Функционирование и формирование почв над подземными хранилищами природного газа

1

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность 03.00.27 - Почвоведение

Специальность 03.00.16 - Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

«Функционирование и формирование почв над подземными хранилищами природного газа»

МОЖАРОВА НАДЕЖДА ВАСИЛЬЕВНА

Москва - 2009

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессорСтепанов А.Л.

доктор географических наук,

профессор Иванов И.В.

доктор биологических наук,

профессор Васенев И.И.

Ведущее учреждение: Почвенный институт им. Докучаева РАСХН

Защита состоится в 15.30 в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ имени М.В. Ломоносова на факультете почвоведения по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета или присылать отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, ф-т Почвоведения, Ученый совет.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор биологических наук Никифорова А.С.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Научные достижения последнего времени в изучении биосферного газообмена неразрывно связаны с разработкой проблемы перехода биосферы в ноосферу и являются развитием основополагающих идей В.И. Вернадского. Многосторонняя индустриальная деятельность человека охватывает все природные системы Земли, в том числе и почвенный покров, вносит значительные изменения в биогеохимические циклы элементов в биосфере, ставит под угрозу ее нормальное функционирование (Ковда, 1975), определяет задачи, связанные с многообразными экологическими функциями почв - атмосферными, гидросферными, литосферными, биотическими (Добровольский, 1996, 1997, 1999; Добровольский, Никитин, 1986, 1990). Почва является регулятором биосферных взаимодействий, функционируя, она контролирует и трансформирует проходящие через нее потоки и циклы вещества и энергии. Почвенный покров выступает как своеобразная полупроницаемая мембрана, осуществляющая газообмен между атмосферой и литосферой (Розанов, 1988).

В настоящее время наиболее остро стоят проблемы увеличения метана в атмосфере, содержание которого за последние два столетия возросло почти втрое, что, по-видимому, связано с дисбалансом продуцирования, разложения и трансформации метана. Актуальными экологическими проблемами дальнейшего использования существующих разрабатываемых газовых месторождений и подземных газохранилищ является исследование биогеохимических циклов парниковых газов в биосфере, влияния последних на функционирование почвенной системы и формирование почв, функционально-экологических аспектов географии почв газоносных территорий. Наиболее остро стоят вопросы поиска новообразованных твердых, консервативных продуктов функционирования, созданных вследствие неполной замкнутости, необратимости многих почвенных процессов внутри почвенной системы (Таргульян, Соколова, 1996). Проблемы осложняются исследованием состава, свойств, географии антропогенно-преобразованных почв, разработкой их диагностики и систематики.

Цель исследования: разработать концепцию функционирования и формирования почв над подземными хранилищами природного газа на примере дерново-подзолистой и черноземной зон.

Задачи исследования:

1. Разработать концепцию функционирования почвенного покрова, включающую представления о взаимодействии техногенно-аллохтонного метана с почвами над подземными хранилищами природного газа. Выявить факторы, элементы, параметры и балансы функционирования почв.

2. Определить роль (функции) почвенного покрова в регулировании эмиссии техногенно-аллохтонного и атмосферного метана.

3. Выявить нарушения природных биогеохимических циклов метана в почвах над подземными хранилищами природного газа. Определить локальные и глобальные придержки параметров биогеохимического цикла метана.

4. Выявить пространственно-временные закономерности рассеяния, депонирования, бактериального окисления и эмиссии автохтонного, аллохтонного, техногенно-аллохтонного и атмосферного метана в почвах над подземными хранилищами природного газа.

5. Оценить массовые балансы и соотношение эмиссии и стока автохтонного и техногенно-аллохтонного метана в почвах над подземными хранилищами природного газа в сезонной и годовой динамике и различных технологических условиях.

6. Выявить основные пути и продукты деструкции метана в почвах над подземными хранилищами природного газа. Определить состав, численность и биомассу ведущих микроорганизмов, осуществляющих цепь превращений метана. почвенный микроорганизм метан деструкция

7. Выявить возможные пути формирования природно-техногенных признаков почв. Показать цепи редукции железа в почвах при воздействии аллохтонного и техногенно-аллохтонного метана.

8. Выявить влияние добычи и хранения природного газа на состав, свойства, пространственное распределение почв. Разработать диагностику антропогенно-преобразованных почв.

Основные положения, выносимые на защиту: концепция функционирования и формирования почв над подземными хранилищами природного газа в дерново-подзолистой и черноземной зонах.

1. Использование эколого-функционального подхода позволило создать представление о почвенном покрове газоносной территории как двусторонней вертикальной и горизонтальной мембране, экранирующей, дифференцирующей и трансформирующей мигрирующие потоки техногенно-аллохтонного метана, обладающей различной рефлекторностью, отвечающей на механизмы газопереноса.

2. В результате формирования искусственных газовых залежей нарушаются природные биогеохимические циклы метана в почвах. Нарушения выражаются в ритмических процессах притока, рассеяния и возникновения аномалий техногенно-аллохтонного и аллохтонного метана в почвах, эмиссии его в атмосферу; в комплексе абиотических и биотических процессов его депонирования, диффузионной проницаемости и бактериального окисления. Определены локальные и глобальные придержки биогеохимического цикла метана в почвах при подземном хранении природного газа.

3. Массовые балансы эмиссии, бактериального окисления, поглощения техногенно-аллохтонного и атмосферного метана характеризуются различной эффективностью и чрезвычайно высокой изменчивостью, обусловленной интенсивностью механизмов поступления потоков газа и структурой почвенного покрова в годовых, сезонных циклах и технологических условиях. Потоки природного газа задерживаются почвой и расходуются на бактериальное окисление (90-99%) и эмиссию метана в атмосферу (1-10%), составляя 5-10% от общих потерь газа при подземном его хранении. Эмиссия метана в весенний период не компенсируется бактериальным окислением и поглощением атмосферного метана.

4. Почвы функционируют как механизм (реактор), определяющий цепь превращений деструкции метана и синтеза других органических, органо-минеральных газообразных, жидких и твердых веществ. Трансформация метана протекает в незамкнутых циклах и процессах микробиологической деструкции, сопровождается образованием диоксида углерода, переносом его в атмосферу и формированиием почвенных новообразований высокодисперсного магнетита путем аэробной метилотрофной и анаэробной ферментирующей железоредукции.

