Содержание к диссертации
Введение 2
Глава 1. Метан в биосфере 11
1.1. Биогеохимический цикл метана 11
1.1.1. Происхождение и образование метана
Биогенное образование метана 11
Фоновое содержание углеводородных газов 13 в природных почвах
1.1.2. Бактериальное окисление метана и других углеводородов. 15
1.1.2.1 .Облигатные метилотрофы 15
1.1.2.2: Факультативные метилотрофы 20
1.1.2.3. Фоновое окисление метана в природных почвах 22
1.1.3. Механизмы транспорта, депонирования газов в почвах и 23
породах
Диффузия и конвекция
Сорбция газов 27
Адсорбция микроорган измов 29
1.1.4. Цикл метана в почвах, подземных, пластовых водах, 30
породах, в морях и океанах
1.1.4.1. Биогеохимическая деятельность микроорганизмов в 33
биосфере
Эмиссия в атмосферу 34
Источники и стоки атмосферного метана 3 6
Влияние газовой залежи на почвы и породы 43
Формирование газовых аномалий над нефтегазовыми 43 залежами
Бактериальные аномалии. Связь бактериальных 44 скоплений с концентрациями газов
Возникновение окислительно-восстановительных 48 геофизических, литохимических и тепловых аномалий
Образование органического вещества в почвах под 51 влиянием природного газа
1.2. Биогеохимическая деятельность микроорганизмов в 52
почвах
Минералы железа в почвах 52
Магнитная восприимчивость почв 58
Вещественный состав почв и магнитная восприимчивость почв 59
Генезис и свойства магнитных соединений железа в почвах 62
Литогенные магнитные оксиды железа 62
Аэрогенные магнитные оксиды железа 64
Педогенные магнитные оксиды железа 68
Микробиологический и биохимический пути 73 образования магнитных оксидов железа в почве
Биологически контролируемая биоминерализация 74
Биологически индуцируемая минерализация 76
Восстановление железа 82 метилотрофными микроорганизмами
1.2.4.4.4. Биологическое окисление железа в почве 84
Глава 2. Объекты, методология и методы исследования 89
Глава 3. Факторы почвообразования 100
Климат в районе ПХГ в Московской области 100
Растительность 102
Рельеф. Геоморфология. 103
Геология 103
Почвообразующие породы 106
Гидрогеология 107
Климат в районах ПХГ в Ставропольском крае 109
Растительность 114
Рельеф. Геоморфология 115
Геологическое строение и газоносность территории 116
Почвообразующие породы 123
Гидрогеология, гидрология и гидрография 125
Антропогенные факторы почвообразования 127 Глава 4. Почвы над подземными хранилищами 134
природного газа
4.1. Почвы фоновых территорий
4.1.1. Почвы фоновых территорий за пределами 134
подземного газохранилища в Московской области
4.1.2. Почвы фоновых территорий за пределами 141
подземных газохранилищ в Ставропольском крае
4.2. Специфика антропогенно-преобразованных почв 146
газоносных территорий
Подходы к диагностике и систематике 146
Техногенные почвоподобные образования 147 (ТПО), природно-техногенные почвы
Природные химически загрязненные 15 8 и с магнитными новообразованиями почвы
Природные почвы, загрязненные 159 органическими поллютантами
Магнитные оксиды железа - маркеры 166 загрязнения и трансформации почв
4.3. Диагностика почв над подземными хранилищами 176
природного газа
4.3.1. Диагностические признаки техногенных, 176
природно-техногенных и природных загрязненных
и трансформированных слоев и горизонтов почв
4.3.2. Диагностические признаки техногенных, 179
природно-техногенных и природных
загрязненных и трансформированных почвоподобных тел
4.4. Почвенный покров над подземными хранилищами 180
природного газа
Глава 5. Специфика функционирования почв и 190
почвенного покрова над разрабатываемыми газовыми месторождениями и подземными газохранилищами
Элементы и параметры функционирования почв 192 газоносных территорий
Образование автохтонного и рассеяние техногенно- 207 аллохтонного и аллохтонного метана в почвах. Образование
газовых аномалий
Депонирование автохтонного, техногенно- 211 аллохтонного и аллохтонного метана. Формирование диффузионных и сорбционных барьеров
Бактериальное окисление автохтонного и техногенно- 217 аллохтонного метана..Формирование биогеохимических барьеров
в летний период
5.4.1. Сезонная динамика бактериального окисления метана 237 в почвах над искусственной подземной газовой залежью
5.5. Эмиссия техногенно-аллохтонного, аллохтонного и 239
поглощение атмосферного метана на газоносной территории
в летний период
5.5.1. Сезонная динамика эмиссии метана атмосферу 244
5.6. Массовый баланс эмиссии, бактериального окисления 248
техногенно-аллохтонного и поглощения атмосферного
метана в почвах над подземными хранилищами природного
газа. Типы балансов функционирования
Глава 6. Деструкция метана в почвах фоновых 267
и газоносных территорий
Глава 7. Влияние природного газа на формирование 274
почвенных природно-техногенных новообразований
Синтез магнетита в почвах на фоновых и газоносных 274 территориях
Синтез магнетита в почвах при участии природного 288 газа в лабораторных условиях
Глава 8. Особенности биогеохимического цикла метана 305
при его нарушении человеком. Роль почвенного покрова в регулировании эмиссии метана на газоносной территории
Выводы 308
Литература 312
Введение к работе
Актуальность темы. Научные достижения последнего времени в изучении биосферного газообмена неразрывно связаны с разработкой проблемы перехода биосферы в ноосферу и являются развитием основополагающих идей В.И. Вернадского. Многосторонняя индустриальная деятельность человека охватывает все природные системы Земли, в том числе и почвенный покров, вносит значительные изменения в биогеохимические циклы элементов в биосфере, ставит под угрозу ее нормальное функционирование (Ковда, 1975), определяет задачи, связанные с многообразными экологическими функциями почв — атмосферными, гидросферными, литосферными, биотическими (Добровольский, Никитин, 1986,1990). Почва является регулятором биосферных взаимодействий, функционируя, она контролирует и трансформирует проходящие через нее потоки и циклы вещества и энергии. Почвенный покров выступает как своеобразная полупроницаемая мембрана, осуществляющая газообмен между атмосферой и литосферой (Розанов, 1988).
