Некоторые методы геоэкологического мониторинга

Исследование близповерхностного геохимического ПОЛЯ. Состояние близповерхностного геохимического поля имеет важнейшее практическое значение для стратегии и технологии разработки нефтяных и газовых месторождений. Блоковая структура месторождений, периодическая активизация тектонической деятельности, нарушение естественного режима пластов в результате разведочного и эксплуатационного бурения, наличие флюидных резервуаров с аномально высокими (АВПЛ) и аномально низкими пластовыми давлениями (АНПД) создают предпосылки для межпластового перераспределения огромных объемов газа, жидких углеводородов и воды. Создание искусственных каналов “пласт-земная поверхность” в ходе освоения месторождения приводит к возникновению субвертикальных флюидных потоков, образованию неглубоких скоплений нефти, горючего газа, возникновению грифонов, загрязнению атмосферы, почв, водоносных горизонтов. Эти явления усиливаются в связи с тектонической активизацией, в результате которой природные флюиды используют обновляющиеся естественные зоны трещиноватости. Провоцируют газовожидкостные потоки также мощные взрывы в скважинах, производящиеся для создания искусственных резерзуаров. В истории освоения нефтегазовых месторождений известно много примеров катастрофических аварий на глубоких скважинах, вызванных созданием проницаемых каналов и подтоком пластовой жидкости и газа к поверхности. Для любого эксплуатируемого месторождения нефти и природного газа, особенного крупного, актуальны вопросы ранней (доаварийной) диагностики зон активного подтока пластовых флюидов к поверхности, изучение их поведения в приповерхностной зоне, прогнозирование возможных последствий перетоков и своевременное принятие мер для предупреждения и уменьшения негативных явлений. Появление грифонов и возможных аварийных фонтанов агрессивного сероводородного газа могут привести к экологической катастрофе. Из этого следуют необходимость организации системы контроля за потоками флюидов из газонасыщенных зон к поверхности, своевременная фиксация появления углеводородных, се і зводородтых и иных аномалий на естественном геохимическом 4 «^е, естествен

ных каналов, по которым возможны перетоки флюи. юв с глубины.

В этих целях в первую очередь необходимы выработка методики контроля за состоянием близповерхностного геохимического поля месторождения, выявление наиболее информативных геохимических показателей его состояния. Такой контроль - важная составная часть геоэкологического мониторинга.

Среди информативных признаков состояния геохимического поля месторождения необходимо выделять две группы геохимических показателей: 1) динамические - свободные газы и другие подвижные вещества в почвах, грунтах, атмосфере и водах; 2) статические - следы миграции вещества, зафиксированные в почвах и грунтах в виде сорбированных соединений или вторичных изменений органического и минерального вещества. Первые существуют временно, в период постоянного подтока газа из глубоких горизонтов. Они определяются в составе почвенного и подпочвенного воздуха, а также в приземной атмосфере. К ним относятся углеводородные газы, неуглеводородные газовые компоненты, ртуть. Из геофизических параметров к динамическим показателям относится величина теплового потока. При временном прекращении или изменении газового потока с глубины динамическая аномалия может исчезнуть или переместиться в другое место.

Статические показатели фиксируют долговременные потоки флюидов, вещество которых сорбируется минеральными или органическими частицами горных пород и почв и переходит в неподвижное состояние. Газовые компоненты при этом могут испытывать биогеохимические или каталитические преобразования, превращаться в легкие битуминозные вещества, одновременно возникают минеральные новообразования и изменения в составе органического вещества, например образование полициклических ароматических углеводородов. С помощью статических показателей выявляется долгоживующие каналы миграции, т.е. наиболее опасные места, подлежащие контролю.

Информативность динамических и статических показателей зависит от соответствия условий образования тех или иных компонентов условиям поверхности. Среди динамических показателей информативны тяжелые предельные и непредельные углеводороды в почвенном и подпочвенном воздухе, пары ртути, углекислота, водород, продукты радиоактивных эманаций, сернистые газы. Из статических показаний высокой информативностью обладают полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) в составе эпигенетичного битуминозного веществ почв и грунтов.

