Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ландшафтно-геохимические аспекты оптимизации природопользования в северных районах Западной Сибири 13
1.1. Ландшафтно-геохимические и биогеохимические подходы к исследованию структуры и динамики геосистем: методологические аспекты 13
1.2. Применение ландшафтно-геохимических методов к исследованию техно-генезав нефте- и газодобывающих регионах 19
1.2.1 Краткая история ландшафтно-геохимических и эколого-геохимических исследований в северных районах Западной Сибири 19
1.2.2. Особенности геохимии техногенеза в нефте- и газодобывающих регионах 24
Глава 2. Материалы и методика исследований 29
Глава 3. Геохимические особенности ландшафтов тундровой зоны 40
3.1.Условия формирования ландшафтно-геохимической структуры 40
3.2.Дифференциация литогеохимического фона 46
3.3. Геохимические особенности почвенного покрова 60
3.3.1. Факторы почвообразования и типологическая характеристика почв..60
3.3.2. Геохимические особенности процессов глее- и детритогенеза в тундрах Западной Сибири 3.4. Пространственные различия элементного состава почв 92
3.5. Типы ландшафтно-геохимических сопряжений и особенности латеральной миграции 99
Глава 4. Геохимические особенности ландшафтов лесоболотной зоны 126
4.1. Факторы формирования ландшафтно-геохимической структуры 126
4.2. Закономерности распределения химических элементов в почвах 132
4.3.Ландшафтно-геохимическое районирование лесоболотной зоны Западной Сибири (в пределах Тюменской области) 153
4.4. Гидрохимические показатели как отражение ландшафтно-геохимической структуры 200
Глава 5. Геохимическая трансформация ландшафтов под влиянием техногенеза 223
5.1 .Формы техногенных геохимических преобразований ландшафтов на различных стадиях производственного цикла 223
5.1.1. Стадия разведочных работ 223
5.1.2. Стадия эксплуатации месторождений 251
5.1.3.Особенности техногенных потоков нефтяных углеводородов и хлоридов в тундровых и таежных ландшафтах Западной Сибири 259
5.2.Состав гидросферы как отражение техногенеза 265
5.2.1.Основные закономерности формирования состава поверхностных вод 265
5.2.2. Современный уровень нефтяного и солевого загрязнения поверхностных вод в районах нефтедобычи 294
5.2.3.Химический состав донных отложений 308
5.3. Региональная геохимическая оценка атмосферных выпадений 314
5.3.1. Биогеохимическая оценка атмосферных выпадений 314
5.3.2.Анализ состава снегового покрова 322
Глава 6. Эколого-геохимическое нормирование как основа региональной системы экспертизы и мониторинга 337
Заключение 359
Список литературы 362
Приложение 392
- Ландшафтно-геохимические и биогеохимические подходы к исследованию структуры и динамики геосистем: методологические аспекты
- Факторы формирования ландшафтно-геохимической структуры
- Стадия эксплуатации месторождений
- Эколого-геохимическое нормирование как основа региональной системы экспертизы и мониторинга
Введение к работе
Актуальность темы. Необходимость изучения вещественно - динамических показателей геосистем Западной Сибири в значительной степени обусловлена усилением техногенного воздействия при разработке месторождений углеводородного сырья. Усилиями множества представителей науки, средств массовой информации и литературы факт загрязнения природной среды при добыче нефти и газа воспринимается как аксиома, что имеет под собой веские основания. Ежегодно на нефтепромыслах происходят тысячи аварий различной степени тяжести, попутный газ зачастую сжигается на факельных установках, отходы производства являются источником токсичных веществ. Однако современный уровень знаний, накопленный при изучении геохимии природных и техногенных ландшафтов Западной Сибири, был и остается недостаточным, как вследствие масштабов стоящей проблемы, так и несовершенства научно-методического обеспечения. Многие районы остаются слабо исследованными, разнообразие природных условий и широкий спектр загрязняющих веществ делают крайне сложным анализ ответной реакции природных комплексов различного ранга на техногенное воздействие. Зачастую работы по изучению техногенеза и мониторингу загрязнения выполняются без четкой методической основы, а недостаточная изученность структурно-функциональной организации геосистем затрудняет правильную интерпретацию полученных в ходе опробования результатов. Все это определяет необходимость комплексного регионального исследования, нацеленного на получение максимально детальной и объективной оценки ландшафтно-геохимических особенностей территории и воздействия техногенеза на ландшафтную сферу.
Объектом исследования являются геохимические ландшафты северной части Западно-Сибирской равнины, включая зону тундр, подзоны северной и средней тайги. Предмет исследования - процессы миграции и аккумуляции вещества в геосистемах спонтанного развития и их техногенных модификациях. Цель исследований - обоснование эколого-геохимических критериев рационального природопользования на основе анализа закономерностей формирования химического состава природных и техногенных ландшафтов севера Западной Сибири. Для достижения этой цели решались следующие задачи:
-
Оценить влияние литогенной основы на содержание и распределение химических элементов в почвах региона и уточнить их биогеохимические особенности.
-
Изучить особенности радиальной и латеральной дифференциации вещества в репрезентативных ландшафтно-геохимических системах.
-
Выявить закономерности биогенной и водной миграции вещества и их соотношение в различных ландшафтных условиях.
-
Проследить особенности техногенной миграции химических элементов и их соединений в атмо-, гидро - и педосфере, установить характер взаимодействия компонентов природной среды с миграционным потоком; исследовать интенсивность и оценить результаты этого взаимодействия.
