- Потоки углеводородов в биосфере

Локализованные потоки биогенных углеводородов заметной роли в глобальной миграции в географической оболочке не играют. К ним относятся газопроявления в термальных и минеральных источниках, вызванные генерацией метана термофильными метаногенами, а также ферментативное образование биогаза в скоплениях биомассы из органического материала. Частным случаем скоплений органического материала, служащего субстратом для метанообразующих микроорганизмов, являются старые свалки хозяйственно-бытовых и промышленных отходов. Скопления биогаза, состоящего из метана и углекислоты, в том числе и образовавшиеся на свалках, как правило, невелики, но могут использоваться для местных бытовых нужд. По подсчетам американских специалистов, со свалки, занимающей 160 га, можно получать 36,8 млн м3 газа в год. Для глобальных подсчетов ресурсов углеводородов, вовлеченных в локализованные биолитогенные потоки, сколько-нибудь достоверных данных не имеется.

Как уже отмечалось, миграция биогенных углеводородов осуществляется в основном в рассеянной форме. Существуют два противоположно направленных потока углеводородов из зоны биохимической генерации: эмиссия летучих (в основном газообразных) углеводородов из почв, донных отложений, частично растений в атмосферу, дающая начало атмосферному биогеохимичес-кому циклу; захоронение малоподвижных углеводородных молекул в почвах и донных отложениях, погружение их вместе с осадком в недра, вовлечение в биогеохимические процессы в осадках и осадочных породах.

Атмосферный цикл углеводородов рассматривался Д. Эххаль-том (Ehhalt, 1974), Т. Голдом (Gold, 1979), Г.И. Войтовым (1986), В.В. Лукшиным и И.Я. Скляренко (1979) и др. В этих работах даны оценки баланса метана в атмосфере Земли.

Эмиссия рассеянных углеводородов из почв наиболее интенсивно происходит в гидроморфных и полугидроморфных ландшафтах. При этом в атмосферу выделяется не только метан, но и его более тяжелые гомологи (Орлов и др., 1986).

Выделение углеводородов с поверхности почв увеличивается с повышением температуры, увеличением длительности теплого периода года, со снижением окислительно-восстановительного потенциала среды. Локальное усиление эмиссии углеводородов из почв может происходить в результате воздействия на почвы сейсмической энергии. В экспериментах, проведенных на опытных полигонах, было показано, что при распространении поверхностной взрывной волны или создания на каком-то участке с помощью технических средств сейсмических колебаний происходит нарушение равновесия в системе почва - газ, возникают явления десорбции углеводородов и, возможно, их синтеза в ходе радикальных механохимических реакций. В сейсмическом поле происходит "освобождение и кратковременное выделение дополнительного количества углеводородов, примерно вдвое превышающее количество углеводородов на “спокойных” участках (Аммосов и др., 1986).

Рассмотрим реальное распределение метана в атмосфере Земли. Некоторые основные характеристики этого распределения, по данным разных авторов, приведены в табл. 10.

Современные данные показывают, что содержание метана в атмосфере в настоящее время меняется несущественно. Оно несколько больше 1,4 • 10-4%, что отвечает общей массе метана в атмосфере Земли (около 4 млрд т). Высота однородной атмосферы для метана в Северном полушарии составляет 7,6-7,8 км, в Южном - 9,0-9,7 км (Малков и др., 1980).

Имеются три основных источника стока метана из атмосферы Земли: его диссипация в верхние слои атмосферы и космическое пространство, поглощение почвенными микроорганизмами, реакции окисления в атмосфере.

Большинство исследователей сходятся в выводах, по которым основным путем вывода молекул метана (более 90%) из атмосферы является его окисление в тропосфере (Лукшин и др., 1978).

Деструкция метана происходит, главным образом в результате реакций с радикалами ОН (Ehhalt, 1974; Лукшин и др., 1978):

СН4 + ОН'-* СНз + К20

СНз + 02-? СН3О2

СН302 + N0'-? СН30 + N02

СН30 + 02 -? Н2СО + N02

+ОН'

Н2СО-»СНО + Н20

+ ОН'

Н2СО-* Н2 + СО

СНО СО + но2

со + он'--- со2 + н.

