1. Введение
В результате долговременной эксплуатации газоконденсатных месторождений возникает горнопромышленная природно-техногенная система с доминированием техногенной составляющей. Причем границы такого воздействия значительно превышают территорию непосредственного района освоения [1], [2].
Несмотря на ряд работ по изучению территорий в зоне добычи газа, исследование геоэкологических аспектов и проведение локального экологического мониторинга в высокочувствительных северных регионах, а также перспективы техногенного воздействия на почвы остаются актуальными [3], [4], [5]. Важную роль в сохранении геоэкологического равновесия играют такие геохимические процессы, как аккумуляция элементов-загрязнителей и их миграция в почвенном слое [6]. Необходимо учитывать, что при высоком уровне загрязнения, превышающем емкость почвы к связыванию токсикантов, может произойти накопление загрязняющих веществ в почвенном профиле.
Поэтому разработка новых подходов геоэкологической оценки динамично изменяющихся природных систем о воздействии усиливающегося техногенеза является актуальной проблемой [7], [8]. В данной работе основной акцент сделан на исследование состояния почвенного покрова, который является естественным депо при поступлении всех загрязняющих веществ в процессе работы промузлов при добыче газа.
Так, оценка состояния техногенных почв в зоне Ковыктинского газоконденсатного месторождения после 12 лет активного функционирования не проводилась. Распространение элементов загрязнителей в зоне добычи также не изучалось. Наиболее эффективным и наглядным приемом с этой целью является использование ГИС технологий, позволяющее с высокой степенью информативности оценить изменение состояния территории, в том числе почв, прогнозировать развитие ситуации в условиях техногенеза.
Цель исследования: с использованием ГИС технологий и геохимических параметров почв оценить геоэкологическое состояние территории и миграцию марганца Mn, никеля Ni, также мышьяка As- в техногенно-трансформированных почвах на Ковыктинском газоконденсатном месторождении.
Задачи исследования:
1. Выявить потенциальные источники техногенного поступления загрязнителей почв на промплощадке месторождения, в том числе тяжелых металлов и мышьяка.
2. Получить ГИС распределение (карты-ореолы) контролируемых элементов в почвах на территории месторождения, выявить геохимические ассоциации, а также направления миграции загрязнителей.
2. Методы и принципы исследования
Объект исследования – техногенные почвы на территории Ковыктинского газоконденсатного месторождения, расположенного на севере Иркутской области (рисунок 1).
Карта расположения Ковыктинского газоконденсатного месторождения и промышленные установки на промплощадке
Методы исследования: в работе для решения поставленных задач применялись следующие методы: системный подход, сравнительный и геоэкологический анализ, математическое и ГИС-моделирование. Пробоподготовка проводилась в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-2017. Элементный химический состав почв валовых содержаний определялся стандартными методами геохимии: атомно-абсорбционной спектроскопией (ААС) на сертифицированном оборудовании и рентгенофлуоресцентным анализом (РФА) с использованием портативного прибора SciAps серии X200Gtjchemistry. Значения pH почв получены потенциометрически по ГОСТ 26212-91. Содержание органического углерода — фотометрически по ГОСТ 26213-2021 (п. 6.1). Содержание общего азота — фотометрическим методом по ГОСТ Р 58596-2019 (п. 7.2). Статистическая обработка данных выполнена в Statistica 10. Картосхемы построены в Surfer 23.1.162 [9].
3. Основные результаты
Пространственный ГИС анализ подтвердил результат технологического анализа промузлов на промплощадке: в одном случае это природное поступление элемента As, который распространен по всей территории месторождения. Mn преимущественно аккумулируется в почвах в зоне трубопроводов и там, где регулярно происходит сварка: свариваются по 700 метров труб в сутки, до 5 000 м в неделю. При сварке образуется сварочный аэрозоль в зоне дугового разряда с оксидами марганца и никеля из покрытий электродов. ГИС-распределение никеля Ni может быть также связано с производством постоянного метало-ремонта, сварки труб и истиранием деталей машин от большого потока транспорта. В пике работ ежедневно на месторождении проходит 100–300 единиц транспорта, включая 50–100 грузовиков и 20–50 единиц спецтехники, что эквивалентно 3000–9000 в месяц.
4. Обсуждение
Для реализации хозяйственной деятельности за период эксплуатации Ковыктинского месторождения задействовано более 7,5 тыс. км2 земель, что при интенсивной добыче газа и негативном воздействии на почвы неизбежно приводит к деградации почв. Суглинистые почвы на территории сформировались как техноземы, которые распространены по всей промплощадке. Почвогрунты для обустройства Ковыктинского газоконденсатного месторождения для всей промплощадке завозились с близлежащих карьеров и заимок в пределах Иркутской области, в частности, из районов Жигаловского и Казачинско-Ленского районов, с карьеров Ярактинского месторождения.
В почвах исследуемой территории месторождения было выявлено превышение содержания валовых форм марганца Mn-до 1700 мг/кг (ПДК-1500 мг/кг), мышьяка As — до 11–14,4 мг/кг (ПДК — 2 мг/кг), никеля Ni до 85 мг/кг (ПДК — 40 мг/кг). Значение рН водной вытяжки составляет от 4,2 до 5,5, что характеризует существенное закисление поверхностного почвенного слоя в зоне промплощадки. Это может приводить к увеличению подвижности тяжелых металлов, поступающих при бурении из недр в виде попутных элементов, и к их иммобилизации в почве.
Проведен критический анализ промузлов на промплощадке с позиции потенциального поступления загрязняющих веществ в почвенный слой.