В настоящее время наиболее остро стоят проблемы увеличения
метана в атмосфере, содержание которого за последние два столетия
возросло почти втрое, что, по-видимому, связано с дисбалансом
продуцирования, разложения и трансформации метана. Актуальными
экологическими проблемами дальнейшего использования существующих
разрабатываемых газовых месторождений и подземных газохранилищ
является исследование биогеохимических циклов парниковых газов в
биосфере, влияния последних на функционирование почвенной системы и
формирование почв, функционально-экологических аспектов географии
почв газоносных территорий. Наиболее остро стоят вопросы поиска
новообразованных твердых, консервативных продуктов
функционирования, созданных вследствие неполной замкнутости, необратимости многих почвенных процессов внутри почвенной системы
(Таргульян, Соколова, 1996). Проблемы осложняются исследованием состава, свойств, географии антропогенно-преобразованных почв, разработкой их диагностики и систематики.
Цель исследования: разработать концепцию функционирования и формирования почв над подземными хранилищами природного газа на примере дерново-подзолистой и черноземной зон. Задачи исследования:
Разработать концепцию функционирования почвенного покрова, включающую представления о взаимодействии техногенно-аллохтонного метана с почвами над подземными хранилищами природного газа. Выявить факторы, элементы, параметры и балансы функционирования почв.
Определить роль (функции) почвенного покрова в регулировании эмиссии техногенно-аллохтонного и атмосферного метана.
Выявить нарушения природных биогеохимических циклов метана в почвах над подземными хранилищами природного газа. Определить локальные и глобальные придержки параметров биогеохимического цикла метана.
4. Выявить пространственно-временные закономерности рассеяния,
депонирования, бактериального окисления и эмиссии автохтонного,
аллохтонного, техногенно-аллохтонного и атмосферного метана в почвах
над подземными хранилищами природного газа.
Оценить массовые балансы и соотношение эмиссии и стока автохтонного и техногенно-аллохтонного метана в почвах над подземными хранилищами природного газа в сезонной и годовой динамике и различных технологических условиях.
Выявить основные пути и продукты деструкции метана в почвах над подземными хранилищами природного газа. Определить состав, численность и биомассу ведущих микроорганизмов, осуществляющих цепь превращений метана.
7. Выявить возможные пути формирования природно-техногенных
признаков почв. Показать цепи редукции железа в почвах при воздействии
аллохтонного и техногенно-аллохтонного метана.
8. Выявить влияние добычи и хранения природного газа на состав,
свойства, пространственное распределение почв. Разработать диагностику
антропогенно-преобразованных почв.
Основные положения, выносимые на защиту: концепция функционирования и формирования почв над подземными хранилищами природного газа в дерново-подзолистой и черноземной зонах.
1. Использование эколого-функционального подхода позволило создать
представление о почвенном покрове газоносной территории как
двусторонней вертикальной и горизонтальной мембране, экранирующей,
дифференцирующей и трансформирующей мигрирующие потоки
техногенно-аллохтонного метана, обладающей различной
рефлекторностью, отвечающей на механизмы газопереноса.
В результате формирования искусственных газовых залежей нарушаются природные биогеохимические циклы метана в почвах. Нарушения выражаются в ритмических процессах притока, рассеяния и возникновения аномалий техногенно-аллохтонного и аллохтонного метана в почвах, эмиссии его в атмосферу; в комплексе абиотических и биотических процессов его депонирования, диффузионной проницаемости и бактериального окисления. Определены локальные и глобальные придержки биогеохимического цикла метана в почвах при подземном хранении природного газа.