5. Над подземными искусственными газовыми залежами в зонах рассеяния и доминирующего влияния углеводородных газов преобладают природные почвы с техногенно-педогенными признаками - новообразованиями микродисперсного бактериоморфного магнетита. В результате механического нарушения и отложения буровых шламов, химического загрязнения сформированы новые техногенные слои, горизонты, специфические антропогенно-преобразованные почвы и почвоподобные образования, получившие незначительное распространение. Рассмотрены представления о диагностике почв и почвоподобных тел газоносных территорий.

Научная новизна. Впервые сформирована концепция функционирования почв над подземными хранилищами природного газа, расположенными в различных природно-географических зонах. Определены факторы, элементы, параметры, география и балансы функционирования почв над искусственными и естественными газовыми залежами.

Сформировано представление о почвенном покрове газоносных территорий как специфической двусторонней горизонтальной и вертикальной мембране, регулирующей мигрирующие атмотропические потоки техногенно-аллохтонного метана из недр и геотропические из атмосферы с помощью системы почвенно-геохимических барьеров.

Определены экранирующая, дифференцирующая, трансформирующая и различная рефлекторная функции почвенного покрова. Сформировано представление о почвенном покрове как реакторе, определяющем цепь превращений деструкции метана и синтеза других веществ.

Установлены нарушения биогеохимического цикла метана в почвах при участии человека. Определены локальные и глобальные придержки биогеохимического цикла метана.

Установлен факт, определены механизмы формирования новообразований техногенно-педогенного магнетита при участии микроорганизмов, высокой вариабельности окислительно-восстановительного потенциала и повышенном содержании органического вещества в почвах различных природных зон.

Установлено формирование специфических антропогено-преобразованных почв. Разработаны принципы их диагностики.

Практическое значение работы. Проведенные полевые исследования, полученные экспериментальные материалы, методические разработки и теоретические обобщения позволили сформировать основные положения инновационной системы почвенно-экологического мониторинга герметичности объектов подземного хранения природного газа, вошедшие в руководящие документы. Нововведения в области мониторинга герметичности подземных газохранилищ позволят выявить источники, пути диффузионно-конвективного переноса, ореолы рассеяния, бактериального окисления, эмиссии в атмосферу неучтенного природного газа и модифицированных газов, твердые геохимические признаки трансформации почв под влиянием флюидов. Результаты исследований по мониторингу и его элементам активно используются при проведении работ по заказу ОАО Газпром, по договорам с организациями ВНИИГАЗ, ГИ, ИПНиГ РАН, АНО НИИЦ «Геориск», НПО «Экостройгеология».

Материалы исследований по изучению функционирования почв и роли почвенного покрова на газоносных территориях поддерживались инициативными грантами РФФИ, вошли в отчеты НИР факультетата почвоведения МГУ, грантов РФФИ, «Университетов России», «Ведущих научных школ», ФЦП «Интеграция», ФГУ НИМИ «Базис».

Полученные материалы широко используются в образовательном процессе на факультете почвоведения МГУ. Автором составлена программа и подготовлен лекционный курс «Антропогенные почвы». На основе выполненных исследований автором подготовлено учебное пособие с одноименным названием, куда включены разделы по функционированию почвенного покрова на газоносных территориях и подходам к диагностике антропогенно-преобразованных почв.

Вклад автора в разработку проблемы. Автором определена программа работ, ему принадлежит постановка цели и задач исследования. Полевые экспедиции проводились под руководством и при непосредственном участии автора. Большая часть экспериментального материала получена автором или под его руководством в коллективных экспедиционных и лабораторных исследованиях кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ. Другая часть экспериментального материала получена в договорных работах с ГИНом, ИПНиГ РАН, ВНИИГАЗом. Обобщение и интерпретация полученных результатов проведены лично автором. Подавляющее большинство публикаций, обобщающих результаты исследований, подготовлено и написано лично автором, в том числе монографические издания МГУ, крупные работы в периодических изданиях, учебные пособия.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты исследований были представлены, доложены и обсуждены на более чем 20 научных совещаниях, симпозиумах, конференциях отечественного и международного уровня, среди которых - Всероссийские съезды почвоведов (Суздаль, 2000; Новосибирск, 2004; Ростов-на-Дону, 2008), Ломоносовские чтения МГУ (2003), международные конференции (в Словакии «Антропогенные почвы», 2003 и Китае «Почвы урбанизированных, промышленных, техногенных и военных территорий», 2007, конференция «Эмиссия и сток парниковых газов на территории северной Евразии», «Экология и почвы» (Пущино, 2003, 2006), конференции по классификации почв (Петрозаводск, 2003), по загрязнению почв (2004, 2006), инновационные и научно-практические конференции (2004, 2008.). По теме диссертации опубликовано более 52 работ, включая коллективные монографии, учебные пособия, руководящие документы, научные статьи в отечественных и зарубежных изданиях, научные статьи в материалах конференций, инновационные и научно-практические публикации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав и выводов, она изложена на 312 страницах, содержит 70 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 250 работ, из них 31 на иностранном языке.

Благодарности. Глубокую благодарность автор приносит своему наставнику и учителю академику РАН профессору Г.В. Добровольскому и заведующему кафедрой географии почв члену-корреспонденту РАН профессору С.А. Шобе за постоянную поддержку и ценные советы. Автор благодарит своих учителей и коллег В.О. Таргульяна, М.Н. Строганову, И.С. Урусевскую, А.В. Иванова, А.А. Боброва за неизменную помощь и профессиональную поддержку, а также весь коллектив кафедры географии почв за доброжелательное отношение и ценные замечания. Автор глубоко признателен своим ученикам и соавторам С.А. Кулачковой, В.В. Прониной, С.Н. Ушакову, Н.И. Беляевой, А.М. Загурскому, О.В. Лисовицкой, Т.В. Гольцовой за товарищескую поддержку в экспедиционных условиях, помощи в лабораторных экспериментах. Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры физики и мелиорации почв А.В. Смагину, агрохимии - Верховцевой Н.В., биологии почв - М.М. Умарову, А.Л. Степанову, Г.М. Зеновой, Т.Г. Добровольской, Н.А. Манучаровой за обсуждение отдельных вопросов диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Метан в биосфере

В работе сделан обзор литературы по названной теме. Отдельные подглавы посвящены проблемам: происхождения и образования метана, механизмам передвижения, бактериальному окислению метана и других углеводородов, циклу метана в почвах, литосфере, морях и океанах, эмиссии в атмосферу, окислению в атмосфере, источникам и стокам метана, биогеохимической деятельности микроорганизмов в биосфере, влиянию газовой залежи на почвы.

