Введение к работе
Актуальность работы. Последние годы происходит вынужденный переход к масштабному освоению трудноизвлекаемых видов сырья, в том числе тяжёлой нефти и природных битумов, часто с высоким содержанием тяжёлых элементов-примесей. Этот переход усугубит экологически негативное влияние нефтегазовой отрасли на окружающую среду. При освоении нефти особенно опасны тяжёлые продукты переработки (мазуты, асфальты) с высоким содержанием соединений V, Ni, Co, Zn, Cr и других элементов с ярко выраженными токсическими свойствами. Высвобождаясь из связанного состояния, они трансформируются в биоактивные формы и неизбежно рассеиваются на поверхности, изменяя геохимический фон, делая его не пригодным для нормальной жизнедеятельности биоты.
Для своевременной разработки и реализации защитных мер, как при освоении и переработке, так и при утилизации углеводородного сырья, обогащённого тяжёлыми элементами-примесями, необходима информация об условиях его накопления и распространения, а также механизмов его трансформации из потенциально токсической формы в активную в окружающей среде и опасную для биоты.
В диссертации предлагается решение этой актуальной, но малоизученной проблемы, которое базируется на разных областях знаний: геологии; технологии; биологии и в т.ч. на геолого-геохимических закономерностях накопления и распространения природного УВ сырья, обогащённого потенциально токсическими элементами (ТЭ). В работе также определяются условия и масштабы проявления токсических свойств этих элементов на разные биологические объекты в окружающей среде при его освоении и утилизации.
По степени распространенности и по скрытности воздействия, наиболее опасны, в основном при топливной утилизации, продукты переработки (мазуты) сернистой, обогащенной металлами нефти с повышенной и высокой плотностью. Именно эти нефти в недалеком будущем станут основой добычи на суше в европейской части РФ. Так в пределах Урало-Поволжья они уже составляют около 20 % (2010 г.) от общих объемов добычи в этом регионе и имеют выраженную тенденцию к росту.
Поэтому оценки экологических рисков при освоении УВ сырья, целевое изучение основных видов опасных для биологических объектов компонентов-примесей в УВ сырье находятся в числе первоочередных проблем. Они ведутся еще на стадии разведки месторождений, с тем, чтобы превентивно регламентировать условия его экологически безопасного освоения, переработки и утилизации.
Остается низким медико-биологическое состояние изученности экологического влияния продуктов переработки и утилизации УВ обогащённых ПТЭ, попадающих в окружающую среду на биоту. Сравнительно хорошо исследованы уровни опасности влияния ТЭ при производственных контактах, особенно в цехах, при попадании на кожу, в воздух в рабочей зоне и прочее. Значительно хуже изучены уровни опасности рассеяния ТЭ в среде, окружающей эти предприятия. Особенно неопределёнными остаются представления о процессах перехода тяжелых элементов из прочно химически связанных металлокомплексов, преобладающих в природном сырье, в свободную для контактов, т.е. активную для биоты форму. Для решения вопроса о степени токсической опасности этих элементов в регионе недостаточно простых данных о состоянии ПДК почвы, водного и воздушного бассейнов.
Поставленная проблема граничит со многими отраслями знаний и это крайне затруднило ее исследование. Но одновременно это увеличило ее актуальность, так как позволило понять средствами разных научных дисциплин неотвратимость усиления негативного влияния на экологию и на среду обитания человека при добыче и переработке УВ сырья, обогащённого потенциально ТЭ.
Сравнительно с другими видами ископаемого энергетического сырья – углём, горючими сланцами, ураном, УВ – самое благоприятное в экологическом отношении ископаемое энергетическое сырьё. Однако надо учитывать, что около 15-20% добываемого ныне УВ сырья уже содержит в своём составе ТЭ-примеси в количествах превышающих безопасный уровень, и объёмы добычи именно такого сырья возрастают. Ограничивать использование УВ даже при негативных токсических характеристиках сырья, в условиях назревающего дефицита нефти, нереально. Поэтому необходима корректная оценка возможности рисков, исключающая, как их завышение, так и занижение, для своевременного принятия защитных мер.