Массовые балансы эмиссии, бактериального окисления, поглощения техногенно-аллохтонного и атмосферного метана характеризуются различной эффективностью и чрезвычайно высокой изменчивостью, обусловленной интенсивностью механизмов поступления потоков газа и структурой почвенного покрова в годовых, сезонных циклах и технологических условиях. Потоки природного газа задерживаются почвой
и расходуются на бактериальное окисление (90-99%) и эмиссию метана в атмосферу (1-10%), составляя 5-10% от общих потерь газа при подземном его хранении. Эмиссия метана в весенний период не компенсируется бактериальным окислением и поглощением атмосферного метана.
Почвы функционируют как механизм (реактор), определяющий цепь превращений деструкции метана и синтеза других органических, органо-минеральных газообразных, жидких и твердых веществ. Трансформация метана протекает в незамкнутых циклах и процессах микробиологической деструкции, сопровождается образованием диоксида углерода, переносом его в атмосферу и формированиием почвенных новообразований высокодисперсного магнетита путем аэробной метилотрофной и анаэробной ферментирующей железоредукции.
Над подземными искусственными газовыми залежами в зонах рассеяния и доминирующего влияния углеводородных газов преобладают природные почвы с техногенно-педогенными признаками — новообразованиями микродисперсного бактериоморфного магнетита. В результате механического нарушения и отложения буровых шламов, химического загрязнения сформированы новые техногенные слои, горизонты, специфические антропогенно-преобразованные почвы и почвоподобные образования, получившие незначительное распространение. Рассмотрены представления о диагностике почв и почвоподобных тел газоносных территорий.
Научная новизна. Впервые сформирована концепция
функционирования почв над подземными хранилищами природного газа, расположенными в различных почвенно-географических зонах. Определены факторы, элементы, параметры, география и балансы функционирования почв над искусственными и естественными газовыми залежами.
Сформировано представление о почвенном покрове газоносных территорий как специфической двусторонней горизонтальной и
вертикальной мембране, регулирующей мигрирующие атмотропические потоки техногенно-аллохтонного метана из недр и геотропические из атмосферы с помощью системы почвенно-геохимических барьеров.
Определены экранирующая, дифференцирующая,
трансформирующая и различная рефлекторная функции почвенного покрова. Сформировано представление о почвенном покрове как реакторе, определяющем цепь превращений деструкции метана и синтеза других веществ.
Установлены нарушения биогеохимического цикла метана в почвах при участии человека. Определены локальные и глобальные придержки биогеохимического цикла метана.
Установлен факт, определены механизмы формирования
новообразований техногенно-педогенного магнетита при участии
микроорганизмов, высокой вариабельности окислительно-
восстановительного потенциала и повышенном содержании органического вещества в почвах различных природных зон.
Установлено формирование специфических антропогено-преобразованных почв. Разработаны принципы их диагностики.
Практическое значение работы. Проведенные полевые исследования, полученные экспериментальные материалы, методические разработки и теоретические обобщения позволили сформировать основные положения инновационной системы почвенно-экологического мониторинга герметичности объектов подземного хранения природного газа, вошедшие в руководящие документы. Нововведения в области мониторинга герметичности подземных газохранилищ позволят выявить источники, пути диффузионно-конвективного переноса, ореолы рассеяния, бактериального окисления, эмиссии в атмосферу неучтенного природного газа и модифицированных газов, твердые геохимические признаки трансформации почв под влиянием флюидов. Результаты исследований по мониторингу и его элементам активно используются при проведении работ
по заказу ОАО Газпром, по договорам с организациями ВНИИГАЗ, ГИ, ИПНиГ РАН, АНО НИИЦ «Геориск», НПО «Экостройгеология».
Материалы исследований по изучению функционирования почв и роли почвенного покрова на газоносных территориях поддерживались инициативными грантами РФФИ, вошли в отчеты НИР факультета почвоведения МГУ, грантов РФФИ, «Университетов России», «Ведущих научных школ», ФЦП «Интеграция», ФГУ НИМИ «Базис».
Полученные материалы широко используются в образовательном процессе на факультете почвоведения МГУ. Автором составлена программа и подготовлен лекционный курс «Антропогенные почвы». На основе выполненных исследований автором подготовлено учебное пособие с одноименным названием, куда включены разделы по функционированию почвенного покрова на газоносных территориях и подходам к диагностике антропогенно-преобразованных почв.
Вклад автора в разработку проблемы. Автором определена программа работ, ему принадлежит постановка цели и задач исследования. Полевые экспедиции проводились под руководством и при непосредственном участии автора. Большая часть экспериментального материала получена автором или под его руководством в коллективных экспедиционных и лабораторных исследованиях кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ. Другая часть экспериментального материала получена в договорных работах с ГИНом, ИПНиГ РАН, ВНИИГАЗом. Обобщение и интерпретация полученных результатов проведены лично автором. Подавляющее большинство публикаций, обобщающих результаты исследований, подготовлено и написано лично автором, в том числе монографические издания МГУ, крупные работы в периодических изданиях, учебные пособия.
