Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы. обзор литературы.
1.1 Общие особенности миграции углеводородных газов и геохимические барьеры 7
1.2 Газовые ореолы и атмохимические поля рассеяния углеводородов 12
1.3 Внутрипочвенное образование метана 14
1.4 Особенности массоиереноса газов в почвах 15
1.5 Эмиссия метана в атмосферу 28
1.6 Миграция и эмиссия метана на подземных хранилищах газа 30
Глава 2. Объект и методы исследования
2.1 Объект исследования... 33
2.2 Методы исследования 39
Глава 3. Природные условия и факторы почвообразования изучаемой территории
3.1 Климат 46
3.2 Растительность 49
3.3 Геологическое строение 51
3.4 Гидрогеологические условия 58
3.5 Геоморфология. 62
3.6 Почвообразующие погоды 63
3.7 Почвенный покров 64
Глава 4. Результаты и окгужпкник
4.1 Закономерности распределения концентрации метана в почвенных профилях 76
4.1.1 Пространствешшые закономерности 76
4.1.2 Профильные закономерности 81
4.2 Особенности диффузии и накопления метана в почвах 94
4.2.1 Зависимость эффективного коэффициента диффузии метана от порозности аэрации и гранулометрического состава почвы 94
4.3 Профильные закономерности диффузионной газовой проницаемости почвенного покрова 103
4.3.1 Пространственньш закономерности распределения диффузионной газовой июницаемости почвенного покрова 106
4.4 Эмиссия метана в атмосферу и зависимость ее от диффузионной проницаемости почвенного покрова 112
4.5 Внутрипочвенные и эмиссионные потоки метана. поглощение атмосферного метана почвами 118
4.6 Зависимость эмиссии метана от компрессии газа в газохранилище 124
Выводы 130
Литература 131
Приложение 140
- Газовые ореолы и атмохимические поля рассеяния углеводородов
- Миграция и эмиссия метана на подземных хранилищах газа
- Зависимость эффективного коэффициента диффузии метана от порозности аэрации и гранулометрического состава почвы
- Профильные закономерности диффузионной газовой проницаемости почвенного покрова
Введение к работе
Быстрые темпы развития газовой промышленности в последние годы неизбежно ведут к увеличению масштабов воздействия объектов добычи, транспоргировки и хранения природного газа на окружающую среду: недра, подземные и поверхностные воды, почвы, атмосферу. На современном этапе важнейшей задачей для исследователей-экологов и специалистов в области охраны окружающей среды является определение утечек и выбросов газообразных загрязнителей, а также характера их миграции, поведения и трансформации в различных природных средах. В связи с этим, одним из интересных и перспективных направлений при экологических и почвенно-географических исследованиях на объектах газовой промышленности является изучение диффузии метана через почвенно-грунтовые толщи из подземных газохранилищ (ПХГ) и эмиссия его в атмосферу. Эта проблема, фактически, являясь актуальной как в теоретическом, так и в прикладном аспектах, приобретает все больший интерес в связи с увеличением количества и объемов объектов подземного хранения газа. За последние десятилетия количество природного газа, хранящегося подземным способом (его активный объем) практически удвоилось и к 2001 году достигло 55 млрд. м3. Если учесть, что потери газа при его подземном хранении находятся в интервале 1,5 - 3% от активного объема (по данным РАО <<ГАЗПРОМ»,2000), можно приблизительно оценить, какие количества газа попадают в прилегающие к газохранилищам геосферы и могут принимать участие в разнообразных природных процессах и явлениях.
Адекватно с этим воздействием, увеличилась и антропогенная нагрузка на поверхностные экосистемы, т.к. при
увеличении активного объема неизбежно возрастает и площадь территорий, занимаемых газохранилищами. К сожалению, экологическим аспектам влияния ПХГ на окружающую среду до недавнего времени уделялось явно недостаточное внимание. Между тем, с явлением миграции и эмиссии метана, а также образования газовых аномалий, связана и проблема защиты воздуха, как в районах нахождения подземных газохранилищ, так и в атмосфере в целом, т.к. метан, как известно, является одним из наиболее распространенных и активных её загрязнителей.
