WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

МОЖАРОВА НАДЕЖДА ВАСИЛЬЕВНА

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ ПОЧВ НАД ПОДЗЕМНЫМИ ХРАНИЛИЩАМИ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Специальность 03.00.27 – почвоведение

Специальность 03.00.16 – экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук










                                                Москва 2009


Работа выполнена на кафедре географии почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

       профессорСтепанов А.Л.

       доктор географических наук,

       профессор Иванов И.В.

       доктор биологических наук,

       профессор Васенев И.И.

Ведущее учреждение:         Почвенный институт им. Докучаева РАСХН

Защита состоится «___» ____________ 2009 года в 15.30 в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ имени  М.В. Ломоносова на факультете почвоведения по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан «__»________2009 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета или присылать отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, ф-т Почвоведения, Ученый совет. Факс (495) 939-24-67

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор биологических наук Никифорова А.С.

       ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Научные достижения последнего времени в изучении биосферного газообмена неразрывно связаны с разработкой проблемы перехода биосферы в ноосферу и являются развитием основополагающих идей В.И. Вернадского. Многосторонняя индустриальная деятельность человека охватывает все природные системы Земли, в том числе и почвенный покров, вносит значительные изменения в биогеохимические циклы элементов в биосфере, ставит под угрозу ее нормальное функционирование (Ковда, 1975), определяет задачи, связанные с многообразными экологическими функциями почв – атмосферными, гидросферными, литосферными, биотическими (Добровольский, 1996, 1997, 1999; Добровольский, Никитин, 1986, 1990). Почва является регулятором биосферных взаимодействий, функционируя, она контролирует и трансформирует проходящие через нее потоки и циклы вещества и энергии. Почвенный покров выступает как своеобразная полупроницаемая мембрана, осуществляющая газообмен между атмосферой и литосферой (Розанов, 1988).

В настоящее время наиболее остро стоят проблемы увеличения метана в атмосфере, содержание которого за последние два столетия возросло почти втрое, что, по-видимому, связано с дисбалансом продуцирования, разложения и трансформации метана. Актуальными экологическими проблемами дальнейшего использования существующих разрабатываемых газовых месторождений и подземных газохранилищ является исследование биогеохимических циклов парниковых газов в биосфере, влияния последних на функционирование почвенной системы и формирование почв, функционально-экологических аспектов географии почв газоносных территорий. Наиболее остро стоят вопросы поиска новообразованных твердых, консервативных продуктов функционирования, созданных вследствие неполной замкнутости, необратимости многих почвенных процессов внутри почвенной системы (Таргульян, Соколова, 1996). Проблемы осложняются исследованием состава, свойств, географии антропогенно-преобразованных почв, разработкой их диагностики и систематики.

Цель исследования: разработать концепцию функционирования и формирования почв над подземными хранилищами природного газа на примере дерново-подзолистой и черноземной зон.

Задачи исследования:

1. Разработать концепцию функционирования почвенного покрова, включающую представления о взаимодействии техногенно-аллохтонного метана с почвами над подземными хранилищами природного газа. Выявить факторы, элементы, параметры и балансы функционирования почв.

2. Определить роль (функции) почвенного покрова в регулировании эмиссии техногенно-аллохтонного и атмосферного метана.

3. Выявить нарушения природных биогеохимических циклов метана в почвах над подземными хранилищами природного газа. Определить локальные и глобальные придержки параметров биогеохимического цикла метана.

4. Выявить пространственно-временные закономерности рассеяния, депонирования, бактериального окисления и эмиссии автохтонного, аллохтонного, техногенно-аллохтонного и атмосферного метана в почвах над подземными хранилищами природного газа.

5. Оценить массовые балансы и соотношение эмиссии и стока автохтонного и техногенно-аллохтонного метана в почвах над подземными хранилищами природного газа в сезонной и годовой динамике и различных технологических условиях.

6. Выявить основные пути и продукты деструкции метана в почвах над подземными хранилищами природного газа. Определить состав, численность и биомассу ведущих микроорганизмов, осуществляющих цепь превращений метана.

7. Выявить возможные пути формирования природно-техногенных признаков почв. Показать цепи редукции железа в почвах при воздействии аллохтонного и техногенно-аллохтонного метана.

8. Выявить влияние добычи и хранения природного газа на состав, свойства, пространственное распределение почв. Разработать диагностику антропогенно-преобразованных почв.

Основные положения, выносимые на защиту: концепция функционирования и формирования почв над подземными хранилищами природного газа в дерново-подзолистой и черноземной зонах.

1. Использование эколого-функционального подхода позволило создать представление о почвенном покрове газоносной территории как двусторонней вертикальной и горизонтальной мембране, экранирующей, дифференцирующей и трансформирующей мигрирующие потоки техногенно-аллохтонного метана, обладающей различной рефлекторностью, отвечающей на механизмы газопереноса.

2. В результате формирования искусственных газовых залежей нарушаются природные биогеохимические циклы метана в почвах. Нарушения выражаются в ритмических процессах притока, рассеяния и возникновения аномалий техногенно-аллохтонного и аллохтонного метана в почвах, эмиссии его в атмосферу; в комплексе абиотических и биотических процессов его депонирования, диффузионной проницаемости и бактериального окисления. Определены локальные и глобальные придержки биогеохимического цикла метана в почвах при подземном хранении природного газа.

3. Массовые балансы эмиссии, бактериального окисления, поглощения техногенно-аллохтонного и атмосферного метана характеризуются различной эффективностью и чрезвычайно высокой изменчивостью, обусловленной интенсивностью механизмов поступления потоков газа и структурой почвенного покрова в годовых, сезонных циклах и технологических условиях. Потоки природного газа задерживаются почвой и расходуются на бактериальное окисление (90-99%) и эмиссию метана в атмосферу (1-10%), составляя 5-10% от общих потерь газа при подземном его хранении. Эмиссия метана в весенний период не компенсируется бактериальным окислением и поглощением атмосферного метана.

4. Почвы функционируют как механизм (реактор), определяющий цепь превращений деструкции метана и синтеза других органических, органо-минеральных газообразных, жидких и твердых веществ. Трансформация метана протекает в  незамкнутых циклах и процессах микробиологической деструкции, сопровождается образованием диоксида углерода, переносом его в атмосферу и формированиием почвенных новообразований высокодисперсного магнетита путем аэробной метилотрофной и анаэробной ферментирующей железоредукции.

5. Над подземными искусственными газовыми залежами в зонах рассеяния и доминирующего влияния углеводородных газов преобладают природные почвы с техногенно-педогенными признаками новообразованиями микродисперсного бактериоморфного магнетита. В результате механического нарушения и отложения буровых шламов, химического загрязнения сформированы новые техногенные слои, горизонты, специфические антропогенно-преобразованные почвы и почвоподобные образования, получившие незначительное распространение. Рассмотрены представления о диагностике почв и почвоподобных тел газоносных территорий.

Научная новизна. Впервые сформирована концепция функционирования почв над подземными хранилищами природного газа, расположенными в различных природно-географических зонах. Определены факторы, элементы, параметры, география и балансы функционирования почв над искусственными и естественными газовыми залежами.

Сформировано представление о почвенном покрове газоносных территорий как специфической двусторонней горизонтальной и вертикальной мембране, регулирующей мигрирующие атмотропические потоки техногенно-аллохтонного метана из недр и геотропические из атмосферы с помощью системы почвенно-геохимических барьеров.

Определены экранирующая, дифференцирующая, трансформирующая и различная рефлекторная функции почвенного покрова. Сформировано представление о почвенном покрове как реакторе, определяющем цепь превращений деструкции метана и синтеза других веществ.

Установлены нарушения биогеохимического цикла метана в почвах при участии человека. Определены локальные и глобальные придержки биогеохимического цикла метана.

Установлен факт, определены механизмы формирования новообразований техногенно-педогенного магнетита при участии микроорганизмов, высокой вариабельности окислительно-восстановительного потенциала и повышенном содержании органического вещества в почвах различных природных зон.

Установлено формирование специфических антропогено-преобразованных почв. Разработаны принципы их диагностики.

Практическое значение работы. Проведенные полевые исследования, полученные экспериментальные материалы, методические разработки и теоретические обобщения позволили сформировать основные положения инновационной системы почвенно-экологического мониторинга герметичности объектов подземного хранения природного газа, вошедшие в руководящие документы. Нововведения в области мониторинга герметичности подземных газохранилищ позволят выявить источники, пути диффузионно-конвективного переноса, ореолы рассеяния, бактериального окисления, эмиссии в атмосферу неучтенного природного газа и модифицированных газов, твердые геохимические признаки трансформации почв под влиянием флюидов. Результаты исследований по мониторингу и его элементам активно используются при проведении работ по заказу ОАО Газпром, по договорам с организациями ВНИИГАЗ, ГИ, ИПНиГ РАН, АНО НИИЦ «Геориск», НПО «Экостройгеология».

Материалы исследований по изучению функционирования почв и роли почвенного покрова на газоносных территориях поддерживались инициативными грантами РФФИ, вошли в отчеты НИР факультетата почвоведения МГУ, грантов РФФИ, «Университетов России», «Ведущих научных школ», ФЦП «Интеграция», ФГУ НИМИ «Базис».

Полученные материалы широко используются в образовательном процессе на факультете почвоведения МГУ. Автором составлена программа и подготовлен лекционный курс «Антропогенные почвы». На основе выполненных исследований автором подготовлено учебное пособие с одноименным названием, куда включены разделы по функционированию почвенного покрова на газоносных территориях и подходам к диагностике антропогенно-преобразованных почв.

Вклад автора в разработку проблемы. Автором определена программа работ, ему принадлежит постановка цели и задач исследования. Полевые экспедиции проводились под руководством и при непосредственном участии автора. Большая часть экспериментального материала получена автором или под его руководством в коллективных экспедиционных и лабораторных исследованиях кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ. Другая часть экспериментального материала получена в договорных работах с ГИНом, ИПНиГ РАН, ВНИИГАЗом. Обобщение и интерпретация полученных результатов проведены лично автором. Подавляющее большинство публикаций, обобщающих результаты исследований, подготовлено и написано лично автором, в том числе монографические издания МГУ, крупные работы в периодических изданиях, учебные пособия.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты исследований были представлены, доложены и обсуждены на более чем 20 научных совещаниях, симпозиумах, конференциях отечественного и международного уровня, среди которых – Всероссийские съезды почвоведов (Суздаль, 2000; Новосибирск, 2004; Ростов-на-Дону, 2008), Ломоносовские чтения МГУ (2003), международные конференции (в Словакии «Антропогенные почвы», 2003 и Китае «Почвы урбанизированных, промышленных, техногенных и военных территорий», 2007,  конференция «Эмиссия и сток парниковых газов на территории северной Евразии», «Экология и почвы» (Пущино, 2003, 2006), конференции по классификации почв (Петрозаводск, 2003), по загрязнению почв (2004, 2006), инновационные и научно-практические конференции (2004, 2008.). По теме диссертации опубликовано более 52 работ, включая коллективные монографии, учебные пособия, руководящие документы, научные статьи в отечественных и зарубежных изданиях, научные статьи в материалах конференций, инновационные и научно-практические публикации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав и выводов, она изложена на 312 страницах, содержит 70 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 250 работ, из них 31 на иностранном языке.

Благодарности. Глубокую благодарность автор приносит своему наставнику и учителю академику РАН профессору Г.В. Добровольскому и заведующему кафедрой географии почв члену-корреспонденту РАН профессору С.А. Шобе за постоянную поддержку и ценные советы. Автор благодарит своих учителей и коллег В.О. Таргульяна, М.Н. Строганову, И.С. Урусевскую, А.В. Иванова, А.А. Боброва за неизменную помощь и профессиональную поддержку, а также весь коллектив кафедры географии почв за доброжелательное отношение и ценные замечания. Автор глубоко признателен своим ученикам и соавторам С.А. Кулачковой, В.В. Прониной, С.Н. Ушакову, Н.И. Беляевой, А.М. Загурскому, О.В. Лисовицкой, Т.В. Гольцовой за товарищескую поддержку в экспедиционных условиях, помощи в лабораторных экспериментах. Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры физики и мелиорации почв А.В. Смагину, агрохимии – Верховцевой Н.В., биологии почв – М.М. Умарову, А.Л. Степанову, Г.М. Зеновой, Т.Г. Добровольской, Н.А. Манучаровой за обсуждение отдельных вопросов диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Метан в биосфере

В работе сделан обзор литературы по названной теме. Отдельные подглавы посвящены проблемам: происхождения и образования метана, механизмам передвижения, бактериальному окислению метана и других углеводородов, циклу метана в почвах, литосфере, морях и океанах, эмиссии в атмосферу, окислению в атмосфере, источникам и стокам метана, биогеохимической деятельности микроорганизмов в биосфере, влиянию газовой залежи на почвы.

Метан – широко распространенный газ Земли. В свободном виде метан отмечается в тектонически-активных зонах планеты. Весьма значительные скопления метана сосредоточены в газоносных, нефтеносных и угольных месторождениях (рис. 1). Для геологического метана характерно доминирование тяжелых изотопов углерода. В составе природного газа присутствуют тяжелые углеводороды (Алексеев и др., 1978). Биогенное образование метана охватывает биосферу, проходит в морях, океанах, почвах (рис. 1). Для биогенно образованного природного газа характерно преобладание легкого изотопного состава, весьма низкое присутствие легких гомологов и отсутствие тяжелых углеводородов.

Широко изучены микроорганизмы цикла метана: анаэробные метанобразующие (Беляев, 1976, 1988; Заварзин, 1972; Заварзин, Васильева, 1999 и др.) и аэробные метанокисляющие бактерии (Малашенко и др., 1978; Кондратьева, 1983; Гальченко, 1986, 2001; Hanson, Hanson, 1996; Заварзин, 1997, 2004; Дедыш, 2002; Паников, 1998; Panikov et al., 2001; Колесников и др., 2004; Adamsen, King, 1993; и др.), их морфология, физиология, условия роста, распространение; эмиссия в прилегающие геосферы (атмосферу и литосферу); поглощение газов из атмосферы (Минько, 1988; Смагин, 1999).

