Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные направления изучения углеводородного комплекса почв
1.1. Автохтонные углеводороды почв 15
1.2. Аллохтонные углеводороды почв 22
Глава 2. Диагностика углеводородных геохимических полей в почвах
2.1. Углеводородное геохимическое поле и его компоненты 30
2.1.1 Существующие понятия об углеводородном геохимическом поле
2.1.2. Углеводородное геохимическое поле и углеводородное состояние почвы
2.1.3. Компоненты углеводородного состояния почв 34
2.2. Аналитическая схема исследования углеводородного состояния почв
2.2.1. Исследование газовой фазы углеводородов в почвах 42
2.2.2. Исследование битумоидов почв 44
2.2.3. Экспериментальное обоснование типизации битумоидов почв
Глава 3. Углеводородные геохимические поля в почвах природных ландшафтов (Боровский район Калужской области, Ординский район Пермского края)
3.1. Физико-географическая характеристика ключевых участков 57
3.2. Природные углеводороды в почвах районов исследования 63
3.2.1. Сатинский участок (Боровский район, Калужская областъ)
3.2.2. Иренский участок (Ординский район Пермского края) 79
3.3. Типы углеводородных геохимических полей в почвах природных ландшафтов
Глава 4. Углеводородные геохимические поля в почвах на территории нефтяного промысла в условиях очаговых техногенных изменений (участок Кокуйского нефтяного месторождения, Перм ский край)
4.1. Характеристика участка и методика полевых исследовании
4.2. Углеводородные состояния почв на территории нефтяного промысла
4.2.1. Углеводородное состояние почв в автономных ландшафт-но-геохимических позициях в сфере влияния эксплуатационных 94 скважин
4.2.2. Углеводородное состояние дерновых почв в транзитных QR ландшафтно-геохимическихпозициях
4.2.3. Углеводородное состояние аллювиальных и луговых почв в транзитио-аккумулятивных позициях
4.3. Типы углеводородных геохимических полей в почвах на территории нефтяного промысла
Глава 5. Углеводородные геохимические поля в почвах городских ландшафтов в условиях площадного техногенного воздействия (восточные, южные и центральные районы г.Москвы)
5.1. Физико-географическая характеристика территории исследования
5.2. Распределение углеводородов в городских почвах 117
5.2.1. Углеводороды в почвах лесопарков и парков 118
5.2.2. Углеводороды в почвах селитебных районов 121
5.2.3. Углеводороды в почвах промышленных зон 125
5.3. Типы углеводородных геохимических полей городских почв 129
Заключение 135
Список литературы
- Автохтонные углеводороды почв
- Углеводородное геохимическое поле и его компоненты
- Физико-географическая характеристика ключевых участков
- Характеристика участка и методика полевых исследовании
Введение к работе
Актуальность темы. Изучение углеводородных соединений, вызывающих ухудшение качества окружающей среды и вместе с тем повсеместно распространенных в природных и техногенных ландшафтах, уже несколько десятилетий остается одной из наиболее актуальных и очень сложных проблем геоэкологии. Поступление этих веществ в ландшафты связано с широким распространением объектов добычи и переработки нефти и газа, значительной протяженностью трансрегиональных и местных нефте- и газопроводов и практически повсеместным использованием продуктов переработки нефти и газа. Помимо этого биосфера постоянно генерирует природные углеводороды, циркулирующие в ландшафтах.
Среди компонентов ландшафта почвы представляют собой основное звено, в котором поллютанты депонируются и испытывают геохимическую трансформацию. Почвы отражают экологическое состояние окружающей среды в целом, и им должно быть уделено главное внимание в работах по диагностике и изучении судьбы углеводородов в ландшафтах. При этом в основе методологии геоэкологических исследований углеводородных загрязнений должен быть ландшафтно-геохимический подход, позволяющий рассматривать в комплексе свойства самого вещества и природную обстановку, в котором оно циркулирует.
Исследованию углеводородов в почвах на протяжении всего двадцатого столетия уделялось достаточно много внимания. С одной стороны, углеводороды изучались как одна из фракций неспецифических соединений почвенного гумуса (работы С.А. Ваксмана, И.В. Тюрина, М.М. Кононовой, Е. В. Фридланд и других). С другой стороны, исследовались свойства и закономерности поведения углеводородов, поступающих в почву извне в результате природных и техногенных процессов. В связи с поисками нефтяных и газовых месторождений углеводороды в почвах изучались В.А. Соколовым, Н. Б.