-
Обосновать выбор наиболее информативных геохимических критериев оценки экологической ситуации и устойчивости геосистем.
-
Оценить пространственно-временную динамику химического состава вод главных рек таежной зоны Западной Сибири под влиянием антропогенных факторов.
-
Обосновать региональные гидрохимические нормативы для таежной зоны Западной Сибири.
Научная новизна
В работе впервые на обширном фактическом материале проведен системный анализ ландшафтно-геохимической структуры северной части Западно-Сибирской
равнины на различных уровнях организации (топологическом и региональном). Новыми являются региональные оценки микроэлементного состава почв с учетом их типологической принадлежности и почвообразующих пород различного генезиса. Впервые на региональном уровне проведено изучение аэротехногенных выпадений тяжелых металлов с применением различных методик. Впервые проведен анализ закономерностей миграции веществ в пределах водосборных бассейнов разного ранга для таежной зоны Западной Сибири. Доказано формирование в районе Самотлорского месторождения стабильной техногенной гидрохимической аномалии, что позволило обосновать новые принципы ландшафтно-геохимического районирования Западной Сибири. На основании анализа геохимических характеристик ландшафта выделены индикаторные вещества, характеризующие интенсивность и формы трансформации геосистем. Обоснованы региональные нормативы содержания приоритетных загрязнителей в поверхностных водах таежной зоны Западной Сибири по данным комплексного анализа гидрохимических и гидробиологических показателей.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Формирование ландшафтно-геохимической структуры происходит на фоне бедного микроэлементного состава пород, повышенной водной миграции и активного биологического накопления, наиболее сильно выраженного в автоморфных условиях плакоров.
-
Техногенные нарушения на участках нефтегазодобычи приводят к изменению химического состава компонентов ландшафта и трансформации циклов миграции вещества, причем изменение биогеохимической миграции наиболее сильно выражено у микроэлементов, проявляющих катионогенные свойства в ландшафтах кислого и кислого глеевого классов.
-
Экологическую ситуацию в регионе эффективно характеризуют гидрохимические показатели; нарушение принципов рационального природопользования приводит к формированию локально-региональных гидрохимических аномалий.
-
Использование региональных гидрохимических нормативов при анализе техногенного загрязнения более эффективно, чем применение действующей системы ПДК.
Теоретическая и практическая значимость
В работе обоснованы теоретические положения о ведущей роли биогеохимической миграции вещества для формирования ландшафтно-геохимической структуры территории. Доказано, что миграционная активность химических элементов зависит от их принадлежности к геохимическим группам, вычислены коэффициенты водной и биогенной миграции для различных ландшафтно-геохимических условий, что позволяет прогнозировать самоочищение геосистем и их устойчивость. Выделены индикаторные геохимические показатели и обоснованы региональные гидрохимические нормативы, которые являются основой для мониторинговых исследований и комплексной оценки экологической ситуации. Показано, что при несоблюдении принципов рационального природопользования техногенная миграция вещества приводит к смене инвариантного начала геосистем.
Результаты исследований были использованы научно-производственными организациями и государственными природоохранными структурами в работах по оценке состояния окружающей природной среды на месторождениях нефти и газа в Западной Сибири, применены для обоснования систем природопользования, в том числе на особо охраняемых природных территориях. Проведенные обобщения используются в практике работ проектных организаций, а также при мониторинге состояния окружающей среды в регионе.
Фактический материал и личный вклад соискателя. Диссертационная работа основана на материалах, полученных автором в период с 1989 по 2009 гг. в ходе фундаментальных и прикладных исследований Института проблем освоения Севера СО РАН, а также инициативных проектов. Основной объем данных был собран в процессе выполнения работ по программе геолого-экологического картирования России масштаба 1:1000 000 (1993-1995 гг.), гранта фонда Мак-Артуров «Нефтегазодобыча и окружающая среда: эколого-геохимический анализ Тюменской области» (97-47069 А-FSU), гранта РФФИ «Оценка антропогенной трансформации окружающей среды Тюменской области и ее социальных последствий в сфере воздействия нефтегазодобывающего комплекса» (99-05-65695), программы создания и расширения системы особо охраняемых природных территорий Ханты-Мансийского автономного округа (1998-2007), федеральной целевой программы «Биологическое разнообразие». Часть исследований проведена в рамках изысканий, имеющих целью оценку состояния окружающей природной среды на месторождениях нефти и газа (ОСОС) и прогноз потенциальных последствий техногенного воздействия (ОВОС).
Автору принадлежит постановка задач исследований, сбор и анализ материалов. В процессе проведения исследований автором отобрано более трех тысяч проб почв, почвообразующих пород, донных отложений и растений. Помимо данных, полученных лично, были использованы фондовые материалы научных и научно-производственных организаций, полученные в рамках программ оценки состояния окружающей среды и производственного мониторинга, при этом анализ и обобщение данных наблюдений проводились при непосредственном участии автора. По тематике исследования в 1999 году автор награжден премией им.академика В.Б.Сочваы за лучшую работу молодых ученых СО РАН в области географии.