Большинство известных работ посвящены циклу метана, его автохтонному образованию, окислению и эмиссии в атмосферу в естественных и антропогенных ландшафтах (Заварзин, Кларк, 1987; Заварзин, 1995, 1997, 1999; Слободкин и др., 1992; Паников и др., 1992, Паников, 1995; Степанов, 2000; Cicerone, Oremland, 1988; Hanson, Hanson, 1996; Le Mer, Roger, 2001; Chan, Parkin, 2001 и др.). В педосфере и самых верхних слоях литосферы происходит интенсивное окисление метана с помощью метанотрофов, относящихся к родам: Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis (Могилевский и др., 1971, Гальченко, 2001). Окисление метана в недрах не происходит из-за отсутствия специфических микроорганизмов. Отмечается экранирующая и регулирующая роль углеводородокисляющего биоценоза в формировании современной безуглеводородной атмосферы Земли (Оборин и др., 2005). Анаэробные метанобразующие и аэробные метанокисляющие микроорганизмы не могут развиваться совместно, но объединены в цикл транспортным процессом, который реализуется вследствие переноса метана из анаэробной в аэробную зону (цикл Зенгена, цит. по Заварзину, 1999). Транспорт метана осуществляется с помощью механизмов молекулярной диффузии и конвекции, метан передвигается из анаэробной в аэробную зону в почвах и по системе вертикальной и горизонтальной трещиноватости геологических структур (Оборин и др., 2005).

В настоящее время концентрация метана в атмосфере ежегодно растет, достигнув 1,72 ppm. (Cicerone, Oremland, 1988; Nakayama, 1995; Conrad, 1996; Hanson, Hanson, 1996; Смагин, 1999). Высокие темпы роста эмиссии метана являются результатом в первую очередь человеческой активности, связанной с сельскохозяйственной и промышленной деятельностью (Hanson, Hanson, 1996; Минько 1988), Хейн с соавторами (по Паникову, 1998). Представления об основных источниках и стоках атмосферного метана, обобщенные в цитируемых работах, отражены на рис. 1.

Средний поток биогенного метана (основанного на результатах мониторинга на поверхности Земли) в атмосферу в России, рассчитанный на основе прямых измерений и экстраполированных данных зарубежных ученых, составляет 24 Тг/год (Zelenev, 1996), мира –550 Тг/год (Cicerone, Oremland, 1988), 530 Тг/год (Смагин, 2000). В приведенных подсчетах отсутствуют данные об эмиссии биогенного метана из залежей природного газа, образованных биогенным путем. Имеются другие глобальные оценки, учитывающие потоки из недр. Доля биогенных источников метана составляет 50-60%, литосферных и техносферных по 20-25% (Пиковский, 1993). Доля только геогенных потоков метана характеризуется широким размахом от 200 до 900 млн. т/год (Войтов, 1986; Адушкин и др. 2003). Недооценка эмиссии геологического метана также отмечается в работах (Etiope and Klusman, 2002; Mrner and Etiope, 2002). Усредненные нами данные эмиссии метана из различных источников, в том числе и геогенных, составили около 1100 Тг (рис. 1).

.

Веду-щие процесс-сы образо-ва-

ния, превра-щения

Источники образования, интенсивность

продуцирования метана,

эмиссия метана из

пограничных геосфер

(Тг/год)

Стоки метана

(в атмосфере, почве),

Тг/год

Геохимическая

деятельность,

накопление

газов, аномалии

Тропо-педо-лито-биосфера

Фото-хими-ческие

47% 51%

1100 

470

 

СН4

30-625 Тг/год

Природ-ные

Антропогенные

Микро-

биологические

переувлажнен-ные

почвы–115;

тер-митники–30.

Геоген-ные

потоки (недры) 

рисовые

почвы - 85

отходы - 135;

фермен-

тация - 80;

промыш-ленность-95

*Тундровые почвы –

0,270 мг/м 2 сут.;

Подзолистые-

0,3-1,6 мг/м 2 сут.

серые лесные

-2,0 мг/м 2 сут.

красно-бурые

- 1,2 мг/м 2 сут.

  30-69

СО2-0,5Тг

СН4

Газовые бактериаль-ные,

тепловые, геофизические, литогеохими-ческие,

Eh

Микро-

биоло-ги-ческие

300

автоморфные почвы мг С/м 2 ч **

(h 10см) -0,0001; пере-увлаж-ненные почвы - 0–0,33

Газовые

залежи

300

0,04(0,02)

Искусствен-ные газовые залежи- от потерь-0,1%

подземные воды ***

метры  у.е.

  0,02 –-48-55

(меньше в 2-20раз)

500 – 39-23(«)

1000 – 5–35(«)

Скрытый сток

1-6, от потерь5-10%

Автоморфные почвы**) мг С/м 2 ч (10см) –0,1-0,4 (1,5-2)

переувлажненные почвы-0,1-0,8 (0,5-1,5)

подземные воды (пласты)***

метры  у.е.

0,02–480(43)

500–160(14)

1000–50-25-(4-2)

В почвах-

3O4

минералы

В породах  Fе3O4 и

FеS2,., С, N, Моря -арагонитовые постройки

океаны–метанобиос

Термо-каталит.

Нефтяные  газовые залежи

Интенсивность бактериального окисления метана  *Камерный метод, **ненарушенные образцы,***числен-ность метанобразующих и углеводородокисля-ющих родококков, окисляющих алифатические углеводороды (С9-16 )

Трещиноватость геологических структур

–– газовая аномалия автохтонного и природно-аллохтонного метана

               

–техногенная газовая аномалия техногенно-аллохтонного метана

Информация, выделенная жирным шрифтом, является  результатом проведенных нами исследований.

Имеются три основных пути стока метана из атмосферы Земли. Главная роль, по мнению большинства исследователей, принадлежит фотохимическо-му окислению метана гидроксил-радикалами, озоном и окисью углерода в тропосфере (рис. 1).

Биогенное окисление метана в почвах метанокисляющими бактериями относительно невелико, варьирует по различным даннымот 6 до 10% от общего стока (Смагин, 1999). Поглощение метана почвами может составлять 30-69 Тг. Интенсивность потребления метана почвами, измеренная и обобщенная в работах King, (1992); Boeckx, Van Cleemput, (2001) Strieg et al. (1992), приведена на рис. 1. Дисбаланс эмиссии и стока метана, т.е. накопление метана в атмосфере с учетом геогенных потоков, по литературным данным может варьировать от 30 до 625 Тг. Но эти величины характеризуют нетто-сток в почвах без учета потенциального окисления в поверхностных слоях гидроморфных ландшафтов, в результате чего часть метана, производимая в них, не выходит в атмосферу (Смагин, 1999). Активность “метановых биофильтров”, так называемый скрытый сток, более чем на 90 % снижает эмиссию метана (Дедыш, Паников, 1997).

Планетарная газовая функция почвенного покрова заключается в его участии в биосферном круговороте газов, включающем: поглощение глубинных газов из нижележащих слоев литосферы; образование газообразных веществ; эмиссию в атмосферу. В наименьшей степени в настоящее время исследуется поглощение почвами глубинного аллохтонного метана, ограничивающее эмиссию в атмосферу на газоносных территориях. Изучение этого вопроса было начато в 30-х годах XX в., когда у земной поверхности обнаружили метан и другие газообразные углеводороды, мигрировавшие из газонефтяных залежей, которые были признаны факторами почвообразования (Ковда, 1953; Могилевский и др., 1970; Бачурин и др., 1979). Установлены ландшафтно-геохимические закономерности распространения углеводородных газов и окисляющих их бактерий в черноземных почвах (Иванов, 1969). Отмечена большая амплитуда колебаний ОВП над нефтяными залежами (Сердобольский, 1953; Ковда, Славин, 1959). Было показано формирование газовых, битумных и бактериальных аномалий в водоносных горизонтах, породах и иллювиально-гипсовых горизонтах черноземов (Иванов, 1969). В результате функционирования биологического фильтра в почвах накапливаются различные продукты бактериальной жизнедеятельности (Могилевский, 1979). Было замечено увеличение содержания органического вещества и азота в почвах, подверженных влиянию углеводородов в местах разрыва трубопроводов и над нефтяным месторождением (Harper, 1939; Кононова, 1953, Davis, 1952).

Вместе с тем в морях и океанах, осадочных толщах остаются твердые продукты геохимической деятельности метана (рис. 1). Вопросы формирования следов геохимической деятельности метана в почвах в литературе не рассматривались. Однако формирование органического вещества, образование органо-минеральных комплексов при понижении окислительно-восстановительного потенциала в почвах при воздействии метана создает предпосылки для поиска  новых знаний по редукции поливалентных металлов. В этой связи в работе сделан обзор литературы по генезису магнитных оксидов железа, в том числе по биологически контролируемой и индуцируемой минерализации.

Глава 2. Объекты, методология и методы исследования

Объектом исследования являлся почвенный покров над подземными хранилищами природного газа. Был рассмотрен почвенный покров над истощенным месторождением природного газа, используемого в качестве подземных газохранилищ в Ставропольском крае и подземным газохранилищем в Московской области, соответственно в черноземной и дерново-подзолистой зоне. Первое включает одну естественную, три выработанные искусственные газовые залежи, две из которых используются для подземного хранения природного газа (ПХГ-1, ПХГ-2). Это крупнейшее в мире подземное газохранилище площадью около 680 км2. Природный газ закачивается в обводненные пески и песчаники отработанных газовых залежей на глубину 800 и 1000 м с помощью газовых скважин (рис. 1). Газовые залежи прикрыты мощной непроницаемой покрышкой майкопских глин.

Другим объектом исследования являлся почвенный покров подземного хранилища газа и прилегающей территории регионального фона, общей площадью около 60 км2. Хранилище газа располагается в песчаниках и песках нижнещигровского горизонта на глубине 890-920 м. Покрышкой пласта-коллектора служит пачка глин с алевритистыми прослоями мощностью 11-25 м. Объем подземного пространства 2,5 млрд. м3 (Бухгалтер и др., 2002).

При исследовании функционирования и формирования почв на разных объектах был использован единый методологический подход – изучение статической составляющей почвенного покрова параллельно с его функционированием и исследованием участия углеводородных газов в почвообразовании.

На месторождении природного газа в Ставропольском крае полевые исследования проводились в июле 1995-1998 гг., на подземном газохранилище в Московской области – в мае, июле и ноябре 1998-2006 гг. Были проведены детальные почвенно-картографические исследования на 24 ключевых участках. Использованы существующие почвенные карты М 1:100 000 (Ставропольский Гипрозем, 1991), М 1:25 000 (ИПНиГ РАН), составленные методами пространственной генерализации почвенного покрова с учетом компонентного состава.

Поверхностная газовая съемка осуществлялась по сетке квадратов через 700 – 1000 м в 32-42 точках (в Московской обл.) и через 3000 м в 74 точках (в Ставропольском крае) согласно «Проекту международного стандарта ISO: методы отбора проб при оценке загрязнения почв, 1996», с учетом 5 категории сложности территории, а также на 24 ключевых участках. Содержание газов в почвах определяли путем размещения пробоотборника на глубину 20, 40 и 60 см на 1 час и последующего отбора пробы через выведенные на поверхность трубки. Эмиссию метана определяли камерным статическим методом со временем экспозиции 1 час, объем камеры ~1100 см3. Пробы воздуха отбирали в герметично закрытые флаконы (V 15 мл) с насыщенным раствором NaCl, анализировали на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором (М 3700, Россия, адсорбент SE-30, и Chrom-41, длина колонки 3,2 м, наполнитель Spherosil, газ-носитель – аргон). Общее количество проб газовой съемки – около 5000. Полевым потенциометром измерялся Eh почв в десятикратной повторности для каждого горизонта. Аналитическая характеристика почв проведена с использованием комплекса физических, химических и биологических методов в 740 образцах.

Физические свойства почв. Гранулометрический состав определялся пирофосфатным методом, удельная поверхность почв – методом Кутелика (по Фацеку, 1969), плотность, общая пористость, воздухоемкость – буровым, влажность – весовым методом, структурность – весовым в трех повторностях для каждого горизонта (Вадюнина, Корчагина, 1986; Шеин и др., 2001). Коэффициент диффузии метана рассчитывался по графической модели (Смагин, 1999; Можарова, Ушаков, 2004) в зависимости от гранулометрического состава и отношения пористости аэрации (Пg) и общей пористости (ОП) почв. Удельная магнитная восприимчивость определялась каппаметром КТ-5 методом сравнения со значениями эталона, в качестве которого использовалась соль Мора. Выделение магнитной фракции проводилось методом обогащения из почвенного образца (Бабанин и др., 1995). Часть выделенной магнитной фракции подвергалась дополнительной обработке с целью удаления солей и органического вещества (Pearsall, 2002). Микроморфологический анализ магнитной фракции почв проводился на сканирующих электронных микроскопах JEOL-JSM-35CF, JEOL-JSM-6060A, энергодисперсионные спектры получены на сканирующих электронных микроскопах OPTON Carl Zess LEO 1450VP и рентгеновском микроанализаторе INCAx-sight и JEOL-JSM-6060A с рентгеновским анализатором JEOL

Химические и физико-химические свойства почв. Содержание Сорг определялось фотометрическим методом, легкорастворимых солей – методом водной вытяжки, рНН2О и Еh – потенциометрическим методом (Воробьева, 1998). Обменные Na и К – по Масловой; Ca и Mg – по методике Н.И.Соколова (Гедройц, 1955). Содержание нефтепродуктов устанавливалось гексановым методом с люминесцентным окончанием (Теплицкая и др., 1979).

Биологические свойства почв. Определение активности бактериального образования метана проводилось по выделению метана в инкубируемых в течение месяца закрытых флаконах. Потенциальная активность бактериального окисления и скорость абиотического поглощения метана определялись кинетическим методом по поглощению метана в инкубируемых закрытых сосудах (принципы методов Звягинцев, 1991). Окисление техногенно-аллохтонного метана определялось по разнице бактериального окисления в почвах газоносных и фоновых территорий. Определение биомассы и группового состава микроорганизмов проводилось по жирным кислотам методом хромато-масс-спектрометрии (Осипов и др., 1994, институт микробиологии РАН). Подсчет массового баланса бактериального окисления, эмиссии техногенно-аллохтонного и поглощение атмосферного метана на газоносной территории проведен с использованием ГИС-технологий.

