Геохимическое влияние газовых потоков на почвенный покров газоносных территорий

Автохтонная углеводородная атмосфера в почвах формируется за счет деятельности типичных обитателей экосистем - метанообразующих бактерий - путем восстановления углекислоты водородом (Беляев, 19841). Наиболее интенсивно этот процесс проходит в восстановительной обстановке в болотных почвах. В широком диапазоне автоморфных зональных почв образование углеводородов происходит слабее при микрогетерогенности окислительно-восстановительных условий (Орлов и др., 1986[LIV] [LV]). Кроме того, газообразные углеводороды содержатся во многих растениях (акация, вишня, тополь) и непрерывно синтезируются ими. Низкомолекулярные газообразные углеводороды, содержащиеся в небольших количествах в растительных остатках и бактериальных клетках, высвобождаются при их разложении в почвах и в сумме с микробиологическим метаном составляют газообразный углеводородный фон почв (Могилевский и др., 1988).

Одновременно с генерацией метана в почвах широко развиты процессы его окисления метаноокисляющими организмами. Анаэробные метанобразующие и аэробные метанокисляющие бактерии не могут развиваться совместно, но они объединены в цикл транспортным процессом, который реализуется вследствие переноса метана из анаэробной зоны в аэробную диффузным потоком или пузырьками. Метаногены и метанотрофы образуют взаимосвязанную систему биологического круговорота метана, получившего название цикла Зенгена (Заварзин, Васильева, 1999).

В природных почвах содержатся высокомолекулярные углеводороды.

Заметного накопления битуминозных веществ в почвах не происходит, их содержание варьирует от сотых до десятитысячных долей граммов на килограмм почвы. В различных почвенно-географических условиях содержание гексановых и хлороформовых битумоидов на 2-3 порядка меньше, чем содержание органического вещества в почве.

Среди индивидуальных соединений в «фоновых» почвах присутствуют нормальные алканы, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и другие вещества (Геннадиев, Пиковский, 1996). Содержание ПАУ в горизонтах А0и А, «наиболее чистых» почв горных районов изменяется от МО*6 до 2,2-10*5%.

В природных почвах, находящихся за пределами газовых месторождений, содержится определенное количество продуктов превращения высокомолекулярных углеводородов - битуминозных веществ, принимаемое за углеводородный фон почв.

Газообразные низкомолекулярные углеводороды, высвобождающиеся при разложении растительных остатков и образующиеся в результате микробиологической деятельности, составляют газообразный углеводородный фон.

¦ ¦ ¦

Геохимическое влияние газовой залежи, как естественной, так и искусственной, на почвенный покров проявляется по всей ее площади. Почвенно-геохимические аномалии диагностируются по следующим динамическим признакам. Наиболее информативными являются предельные и непредельные углеводороды, неуглеводородные газовые компоненты, ртуть.

Содержание свободного метана в почвенном воздухе, определенного в мелких скважинах на глубине 70 см, варьирует в чрезвычайно широких пределах (от 1 до 10*4% по объему, по материалам почвенной газовой съемки[LVI]). Высокие концентрации свободного метана фиксируются крайне редко. Характерно доминирование концентраций метана ниже 10*3-10*2% по объему.

В почвах газоносных территорий содержание углеводородных газов, определенных керновым способом1, резко различается над месторождениями: от n 10'5 до 6 10'1 см[LVII]/кг породы и за их пределами - от n 10'7 до п 10 [LVIII] [LIX]см3/кг породы (Иванов, 1969).

Довольно высокое содержание углеводородных газов наблюдается в почвах над тектонически трещиноватыми областями.

Таким образом, углеводородная атмосфера в почвах газоносных территорий формируется не столько автохтонным, сколько аллохтонов ным путем в результате эмиссии из газовой залежи. В почвах газону/ носных территорий повышено содержание газообразных низкомо- лекулярных предельных углеводородов аллохтонного генезиса. Сре- W ди углеводородов доминирует метан. Пределы варьирования содержания свободного метана в почвах газоносных территорий составляют 1 О*[LX]-1 % по объему газовой фазы.

¦ ¦ ¦

Формирование вторичных ореолов рассеяния углеводородов приповерхностных геохимических полей над нефтяными и газовыми залежами способствует формированию аномалий в содержании битумов (битумные или битумоидные аномалии (Ковда, Славин, 1953; Кононова, 19532; Пиковский, 1993).

Если почвенно-геохимические аномалии углеводородных газов диагностируются по динамическим признакам, то аномалии органического вещества определяются по статическим показателям.

Содержание П АУ 1 в четвертичных отложениях над газовыми аномалиями может быть выше биогенного углеводородного фона на один - два порядка. Битуминозные вещества почв, связанные с миграцией их из недр, целесообразно диагностировать в материнской и подстилающей породе, чтобы исключить варианты технологического поверхностного загрязнения нефтепродуктами. Вместе с тем, ПАУ 1 лучше диагностируются в сводовых участках локальных поднятий, чем на участках локальных опусканий. ПАУ 1 обнаруживаются в 20-70% образцов и лучше диагностируются в глинистых алевролитах, чем в супесях и песках.