5 Вассоевичем, М. М. Кононовой, В. А. Ковдой, П. С. Славиным, Г. А. Моги-
левским, В. Н. Флоровской и многими другими исследователями. Геоэкологическое направление в изучении углеводородов активно развивается многими исследователями и научными коллективами в нашей стране и за рубежом. В работах М.А. Глазовской, Ю.И. Пиковского, Н.П. Солнцевой, А. А. Оборина, Н. М. Исмаилова, С. С. Беляева, Н.В.Можаровой, R. М. Atlas, Т. Коуата, W. McGill, С. Т. I. Odu и многих других исследователей были обобщены закономерности поведения углеводородных соединений, поступающих на поверхность почвы из техногенных источников.
Индивидуальные углеводородные соединения (полиарены, алканы) изучались как самостоятельный компонент почвенного органического вещества. Особенный интерес проявляется к полициклическим ароматическим углеводородам в связи с канцерогенными и мутагенными свойствами некоторых из этих соединений (работы А. Н. Геннадиева, Т. А. Алексеевой, А. И. Оглобли-ной, Т. М. Беляковой, И. С. Козина, Е. М. Никифоровой, Ф. Я. Ровинского, Т. А. Теплицкой, Л. М. Шабад, многих российских и зарубежных исследователей).
Несмотря на значительное количество работ, посвященных исследованию поведения углеводородов в ландшафтах, и, прежде всего в почвах, как депонирующих средах, сохраняется неоднозначность в трактовке многих вопросов геохимии, генезиса, нормирования и вклада в загрязнение среды разных типов углеродистых веществ, в первую очередь нефти и нефтепродуктов. Это связано с разнообразием источников и видов углеводородного загрязнения, с трудностями диагностики типов загрязняющих веществ, с необходимостью разделять техногенные углеводороды от природных, постоянно образующихся в ходе биогеохимических процессов. В большинстве проводящихся исследований изучаются отдельные характеристики или группы соединений из всей совокупности почвенных углеводородов. В экологическом мониторинге в большинстве случаев определяется лишь «суммарное содержание нефтепродуктов» без учета их природы и качественных
характеристик. И то и другое не несет достаточной информации, позволяющей достоверно оценивать влияние углеводородов на среду конкретных географических объектов. Назрела необходимость в разработке нового подхода к изучению углеводородов в компонентах ландшафта, который рассматривал бы во взаимосвязи и пространственно-временной изменчивости комплексные ассоциации разнофазных углеводородных соединений, образующих в ландшафтах разные по составу, свойствам и влиянию на среду углеводородные геохимические поля. Такой подход должен существенно расширить геоэкологическую информативность изучения природы и поведения углеводородов в окружающей среде. С разработкой такого подхода связана тема настоящей работы.
Значительно облегчает понимание поведения и генезиса углеводородов в ландшафтах исследование всей совокупности разнофазных углеводородных соединений почвы в их пространственно-временной изменчивости, определяемое как «углеводородное состояние почвы» (Пиковский и др., 2008). В развитие этого подхода в настоящей работе используется понятие об углеводородных геохимических полях как о совокупности в пространстве однородных углеводородных состояний почв. При этом углеводородные состояния почв характеризуются нами количеством, составом и соотношением углеводородных газов, битумоидов, индивидуальных углеводородных соединений (полициклических ароматических углеводородов и н-алканов). Временная изменчивость углеводородного состояния почвы связывается с процессами метаболизма и рассеяния вещества, а также с динамикой поступления аллох-тонных углеводородов в ландшафты. Пространственная изменчивость углеводородного состояния почвы выражается в радиальном изменении его по почвенному профилю. Изменения в латеральном направлении связаны с вариациями типов почв, их ландшафтно-геохимических позиций, характера и уровня антропогенных изменений.
Распространение понятия «углеводородное геохимическое поле», первоначально введенного для геологической среды, на педосферу и представле-
7 ниє его как совокупности углеводородных состояний почвы в отдельных
точках опробования дает возможность диагностировать природу углеводородов в почвах исследуемых территорий, выявлять процессы, приводящие к формированию тех или иных углеводородных геохимических полей.
Естественно, что такой подход можно применять только с учетом конкретных географических условий в их широком понимании, так как от них будут прямо зависеть состав, свойства и соотношение геохимических углеводородных полей.
Цель и задачи исследования.