Разработано 2 эксперимента по влиянию природного газа на магнитную  восприимчивость () почв. Первый опыт основан на разделении процессов восстановления/окисления, необходимых для синтеза Fe3O4. Моделировали режим периодического увлажнения/иссушения в присутствии природного газа (концентрации 4000-10000 ppm) и без него, дополнительного органического вещества. Второй эксперимент проводился без разделения процессов восстановления/окисления Fe, без добавления органического вещества. Первый опыт проводился в течение года, второй – 7 месяцев. Обработка результатов исследований проводилась в программах Microsoft Excel и Statistica, построение карт – в программах Mapinfo (5.0) и Surfer (8.0). Нижнее значение аномальных параметров для газовых аномалий рассчитывалось по формуле Са = Сф· (логнормальное распределение), для бактериальных – Са = Сф+ (нормальное распределение) (Алексеенко, 2000).

Глава 3. Факторы функционирования и формирования почв

Подземное газохранилище в Московской области  расположено в умеренно-континентальной климатической зоне. Средняя температура самого теплого месяца (июля) +17,0…+18,5°С. Годовое количество осадков колеблется от 473 до 676 мм в год. Гидротермический коэффициент 1,2-1,6 (Почвы Московской области, 2002). Многолетняя среднемесячная норма осадков в июле около 90 мм. Годы исследований отличались по гидротермическим условиям. За основу их группировки были взяты показатели июля и выделены: 1999, 2000, 2002 годы – с дефицитным или близким к норме количеством осадков и повышенной температурой воздуха (далее – сухие годы), 1998, 2001, 2003 – с избыточным количеством осадков и более низкой температурой (далее – влажные годы). Рельеф представлен холмами водно-ледниково-озерного, ледниково-озерного, ледникового, водно-ледникового происхождения, а также древними ложбинами стока. Почвообразующими породами в пределах изучаемого района являются: 1) древнеаллювиальные пески и супеси; 2) суглинистые, супесчаные, песчаные отложения; 3) техногенно-переотложенный материал в промышленной зоне, представленный неравномерной по гранулометрическому и минералогическому составу гетерогенной смесью гляциальных отложений и буровых отходов. Исследованная территория соответствует сосново-болотному растительному району (Алехин, 1947 по Почвы Московской области…, 2002). Лесистость района 50-70%. Значительную площадь занимают земли сельскохозяйственного использования.

Другой объект исследования расположен на Ставропольском поднятии в континентальной климатической зоне неустойчивого увлажнения с тенденцией к засушливости. Среднегодовая температура составляет 9С. Среднегодовое количество осадков – 538 мм. Наиболее распространенными почвообразующими породами являются лессовидные и лессовидно-покровные суглинки, а также элюво-делювий известняков и ракушечников. Значительные площади занимают делювиальные засоленные глины и покровно-скелетные суглинки. Основные площади заняты сельскохозяйственными угодьями. Естественная ковыльно-типчаковая растительность занимает незначительные площади.

В результате разработки месторождений природного газа, а также строительства подземных газохранилищ, последующего усиления геохимического влияния естественных и искусственных газовых залежей, проведения буровых, эксплутационных работ существенно изменяются факторы почвообразования. В пределах промышленных зон происходит формирование нового антропогенного рельефа, почвообразующих пород, растительности. Основу техногенных почвообразующих пород составляют выбуренные породы и отходы бурения – глинистые буровые растворы, основным твердым компонентом которых является бентонитовая глина (45%), утяжелители (магнитит, барит). Жидкие поллютанты представлены промывочными жидкостями, содержащими минеральные соли (40%), органические вещества (10%), нефтяные углеводороды (5%) (Шеметов, 2000).

В ряде регионов месторождения и подземных газохранилищ зафиксирована миграция флюидов и грифонообразование, носящие как естественный (геологические окна, опесчанивание глин, растворение газа, адсорбция, миграция по напластованию), так и технический характер (Могилевский, 1964, Бухгалтер и др., 2003). Показано наличие углеводородных газов и развитие углеводородокисляющих бактерий в водоносных горизонтах, поверхностных водотоках и почвах вблизи эксплуатационных скважин в своде, а также на периферии структуры (Бухгалтер и др., 2002). Вместе с тем показано, что циклические воздействия, связанные с закачкой и отбором газа на ПХГ способствуют формированию техногенной вертикальной и горизонтальной трещиноватости геологических структур, способствующие формированию благоприятных условий для осуществления субвертикальной миграции газонасыщенного флюида (Кузьмин, Никонов, 2001; Никонов, 2003).

Глава 4. Почвы над подземными хранилищами природного газа

4.1. Почвы фоновых территорий

4.1.1. Природные почвы за пределами подземного газохранилища представлены сочетанием (агро)дерново-подзолистых (дерново-подзолов), дерново(торфянисто)-подзолисто-глеевых и эутрофных-торфяно-глеевых почв.

4.1.2. Природные почвы за пределами месторождения природного газа представлены сочетаниями агрочерноземов миграционно-сегрегационных с гидрометаморфизованными и гидрометаморфическими почвами.

4.2. Почвы над подземными хранилищами природного газа

4.2.1. Подходы к диагностике и систематике антропогенно-преобразованных почв. Согласно существующим подходам к диагностике и классификации почв России (2004) среди антропогенно-преобразованных сильнозагрязненных почв выделены отделы химически преобразованных загрязненных почв и хемоземов. Вместе с тем выделены непочвенные образования – техногенные поверхностные образования. Ранее выделены техноземы и эмбриоземы (Етеревская, 1989; Гаджиев, Курачев, 1992; Терентьев, Суханов, 1998). В зарубежных классификациях аналогом техноземов являются техносоли (WRB, 2007), техногенные почвообразующие субстраты, антропогенные отложения (Blume, 2004), антроземы (Cobocka, 2007). В названных конструкциях антропогенные преобразования охватывают всю бывшую толщу почв. Однако существует большая группа почв, где антропо-техногенные преобразования охватывают лишь верхнюю часть почв, где срединные и нижние горизонты почв остаются природными. Подходы к группировке техногенных, природно-техногенных и природных химически загрязненных почв отражены в учебном пособии «Антропогенные почвы» (2003), созданном коллективом авторов Герасимовой М.И., Строгановой М.Н., Можаровой Н.В., Прокофьевой Т.В. С учетом существующего опыта выделения антропогенно-преобразованных почв по соотношению мощности механического нарушения и/или техногенного материала, а также химического загрязнения вновь образованного и существующего природного профиля предложено выделять 6 групп антропогенно-преобразованных почв и почвоподобных тел для районов топливно-энергетического комплекса. К ним относятся техно-почвы, техноземы, химически-загрязненные почвы, хемо-почвы, хемоземы и эмбриоземы. Присутствие в почвах механических нарушений и химических загрязнений позволило выделять хемо-техноземы, хемо-технопочвы, хемо-эмбриоземы и другие почвы. Дальнейшее развитие названных положений позволило выявить специфику антропогенно-измененных почв газоносных территорий и рассмотреть подходы к их диагностике.

4.2.2. Техногенные почвоподобные образования, природно-техногенные почвы. До разработки газовых месторождений и строительства подземных газохранилищ почвенный покров был представлены сочетаниями почв, сходными с фоновыми территориями. В настоящее время техногенные почвоподобные образования представлены хемо-техноземами, страто-хемо-техноземами и природно-техногенными почвами – (страто)хемо-техно-подзолистыми, хемо-техно-черноземами. Это кардинально измененные по своему составу и свойствам почвы и почвоподобные тела, не сохранившие или слабо сохранившие морфологический облик природных почв. Эти почвы занимают небольшую площадь и приурочены к части территорий расположения газовых скважин промышленных зон.

4.2.3. Природные химически загрязненные почвы, с магнитными новообразованиями Почвы слабо изменены, сохраняют морфологический облик природных почв, но испытывают загрязнение жидкими и газообразными поллютантами и являются ареной трансформации углеводородных газов в многофазной почвенной системе. Они приурочены к зоне рассеяния углеводородных газов над искусственными и естественными газовыми залежами и занимают десятки и сотни квадратных километров. Отмечается загрязнение почв техногенными органическими газообразными (метан и другие газы), жидкими углеводородами (нефтепродуктами), полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), в том числе 3,4-бенз(а)пиреном. Вместе с тем, отмечается загрязнение почв техногенными магнитными оксидами железа. Проведенная классификация магнитных частиц по морфологии и химическому составу основных компонентов и примесей (рис. 2) позволила выявить их принадлежность к определенным слоям и горизонтам почв. В техногенных и природно-техногенных горизонтах выделены техногенные сферические и октаэдрическиие со специфическими примесями магнитные частицы. В природных горизонтах почв под воздействием природного газа, последующего микробиологического и физико-химического синтеза происходит формирование новообразований микродисперсных магнитных оксидов железа. Изучение морфологических, химических, физико-химических свойств позволило провести диагностику этих почв.

4.3. Диагностика почв над подземными хранилищами природного газа

Предлагаемая диагностика техногенных слоев и горизонтов, почв и почвоподобных образований встроена в существующую диагностику почв России. При диагностике загрязненных природных горизонтов с техногенными признаками используется номенклатура названной классификации. В случае отсутствия таковой используется авторская номенклатура. Сохранено использование англоязычной терминологии; например, буровые горизонты выбуренной породы и бурового раствора получают индекс d (от англ. drilling), горизонты, содержащие нефтепродукты – ch и др.

4.3.1. Диагностические признаки техногенных, природно-техногенных и природных загрязненных и трансформированных слоев и горизонтов почв. В процессе техногенеза происходит замещение природных почв на природно-техногенные, техногенные почвы и почвоподобные тела. Накопленные в результате природного почвообразования признаки и горизонты уничтожаются  и заменяются переотложенными турбированными техногенными горизонтами. При этом существуют варианты замещения только верхних гумусовых горизонтов, а также верхних и срединных.

Верхние насыпные (турбированные) гумусовые горизонты (PUtur). Целенаправленно созданы в период технической рекультивации. Горизонты  сохраняют свойства фоновых черноземов (полиагрегатная структура, фоновое содержание органического углерода, N, P, K и др.). Модификации горизонтов  часто связаны с загрязнением гумусовых горизонтов нефтепродуктами, сферическими магнитными частицами (СМЧ), ПАУ, в том числе 3,4-бенз(а)пиреном, присутствием фрагментов буровых горизонтов и слоев (ТUR AY.)

Верхние и срединные техногенные слои и горизонты (TG). Буровые техно-седиментационные слои (ТSd) –  искусственно-созданные седиментационные слои выбуренной породы и буровых отходов. Перемешаны с почвенным материалом, содержание буровых компонентов всегда более 50%. Морфологически горизонты выделяются по темно-бурому цвету, высокой плотности, низкой пористости, щелочной реакции (в гумидной зоне). Характеризуются суглинисто–глинистым гранулометрическим составом (физ. глина >30%, ил >12%), высокой удельной поверхностью, повышенным содержанием органического углерода, легкорастворимых солей, иногда техногенной солонцеватостью, высокой суммой поглощенных оснований и магнитной восприимчивостью (при использовании магнетита в качестве утяжелителя при бурении) по сравнению с фоновым содержанием. В случае использования магнетита в качестве добавок в буровой раствор характерно доминирование литогенных октаэдрических магнитных частиц, часто колотых (ОМЧт) с примесью хлора (рис. 2). Содержание нефтепродуктов не превышает сигнальных уровней. Почвы загрязнены ПАУ, типа 3,4-бенз(а)перена. На рекультивированных почвах в черноземной зоне выделяется техногенный седиментационный дезагрегированный слой (ТSdA). Он характеризуется доминированием макроагрегатов, пептизируемой непрочной микроструктурой, микроморфологически выраженным слитым сложением, отсутствием биогенных форм структуры. Отношение суммы агрономически ценных мезоагрегатов к сумме макроагрегатов и микроагрегатов составляет около 0,25. Среди техногенных слоев выделяются эксплутационные настилы абиогенной вскрышной песчаной породы (TSR). Слои сильно засолены и токсичны, не содержат органических веществ. Кроме техногенных слоев выделяются техногенные буровые горизонты (ТURd1, ТURd2…), представленные смесью почвенных горизонтов и седиментационных слоев. Содержание фрагментов техногенных слоев может варьировать от 0 до 25%, 25-50%. Горизонты сохраняют признаки слоев, но имеют более легкий гранулометрический состав (в гумидной зоне).

Природно-техногенные горизонты. Среди них выделяются перевернутые тяжелой техникой турбированные иллювиальные горизонты (TUR BT, TUR BCA и др). Часто испытывают загрязнение органическими и минеральными поллютантами, мигрирующими из седиментационных слоев и горизонтов.

Природные и природно-техногенные загрязненные поверхностные и нижние горизонты уплотнены, пропитаны нефтепродуктами типа масел и мазута, в промышленных зонах (PUtur,ch). Часто отмечаются средне-высокобитуминозные разности (ch1, 2, 3..). Органические поллютанты, мигрирующие из техногенных

Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение, элементный состав частиц магнитной фракции почв.

горизонтов загрязняют срединные горизонты, в них повышается содержание органического углерода (BTh и др.). За пределами промышленных зон природные горизонты загрязнены легкими углеводородами смешанного типа (АYch). Загрязнение горизонтов ниже установленных уровней загрязнения, но выше природного содержания углеводородов в почвах. Поверхностное загрязнение нефтепродуктами создает «региональный фон». Среди индивидуальных соединений доминируют группы н-алканов, незамещенных ПАУ. Содержание СМЧ и ПАУ постепенно уменьшается к фоновым территориям по мере удаления от ПХГ.

Природные горизонты с техногенно-педогенными новообразованными магнетита. Загрязнение иллювиальных горизонтов почв газообразными углеводородами способствует формированию микродисперсных бактериоморфных магнитных оксидов железа (рис. 2). Наиболее интенсивно процессы новообразования техногенно-педогенного магнетита проходят в иллювиальных горизонтах современных природных почв гумидной зоны ВTm.

Техногенные слои и горизонты могут быть органогенно-загрязненными (h), битуминозными (ch), техногенно-насыщенными (ts), техногенно-засоленными (s), техногенно-солонцеватыми (sn), техногенно-подщелаченными (alk).

Техногенные слои и горизонты, образовавшие профиль, составляют каркас будущих почв, запуская механизмы техногенного почвообразования. Вертикальная и латеральная миграция почвенных растворов и поллютантов преобразуют почвенный профиль, инициируя процессы преобразования ППК, битуминозности – липидности, ощелачивания, засоления, осолонцевания.