С другой стороны, для предприятий газового комплекса вопросы герметичности газовых месторождений и подземных хранилищ, и связанные с этим экологические аспекты, также весьма актуальны. Хотя и считается, что подземное хранение газа, по сравнению с наземным, способствует охране окружающей среды за счет минимального испарения и эмиссии газов, всё же, одним из негативных явлений при эксплуатации ПХГ является их разгерметизация, т.е. диффузионный и конвективный вертикальный переток газа различными путями через вышележащие пласты, четвертичные отложения и почвенный покров. Последствием такой миграции, помимо образования газовых и бактериальных аномалий в подземных водах, грунтах и почвах, является эмиссия CHj в приземную атмосферу, на интенсивность которой влияют именно почвы, как конечное звено в цепи миграционных перемещений метана в литосфере. Обладая регуляторной газовой функцией в биосфере и широким спектром физико-химических и биологических свойств, почвы не могут не оказывать воздействие на миграцию газообразных углеводородов, имеющих не только внутрипочвенное, но и литогенное, глубинное происхождение. С этой точки зрения, для теоретических исследований подземные хранилища газа являются интересными объектами, дающими
возможность изучения динамики микрокомпонентного состава газовой фазы почв при наличии не традиционных источников газообразных углеводородов (внутрипочвенных и атмосферных), а, по большей части не свойственных почвам - глубинных источников.
Изучение массопереноса газов в пределах почвенного профиля имеет достаточную теоретическую и практическую проработку, однако, вопрос о диффузионной газовой проницаемости почв для углеводородных газов в масштабах ландшафта, а также при наличии подземного источника, остается слабо изученным, несмотря на его значимость для экологических и прикладных проблем. С практической точки зрения, отсутствие теоретических проработок по этому вопросу может привести к неполному охвату всех возможных источников загрязнения атмосферы метаном на ПХГ, что приобретает все большее значение при нормировании предельно-допустимых выбросов газообразных загрязнителей на объектах подземного хранения газа и газового комплекса в целом.
Цель , исследования: Выявить влияние диффузионной газовой проницаемости почв на эмиссию метана в атмосферу в пределах почвенной газовой аномалии, образовавшейся при подземном хранении природного газа.
Задачи исследования:
Выявить характер диффузионной газовой проницаемости и накопления метана в естественных и антропогенно-нарушенных почвах.
Изучить пространственные закономерности распределения физических свойств почв, влияющих на диффузионную
проницаемость в пределах основных мезоструктур почвенного покрова
3, Выявить общие закономерности эмиссии метана в атмосферу при различной компрессии в газохранилище и различных гидротермических условиях.
Определить связь эмиссии метана в атмосферу и диффузионной проницаемости почв в пределах газовой аномалии. Научная новизна исследования определена его предметом и полученными результатами:
Впервые исследована многолетняя динамика эмиссии метана с поверхности почвенного покрова территории ПХГ.
Определены параметры, влияющие на диффузионную проницаемость почв и на эмиссионно-геотропические потоки метана на поверхности почвенного покрова территории газохранилища.
Установлена связь процессов накопления, диффузии и эмиссии CKt с физическими свойствами почв, изменяющимися в зависимости от гидротермических условий.
Показано, что имеется прямая связь поверхностного газопроявления с процессом изменения количества хранящегося газа на глубине.
Основные защищаемые положения. В результате проведенного диссертационного исследования на защиту выносятся следующие положения:
1. Диффузионная газовая проницаемость почвенного покрова для метана обладает пространсвенно-временной изменчивостью, зависящей от гидротермических условий и разнообразия физических свойств почв, возникших в процессе почвообразования и техногенеза.