Цель исследования: выявить природу и типы углеводородных геохимических полей в почвах, как депонирующей среде ландшафтов, на примере ключевых участков южно-таежной почвенно-географической зоны на Европейской территории России с различным характером и уровнем техногенных изменений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Разработать аналитическую схему исследования углеводородного комплекса почв на основе приемов люминесцентного и газохроматографическо-го анализа;
Дать характеристику углеводородного геохимического поля почв природного ландшафта, не измененного техногенными процессами;
Выявить особенности углеводородного геохимического поля почв в ландшафтах с очаговыми техногенными изменениями (на примере нефтяного промысла);
Разработать подход к изучению углеводородного геохимического поля почв в ландшафтах с площадными техногенными изменениями (на примере городской территории с развитой промышленностью);
Провести типизацию углеводородных геохимических полей в почвах исследованных природных и техногенных ландшафтов на основе данных полевых и экспериментальных исследований.
8 Объекты исследования - почвы на ключевых участках, расположенных в
Среднерусской и Вятско-Камской провинциях зоны дерново-подзолистых
почв южной тайги на Европейской территории России (рис. 1):
а) почвы природных ландшафтов, не измененных техногенными процес
сами (Сатинский участок Боровского района Калужской области и Иренский
участок Ординского района Пермского края);
б) почвы природных ландшафтов с очаговыми техногенными измене
ниями, находящиеся в сфере влияния нефтяного промысла (участок террито
рии Кокуйского нефтяного месторождения, Пермский край);
в) почвы городской агломерации со сплошными техногенными измене
ниями, обусловленными множеством источников (восточные и южные рай-
оны г. Москвы).
^ L 1 IS „В^ЦЭ |._М,а_ ИЗ
Г ПГПз Е ЕЗ6 I г> г.» но ШШЛи
[ [7 |ft»fl,i4fl,ii| 11 І б,г 115
Рис.1. Фрагмент карты почвенно-географического районирования Г.В.Добровольского и др. (1986) с расположением участков исследования. М - г. Москва, С - Сатинский участок, И - Иренский участок, К - участок Кокуйского нефтяного месторождения. Цветом показаны почвенно-географические зоны (подзоны) и провинции. Д-14 - Среднерусская и Д-15 Вятско-Камская провинции зоны дерново-подзолистых почв южной тайги.
Наряду с зональными дерново-подзолистыми почвами, почвенный покров на исследованных участках слагают аллювиальные дерновые и дерно-
вые карбонатные почвы, торфяные болотные почвы, черноземовидные почвы различной степени глееватости и оторфованности, а в городской среде — также техногенные почвы.
Предмет, методы и материалы исследования.
Предмет исследования составляет совокупность почвенных углеводородных соединений различного происхождения и агрегатного состояния. Сбор полевого материала проведен по методике ландшафтно-геохимических исследований, разработанной на кафедре геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова в трудах М.А.Глазовской, А.И.Перельмана, Н.С.Касимова и других. Основой химико-аналитических методов исследования углеводородов в работе стали люминесцентно-битуминологический метод В.Н.Флоровской и спектрофлуориметрический анализ ПАУ при низкой температуре («спектроскопия Э.В.Шпольского»), дополненные изучением газового компонента почвенных углеводородов, нормальных алканов и общего органического углерода.
Материалами для исследования стали результаты полевых и экспериментальных работ, проведенных автором в 2004 - 2008 гг. в рамках госбюджетных тем исследовательских грантов кафедры геохимии ландшафтов и географии почв Географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Исследования почв г. Москвы проводились в содружестве с Институтом минералогии и геохимии редких элементов (ИМГРЭ, г. Москва) по проекту мониторинга почв г. Москвы. Все аналитические люминесцентные исследования битумоидов и ПАУ выполнены в Лаборатории углеродистых веществ биосферы Географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Нормальные алканы (23 пробы) определялись в лаборатории Почвенного стационара МГУ методом газожидкостной хроматографии.
Личный вклад автора.
Личный вклад автора в проведенное исследование состоял в участии в постановке задачи, в описании почв и отборе проб из почвенных разрезов,
10 замерах концентраций углеводородов в почвенном воздухе при проведении
полевых работ, выполнении химических анализов на содержание битумоидов и ПАУ (около 1500 почвенных проб). Кроме того, автором проведены экспериментальные исследования, включавшие изучение люминесцентных характеристик различных типов сырой нефти и нефтепродуктов, как товарных, так и прошедших инкубацию в различных генетических горизонтах почв. Автором проведена также интерпретация и статистическая обработка полученных данных.