Апробация. Результаты исследований докладывались и обсуждались на XI Всесоюзной конференции «Микроэлементы в биологии и их применение в сельском хозяйстве и медицине» (Самарканд, 1990), III международной конференции «Освоение Севера и проблемы рекультивации» (Санкт-Петербург, 1996), всероссийской конференции «Экологический риск: анализ, оценка, прогноз» (Иркутск, 1998), всероссийской научно-практической конференции «Геоэкологические аспекты функционирования хозяйственного комплекса Западной Сибири» (Тюмень, 2000), международном конгрессе «Вода: экология и технология. Экватек-2006» (Москва, 2006), международной научной конференции «Геохимия биосферы» (Москва,2006), всероссийской конференции «Проблемы сохранения, использования и охраны культурного и природного наследия Сибири и Дальнего Востока (Томск, 2008), на итоговых научных сессиях Института проблем освоения Севера СО РАН (Тюмень,2001-2005) и в ходе региональных научных конференций.
Публикации. Результаты исследований изложены в 46 научных публикациях, в том числе в 5 монографиях, написанных лично и в соавторстве; 11 статей опубликовано в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 3- в зарубежных рецензируемых изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация представляет собой рукопись объемом 391 страницу, состоящую из введения, 6 глав, заключения, включает 89 таблиц и 96 рисунков. В списке литературы 328 источников на русском и английском языках.
Ландшафтно-геохимические и биогеохимические подходы к исследованию структуры и динамики геосистем: методологические аспекты
Современное представление о географической оболочке как о многокомпонентной, открытой, динамичной системе, не может не учитывать ее химических свойств. Поэтому одним из важнейших научных направлений в системе географических наук, направленных на анализ природных условий, экологическую оценку и прогнозирование, является геохимия ландшафта. Методологической основой системы знаний о химическом составе географической оболочки является представление о ландшафтно-геохимических комплексах - закономерном сочетании элементарных ландшафтов, связанных миграцией вещества. Миграционные потоки веществ являются интегрирующим фактором в геосистемах различного таксономического уровня. Разработанные в трудах Б.Б.Полынова [1956], М.А.Глазовской [1964;1988], А.И. Перельмана [1975], положения геохимии ландшафта опираются на учение В.В. Докучаева о зонах природы и концепцию В.И. Вернадского о геохимической роли биосферы, которая проявляется в самоорганизации и функционировании ее структурных элементов - геохор. Методы термодинамики и синэргети-ки, ставшие в настоящее время основой для многих областей научного знания, эффективны и для разработки теоретических и прикладных проблем, связанных и анализом химического состава природной среды в ее типологическом и динамическом многообразии. Сущность самоорганизации ландшафта состоит в биогеохимической работе живого вещества - биологическом круговороте атомов [Перельман и др., 1996]. Функционирование и развитие геосистем осуществляется за счет поступления вещества и энергии извне и их внутригеосистемной миграции и трансформации [Сочава, 1978].
Вопросы структурно-функциональной организации геосистем, их антропогенного преобразования и устойчивости были и являются центральными научными проблемами естествознания, поскольку неразрывно связаны с познанием путей развития той части материального мира, которая является средой обитания для человечества. Главнейшим принципом устойчивого развития является обеспечение сохранности окружающей среды, что невозможно без многостороннего и объективного научного анализа особенностей природных комплексов.
Самоорганизация природной среды, согласно учению В.И.Вернадского о живом веществе, проявляется в формировании комплекса разноуровневых систем, имеющих пространственные границы. Пространственная неоднородность биосферы выражается в существовании системы соподчиненных геохор. «Можно... говорить, что на поверхности нашей планеты, в Лике Земли, в геологической оболочке -в биосфере, в природе, в которой живет человек, можно различать различные геохоры, имеющие зональный характер, тесно связанные с климатом, с его поясами, явно химически неодинаковыми» [Вернадский, 2001,С.75-76].
Понятие геохоры, предложенное Л.С.Бергом, широко использовалось В.И.Вернадским в его учении о биосфере, в описании неоднородности и упорядоченности ее строения. Так, указывая на закономерности различия химического состава биосферы, связанные с климатическими условиями, он писал: «...Может быть, правильнее... вместо чуждого духу русского языка слова "ландшафт" для понятия "пояса ландшафтов" употреблять слово геохора» [Вернадский, 2001, с.75]. Согласно В.Б. Сочаве, пространственная неоднородность биосферы определяется пространственной неоднородностью географической оболочки: системе геохор (природно-территориальных комплексов, ПТК) соответствует адекватная ей система биохор. Характерно, что А.И.Перельман в последние годы жизни много работал над проблемой объединения таксономических единиц, используемых в геохимии ландшафта и биогеохимии, т.е. геохимических ландшафтов и биогеохимических провинций [Перельман, 1999].