Смена направления потоков метана от геотропического к атмотропическому является следствием функционирования почвенного покрова, как «мембраны», регулирующей диффузионный массоперенос СН4 в газовой системе почва-атмосфера.
Содержание и последующая эмиссия метана в атмосферу зависит от количества СН4 в газохранилище и от диффузионной газовой проницаемости почвенного покрова.
Практическая значимость обусловлена тем, что имеющиеся в нем теоретические основы и практические рекомендации позволяют:
правильно интерпретировать источник и количество эмиссионного метана при проведении газовой съемки. Основываясь на этих данных можно оценить как характер поверхностного газопроявления, так и сделать выводы о миграционных процессах в общей трактовке проблемы герметичности газохранилища;
учитывать эмиссию литогенного метана с поверхности почвенного покрова, как еще один из источников поступления метана в приземную атмосферу при проведении научно-изыскательских и проектно-экологических работ, таких, как разработка проектов предельно-допустимого выброса метана в атмосферу на объектах подземного хранения природного газа;
прогнозировать неблагоприятные условия, при которых возможно возникновение эмиссии литогенного метана из почв; такими условиями являются высокие уровни компрессии метана в газохранилище (до 2000 г.), сопровождаемые гидротермическими условиями дефицита дождевых осадков и повышенных температур атмосферного воздуха и почв.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: Международной конференции «Безопасность» (Москва, 1998), Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2000» (Москва, 2000), Международной школе «Экологическая геохимия» (Новороссийск, 2003), IV Всероссийском съезде почвоведов (Новосибирск, 2004), IX Международном форуме «Технологии безопасности» (Москва, 2004), а также на заседаниях кафедры географии почв факультета Почвоведения МГУ им. М.В .Ломоносова. Автор работы участвовал в создании раздела «Воздействие ПХГ на почвенный покров» проекта «Оценка воздействия ПХГ на окружающую среду» (ОВОС), 2003.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы и приложения, общим объемом 131 страница печатного текста, иллюстрирована 8 картами, 43 графическими приложениями, 7 таблицами и сопровождается списком литературы, содержащим 103 наименования. Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю академику РАН Г.В. Добровольскому за постановку задачи и помощь в период работы над диссертацией. Особую благодарность автор выражает начальнику экспедиции к.б.н. доценту Можаровой Н.В за моральную поддержку, ценные консультации и организацию экспедиций и полевых работ в период 1998-2004 гг. Автор выражает признательность аспирантам кафедры географии почв Кулачковой С, Прониной В. и Кошелеву А. за помощь в период экспедиционных, камеральных и лабораторных работ, также автор благодарен всем сотрудникам кафедры географии почв за моральную поддержку.
Газовые ореолы и атмохимические поля рассеяния углеводородов
В работах Войтова (1986) было показано, что различные тектонические разуплотнения осадочных чехлов, а также наличия зон повышенной трещиноватости могут создавать условия для интенсивной миграции углеводородов не смотря на наличие 1мощных, перекрывающих газоносный пласт, пород. Миграция газообразных углеводородов может достигать поверхности геологической среды. В результате вокруг месторождений образуются газовые ореолы, размеры которых по вертикали достигают сотен и даже тысяч метров, т. е. значительно превышают литохимические и гидрогеохимические ореолы. По горизонтали газовые ореолы, в некоторых случаях, являются проекцией распространения газовых залежей на дневную поверхность с учетом тектонических особенностей осадочного чехла. В этом случае газопроявление на поверхности совпадает с простиранием основных тектонических элементов. В работах Иванова (1977) указывается, что в почвах газоносных территорий содержание углеводородных газов определенных керновым способом, резко различается над месторождениями: от 10 5 до 10 1 см3 /кг породы и за их пределами - от 10"7 до 10"2 см3 /кг породы. Известны как первичные, так и вторичные газовые ореолы (Питулько, 1977; Поликарпочкин, 1976), на обнаружении которых основаны атмохимические (газовые) методы поисков полезных ископаемых. Атмохимические ореолы рассеяния разделяются на 3 группы (Алексеенко, 2000). К первой группе относятся ореолы над залежами нефти и газа. Именно с выявления этих ореолов началось развитие атмохимических поисков.