Научная новизна работы:
Предложен новый подход к исследованию источников и эволюции углеводородов в почвах природных и техногенных ландшафтов, основанный на комплексном изучении в почвах соотношения разных фаз и групп углеводородов (газов, битумоидов, индивидуальных углеводородных соединений — ПАУ и нормальных алканов), диагностике углеводородного состояния почв и распределении углеводородных геохимических полей в почвах.
Впервые на основе географического анализа углеводородного комплекса почв в районах южно-таежной зоны дерново-подзолистых почв (Калужская область, Пермский край, г. Москва) определены типы углеводородных состояний почв и углеводородных геохимических полей в почвах: а) вне техногенного воздействия; б) в условиях нефтяного промысла; в) в условиях городской среды.
Обновлена методика количественного и качественного люминес-центно-битуминологического анализа почв путем введения дополнительных люминесцентных характеристик, повышающих правильность получаемых результатов.
Впервые экспериментальным путем на основе параметров люминесценции выявлены диагностические признаки природных битумоидов и основных типов нефтепродуктов, прошедших инкубацию в различных генетических горизонтах почв.
Практическое значение работы.
Результаты проведенных исследований использовались при проведении научно-исследовательских работ кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова по темам «Эволюция, геохимия и география почв» и при выполнении проекта РФФИ №07-05-12055 «Разработка методов диагностики углеводородного загрязнения и оценки устойчивости почвенного покрова для целей экологического нормирования и мониторинга окружающей среды в районах добычи и транспортировки нефти и газа». Полученные данные используются в теоретических и практических курсах учебной Программы «Геоэкология нефти и газа» на Географическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова. Разработанные методы диагностики и ландшафтно-геохимической интерпретации углеводородного состояния почв и углеводородных геохимических полей рекомендуется широко использовать при проведении экологического мониторинга природных и техногенных ландшафтов и в практике оценки воздействия производств на окружающую среду.
Апробация работы и результатов исследования.
Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: «Ломоносовские чтения» на географическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2005), Международная школа-конференция на географическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2005), IX Докучаевские молодежные чтения «Почвы России: проблемы и решения» (Санкт-Петербург, 2006), XIII Ежегодный семинар «Спектрометрический анализ. Аппаратура и обработка данных на ПЭВМ» (Обнинск, 2006), II Международная научная конференция «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 2007), XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2008» (Москва, 2008), Международная научная конференция «Проблемы экологической геохимии в XXI веке» (Минск, 2008).
12 Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 работ общим объемом 56 страниц, из них 3 работы опубликовано в рекомендованных ВАК журналах, в том числе одна работа без соавторов.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы из 165 наименований, в том числе 23 на английском языке. Общий объем работы 161 страница, включая 38 рисунков и 32 таблицы.
На защиту выносятся следующие положения:
Углеводородные геохимические поля в почвах природных и техногенных ландшафтов следует рассматривать как пространственные совокупности однородных углеводородных состояний почв. Геохимические параметры углеводородных состояний почв, включающие люминесцентно-спектральные характеристики битумоидов, содержание и состав углеводородных газов, индивидуальных полициклических ароматических углеводородов и н-алканов позволяют выделять разные типы природных и техногенных углеводородных геохимических полей в почвах.
Углеводородные комплексы зональных и азональных почв в природных ландшафтах, не измененных техногенными процессами, характеризуются отличительными геохимическими признаками, которые позволяют выделить в почвах углеводородные состояния, образующие региональное и локальное углеводородные поля биогеохштческого происхождения. Аномальное увеличение в почвах газовой фазы, возникающее в процессах естественных эманации легких углеводородов из недр, дает основание выделять наложенное на биогеохимический фон природное локальное глубинно-эманаиионное углеводородное геохимическое поле.
На участках очагового техногенного изменения ландшафтов на территории нефтяного промысла возникают особые углеводородные состояния почв, обусловленные инъекциями (разливами) нефти на поверхность или
13 в приповерхностные горизонты почвы. Такие состояния объединяются в локальные инъекционные нефтяные геохимические поля, различающиеся составом и разной степенью деградации нефти и нефтепродуктов. На неизмененных участках ландшафта могут быть выделены локальные субповерхно-стно-эманационные углеводородные поля, обусловленные эманациями из подпочвенных скоплений нефтяных углеводородов.
В разных территориальных зонах крупной городской агломерации со сплошным характером техногенного изменения природного ландшафта углеводородные комплексы почв существенно различаются. По геохимическим признакам в этом типе ландшафтов могут быть выделены атмо-седиментационные (рассеянные и илтактные), инъекционные и седимента-ционно-шсекционные геохимические углеводородные поля, характеризующие процессы осаждения аэрозолей из атмосферы на поверхность почвы и поверхностные инъекции в почвы товарных и отработанных нефтепродуктов.
