СОСТОЯНИЕ И УСТОЙЧИВОСТЬ НАЗЕМНЫХ И ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ДОБЫЧИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ В КРИОЛИТОЗОНЕ

Легостаева Я.Б.¹, Ксенофонтова М.И.², Гололобова А.Г.³

¹ORCID: 0000-0002-1556-9182, Кандидат биологических наук, ²ORCID: 0000-0003-1084-5149, Кандидат географических наук, ³ORCID: 0000-0003-0813-5404, Кандидат биологических наук, Научно-исследовательский институт прикладной экологии Севера "Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова"

СОСТОЯНИЕ И УСТОЙЧИВОСТЬ НАЗЕМНЫХ И ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ДОБЫЧИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ В КРИОЛИТОЗОНЕ

Аннотация

В статье приводится результат анализа микроэлементного состава основных абиотических компонентов экосистем нефтепромыслов, расположенных в криолитозоне, на примере территории Среднеботуобинского нефтегазоконденсатного месторождения в Западной Якутии. Выявлено влияние природной геохимической аномальности территории на содержание и перераспределение подвижных форм Ni, Cr, Co, Cu и Mn в почвах, донных отложениях и поверхностных природных водах. В грунтах техногенно-преобразованных ландшафтов увеличивается концентрация подвижных форм Pb, Cd , As и Zn.

Ключевые слова: криолитозона, устойчивость мерзлотных почв, грунты, техногенно-преобразованные ландшафты, абиотические компоненты экосистемы, подвижные формы микроэлементов.

Legostaeva Y.B.¹, Ksenofontova M.I.2, Gololobova A.G.³

¹ORCID: 0000-0002-1556-9182, PhD in Biology, ²ORCID: 0000-0003-1084-5149, Candidate of Geography Sciences, ³ORCID: 0000-0003-0813-5404, PhD in Biology,  Institute of Applied Ecology of the North of "North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov"

THE STATE AND THE STABILITY OF TERRESTRIAL AND AQUATIC ECOSYSTEMS IN CONDITIONS OF HYDROCARBON PRODUCTION IN CRYOLITHOZONE

Abstract

The article gives the results of the analysis of trace-element composition of the major abiotic components of ecosystems oil fields located in the cryolitozone, on the example of the territory Srednebotuobinsky oil and gas field in Western Yakutia. The influence of the natural geochemical anomaly of the territory on content and redistribution of the mobile forms of Ni, Cr, Co, Cu and Mn in soils, sediments and surface natural waters was revealed. The concentration of mobile forms of Pb, Cd, As and Zn increases in soils of technogenic-transformed landscape.

Keywords: cryolithozone, stability of frozen soils, technogenic-transformed landscapes, abiotic components of the ecosystem, mobile forms of trace elements.

Хрупкая природная обстановка районов криолитозоны, где в настоящее время сконцентрирована основная часть сырьевых запасов, и возрастающий потенциал горнодобывающих производств на Северо-Востоке России, приводит зачастую к необратимым экологическим последствиям при освоении северных регионов. Общеизвестно, что последствия разработки месторождений полезных ископаемых, в том числе и углеводородных, это деградация или полное уничтожение природных ландшафтов, что отражается на изменении химических свойств и характеристик основных абиотических компонентов экосистемы.

Особенности структурно-тектонического строения территории криолитозоны, характер и химизм минерализованных вод, наличие природных геохимических аномалий, вызванных процессами формирования кимберлитовых полей и нефтегазоносных областей выделяют в целом западно-якутский регион на обширной площади Восточной Сибири. В статье отражены основные выводы по оценке современного эколого-геохимического состояния основных абиотических компонентов наземных и водных экосистем на примере нефтепромыслов.

Материал для статьи подготовлен на основе обобщения фондовых данных НИИПЭС СВФУ для территории Мало-Ботуобинского района, включая Среднеботуобинское нефтегазоконденсатное месторождения за период 2000 -2015 г.г. по основным абиотическим компонентам экосистемы.

Химико-аналитические работы выполнены в лаборатории физико-химических методов анализа НИИПЭС СВФУ методами капиллярного электрофореза и атомно-абсорбционной спектрометрии. Каждый анализ проведен в двукратной повторности при d =15-30%, ρ=0,95.