Метан - широко распространенный газ Земли. В свободном виде метан отмечается в тектонически-активных зонах планеты. Весьма значительные скопления метана сосредоточены в газоносных, нефтеносных и угольных месторождениях. Для геологического метана характерно доминирование тяжелых изотопов углерода. В составе природного газа присутствуют тяжелые углеводороды (Алексеев и др., 1978). Биогенное образование метана охватывает биосферу, проходит в морях, океанах, почвах (рис. 1). Для биогенно образованного природного газа характерно преобладание легкого изотопного состава, весьма низкое присутствие легких гомологов и отсутствие тяжелых углеводородов.

Широко изучены микроорганизмы цикла метана: анаэробные метанобразующие (Беляев, 1976, 1988; Заварзин, 1972; Заварзин, Васильева, 1999 и др.) и аэробные метанокисляющие бактерии (Малашенко и др., 1978; Кондратьева, 1983; Гальченко, 1986, 2001; Hanson, Hanson, 1996; Заварзин, 1997, 2004; Дедыш, 2002; Паников, 1998; Panikov et al., 2001; Колесников и др., 2004; Adamsen, King, 1993; и др.), их морфология, физиология, условия роста, распространение; эмиссия в прилегающие геосферы (атмосферу и литосферу); поглощение газов из атмосферы (Минько, 1988; Смагин, 1999).

Большинство известных работ посвящены циклу метана, его автохтонному образованию, окислению и эмиссии в атмосферу в естественных и антропогенных ландшафтах (Заварзин, Кларк, 1987; Заварзин, 1995, 1997, 1999; Слободкин и др., 1992; Паников и др., 1992, Паников, 1995; Степанов, 2000; Cicerone, Oremland, 1988; Hanson, Hanson, 1996; Le Mer, Roger, 2001; Chan, Parkin, 2001 и др.). В педосфере и самых верхних слоях литосферы происходит интенсивное окисление метана с помощью метанотрофов, относящихся к родам: Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis (Могилевский и др., 1971, Гальченко, 2001). Окисление метана в недрах не происходит из-за отсутствия специфических микроорганизмов. Отмечается экранирующая и регулирующая роль углеводородокисляющего биоценоза в формировании современной безуглеводородной атмосферы Земли (Оборин и др., 2005). Анаэробные метанобразующие и аэробные метанокисляющие микроорганизмы не могут развиваться совместно, но объединены в цикл транспортным процессом, который реализуется вследствие переноса метана из анаэробной в аэробную зону (цикл Зенгена, цит. по Заварзину, 1999). Транспорт метана осуществляется с помощью механизмов молекулярной диффузии и конвекции, метан передвигается из анаэробной в аэробную зону в почвах и по системе вертикальной и горизонтальной трещиноватости геологических структур (Оборин и др., 2005).

В настоящее время концентрация метана в атмосфере ежегодно растет, достигнув 1,72 ppm. (Cicerone, Oremland, 1988; Nakayama, 1995; Conrad, 1996; Hanson, Hanson, 1996; Смагин, 1999). Высокие темпы роста эмиссии метана являются результатом в первую очередь человеческой активности, связанной с сельскохозяйственной и промышленной деятельностью (Hanson, Hanson, 1996; Минько 1988), Хейн с соавторами (по Паникову, 1998).

Средний поток биогенного метана (основанного на результатах мониторинга на поверхности Земли) в атмосферу в России, рассчитанный на основе прямых измерений и экстраполированных данных зарубежных ученых, составляет 24 Тг/год (Zelenev, 1996), мира -550 Тг/год (Cicerone, Oremland, 1988), 530 Тг/год (Смагин, 2000). В приведенных подсчетах отсутствуют данные об эмиссии биогенного метана из залежей природного газа, образованных биогенным путем. Имеются другие глобальные оценки, учитывающие потоки из недр. Доля биогенных источников метана составляет 50-60%, литосферных и техносферных по 20-25% (Пиковский, 1993). Доля только геогенных потоков метана характеризуется широким размахом от 200 до 900 млн. т/год (Войтов, 1986; Адушкин и др. 2003). Недооценка эмиссии геологического метана также отмечается в работах (Etiope and Klusman, 2002; Mцrner and Etiope, 2002).

Информация, выделенная жирным шрифтом, является результатом проведенных нами исследований.

Биогенное окисление метана в почвах метанокисляющими бактериями относительно невелико, варьирует по различным даннымот 6 до 10% от общего стока (Смагин, 1999). Поглощение метана почвами может составлять 30-69 Тг. Интенсивность потребления метана почвами, измеренная и обобщенная в работах King, (1992); Boeckx, Van Cleemput, (2001) Strieg et al. (1992). Дисбаланс эмиссии и стока метана, т.е. накопление метана в атмосфере с учетом геогенных потоков, по литературным данным может варьировать от 30 до 625 Тг. Но эти величины характеризуют нетто-сток в почвах без учета потенциального окисления в поверхностных слоях гидроморфных ландшафтов, в результате чего часть метана, производимая в них, не выходит в атмосферу (Смагин, 1999). Активность “метановых биофильтров”, так называемый скрытый сток, более чем на 90 % снижает эмиссию метана (Дедыш, Паников, 1997).