Соответствие биохор и геохор как элементов биосферы, общая методологическая база геохимии ландшафта, биогеохимии и экогеохимии, дают основания для утверждения об общих территориальных объектах исследований этих научных направлений, к которым , по нашему мнению, следует применить термин «биогеохо-ра». Био геохоры -элементы биосферы, участки земной поверхности различной размерности, характеризующиеся определенным типом биологического круговорота атомов, определяемого закономерно меняющимися условиями миграции и аккумуляции. Развитие идей В.И.Вернадского отечественной школой биогеохимии и геохимии ландшафта всегда учитывало системную взаимосвязь и соподчиненность компонентов как биосферы, так и географической оболочки. Как отмечал Б.Б.Полынов [1956], геохимия ландшафта является способом познания взаимодействия между его морфологическими частями. Высшими классификационным единицами биогеохор являются участки, различающиеся по зонально-климатическим характеристикам и как следствие, по характеру биологического круговорота веществ. По А.И.Перельману, это группы геохимических ландшафтов (тундровая, лесная, пустынная и др.), по В.В. Ковальскому [1974] - биогеохимические зоны или регионы биосферы. Структура ландшафтно-геохимических систем складывается в результате длительных эволюционных процессов. По А.И. Перельману, геохимический ландшафт - это парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов; самоорганизующаяся, сложная, динамическая неравновесная система земной поверхности со многими обратными связями и нелинейными отношениями. Основными процессами саморегуляции выступают биологический круговорот с его преимущественно аккумулятивной направленностью и водообмен. Их показатели, особенно четко зафиксированные в почвах, характеризуют устойчивость и тенденции изменений экосистем [Нечаева, 1995]. Нельзя упускать из виду и то обстоятельство, что специфика природных условий определяет весьма неустойчивое состояние многих геосистем Севера, и биогеохимический круговорот веществ является одним из основных механизмов саморегуляции. Способность геосистемы к самоорганизации определяется ее открытостью - поступлением извне вещественно-энергетических потоков. Основной механизм утилизации поступающей энергии - процесс фотосинтеза. Чем интенсивнее поток поступающей энергии, тем упорядоченнее и сложнее может быть структура. Ландшафт устойчив, пока фотосинтез поддерживается в определенных параметрах [Зимов, Чупрынин,1989].
Помимо идей В.И. Вернадского, дающих общий фундамент для исследований, в качестве методологической основы настоящей работы избран структурно-динамический подход к исследованию ландшафтов, разработанный В.Б.Сочавой и его последователями [Сочава,1967; 1975;1978; Снытко, 1974;1978; Нечаева, 1985]. Сущность структурно - динамического подхода кратко можно сформулировать как установление устойчивых звеньев коренной структуры геосистем разного уровня (фаций, групп фаций, геомов), выявление их генетических связей, оценка динамических свойств с распознаванием инвариантных свойств и «слабых звеньев» - малоустойчивых геосистем в которых проявляются тенденции ландшафтной динамики, как спонтанной, так и антропогенно обусловленной.
Применение метода невозможно без тщательной и по возможности полной характеристики свойств описываемых геосистем. В нашем случае геохимическая характеристика проводилась на основании покомпонентного анализа почвообра-зующих пород, почв, растений и поверхностных вод, и изучения пространственной неоднородности и межгеосистемных связей.
Одним из главных принципов структурно-динамического подхода к исследованию геосистем является выделение инвариантных состояний. Инвариантное начало заложено в структуре коренной геосистемы, а в серии производных от нее фаций, включая антропогенные - преобразуемые свойства [Сочава, 1978]. Можно сказать, что выделение инвариантных состояний является, в сущности, одной из задач экологического нормирования, поскольку инварианты - это своего рода эталоны, образцы устойчивых состояний, возникшие в результате процессов самоорганизации." Отнесение переменных состояний геосистем к их материнскому ядру, к соответствующему коренному геомеру - необходимое условие классификации подразделений природной среды [Сочава, 1975]. «Организованность биосферы -организованность живого вещества - должна рассматриваться как равновесия, подвижные, все время колеблющееся в историческом и геологическом времени около точно выражаемого среднего» [Вернадский, 1988, с.23]. Определение «точно выражаемого среднего» - региональных геохимических показателей - входило в число задач настоящей работы.
Актуальность изучения вещественно- динамических показателей геосистем в значительной степени обусловлена угрозой коренного преобразования биосферы в условиях усиления техногенного воздействия. С тех пор, как В.И. Вернадским был сформулирован тезис о том, что человечество «преобразует биосферу сознательно, но большей частью бессознательно» [2001,с.343], интенсивность техногенных потоков вещества выросла многократно, и неизбежно будет увеличиваться в соответствии со вторым биогеохимическим принципом.
Факторы формирования ландшафтно-геохимической структуры
Ландшафтно-геохимические особенности таежной зоны Западной Сибири в значительной степени определяются повсеместной переувлажненностью. Замедленный поверхностный сток в условиях слаборасчлененного рельефа определяет обширную заболоченность, проявляющуюся как на положительных, так и в отрицательных формах рельефа. Подсчитано, что болота занимают в Западной Сибири около 1 млн.км2, или 36% от всей площади; столь обширная заболоченность делает этот регион, по мнению М.И.Нейштадта [1971], уникальным феноменом планетарного масштаба. И это совершенно справедливо, если учесть, что общая заболоченность суши Земного шара в среднем всего лишь 4,4% [Торфяные ресурсы.., 1988]. Известно, что болотные системы обладают способностью к саморазвитию, разрастанию, поскольку всякий длительно существующий болотный комплекс обеспечивает подъем уровня грунтовых вод на прилегающих территориях [Лисе, Березина, 1981]. Таким образом, таежную зону Западной Сибири можно назвать лесоболот-ной зоной. Само существование обширных болот является фактором заболачивания, до тех пор, пока система обратных связей (отток влаги с выпуклых верховых болот) не обеспечит стабилизацию процесса.