Среднеботуобинское нефтегазоконденсатное месторождения приурочено к локальной структуре, расположенной на северном склоне Мирнинского выступа в Мало-Ботуобинском районе – очень сложном в геологическом плане районе, который располагается в пределах северо-восточного периклинального окончания Непско-Ботуобинской антеклизы [1]. Наиболее приподнятая часть антеклизы примыкает к верховьям рек Чоны, Нюи и Пеледуя. Здесь отлагалась каменная соль, возможны включения карналлита, сильвина, бишофита и некоторых других минералов. Весьма высокая соленость вод этих бассейнов обусловливала накопление межпоровой рапы повышенной минерализации. Кроме того, в зоне интенсивного водообмена формировались высокопроизводительные горизонты рассолов выщелачивания каменной соли.

Подземные рассолы обогащены бромом, стронцием, редкими щелочами и являются промышленными водами, из которых возможно извлечение многих компонентов. Минерализация рассолов, их геохимический облик близки к межсолевым, но состав их более однороден, концентрации магния, брома, стронция несколько ниже [2]. Разработка нефтегазовых месторождений в сложных геологических и гидрогеологических условиях, где рассолы рассматриваются в качестве одного из главных агентов в технологических процессах нефтегазодобывающих предприятий, предопределяет регулярный эколого-геохимический контроль территории и основными объектами мониторинга, в данном случае, являются депонирующие среды наземных экосистем – это снеговой и почвенный покровы, а также водных экосистем – это гидрохимический состав поверхностных вод основных водотоков и химический состав донных отложений.

Источником микроэлементов в снежном покрове являются частицы почвы и горных пород, морские соли, продукты промышленного загрязнения [3]. Химический состав снежного покрова является индикатором процессов воздушной миграции природных и техногенных веществ, и подчиняются определенным географическим закономерностям. Снеговая вода, как правило, характеризуется кислой или слабокислой рН, малой минерализацией. Для большей части территории Якутии характерен однородный гидрокарбонатный натриево-кальциевый химический состав снега. На площадках действующих скважин месторождения, снег характеризуется слабокислой средой с минерализацией 8,4-14,9 мг/дм³ с очень мягкой водой. Состав снеговой воды преимущественно гидрокарбонатного класса с преобладанием катионов кальция и магния. Увеличение солевой и твердой фаз снега на площадках скважин характеризуется однонаправленным вектором в сторону преобладающего ветра с западным и северо-западным направлением (рис.1). Основная  масса анализируемых зольных элементов находится в растворимом состоянии, в микроэлементном составе снеговых вод фиксируется Mn, Cu и общее Fe.

Почва является одним из самых информативных блоков природного ландшафта, т.к. концентрирует в себе геохимические характеристики пород, растительности, поверхностных и грунтовых вод.

При эколого-геохимической оценке современного состояния ландшафта почва рассматривается не только как планшет, концентрирующий

Рис.1 - Распределение взвешенных (а) и минеральных (б) веществ в снеговой воде на площадках действующих скважин Среднеботуобинского нефтегазоконденсатного месторождения

техногенное загрязнение, но и как среда, несущая в себе генетические признаки депонирующих компонентов ландшафтно-геохимической системы [4].

Почвы водоразделов на территории исследования, по основным генетическим признакам, отнесены к мерзлотным аккумулятивно-гумусовым, среди которых изучены и охарактеризованы мерзлотные дерново-карбонатные в сочетании с мерзлотными перегнойно-карбонатными, мерзлотными палевыми, палево-бурыми, торфяными и слаборазвитыми почвами [5]. В целом почвы природных ландшафтов территории исследования характеризуются слабокислой или близкой к нейтральным значениям рН верхних органогенных горизонтов и слабощелочной рН в минеральной части почвенного профиля. Достаточно высоким содержанием гумуса и высокой емкостью катионного обмена, что, в общем, определяет высокую сорбционную способность почвенного материала и, соответственно, низкую устойчивость этих типов почв к химическому загрязнению [6].