Перечисленные выше показатели служат прямыми признаками перетока флюидов к поверхности или техногенного загрязнения. Исключить вариант технологического загрязнения можно путем отбора проб с глубины (5-10 м), а также анализа возможных источников поступления вещества и закономерностей его пространственного распределения.

Геоэкологический мониторинг геохимического поля нефтяного или газового месторождения проводится на базе крупномасштабного геоэкологического районирования. Составные части такого районирования - ландшафтно-геохимическая карта с выделением на ней условий миграции, аккумуляции и разложения органических и неорганических химических соединений; карта морфоструктурного (геодинамического) районирования с выделением современной мелкоблоковой структуры и наиболее активных морфоструктурных узлов; карта размещения хозяйственных объектов и геотехнических комплексов (карта обустройства месторождения). Этих материалов вполне достаточно для создания геоэкологической сети контроля за разработкой месторождения.

Комплексная люминесцентная диагностика состояния природной среды. Изучение процессов миграции нефти и нефтепродуктов в ландшафтах и влияния этих веществ на почвы, воды, растительность и животный мир можно эффективно проводить при наличии доступных для массовых исследований средств диагностики загрязнения природной среды и ее ответных реакций на это загрязнение.

В обширном арсенале средств диагностики природной среды важное место занимают люминесцентные методы. Несмотря на ограниченность области применения и трудности аналитической интерпретации, они эффективны при комплексировании геохимических и экологических исследований, что дает стимул для их развития.

В большей степени это относится к диагностике битуминозных веществ, полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), нефти, нефтепродуктов в природных средах, изучению влияния этих веществ на экологическую ситуацию. Люминесценция - одно из важных свойств нефти и битуминозных веществ, связанных с их составом.

Флуоресценция и длительное послесвечение отражают фото-синтетическую функцию фотоавтотрофных организмов. Современный уровень люминесцентных исследований Э1их объектов позволяет получать важную информацию о состоянии экосистем.

Люминесцентные методы отличаются рядом особенностей.

• 1. Практическая неизменяемость объекта в процессе исследования. Органические соединения не подвергаются жестким воздействиям, а растительные организмы изучаются “in-vivo”.
• 2. Проба сохраняется на протяжении всего цикла исследований. Одни и те же измерения можно неоднократно повторить, после чего эта же проба может быть проанализирована другими методами.
• 3. Очень высокая чувствительность, позволяющая визуально обнаружить концентрацию нефти в растворе 1 • 10^-6 г/мл, а инструментально зафиксировать индивидуальные соединения в концентрации 10^-1О-10^-11 г/мл.
• 4. Экспрессность, массовые измерения в отношении наиболее простых методик.
• 5. Возможность непрерывных наблюдений за люминесценцией объекта как в пространстве, так и во времени.
• 6. Возможность дистанционных измерений.
• 7. Широкие возможности применения методов в полевых условиях.

Принципы люминесцентной диагностики битуминозных веществ в природных средах разработаны В.Н. Флоровской и В.Г. Мелковым с сотрудниками (Флоровская, Мелков, 1946; Фло-ровская, 1957; Флоровская и др., 1981). Лальнейшее развитие этих методов позволило применить их для геоэкологического мониторинга.

Один из важных вопросов диагностики - распознавание среди углеводородных продуктов почвообразования нефтяных компонентов, внедрившихся в почвенную среду с техногенными потоками.

Все разнообразие битуминозных веществ в почвах вблизи источников загрязнения и прилегающих территорий разделяется на три большие группы: 1) почвенные битуминозные вещества -липидная фракция органического вещества почв; 2) нефтяные, представляющие собой компоненты нефти, впитавшиеся в почву и сорбированные почвенными частицами; 3) смешанные, представляющие собой смесь почвенных липидов и продуктов регионального загрязнения почв, находящихся близко друг к другу в количественных отношениях. Эти группы диагносцируются по их люминесцентным и люминесцентно-спектральным характеристикам.