Ландшафты таежной зоны, по сравнению с тундровыми, отличаются более интенсивным метаболизмом веществ. Продуктивность таежных ценозов, согласно данным Л.Е.Родина и Н.И.Базилевич, превышает продуктивность субарктических тундр в 2-5 раз, а емкость биологического круговорота - приблизительно в 4 раза. Таким образом, таежные ландшафты имеют более высокий уровень самоорганизации, по А.И.Перельману [1996], зависящий от биомассы и продукции. Носителем зональных свойств выступают геосистемы темнохвойных лесов. В качестве квазикоренного типа растительности средней тайги рассматриваются темнохвойные (кедровые, елово-кедровые) мелкотравно-зеленомошные леса, распространенные на породах суглинистого механического состава [Растительный...,1985]. Южнотаежные темнохвойные леса отличаются участием в составе древостоя пихты, повышенной продуктивностью и богатством напочвенного покрова. Широко распространены темнохвойные слабозаболоченные леса полугидроморфного ряда развития. Грунтовые воды в лесоболотной зоне содержат много органических веществ, так как в процессе неполного разложения растительных остатков образуются растворимые органические кислоты. Наиболее энергично идет образование фульво-кислот, нейтрализация которых происходит в значительной степени за счет железа и алюминия почвенных минералов и зольных элементов (Са, Mg, Na, К). В растительном опаде темнохвойных таежных лесов кислотные органические соединения в десятки раз превышают количества катионов золы и азота, дающих основания. Низкое содержание сильных оснований в золе при отсутствии их подвижных форм в горных породах обуславливают кислый характер почвенных растворов [Перельман, 1975].
В формировании химических свойств внутрипочвенных и поверхностных вод тайги главную роль играет разложение органических веществ, поэтому среди катионов преобладает кальций, а среди анионов - НС03". Балансовые расчеты содержания кальция и магния в фитомассе таежных лесов и почве позволили сделать вывод, что элювиирование почв связано с отчуждением биогенных элементов из слоя 0-20 см растительностью, причем половина этих элементов, отчуждаемых из почв, содержится в биомассе, а остальное вымывается поверхностным и внутри-почвенным стоком [Природные режимы..,1977]. По особенностям водной миграции в зоне гипергенеза в автономных условиях территория лесоболотной зоны Западной Сибири относится к кислому глеевому, реже кислому классам геохимических ландшафтов, роду с медленным водообменом, частым преобладанием химической денудации над механической, с постепенной границей между автономными и подчиненными ландшафтными подразделениями [Физико-географический.., 1964].
Постоянное переувлажнение обуславливает активную водную миграцию вещества, как в ионной, так и взвешенной форме. Геохимический метаболизм в таежных ландшафтах направлен на сохранение биологически активных элементов, без которых невозможно функционирование биогеоценозов. Устойчивость ландшафтов в таежной зоне связана с процессами продуцирования и трансформации органического вещества, т.е. с биологическим круговоротом, БИКом, по определению А.И.Перельмана. Однако БИК наиболее подвержен изменениям под влиянием антропогенных факторов, связанных с использованием растительных ресурсов, техногенно-химическим прессом [Нечаева, 1994]. Нарушение процессов биологической аккумуляции (например, в случае крупномасштабного нарушения растительного покрова при строительстве, буровых работах) приводит к выносу химических элементов грунтовыми водами и обеднению почв. Трансформация фитобио-ты и изменение биологического круговорота приводит к понижению уровня самоорганизации ландшафта и уменьшению его устойчивости.
На все составляющие почвообразовательного процесса таежных почв Западной Сибири оказывает сильное влияние состав материнских пород [Добровольский и др.,1981; Сысо, 2004]. Лесоболотная зона Западной Сибири расположена в пределах Евразийской литосферной плиты, на которой древние породы перекрыты мощным чехлом молодых рыхлых отложений. История формирования четвертичных отложений Западно-Сибирской равнины не вполне ясна и не имеет однозначного толкования. Согласно ледниковой теории, формирование основных форм рельефа и происходило в условиях наступления покровного оледенения, при этом Сибирские Увалы рассматриваются как краевая зона Тазовского оледенения [Западная Сибирь, 1963; Архипов, 1971]. Однако помимо отложений ледникового генезиса, в районе Сибирских увалов описано широкое распространение озерно-аллювиальных отложений. Отмечалось, что на плоских заболоченных водоразделах, в переходной части от Сибирских Увалов к пониженным равнинам, почвооб-разующие породы представлены как флювиогляциальными, так и озерно-аллювиальными отложениями. Ледниковая теория формирования рельефа встречает возражения других исследователей, относящих формирование структуры Сибирских Увалов только за счет неотектонических движений в раннем неоплейстоцене-голоцене с последующим эрозионным размывом. И.Л.Кузин [2006], ссылаясь на данные геофизических исследований, отвергает существование покровного оледенения, а формирование валов песчаного состава с включениями валунно-галечного материала считает эрозионными складками нагнетания, образовавшимися задолго до наступления ледникового периода.