Ко второй группе относятся ореолы над сульфидными месторождениями. К третьей группе относятся ореолы, связанные с распадом радиоактивных элементов и образовании инертных газов. Методы атмохимических поисков развиваются в трех основных направлениях: газовой съемки по подпочвенному воздуху, газортутного метода, водно-гелиевой съемки (Аристов, 1984; Левинсон,1976; Сауков,1963; Фридман 1972; Хокс, 1964). Газовая съемка по подпочвенному воздуху может являться прямым газопоисковым показателем при условии разделения литогенного и биогенного (имеющего внутрипочвенное происхождение) метана. Внутрипочвенное образование метана. Углеводородная атмосфера в почвах может формироваться двумя группами источников: автохтонным — за счет органического вещества почв, генерации метана, метанообразующими бактериями и аллохтонным - за счет прихода газов из литосферы, рассеивания нефтяных и газовых месторождений. Автохтонная генерация метана наиболее интенсивно проходит в восстановительной обстановке в субаквальных торфяных и торфяно-глеевых почвах и связана с деятельностью метанообразующих, синтезирующих метан путем восстановления углекислоты водородом (Беляев, 1984), В широком диапазоне зональных почв процессы генерации метана идут несколько слабее при микрогетерогенности окислительно-восстановительных условий (Орлов, и др. 1986). Одновременно с генерацией метана в почвах протекают процессы его окисления метаноокисляющими организмами. Скорость окисления метана, по данным различных исследований сильно варьирует и составляет 20-90% месячной продукции метана (Беляев, 1994; Вечерская, Паников,1998; Могилевский,1978; Boeck Р.,1996; PaniKov,1993). АКТИВНОСТЬ бактериального окисления метана в гидроморфных почвах варьирует в широком диапазоне от 4 до 0,001 мг/ м2/ч. Бактериальное окисление метана автоморфными почвами составляет 0,01-0,08 мг/ м2 /ч (King, 1992, Glagolev М.,1999; Goulding,1996; Toop, 1997). Содержание метана в почвах также сильно варьирует в широких пределах, влияя на скорость эмиссии метана в атмосферу. Продуцирование метана происходит во всех гидроморфных и полугидроморфных почвах в различных природных зонах. По некоторым данным (Ehhalt,1994) скорость продукции метана в почвах элювиальных и трансэлювиальных ландшафтах составляет 0,05 мг/ м / ч, в почвах тундр-1,9 мг/ м / ч, болот и маршей-30-100 мг/ м / ч, лесов-0,1»10" , рисовых полей-23,5 мг/ м / ч. Эмиссия метана в атмосферу варьирует в широких пространственно-временных пределах. Удельная эмиссия метана в почвах под рисовыми культурами варьирует от 1 до 50 мг/ м / ч, на орошаемых черноземах -0,4 мг/ м2/ ч, на болотах в Вирджинии от 0 до 0,7 мг/ м / ч, Тверской области- 0-0,75 мг/ м / ч, в периодически увлажняемых почвах умеренной зоны 0,3-0,5 мг/ м / ч после схода снега и, 0.8-26,7 мг/ м / ч после сильных доящей (Орлов,198б;\Уаі ,1995; Murase, Kimura, 1996» Вамперский и др.,2000).
