Геохимические особенности техногенных аномалий в почвогрунтах на нефтяных месторождениях Удмуртии.

В настоящее время нефтедобывающая промышленность занимает одно из ведущих мест в экономики России. С этой точки зрения Волго-Уральский регион, в пределах которого находится республика Удмуртия, - второй по значимости после Западной Сибири. Добыча нефти в пределах Волго-Уральского региона ведется с 1948г, когда было открыто Ромашкинское месторождение в Татарии.

В Удмуртии первая нефтедобывающая скважина была введена в эксплуатацию в 1969г на Архангельском месторождении. В настоящее время на территории Удмуртской республики разведано около 60 нефтяных месторождений. Более половины из них разрабатываются, еще около трети от общего количества подготавливаются к эксплуатации.

На левобережье р. Камы в пределах Камбарского района Удмуртской Республики в конце 70-х - 80-х гг открыты нефтяные месторождения Камбарской группы (Алексеевское, Ершовское, Камбарское, Никольское, Северо-Никольское и Хмелевское). Первые структурно-поисковые скважины были пробурены здесь в 1953-1956гг. Таким образом, на протяжении сорока с лишним лет на изученной площади периодически проводились буровые работы, что привело к формированию особого типа ландшафта, так называемого ландшафта нефтепромыслов /1/.

В результате работ по обустройству месторождения и добычи нефти в окружающие ландшафты поступает значительное количество углеводородов, основная их часть концентрируется в почвенном слое. Особенностью ландшафтов нефтепромыслов является то, что здесь остается много металлов от изнашивания инструментов и механизмов, а также от обилия обычно оставляемых на этих территориях различных поломанных механизмов, труб и другого металлолома /1/.

Кроме того, стволы скважин нарушают водоупорные горизонты между зоной пресных и соленых вод. При вскрытии скважинами высоконапорных минерализованных пластовых вод мог произойти их неконтролируемый длительный самоизлив на земную поверхность и загрязнение почвогрунтов.

При бурении шлам складируют в земляных шламовых амбарах, сооруженных непосредственно на территории буровой площадки. Загрязняющие свойства бурового шлама обусловлены минеральным составом выбуренной породы и остающимися в ней остатками бурового раствора. Анализ фазового, фракционного и компонентного состава шлама, а также его физико-химических свойств показывает, что за счет адсорбции на поверхности частиц шлама химреагентов, используемых для обработки буровых растворов, он проявляет ярко выраженные загрязняющие свойства. Так, в его составе отмечается значительное содержание нефти и нефтепродуктов, опасной для объектов природной среды органики, растворимых минеральных солей, токсичных для почвенно-растительного покрова /2/.

Экологическое состояние почвогрунтов в пределах нефтяных месторождений отражает комплексное воздействие природных биогеохимических и физико-химических, а также техногенных факторов.

Для геоэкологической оценки состояния почвогрунтов в пределах Камбарской группы месторождений и восточной части Ельниковского нефтяного месторождения, общей площадью 300 км2, геологами Центральной геолого-геофизической экспедиции в 2000-2001гг. проведено опробование почвенного и подпочвенного горизонтов и пород зоны аэрации. Полуколичественному спектральному анализу на 40 элементов подвергнуто 312 проб.

Выявление химического загрязнения почв и подпочвенного слоя проводилось путем сравнения валового содержания элементов в почвах и подпочвенном слое с ПДК. Для ряда элементов условно относимых к 3-му классу опасности ПДК в настоящее время не определены. В качестве критерия сравнения использовались значения ОДК, принимаемые как удвоенное региональное фоновое содержание элементов в незагрязненной почве и грунтах /4/. При отсутствии данных о фоновом содержании элементов в почвах для определения ОДК использовались значения среднего содержания элементов в осадочных породах и кларки /1/.

Из 40 определяемых полуколичественным спектральным анализом элементов в химическом составе почв присутствуют Pb, Zn, As, Ni, Co, Cr, Mo, Cu, Mn, V, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Ag, Sn, Ga, Be, Sc, Y, Yb и Li. В подпочвенном слое отмечены те же элементы за исключением мышьяка. В химическом составе горных пород зафиксировано наличие Pb, Zn, Ni, Co, Cr, Mo, Cu, Mn, V, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Sn, Ga, Be, Sc, Y, Yb и Li. В табл. 1, 2 и 3 приводятся данные по содержанию различных элементов в почве, подпочвенном слое и горных породах.