Грунты техногенно-преобразованных ландшафтов характеризуются слабощелочной и щелочной рН, содержание органики и емкость катионного обмена варьирует в широких пределах. Как правило, грунты характеризуются рыхлым песчаным гранулометрическим составом. По совокупности показателей, как правило, сорбционная способность грунтов очень низкая и зависит от примеси природного органического вещества почв. Поэтому устойчивость к загрязнению у грунтов варьирует от низкой (при высоком содержании органики) до низкой (в случае, если нет примеси природного почвенного материала).

Эколого-геохимическая характеристика почвенного покрова территории нефтепромыслов проведена на основе анализа содержаний подвижных форм девяти микроэлементов - Pb, Zn, As, Cd, Mn, Cr, Ni, Co, Cu и их накопления в природных и техногенно-преобразованных ландшафтах. На примере микроэлементной характеристики почвенного покрова на территории Среднеботуобинского нефтегазоконденсатного месторождения прослежены вариации содержаний подвижных форм микроэлементов в почвах и грунтах за последние четыре года (рис.2). Отмечена тенденция уменьшения концентраций в грунтах техногенно-преобразованных ландшафтов элементов, формирующих природную геохимическую аномалию и накопление которых зафиксировано во всех компонентах экосистемы территории исследования – Ni, Cr, Co.

И, наоборот, в грунтах увеличивается доля подвижных форм элементов, не специфичных для почв изучаемой территории – Pb, Zn, As, Cd и являющихся, в данном случае маркерами техногенной трансформации ландшафтов вследствие проводимых работ на участках скважин, в том числе и отсыпки площадок скважин.

Таким образом, микроэлементная характеристика грунтов зависит в большей степени от свойств самого материала, т.к. преобладание песчаной фракции гранулометрического состава предопределяет низкую сорбционную

Рис.2 - Сравнение средних содержаний подвижных форм в почвах и грунтах на площадках скважин участка Среднеботуобинского нефтегазоконденсатного месторождения а) элементы, типоморфные кимберлитам, б) элементы, I класса опасности

способность. Грунты техногенных ландшафтов, преобразованных в результате добычи углеводородного сырья на территории исследуемых месторождений, могут являться источником вторичного загрязнения для сопредельных сред подвижными формами элементов первого класса опасности.

Степень воздействия можно проследить по состоянию основного наиболее крупного водотока р. Улахан Ботуобия, протекающего по водосборной площади Среднеботуобинского нефтегазоконденсатного месторождения. На момент наблюдений 2015 г. поверхностные природные воды характеризуются однородным, преимущественно сульфатно-гидрокарбонатно-магниево-кальциевым составом. О связи водотоков с подземными водами указывают проявления стронция и бария, а также увеличение концентрации хлоридов и натрия в воде на отдельных участках реки.

Величина минерализации варьирует в пределах от 77,4 до 144 мг/дм³ и по вниз течению отмечается ее снижение за счет уменьшения концентрации главных ионов (рис.3). В микроэлементном составе в небольших количествах зафиксированы медь, цинк и общее железо. Изменения величины минерализации в природных водотоках в районе развития нефте- газодобычи представлены на примере универсального показателя гидрохимического состава – величина минерализации воды (рис.3).

Рис. 3 - Динамика изменения величины минерализации и главных ионов в воде р. Улахан Ботуобия

 

В верховьях р. Таас Юрях расположены площадки скважин Среднеботуобинского нефтегазоконденсатного месторождения. Вода характеризуется малой минерализацией практически на всем протяжении р. Улахан  Ботуобия. Таким образом, на момент исследований деятельность нефтегазодобывающего комплекса значительного влияния на качество природных вод не оказывает.