Миграция и эмиссия метана на подземных хранилищах газа
В газовой промышленности, одним из источников выбросов метана в атмосферу являются объекты подземного хранения природного газа, представляющие собой искусственные месторождения природного газа с принудительной закачкой метана под давлением на глубину 500-1000 м, (Каримов, 1981). По существующей классификации, разработанной во ВНИИГАЗЕ, хранилища газа подразделяются на подземные поверхностные, подземные и наземные (Гриценко, 1995). Наиболее распространены подземные хранилища, считающиеся наиболее герметичными. По сравнению с другими отраслями, объем выбросов объектов газовой промышленности невелик, примерно 3.5% суммарных значений других областей. При этом доля объектов хранения газа незначительна ( около 25%) (Акопова, Арутюнов и др, 1995) Работы, посвященные строительству и эксплуатации ПХГ в пористых средах, достаточно многочисленны (БосняцкиЙЛ993, Будников, 2000; Глоба и др.,1985, Дедиков, 1997, Отделение... 1995, Энциклопедия..., 1994), Однако монографий, посвященных влиянию ПХГ на окружающую среду практически нет. Даже в таких новейших работах, как «Строительство подземных газонефтехранилищ» (Смирнов В.И., 2000) только упоминаются экологические аспекты строительства и эксплуатации ПХГ. Это связано с тем, что подход к обустройству и эксплуатации ПХГ мало, чем отличается от подхода к эксплуатации газовых месторождений (Гриценко и др, 1993, цит. по Бухгалтер, 2002). Своевременное обнаружение утечек, определение количеств перетекающего газа являются необходимыми условиями экологической безопасности на ПХГ (Бузинов,1995).
Исследуемое ПХГ является одним из наиболее неблагополучных объектов в этом отношении. Учитывая значительную потенциальную опасность для окружающей природной среды, которую представляет эксплуатация ПХГ (Бухгалтер , 2002) с 1970-х годов ведутся научные исследования по оценке ее неблагоприятного экологического воздействия. Основным воздействием ПХГ на окружающую среду является загрязнение прилегающей атмосферы. Основными загрязнителями являются оксиды углерода, оксиды азота, летучие углеводороды и меркаптаны. По данным Центральной высотной гидрометеорологической обсерватории (ЦВГМО) ПДК меркаптана (добавка к природному газу) в воздухе в районе ПХГ в 1982-1983 гг. была превышена в 10 и более раз. Проводящиеся отделом охраны окружающей среды ежемесячные замеры концентрации меркаптанов, показали некоторое снижение в последние годы их концентрации в зоне влияния ПХГ, что говорит о снижении утечек природного газа из газохранилища. Также, специалистами из ВНИИГАЗа установлено, что коэффициент трансформации оксида азота в диоксид азота в атмосфере района ПХГ в промышленной зоне ниже, чем в атмосфере жилой бактерий. Работы гидрогеохимической группы ПО «Союзбургаз», начатые в 1976 г. и продолжающиеся в настоящее время, фиксируют образование «газовой шапки» в некоторых водоносных горизонтах, а также повышенный уровень газонасыщения углеводородами во всех водоносных горизонтах, используемых на ПХГ для водоснабжения. Это свидетельствует о том, что подземное хранилище не является полностью герметичным, и существуют пути для миграции метана из пласта-«коялектора». В 1994 при исследовании влияния станции на окружающую среду не удалось получить истинной картины характера загрязнения подземных вод из-за состояния контрольных скважин (Бухгалтер, 2002).