Почвенные и «гексановые» битумоиды создают общий региональный фон почв, на котором проявляются локальные потоки загрязнителей от определенных источников. Региональный геохимический фон может изменяться в широких пределах - от 10 до 500 мг углеводородов на 1 кг сухого веса почвы (Пиковский, 1988[LXI], 1993).

В происхождении смешанных битумоидов определенную роль играет природная диффузия из недр, что является результатом естественных процессов, связанных с формированием вторичных ореолов рассеяния углеводородов. Сравнение уровней содержания битуминозных веществ в почвах неосвоенных и разрабатываемых нефтегазовых месторождений свидетельствует о том, что в процессе работы промыслов не только формируются локальные очаги загрязнения, но и увеличивается уровень регионального фона.

Таким образом, образование вторичных ореолов рассеяния углеводородов, приповерхностных геохимических полей над газовыми залежами способствует формированию в почвах аномалий в содержании битумов или битумоидов. Аномалии органического вещества диагностируются по статическим показателям, содержанию битуминозных веществ и ПАУ 1.

В составе эпигенетического битуминозного вещества наибольшей информативностью обладают ПАУ 1.

Почвенные и гексановые битумоиды создают региональный геохимический фон, который может изменяться в широких пределах от 10 до 500 мг углеводородов на 1 кг сухого веса почвы. Содержание углеводородов может увеличиваться вблизи технических систем.

¦ ¦ ¦

Высокое содержание углеводородов в почвах газоносных территорий способствует усилению функционирования метанотрофных организмов, пребывавших в состоянии покоя в природных почвах. В накопительных культурах с метаном как единственным источником углерода и энергии развиваются бактерии, относящиеся к родам: Methylomonas, Methy- lococcus, Methylosinus (Гальченко, 2000[LXII]).

Окисление метана проходит с участием метанотрофов по следующей схеме:

СН4 СН3ОН -gt; НСНО -gt; НСООН С02.

Окисление метана осуществляется лабильной ферментативной системой - метанмонооксигеназой (ММО), метанола и формальдегида - метанолдегидрогеназой, формиата - формиатдегидрогеназой. Помимо метана ММО также способна катализировать окисление алканов, алке- нов, эфиров, ациклических, ароматических и гетероциклических углеводородов.

В результате окисления метана через этапы образования метанола, формальдегида и формиата до С02 могут создаваться восстановительные эквиваленты для получения энергии.

Метанотрофы весьма производительны и представляют значительный интерес как объекты биотехнологии для производства: белка, ферментов, липидов, стеринов, антиоксидантов, пигментов, полисахаридов, факторов транспорта железа, первичных и вторичных метаболитов, снижения содержания метана в угольных шахтах. На природном газе и минеральных средах с высоким содержанием ионов меди производительность процесса культивирования метанотрофов может достигать 3,25 г/л в час.

При недостатке кислорода окисление может проходить не до конца, и возможно формирование и накопление в почвах непредельных углеводородов, спиртов, кетонов, жирных кислот, С02 и Н20. Промежуточные продукты окисления метана могут служить субстратом для развития микроорганизмов, а локальность их поступления обуславливает

формирование бактериальных микрозон (микролокусов). Отмершая бактериальная масса и продукты метаболизма также могут являться субстратом для развития микроорганизмов. Микроколонии обнаруживаются вокруг органических остатков и в углублениях минеральной фазы новообразований. Микрозоны могут быть очень небольшими и достигать десятков-сотен кубических микрометров. Микролокусы разделены большими пустыми пространствами, развиваются сравнительно изолированно, зачастую имеют однотипную морфологию и размеры, представлены микроорганизмами одного вида, встречаются также очаги смешанных популяций (Звягинцев и др., 1999'). В микрозонах в результате деятельности микроорганизмов происходит повышение содержания углекислого газа, прекращение доступа кислорода и снижение окислительно- восстановительного потенциала (ОВП). В почвах в пределах одного генетического горизонта выражена пространственная неоднородность ОВП и развиты процессы восстановления и окисления. Снижение ОВП по микрозонам могут быть весьма существенны и достигать 150 мв (Костенков, 1987[LXIII] [LXIV] [LXV], Савич, Кауричев и др., 1999^).

В почвах и в подпочвенных отложениях газовых месторождений формируются бактериальные аномалии (Могилевский и др., 1970).

Над газовыми месторождениями Волгоградской области высока встречаемость в почвах метаноокисляющих (25-66%), пропанооксляю- щих (6-48%), и бутаноокисляющих (7-24%) бактерий, в то время как в природных почвах окружающей территории названные микроорганизмы встречаются гораздо реже (соответственно 5-20, 4-7 и 1-2%) (Иванов, 1969).

Скорость бактериального окисления метана в дерново-подзолистых почвах газоносных территорий на порядок больше, чем в фоновых аналогах при одинаковых показателях влажности (соответственно 20-50 нг/г-ч и 2-4 нг/г-ч). В полугидромофных почвах скорость окисления метана всегда выше, чем в почвах автоморфного ряда, что, по-видимому, связано с функционированием автохтонных микроорганизмов, продуцирующих биогенный метан (Можарова, 2002[LXVI]).