Каждому углеводородному состоянию почв соответствуют свои источники углеводородов, определенное географическое положение и тип почв, их ландшафтно-геохимическая позиция. Параметры углеводородных состояний почв позволяют различать и оценивать углеводородные геохимические поля, обусловленные природными и техногенными процессами, устанавливать источники загрязнения окружающей среды углеводородами.
Благодарности.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю - доктору географических наук Ю.И.Пиковскому и профессору А.Н.Геннадиеву за неоценимую помощь и содействие на всех этапах исследования. Автор благодарит декана и заведующего кафедрой Географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова академика Н.С.Касимова, а также сотрудников кафедры геохимии ландшафтов и географии почв: Т.М.Белякову, М.Д.Богданову, И.П.Гаврилову, М.И.Герасимову, Д.Л.Голованова, И.А.Горбунову, Л.Б.Исаченкову, П.П.Кречетова, Е.М.Никифорову,
14 А.П.Садова и других за внимательное отношение и конструктивное обсуждение работы.
Особую признательность автор выражает сотрудникам Лаборатории углеродистых веществ биосферы Географического факультета МГУ Н. И. Хлыниной, Т.А.Алексеевой, А.П. Жидкину, Р.Г. Ковачу, Т.А.Пузановой, М.Е.Раменской, Г.Н.Сахарову, С.С.Чернянскому за помощь в выполнении полевых и аналитических работ и постоянную поддержку в процессе проведения исследований.
Автор благодарит сотрудников ИМГРЭ СБ. Самаева и К. И. Вараву за предоставление материала и содействие исследованиям, сотрудника Почвенного стационара МГУ Ю. А. Завгороднюю и сотрудника ООО «Гео-НТ» Е. А. Матюхина за содействие в проведении газохроматографических исследований.
Глубокую благодарность автор выражает своим родным, близким и друзьям за моральную поддержку и терпеливое отношение к научной деятельности автора на протяжении всего периода исследований.
Автохтонные углеводороды почв
Автохтонные почвенные углеводороды представляют собой соединения природного происхождения, образующиеся в почве в результате биогеохимических процессов трансформации органических остатков. При этом формируются как газообразные углеводородные соединения, входящие в состав почвенного воздуха, так и нелетучие вещества — один из неспецифических компонентов гумуса почвы.
Газообразные углеводороды почвы. Изучением газообразных автохтонных почвенных углеводородов занимались как российские, так и зарубежные исследователи (Коуата, 1963; Беляев, 1984; Орлов и др., 1986; Минько, 1987; Оборин, Стадник, 1996; Концепция организованности..., 2005). Углеводородная часть почвенных газов представлена, в основном, метаном, образующимся в результате бактериального синтеза в процессах метаногенеза. Кроме того, в почвах могут синтезироваться углеводородные газы тяжелее метана — этан, этилен и др. (Орлов, 1985). Образование газообразных углеводородов в почвах происходит в восстановительных условиях, особенно интенсивно - в заболоченных и затопляемых (рисовых) почвах. Так, содержание метана в болотных почвах может достигать 60 % от суммы почвенных газов. Приводятся данные об абсолютных содержаниях метана в почвах. Если в приземных слоях атмосферы среднее содержание метана составляет 1,2-1,5 ррт, то в болотах фиксируются содержания метана на уровне 400 ррт (Оборин, Стадник, 1996). В дерново-подзолистых почвах уровень концентрации метана также может достигать нескольких сотен частей на миллион (Пиковский, 1993). Субстратом для метанобразующих бактерий служат водород, углекислый газ, низшие жирные кислоты, спирты и некоторые другие низкомолекулярные соединения (Концепция организованности..., 2005).
Почвенные липиды. Неспецифические компоненты почвенного гумуса, содержание которых может достигать 20% от общей массы почвенных органических веществ, названные общим термином «липиды» (Паников и др., 1984), содержат обширный комплекс растворимых в органических растворителях природных соединений, в том числе нелетучие почвенные углеводороды. При довольно обширном объеме исследований гумуса почвы, изучению именно этой фракции уделялось достаточно мало внимания, при этом различные исследователи называли ее по-разному.