Анализ разработки данного ПХГ показал, что на протяжении всего периода его эксплуатации, начиная с 1996 г. имел место существенный расбаланс газа в пласте. В конце 1970 г. он оценивался в 815 - 930 млн. м3, а к концу 1994 г. достиг 1460-1560 м3. Отмечаются плохо контролируемое растекание газа и уходы за гидродинамические затворы ловушки (Никонов, 1999). Результаты приповерхностной газовой съемки показывают, что миграция газа достигает верхнего слоя почвы и атмосферного воздуха (Калюжный, 1994). Как показали последние исследования (Никонов, 2001), в геологической толще существует система областей повышенной трещиноватости, которая при параметрической активизации создает условия для осуществления субвертикальных миграционных процессов и выноса экологически агрессивного флюида в приповерхностную толщу геологической среды, что способствует формированию неблагоприятной экологической обстановки (Касьянова, Кузьмин, 1996; Сидоров, 1989). Помимо влияния на геологическую среду, подземные воды и атмосферу, при строительстве и эксплуатации ПХГ наблюдается изменение и почвенного покрова. В 1990-х годах были проведены комплексные исследования состояния и антропогенного изменения почв на территории ПХГ. Установлено, что на территории газопромысла локально сохранен исходный почвенный покров, не несущий следов техногенного преобразования. Площадь ненарушенных почв составляет около 2,3% территории газового промысла. На газопромыслах с наибольшим скоплением скважин, широко развиты нарушения почв и почвенного покрова (Герасимова» Строганова, Можарова, Прокофьева, 2003). Техногенно-измененные почвы деградированы; уплотнены, деструктированы, запасы гумуса значительно снижены, водно-воздушный режим нарушен (Журавлев, 1999, Можарова 1997; Mechanical Disturbance... 1998). В 2001 году специалистами «ГАЗПРОМГЕОФИЗИКА» проводилась почвенная вакуумная газовая съемка, показавшая, что содержание свободного метана в почвенном воздухе, определенного в мелких скважинах на глубине 70 см, варьирует в широких пределах (от 1 10" % по объему). Приведенные данные убедительно свидетельствуют о том, что исследуемое подземное хранилище газа не является полностью герметичным, и существуют условия для миграции метана, как в пределах глубинной геологической среды, так и в пределах поверхности газохранилища.
Зависимость эффективного коэффициента диффузии метана от порозности аэрации и гранулометрического состава почвы
Отчетливо заметна годовая динамика концентрации СН в почвах. В июле 1998г. диапазон концентрации составлял 20-60 ррт (Med=17,71), в июле 1999г. 1-Ю ррт (Med=5,97), в июле 2000г. 1-2 ррт, (Med=0,74) в июле 2001 1-Ю ррт (Med=l,9, в июле 2002 0,1-5 ppm(Med=0,37). Уменьшение содержания СНд в почвах в период 2000-2002 гг. исследования можно объяснить снижением поступления диффузионных миграционных потоков, связанное с уменьшением компрессии в газохранилище, т.е. ослабеванием действия аллохтонного источника. Исключения составляют разрезы 409 и 410, где источником значительной концентрации СН является миграция вдоль заколонного пространства скважин. В гидроморфных почвах за этот же период не произошло существенного изменения диапазона концентрации СН$ , по причине доминирования автохтонного источника СИ над аллохтонным. Таким образом, метан в порах аэрации почв имеет автохтонный и аллохтонныи генезис. Аномально высокое содержание свободного СН4 в автоморфных почвах в зоне влияния газохранилища обусловлено воздействием миграции метана от ПХГ. При этом основными пространственными, профильными и временными закономерностями его концентрации в почвах являются: Проницаемость почвы для углеводородных газов обусловлена как конвективным (движение в-ва вместе с вмещающей его фазой), так и диффузионным (движение в-ва внутри вмещающей его фазы) массопереносом.
В изучаемых почвах приоритет диффузии определяется относительным постоянством градиентов концентраций в подпочвенном горизонте и в приземном слое воздуха и общее количество в-ва, переносимое диффузией за длительные промежутки времени, больше, чем при конвективном массопереносе. По этой причине, в данной работе за основной тип массопереноса метана в почве принимается диффузионный, определяемый произведением градиента концентрации СН4 и эффективного коэффициента диффузии (D), который численно равен объему газа, продиффундировавшего в почве за единицу времени через площадь, равную единице, при градиенте концентрации, равном единице. В системе СГС коэффициент диффузии имеет размерность см /сек.