Газовые скважины. В почву при работе скважины в почву попадают буровой шлам, нефтепродукты, конденсат, метанол-как ингибитор гидратообразования, рапа богатая тяжелыми металлами и солями, ухудшающими структуру грунта и подавляющими микрофлору, буровые жидкости [10], [11].
Газосборный коллектор. Загрязнителями от протечек может быть газовый конденсат и углеводороды, метанол, рапа, богатая тяжелыми металлами и солями, просачивающимися в грунт при коррозии или повреждениях металла [12].
Установка низкотемпературной сепарации. Технология заключается в отделении жидкости от газа, отделения конденсата и водометанольного раствора путем его охлаждения до -40°C. Утечки приводят к поступлению в почву легких углеводородов, метана и хладагентов, метанола.
Компрессорная станция. Загрязняющие вещества в результате протечки — смазки, масла, газа и конденсата, загрязняющие почву.
Установка стабилизации конденсата. Отходы от утечек — сырой конденсат, пропан-бутановая фракция, проникающие в грунт.
Установка регенерации метанола. Протечки содержат метанол и примеси воды с солями.
Парк хранения метанола. Утечки вызывают просачивание метанола в почву, приводя к токсичному загрязнению территории.
Парк хранения газового конденсата. Основные отходы, поступающие в почву при коррозии или переливах — это сырой конденсат, бензиновые фракции.
За период 2019 г по 2025 год проведен сравнительный анализ аналитических определений тяжелых металлов в почвах по всем указанным технологическим участкам. По сравнению с кларками почв мира в изученных почвах на уровне и выше накопления находятся следующие элементы: мышьяк As, марганец Mn, никель Ni (коэффициент накопления Кк ≥1.5). В ассоциацию околокларковых входят медь Cu, цинк Zn (Кk-0.8–1.5), с дефицитом содержания Kk≤0.7 фиксируются элементы свинец Pb, кобальт Cо. При этом использовались медианные значения для сравнительной геохимической характеристики относительно мировых кларков (Кларки почв мира по Виноградову — As-5 мг/кг, Ni-40/кг, Mn-850 мг/ кг.)
Выявлена динамика повышения содержаний для трех элементов Мn, As, Ni с начала функционирования месторождения по годам. Получены гистограммы (усы), позволяющие наглядно оценить зависимости между интенсивностью освоения территории в зоне добычи газа и уровнем негативного воздействия в виде поступления этих элементов от промышленных узлов (рисунок 2).
Динамика содержаний Mn, Ni, As в почвах промплощадки относительно средних значений
Так, 2019–2022 годы характеризуются началом работ — это этап опытно-промышленной эксплуатации объекта, установки и подготовки по основным промышленным объектам. Эксплуатация газовых скважин не началась.
2023 год — интенсивные сварочные работы и установка оборудования.
С 2024 года — период максимальной мощности добычи и наращивания производственных мощностей.
С 2025 года этап стабилизации технологических процессов и выход на проектируемые параметры.
Показано, что почвы характеризуются не только кислой и слабокислой средой, но также низким содержание органического у углерода и низким обогащением азота: Сорг=10%, общий азот Nобщ=0,6%. Закисление почвы и отсутствие необходимого количества органики и азота в почве может обусловливать подвижность некоторых тяжелых металлов и мышьяка, что способствует миграции элементов.
Постоянные сварочные работы, особенно на трубопроводах, которые проложены по всей территории промплощадки, обусловливают активное поступление марганца в почвы. При этом также выявлено большое содержание общего железа до 45 000 мг/кг в техногенных почвах. Это обусловило аккумуляцию Mn в почвенном слое на геохимическом барьере в виде окислов железа и его конкреций. Причем показано, что практически независимо от концентрации Mn геохимический барьер в виде окислов железа в почве эффективно выполняет свою аккумулятивную роль (Рисунок 3).
Зависимость содержания Mn от Fe
Аналогичная картина наблюдается в случае распределения Ni в почвах (рисунок 4).
Зависимость содержания Ni от Fe
Однако в случае распределения мышьяка As в техногенной почве процесс закрепление мышьяка железом существенно меняется (рисунок 5).
Зависимость содержания As от Fe
Обнаружена отрицательная корреляция (статистически значимая связь) между содержанием железа Fe и мышьяка As c коэффициентом детерминации R2=0.5636 означает, что в отличие от марганца Mn и никеля Ni мышьяк слабо сорбируется на твердой железистой фазе даже с повышением концентрации. Причиной наблюдаемого эффекта может быть высокая чувствительность этого металлоида к рН среды: он максимально закрепляется с высокой степенью окисления (V) в щелочной среде по сравнению с кислой. А поскольку наблюдаемая рН почвенной среды промплощадки кислая рН=4-5, поэтому мышьяк не иммобилизуется на гидроксидах железа
Получены ГИС распределения доминирующих элементов-загрязнителей в почвенном слое на примере 2025 г. (рисунок 6).
ГИС распределение: a) Mn; б) Ni; c) As в почвах на территории промплощадки Ковыктинского газоконденсатного месторождения
5. Заключение
Получены ГИС распределения доминирующих элементов загрязнителей Mn, Ni, As, позволяющие выявить ореолы их распространения и направления миграции. Показано, что пространственное распределение техногенных элементов Mn, Ni преимущественно связано с технологическими процессами, регулярными производственными работами и сваркой.
В случае As превышение ПДК может быть обусловлено наследованием геолого-геохимической особенности Прибайкальской природной территории с повышенным содержанием этого металлоида в составе привозного грунта для планировки территории.
Интеграция ГИС технологий с результатами геохимических исследований является эффективным инструментом комплексной оценки территории в зоне техногенеза и служить основой для создания эффективного современного геоэкологического мониторинга.