С. А. Ваксман (1937) определял вещества, извлекаемые из почвы при ее обработке эфиром, хлороформом, смесью бензола со спиртом и другими растворителями, как жиры и воска, не выделяя отдельно углеводороды в составе этой фракции. Источником этих веществ он считал растительные остатки, а также клетки микроорганизмов, населяющих почву. В эту же фракцию почвенного гумуса Ваксман включает растительные пигменты - каротины и хлорофилл, некоторые сложные эфиры, такие как глицериды жирных кислот и смоляных эфиров. Жиры и воска, выделяемые из торфа и угля, он называет «битумами». С. А. Ваксман связывал качество и количество жирных и восковых веществ в гумусе лесных почв с типом лесной растительности, степенью разложенности органических остатков и почвенными условиями - аэрацией и реакцией почвы.
И.В.Тюрин (1951) называл все вещества, экстрагируемые смесью спирта и бензола, почвенными битумами или воско-смолами, независимо от типа почвы. Им было определено количественное содержание этой фракции, варьирующее в верхних горизонтах разных почв от 0,04% от веса почвы в серой лесной почве до 0,18% в бурой лесной (от 0,4 г/кг до 1,8 г/кг соответственно).
М.М.Кононова (1963) описывала состав спиртобензольного экстракта из почв как смесь восков, смол, жиров и, в некоторой степени, гумусовых веществ. Она относила эту фракцию к группе соединений индивидуальной природы, включая в нее также белки, аминокислоты, простые и сложные углеводы, органические кислоты различной природы, лигнин и другие вещества. Кононова оценивала содержание этой фракции в 10-15% от общего запаса органических веществ почвы.
У Д.С.Орлова (1985) группа веществ, общим признаком которой является растворимость в органических растворителях, получает название «почвенные липиды». В состав липидной фракции, кроме уже упоминавшихся предыдущими исследователями восков, смол, пигментов, стероидов, глицеридов и различных органических кислот, автор включает алифатические углеводороды с длиной цепи Сіб-Сзз, а также полициклические ароматические углеводороды.
Углеводородное геохимическое поле и его компоненты
Понятие о геохимическом поле является одним из фундаментальных понятий геохимии (Перельман, 1979). По А.Е.Ферсману геохимические поля представляют собой «...геохимически однородные области, связанные пространственно с большими скоплениями каких-либо ассоциирующих элементов» (Ферсман, 1953, с. 523). В современном понимании геохимическое поле - это область распространения концентраций каких-либо химических элементов или соединений, существующая в координатах геологического пространства и времени. По А.П.Соловову (1985) естественным, нормальным для элемента является рассеянное состояние, которое рассматривается как его «геохимический фон». На геохимическом фоне могут проявляться участки концентрированного состояния элемента - «геохимические аномалии». Частным случаем геохимической аномалии, например, являются вторичные ореолы рассеяния химических веществ от залежей различных полезных ископаемых (Сает, 1982).
Представление об углеводородных геохимических полях возникло в связи с изучением ореолов рассеяния залежей нефти и газа, распространен ных как в окружающих залежь горных породах, так и вблизи дневной поверхности - почвах, почвообразующих породах, а также в других компонентах ландшафта - подземных водах, растениях, приземной атмосфере. Впервые углеводородный газовый ореол в почве над залежами нефти и газа был отмечен В.А. Соколовым (1933). С этих наблюдений начались разработки прямых геохимических поисков месторождений углеводородов. Первое систематическое описание ореолов рассеяния углеводородов вблизи дневной поверхности как составной части комплексных геохимических полей, образующихся в результате рассеяния залежей нефти и газа, было дано в работах В.Н.Флоровской (1957, 2003а, 2003в). Было показано, что, наряду с непосредственно углеводородными аномалиями в форме углеводородных газов и битуминозных веществ, в пространстве углеводородного потока возникают бактериальные, солевые и другие аномалии, которые являются «различными сторонами единого геохимического процесса» (Флоровская, 2003в, с 89). Вместе с тем, В.Н.Флоровская отмечает, что «значительное развитие процессов современного образования углеводородных газов и битумов в почвенном покрове также затрудняет выявление в них газовых и битумных аномалий» (там же, с. 90).
Разработка теории геохимических полей в связи со скоплениями углеводородов в недрах была продолжена в работах Л.М. Зорькина, О.Л. Кузнецова, А.В. Петухова и др. (Комплексный анализ данных..., 1981; Физико-химические основы..., 1986; Основы теории..., 1993). Эти авторы уточняют, что геохимическое поле - это не просто совокупность («парагенезис») полей отдельных геохимических параметров (угле- и неуглеводородных газов, би-тумоидов, химических и минеральных ассоциаций и др.), а динамичная взаимосвязанная система, обусловленная изменчивостью большого набора геологических и физико-химических процессов в пространстве и времени. Для диагностики природы аномальных геохимических полей предлагается использовать широкий комплекс геохимических критериев, включающих, среди прочих, газогеохимические и битуминологические показатели. При этом объектами исследований являются, в основном, горные породы, подстилающие ландшафтную оболочку.