Известно, что коэффициент диффузии метана в воде ниже соответствующего коэффициента диффузии в воздухе на 4 порядка. Также, почвенные частицы понижают площадь эффективного поперечного сечения, доступную для диффузии газов. Исходя из этого, основными факторами, определяющим интенсивность диффузионного массопереноса газообразных веществ в почве являются ее влажность и пористость аэрации, находящимися в зависимости между собой с учетом общей пористости почвы. Зависимость эффективного коэффициента диффузии метана от соотношения пористости аэрации (Па) и общей пористости (Повщ) в почвенных монолитах показаны на рис.26а Принимая во внимание отсутствие в литературе единого мнения о зависимости диффузии газов в почве от ее пористости аэрации и гранулометрического состава и, учитывая разночтения у отечественных и зарубежных авторов по этому вопросу, в данной работе берется за основу вышеуказанная экспериментальная зависимость. При влажности монолитов близкой к полной влагоемкости D, становился меньше, чем D метана в воде ( 1,39-10 см/с против 2,22 10 см /с ). Аналогичные данные получены ранее Антоновым для обводненного песка (0,56-10 см /с). Интересен тот факт, что D метана в почве при состоянии полного влагонасыщения сопоставим с D метана для некоторых известняков (8,33-10 3 см2/с ) и алевролитов песчанистых (0,28 10"5 см2/с ) в состоянии природной влажности. (рисунок 27). Сравнение D почв и пород в состоянии природной влажности показывает, что влажные глинистые почвы (близкие к полному влагонасыщению) обладают достаточно низкой диффузионной проницаемостью. Наиболее высокой проницаемостью обладают песчаные почвы при 20% влажности и выше. Это связано с более выраженной водоудерживающей способностью почв тяжелого гранулометрического состава. Поскольку часть порового пространства почвы, занятая воздухом, неустойчива и зависит от влажности почвы, ее целесообразно определять при величине предельной полевой влагоемкости (ППВ), которая согласно расчету из основной гидрофизической характеристики по методу Воронина, закономерно увеличивается с утяжелением гранулометрического состава почвенного образца, максимальна в легкой глине (25,5%) и минимальна в песке (17%).( приложение 3). Расчет коэффициентов диффузии метана при влажности почвы, соответствующей ППВ показал, что только в песке и, в меньшей мере в супеси, при этой влажности и соответствующему ей отношения rig/Побщ 0,4 создаются
Профильные закономерности диффузионной газовой проницаемости почвенного покрова
В этих условиях эмиссия СН4 достаточно интенсивно проявляется по площади техногенной зоны и зоны трещиноватости геологических структур. В зоне рассеяния эмиссия почти не проявляется. Определенные закономерности эмиссии СН прослеживаются как на почвах, расположенных на различных почвообразующих породах, так и на почвах, расположенных на различных элементах рельефа. Гранулометрический состав почвенной толщи заметно влияет на диффузионную проницаемость и эмиссию в атмосферу. Так, например, дерново-подзолистые псевдофибровые и торфянисто-подзолистые ордзандовые супесчаные и песчаные почвы на древнеаллювиальных отложениях, а также техногенные солончаки песчаного гранулометрического состава характеризуются наиболее высокими эффективными коэффициентами диффузии метана. Соответственно, в них проявляется более высокая эмиссия, чем в супесчано-суглинистых почвах озерно-ледниковоЙ равнины. Заметно влияние влажности почв различных элементов рельефа и различной степени оглеености на диффузионный массоперенос метана. От дерново-подзолистых к торфянисто-подзолисто-глеевым почвам на озерно-ледниковых отложениях, а также от хемотехноземов к хемотехноземам глеевым на переотложенных техногенных соответствует замедлению диффузионного массопереноса СЩ .