Ряд исследователей придерживается дрифтовой теории, которая отрицает сплошное покровное оледенение Западно-Сибирской равнины, а четвертичные отложения северной части, вплоть до Сибирских Увалов, считает морскими, а происхождение валунных отложений объясняет переносом плавающими льдами [Данилов, 1971]. Эта точка зрения нашла выражение на карте четвертичных отложений из Атласа Тюменской области [1971]. Попытка совместить факты «ледниковой» и «морской» концепций предполагает совпадение фаз максимального оледенения и морской трансгрессии, в результате чего во внутренних частях равнин ледниковые горизонты замещались толщами ледниково-морских (или «шельфово-ледниковых») накоплений; Сибирские Увалы при этом являлись своеобразным орографическим барьером, определяющим направление движения ледовых покровов и морских трансгрессий [Лазуков,1965; Проблемы экзогенного.., 1976]. Обсуждение достоинств и недостатков каждой теории, равно как и приводимой их сторонниками аргументации, не входит в число задач нашей работы. Отметим только, что, по нашему мнению, многочисленные находки валунного материала в отложениях Сибирских Увалов, а также линейно-вытянутые гряды - «озы» являются свидетельством их ледникового происхождения. При оценке генезиса почвообразую-щих пород мы руководствовались Картой четвертичных отложений СССР масштаба 1:2 500 000 [1973]. Согласно этому источнику, по особенностям осадкона-копления таежная зона Западной Сибири отчетливо подразделяется на 3 крупные области: 1) область преимущественно ледниковых отложений (территория к северу от Сибирских увалов); 2) область преимущественно приледниковой аккумуляции с господством флювиогляциальных отложений (территория приуральских и частично - центральных районов к северу от широтного отрезка Оби); 3) внеледни-ковая область озерно-аллювиальных отложений (территория южных районов, расположенная за пределами максимального распространения ледниковой и водно-ледниковой аккумуляции к югу от широтного отрезка Оби). Нужно также отметить, что большое значение для развития ландшафтных комплексов имели новейшие тектонические движения, которые, вероятно, и в настоящее время оказывают влияние на формирование геоморфологических структур региона.
Микроэлементный состав почвообразующих пород, различающихся по генезису, изучался нами во время геохимического опробования, проведенного на территории Сибирских Увалов, Сургутской низменности, Обь-Иртышского междуречья, в пойменных и надпойменных ландшафтах рек Обь и Иртыш. Обобщение полученных результатов представлено в табл. 4.1.
Стадия эксплуатации месторождений
Эксплуатация месторождений углеводородного сырья - наиболее протяженный во времени этап техногенного воздействия. За время обустройства и эксплуатации месторождения значительно возрастает интенсивность техногенеза, расширяется спектр источников техногенного воздействия, увеличивается площадь нарушенных земель. Помимо бурения кустов эксплуатационных скважин, добыча углеводородного сырья требует создания соответствующей транспортной инфраструктуры - прокладки дорог, ЛЭП, системы сборных и магистральных трубопроводов, строительства объектов первичной подготовки нефти и газа для обеспечения соответствующих параметров углеводородного сырья, делающих возможным их транспортировку по трубопроводной сети. Неизбежно строительство жилых объектов, от временных, обслуживающих одну буровую, до крупных постоянных поселков и городов.
Характеристика геохимической трансформации ландшафтов на стадии эксплуатации месторождений выполнена по результатам исследований Ново-Уренгойского, Восточно-Уренгойского, Тальникового, Фаинского, Самотлорского месторождений. В зоне лесотундр была обследована территория Ново-Уренгойского и Восточно-Уренгойского месторождений. Промышленные объекты месторождений расположены на плоской, местами пологоволнистой заозеренной равнине с абсолютными отметками высот 40-50 м, сложенной преимущественно породами легкого механического состава. Господствующим типом урочищ являются бугорковатые и бугристые ерниковые кустарничково-лишайниковые тундры, почвенный покров которых представлен комплексом тундровых торфяно-глеевых и элювиально-глеевых почв. Широкое распространение имеют болотные урочища, среди которых преобладают комплексные плоскобугристые болота с торфяными олиготрофными почвами. Лиственничные редкостойные леса и редколесья, произрастающие на подзолах, приурочены к краевым частям- водоразделов и речным долинам. В ходе исследований изучено воздействие различных промышленных объектов - площадки УКПГ, полигона твердых бытовых отходов (ТБО), производственных баз, кустов скважин.
По результатам опробования почв, важным индикаторным показателем интенсивности воздействия является величина водородного показателя водных вытяжек из почв (рН вод„). На величину водородного показателя оказывают влияние сохранность почвенных органогенных горизонтов, интенсивность разливов буровых растворов и пластовых вод. Загрязнение буровыми растворами и пластовыми водами, удаление органогенных горизонтов приводит к сдвигу рН в сторону подще-лачивания (рис.5.17). Этот факт неоднократно подчеркивался различными исследователями [Солнцева, 1998; Соколова и др.,2005]. Попадание в почву минерализованных природных вод (рассолов) вызывает коренную перестройку почвенного поглощающего комплекса, изменение кислотно-щелочных условий и трансформацию строения гумусового профиля.
Существенные изменения претерпевает микроэлементный состав почв, причем набор типоморфных элементов зависит от источника воздействия. Площадки кустов скважин характеризуются повышенным содержанием бария и сниженным большинства других микроэлементов за счет усиления водной миграции и удаления органогенного горизонта почв. На территории промзон уровень содержания большинства микроэлементов незначительно повышен по сравнению с фоновым уровнем. Полиэлементным составом и максимальными значениями коэффициента концентрации характеризуются грунты полигонов бытовых отходов, где отмечены повышенные концентрации меди, никеля, свинца, железа (рис.5.18). При анализе содержания цинка в почвах, подверженных различным формам техногенного воздействия, очевидно, что уровень загрязнения мал либо отсутствует. Накоплением цинка в торфе объясняется тот факт, что максимальные концентрации цинка выявлены в фоновых условиях, в органогенных горизонтах торфяных почв плоско- и крупнобугристых болот и хасыреев. После механического удаления поверхностных горизонтов почв в них снижается концентрация ряда других элементов, в частности, никеля и стронция. Таким образом, закономерности формирования микроэлементного состава связаны, прежде всего, с прекращением биогеохимических процессов накопления на участках нарушений. Крупные источники техногенного поступления тяжелых металлов и органических загрязнителей отсутствуют, наиболее загрязненными являются почвы в районе площадки по складированию твердых бытовых отходов.