Планетарная газовая функция почвенного покрова заключается в его участии в биосферном круговороте газов, включающем: поглощение глубинных газов из нижележащих слоев литосферы; образование газообразных веществ; эмиссию в атмосферу. В наименьшей степени в настоящее время исследуется поглощение почвами глубинного аллохтонного метана, ограничивающее эмиссию в атмосферу на газоносных территориях. Изучение этого вопроса было начато в 30-х годах XX в., когда у земной поверхности обнаружили метан и другие газообразные углеводороды, мигрировавшие из газонефтяных залежей, которые были признаны факторами почвообразования (Ковда, 1953; Могилевский и др., 1970; Бачурин и др., 1979). Установлены ландшафтно-геохимические закономерности распространения углеводородных газов и окисляющих их бактерий в черноземных почвах (Иванов, 1969). Отмечена большая амплитуда колебаний ОВП над нефтяными залежами (Сердобольский, 1953; Ковда, Славин, 1959). Было показано формирование газовых, битумных и бактериальных аномалий в водоносных горизонтах, породах и иллювиально-гипсовых горизонтах черноземов (Иванов, 1969). В результате функционирования биологического фильтра в почвах накапливаются различные продукты бактериальной жизнедеятельности (Могилевский, 1979). Было замечено увеличение содержания органического вещества и азота в почвах, подверженных влиянию углеводородов в местах разрыва трубопроводов и над нефтяным месторождением (Harper, 1939; Кононова, 1953, Davis, 1952).

Вместе с тем в морях и океанах, осадочных толщах остаются твердые продукты геохимической деятельности метана (рис. 1). Вопросы формирования следов геохимической деятельности метана в почвах в литературе не рассматривались. Однако формирование органического вещества, образование органо-минеральных комплексов при понижении окислительно-восстановительного потенциала в почвах при воздействии метана создает предпосылки для поиска новых знаний по редукции поливалентных металлов. В этой связи в работе сделан обзор литературы по генезису магнитных оксидов железа, в том числе по биологически контролируемой и индуцируемой минерализации.

Глава 2. Объекты, методология и методы исследования

Объектом исследования являлся почвенный покров над подземными хранилищами природного газа. Был рассмотрен почвенный покров над истощенным месторождением природного газа, используемого в качестве подземных газохранилищ в Ставропольском крае и подземным газохранилищем в Московской области, соответственно в черноземной и дерново-подзолистой зоне. Первое включает одну естественную, три выработанные искусственные газовые залежи, две из которых используются для подземного хранения природного газа (ПХГ-1, ПХГ-2). Это крупнейшее в мире подземное газохранилище площадью около 680 км2. Природный газ закачивается в обводненные пески и песчаники отработанных газовых залежей на глубину 800 и 1000 м с помощью газовых скважин (рис. 1). Газовые залежи прикрыты мощной непроницаемой покрышкой майкопских глин.

Другим объектом исследования являлся почвенный покров подземного хранилища газа и прилегающей территории регионального фона, общей площадью около 60 км2. Хранилище газа располагается в песчаниках и песках нижнещигровского горизонта на глубине 890-920 м. Покрышкой пласта-коллектора служит пачка глин с алевритистыми прослоями мощностью 11-25 м. Объем подземного пространства 2,5 млрд. м3 (Бухгалтер и др., 2002).

При исследовании функционирования и формирования почв на разных объектах был использован единый методологический подход - изучение статической составляющей почвенного покрова параллельно с его функционированием и исследованием участия углеводородных газов в почвообразовании.

На месторождении природного газа в Ставропольском крае полевые исследования проводились в июле 1995-1998 гг., на подземном газохранилище в Московской области - в мае, июле и ноябре 1998-2006 гг. Были проведены детальные почвенно-картографические исследования на 24 ключевых участках. Использованы существующие почвенные карты М 1:100 000 (Ставропольский Гипрозем, 1991), М 1:25 000 (ИПНиГ РАН), составленные методами пространственной генерализации почвенного покрова с учетом компонентного состава.

Поверхностная газовая съемка осуществлялась по сетке квадратов через 700 - 1000 м в 32-42 точках (в Московской обл.) и через 3000 м в 74 точках (в Ставропольском крае) согласно «Проекту международного стандарта ISO: методы отбора проб при оценке загрязнения почв, 1996», с учетом 5 категории сложности территории, а также на 24 ключевых участках. Содержание газов в почвах определяли путем размещения пробоотборника на глубину 20, 40 и 60 см на 1 час и последующего отбора пробы через выведенные на поверхность трубки. Эмиссию метана определяли камерным статическим методом со временем экспозиции 1 час, объем камеры ~1100 см3. Пробы воздуха отбирали в герметично закрытые флаконы (V 15 мл) с насыщенным раствором NaCl, анализировали на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором (М 3700, Россия, адсорбент SE-30, и Chrom-41, длина колонки 3,2 м, наполнитель Spherosil, газ-носитель - аргон). Общее количество проб газовой съемки - около 5000. Полевым потенциометром измерялся Eh почв в десятикратной повторности для каждого горизонта. Аналитическая характеристика почв проведена с использованием комплекса физических, химических и биологических методов в 740 образцах.

Физические свойства почв. Гранулометрический состав определялся пирофосфатным методом, удельная поверхность почв - методом Кутелика (по Фацеку, 1969), плотность, общая пористость, воздухоемкость - буровым, влажность - весовым методом, структурность - весовым в трех повторностях для каждого горизонта (Вадюнина, Корчагина, 1986; Шеин и др., 2001). Коэффициент диффузии метана рассчитывался по графической модели (Смагин, 1999; Можарова, Ушаков, 2004) в зависимости от гранулометрического состава и отношения пористости аэрации (Пg) и общей пористости (ОП) почв. Удельная магнитная восприимчивость определялась каппаметром КТ-5 методом сравнения со значениями эталона, в качестве которого использовалась соль Мора. Выделение магнитной фракции проводилось методом обогащения из почвенного образца (Бабанин и др., 1995). Часть выделенной магнитной фракции подвергалась дополнительной обработке с целью удаления солей и органического вещества (Pearsall, 2002). Микроморфологический анализ магнитной фракции почв проводился на сканирующих электронных микроскопах JEOL-JSM-35CF, JEOL-JSM-6060A, энергодисперсионные спектры получены на сканирующих электронных микроскопах OPTON Carl Zess LEO 1450VP и рентгеновском микроанализаторе INCAx-sight и JEOL-JSM-6060A с рентгеновским анализатором JEOL

Химические и физико-химические свойства почв. Содержание Сорг определялось фотометрическим методом, легкорастворимых солей - методом водной вытяжки, рНН2О и Еh - потенциометрическим методом (Воробьева, 1998). Обменные Na и К - по Масловой; Ca и Mg - по методике Н.И.Соколова (Гедройц, 1955). Содержание нефтепродуктов устанавливалось гексановым методом с люминесцентным окончанием (Теплицкая и др., 1979).