Следует подчеркнуть, что относительно высокий эффективныйкоэффициент диффузии не определяет эмиссию СН на поверхности, а только обуславливает высокую диффузионную проницаемость почвы. Для возникновения процесса эмиссии с поверхности автоморфной и полугидроморфной почвы необходим градиент концентрации в системе почва-атмосфера направленный в сторону увеличения концентрации СН4 в почве. Такой градиент возникает только при достаточном поступлении литогенного СЪЦ в нижнюю часть почвенного профиля из подстилающей породы и низлежащих слоев, причем этот процесс является, по всей видимости, квазидинамическим (непостоянным). По этой причине, даже при высокой диффузионной проницаемости почвы, в различных зонах газопроявления, может наблюдаться не эмиссия, а поглощение атмосферного метана, связанное с повышенным региональным фоном метана в приземной атмосфере. Но, в целом, общий тренд эмиссии СН» объясняется закономерностями его диффузии в почвах. При высокой диффузионной проницаемости почв в сухой период хранилище является источником поступления СНд в атмосферу со средней интенсивностью эмиссии 0,1-2 мг/м ч. На гистограмме распределения (рис 34а) точек эмиссии и поглощения СН» в зависимости от гидгютермических условий времени отбора проб (точки июля 1999 г.) прослеживаются участки с интенсивной эмиссией СН . Для температуры и влажности почв, характерных для условий нормы среднемесячного количества дождевых осадков и температуры воздуха, диффузия метана в почвах проходит преимущественно в жидкой фазе или при существенном ее участии и, по сравнению с периодом дефицита осадков, эффективный коэффициент диффузии метана снижается в почвах гидроморфного, полугидроморфного и автоморфного рядов в единицы и десятки раз. Соответственно, эмиссия литогенного метана в атмосферу не имеет сколько-нибудь значимого проявления, на гистограмме распределения прослеживаются участки со слабым и интенсивным поглощением СНд и подземное хранилище природного газа в этих условиях не является источником поступления СН4 в атмосферу.
При снижении количества хранящегося газа, уменьшается общая интенсивность эмиссии, и влияние гидротермических условий на этот процесс выражается слабее (рис. 346). Таким образом, диапазон интенсивности эмиссии метана с поверхности почвенного покрова в зоне влияния ПХГсоставляет 0,01-1 мг/м /ч. Эмиссия коррелирует с диффузионной проницаемостью почв и уменьшается вместе с ней при смене гидротермических условий с дефицита осадков до нормы, т.к. во влажный период почвы лучше «держат» миграционный метан. В сухой период эмиссия СН4 возрастает и становится наиболее выраженной на дерново-подзолистых почвах, сформированных на древнеаллювиальных песках, а также на супесчаных антропогенно-нарушенных почвах в зоне технологического влияния. Накопление литогенного метана в почвах до уровней, превышающих концентрацию СН в приземном слое воздуха и возникновение определенного градиента концентраций в общей газовой системе почва-атмосфера, является основной движущей силой потока в процессе восходящей диффузии. Если этот градиент направлен в сторону уменьшения концентрации СН4 в почве к концентрации в приземном слое воздуха, то поток определяется как эмиссионный или аллотропический. В обратном случае возникает поток противоположного направления, или геотропический (поглощение почвой атмосферного метана). Возникновение эмиссионных потоков литогенного метана из почв в атмосферу в пределах газовой аномалии, имеет аналогичную связь с условиями хранения газа, характером и интенсивностью миграции СН от залежи к дневной поверхности, что и его накопление в почвах. Однако, основным фактором, влияющим на интенсивность и пространственное распределение эмиссии метана в атмосферу, являются диффузионные параметры почвы и вертикальные градиенты его концентрации. Градиенты концентрации метана в почвенных горизонтах и в приземной атмосфере обуславливают разнонаправленные вертикальные внутрипочвенные и эмиссионное )-геотропические() диффузионные потоки независимо от характера источника СНд. Величина потока, согласно 1-му закону Фика, равна