Высокое содержание углеводородных газов усиливает активность их бактериального окисления, увеличивает биологическую активность в почвах и способствует выделению углекислого газа и поглощению кислорода, результатом чего является ухудшение аэрации. По данным газовой съемки, полученной на некоторых газовых месторождениях России и Украины, в черноземах обыкновенных на глубине 70 см коэффициент аэрации (Збо- рищук, 1985!) в техногенных зонах превышал аналогичный показатель на фоновых территориях по сорбированным фазам газа - в 100, а по свободным - в 6 раз. Коэффициент аэрации оценивался на фоновых территориях как оптимальный, а на газовых месторождениях как критический.

Насыщенность почв углеводородными газами, усиление функционирования метаноокисляющих микроорганизмов, изменение состава почвенного воздуха влияют на физико-химические свойства почвы. Отмечались чрезвычайно высокие колебания ОВП, варьирующие в пределах одного профиля от 300 до 600 мВ (Сердобольский, 19531 [LXVII] [LXVIII], Ковда и Славин, 1959[LXIX]). В гипсовых горизонтах южных глинистых черноземов вели-

чина ОВП статистически достоверно уменьшалась соответственно на 35 и 50 мВ по сравнению с фоновой величиной (Иванов, 1969).

В дерново-подзолистых почвах Подмосковья также наблюдается снижение ОВП в почвах газовых аномалий по сравнению с фоновыми почвами. В дерново-подзолистых неоглеенных и поверхностно-оглеен- ных супесчаных почвах прослеживается статистически достоверное снижение ОВП на геохимических барьерах, приуроченных к иллювиальным горизонтам суглинистого гранулометрического состава. Снижение ОВП в иллювиальных горизонтах дерново-подзолистых почв может варьировать от 145,8±9,1 до 46,2±10,4 мв (рис. 9.3).

Значительное содержание в почвах углеводородных газов способствует высокой численности и усилению активности метаноокисляющих, пропаноокисляющих и бутаноокисляющих бактерий. В дерново- подзолистых почвах газовых аномалий активность бактериального окисления метана на порядок выше, чем на фоновых территориях.

В процессе окисления углеводородов метанотрофами почвы обогащаются органическим веществом, являющимся субстратом для развития других микроорганизмов. Интенсивная деятельность последних приводит к увеличению содержания в почвах двуокиси углерода и уменьшению кислорода. Ухудшение аэрации в почвах способствует снижению окислительно-восстановительного потенциала.

В почвах газовых аномалий снижается ОВП на геохимических барьерах - в иллювиальных горизонтах дерново-подзолистых почв и иллювиально-гипсовых горизонтах черноземов южных. Характерна высокая вариабельность ОВП в пределах отдельных горизонтов и почв в целом.

¦ ¦ ¦

На газоносных территориях можно выделить две большие группы почв в зависимости от их приуроченности к разным частям территорий, в большей или меньшей степени испытавших воздействие добывающей промышленности. Менее изменены почвы ореолов рассеяния углеводородов. Сильно нарушены почвы территорий технологических объектов: скважинных зон, территорий газораспределительных пунктов, трубопроводов разного назначения, компрессорных станций.

В пределах ореола рассеяния газообразных углеводородов, приуроченного к зонам вертикальной и горизонтальной трещиноватости геологических структур, частично центрам газовых аномалий, преобладают природные почвы с ненарушенным морфологическим профилем. Однако в них наблюдаются:

изменение химических свойств почв, выражающееся в преобладании содержания ПАУ 1 в составе «гексановых» битумоидов по сравнению содержанием ПАУ в «хлоформовых» битумоидах в нижних горизонтах почв и слоях материнской и подстилающей породы (Пиковский,1993); повышение содержания газообразных низкомолекулярных предельных углеводородов, что является причиной нарушения функционирования почв газовой аномалии по сравнению с фоновыми аналогами: а) повышение активности бактериального окисления метана; б) изменение соотношения кислорода и углекислого газа в составе почвенного воздуха; в) снижение ОВП в почвах; г) большая амплитуда колебаний ОВП в пределах одного почвенного горизонта (Ковда, Славин, 1953; Сердобольский, 1953; Иванов, 1969; Можарова, 2002).

Учитывая специфичность объекта, диагностику почв целесообразно проводить по набору не только консервативных, но и лабильных признаков: присутствию и превышению содержания ПАУ1 «гексановых» битуминозных веществ над содержанием ПАУ в «хлороформовых» битумоидах в нижних горизонтах почв и материнской породе; повышенному содержанию низкомолекулярных предельных углеводородов и измененным параметрам функционирования почв по отношению к фоновым почвам: активности бактериального окисления аллохтонного метана, составу почвенного воздуха, а также изменению ОВП.

Первые почвы названы глубокобитуминозными, вторые - почвами с нарушенным функционированием.