4.3.2. Диагностика техногенных, природно-техногенных и природных загрязненных и трансформированных почв и почвоподобных образований. В пределах промышленных зон выделены хемо-техноземы – техногенные почвоподобные тела (образования), содержащие буровые седиментационные слои и горизонты, не сохранившие верхние, полные срединные и нижние диагностические горизонты природных почв. Переотложенные гумусовые горизонты «добурового периода», сильно загрязненные буровым раствором и другими поллютантами, а также затронутые современными процессами почвообразования, часто встречаются в качестве поверхностного органогенного горизонта хемо-техноземов TUR AY. В рекультивированных хемо-техноземах выделяется переотложенный турбированный гумусовый горизонт почвы-донора AYtur. Центральное место в хемо-техноземах занимают седиментационные слои и горизонты. Следующие далее схемы профилей хемо-техноземов разнообразны, обязательным является присутствие седиментационных слоев и горизонтов: ТUR AY-ТSd-TURBT-BT-C; PUtur-TSdA-TURBCA-BCA-C; ТUR AY-ТURd1-ТURd2-TURBT-BT-C;  ТUR AY-ТURd1-ТURd2-TURBT-С.

Выделяются страто-хемо-техноземы. В страто-хемо-техноземах обязательно присутствует стратифицированный горизонт (TSR), затем следуют модифицированные гумусовые, буровые седиментационные слои, турбированные и загрязненные горизонты. Стратифицированные горизонты чаще бывают токсистратифицированными, иногда артистратифицированными. При частом ремонте скважин стратифицированные горизонты могут залегать на определенной глубине, под седиментационными слоями и горизонтами. Возможны вариации горизонтов этих почв. Схемы профилей: TSR-ТURAYs-ТSds-TURBs-BTs-C, TSR-ТUR AY-ТURd1-ТURd2-TURBT-C; TSR1-ТURd1s-TSR2s-TSR3s.

Хемо-эмбриоземы – молодые слаборазвитые почвы на техногенных грунтах. Выделяются хемо-эмбриоземы засоленные на вскрышной породе по гранитно-асфальтовым перекрытиям Ws-D.

Широкое распространение получили хемо-техно-почвы, которые характеризуются наличием переотложенного гумусового, турбированного горизонта ТUR AY, PUtur и техногенных, буровых седиментационных горизонтов и слоев – ТSd, ТURd1, ТURd2, TURBT. В хемо-техно-почвах(хемо-техно-подзолистых, хемо-техно-черноземах) сохранены фрагменты исходных элювиальных, полных срединных, переходных горизонтов к породе природных почв. В страто-почвах в качестве поверхностного горизонта выступает стратифицированный горизонт TSR.

Широко распространены химически загрязненные (квази)природные почвы с естественным профилем, с уровнями загрязнителя от сигнальных до очень высоких. В схемах строения профилей почв появляются индексы для загрязненных горизонтов с учетом ПДК или фонового содержания – P4ф, pol, s-ЕL-BEL-BT-С.

Выделяются дерново-подзолистые и хемо-техно-подзолистые почвы с природно-техногенными признаками - новообразованиями бактериоморфных микродисперсных магнитных оксидов железа (m). Схема профилей дерново-подзолистой и хемо-техно-подзолистой почв с новообразованиями магнетита имеет следующий вид: ТUR AY-ТSd-EL-BTm-С,  AY-EL-BTm-C.

4.4. Почвенный покров газоносных территорий

Антропогенно-преобразованные почвы распространены по площади промышленной зоны и занимают незначительные площади – около 2% на территории месторождения природного газа(ныне газохранилищ) в черноземной зоне и около 6% на территории подземного газохранилища в дерново-подзолистой зоне (рис. 3). В пределах промышленных зон первых они представлены хемо-техноземами и хемо-техно-черноземами и составляют комплексы-мозаики с черноземами миграционно-сегрегационными, часто загрязненными, с новообразованиями магнетита, и редко гидрометаморфизоваными и гидроморфическими почвами (до 28%). В пределах вторых антропогенно-преобразованные почвы представлены комплексами-мозаиками хемо-техноземов, страто-хемо-техноземов, хемо(страто)-техно-подзолистых, часто оглееных почв. Преимущественно природные автоморфные почвы, загрязненные нефтепродуктами, с новообразованиями магнетита расположены за пределами промышленной зоны, в зонах рассеяния углеводородных газов (25-94%). По окраинным частям территории над подземными газохранилищами в черноземной зоне распространены природные почвы, не испытывающие их геохимического влияния (45%).

Для всех верхних техногенных горизонтов хемо-техно-почв, расположенных в различных природных зонах, отмечается конвергенция признаков, выражающаяся в формировании профиля TURAY-TSd. Хемо-техно-черноземы и хемо-техно-подзолистые почвы в своей ненарушенной части несут признаки исходных почв и почвообразующих пород.

Хемо-техноземы приурочены к скважинам. Страто-хемо-техноземы занимают сектор 30-900, примыкающий к скважине. По мере удаления от скважин располагаются хемо-техно-почвы. Выделы антропогенно-преобразованных почв имеют близкие площади равные примерно одному гектару, варьируя на газохранилищах от 0,73±0,009 до 0,9±0,02га. Форма контуров от овальной до вытянутой.

Таким образом, над подземными искусственными газовыми залежами в промышленных зонах в результате механического нарушения, химического загрязнения и отложения буровых шламов, сформированы новые почвенные слои, горизонты, специфические антропогенно-преобразованные почвы, поверхностные почвоподобные образования, природно-техногенные и химически-загрязенные почвы с новообразованными техногенно-педогенными признаками. Проведена диагностика изученных почв. Над подземными газохранилищами доминируют природные почвы, часто загрязненные, с педогенно-техногенными признаками – новообразованиями микродисперсного магнетита. Незначительное распространение имеют мозаики антропогенно-преобразованных почв, часто в сочетании с поверхностно-загрязненными природными почвами.

Глава 5. Специфика функционирования почв и почвенного покрова над искусственными газовыми залежами

Все открытые сложные системы в процессе перманентного потокового обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой образуют самозарождающиеся, пространственно-временные внутренние структуры, которые после своего формирования, оказываются достаточно устойчивыми, при условии продолжения функционирования системы (Капица с соавт., 1967, Хакен, 2003). Почва, являясь сложной синэнергетической открытой биокосной системой, удовлетворяет общим правилам саморазвития. Процессы «жизни» почв по Роде (1947), внутреннего и внешнего взаимодействия в четырехфазной (газы, растворы, биота, твердая фаза) почвенной системе составляют сущность функционирования почвенных систем (Таргульян, Соколова, 1996). Вследствие неполной замкнутости и неполной обратимости многих «микропроцессов» в почвах образуется остаточные продукты – газовые, жидкие, твердые, их накопление лежит в основе почвообразования. Следствием неполной замкнутости и обратимости процессов функционирования является формирование почв. Однако газовые, жидкие продукты, и также почвенная биота сравнительно быстро обновляются внутри почвенной системы и не могут накапливаться в ней в значащих количествах. Единственным компонентом почвы, способным длительно накапливаться на месте, являются твердые продукты функционирования. Предложено разделять понятия процессов функционирования «жизни» почвенных систем и собственно почвообразования (Таргульян, 1983, 1985, 2005; Таргульян, Соколова, 1996). Процессы функционирования – это регулярно повторяющиеся, циклические, быстрые, часто обратимые и замкнутые процессы, с участием многих фаз почвы.

5.1. Элементы и параметры функционирования почв над подземными хранилищами природного газа

       

Функционирование почвенных систем газоносных территорий включает следующие элементы и особенности: регулярно повторяющиеся процессы притока вещества и энергии в виде углеводородных газов; периодические процессы конвективного и диффузионного переноса, рассеяния, перераспределения потоков

Таблица 1. Параметры функционирования
А

Рис. 3. Пространственное распределение специфических параметров функционирования почв на газоносной и фоновой территориях (А – фрагмент картосхемы, М 1: 45000, уменьшенный в 2 раза; Б - легенда)

Условные обозначения: - граница промышленной зоны; - граница зоны рассеяния углеводородных газов; - разрезы;

- точки опробования

- населенные пункты и техногенные объекты;

- кардинально измененный антропогенный ландшафт;

- водные объекты

В Б содержание и эмиссия метана при нормальной и сниженной закачке газа приведено через (/)

Усл. обозна-чения

Почвы и почвенные комбинации

ФОН

ЗОНА РАССЕЯНИЯ

Уровни параметров функционирования

(Агро)дерново-подзолистые супесчано-легкосуглинистые на песчано-супесчаных, иногда легкосуглинистых водно-ледниково-озерных отложениях

1:3:3(3):4a:2(2):1:1:2

влажные гг.

сухие гг.

2: 4 :3(3):4*b: 2(2) : 6/1 : 6/1: 2/1

1:6:4(3):4**b: 2(2) : 1/2 :

5/1 : 4/1

(Агро)дерново-подзолисто-глеевые супесчаные на супесчано-суглинистых водно-ледниково-озерных отложениях

1:4:3(2):3: 3(3):1:1:1

2 : 5 : 1(1) : 3:

3(3) : -/1 :

-/1 : -/5

-

Торфянисто-подзолисто-глеевые на супесчано-легкосуглинистых водно-ледниково-озерных отложениях

1:3:2(1):2: 3(3):2:1:2

1 : 2 : 2(1) : 3: 4(3) : -/1 :

7/1 : 4/2

1 : 5 : 3(3) : 4 : 1(4) : -/1 :

6/1 : 4/1

Эутрофные торфянисто- и торфяно-глеевые на глинистых водно-ледниково-озерных отложениях

2:1:2(1):1: 2(5):2:2:6

2 : 1 : 2(1) : 1: 2(5) : 2 :

6/2: 0 /6

2 : 1 : 2(1) : 1 : 2(5) : 2 :

6/1 : 8/5

(Агро)дерново-подзолы псевдофибровые супесчаные и песчаные на песчаных древнеаллювиальных отложениях

1:2:4(4):2: 2(1):2:2:0

- : - : -(-) : - :

-(-) : -/- :

6/- : 4/-

2 : 5 : 4(4) : 4 : 2(2) :-/2 :

5/2 : 3/7

(Агро)дерново-подзолисто-глеевые супесчаные на песчаных древнеаллювиальных отложениях

1:3:4(3):4: 2(3):2:2:1

- : - : -(-) : - :

-(-) : -/- :

6/- : 7/-

2 : 2 : 3(2) : 4 : 2(3) : -/6 :

5/2 : 8/7

Агроторфянисто-подзолисто-глеевые на песчаных древнеаллювиальных отложениях

1:1:4(3):3: 3(5):4:2:7

-

-

(Агро)дерново-подзолисто-глеевые супесчаные на слоистых отложениях временных водотоков

2:1:1(1):4: 1(1):1:1:2

-

1 : 3 : 3(3) : 4 : 3(4):1/- :

7/1 : 4/5

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЗОНА

Усл. обозна-чения

Почвы и почвенные комбинации

Усл. обозн. почв

Уровни параметров функционирования 

влажные гг.

сухие гг.

Хемо-техно-дерново-подзолы псевдофибровые песчаные на песчаных древнеаллювиальных отложениях

-:-:-(-):-:-(-):-/-:

6/-:4/-

2:5:4(4):4:2(2):-/2:5/2:3/7

Комплексы-мозаики хемо-техно-дерново-подзолистых (ХТДП 65,6%) почв на супесчаных водно-ледниково-озерных отложениях с хемо-техноземами (ХТГ 32,6%) и страто-хемо-техноземами (ХЗ 1,8%) на техногенном материале

ХТДП

2:3:3(3):3**c:

5(2):-/1:-/1:-/1

2:8:3(3):4:1(2) :-/1 : -/1 : -/4

ХТГ

2:2:3(2):3:5(2):6/1:7/1:4/5

-:-:-(-):-:-(-):-/-:7/1 : 3/2

ХЗ

1:1:1(1):3:5(2): -/2:7/1:4/1

-:-:-(-):-:-(-):

-/-:7/1:3/0

Комплексы-мозаики хемо-техно-подзолисто-глееватых и глеевых (ХТП 43,8%) почв на супесчаных водно-ледниково-озерных отложениях с хемо-техноземами (ХТГ 53,8%) глееватыми и страто-хемо-техноземами (ХЗ 2,4%) глееватыми на техногенном материале

ХТП

2:3:1(1):2:3(3):-/2:-/1:-/1

-:-:-(-):-:-(-):

-/-:-/2:-/4

ХТГ

-:-:-(-):-: -(-):

-/- : 6/1 : 3/0

2:5:3(3):3:2(3):-/6:5/2:4/5

ХЗ

2:3:1(1):2: 2(2):

-/7:6/1:3/7

1:4:4(3):4:2(2):-/1:5/1:4/5

Химически загрязненные торфянисто-подзолисто-глеевые на песчаных водно-ледниково-озерных отложениях

-

1:7:3(3):4:4(2):4/-:5/-:4/-

Комплексы-мозаики хемо-техно-торфянисто-глеевых почв (56,1%) на супесчаных водно-ледниково-озерных отложениях с хемо-техноземами (ХТГ 40%) глеевыми и страто-хемо-техноземами (ХЗ 3,9%) глеевыми на техногенном материале

ХТГ

-:-:-(-):-: -(-):

-/- : 6/1 : 8/3

4:4:3(3):3:2(1):5/- : 5/1 : 8/7

ХЗ

-:-:-(-):-: -(-):

-/- : 6/1 : 8/3

3:6:1(1):3:1(5):-/1 : 5/1 : 8/6

Эутрофные хемо-техно-торфянисто-глеевые на глинистых водно-ледниково-озерных отложениях

-:-:-(-):-: -(-):

-/- : -/1 : -/8

2:3:-(-):3:5(5):

-/- : 6/1 : 8/7

Б

газообразных углеводородов в почвах и процессы эмиссии их в атмосферу; комплекс абиотических и биотических процессов депонирования и утилизации газообразных углеводородов под влиянием физических, химических и биологических агентов; направленные ритмические процессы и периодические процессы преобразования, разложения и деструкции газообразных углеводородов; периодическое образование газообразных и жидких веществ, перенос их в атмосферу и гидросферу; периодическое и фрагментарное образование твердых веществ, формирование почвенных новообразований.

