ПОЧВЫ В РАЙОНАХ АОБЫЧИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ НЕФТИ
При добыче, транспортировке и переработке нефти происходят разнообразные воздействия на окружающую среду, как непосредственные одномоментные или повторяющиеся, так и отдаленные, прямые и косвенные.
Основные источники загрязнения и свойства загрязнителей
На территории Российской Федерации нефтепромыслы занимают значительные площади в Западной и Восточной Сибири, Поволжье, на Северном Кавказе (рис. 6.1).
Нефть - концентрат жидких, преимущественно углеводородных продуктов преобразования в осадочных толщах захороненного органического вещества. Она состоит из углеводородов, высокомолекулярных смолисто-асфальгеновых веществ, минерализованных вод и микроэлементов; в составе нефти обнаружено около 450 индивидуальных соединений, соотношения между которыми варьируют на разных месторождениях и в разных продуктивных пластах (Солнцева, 1998).
Изменения природной среды и, в частности, почв на этапе обустройства нефтепромыслов связаны с работой тяжелой техники, вызывающей механические нарушения рельефа и растительности, перемешивание материнских пород и добавление новых субстратов, разрушение и погребение почв (рис. 8.1). Добыча нефти на этом этапе принципиально не отличается по характеру воздействия на почвы от добычи других полезных ископаемых.
Вместе с тем, специфическим фактором трансформации почв является бурение скважин, при котором на поверхность сбрасываются буровые растворы, реагенты воздействия на нефтяной пласт, и буровые шламы - смеси выбуренных пород и буровых растворов. Буровые растворы и их производные содержат цементы, нефтепродукты, соли, кислоты, щелочи, диспергированную глину, метанол, ацетон, фосфор- и кремнийор- ганичсские соединения, фенолы, графит, поверхностноактивные вещества, тяжелые металлы и многое другое. При бурении и дальнейшей эксплуатации скважин из буровых сточных вод и пластовых жидкостей формируются техногенные потоки, размеры которых в значительной мере определяются количеством скважин на промышленных площадках (кустах) и уровнем применяемых технологий (герметичность оборудования, работа насосных станций, коррозия трубопроводов и т.д.), а также числом и масштабами аварийных выбросов пластовых и закачиваемых в скважины вод (для поддержания давления в нефтяном пласте).
В результате специфика воздействия на почвы на нефтепромыслах заключается в привносе широкого спектра геохимически активных веществ, в первую очередь хлоридов, карбонатов и сульфатов щелочных и щелочноземельных катионов, а также углеводородов.
Рис. 8.1. Нефтяные скважины в Туркмении (Небит-Даг, 1938 г., фото Б.А. Федоровича) и в Калининградской области (2002 г., фото М.И. Герасимовой)
В ходе эксплуатации нефтяных месторождений в нормальном режиме и подготовки компонентов нефти к транспортировке по продук- топроводам в почвы поступает определенное количество нефти и нефтепродуктов. При неполном сгорании попутных газов в «факелах» в атмосферу выбрасываются сажа, канцерогенные углеводороды - полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в том числе 3,4-бенз(а)пи- рен, сернистые соединения, которые поступают в почвы в соответствии с розой ветров. Однако наибольшие масштабы нефтяного загрязнения связаны с авариями на нефтепроводах и разливами нефти при нарушении технологии эксплуатации скважин.
Основным загрязнителем почв является нефть - сырая и товарная. Сырая нефть содержит пластовые жидкости, из товарной, или обессоленной нефти, они удалены. При порывах нефтепроводов в почву сбрасывается товарная нефть, поэтому в геохимической трансформации почв соли нс участвуют. В товарной нефти содержатся легкие и тяжелые фракции, которые различаются токсичностью (мутагенностью и канцероген- ностью). Они подвижны в пористых средах. Кроме основного компонента - углеводородов, в нефти присутствуют смолы и асфальтены, с которыми связаны микроэлементы, а также соединения серы, в том числе H2S.
Преобразование нефти в гипергенных условиях происходит сравнительно медленно и слабо завися ! от конкретной природной обстановки. В этом заключается еще одна специфическая черта нефтяного загрязнения.
На первом этапе деградации нефти в ландшафтах происходит ее физико-химическое разрушение, дегазация, ультрафиолетовая деструкция, особенно в первые месяцы. В этот период содержание нефти в верхних почвенных горизонтах уменьшается почти наполовину (Пиковский, 1993). В результате этих процессов меняется состав нефти, возрастает доля смолистых веществ и асфальтеновых фракций, деятельность микроорганизмов подавлена (рис. 8.2).
Второй этап, продолжающийся в среднем 3-4 года, характеризуется высокой микробиологической активностью. Количество нефти на единицу объема почвенной массы уменьшается, но увеличивается концентрация наиболее устойчивых высокомолекулярных соединений. В дальнейшем продолжается микробиологическая деструкция нефти, количество ее в почвах сокращается, однако сохраняется высокая экологическая опасность остаточных продуктов.
Время деструкции нефти зависит от концентрации ее в почвах и может составлять годы и десятилетия.