Одним из индикаторов техногенных процессов загрязнения, связанных со сжиганием нефти, моторного топлива, бытовых отходов являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), т.е. углеводороды, состоящие из двух и более колец. ПАУ содержатся в нефти в количестве от 1 до 4%. Ароматические углеводороды - наиболее токсичные компоненты нефти. Среди ПАУ наибольшее внимание обычно уделяется 3,4-бензпирену как наиболее распространенному представителю канцерогенных веществ. В сырой нефти, не подвергавшейся значительному термическому воздействию, ПАУ обнаруживаются редко. Вместе с тем их количества резко возрастают в продуктах переработки нефти, в особенности велико поступление ПАУ при высокотемпературном сгорании углеводородного сырья [Геннадиев и др.,2006]
Необходимо отметить, что в отличие от сырой нефти, ПАУ слабо подвержены химической и биологической деструкции. Сложность трансформации ПАУ объясняется их стойкостью к микробиологическому расщеплению, особенно в условиях холодного климата. Длительная сохранность ПАУ способствует накоплению в почвах. Одним из основных источников ПАУ являются выхлопы автомобильного транспорта, в особенности дизельные двигатели. Тяжелые моноядерные молекулы ПАУ аккумулируются, в основном, в верхних почвенных горизонтах, что обусловлено, во-первых, их сравнительно малой миграционной способностью и, во-вторых, преимущественно аллохтонным происхождением в почвах, т.е. связью с техногенным загрязнением атмосферы или поверхностных вод. Нами было проанализировано содержание ПАУ в донных отложениях рек, пересекающих территорию Южно-Русского месторождения. В проанализированных пробах содержание ПАУ изменяется от 0,9 до 9,1 мг/кг. Отчетливо наблюдается практически во всех водных объектах возрастание концентрации ПАУ по мере пересечения водотоком территории месторождения (рис.5.19). Максимальная концентрация ПАУ была выявлена в замыкающем створе р. Корылькы на выходе с территории месторождения. Среднее содержание суммы ПАУ в донных отложениях составило 4,2 мг/кг. Учитывая, что в ряде работ пороговый уровень для суммы ПАУ в донных осадках определен на уровне 4 мг/кг [Persaud et al. 1993; Long and Morgan 1991], эта группа веществ содержится в повышенных концентрациях и превышает нормативы практически в половине проанализированных проб. Характерно, что все случаи превышения ОДК отмечены вблизи производственных объектов, либо на выходе с территории месторождения. На фоновых участках содержание ПАУ минимально. Таким образом, сумма полициклических ароматических углеводородов выступает достоверным индикатором техногенного воздействия
Эколого-геохимическое нормирование как основа региональной системы экспертизы и мониторинга
Описанные закономерности формирования химического состава различных компонентов ландшафта позволяют перейти к вопросам экологического нормирования. Экологическое нормирования антропогенного воздействия на природу представляет собой одну из самых важных экологических задач, и в то же время задачу весьма сложную и мало разработанную (Биогеохимические..,2003). В.Б.Сочава писал, что к числу проблем, приобретающих наибольшую остроту, «относится, прежде всего, установление рациональных (во всяком случае, допустимых), норм природопользования» [1978, с. 11]. В соответствии с природоохранительным законодательством Российской Федерации, оценка качества окружающей среды должна обеспечивать устойчивое функционирование естественных экологических систем и сохранять биологическое разнообразие, обеспечивать рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов в условиях устойчивого развития хозяйственной деятельности, а при установлении экологических нормативов должны учитываться природные особенности территорий и акваторий, назначение природных и природно-антропогенных объектов [ст. 1,21]. .
В настоящее время контроль и нормирование антропогенного загрязнения водных объектов основаны главным образом на системе ПДК (предельно-допустимых концентраций), т.е. экспериментально установленных и официально. утвержденных максимально допустимых постоянных концентраций в воде вредных веществ, при которых в водоеме не возникают последствия, снижающие его рыбохозяйственную ценность.