Организация и эксплуатация подземных газохранилищ, как было показано выше, сопровождается миграцией газообразных углеводородов к поверхности. В результате этого процесса формируются приповерхностные ореолы рассеяния углеводородных газов. Появление техногенно-аллохтонного и аллохтонного метана в почвенной системе приводит к специфическим изменениям в ее функционировании. Функции почвенного покрова задерживать и трансформировать образующийся в самой почве автохтонный и мигрирующий из газовой залежи техногенно-аллохтонный метан, предотвращая его эмиссию в атмосферу, осуществляются с помощью специфических свойств почвенной системы. Почвенные свойства и процессы, изменяющиеся при взаимодействии метана с другими фазами или обуславливающие эти изменения, характеризуются параметрами функционирования. При нарастании потоков метана на газоносной территории происходит изменение параметров функционирования почвенного покрова. При этом выделяются параметры функционирования первого порядка, изменяющиеся от увеличения потоков техногенно-аллохтонного метана (табл. 1, № 2, 4, 6, 7, 8) и второго порядка (табл. 1, № 1, 3, 4, 5), не связанные с ними, а зависящие от почвенных характеристик, но влияющие на изменение параметров свойств первого порядка. Параметры функционирования первого порядка зависят от свойств почв: пористости аэрации (Пg) и общей пористости (ОП), гранулометрического состава и удельной поверхности (УП) почвенных частиц, гумусированности и засоленности почв.

Процессы функционирования – молекулярная адсорбция на поверхности почвенных частиц, изменение скорости диффузии при смене гранулометрического состава и влажности почвенных горизонтов, окисление микроорганизмами – приводят к формированию почвенно-геохимических барьеров – участков с замедлением миграции метана и его накоплением в почвенных средах. С этих позиций исследованы сорбционные, диффузионные, биогеохимические и окислительно-восстановительные барьеры. Сорбционный барьер оценивается по абиотическому поглощению метана и удельной поверхности почв; диффузионный – по коэффициенту диффузии метана в почвах; биогеохимический – по активности бактериального окисления метана, окислительно-восстановительный барьер – по величине Eh.

Степень емкости барьеров соответствует градациям, приведенным в табл. 1. Для сорбционного (биогеохимического): малоемкий – 1 (1+2), среднеемкий – 2 (3+4), емкий – 3 (5+6), высокоемкий – 4 (7+8) и очень высокоемкий – 5. Для диффузионного – обратный порядок. Для окислительно-восстановительного: 1 – восстановительный; 2, 3, 4 - малоемкий, емкий и высокоемкий окислительный барьер, соответственно. На рис. 3 показано пространственное распределение параметров функционирования для всех почв.

5.2. Образование автохтонного и рассеяние техногенно-аллохтонного и аллохтонного метана в почвах. Образование газовых аномалий.

Одним из параметров функционирования является содержание остаточного рассеянного свободного метана в почвенном воздухе (далее – содержание метана). Среднее содержание метана в автоморфных почвах фоновых территорий варьирует от 0 до 2 ppm, не превышая его средние концентрации в атмосфере (рис. 4, Ф). Содержание автохтонного метана увеличивается от автоморфных к полугидроморфным и гидроморфным почвам вслед за увеличением его микробиологического образования и емкости диффузионных и сорбционных барьеров. На газоносной территории с учетом геологических особенностей и условий миграции газов из недр содержание метана варьирует в широких пределах от 1 до 10000 ppm. Газовые геохимические аномалии выделяются в автоморфных почвах при содержании метана более 1,4 (в Московской области) и 2,5 ppm (в Ставропольском крае), в полугидроморфных –более 6,1(10) ppm. Содержание метана в почвенном воздухе зависит от геологических, технологических и эксплуатационных условий. Образуются новые локальные газовые аномалии различной сложности и контрастности, отсутствующие на картах до строительства подземных газохранилищ (Могилевский, 1947, 1960).

Ореолы рассеяния метана

над геологическими структурами

и технологическими объектами:

ПХГ-1, ПХГ-2 - подземные

хранилища газа 

Ч - Чокракская газовая залежь;

Т - зоны трещиноватости 

геологических  структур; 

П - Зоны выхода

газоносных пород

на поверхность;

Ф - региональный фон;

И - истощенная газовая залежь;

Г - районы проявления грифонов

А - районы

автохтонного  метанопроявления

- ключевые  участки 

Содержание метана  в поверхностных горизонтах почв  ppm (Med):

0-2 (1,2)

2-5 (3,4)

5-9 (7,2)

9-14 (12,1)

Содержание метана в почвенном профиле (Med) ppm:

ореол рассеяния

ПХГ2,Ч

ПХГ1, Ч

Т

Ф

Скважи-ны

скважи-ны

грифоны

технолоческие. объекты

№ ключевого участка

1

2

5

6

7

8

9

3

4, 10

В автоморфных почвах

5,2

7,7

20,0

10,0

5,9

30,2

73,3

6,9

2,0

В полугидро-морфных почвах

6,7

1,2

-

47,5

30,4

6,6

-

9,3

1,2

Рис .4. Содержание метана в почвах над месторождением природного газа и подземными газохранилищами

Возникновение локальных аномалий обусловлено разными причинами, а отношения содержания метана в почвах к фоновым показателям могут составлять разы и десятки раз (рис. 4). Так, например, над разбуренной во время строительства подземных газохранилищ Чокракской газовой залежью в пределах промышленных зон ПХГ-1, ПХГ-2, в прискважинных ореолах при конвективных потоках газа, связанных с негерметичостью скважин и повышенным пластовым давлении газа, названные отношения варьируют от 3 до 30; в межскважинных ореолах при боковой транслакации газа и диффузионных потоках метана от 1 до 3 раз; в поверхностных горизонтах остаточных ореолов над истощенными газовыми залежами (3,5); в ореолах над площадями низкого пластового давления за пределами разбуренной газовой залежью приближается к фоновому содержанию (рис. 4).

Над трещиноватыми геологическими структурами и в ореолах рассеяния, обусловленных выходом на поверхность газоносных пород, повышенное содержание свободного аллохтонного метана в почвах отмечалось до строительства газохранилищ. В настоящее время содержания метана превышает фоновые в 3-7 раз (рис. 4). В экспериментальных условиях прекращения компрессии природного газа в газохранилище, содержание в почвах метана уменьшалось до фонового содержания. Таким образом, высокое содержание метана в почвах связано с интенсивностью его потоков, обусловленных технологическими и эксплуатационными особенностями и геологическим строением газоносной территории. Медианные значения содержания свободного метана в газовой фазе автоморфных почв превышают фоновые значения в единицы и десятки раз.

5.3. Депонирование автохтонного, техногенно-аллохтонного и аллохтонного метана. Формирование диффузионных и сорбционных барьеров

Содержание метана в почвах в значительной степени регулируется их диффузионной проницаемостью и сорбционной ёмкостью. Метан депонируется почвой: задерживается при низкой диффузионной проницаемости, частично растворяется в жидкой фазе почв при уменьшении температуры, концентрируется на поверхности почвенных частиц путем молекулярной сорбции газа, формируя сорбционные и диффузионные геохимические барьеры. Мерой диффузионной проницаемости почв является эффективный коэффициент диффузии (D). Диффузионная проницаемость почв зависит от отношения пористости аэрации к общей пористости (Пg/ОП) и гранулометрического состава и описывается графической моделью (рис. 5). С утяжелением (облегчением) гранулометрического состава и уменьшением (увеличением) отношения пористости аэрации к общей пористости диффузионная проницаемость падает (растет).

Депонирование метана в почвах происходит при снижении его коэффициента диффузии на горизонтах-барьерах. Такими барьерами являются иллювиальные, глеевые и техногенные седиментационные слои и горизонты. Ёмкость диффузионного барьера для метана резко увеличивается от автоморфных к полугидроморфным почвам, от почв с легким гранулометрическим составом к тяжелому и растет в следующем ряду почв: дерново-подзолы, дерново-подзолистые, дерново-(торфянисто)-подзолисто-глеевые и торфянисто-глеевые почвы. Среди черноземов близкой диффузионной проницаемостью характеризуются черноземы миграционно-сегрегационные на засоленных делювиальных отложениях, увеличиваясь к аналогам на элюво-делювии коренных пород и покровно-скелетных, лессовидных и лессовидно-покровных отложениях. Различная степень диффузионной проницаемости обуславливает формирование соответственно низкоёмких, ёмких, высокоёмких и очень высокоёмких диффузионных барьеров.

Рис. 5. Зависимость эффективного коэффициента диффузии (Dэф) метана в почве от отношения её пористости аэрации (Пg) к общей пористости (ОП) и гранулометрического состава

В периоды нормального увлажнения почв диффузионная проницаемость уменьшается по сравнению с периодами их иссушения. Высокая диффузионная проницаемость обуславливает интенсивный массоперенос газа, снижение активности бактериального окисления метана и эмиссию его в атмосферу. Низкая диффузионная проницаемость способствует накоплению метана в почвенном профиле, увеличению активности бактериального окисления и его утилизации в профиле.

Мерой сорбционной емкости почв является активность абиотического поглощения метана, которая зависит от гранулометрического состава, дисперсности и удельной поверхности. Емкость сорбционного барьера уменьшается почти в 2 раза от дерново-подзолистых почв на водно-ледниково-озерных отложениях к дерново-подзолам псевдофибровым на древнеаллювиальных отложениях, что связано с уменьшением удельной поверхности и абиотического поглощения метана в почвах более легкого гранулометрического состава. Наблюдается увеличение рассматриваемых параметров от автоморфных к полугидроморфным и гидроморфным почвам с торфяными и глеевыми горизонтами с высокой удельной поверхностью (УП), зависящей от содержания органического вещества (УП = 46,1+14,98·Сорг, r = 0,65, n = 211, p < 0,05). Техногенные седиментационные буровые горизонты характеризуются низкой диффузионной проницаемостью и высокой сорбционной емкостью; они являются наиболее емкими диффузионными и сорбционными барьерами для метана. Напротив, техногенные стратифицированные песчаные горизонты характеризуются малоемкими депонирующими барьерами. Низкая удельная поверхность и абиотическое поглощение способствуют десорбции метана, увеличению его содержания в газовой фазе и затруднению использования микроорганизмами. Кроме того, количество самих микроорганизмов в почве зависит от ее сорбционных свойств. Таким образом, депонирование метана в почвах осуществляется с помощью функционирования сорбционных и диффузионных геохимических барьеров-горизонтов, ограничивающих дальнейшую миграцию газов, предотвращая эмиссию метана в атмосферу. Депонирование газов в почве способствует развитию активности бактериального окисления метана.

5.4. Бактериальное окисление автохтонного, техногенно-аллохтонного и аллохтонного метана в почвах. Формирование биогеохимических барьеров в почвах в летний период.

Активность бактериального окисления метана на фоновой территории обусловлена его микробиологическим образованием в почвах и зависит от окислительно-восстановительных условий. Бактериальное окисление метана увеличивается от дерново-подзолов псевдофибровых и дерново-подзолистых почв к дерново(торфянисто)-подзолисто-глеевым и снижается в торфяно-глеевых почвах с восстановительными условиями (рис. 6).

Почвы

Дерново-подзолистые, иногда глееватые

Дерново-подзолисто-глеевые

Торфянисто-подзолисто-глеевые

Торфя-нисто-(торфяно)-глеевые

Ф

ЗР

н а в о д н о - л е д н и к о в о - о з е р н ы х  о т л о ж е н и я х

Дерново-подзолы псевдофибровые

Дерново-подзолисто-глеевые

Торфянисто-подзолисто-глеевые

-

Ф

н а  д р е в н е а л л ю в и а л ь н ы х о т л о ж е н и я х

ЗР

Хемо-техно-дерново-

подзолистые

Хемо-техно-почвы глеевые по дерново-подзолисто-глеевым

Хемо-техно-почвы глеевые по торфянисто-подзолисто-глеевым

Хемо-техно-торфянис-то-глеевые

П

н а в о д н о - л е д н и к о в о - о з е р н ы х  о т л о ж е н и я х

Ф – фоновая территория, ЗР – зона рассеяния, П – промышленная зона

Рис. 6. Активность бактериального окисления метана в основных почвах различных геохимических зон (летний период)

Циклы образования и окисления метана в автоморфных и полугидроморфных почвах являются замкнутыми, метанокисление доминирует над его образованием, эмиссия метана в атмосферу отсутствует. В гидроморфных почвах дисбаланс метанобразования и метанокисления приводит к появлению свободного автохтонного метана, а хорошо выраженные диффузионные и сорбционные барьеры способствуют его накоплению. Избыток метана выделяется в атмосферу.

На газоносных территориях почвы экранируют метановые потоки из недр.. Активность бактериального окисления метана почвами в целом повышается, имеет специфические особенности и обусловлена следующими причинами.

    • Неоднородность бактериального окисления метана обусловлена степенью проявления газовых аномалий, тесно связанных с интенсивностью потоков из недр (рис. 4, 7). Наиболее интенсивным техногенно-обусловленным газовым ореолам в районе ПХГ 1, соответствуют умеренные бактериальные аномалии; в районе ПХГ 2, где техногенные потоки газа менее интенсивны, бактериальные аномалии отсутствуют. Бактериальные аномалии различной сложности и контрастности выделяются в дерново-подзолистых почвах при средневзвешенных показателях бактериального окисления выше 17,9 нг/г ч-1; в дерново-подзолисто-глеевых почвах – 13,9 нг/г ч-1, черноземах миграционно-сегрегационных 18 нг/г ч-1; гидрометоморфизованных –  21 нг/г ч-1 .
    • Неоднородность бактериального окисления метана обусловлена механизмом поступления метана в почвы. Бактерии поглощают и окисляют слабые диффузионные потоки метана, образуя мощные биогеохимические барьеры. Конвективные потоки метана усваиваются слабее, следствием чего является понижение активности бактериального окисления метана и формирование менее мощных биогеохимических барьеров в аналогичных почвах. Наиболее мощные биогеохимические барьеры образуются в природных почвах при слабых диффузионных потоках в зонах рассеяния углеводородных газов. В зонах конвективных потоков метана на техногенных почвах и выходах газоносных пород на поверхность на эродированных почвах формируются наименее емкие биогеохимические барьеры. Из сказанного следует, что почвы обладают различными ответными реакциями на механизмы массопереноса, т.е. различной рефлекторностью.
    • Неоднородность бактериального окисления метана внутри каждой аномалии обусловлена структурой почвенного покрова. Почвы дифференцируют газовые потоки. Для каждого почвенного типа устанавливается только ему присущая активность бактериального окисления метана, которая зависит от содержания гумуса и мощности гумусового горизонта, степени засоления и химического состава солей, гранулометрического состава и дисперсности. В пределах аномалии промышленной зоны, расположенной в зоне техногенной и природной трещиноватости геологических структур наибольшая активность бактериального окисления метана характерна для чернозёмов миграционно-сегрегационных на лессовидных и покровных отложениях – они характеризуются наиболее емкими биогеохимическими барьерами. Очень высокая емкость биогеохимических барьеров этих почв способствует уменьшению, и даже ликвидации газовых аномалий (рис. 4, 7). Средняя активность бактериального окисления метана характерна для черноземов различного гранулометрического состава щебнисто-каменистых, сформированных на элюво-делювии коренных пород и покровно-скелетных отложениях – для них характерны биогеохимические барьеры средней емкости. Наименьшая активность бактериального окисления метана отмечается в чернозёмах миграционно-

Условные обозначения

Уровни емкостей биогеохимических барьеров

в черноземах миграционно-сегрегационных* и гидрометаморфизованных**(нг/г ч )

Интегральная оценка

поверхностные образцы  профиль(

Низкий –  0-10

7*; 20**

Суммарная емкость

биогехимического барьера за летний период 3834 тонны.