Биологические свойства почв. Определение активности бактериального образования метана проводилось по выделению метана в инкубируемых в течение месяца закрытых флаконах. Потенциальная активность бактериального окисления и скорость абиотического поглощения метана определялись кинетическим методом по поглощению метана в инкубируемых закрытых сосудах (принципы методов Звягинцев, 1991). Окисление техногенно-аллохтонного метана определялось по разнице бактериального окисления в почвах газоносных и фоновых территорий. Определение биомассы и группового состава микроорганизмов проводилось по жирным кислотам методом хромато-масс-спектрометрии (Осипов и др., 1994, институт микробиологии РАН). Подсчет массового баланса бактериального окисления, эмиссии техногенно-аллохтонного и поглощение атмосферного метана на газоносной территории проведен с использованием ГИС-технологий.

Разработано 2 эксперимента по влиянию природного газа на магнитную восприимчивость (ч) почв. Первый опыт основан на разделении процессов восстановления/окисления, необходимых для синтеза Fe3O4. Моделировали режим периодического увлажнения/иссушения в присутствии природного газа (концентрации 4000-10000 ppm) и без него, дополнительного органического вещества. Второй эксперимент проводился без разделения процессов восстановления/окисления Fe, без добавления органического вещества. Первый опыт проводился в течение года, второй - 7 месяцев. Обработка результатов исследований проводилась в программах Microsoft Excel и Statistica, построение карт - в программах Mapinfo (5.0) и Surfer (8.0). Нижнее значение аномальных параметров для газовых аномалий рассчитывалось по формуле Са = Сф·у (логнормальное распределение), для бактериальных - Са = Сф+у (нормальное распределение) (Алексеенко, 2000).

Глава 3. Факторы функционирования и формирования почв

Подземное газохранилище в Московской области расположено в умеренно-континентальной климатической зоне. Средняя температура самого теплого месяца (июля) +17,0…+18,5°С. Годовое количество осадков колеблется от 473 до 676 мм в год. Гидротермический коэффициент 1,2-1,6 (Почвы Московской области, 2002). Многолетняя среднемесячная норма осадков в июле около 90 мм. Годы исследований отличались по гидротермическим условиям. За основу их группировки были взяты показатели июля и выделены: 1999, 2000, 2002 годы - с дефицитным или близким к норме количеством осадков и повышенной температурой воздуха (далее - сухие годы), 1998, 2001, 2003 - с избыточным количеством осадков и более низкой температурой (далее - влажные годы). Рельеф представлен холмами водно-ледниково-озерного, ледниково-озерного, ледникового, водно-ледникового происхождения, а также древними ложбинами стока. Почвообразующими породами в пределах изучаемого района являются: 1) древнеаллювиальные пески и супеси; 2) суглинистые, супесчаные, песчаные отложения; 3) техногенно-переотложенный материал в промышленной зоне, представленный неравномерной по гранулометрическому и минералогическому составу гетерогенной смесью гляциальных отложений и буровых отходов. Исследованная территория соответствует сосново-болотному растительному району (Алехин, 1947 по Почвы Московской области…, 2002). Лесистость района 50-70%. Значительную площадь занимают земли сельскохозяйственного использования.

Другой объект исследования расположен на Ставропольском поднятии в континентальной климатической зоне неустойчивого увлажнения с тенденцией к засушливости. Среднегодовая температура составляет 9єС. Среднегодовое количество осадков - 538 мм. Наиболее распространенными почвообразующими породами являются лессовидные и лессовидно-покровные суглинки, а также элюво-делювий известняков и ракушечников. Значительные площади занимают делювиальные засоленные глины и покровно-скелетные суглинки. Основные площади заняты сельскохозяйственными угодьями. Естественная ковыльно-типчаковая растительность занимает незначительные площади.

В результате разработки месторождений природного газа, а также строительства подземных газохранилищ, последующего усиления геохимического влияния естественных и искусственных газовых залежей, проведения буровых, эксплутационных работ существенно изменяются факторы почвообразования. В пределах промышленных зон происходит формирование нового антропогенного рельефа, почвообразующих пород, растительности. Основу техногенных почвообразующих пород составляют выбуренные породы и отходы бурения - глинистые буровые растворы, основным твердым компонентом которых является бентонитовая глина (45%), утяжелители (магнитит, барит). Жидкие поллютанты представлены промывочными жидкостями, содержащими минеральные соли (40%), органические вещества (10%), нефтяные углеводороды (5%) (Шеметов, 2000).

В ряде регионов месторождения и подземных газохранилищ зафиксирована миграция флюидов и грифонообразование, носящие как естественный (геологические окна, опесчанивание глин, растворение газа, адсорбция, миграция по напластованию), так и технический характер (Могилевский, 1964, Бухгалтер и др., 2003). Показано наличие углеводородных газов и развитие углеводородокисляющих бактерий в водоносных горизонтах, поверхностных водотоках и почвах вблизи эксплуатационных скважин в своде, а также на периферии структуры (Бухгалтер и др., 2002). Вместе с тем показано, что циклические воздействия, связанные с закачкой и отбором газа на ПХГ способствуют формированию техногенной вертикальной и горизонтальной трещиноватости геологических структур, способствующие формированию благоприятных условий для осуществления субвертикальной миграции газонасыщенного флюида (Кузьмин, Никонов, 2001; Никонов, 2003).

Глава 4. Почвы над подземными хранилищами природного газа

4.1. Почвы фоновых территорий

4.1.1. Природные почвы за пределами подземного газохранилища представлены сочетанием (агро)дерново-подзолистых (дерново-подзолов), дерново(торфянисто)-подзолисто-глеевых и эутрофных-торфяно-глеевых почв.