Однако система ПДК имеет ряд существенных недостатков. При определении ПДК не рассматриваются эффекты совместного действия токсикантов и не учитывается накопление исследуемого вещества в биологических объектах и донных отложениях [Лозовик, Платонов,2005] Отсутствие соответствия между лабораторными и природными моделями экосистем приводит к тому, что ПДК часто оказываются завышенными [Жигальский, 1997]. При обосновании ПДК не учитывают разный трофический статус экосистем, сезонные особенности природных факторов, на фоне которых проявляется токсичность загрязняющих веществ [Фрумин, 2000]. Утвержденные на федеральном уровне ПДК не учитывают специфику функционирования водных экосистем в различных природно-климатических зонах (широтная и вертикальная зональность) и биогеохимических провинциях (естественные геохимические аномалии с различным уровнем содержания природных соединений), а значит, и их токсикорезистентность [Шитиков и др.,2003]. Иллюстрацией может служить проблема использования в таежной зоне ПДК для рыбохозяйствен-ных водоемов (ПДКвр), установленных для железа и марганца. Природные концет-рации этих элементов на 1-2 математических порядка превышают установленный максимально-допустимый уровень. Можно таюке указать, что ПДК„р меди приблизительно в 7 раз выше среднего значения, характерного для незагрязненных водоемов, и в 2000 раз превышает нормативы, установленные Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ). Вследствие этого, использование в оценке качества вод обобщающих показателей, основанных на расчетах превышения ПДК (суммарный показатель загрязнения и др.), приводит к завышению уровня экологической нагрузки, поскольку в любом водном объекте из- за природной специфики, отмечается многократное превышение ПДК ряда компонентов химического состава (Fe, Мп, Си). Тем не менее, эти показатели широко используются в эколого-гидрохимической оценке, в том числе и в информационно-справочных изданиях [Атлас.,2004], что искажает реальную эколого-гидрохимическую ситуацию и приводит к формированию необъективной оценки в массовом сознании.
Для выявления химических и физико-химических характеристик, ответственных за изменение биоты, необходимо использование математических методов, позволяющих выделить в многомерном пространстве экологических факторов область экологического неблагополучия [Левич и др.,2004]. Одним из главных методических подходов для определения предельно допустимых уровней загрязняющих веществ является определения природного («фонового») уровня, характерного для отдельного водного объекта или их совокупности (бассейна реки, гидрографического района). В разное время предложено несколько методов для определения нормативов содержания загрязняющих веществ и соединений, основанных на математическом анализе. Необходимым условием объективности полученных результатов является достаточно большой объем выборки и аналитическая достоверность исходных данных, по которым ведутся расчеты. В частности, предложено понятие биогеохимического порога экологической толерантности [Патин, 1979], который предполагает, что существует адаптированность биоты к определенной биогеохимической ситуации, характеризуемой средней величиной содержания химического вещества, и его пределами вариабельности.
Биогеохимический nopor=M+2SD (1) где М- средняя концентрация элемента, SD -стандартное отклонение, 2- округленное значение t-критерия Стьюдента для 95% уровня значимости
Статистический подход к оценке экологически допустимого уровня (ЭДУ), основанный на анализе закономерностей распределения, описан Д.Г.Замолодчиковым [1993] .
ЭДУ=иН+1.5(ЦН-ЬЩ (2)
где UH, LH - верхняя и нижняя квартили распределения.
В соответствии с методом, предложенным П.А.Лозовиком [Лозовик, Платонов, 2005] расчет региональных нормативов ОДКрег ведется по формуле
ОДК рег= 1 Сф0Н Сццк, (3)
где СфОН _фоновое региональное содержание исследуемого соединения или показателя, Сццк - значение общероссийского ПДК. В данном показателе учитываются как геохимические особенности территории, так и токсичность элемента по критерию ПДК.
Учитывая, что распределение значений концентрации химических веществ в водных объектах подвержены значительной вариабельности вследствие природных факторов, по нашему мнению, целесообразно при подобном расчете использовать значение медианы
ОДК рег= J Me Свдк, (4)
Описанные методики подсчетов основаны на допущении адаптированности биоты к региональным геохимическим особенностям среды обитания, и сходны с задачей определения регионального геохимического «фона», часто возникающей в прикладной геохимии, например, при поиске месторождений полезных ископаемых. Вместе с тем имеются и ряд существенных отличий, не позволяющих копировать методы поисковой геохимии для выделения региональных эколого-гидрохимических нормативов. Это связано со значительной и закономерной сезонной динамикой химического состава, с несоответствием содержания многих веществ законам нормального либо логнормального распределения и разным целевым предназначением получаемых результатов. Поэтому нами были привлечены материалы гидробиологических исследований, и проведено сопоставление физико-химических показателей водной среды с материалами биоиндикации, позволяющими судить об экологическом состоянии водотоков. Вычисление региональных нормативов проводилось по следующему алгоритму:
- Определение репрезентативного объема выборки для анализа (удаление аномальных значений, вызванных техногенным воздействием, анализ пространственных и хронологических различий в распределении химических показателей, оценка однородности выборки, обоснование возможности разработки единого норматива для различных водных объектов);
- Проверка законов распределения гидрохимических показателей и вычисление статистических характеристик массива данных;
- Вычисление региональных нормативов (ОДКрег) с использование различных методов;
- Проверка их адекватности с использованием данных биоиндикации, выбор норматива, наиболее четко характеризующего трансформацию биотической компоненты водных экосистем
В настоящее время в единой системе сбора и хранения данных мониторинга на территории ХМАО накоплен большой объем информации о химическом составе поверхностных вод, которая характеризует гидрохимическую обстановку как на фоновых территориях, так и в местах интенсивного антропогенного воздействия. Практически все химические анализы выполнены в лабораториях, прошедших государственную аккредитацию. Число определений приоритетных загрязнителей (нефтепродуктов, хлоридов) составляет десятки тысяч. Таким образом, полученный массив данных можно охарактеризовать как аналитически достоверный и репрезентативный в географическом плане, что делает возможным объективное установление региональных экологических нормативов для широкого круга компонентов химического состава:
- приоритетных загрязнителей, поступающих от объектов нефтегазового комплекса (нефтяные углеводороды, хлориды, АПАВ)