Умеренный– 10-20

23,6*; 26,7**

Высокий–  20-30

31,5*; 34,4**

Очень высокий – более 30

32*; 30**

Рис. 7. Бактериальное окисление метана в почвах

Условные обозначения см. на рис.4. Основные почвы: 1. Черноземы миграционно-сегрегационные карбонатсодержащие на лессовидных и покровных отложениях; 2. Черноземы миграционно-сегрегационные карбонатсодержащие слабогумусированные на покровно-скелетных отложениях; 3. Черноземы миграционно-сегрегационные карбонатсодержащие слабогумусированные тяжелосуглинистые на элюво-делювии коренных пород; 4. Черноземы миграционно-сегрегационные сильносмытые на делювиальных отложениях; 5 Черноземы миграционно-сегрегационные карбонатсодержащие слабосолончаковатые слабогумусированные тяжелосуглинистые, средне- и сильноглубокосолончаковатые на глинистых засоленных отложениях. 6. Сочетания черноземов миграционно-сегрегационных карбонатсодержащих  подтопляемых на лессовидных и покровных отложениях

сегрегационных маломощных слабогумусированных слабозасолённых и сильносмытых на делювиальных, часто засоленных, глинах и суглинках – для них характерны малоемкие геохимические барьеры. Низкая активность бактериального окисления метана обусловлена высокой токсичностью солей хлоридно-содового химического состава, ингибирующих развитие бактерий. В районах проявления автохтонного метана на гидроморфных почвах отмечаются наложенные бактериальные аномалии высокого уровня.

В пределах газовой аномалии, сформированной над искусственной газовой залежью, активность бактериального окисления метана повышается в дерново-подзолах, дерново-подзолистых почвах, в сухие годы статистически достоверно выше в 2 – 3 раза по сравнению с фоновой территорией (рис. 6). В пределах зоны рассеяния углеводородных газов содержание активности бактериального окисления метана по профилю дерново-подзолов, дерново-подзолистых и дерново-подзолисто-глеевых почв возрастает с глубиной в 2-5 раз по сравнению с фоном. В гидроморфных почвах окисления техногенно-аллохтонного метана не происходит. В промышленной зоне в хемо-техноземах и особенно в страто-хемо-техноземах засоленных происходит снижение бактериального окисления метана. Высокие показатели окисления могут наблюдаться при содержании легкорастворимых солей до 0,3% и резко снижаются при повышении засоления до 0,7% и выше. В условиях снижения компрессии газа функционирование бактериальных аномалий над искусственными газовыми залежами возможно при отсутствии явных проявлений газовых аномалий.

5.4.1 Активность бактериального окисления метана в почвах в летний период при различных гидротермических условиях над искусственными газовыми  залежами. Интенсивность окисления техногенно-аллохтонного метана на газоносной территории варьирует в различные годы. Большое влияние оказывают гидротермические условия: уменьшение влажности почв при снижении количества осадков, увеличение отношения Пg/ОП повышает диффузионную проницаемость почв и способствует более интенсивной миграции газа в профиль почвы. Наибольшая активность окисления метана наблюдается при коэффициентах диффузии > 0,01 см2/сек, Пg/ОП 0,5-0,8, влажности до 10%. Активность бактериального окисления метана статистически достоверно в 1,7-2,9 раза выше в сухие годы, чем во влажные. Максимальное окисление техногенно-аллохтонного метана в дерново-подзолистых почвах в сухие годы достигается вследствие высокого коэффициента диффузии и окислительной обстановки. В условиях повышения влажности, при увеличении количества осадков или степени гидроморфизма, в торфянисто-подзолисто-глеевых и торфяно-глеевых почвах скорость диффузии газов значительно замедляется, понижается окислительно-восстановительный потенциал. Это способствует удерживанию и накоплению техногенно-аллохтонного метана под нижними горизонтами. Вследствие депонирования метана под нижними горизонтами в вышележащие горизонты метан почти не поступает и не вызывает увеличения активности его бактериального окисления. В природных и природно-техногенных автоморфных почвах в сухие годы на окисление техногенно-аллохтонного от общей активности окисления приходится 63-74% метана, во влажные годы меньше – 26-37%. В полугидроморфных и гидроморфных почвах в сухие годы происходит снижение доли окисления техногенно-аллохтонного метана: в дерново-подзолисто-глеевых почвах – около 30% метана, в торфянисто-подзолисто-глеевых – 24%, в хемо-техно-подзолисто-глеевых почвах промышленной зоны – 37-46%, в хемо-техно-глеевых – 20%. Во влажные годы техногенно-аллохтонный метан в торфянисто-подзолисто-глеевых и торфяно-глеевых почвах не окисляется.

5.4.2. Сезонная динамика активности бактериального окисления метана в почвах над искусственной газовой залежью. Для весеннего периода характерна невысокая активность бактериального окисления метана во всех почвах, что, по-видимому, обусловлено длительным периодом выхода метанотрофных микроорганизмов из латентного состояния (Паников, Зеленев, 1992). Бактериальное окисление метана в почвах зоны рассеяния углеводородных газов в это время не превышает фоновое, с сохранением общей тенденции снижения активности бактериального окисления метана от автоморфных к гидроморфным почвам. Сказанное позволяет признать факт отсутствия окисления техногенно-аллохтонного метана. Максимальная активность бактериального окисления метана проявляется летом. В осенний период окисление метана снижается в 1,4-2 раза по сравнению с летним, что обусловлено понижением температуры почвы и повышением растворимости метана в почвенной влаге, увеличением влажности и снижением диффузионной проницаемости почв. В осенний период для всех почв характерно увеличение активности бактериального окисления метана вниз по профилю, что объясняется миграцией метанотрофов в более теплые нижние слои почвы в холодное время года.

Таким образом, в почвах газоносных территории формируются бактериальные аномалии различной интенсивности и контрастности. Неоднородность бактериального окисления метана обусловлена интенсивностью поступления газа из недр, механизмом поступления газа, а внутри аномалий – структурой почвенного покрова. Бактериальное окисление метана в почвах газоносной территории превышает фоновые показатели в 2–9 раз. Ёмкости биогеохимических барьеров зависят от ряда свойств почв, сорбционных и диффузионных барьеров. Почвы подверженные техногенным трансформациям характеризуются пониженными емкостями биогеохимических барьеров. В сухие годы окисление техногенно-аллохтонного метана выше, чем во влажные, в летний и осенний период – выше, чем в зимний и весенний периоды. Максимальное окисление техногенно-аллохтонного метана достигается вследствие окислительной обстановки и низкой емкости диффузионного барьера.

5.5. Эмиссия техногенно-аллохтонного, аллохтонного и поглощение атмосферного метана на газоносной территории

5.5.1 Эмиссия техногенно-аллохтонного, аллохтонного и поглощение атмосферного метана на газоносной территории в летний период. Бактериальное окисление метана в почвах оказывается неполным. Происходит накопление метана в почвах до уровней, превышающих концентрацию метана в приземном слое атмосферы. Возникает определенный градиент концентраций в газовой системе почва-атмосфера, который и является основной причиной атмотропического процесса и эмиссии метана в атмосферу. Согласно экспериментальным данным, при отсутствии в почвах горизонтов-барьеров с низкой диффузионной проницаемостью величина эмиссии метана с поверхности почвенного покрова коррелирует с усредненными по профилям эффективными коэффициентами диффузии. Зависимости оказываются прямыми: эмиссия = -0,441+0,00120Dэф, r=0,65 n = 50, p< 0,05. При повышении содержания атмосферного метана эмиссия метана в атмосферу постепенно сменяется на поглощение атмосферного метана – геотропические потоки. Поток переходит от положительных величин (эмиссия метана) к отрицательным величинам (поглощение атмосферного метана) в определенном диапазоне Dэф равного 0,04-0,05см2/сек. Изменение направления потока от атмотропического на геотропический происходит в интервале атмосферных концентраций 7-9 ppm. Поглощение метана коррелирует с его концентрацией в приземной атмосфере (поглощение = -0,55 + 0,51·С СН4 в атм., r = 0,78, n = 303, p < 0,05), поэтому на газоносной территории с более высоким содержанием метана в приземном слое воздуха в годы с нормальной компрессией оно интенсивнее, чем на фоновой. Более четкая корреляция интенсивностей потоков, Dэф и концентраций атмосферного метана осложняется наличием в атмосфере газообразных загрязнителей, способных менять направления потоков метана.

В летний период в условиях высоких температур и испаряемости в черноземной зоне над ПХГ-1 и ПХГ-2 в пределах Чокракской залежи с поверхности черноземов эмиссия метана в атмосферу проявляется с интенсивностью 0,001-0,1 мг/м2 в час (рис. 10). Фрагментарно выделяются участки с более высокой эмиссией, достигающей 0,14-1,2 мг/м2 в час и связанной с конвективными потоками метана, обусловленной негерметичностью скважин и грифонами. При высоких давлениях в скважинах (до 90 атм. в ПХГ-1) эмиссия метана проявляется в непосредственной близости от скважин. При более низких давлениях в скважинах (20 атм.) эмиссия метана в атмосферу не обнаруживается или иногда проявляется на некотором расстоянии (50-60 м), варьируя по интенсивности в зависимости от емкости биогеохимического барьера, зависящего от свойств почв. В зонах трещиноватости геологических структур и выходе газоносных пород на поверхность фрагментарно при низкой емкости геохимических барьеров эмиссия метана в атмосферу составляет 0,02-0,04 мг/м2 в час. Поглощение атмосферного метана проявляется фрагментарно, но всегда преобладает по площади по сравнению с эмиссией метана.

В условиях более низких температур и испаряемости в дерново-подзолистых почвах в зоне рассеяния углеводородных газов в летний период, как правило, преобладает поглощение атмосферного метана автоморфными и полугидроморфными почвами. Эмиссия техногенно-аллохтонного метана проявляется в сухие годы в зонах трещиноватости геологических структур и в основном с дерново-подзолисто-глеевых песчаных почв с малоемкими геохимическими барьерами. Интенсивности проявления эмиссии метана довольно высоки. В промышленной зоне эмиссия метана в атмосферу уменьшается и сменяется на поглощение по мере удаления от негерметичных скважин при снижении концентрации метана и переходе от почвоподобных тел к природно-техногенным почвам (рис. 8). При нормальной компрессии природного газа в газохранилище в сухие годы эмиссия метана из страто-хемо-техноземов и хемо-техноземов глеевых в 2 раза превышает показатели влажных лет, что свидетельствует о том, что при определенных условиях и гидроморфные почвы могут пропускать потоки техногенно-аллохтонного метана в атмосферу.

5.5.2. Сезонная динамика эмиссии метана в атмосферу. На фоновой территории в течение всего года суммарная эмиссия метана в атмосферу с поверхности автоморфных и полугидроморфных почв не проявляется. Исключение составляют гидроморфные почвы. С полугидроморфных почв максимальные потоки автохтонного метана проявляются в весенний период 0,04 мг/м2 в час; в летний период – отсутствуют или в 2 раза ниже; в осенний период – в 2-5 раз ниже весенних. На газоносных территориях сохраняются природные тренды, но интенсивности проявления эмиссии метана в атмосферу резко увеличиваются. В весенний период эмиссия метана в атмосферу достигает существенных величин, что является следствием, как уже упоминалось, невысокой активности бактериального окисления метана.

Рис. 8  Распределение эмиссии и поглощения метана из атмосферы  по мере удаления от скважин в промышленной зоне (мг·м2·сут-1)

Условные обозначения: ХЗ – страто-хемо-техноземы, ХТГ – хемо-техноземы, ХТДП – хемо-техно-дерново-подзолистые почвы, - точки опробования, ).. S – скважины; 

46198130, 7439030 – координаты, м;

Вместе с тем, при повышении температуры от зимнего к весеннему периоду происходит снижение растворимости метана в почвенной влаге и усиление интенсивности диффузионно-конвективных газово-паровых потоков, эмитирующих в атмосферу. В осенний период при снижении температуры почвы до 0-5С и увеличении влажности усиливается растворимость метана в почвенной влаге, снижается диффузионная проницаемость, замедляется миграция газов и уменьшается содержание метана в почвенном воздухе. Уменьшение активности бактериального окисления метана в осенний период способствует его эмиссии в атмосферу. Результирующая величина эмиссии метана в атмосферу оказывается меньшей, чем в весенний период. В годы с низкой компрессией газа весной потоки метана в атмосферу снижаются на 2 порядка по сравнению с нормальной компрессией.

Таким образом, изменение направления потока метана (смена эмиссии техногенно-аллохтонного метана на поглощение атмосферного) происходит в диапазоне атмосферных концентраций метана 7-9 ppm, Dэф равного 0,04-0,05см2/сек, что является следствием функционирования почвенного покрова как специфической двусторонней периодически проницаемой мембраны, регулирующей массоперенос посредством функционирования почвенно-геохимических барьеров. Сезонная динамика эмиссии метана в атмосферу контролируется бактериальным окислением в почвах и диффузионной проницаемостью и зависит от компрессии газа.