В результате микробиологической деструкции нефти и нефтепродуктов происходит трансформация исходного состава загрязнителя, частичная его утилизация и разложение до конечных продуктов (Исмаилов, 1988', Звягинцев и др., 1989; 2002).
Компоненты нефти различаются по подвижности и токсичности. Наиболее токсична сырая нефть, но она более подвержена микробиологической деструкции. Тяжелые фракции нефти слабо подвижны в почвах, в отличие от легких, например, бензина, который перемещается в почвах в полтора раза быстрее, чем вода.
Длительность сохранения нефтепродуктов в почвах определяется их количеством и составом, а также климатическим потенциалом загрязненных территорий. Поскольку оптимальными условиями для разложения нефти являются температуры 25-30°С и влажность, близкая к наименьшей [1]
влагоемкости почвы, в холодных и переувлажненных почвах деградация нефти продолжается в течение десятилетий. В жарких и сухих районах разложение нефти ограничивается дефицитом влаги. Значительная часть нефтедобывающих предприятий России сосредоточена в средне- и северотаежных ландшафтах (Западная Сибирь); в других странах - в Азербайджане, Туркмении и на Ближнем Востоке - нефтепромыслы находятся в условиях аридного климата, поэтому вопросы деградации нефти и нефтепродуктов в почвах приобретают здесь особую экологическую значимость.
Рис. 8.2. Скорость трансформации нефти в верхних горизонтах почв (Пи- ковский, 1993)
Почвы: I - тундрово-глеевые; II - подзолы
Вещества: 1 - исходная нефть: 2 - через год; 3 - через 2 года
Одним из путей изучения экологической опасности нефтяного загрязнения являются модельные опыты по разложению нефти в разных природных зонах, проводившиеся по инициативе М.А. Глазовской на Географическом факультете МГУ (Глазовская, Пиковский (1985)', Солн- 1 Глазовская М.А., Пиковский Ю И. Комплексный эксперимент по изучению факторов самоочищения и рекультивации загрязненных мефтыо почв в различных природных зонах. - Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах Тр 3 Всес. Совет. Обнинск. Гидрометеоиздат, 1985, с. 185-191.
цева (1981 1988[2] [3]). В экспериментах, проведенных Н.П. Солнцевой и под ее руководством, оценивались максимально возможные количества нефти, удерживаемые разными почвенными горизонтами, т.е. «нефтсем- кость» почв. Так, было установлено, что нефтеемкость торфа во много раз выше, чем минерального субстрата при прочих равных условиях, а при полной влагоемкости она существенно падает.
Рис. 8.3. Модель поведения сырой нефти в почвенных экосистемах (Солнцева, 1998)
1 - преимущественное осаждение тяжелых фракций нефти; 2 - преимущественное осаждение легких фракции; 3 - преимущественное накопление минерализованных вол и легких фракций нефти; 4 - загрязненные волы капиллярной каймы; 5 - вторичное внутрипочвенное загрязнение; 6 - уровень сезонного подъема загрязненных почвенно-грунтовых вод; 7 - вторичные потоки загрязнителей; 8 - уровень почвенно-грунтовых вод
Изучение свойств различных видов нефти и нефтепродуктов, в сочетании с результатами экспериментов и сведениями о свойствах почв, влияющих на судьбу нефти и ее производных, послужило основанием для прогноза ближайших и отдаленных последствий загрязнения почв и других компонентов ландшафта. С другой стороны, знание свойств загрязнителей и их поведения в определенных природных условиях необходимо для организации мониторинга. На основе всей этой информации производятся оценки потенциала самоочищения почв, составляются карты, разрабатываются концептуальные модели (Глазовская, 1988).
Наиболее полные исследования судьбы нефти и нефтепродуктов в почвах, влияния их на свойства почв и почвенные процессы, геохимические миграционные потоки и многие другие аспекты нефтяного загрязнения многие годы изучались Н.П. Солнцевой и изложены в ее монографии (1998).
В первом приближении Н.П. Солнцева (1998) разделяет техногенные воздействия на почвы в районах нефтепромыслов на две основные группы: первичное и вторичное. Миграция нефти и нефтепродуктов в условной катене и образование ореолов первичного и вторичного загрязнений представлены на схеме (рис. 8.3).
Почвы на нефтепромыслах подвержены специфическим воздействиям, связанным со сбросом сильноминерализованных вод и с поступлением на поверхность или внутрь почвенного профиля своеобразного нефтяного субстрата, геохимически пассивного и относительно устойчивого в природных ландшафтах. Механические воздействия на почвы нефтепромыслов имеют место, но они нс специфичны.
- [1] Исмаилов Н.М. Микробиологическая и ферментативная активность нефтезагрязненных почв.В сб. Восстановление нефтезагрязненных почвенных зкосистем. М, Наука. 1988, с. 42-56.
- [2] Солнцева Н.П. Методика ландшафтно-геохимических исследований влияния техногенных потоков на среду Техногенные потоки вещества в ландшафтах и состояние экосистем. М.. Наука,1981. с. 41-47.
- [3] Солнцева Н.П. Общие закономерности трансформации почв в районах добычи нефти (формыпроявления, основные процессы, модели). Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М. 1988, с. 23-42.