Цели работы и решаемые задачи. Цели данной работы заключались в выявлении геолого-геохимических условий образования и накопления в недрах углеводородного сырья, обогащенного элементами-примесями с токсическими свойствами, прежде всего в Российской Федерации, анализе геохимической трансформации их соединений из потенциально опасных для биоты форм в активную, в ходе переработки и утилизации УВ сырья и его рассеяния в окружающей среде и оценке экологических рисков при освоении УВ сырья, обогащённого ПТЭ. Для достижения этих целей решались следующие задачи:
1) исследование на основе современной аналитической информации условий накопления УВ сырья, обогащённого элементами-примесями, главным образом тяжёлыми металлами (V, Ni, Co, Cd, Hg, Cr и др.);
2) обоснование перечня тяжёлых элементов-примесей с токсичными свойствами, широко распространённых в УВ сырье и продуктах его переработки и оценка их биологической активности;
3) исследование процессов геохимической трансформации в поверхностной среде соединений токсичных элементов-примесей, присутствующих в природных УВ и продуктах их переработки и условий их перехода из потенциально-токсичной в активно-токсичную форму, свободную для биологических контактов.
Фактический материал, обеспечивший достоверность основных выводов, получен и проанализирован автором в ходе полевых исследований в Волго-Уральской и Тимано-Печорской НГП, Мангышлакской НГО, на Камчатском полуострове и Республике Польша, начиная с 1986г. Значительный материал, особенно по зарубежным НГБ (свыше 3 тыс. данных химического анализа нефти и газа), был собран в публикациях отечественных и зарубежных исследователей. В геолого-геохимической части исследования, реализованы химико-аналитические данные, накопленные многими отечественными и зарубежными исследователями. Широко использовался аналитический материал, опубликованный геохимиками ВНИГРИ, ТатНИПИнефть, ТПО ВНИГРИ и др. Данные исследований реализации продуктов переработки нефти в металлургических и других технологических процессах выполнены автором совместно с ВНИИнефть и ВАМИ; они являлись предметом кандидатской работы диссертанта.
Научная новизна выполненных исследований:
1) определены геолого-геохимические условия формирования и распространения скоплений УВ, обогащённых тяжёлыми элементами-примесями;
2) разработана детальная геолого-геохимическая реконструкция процессов накопления тяжёлых элементов-примесей в органическом веществе (ОВ) и УВ на протяжении всего их онтогенеза, начиная от прижизненной ассимиляции биотой этих элементов, завершая концентрацией их в остаточных продуктах природного разрушения скоплений УВ. Показано, что непрерывность аккумуляции и сохранности тяжёлых элементов в составе смоло-асфальтовых фракций УВ в ходе всего онтогенеза является специфической особенностью горючих ископаемых в естественной среде недр;
3) разработан и обоснован перечень, а также формы проявления токсичных элементов-примесей, наиболее распространённых в природных УВ и продуктах их переработки. Показано, что уровень токсических рисков при освоении УВ, обогащённых ПТЭ, определяется не только их составом и концентрацией, но также прочностью химических связей с молекулярными структурами УВ.
4) разработана классификация активно опасных и потенциально опасных элементов, концентрирующихся в нефти. Первые включают наиболее миграционно-подвижные и летучие из них (Hg, Cd, As и др.). Вторые - прочно химически связанные в комплексных металлоорганических соединениях в УВ элементы - V, Ni, Co, Cr,Cu, Zn и др., биологически инертные в природной нефти и битумах, но активно-опасные в микродисперсном состоянии после техногенного, особенно высокотемпературного (>450oC), воздействия на сырьё. Актиноиды входят в класс активно опасных в любом состоянии вне зависимости от прочности связи с молекулярными структурами УВ;
5) выявлена и обоснована глубинная зональность в обогащении ПТЭ скоплений УВ, разработана типизация залежей УВ, обогащённых ПТЭ по масштабам накопления и составам ПТЭ с определением уровней рисков создаваемых ими на разных объектах освоения УВ;
6) разработан метод комплексного биотестирования экологического состояния окружающей среды.