5.6. Массовый баланс эмиссии, поглощения и окисления метана в почвах газоносной территории

Потоки природного газа задерживаются почвой и расходуются на бактериальное окисление (90-99%) и эмиссию метана в атмосферу (1-10%) (рис. 9, 10). Годовая интенсивность внутрипочвенного бактериального окисления техногенно-аллохтонного метана больше его эмиссии в атмосферу на 1-2 порядка; автохтонного метана – на порядок. Интенсивность эмиссии техногенно-аллохтонного метана в годовых циклах и летний период в районах подземного газохранилища в дерново-подзолистой зоне соответственно в 3 и 1,5 раза выше, чем черноземной зоне. Емкость биогеохимического барьера в 2 раза выше в черноземах миграционно-сегрегационных, чем дерново-подзолистых почвах, что объясняется более емкими сорбционными диффузионными барьерами первых. Отношение активности бактериального окисления метана в пределах газовой аномалии к аналогичным показателям фоновых территорий составило 13 в дерново-подзолистой зоне против 2,5 в черноземной зоне. Годовая интенсивность поглощения атмосферного метана черноземами выше (на 40%) эмиссионного потока в атмосферу и составляет 70% эмиссионного потока из дерново-подзолистых почв. Характерна чрезвычайно сильная изменчивость эффективности балансов функционирования почв в сезонной и годовой динамике, в зависимости от технологических особенностей. В различные в гидротермическом и технологическом отношении периоды в почвах складываются различные типы балансов функционирования. Так, например, в летний период на подземных газохранилищах в черноземной зоне в пределах определенных структур почвенного покрова по соотношению взаимосвязанных параметров функционирования, отражающих эмиссию и сток метана, механизмам  массопереноса, площади изменения параметра по отношению к фоновой почве выделено несколько типов балансов функционирования почв (ТБФ).

1. Весьма эффективный ТБФ. Весьма емкий биогеохимический барьер, слабая эмиссия. В промышленной зоне в условиях рассеяния слабых диффузионных потоков техногенно-аллохтонного метана в пределах черноземов миграционно-сегрегационных и гидрометаморфизованных преимущественно на лессовидно-покровных, покровно-скелетных отложениях и элюво-делювии коренных пород сформированы емкие и весьма емкие биогеохимические диффузионные и сорбционные барьеры. Емкость биогеохимических барьеров черноземов миграционно-сегрегационных достигает соответственно 543 кг/га и почти в 3 раза превышает аналогичную величину на фоновой территории. Эмиссия техногенно-аллохтонного метана в атмосферу не проявляется или слабо проявляется – до 1 кг/га. Площадь изменения параметров по отношению к фоновой почве – 25%.

2. Эффективный ТБФ. Емкий биогеохимический барьер, слабая эмиссия. Над зонами трещиноватости геологических структур, в условиях рассеяния слабых диффузионных потоков аллохтонного метана в пределах черноземов миграционно-сегрегационных слабощебенчатых преимущественно на покровно-скелетных и делювиальных отложениях, а также элюво-делювии коренных пород сформированы в основном емкие биогеохимические барьеры. Эмиссия техногенно-аллохтонного метана в атмосферу слабо проявляется – до 0,8 кг/га. Площадь изменения параметра по отношению к фоновой почве – 13%. Емкость последних составляет 389 кг/га, что в 2 раза выше аналогичной величины на фоновой территории.

Рис. 9. Массовый годовой баланс техногенно-аллохтонного, атмосферного метана при подземном хранении природного газа

Примечание: влажные годы – сухие годы при нормальной закачке (влажные годы – сухие годы при сниженной на 2/3 закачке).

М – масса метана, т/год; И – интенсивность процессов, кг/га в год.

* - даны средневзвешенные величины интенсивностей с учетом доли различных типов почв в почвенном покрове

Техногенно-аллохтонный  Атмосферный

  и  аллохтонный  метан метан

Эмиссия-135,5/24,8 т Поглощение-309/137т

Интенсивность-4/1,0 кг/га Интенсивность -4,9(6,4)/1,9 кг/га

Бактериальное окисление техногенно-аллохтонного и Бактериа

Бактериальное окисление техногенно-аллохтонного и аллохтонного метана Общая масса метана - 6405(3843) т. Интенсивность окисления метана - 586(345) кг/га.

Рис 10. Массовый баланс техногенно-аллохтонного и атмосферного метана в почвах (годовой/летний период). Эмиссия метана в атмосферу. Типы ТБФ

3. Малоэффективный ТБФ. Малоемкий биогеохимический барьер, сильная эмиссия. В непосредственной близости у скважин промышленной зоны в условиях конвективных газовых потоков техногенно-аллохтонного метана в пределах техногенных структур хемо-техно-черноземов, хемо-техноземов на природно-техногенных и техногенных отложениях сформированы малоемкие биогеохимические барьеры. Емкость последних составляет 353 кг/га и превышает фоновые значения в 1,7 раза. Эмиссия техногенно-аллохтонного метана в атмосферу достигает высоких величин – 1,9 кг/га. Площадь изменения параметра по отношению к фоновой почве – 1,4%.

4. Неэффективный ТБФ. Весьма малоемкий биогеохимический барьер, сильная эмиссия. Над зонами выхода газоносных пород к поверхности в условиях конвективных газовых потоков аллохтонного метана в пределах черноземов миграционно-сегрегационных сильносмытых дефлируемых преимущественно на делювиальных и засоленных отложениях сформированы весьма малоёмкие биогеохимические барьеры. Емкость последних достигает 321 кг/га, превышает фоновые характеристики в 1,7 раза. Эмиссия техногенно-аллохтонного метана в атмосферу достигает высоких величин – 2,2 кг/га. Площадь изменения параметра по отношению к фоновой почве – 9%.

5. Фоновый ТБФ. Находящиеся над газовыми залежами природные почвы и не испытывающие их влияния. По окраинам территории над газовыми залежами в пределах черноземов миграционно-сегрегационных с неизмененными параметрами функционирования (около 52% площади). Фоновая емкость биогеохимического барьера составляет 187 кг/га. Значительные площади почв, не испытавших влияние газовых залежей, свидетельствуют о высокой герметичности естественных (ныне искусственных) газовых залежей. Над территорией подземного газохранилища в дерново-подзолистой зоне все почвы испытывают влияние техногенно-аллохтонных потоков метана.

Глава 6. Деструкция метана в почвах фоновых и газоносных территорий

Бактериальное окисление автохтонного, аллохтонного и техногенно-аллохтонного метана в иллювиальных горизонтах (агро, хемо, техно)-дерново-подзолистых почв приводит к цепи повторяющихся циклических процессов. Процессы преобразования метана осуществляются кооперативным сообществом микроорганизмов: в начале пищевой цепочки метанотрофами ассимилируется недоступный для других микроорганизмов метан в последовательности реакций: CH4CH3OHHCHOHCOOHCO2, соотношение продуктов которых зависит от условий аэрации (Иванов,1988, Гальченко, 2001).

Значительная часть образованной двуокиси углерода, по-видимому,  эмитирует в атмосферу. По данным газовой съемки эмиссия диоксида углерода в атмосферу над газоносными территориями в 3-4 раза выше среднесуточной ее эмиссии для природных источников в южно-таежной зоне. Содержание диоксида углерода в атмосфере над подземным газохранилищем в несколько раз превышает ПДК. (рис. 11).

В условиях оптимальной аэрации увеличение активности бактериального окисления в почвах сопровождается повышением биомассы метанотрофных микроорганизмов. В условиях затрудненной аэрации образуются и выделяются промежуточные продукты окисления, являющиеся субстратами для последующего развития факультативных метилотрофов. Описанные тренды прохождения реакции окисления метана характерны как для газоносной, так и для фоновой территории. Вследствие более интенсивного процесса окисления метана в почвах газоносной территории численность метилотрофов повышается в среднем на порядок (19·106 кл/г почвы) по сравнению с фоновой территорией (8·106 кл/г почвы). Рост численности сопровождается увеличением биомассы метилотрофов.

Зона рассеяния углеводородных газов:1--  дерново-подзолы псевдофибровые

11—дерново-подзолистые; 111 дерново-подзолистые глеевые; Промышленная зона: 1V  комплексы-мозаики хемо-техно-дерново-подзолистых почв с хемо-техноземами и страто-хемо-техноземами;  V- комплексы-мозаики хемо-техно-дерново-подзолисто-глеевых  почв с оглееными  хемо-техноземами и страто-хемо-техноземами; V1-. комплексы-мозаики хемо-техно - глеевых  почв с хемо-техноземами глеевыми и страто-хемо-техноземами глеевыми

Рис. 11. Массовый баланс (т), интенсивность эмиссии (И) СО2 (гС-СО2./м2 в сут) на газоносной территории.

При высоких значениях Eh (>500 мВ) и нормальной аэрации биомасса метанотрофов составляет 50-66% от всех метилотрофов. Эти микроорганизмы представлены родами Methylomonas и Methylococcus и определены по мононенасыщенным жирным кислотам с 16 атомами углерода. В хемо-техно-дерново-подзолистых почвах промышленной зоны их в 1,5 раза выше, чем в фоновых почвах. При недостатке кислорода и сниженном Eh (400-500 мВ) преобладают факультативные метилотрофы, доля биомассы которых увеличивается до 89-93%. Среди них выделяются организмы, способные помимо С1-соединений и органических веществ использовать этан, пропан и бутан. К таким газоиспользующим метилотрофам относятся роды Pseudomonas, Mycobacterium, Nocardia. В почвах зон рассеяния и промышленной зоны происходит значительное увеличение биомассы газоиспользующих микроорганизмов (в 4-12 раз). Среди остальных метилотрофов преобладают метилотрофы, относящиеся к родам Micrococcus, Bacillus, Streptomyces. В почвах газоносной территории их биомасса в 2-2,5 раза выше по сравнению с фоновой.

Средние запасы биомассы метилотрофных микроорганизмов в 20 см супесчаных иллювиальных горизонтов с плотностью 1,7 – 1,8 г/см3 составляют 1453 кг/га в зоне рассеяния, 1272 кг/га – в промышленной зоне, что примерно в 2 раза выше, чем на фоновой территории (635 кг/га). Для сравнения запасы бактериальной биомассы для гумусовых горизонтов дерново-подзолистых почв варьируют по литературным данным от 500 до 4000 кг/га (Бабьева, Зенова, 1989; Глазовская, Добровольская, 1984). По нашим данным общая биомасса всех микроорганизмов в иллювиальных горизонтах дерново-подзолистых почв на фоновой территории – 1356 кг/га, в зоне рассеяния и промышленной зоне – 2509 кг/га. Биомасса метилотрофных микроорганизмов, преобразовываясь, вносит некоторый вклад в формирование органического вещества почв. Прирост запасов углерода микробного происхождения за счет ассимиляции техногенно-аллохтонного метана в зоне рассеяния и промышленной зоне в супесчаных почвах составляет 410 и 309 кг/га, соответственно.

Таким образом, почвы функционируют как механизм (реактор) (Таргульян, Соколова, 1996), определяющий деструкцию метана. Бактериальное окисление техногенно-аллохтонного метана в почвах приводит к цепи повторяющихся циклических процессов. Ассимиляция метанотрофами недоступного для других микроорганизмов метана приводит к его окислению с образованием диоксида углерода, эмиссия которого в атмосферу в 3-4 раза выше среднесуточной его эмиссии для природных источников в южно-таежной зоне. Техногенно-аллохтонный метан, поступающий в почву, окисляется метанотрофами и превращается в сложные органические соединения, пополняя запасы углерода в ней. Вследствие более интенсивного процесса окисления метана и увеличения метанотрофов соответственно растет численность метилотрофов на порядок, а биомасса в среднем в 2 раза превышает фоновые показатели.

Глава 7. Формирование магнитных оксидов железа в почвах при подземном хранении природного газа

В качестве диагностических признаков газоносных территорий выступают рассмотренные ранее лабильные, сильно варьирующие параметры функционирования почв, зависящие от гидротермических и технологических условий и являющиеся результатом цикличных и обратимых процессов. Вследствие незамкнутости цикла окисления метана в почвах накапливаются биотические и жидкие продукты функционирования, которые могут трансформироваться в другие соединения и не накапливаться в почвах в значащих количествах. Вместе с тем не исключается и формирование консервативных твердых продуктов функционирования, образованных вследствие неполной замкнутости, необратимости многих почвенных процессов внутри почвенной системы. Один из способов решения вопросов об их формировании – изучение явлений редукции Fe3+ до Fe2+, варьирования Eh и формирования магнитных оксидов железа в почвах.

7.1. Биомасса, видовой состав микроорганизмов, условия образования магнитных оксидов железа в агродерново-подзолистых почвах

Проблемы микробиологического и физико-химического синтеза магнитных оксидов железа довольно интенсивно обсуждаются в отечественной и зарубежной литературе (Водяницкий, 2003а, б; Бабанин и др., 1995, 2000; Иванов, 2003; Верховцева и др., 1993, 2002; Филина, 1998; Алексеев и др., 2003; Пухов, 2004; Lavley et. al., 1990, 1991, 1993; Maher et. al, 1988, 1995; Bazylinsky et. al, 1997). Формирование магнетита происходит при чередовании сухих и влажных периодов. Во влажные периоды образованное органическое вещество выполняет комплексобразовательные и восстановительные функции – происходит образование хелатных комплексов свежего органического вещества с Fe3+, а анаэробные ферментирующие железоредукторы окисляют его, восстанавливая Fe3+ до Fe2+ в форме аквакомплексов. В сухие периоды происходит увеличение концентрации аквакомплексов в почвенном растворе, частичное их окисление и выпадение в твердой фазе.

