|
Геохимические особенности техногенных аномалий в почвогрунтах на нефтяных месторождениях Удмуртии.O.А. Коновалова, 2005 г.
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
Элемент |
ПДК, ОДК, мг/кг |
Минимальное
значение |
Максимальное
значение |
Среднее
значение |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Свинец (почва) |
32 |
3 |
100 |
17.8 |
Свинец (подпочва) |
3 |
60 |
13.7 |
Цинк (почва) |
91 |
30 |
200 |
50.3 |
Цинк (подпочва) |
30 |
80 |
45.8 |
Мышьяк (почва) |
2 |
50 |
50 |
50 |
Мышьяк (подпочва) |
- |
- |
- |
Никель (почва) |
45 |
8 |
50 |
22.8 |
Никель (подпочва) |
10 |
40 |
22.7 |
Кобальт (почва) |
50 |
1 |
30 |
12.1 |
Кобальт (подпочва) |
1 |
20 |
11.2 |
Хром (почва) |
90 |
80 |
300 |
209 |
Хром (подпочва) |
100 |
400 |
207 |
Молибден (почва) |
40 |
0.6 |
10 |
03.5 |
Молибден (подпочва) |
0.6 |
10 |
03.7 |
Медь (почва) |
52 |
6 |
50 |
15.8 |
Медь (подпочва) |
6 |
50 |
14.5 |
Марганец (почва) |
1500 |
150 |
10000 |
1030 |
Марганец (подпочва) |
100 |
6000 |
594 |
Ванадий (почва) |
150 |
60 |
500 |
144 |
Ванадий (подпочва) |
60 |
300 |
134 |
Стронций (почва) |
20, 40 1, 2) |
80 |
800 |
308 |
Стронций (подпочва) |
80 |
1000 |
309 |
Барий (почва) |
200 |
100 |
30000 |
3493 |
Барий (подпочва) |
100 |
>> 30000 |
3346 |
Титан (почва) |
4780, 5840, 6080, 6920 1) |
100 |
8000 |
3726 |
Титан (подпочва) |
4780, 6080, 6288, 6920 2) |
300 |
8000 |
3360 |
Цирконий (почва) |
264, 326, 330, 452 1) |
10 |
800 |
252 |
Цирконий (подпочва) |
264, 292, 330, 452 2) |
10 |
800 |
231 |
Ниобий (почва) |
19.2, 19.4, 19.8, 22 1) |
5 |
8 |
5.6 |
Ниобий (подпочва) |
19.2, 19.6, 19.8, 22 2) |
5 |
10 |
7.2 |
Серебро (почва) |
0.13, 0.2 1) |
0.1 |
0.1 |
|
Серебро (подпочва) |
0.13 |
0.1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Олово (почва) |
4.5 |
0.8 |
1 |
0.9 |
Олово (подпочва) |
0.8 |
2 |
1.1 |
Галлий (почва) |
24 |
3 |
30 |
16.6 |
Галлий (подпочва) |
3 |
30 |
15.6 |
Бериллий (почва) |
4 |
0.5 |
1 |
0.5 |
Бериллий (подпочва) |
0.5 |
2 |
0.6 |
Скандий (почва) |
42 |
3 |
50 |
20 |
Скандий (подпочва) |
3 |
50 |
17.9 |
Иттрий (почва) |
18, 20, 22, 24 1, 2) |
3 |
50 |
24 |
Иттрий (подпочва) |
3 |
60 |
22 |
Иттербий (почва) |
8 |
0.3 |
5 |
2 |
Иттербий (подпочва) |
0.3 |
5 |
2 |
Литий (почва) |
28, 44, 46 1) |
50 |
80 |
|
Литий (подпочва) |
26, 28, 44, 46 2) |
30 |
80 |
44 |
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
Элементы |
Возраст |
Содержание, мг/кг |
Минимальное |
Максимальное |
Среднее |
Свинец |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
5 / 5 / 8 |
80 / 80 / 80 |
39 / 32 / 50 |
Цинк |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
30 / 30 / 30 |
80 / 100 / 80 |
47 / 61 / 48 |
Никель |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
20 / 20 / 20 |
100 / 100 / 80 |
61 / 54 / 58 |
Кобальт |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
10 / 10 / 10 |
30 / 50 / 30 |
25 / 23 / 23 |
Хром |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
100 / 100 / 100 |
300 / 300 / 300 |
209 / 186 / 183 |
Медь |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
10 / 10 / 10 |
30 / 30 / 30 |
20 / 22 / 21 |
Молибден |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
0,6 / 0,6 / 0,6 |
1,0 / 2,0 / 0,8 |
0,7 / 0,8 / 0,6 |
Таблица 3
Содержание химических элементов III класса опасности в горных породах
Элементы |
Возраст |
Содержание, мг/кг |
Минимальное |
Максимальное |
Среднее |
Марганец |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
300 / 300 / 800 |
3000 / 3000 / 3000 |
1713 / 1697 / 1700 |
Титан |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
3000 / 3000 / 2000 |
10000 / 10000 / 10000 |
6188 / 6000 / 4667 |
Ванадий |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
100 / 80 / 80 |
300 / 600 / 500 |
219 / 241 / 171 |
Цирконий |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
100 / 150 / 100 |
600 / 500 / 400 |
341 / 274 / 211 |
Ниобий |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
5 / 5 / 5 |
5 / 5 / 5 |
5 / 5 / 5 |
Олово |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
0,8 / 0,8 / 0,8 |
0,8 / 0,8 / 0,8 |
0,8 / 0,8 / 0,8 |
Галлий |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
10 / 10 / 10 |
50 / 50 / 50 |
29 / 30 / 31 |
Бериллий |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
0,5 / 0,5 / 0,5 |
3 / 2 / 3 |
1 / 1 / 2,2 |
Скандий |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
10 / 3 / 10 |
30 / 30 / 20 |
23 / 20 / 17 |
Иттрий |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
5 / 3 / 5 |
40 / 50 / 50 |
27 / 24 / 22 |
Иттербий |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
1,5 / 1 / 0,3 |
2,4 / 3 / 3 |
1,5 / 2 / 2,1 |
Литий |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
30 / 30 / 30 |
100 / 30 / 30 |
47 / 30 / 30 |
Стронций |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
80 / 100 / 500 |
800 / 800 / 3000 |
361 / 367 / 950 |
Барий |
P2bl2 / P2bl1 / P2šš |
100 / 100 / 100 |
6000 / 6000 / 5000 |
2000 / 2211 / 2085 |
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.
Назад
|