4.1.2. Природные почвы за пределами месторождения природного газа представлены сочетаниями агрочерноземов миграционно-сегрегационных с гидрометаморфизованными и гидрометаморфическими почвами.

4.2. Почвы над подземными хранилищами природного газа

4.2.1. Подходы к диагностике и систематике антропогенно-преобразованных почв. Согласно существующим подходам к диагностике и классификации почв России (2004) среди антропогенно-преобразованных сильнозагрязненных почв выделены отделы химически преобразованных загрязненных почв и хемоземов. Вместе с тем выделены непочвенные образования - техногенные поверхностные образования. Ранее выделены техноземы и эмбриоземы (Етеревская, 1989; Гаджиев, Курачев, 1992; Терентьев, Суханов, 1998). В зарубежных классификациях аналогом техноземов являются техносоли (WRB, 2007), техногенные почвообразующие субстраты, антропогенные отложения (Blume, 2004), антроземы (Cobocka, 2007). В названных конструкциях антропогенные преобразования охватывают всю бывшую толщу почв. Однако существует большая группа почв, где антропо-техногенные преобразования охватывают лишь верхнюю часть почв, где срединные и нижние горизонты почв остаются природными. Подходы к группировке техногенных, природно-техногенных и природных химически загрязненных почв отражены в учебном пособии «Антропогенные почвы» (2003), созданном коллективом авторов Герасимовой М.И., Строгановой М.Н., Можаровой Н.В., Прокофьевой Т.В. С учетом существующего опыта выделения антропогенно-преобразованных почв по соотношению мощности механического нарушения и/или техногенного материала, а также химического загрязнения вновь образованного и существующего природного профиля предложено выделять 6 групп антропогенно-преобразованных почв и почвоподобных тел для районов топливно-энергетического комплекса. К ним относятся техно-почвы, техноземы, химически-загрязненные почвы, хемо-почвы, хемоземы и эмбриоземы. Присутствие в почвах механических нарушений и химических загрязнений позволило выделять хемо-техноземы, хемо-технопочвы, хемо-эмбриоземы и другие почвы. Дальнейшее развитие названных положений позволило выявить специфику антропогенно-измененных почв газоносных территорий и рассмотреть подходы к их диагностике.

4.2.2. Техногенные почвоподобные образования, природно-техногенные почвы. До разработки газовых месторождений и строительства подземных газохранилищ почвенный покров был представлены сочетаниями почв, сходными с фоновыми территориями. В настоящее время техногенные почвоподобные образования представлены хемо-техноземами, страто-хемо-техноземами и природно-техногенными почвами - (страто)хемо-техно-подзолистыми, хемо-техно-черноземами. Это кардинально измененные по своему составу и свойствам почвы и почвоподобные тела, не сохранившие или слабо сохранившие морфологический облик природных почв. Эти почвы занимают небольшую площадь и приурочены к части территорий расположения газовых скважин промышленных зон.

4.2.3. Природные химически загрязненные почвы, с магнитными новообразованиями Почвы слабо изменены, сохраняют морфологический облик природных почв, но испытывают загрязнение жидкими и газообразными поллютантами и являются ареной трансформации углеводородных газов в многофазной почвенной системе. Они приурочены к зоне рассеяния углеводородных газов над искусственными и естественными газовыми залежами и занимают десятки и сотни квадратных километров. Отмечается загрязнение почв техногенными органическими газообразными (метан и другие газы), жидкими углеводородами (нефтепродуктами), полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), в том числе 3,4-бенз(а)пиреном. Вместе с тем, отмечается загрязнение почв техногенными магнитными оксидами железа. Проведенная классификация магнитных частиц по морфологии и химическому составу основных компонентов и примесей (рис. 2) позволила выявить их принадлежность к определенным слоям и горизонтам почв. В техногенных и природно-техногенных горизонтах выделены техногенные сферические и октаэдрическиие со специфическими примесями магнитные частицы. В природных горизонтах почв под воздействием природного газа, последующего микробиологического и физико-химического синтеза происходит формирование новообразований микродисперсных магнитных оксидов железа. Изучение морфологических, химических, физико-химических свойств позволило провести диагностику этих почв.

4.3. Диагностика почв над подземными хранилищами природного газа

Предлагаемая диагностика техногенных слоев и горизонтов, почв и почвоподобных образований встроена в существующую диагностику почв России. При диагностике загрязненных природных горизонтов с техногенными признаками используется номенклатура названной классификации. В случае отсутствия таковой используется авторская номенклатура. Сохранено использование англоязычной терминологии; например, буровые горизонты выбуренной породы и бурового раствора получают индекс d (от англ. drilling), горизонты, содержащие нефтепродукты - ch и др.

4.3.1. Диагностические признаки техногенных, природно-техногенных и природных загрязненных и трансформированных слоев и горизонтов почв. В процессе техногенеза происходит замещение природных почв на природно-техногенные, техногенные почвы и почвоподобные тела. Накопленные в результате природного почвообразования признаки и горизонты уничтожаются и заменяются переотложенными турбированными техногенными горизонтами. При этом существуют варианты замещения только верхних гумусовых горизонтов, а также верхних и срединных.

Верхние насыпные (турбированные) гумусовые горизонты (PUtur). Целенаправленно созданы в период технической рекультивации. Горизонты сохраняют свойства фоновых черноземов (полиагрегатная структура, фоновое содержание органического углерода, N, P, K и др.). Модификации горизонтов часто связаны с загрязнением гумусовых горизонтов нефтепродуктами, сферическими магнитными частицами (СМЧ), ПАУ, в том числе 3,4-бенз(а)пиреном, присутствием фрагментов буровых горизонтов и слоев (ТUR AY.)