Среди информативных признаков состояния близповерхностного геохимического поля на территории месторождений нефти и газа Ю.И. Пиков-ский (1993) выделяет две группы геохимических показателей - динамические (свободные газы и другие подвижные вещества) и статические (следы миграции вещества, фиксирующиеся в почвах виде сорбированных соединений или вторичных изменений субстрата). Самой большой информативностью, по его мнению, среди динамических показателей обладают, в частности, тяжелые предельные и непредельные углеводороды в почвенном воздухе, а из статических показателей - полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).
В связи с широким распространением техногенных процессов внедрения углеводородов в окружающую среду в компонентах ландшафта стали активно изучаться техногенные углеводородные аномалии, вызванные поступлениями от техногенных источников. Наиболее четко техногенные аномалии фиксируются в депонирующих средах - почвах, донных отложениях, растениях, снежном покрове (Перельман, Касимов, 1999). В районах, характеризующихся интенсивным и длительным антропогенным воздействием (городские агломерации, нефтяные и газовые месторождения и т. п.) отдельные техногенные аномалии могут сливаться в обширные техногенные геохимические поля (Добровольский, 2003).
Физико-географическая характеристика ключевых участков
Исследованные участки располагаются на южной границе бореального пояса, в пределах зоны дерново-подзолистых почв южной тайги согласно схеме почвенно-географического районирования (Добровольский, Урусев-ская, 2006). Коренная растительность территорий представлена смешанными широколиственно-хвойными лесами (Физико-географическое районирование СССР..., 1968). По сравнению с северными лесными ландшафтами, эти территории характеризуются более теплым климатом, в почвообразовании усиливается дерновый процесс, приводящий к образованию дерново-подзолистых почв.
Сатинский участок.
Исследуемый участок расположен в средней части Восточно-Европейской равнины на стыке Смоленско-Московской и Средне-Русской возвышенностей (рис. 6). Географические координаты центра участка 55 15 с. ш. и 363(Г в.д. В физико-географическом отношении участок изучен достаточно детально (Общегеографическая практика..., 2007).
Рельеф территории - возвышенная пологоволнистая равнина с отдельными участками холмисто-западинного рельефа и заплывшими или затор-фованными озерными котловинами. Преобладающие высоты местности составляют 150-200 м, причем территория довольно густо расчленена современной овражно-балочной сетью, а также древними ложбинами стока талых ледниковых вод.
В геологическом строении территории принимают участие породы каменноугольного и четвертичного возраста. На кристаллическом фундаменте залегают отложения среднего карбона, представленные слоистой толщей пе-строцветных глин и известняков верейского горизонта и известняками, доломитами и мергелями, слагающими каширский горизонт. Четвертичные отложения представлены московской и днепровской мореной, доднепров-скими кварцевыми песками с прослойками алевритов, галечно-валунными слоями и органическими болотными накоплениями. Поверхность междуречий и их склонов слагается покровными лессовидными суглинками, мощ ность которых может достигать 3,5 м, общая мощность четвертичной толщи в среднем составляет 20-30 м. Древнеозерные котловины и днища ложбин стока талых ледниковых вод слагают озерно-болотные отложения, часть озерных котловин в настоящее время заболочена и в них до сих пор продолжается осадконакопление. Примером болота такого типа является верховое Бутовское болото, расположенное южнее деревни Бутовка. Склоны междуречий слагаются делювиальными отложениями, которые сменяются аллювиальными в поймах рек. В строении поймы и низких надпойменных террас р. Протвы также участвуют карбонатные породы — известковые туфы или травертины (Материалы..., 1976).
Гидрографическую сеть территории формируют р. Протва и ее крупные притоки: Руть, Лужа и Исьма. Долины рек Протвы и Исьмы характеризуются значительной глубиной врезания, что вместе с легкой размываемостью пород, слагающих склоны, определяет значительную интенсивность процессов эрозии в данной местности.
Умеренно-континентальный климат района с ясно выраженными сезонами определяется расположением территории в пределах атлантико-континентальной области умеренного климатического пояса. Среднемного-летняя температура января составляет около -10 С, июля - около +18 С, безморозный период в среднем продолжается 135 дней в воздухе и 118 дней на почве. За год в районе выпадает около 650-700 мм атмосферных осадков, средняя высота снежного покрова достигает 80 см.