Смешанные и почвенные битуминозные вещества образуют тот региональный фон, на котором проявляют себя техногенные потоки нефтяных веществ от конкретных источников загрязнения.

Почвенные битумоиды, извлекаемые нейтральными растворителями, в целом составляют малую часть органического вещества почвы и резко отличаются от нефтяных компонентов по соотношению отдельных классов углеводородов и неуглеводородных соединений. В этом смысле распознавание углеводородного загрязнения на фоне собственных (фоновых) битуминозных веществ почв больших трудностей не представляет. Для лесных почв хорошим критерием служит, например, отсутствие люминесценции гексановых элюатов в фоновых пробах, что говорит о крайне низком содержании в них ароматических углеводородов и легких смол. Типичные для нефти смолисто-асфальтеновые вещества также отсутствуют в почвенных липидах, но в растворах полярных органических растворителей разделить смесь липидов и смолисто-асфальтеновых веществ очень трудно. Вместе с тем характерные цвета люминесценции смол и асфальтенов позволяют довольно уверенно диагносцировать их в битумоиде загрязненной почвы. Отдельные индивидуальные соединения почв и нефти МОгут иметь структурные сходства, но сочетание индивидуальных углеводородов в нефти и почвенных липидах различно.

Группа “смешанных” битуминозных веществ наиболее четко проявляется в районах, не подверженных прямому техногенному воздействию, в том числе на заповедных территориях. Почвы в этих районах содержат некоторое количество углеводородов аллохтонного происхождения. Эти углеводороды проникают в почвы из атмосферных выпадений (с дождем, пылью, снегом) или приносятся водными потоками с загрязненных участков. Углеводороды могут оказаться в фоновых почвах в результате хозяйственной деятельности в современную или прошлые эпохи. Обычно количество таких углеводородов сопоставимо с количеством углеводородов в почвенных липидах. Битуминозные вещества, извлеченные нейтральными органическими растворителями, содержат смесь аллохтонных и автохтонных углеводородов, трудно разделимых аналитически. Такая смесь отличается по составу и люминесцентным свойствам как от собственно почвенных биту-моидов, так и от нефтяных углеводородов. Эти отличия можно зафиксировать по цвету люминесценции капиллярных вытяжек, а также по набору полициклических ароматических углеводородов. В составе последних, особенно в верхних горизонтах, отмечается присутствие 3,4-бензпирена, 1,12-бензперилена, пиренов и других 4-7-ядерных замещенных и незамещенных углеводородов.

Смешанные битуминозные вещества характеризуют региональное загрязнение района. Их содержание на один-два порядка ниже, чем содержание углеводородов из импактных нефтяных техногенных потоков.

Некоторые критерии диагностики битумоидов всех трех групп, позволяющие проводить экспрессное распознавание их в почвах, приведены в табл. 41.

Эффективный метод люминесцентной индикации леводородных потоков в окружающей среде - диагностика полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) методами спектрофлуори-метрического анализа при низких температурах (“спектроскопия Шпольского”). Выше (ч. 1) была показана роль ПАУ как индикаторов литосферных потоков углеводородов. Не менее важное значение они имеют и как индикаторы техногенного загрязнения. Присутствие этих углеводородов в технологических отходах различных производств, отопительных систем, выбросах двигателей внутреннего сгорания в настоящее время широко известно (Шабад, 1973). Методы геоэкологического мониторинга с использованием исследования ПАУ имеют большие перспективы в будущем. Кроме того, ПАУ - это и объект мониторинга, так как эти углеводороды, обладая сильным канцерогенным и мутагенным действием, входят в число приоритетных загрязнителей окружающей среды. Мониторинг ПАУ регулярно ведется во

Диагностические люминисцентные признаки битумоидов разных генетических групп в фоновых и загрязненных почвах

многих странах мира как на фоновом, так и на импактном уровнях. Результаты фонового мониторинга ПАУ обобщены в ряде монографий (Ровинский и др., 1988; Теплицкая и др., 1989).