Верхние и срединные техногенные слои и горизонты (TG). Буровые техно-седиментационные слои (ТSd) - искусственно-созданные седиментационные слои выбуренной породы и буровых отходов. Перемешаны с почвенным материалом, содержание буровых компонентов всегда более 50%. Морфологически горизонты выделяются по темно-бурому цвету, высокой плотности, низкой пористости, щелочной реакции (в гумидной зоне). Характеризуются суглинисто-глинистым гранулометрическим составом (физ. глина >30%, ил >12%), высокой удельной поверхностью, повышенным содержанием органического углерода, легкорастворимых солей, иногда техногенной солонцеватостью, высокой суммой поглощенных оснований и магнитной восприимчивостью (при использовании магнетита в качестве утяжелителя при бурении) по сравнению с фоновым содержанием. В случае использования магнетита в качестве добавок в буровой раствор характерно доминирование литогенных октаэдрических магнитных частиц, часто колотых (ОМЧт) с примесью хлора (рис. 2). Содержание нефтепродуктов не превышает сигнальных уровней. Почвы загрязнены ПАУ, типа 3,4-бенз(а)перена. На рекультивированных почвах в черноземной зоне выделяется техногенный седиментационный дезагрегированный слой (ТSdA). Он характеризуется доминированием макроагрегатов, пептизируемой непрочной микроструктурой, микроморфологически выраженным слитым сложением, отсутствием биогенных форм структуры. Отношение суммы агрономически ценных мезоагрегатов к сумме макроагрегатов и микроагрегатов составляет около 0,25. Среди техногенных слоев выделяются эксплутационные настилы абиогенной вскрышной песчаной породы (TSR). Слои сильно засолены и токсичны, не содержат органических веществ. Кроме техногенных слоев выделяются техногенные буровые горизонты (ТURd1, ТURd2…), представленные смесью почвенных горизонтов и седиментационных слоев. Содержание фрагментов техногенных слоев может варьировать от 0 до 25%, 25-50%. Горизонты сохраняют признаки слоев, но имеют более легкий гранулометрический состав (в гумидной зоне).

Природно-техногенные горизонты. Среди них выделяются перевернутые тяжелой техникой турбированные иллювиальные горизонты (TUR BT, TUR BCA и др). Часто испытывают загрязнение органическими и минеральными поллютантами, мигрирующими из седиментационных слоев и горизонтов.

Природные и природно-техногенные загрязненные поверхностные и нижние горизонты уплотнены, пропитаны нефтепродуктами типа масел и мазута, в промышленных зонах (PUtur,ch). Часто отмечаются средне-высокобитуминозные разности (ch1, 2, 3..). Органические поллютанты, мигрирующие из техногенных горизонтов загрязняют срединные горизонты, в них повышается содержание органического углерода (BTh и др.). За пределами промышленных зон природные горизонты загрязнены легкими углеводородами смешанного типа (АYch). Загрязнение горизонтов ниже установленных уровней загрязнения, но выше природного содержания углеводородов в почвах. Поверхностное загрязнение нефтепродуктами создает «региональный фон». Среди индивидуальных соединений доминируют группы н-алканов, незамещенных ПАУ. Содержание СМЧ и ПАУ постепенно уменьшается к фоновым территориям по мере удаления от ПХГ.

1

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение, элементный состав частиц магнитной фракции почв.

Природные горизонты с техногенно-педогенными новообразованными магнетита. Загрязнение иллювиальных горизонтов почв газообразными углеводородами способствует формированию микродисперсных бактериоморфных магнитных оксидов железа (рис. 2). Наиболее интенсивно процессы новообразования техногенно-педогенного магнетита проходят в иллювиальных горизонтах современных природных почв гумидной зоны - ВTm.

Техногенные слои и горизонты могут быть органогенно-загрязненными (h), битуминозными (ch), техногенно-насыщенными (ts), техногенно-засоленными (s), техногенно-солонцеватыми (sn), техногенно-подщелаченными (alk).

Техногенные слои и горизонты, образовавшие профиль, составляют каркас будущих почв, запуская механизмы техногенного почвообразования. Вертикальная и латеральная миграция почвенных растворов и поллютантов преобразуют почвенный профиль, инициируя процессы преобразования ППК, битуминозности - липидности, ощелачивания, засоления, осолонцевания.

4.3.2. Диагностика техногенных, природно-техногенных и природных загрязненных и трансформированных почв и почвоподобных образований. В пределах промышленных зон выделены хемо-техноземы - техногенные почвоподобные тела (образования), содержащие буровые седиментационные слои и горизонты, не сохранившие верхние, полные срединные и нижние диагностические горизонты природных почв. Переотложенные гумусовые горизонты «добурового периода», сильно загрязненные буровым раствором и другими поллютантами, а также затронутые современными процессами почвообразования, часто встречаются в качестве поверхностного органогенного горизонта хемо-техноземов TUR AY. В рекультивированных хемо-техноземах выделяется переотложенный турбированный гумусовый горизонт почвы-донора AYtur. Центральное место в хемо-техноземах занимают седиментационные слои и горизонты. Следующие далее схемы профилей хемо-техноземов разнообразны, обязательным является присутствие седиментационных слоев и горизонтов: ТUR AY-ТSd-TURBT-BT-C; PUtur-TSdA-TURBCA-BCA-C; ТUR AY-ТURd1-ТURd2-TURBT-BT-C; ТUR AY-ТURd1-ТURd2-TURBT-С.

Выделяются страто-хемо-техноземы. В страто-хемо-техноземах обязательно присутствует стратифицированный горизонт (TSR), затем следуют модифицированные гумусовые, буровые седиментационные слои, турбированные и загрязненные горизонты. Стратифицированные горизонты чаще бывают токсистратифицированными, иногда артистратифицированными. При частом ремонте скважин стратифицированные горизонты могут залегать на определенной глубине, под седиментационными слоями и горизонтами. Возможны вариации горизонтов этих почв. Схемы профилей: TSR-ТURAYs-ТSds-TURBs-BTs-C, TSR-ТUR AY-ТURd1-ТURd2-TURBT-C; TSR1-ТURd1s-TSR2s-TSR3s.

Хемо-эмбриоземы - молодые слаборазвитые почвы на техногенных грунтах. Выделяются хемо-эмбриоземы засоленные на вскрышной породе по гранитно-асфальтовым перекрытиям Ws-D.