Таблица 10

Некоторые характеристики распределения метана в атмосфере Земли

Характеристика

Содержание

СН4

Источники

Концентрация СН4 в атмосфере 10“4%

в Северном полушарии

1,5

Малков и др., 1976

в Южном полушарии

1,3

Там же

среднее

1,4

ЕМіаН,1974

Общее квазипостоянное коли-

Лукшин и др., 1973;

честно метана в тропосфере, млрд т

Глобальная годовая продукция

СЩ в атмосфере

4,0

Войтов, 1981

минимальная оценка, млрд т

4,3

Лукшин и др., 1973

средняя оценка

11,0

Лукшин и др., 1973

средний диапазон

0,5-1,1

ЕЬЬаН, І974

то же

Время жизни СН4 в

1,0-5,0

Войтов, 1981

атмосфере, лет

4-7

ЕМіак, 1974

Средний поток СН4 от поверхности Земли (весной в умеренных широтах) мол/см*-с

Среднее ссдержание С14 в

0,6-2,1

Лукшин 1978 г.

атмосферном СН4, в % от древесного стандарта

83,0

ЕЬЬаИ,1974

Таким образом, промежуточным продуктом окисления атмосферного метана является окись углерода, переходящая затем в

двуокись, которая вместе с СОг атмосферы вовлекается в процесс фотосинтеза. По расчетам Эххальта, вклад метана в биогеохими-ческий цикл .углерода составляет около 1% в год.

Приведенные данные показывают, что суммарные годовые потоки биогенного метана в атмосферу Земли не покрывают поступление метана в атмосферу даже по минимальным оценкам. По данным о содержании С14 в атмосферном метане, только 80% от массы составляет метан недавнего происхождения. В его состав входят продукция живого вещества и некоторое количество “мертвого75 метана, содержащего С14 (лигнитовые разработки, промышленные выбросы и др.). В связи с этим продукция потоков чисто биогенного метана должна быть несколько ниже, чем показывают изотопные данные.

Основными дополнительными источниками метана в атмосфере Земли должны быть потоки, идущие из глубины литосферы (литосферные потоки), и техногенные потоки, образующиеся в сфере промышленного производства, добычи полезных ископаемых и транспорта. Эти нелокализованные потеки существуют практически на всей поверхности земного шара. Они соединяются в ландшафтной оболочке с биосферными потоками, создавая общую материально-энергетическую основу для атмосферного углеводородного цикла.

Рассеянные литосферные потоки углеводородов широко проявляют себя в различных геоструктурных зонах Земли.

Сейчас имеется достаточно доказательств того, что литосфера “дышит” углеводородами в тектонически разуплотненных зонах, в оегионах с повышенной сейсмотектонической активностью, особенно в сейсмоактивных областях (Gold, 1979). Плотность потоков и масштабы поступления углеводородных газов из высокотемпературных областей литосферы на поверхность Земли в различных геоструктурных зонах были подсчитаны Г.И. Войтовым (1986). Общая величина разгрузки глубинных газов литосферы составляет 5,3 • 108 т, в том числе углеводородов - 2,2 • 108 т; СОг -2,7 • 108 т; азота - 0,24 • 108 т; водорода - 0,06 • 108 т; сернистых газов - 0,02 • 108 т (табл. 11).

Приведенные данные показывают, что баланс углерода в биосфере Земли поддерживается за счет площадного стока углеродистых газов из глубинных частей литосферы. Наиболее весомую долю при этом вносят сток с площади дна Мирового океана и молодых горных сооружений на суше. Отчетливо видно, что доля углерода, выносимого в виде углеводородов, абсолютно преобладает над долей углерода, выносимого в форме СОг- К приведенным данным необходимо добавить потоки, образующиеся в результате рассеяния нефтяных и газовых месторождений и доходящие до поверхности Земли. Таким образом, величину 0,2 млрд т в год метана можно рассматривать как минимальную оценку вклада дыхания литосферы Земли в углеводородный баланс атмосферы.

Таблица 11

Величина разгрузки водорода и углеродистых газов в различных гео структурных зонах Земли (по данным Г.И. Войтова, 1986)

Геоструктурные зоны

Площадь, Ю6 км

Количество газов, п • 10б т/год

н2

со2

У глево-

дороды

Всего углеродистых

газов

Альпийская складчатая

область

150,0

0,14

11Э,0

54,0

173,0

Платформы и древние

складчатые области

350,5

0,20

14,2

35,3

49,5

Мировой океан

361,9

5,8

119,7

123,3

243,0

Всего п-106 т

углерода в год

74,4

167,6

242,0

Среди колоссальной массы углерода, выбрасываемого в атмосферу техногенными источниками (более 5 млрд т в год), углеводороды играют заметную роль. Практически вся промышленность и транспорт мира используют углеводородное сырье в качестве источника энергии. В разных количествах эти соединения присутствуют во всех промышленных выбросах. Основная доля углеводородов в техногенных выбросах приходится на многочисленные источники в областях добычи нефти и газа. Если исключить локализованные потоки, связанные с аварийными сбросами нефти и газа в природную среду, нефтедобывающие районы буквально “выдыхают” в атмосферу летучие углеводороды из стволов эксплуатационных и разведочных скважин. Об этом свидетельствуют прямые замеры метана в атмосфере над нефтегазовыми промыслами (Лукшин, 1979).