Таблица 1

Содержание химических элементов в почвенном и подпочвенном горизонтах

Примечание: 1) – в зависимости от типа почв;

               2) – в зависимости от генетического типа отложений

Таблица 2

Содержание химических элементов I, II классов опасности в горных породах

Таблица 3

Содержание химических элементов III класса опасности в горных породах

Для установления характера почвенных и подпочвенных аномалий проанализирована информация о валовом содержании элементов в горных породах. На основной части территории отложения верхней подсвиты белебеевской свиты (P2bl2) являются субстратом для почвообразующих элювиально-делювиальных и эоловых пород четвертичного возраста. На остальной части субстратом для почвообразующих четвертичных пород являются отложения нижней подсвиты белебеевской свиты (P2bl1).

Из элементов I, II классов опасности только повышенное в сравнении с ПДК содержание хрома связано с природными факторами. Среднее количество хрома в коренных отложениях составляет 186 - 209мг/кг, при максимальном – 300мг/кг; в подпочвенном слое – 207 и 400мг/кг, соответственно, в почве – 209 и 300.  Высокое содержание  хрома в большинстве проб обусловлено геохимическими особенностями региона, сформировавшегося в пермском периоде на одном из этапов разрушения горных сооружений Урала /3/.

Аномальная концентрация большинства элементов III класса опасности обусловлена естественными причинами. Содержание ванадия, галлия, бериллия, иттрия и стронция в горных породах, в среднем, в полтора-два раза выше, чем в почве и подпочвенном горизонте. Максимальное количество циркония и скандия  с глубиной уменьшается. Тем не менее, среднее содержание Zr и Sc в горных породах выше, чем в почвенном и подпочвенном горизонтах.

Для изученной территории характерно высокое содержание бария в горных породах – до 6000мг/кг, что в 30 раз выше ПДК. В почве и подпочвенном слое наибольшее из установленных значений по барию достигает 30 000мг/кг. Вероятно, при концентрации бария до 5000-6000мг/кг допустимо говорить о природном происхождении аномалий, при более высоком количестве – о техногенном происхождении.

Химические элементы в составе почв и подпочвенных отложений образуют ассоциации. Наибольшую опасность в экологическом отношении представляют группы, состоящие из элементов первого и второго классов опасности, обладающих свойством биогенного накопления – цинк, кобальт, молибден и медь. Свинец, хром и никель практически не захватываются растениями, биогенное накопление их отсутствует или несущественно /1/.

Выделение ассоциаций для различных генетических типов почв и подпочвенных отложений осуществлялось при помощи кластерного анализа. В математической статистике кластерным называется анализ множества объектов, классовая принадлежность которых неизвестна /5/. В качестве объектов в данном случае использовалось валовое содержание химических элементов. В качестве меры сходства групп или тесноты связи различных признаков применялся дистанционный показатель dт, который вычислялся по формуле:

dт (x, y) = arccos r (x, y),

где r (x, y) - коэффициент корреляции между признаками x и y.

Выделение групп осуществлялось путем последовательного объединения элементов по мере уменьшения тесноты связи входящих в группы элементов. В группы включались элементы, характеризующиеся минимальными значениями dт. При присоединении к ранее выделенной группе одного элемента или совокупности элементов мерой сходства (различия) между признаками служил показатель hт. Показатель hт вычислялся как среднее значение всех дистанционных показателей связи элементов одной группы с каждым элементом другой группы.

В результате кластерного анализа строятся  дендрограммы, наглядно отображающие группирование элементов. Пунктирная линия на дендрограммах является границей между значимыми и незначимыми взаимосвязями. Все ветви дендрограммы, лежащие ниже пунктирной линии соответствуют наиболее достоверным, а значит определяющим общую ситуацию, группам элементов.

Непосредственно на изученной площади развиты дерново-среднеподзолистые, дерново-сильноподзолистые почвы; смытые и намытые почвы оврагов, балок и прилегающих склонов, а также аллювиальные дерновые кислые и аллювиальные болотные иловато-торфяные почвы (рис. 1).

Для смытых и намытых почв оврагов, балок и прилегающих склонов характерны две ассоциации элементов, имеющих техногенное происхождение (рис. 2):

1.      Pb – Cu – Ga.. Слабоподвижные элементы I, II классов опасности. Ga является малоподвижным. Медь подвергается биогенному накоплению.

2.      Zn – Mn. Слабоподвижные элементы, захватывающиеся растениями.

               Pb           Cu  Ga   Yb Ba Sr    Zn            Mn     Ti

Рис. 2 Дендрограмма взаимосвязи концентрации элементов в смытых и намытых почвах оврагов, балок и прилегающих склонов

В аллювиальных дерновых кислых почвах  загрязнители, имеющие явно техногенное происхождение, образуют одну группу, состоящую из Zn, Pb, Cu и Ga (рис. 3). Все элементы мигрируют в кислых водах окислительной и глеевой обстановок и осаждаются на щелочном барьере. Галлий частично мигрирует; цинк, свинец и медь хорошо мигрируют.

                Zn       Pb   Cu   Ga  Ba    Sr             Yb Ti             Mn

Рис 3 Дендрограмма взаимосвязи содержания элементов в аллювиальных дерновых кислых почвах

В дерново-среднеподзолистых почвах 6 элементов, имеющих техногенное происхождение образуют геохимическую ассоциацию (рис. 4). Это цинк, медь, галлий, иттербий, свинец и марганец.

             Zn    Cu     Ga     Yb Pb Mn Sr Ti Ba

Рис. 4  Дендрограмма взаимосвязи содержания элементов в дерново-среднеподзолистых почвах

Элементы, концентрирующиеся в дерново-сильноподзолистых почвах в количествах, превышающих ПДК и ОДК, под влиянием антропогенной деятельности по степени тесноты взаимосвязи группируются следующим образом (рис. 5):

1.      Sr - Yb – Ba.

2.      Pb - Mn - Ga – Cu.

             Sr     Yb     Ba         Ti    Pb    Mn     Ga  Cu

Рис. 5 Дендрограмма взаимосвязи содержания элементов в дерново-сильноподзолистых почвах

Несмотря на существующие различия в составе техногенных аномалий в различных типах почв, повсеместно на всей изученной площади в почвенном слое свинец, медь и галлий образуют группу элементов, тесно связанных между собой. Это элементы, которые мигрируют в кислой среде и осаждаются на щелочном барьере. Группа опасна в экологическом отношении из-за высокой токсичности элементов.

Среди техногенных аномалий в подпочвенном слое (рис. 6) отмечаются следующие ассоциации, взаимосвязанных между собой элементов:

1.      в аллювиальных отложениях голоценового возраста (рис. 7) Cu – Mn;

2.      в аллювиальных отложениях верхненеоплейстоценового возраста (рис. 8) Cu – Mn – Ti и Sr – Yb;

3.      в отложениях эолово-эллювиального генезиса (рис. 9) Ba – Pb, Cu –  Mn – Zn – Ga – Ti, Sr – Yb;

4.      в отложениях элювиально-делювиального генезиса (рис. 10) Pb – Mn – Ga – Cu.

Рис. 7  Дендрограмма взаимосвязи содержания элементов в подпочвенных отложениях аллювиального генезиса голоценового возраста

               Cu        Mn   Ti  Ga   Pb   Sr             Yb  Ba

Рис. 8 Дендрограмма взаимосвязи содержания элементов в подпочвенных отложениях аллювиального генезиса верхненеоплейстоценового возраста

                Ba       Pb   Cu       Mn    Zn  Ga Ti    Sr           Yb

Рис. 9 Дендрограмма содержания элементов в подпочвенных отложениях эолово-элювиального генезиса

               Pb        Mn  Ga            Cu Sr     Ba  Yb               Ti

Рис. 10  Дендрограмма взаимосвязи содержания элементов в подпочвенных отложениях элювиально-делювиального генезиса

На всей площади в подпочвенном слое, независимо от возраста и генезиса отложений, отмечается тесная статистическая зависимость между содержанием меди и марганца, то есть иных элементов, чем в почве. Это объясняется тем, что загрязняющие элементы слабоподвижные с незначительным коэффициентом водной миграции, поэтому их проникновение на глубину незначительно. Концентрация Cu и Mn может быть объяснена спецификой района, как нефтяного участка, где проводились поисково-разведочные работы и осуществляется в настоящее время добыча нефти. Оба эти элемента подвержены биогенному накоплению.

Таким образом, проведенные исследования показали, что почвенные, подпочвенные отложения и породы зоны аэрации загрязнены металлами на локальных участках в зоне влияния техногенных объектов. Ореолы загрязнения приурочены в основном к старым поисково-разведочным скважинам.

Список литературы

1.      Алексеенко В.А. Экологическая геохимия – М., Логос, 2000.  627с.

2.      Булатов А.И., Макаренко П.П., Шеметов В.Ю. Охрана окружающей среды в нефтегазовой промышленности. – М.: Недра, 1997. – 483с.

3.      Геоэкологические проблемы Удмуртии. – Ижевск, Изд-во Удм. ун-та, 1997.

4.      Государственный контроль за использованием и охраной земель. (Нормативные материалы). Вып. 3. – М., РУССЛИТ, 1996. – 416с.

5.      Кноринг Л.Д., Деч В.Н. Геологу о математике. Советы по практическому применению. - Л.: Недра, 1989. - 208с.