Основные защищаемые положения:
1) накопление в УВ сырье компонентов примесей определяется рудной специализацией осадочных пород, сформировавшейся до или во время прохождения нефтематеринскими породами главной фазы нефтеобразования;
2) предлагаются критерии прогноза состава и степени обогащения УВ скоплений тяжелыми элементами-примесями с токсическими свойствами, основанные на поэтапном моделировании процесса онтогенеза УВ в ходе геологической эволюции НГБ, их рудной специализации и тектоноактивности;
3) предложен новый метод комплексного биотестирования экологического состояния окружающей среды;
4) разработана методология комплексной экологической оценки уровней токсозагрязнения окружающей среды на разных этапах и объектах освоения углеводородов.
Практическая и теоретическая ценность результатов работы. Выполненное исследование и предложенные в нем рекомендации, обеспечивает возможность своевременного прогноза экологических последствий освоения УВ сырья еще на стадии его разведки и, соответственно, превентивного принятия мер защиты населения путём рационального выбора технологий добычи, очистки, переработки и утилизации такого рода сырья. Будучи внедренными в практику они значительно уменьшат дальнейшее ухудшение качества среды обитания человека.
Полученные геолого-геохимические данные об источниках, механизмах и закономерностях формирования и распространения скоплений УВ с разным составом и уровнем обогащённости тяжёлыми элементами-примесями, могут быть широко реализованы и в других отраслях. Благодаря проведенному исследованию, расширяются возможности укрепления рудной сырьевой базы на основе месторождений стратиформного типа связанных с битумопроявлениями, в т.ч. дефицитных и редких видов рудных полезных ископаемых; в практике нефтепоисковой геологии для повышения эффективности геологоразведочных работ (ГРР). В числе прочего появляется возможность корректировать выбор нефтяного сырья и технологий его переработки для получения порфиринов, производства металлосодержащих нефтяных коксов в качестве энергоносителей как легирующей добавки при выплавке сталей специального назначения и др.
Результаты выполненных исследований могут также служить основой для формирования нового в геологии направления, имеющего важное народно-хозяйственное значение – разработке концепции токсикоэкологически безопасного освоения полезных ископаемых.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских научных конференциях, симпозиумах и семинарах, в их числе: "Научные и практические проблемы геологоразведки" - Л., ВИТР, 1990; "Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения", СПб, ВНИГРИ. 1992; "Экологическая гидрогеология стран Балтийского моря" - СПб, СПбГУ, 1993; Second International conference on ground water ecology - USA, Atlanta, AWRA, US EPA, 1994; "Поиск, разведка и добыча нефти и газа в Тимано-Печорском бассейне и Баренцевом море" - СПб, ВНИГРИ, IKU, 1994; "Поиски нефти, нефтяная индустрия и охрана окружающей седы" - СПб, ВНИГРИ, 1995; "Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения" - СПб, ВНИГРИ, 1997; "Экология. Нормативно-методические и правовые основы создания постоянно действующей службы нефтеэкологического мониторинга..." СПб, ВНИГРИ, 1998; "Перспективы развития и освоения топливно-энергетической базы Северо-западного эконом. р-на РФ" - СПб, ВНИГРИ, 1998; “Проблемы геодинамики и нефтегазоносности Черноморско-Каспийского региона”, Симферополь, 2003; «Генезис нефти и газа», Москва; «Стратегия развития и освоения сырьевой базы основных энергоносителей в России», СПб, 2004, «Законодательная поддержка внедрения новых наукоёмких технологий в минерально-сырьевом комплексе страны», Москва, 2009; Пензенский форум "Проект провинция", Пенза, 2011; VII ежегодная Общероссийская научно-практическая конференция «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» г. Москва, 2011; Семинар по программе Экспертиза проектной документации и результатов инженерных изысканий. ФАОУ ДПО ГАСИС, г. Москва, 2011; Научная конференция «Ресурсо- и энергосберегающие технологии - эффективный путь оптимизации экологических последствий в зонах действия крупных индустриальных центров. Современная независимая экспертиза» г. Москва, 2011.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано около 50 печатных работ (7 входят в перечень ВАК), включая монографию «Распространенность углеводородного сырья, обогащенного тяжелыми элементами-примесями. Оценка экологических рисков» (2005. – 372 с.).
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, семь глав и, заключение. Работа изложена на 336 страницах машинописного текста, включая 43 рисунка и 103 таблицы. Список использованной литературы включает 145 наименований.