Территория располагается в подзоне смешанных широколиственно-хвойных лесов. Условно-коренные широколиственно-еловые и широколиственно-сосновые леса частично замещены вторичными мелколиственными осиново-березовыми лесами. Луговая растительность распространена в основном на речных поймах, в балках, по окраинам поселений и представлена тонконогом стройным, подмаренником настоящим, подорожником степным, пыреем ползучим, мятликом луговым, овсяницей луговой.
Характеристика участка и методика полевых исследовании
Полученные данные о разнообразном соотношении газов, битумоидов и ПАУ позволяют сделать выводы об основных типах и путях формирова ния углеводородных геохимических полей в техногенно-измененных почвах в условиях нефтяного промысла.
Углеводородные геохимические поля эманационного типа в почвах связаны с двумя процессами - с дегазацией недр по тектоническим нарушениям, вероятнее всего от нефтяной залежи (глубинно-эманационное поле), и с дегазацией линз близповерхностного подпочвенного загрязнения геологической среды - горных пород, грунтовых вод, карстовых озер (субповерхно-стно-эманационное поле). Оба типа углеводородных комплексов почв, обусловленные этими процессами, встречаются на территории действующего нефтяного промысла, состав их показан на рисунке 20.
Субповерхностно-эманационное геохимическое поле отличается от глубинно-эманационного по ряду признаков. В нем увеличивается концентрация ПАУ по сравнению с фоновой, в их составе появляются 4-6-тиядерные соединения, тип битумоида меняется с легкого на маслянистый. В химическом составе газовой фазы появляются высокие содержания углеводородов тяжелее метана
В местах локального поступления нефти - подновляемого (в районе кустовых площадок) или единоразового (на участках разливов), а также в местах захоронения нефтяных шламов, в том числе в- карстовых воронках, в почвах выделяется инъекционный нефтяной тип углеводородных геохимических полей, определяемый локальными инъекционными углеводородными состояниями почв (рис. 21). В почвенном воздухе таких почв часто фиксируются интенсивные испарения углеводородных газов, концентрации кото-рых достигают 1300 мг/м , состав газа определяет метан. Также в составе газа отмечается присутствие сернистых компонентов, специфичных для неф-тезагрязненных почв — диоксида серы и сероводорода, в концентрациях до 10 мг/м . Нефть в профиле этих почв отличается слабой степенью деградации, что может быть связано с относительно свежим (или подновленным) нефтяным загрязнением на данных участках, и, частично, с консервацией нефтяных веществ в почвенном профиле. В почвах отмечаются максимальные концентрации битумоидов для исследованного района, содержание которых в битуминозных горизонтах достигает 62 г/кг. Битумоиды при этом характеризуются маслянисто-смолистым типом - цвета люминесценции вытяжек ярко-голубые, ярко-желтые, коричнево-желтые, значение параметра J2/J1 меняется от 0,7 до 3 единиц. Суммарное содержание ПАУ достигает 200-300 мг/кг, при этом состав ПАУ определяют гомологи нафталина. В среднем 4% от суммы ПАУ составляет бенз(Ы)перилен, во всех пробах присутствует тетрафен, встречается хризен и пирен. Доля четных алканов С12-С34 в битумоидах из нефтезагрязненных горизонтов увеличивается по сравнению с неизмененными почвами (до 37 %). Общее содержание определяемых алифатических соединений варьирует в пределах 15-20 мг/кг.
В ряде почв отмечается снижение уровней содержания битумоидов до 0,5-5 г/кг, люминесцентные характеристики битумоидов свидетельствуют о возрастании доли смолистых компонентов в их составе в процессе разложения нефтяных веществ. Концентрация ПАУ в этих почвах снижается до 1-30 мг/кг, состав их схож с составом ПАУ сильнозагрязненных почв. Концен-трация летучих углеводородов в почвенном воздухе не превышает 150 мг/м Данные характеристики свидетельствуют о высокой степени деградации нефти в почвах
Характеристики выявленных типов углеводородных геохимических полей в почвах нефтяного месторождения на участках техногенного изменения представлены в таблице 29.
Типы углеводородных состояний могут быть индикаторами степени загрязнения и изменения качества почв. Кроме того, в условиях карстового рельефа перечисленные типы углеводородных состояний - это индикаторы каналов и генезиса углеводородных потоков, возникающих при добыче нефти.