Широкие возможности изучения ПАУ в геоэкологическом мониторинге открываются, как уже было сказано, благодаря их индикационным свойствам, которые можно использовать, например, для решения таких задач, как выявление источников возникновения техногенных аномалий углеводородов или оценка степени адаптации экосистем к воздействию техногенных факторов.

Одна из важных особенностей комплексного люминесцентного исследования окружающей среды при решении экологогеохимических задач - это включение в цикл исследований в качестве обязательного звена наблюдений за кинетикой люминесценции живых клеток фотоавтотрофов. При тпком комплексирова-нии определяется характер изменения геохими кой обстановки среды и отклика на эти изменения наиболее увствительного аппарата автотрофов - фотосинтеза. Это позв ляет получить качественно новую информацию, решать такие задачи, которые нельзя получить или решить геохимическими и биологическими методами в отдельности. В этой связи начато практическое использование явлений длительного послесвечения (ЛПС) для изучения фотосинтетической функции, применительно к воздействию на автотрофный компонент нефтяного загрязнения, а явление флуоресценции - для изучения изменения продуктивности клеток водных растений (Веселовский. Вшивцев, 1988).

В качестве метода комплексной люминесцентной диагностики природной среды предложен физиолого-геохимический контроль состояния экосистемы. Этот метод основан на комплексирова-нии экологической физиологии растений и геохимии ландшафта. Задача физиолого-геохимического контроля - инструментальное изучение фотосинтетической функции фитоценоза - и определение характера изменения этой функции во времени, устанавливающий связи этой функции с уровнем концентрации и стадии трансформации загрязняющих веществ (см. схему).

Возможные состояния фотосинтетической активности (ФСА) фотоавтотрофов и возможные переходы между состояниями

II

I

.Нормальное состояние. ФСА (первичная продукция на уровне естественного поля для данной природной зоны)

> <

III

Увеличение ФСА (наблюдается усиленный рост первичной продукции по сравнению " с нормой для данной природной зоны до определенного уровня)

Уменьшение ФСА (наблюдается снижение роста первичной продукции по сравнению с нормой для данной природной зоны до определенного уровня)

IV

Прекращение ФСА (при отсутствии морфологи- Ч ческих изменений)

Возможные переходы между состояниями:

• 1) ММ 3) МІМ
• 2) МІМУ 2) ММ-ІІМУ

Физиолого-геохимический метод включает комплекс люминесцентных исследований, позволяющий одновременно определять уровень загрязнения среды нефтью и нефтепродуктами, фотосин-тетическую функцию и продуктивность фотоавтотрофов, находящихся в загрязненной среде. Метод был опробован на ряде различных объектов и позволил дать более полную и надежную оценку состояния среды, загрязненной углеводородами.

Таким образом, методологические основы использования комплексного люминесцентного анализа окружающей среды базируются на следующих положениях: 1) получение различной информации о косном веществе и биоте достигается на едином комплексе люминесцентного оборудования; 2) характеристика вещества в пространстве и во времени, его взаимоотношение со средой - обязательное условие для правильной интерпретации геохимических данных; 3) экологическая интерпретация может быть проведена только при анализе: среда-отклик, проведеным с повторением в определенном временном интервале; 4) комплексирование люминесцентных и других методов изучения вещества, биопродукции, окружающей среды; 5) применение люминесцентных методов не может быть целиком автономным, они не заменяют никакие другие методы. Неверно вообще говорить о преимуществе каких-то одних методов над другими. Любой метод, в том числе люминесцентный, имеет свою ограниченную область применения, свои трудности. Вопрос заключается лишь в том, какой оптимальный комплекс методов разумно применить при решении определенной задачи.