Донные отложения являются важным компонентом водных экосистем, аккумулятором и одновременно депонирующей средой различных поллютантов в системе поверхностные воды – донные отложения. Донные отложения притоков р. Улахан  Ботуобия характеризуются нейтральной и слабощелочной средой с очень низким содержанием органического углерода до 2,2% мас., в составе водорастворимого комплекса доминирующими ионами выступают гидрокарбонаты, хлориды, натрий и кальций. Микроэлементный спектр донных отложений р. Улахан  Ботуобия, характеризующий накопление подвижных форм микроэлементов выглядит следующим образом: Ni_7,2 →As_2,9 →Cr_2,3 →Cu_2,0 →Cd_{1,8 .}

Несмотря на то, что в почвах и донных отложениях прослеживается накопление как элементов, характерных для этой территории, так и маркеров техногенеза, каких либо закономерностей распределения микроэлементов в системе почвы-донные отложения – поверхностные воды не выявлено. Но при этом в результате анализа содержания водорастворимых солей установлена зависимость содержания натрия, сульфатов и хлоридов в системе почва – донные отложения - поверхностные воды (рис. 4). Эти показатели с достаточно высокой степенью вероятности подтверждают, что повышенные содержания, например, натрия, может быть результатом не только техногенного воздействия промышленных объектов нефтепромысла, но и являются закономерным природным явлением, отражающим влияние кембрийского водоносного комплекса.

Рис. 4 - Зависимость изменения содержания натрия в системе почва – донные отложения – поверхностные воды

Проведенный анализ состояния основных абиотических компонентов экосистемы территории нефтепромысла на примере территории Среднеботуобинского нефтегазоконденсатного месторождения по содержанию и степени миграции подвижных форм девяти микроэлементов позволяет сделать некоторые выводы, что воздействие нефтегазодобывающего комплекса в западно-якутском регионе проявляется на данный момент локально, но носит необратимый характер. В составе элементов, проявляющихся во всех  абиотических компонентах зафиксированы знаковые содержания подвижных форм Mn, Co, Ni, Cu, Cd и Zn.

Литература

1. Сафронов А.Ф. Нефтяные и газовые месторождения Якутии / Тектоника, геодинамика и металлогения территории Республики Саха (Якутия). – М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2001. – С. 421-446
2. Легостаева Я.Б., Попов В.Ф., Ксенофонтова М.И., Пестерева С.В. Гидрогеохимические показатели в компонентах наземных и водных экосистем Иреляхского газонефтяного месторождения // Разведка и охрана недр. – 2015. – №11. – С.47-51.
3. Макаров В.Н., Федосеев Н.Ф., Федосеева В.И. Геохимия снежного покрова Якутии.- Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1990. 152 с.
4. Легостаева Я.Б. Геохимические особенности мерзлотных почв Юго-Западной Якутии // Почвы, растительный и животный мир Юго-Западной Якутии: сб.науч.тр. – Новосибирск: Наука, 2006. – С. 17-22.
5. Ягнышев Б.С., Ягнышева Т.А., Зинчук М.Н., Легостаева Я.Б. Экология Западной Якутии (геохимия геосистем: состояние и проблемы) / Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2005. 432 с.
6. Дягилева А.Г. Устойчивость мерзлотных почв к химическому загрязнению по критериям сорбции почвенного материала // Биоразнообразие глобальные и региональные процессы. – Улан-Удэ, 2013 – С. 122-123.

References

1. Safronov A.F. Oil and gas fields of Yakutia, in Tectonics, geodynamics and metallogeny of the territory Republic of Sakha (Yakutia). – Moscow: Nauka, 2001. – S. 421-446.
2. Legostaeva Ya.B., V.F. Popov, M.I. Ksenofontova, S.V. Pesterova. Hydrogeochemical indicators in the components of terrestrial and aquatic ecosystems of Irelyakhsky oil and gas field. – Exploration and protection of mineral resources, 2015. – №11 – S. 47-51.
3. Makarov V.N., Fedoseyev N.F., Fedorov V.I. Geochemistry snow of Yakutia, Yakutsk: Permafrost Institute of SB RAS, 1990. 152 s.
4. Legostaeva Ya.B. Geochemical characteristics of frozen soils of the southwestern Yakutia, in Soils, plant and animal life of the Southwest Yakutia. – Novosibirsk, 2006. – S. 17-22.
5. Yagnyshev B.S., Yagnysheva T.A., Zinchuk M.N., Legostaeva J.B. Ecology of Western Yakutia (geochemistry geosystems: Status and Challenges), Yakutsk, 2005. 432 s.
6. Dyagileva A.G. The stability of permafrost soils to chemical contamination by the criteria of sorption of soil material // Biodiversity: global and regional processes. – Ulan-Ude, 2013. – S. 122-123.