Широкое распространение получили хемо-техно-почвы, которые характеризуются наличием переотложенного гумусового, турбированного горизонта ТUR AY, PUtur и техногенных, буровых седиментационных горизонтов и слоев - ТSd, ТURd1, ТURd2, TURBT. В хемо-техно-почвах(хемо-техно-подзолистых, хемо-техно-черноземах) сохранены фрагменты исходных элювиальных, полных срединных, переходных горизонтов к породе природных почв. В страто-почвах в качестве поверхностного горизонта выступает стратифицированный горизонт TSR.

Широко распространены химически загрязненные (квази)природные почвы с естественным профилем, с уровнями загрязнителя от сигнальных до очень высоких. В схемах строения профилей почв появляются индексы для загрязненных горизонтов с учетом ПДК или фонового содержания - P4ф, pol, s-ЕL-BEL-BT-С.

Выделяются дерново-подзолистые и хемо-техно-подзолистые почвы с природно-техногенными признаками - новообразованиями бактериоморфных микродисперсных магнитных оксидов железа (m). Схема профилей дерново-подзолистой и хемо-техно-подзолистой почв с новообразованиями магнетита имеет следующий вид: ТUR AY-ТSd-EL-BTm-С, AY-EL-BTm-C.

4.4. Почвенный покров газоносных территорий

Антропогенно-преобразованные почвы распространены по площади промышленной зоны и занимают незначительные площади - около 2% на территории месторождения природного газа(ныне газохранилищ) в черноземной зоне и около 6% на территории подземного газохранилища в дерново-подзолистой зоне (рис. 3). В пределах промышленных зон первых они представлены хемо-техноземами и хемо-техно-черноземами и составляют комплексы-мозаики с черноземами миграционно-сегрегационными, часто загрязненными, с новообразованиями магнетита, и редко гидрометаморфизоваными и гидроморфическими почвами (до 28%). В пределах вторых антропогенно-преобразованные почвы представлены комплексами-мозаиками хемо-техноземов, страто-хемо-техноземов, хемо(страто)-техно-подзолистых, часто оглееных почв. Преимущественно природные автоморфные почвы, загрязненные нефтепродуктами, с новообразованиями магнетита расположены за пределами промышленной зоны, в зонах рассеяния углеводородных газов (25-94%). По окраинным частям территории над подземными газохранилищами в черноземной зоне распространены природные почвы, не испытывающие их геохимического влияния (45%).

Для всех верхних техногенных горизонтов хемо-техно-почв, расположенных в различных природных зонах, отмечается конвергенция признаков, выражающаяся в формировании профиля TURAY-TSd. Хемо-техно-черноземы и хемо-техно-подзолистые почвы в своей ненарушенной части несут признаки исходных почв и почвообразующих пород.

Хемо-техноземы приурочены к скважинам. Страто-хемо-техноземы занимают сектор 30-900, примыкающий к скважине. По мере удаления от скважин располагаются хемо-техно-почвы. Выделы антропогенно-преобразованных почв имеют близкие площади равные примерно одному гектару, варьируя на газохранилищах от 0,73±0,009 до 0,9±0,02га. Форма контуров от овальной до вытянутой.

Таким образом, над подземными искусственными газовыми залежами в промышленных зонах в результате механического нарушения, химического загрязнения и отложения буровых шламов, сформированы новые почвенные слои, горизонты, специфические антропогенно-преобразованные почвы, поверхностные почвоподобные образования, природно-техногенные и химически-загрязенные почвы с новообразованными техногенно-педогенными признаками. Проведена диагностика изученных почв. Над подземными газохранилищами доминируют природные почвы, часто загрязненные, с педогенно-техногенными признаками - новообразованиями микродисперсного магнетита. Незначительное распространение имеют мозаики антропогенно-преобразованных почв, часто в сочетании с поверхностно-загрязненными природными почвами.

Глава 5. Специфика функционирования почв и почвенного покрова над искусственными газовыми залежами

Все открытые сложные системы в процессе перманентного потокового обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой образуют самозарождающиеся, пространственно-временные внутренние структуры, которые после своего формирования, оказываются достаточно устойчивыми, при условии продолжения функционирования системы (Капица с соавт., 1967, Хакен, 2003). Почва, являясь сложной синэнергетической открытой биокосной системой, удовлетворяет общим правилам саморазвития. Процессы «жизни» почв по Роде (1947), внутреннего и внешнего взаимодействия в четырехфазной (газы, растворы, биота, твердая фаза) почвенной системе составляют сущность функционирования почвенных систем (Таргульян, Соколова, 1996). Вследствие неполной замкнутости и неполной обратимости многих «микропроцессов» в почвах образуется остаточные продукты - газовые, жидкие, твердые, их накопление лежит в основе почвообразования. Следствием неполной замкнутости и обратимости процессов функционирования является формирование почв. Однако газовые, жидкие продукты, и также почвенная биота сравнительно быстро обновляются внутри почвенной системы и не могут накапливаться в ней в значащих количествах. Единственным компонентом почвы, способным длительно накапливаться на месте, являются твердые продукты функционирования. Предложено разделять понятия процессов функционирования «жизни» почвенных систем и собственно почвообразования (Таргульян, 1983, 1985, 2005; Таргульян, Соколова, 1996). Процессы функционирования - это регулярно повторяющиеся, циклические, быстрые, часто обратимые и замкнутые процессы, с участием многих фаз почвы.

5.1. Элементы и параметры функционирования почв над подземными хранилищами природного газа

Функционирование почвенных систем газоносных территорий включает следующие элементы и особенности: регулярно повторяющиеся процессы притока вещества и энергии в виде углеводородных газов; периодические процессы конвективного и диффузионного переноса, рассеяния, перераспределения потоков газообразных углеводородов в почвах и процессы эмиссии их в атмосферу; комплекс абиотических и биотических процессов депонирования и утилизации газообразных углеводородов под влиянием физических, химических и биологических агентов; направленные ритмические процессы и периодические процессы преобразования, разложения и деструкции газообразных углеводородов; периодическое образование газообразных и жидких веществ, перенос их в атмосферу и гидросферу; периодическое и фрагментарное образование твердых веществ, формирование почвенных новообразований.