В 80-х годах нашего столетия добыча углеводородного сырья во всем мире достигла 4,5 млрд т, из них около 1,5 млрд т составляют углеводороды природного газа.

Принимая величину коэффициента средних технологических потерь газа на промыслах согласно экспериментальным данным (Лукшин, 1979) за 0,075, получим ежегодный вынос углеводородов в атмосферу немного более 0,1 млрд т. Поскольку более 90% в природном газе составляет метан, то величину потерь метана на промыслах можно принять за 0,1 млрд т в год. Общая сумма всех антропогенных выбросов углеводородов в атмосферу составляет в настоящее время не менее 0,2 млрд т в год. Эта цифра весьма приблизительная, но, безусловно, не завышена.

Таким образом, мощность углеводородных потоков в атмосферу составляет примерно 1 млрд т в год, что отвечает ежегодной убыли метана из атмосферы. В обменном фонде метана участвуют нелокализованные потоки рассеяния трех генетических групп: биосферные, литосферные и техносферные. Вклад этих потоков, по грубым глобальным оценкам, следующий: биогенные источники 50-60%, литосферные и техносферные по 20-25%. Отсюда видно, что количественно все три источника углеводородов сопоставимы. В будущем их соотношение неизбежно будет меняться: в связи с постепенным сокращением площади почвенного покрова и биологических ресурсов биосферы (Горшков и др., 1980; Ковда, 1985; Розанов, 1984 и др.) и увеличением техногенных выбросов в окружающую среду доля биогенных потоков углеводородов будет постепенно убывать, а доля техногенных - возрастать. Уже в течение последних трех десятилетий количество СН4 увеличивается на 1-1,2% в год[1]. Дать количественный прогноз в настоящее время трудно, так как в XXI в. может радикально измениться как структура производства, так и отношение общества к окружающей среде.

Заканчивая рассмотрение биогеохимических потоков углеводородов, следует кратко остановиться на углеводородах, захороненных в донных отложениях морей и океанов. С нисходящими потоками из биогеохимического круговорота ежегодно выводится, по разным оценкам, от 25 до 580 млн т органического углерода (Войтов, 1986; Ронов, 1976). Углеводороды в этом углероде составляют десятые доли процента, редко больше. По мере прохождения осадка через зону активных биогеохимических процессов часть фоссилизированного органического вещества будет трансформироваться в новообразованные углеводороды. Величина таких процессов зависит в значительной мере от количества и типа захороненного органического вещества, фациальных условий, окислительно-восстановительной обстановки. Процесс образования углеводородов из биогенных остатков продолжается и ниже зоны активных биогеохимических процессов, в различных участках зоны катагенеза. Образующиеся при этом рассеянные биогенные углеводороды будут в основном сорбироваться горными породами или растворяться в подземных водах. На поверхность Земли в атмосферу они будут выделяться в составе рассеянного углеводородного дыхания литосферы вместе с другими генетическими группами углеводородов.

На дне океанов, как уже отмечалось, потоки углеводородов служат материалом для хемосинтеза органических соединений, в котором первичными продуцентами могут выступать углеро-докисляющие микроорганизмы. Специфические оазисы жизни, представленные многообразным биоценозом, встречены, например, на дне Мексиканского залива в местах выхода углеводородов (Vent-type ..., 1985).

Высказана гипотеза (Чугунный и др., 1984), согласно которой процесс рифообразования на дне океанов осуществляется путем использования метаноокисляющими микроорганизмами постояннодействующего потока углеводородов в зоне разломов как дополнительного источника СОг и биомассы самих бактерий. Приуроченность рифогенных структур к разломам подметил еще Ч. Ларвин. Общеизвестна и широкая нефтегазоносность таких структур.

Наконец, главная линия биогеохимического цикла углеводородов - окисление в атмосфере до СОг и вовлечение в резерв фотосинтеза.

Таким образом, глобальный углеводородный фон биосферы создается совокупностью постоянно действующих рассеянных потоков различного генезиса, распределенных по всей поверхности Земли. Поля углеводородов, образованные потоками разного происхождения, трудно отделимы друг от друга, доля каждого единичного источника в них незначительна. В целом же вследствие глобального характера общая доля углеводородов нелокализован-ных потоков, по-видимому, превышает в единицу времени долю углеводородов локализованных источников.

  • [1] Международная геосферно-биосферная программа “Глобальные изменения”. М., 1987. 96 с.
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >