой группы отличает одно условие - они неделимы и могут быть использованы для градуировки и поверки (калибровки) образцовых и рабочих СИ только как единое целое. Естественно, что в лабораторных условиях невозможно воспроизвести условия измерений дистанционных методов и методов, обладающих большой глубинностью. Логичный выход из такой ситуации - использование в системе МО в качестве СО естественных полигонов и контрольно-поверочных скважин (КПС), адекватно воспроизводящих условия измерений.

Таким образом, СО для МО группы геофизических методов можно разбить на три категории:

  • СО, изготовленные по специальной технологии (физические модели),
  • СО, подготовленные на основе специально оборудованных полигонов (т.н. СО-полигоны),
  • СО, подготовленные на основе специально выделенных интервалах в контрольно-поверочных скважинах (КПС), расположенных в стабильной геологической и геохимической обстановках.

Стандартные образцы первой и третьей категорий предназначаются для МО методов опробования, глубинность которых 30-50см и более, а СО третьей категории для МО дистанционных методов. При этом СО второй и третьей категории представляют собой природные участки и специально оборудованные интервалы в скважинах, параметры которых определяют, как правило, путем передачи размера единиц от эталонных СИ первой категории.

Страница 1 из 2 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » Статьи о МО » И.М. Хайкович, A.Н. Жуковский, B.В. Куриленко, Санкт-Петербургский Государственный Университет, "Метрологическое обеспечение в природо- и недропользовании"