На фоновых территориях восстановление Fe3+ осуществляется с помощью ферментирующих железоредукторов в анаэробных зонах и метилотрофных бактерий (рис. 12) в аэробных зонах микроагрегатов иллювиальных горизонтов агродерново-подзолистых почв при невысоком содержании органического углерода (в среднем 0,21 ± 0,04%). Заметное место в фоновых почвах занимают метанотрофы, представленные видами Methylococcus sp. (маркер - 16:ld7), Methylomonas albus (16:ld11), Methylomonas sp. (h16). Биомасса метанотрофов при соотношении аэробов и анаэробов (Аэ>Ан) составляет в среднем 9 ± 210-4, при Аэ<Ан – 110-4 мг/г почвы. Как известно, в процессе окисления метана в качестве экзометаболитов выделяется не только диоксид углерода, но и аминокислоты, а при лизисе клеток – все необходимые для роста метилотрофов компоненты – белки, липиды, углеводы. Метилотрофные микроорганизмы, способны помимо С1-соединений и органических веществ использовать этан, пропан, бутан. Они представлены в основном видами Pseudomonas fluorescens (2hl2), P.vesicularis (3hl2), P.putida (3hl0), Micobacterium sp. (17:l), Nocardia carnea (16:ld9t) и др. При Аэ>Ан биомасса метилотрофов составляет 7 ± 110-4 , при Аэ<Ан – 410-4 мг/г почвы. Биомасса метанотрофов и метилотрофов после лизиса клеток используется ферментирующими железоредукторами, представленными в основном видами Clostridium difficile (маркер - i18), C.perfinges (10h18), C.propionicum (14;i*5), Clostridium sp. (18:1a), Bacillus subtilis (i19), Micrococcus sp. (al15), Staphilococcus sp. (al9), Sphingobacterium spiritovorum (2hil5), Actinomadura roseola (10Me17) и др. Биомасса ферментирующих железоредукторов в аэробных условиях (Аэ>Ан) составляет 1010-4, в анаэробных (Аэ<Ан) - 1410-4 мг/г почвы. Отношение содержания ферментирующих железоредукторов и метилотрофов при Аэ>Ан в супесчаных иллювиальных горизонтах дерново-подзолистых почв составляет 1,5; при Аэ<Ан в песчаных почвах – 3,5. Общая биомасса микроорганизмов, соответствующая фоновому значению , составляет 30-43·10-4 мг/г. Средние значения Eh в почвах фоновых территорий в летний период составляют 525±7 мВ при незначительном варьировании отдельных значений (σ < 25). В восстановлении железа основная роль принадлежит ферментирующим железоредукторам (рис. 13).  Окисление Fe3 + по-видимому проходит с помощью  физико-химических процессов, так как микроорганизмов, окисляющих железо, не обнаружено. Схема механизма образования магнетита для фоновых почв показана на рис 13.

В пределах газовых аномалий окисление техногенно-аллохонного метана метанотрофами сопровождается ассимиляцией углерода метана в биомассе метанотрофов и увеличением численности и общей биомассы микроорганизмов соответственно на порядок и в 2-3 раза (81±17 ·10-4 мг/г). В списке идентифицированных членов микробного сообщества довольно широко представлены метано-метилотрофные организмы. Увеличение биомассы отдельных функциональных групп микроорганизмов при доминировании Аэ>Ан в почвах газовой аномалии, по сравнению с фоновой территорией, составляет в среднем: метанотрофные микроорганизмы (биомасса 17·10-4 мг/г) – значимо увеличиваются в 2 раза, метилотрофные микроорганизмы (26±9) – значимо увеличиваются в 4 раза; ферментирующие железоредукторы (23±7)– значимо увеличиваются в 2 раза. Обнаруживается статистически высокая коррелятивная зависимость активности метанотрофных микроорганизмов с метилотрофными (рис. 12).

Условные обозначения:  - биомасса метано; - метилотрофов (2);  - железоредукторов (3);  - общая биомасса микроорганизмов (1); - ; А – преобладают аэробные микроорганизмы (Аэ>Ан); Б – преобладают анаэробные микроорганизмы (Аэ<Ан).

 

Рис.12. Биомасса микроорганизмов, магнитная восприимчивость и их корреляционные зависимости в иллювиальных горизонтах (агро)дерново-подзолистых почв фоновой территории и ореола рассеяния и хемо-техно-дерново-подзолистых почв промышленной зоны ПХГ.

Прирост биомассы метилотрофов в почвах газовой аномалии при доминировании Аэ>Ан составил – 11-33·10-4-мг/г, ферментирующих железоредукторов – 11-16 ·10-4 мг/г.

        

  Факторы         Механизмы I >II

Рис. 13. Механизмы образования магнетита в почвах.

При преобладании Аэ<Ан, подобно фоновым почвам прирост общей биомассы, метилотрофов, ферментирующих железоредукторов не выражен. Отношение содержания ферментирующих железоредукторов и метилотрофов при Аэ>Ан уменьшается по сравнению с фоновой территорией и варьирует от 0,4 до 1 (1,5) при Аэ<Ан – 1,5-2,6. Усиливается вариабельность Eh (σ =39-65).        Увеличение общей биомассы микроорганизмов сопровождается пропорциональным ростом (рис. 12). Существенное возрастание роли органического вещества и функционирующего биогеоценоза, пропорциональное увеличение магнитной восприимчивости позволяет предположить интенсивное подключение дополнительных механизмов железоредукции, биологически индуцированных метаболитами метилотрофных бактерий – ауксинами. Известна способность этих микроорганизмов в аэробных условиях выделять метаболиты ауксины, в объеме которых происходит восстановление Fe3+(Gazaryan, 1996, Kamnev, 2000; Щелочков, 2004). Схема образования магнетита в почвах над подземными хранилищами природного газа показана на рис. 13.

       Наибольший прирост биомассы метилотрофных микроорганизмов отмечен в иллювиальных горизонтах зоны рассеяния углеводородных газов с высоким содержанием Сорг (выше фонового в 2-10 раз) при Аэ<Ан и статистически достоверным пониженным Eh по отношению к аналогичным горизонтам фоновой почвы. Это связано с тем, что высокая активность метанокисляющих бактерий в таких условиях сопровождается образованием и выделением большого количества промежуточных продуктов окисления метана. Эти продукты препятствуют формированию биомассы метанотрофов, но способствуют интенсивному росту факультативных метилотрофов, способных выделять ауксины, ферментирующих железоредукторов (рис. 12, 13).

Подключение возможных дополнительных механизмов на окислительной ветви окислительно-восстановительного цикла в исследованных почвах, по-видимому, не происходит, так как микроорганизмов, окисляющих железо, не обнаружено (рис13). Восстановленная форма Fe2+ в составе Fe3O4 является, по-видимому, результатом микробиологических процессов, окисленная Fe3+- физико-химических процессов. Промежуточным этапом образования магнетита является формирование Fе-органических комплексов, на что указывает высокая коррелятивная связь биомассы всех и отдельных рассмотренных групп микроорганизмов с . Отмечены высокие корреляционные связи с Сорг (r = 0,87), общей биомассой (r = 0,92), биомассой ферментирующих железоредукторов (r = 0,96), метилотрофов (r = 0,75).

Таким образом, образование магнитных оксидов железа проявляется как часть элементарного почвообразовательного процесса – оксидогенеза и является следствием комплексного микробиологического и физико-химического синтеза, включающего в себя как процессы небиологической, так и биологической природы. В почвах газовой аномалии существенно возрастает роль, как органического вещества, так и роль функционирующего биогеоценоза. Особенно заметное увеличение биомассы аэробных метилотрофов позволяет предположить подключение дополнительных механизмов железоредукции, биологически индуцированных метаболитами метилотрофных бактерий ауксинами. Характерна высокая коррелятивная зависимость биомассы микроорганизмов отдельных функциональных групп и органического вещества с магнитной восприимчивостью и магнитной фракцией почв. В процессе формирования магнитных оксидов железа, по-видимому, на этапе разрушения железорганических комплексов и восстановления части трехвалентного железа по микролокусам почв происходит снижение окислительно-восстановительного потенциала. Это усиливает контрасты окислительно-восстановительного потенциала по отдельным микролокусам и обуславливает усиление его вариабельности в почвах газовых аномалий.

7.2. Синтез магнетита в почвах при участии природного газа в лабораторных условиях

Для уточнения и дополнения представлений о синтезе магнетита в почвах газовых аномалий был проведен лабораторный эксперимент I, в ходе которого были смоделированы режим увлажнения-иссушения, контрастный окислительно-восстановительный режим, при добавлении метана и органического вещества. Годовой прирост магнитной восприимчивости в образцах почв в пределах газовой аномалии при добавлении СН4  увеличивался в 5 раз, без добавления газа в 1,5. В ходе модельных опытов установился Eh около 300 мВ. При этом варьирование Eh при добавлении природного газа в 1,5-2 раза выше, чем в опыте без его добавления. При добавлении CH4 наблюдается увеличение общей биомассы микроорганизмов в 2-5 раз, по сравнению с исходными образцами. Без добавления газа увеличение общей биомассы микроорганизмов не значительно – в 1,3-1,6. При добавлении СН4 в образцах с невысоким содержанием Сорг (0,3-0,5%), при  Аэ>Ан отмечено резкое увеличение метанотрофов в 4-8 раз, метилотрофов в 4-6 раз, ферментирующих железоредукторов в 2-4 раза по отношению к исходным образцам. В результате получены те же закономерности изменений и Eh, но в образце с содержанием Сорг1% (Аэ<Ан) наблюдается снижение Eh, что объясняется ингибированием аэробных метанотрофов и ростом анаэробных железоредукторов. Биомасса ферментирующих железоредукторов увеличивается в 4 раза по отношению к исходному, метанотрофов – в 1,5 раза, метилотрофов – не меняется. В образцах без добавления CН4 биомасса названных микроорганизмов изменяется незначительно. Для подтверждения влияния метана на синтез магнитных оксидов железа в почвах был смоделирован опыт II (добавление СН4, без добавления органического вещества). В результате получены те же закономерности изменений и Eh, но при этом, по сравнению с 1 опытом, Eh смещается в окислительную сторону. В образцах с добавлением СН4 в железоредукции участвует преимущественно биомасса метилотрофов, участие ферментирующих железоредукторов ниже. В результате электронно-микроскопических исследований, после опыта I, II получены изображения цепочечных агрегатов кокковидных образований, имеющие размеры и формы, сходные с полученными ранее.

Таким образом, синтез магнитных минералов в лабораторных условиях подтверждает механизмы образования педогенно-техногенного магнетита, показанного нами на нативных образцах.

Глава 8. Особенности биогеохимического цикла метана при его нарушении человеком. Роль почвенного покрова в регулировании эмиссии метана на газоносной территории

Антропогенные нарушения биогеохимического цикла метана в почвах газоносных территорий рассматриваются в формате представлений, отраженных на рис. 1. В результате строительства подземных газохранилищ, последующего усиления геохимического влияния естественных и искусственных газовых залежей в пористых структурах происходит возникновение и расширение газовых аномалий в почвах (рис. 1). Интенсивность и неоднородность потоков метана из недр зависит от природной и техногенной горизонтальной и вертикальной трещиноватости геологических структур, тесно связанной с современными геодинамическими процессами. Согласно расчетным данным в почвах (3 м) концентрируется около 5-10% природного газа от общих его потерь при подземном хранении; в атмосферу эмитирует около 0,1%. Большая часть потерь газа рассеивается до достижения верхних слоев литосферы и почв. Протяженность и интенсивность остаточных газовых аномалий сильно варьирует и зависит от гидротермических и технологических условий. В сухие годы при полной закачке искусственной залежи газовые аномалии занимают всю площадь над газохранилищем, при изменении условий они сужаются до границ промышленной зоны. Во влажные годы и при снижении компрессии природного газа газовые аномалии перестают существовать. Возникает и возрастает эмиссия метана в атмосферу с поверхности почв. Средняя годовая эмиссия метана с поверхности почв на исследованных газохранилищах составляет 77 т. По грубым глобальным подсчетам первые осторожные придержки эмиссии метана по всем искусственным залежам мира составляют 0,04 Тг. Бактериальные аномалии разной интенсивности проявляются в разные годы и сезоны, в условиях полной и частичной компрессии газа. Годовой средний скрытый сток (окисление) техногенно-аллохтонного метана в почвах исследованных газохранилищ около 3400 т в год в толще 1 м и составляет около 5-10% от общих потерь газа при подземном хранении. Осторожные глобальные придержки скрытого стока составили 5,6 Тг (для толщи 3 м).

Происходит усиление поглощения атмосферного метана по сравнению с фоновыми почвами, обнаруживая корреляции с концентрацией метана в атмосфере. Годовое количество поглощенного метана составляет около 70 тонн. Первые глобальные придержки составили 0,04 Тг. Эмиссии техногенно-аллохтонного метана компенсируются поглощением атмосферного метана. Однако эмиссионные атмотропические потоки метана превосходят геотропические атмосферные потоки в весенние и иногда осенние сезоны года. В этот период поглощение атмосферного метана практически не происходит, а газовые потоки эмитируют в атмосферу, пополняя общие запасы газа в атмосфере. Массы эмиссионного метана за весенний сезон могут составлять в среднем около 50 т. Первые глобальные придержки  могут составить 0,025Тг.

Последующая трансформация метана сопровождается незамкнутыми циклами и процессами микробиологической деструкции. Окисление метана сопровождается выделением двуокиси углерода, который не расходуется внутри почвы по аналогии с водными экосистемами, а выделяется в пограничную атмосферу. Годовая эмиссия диоксида углерода в атмосферу составляет 2024 т за год; первые глобальные придержки – 0,5 Тг. Выделение диоксида углерода из почв в 2-4 раза превышает среднюю эмиссию его в атмосферу в южно-таежной зоне. Содержание диоксида углерода в атмосфере превышает в несколько раз ПДК в атмосфере.

При незамкнутости циклов окисления метана осуществляется образование микродисперсных бактериоморфных магнитных оксидов железа. Это сопровождается усилением варьирования окислительно-восстановительного потенциала и увеличением магнитной восприимчивости.

Экологические функции почв при регулировании потоков метана из литосферы в атмосферу сводятся к следующим позициям. Почвы экранируют, депонируют и окисляют проходящие потоки метана, замедляют его миграцию, задерживают и концентрируют метан на почвенно-геохимических барьерах – сорбционных, диффузионных, биогеохимических, окислительно-восстановительных, регулируя эмиссию метана в атмосферу. Накопление в почвах происходит с помощью удерживания газов на поверхности почвенных частиц, изменения диффузионного переноса при смене гранулометрического состава и влажности почв, окисления микроорганизмами. Средняя интенсивность окисления техногенно-аллохтонного метана в десятки и сотни раз превышает эмиссию метана в атмосферу.  В периоды отсутствия эмиссии метана почвы поглощают атмосферный метан с одновременным окислением техногенно-аллохтонного метана. За счет высокой интенсивности поглощения атмосферного метана возможно обратное поглощение эмиссионного и техногенного метана, связанного с наземными технологическими утечками и выбросами. Почвенный покров в силу своей неоднородности и различной метанокисляющей способности дифференцирует мигрирующий метан. В условиях диффузионных потоков метана емкости диффузионного, сорбционного и биогеохимического барьеров уменьшаются в определенном ряду почв. Это обусловлено уменьшением гумусированности, нарастанием засолённости, облегчением гранулометрического состава и уменьшением дисперсности, увеличением диффузионной проницаемости, щебнистости и каменистости. Почвенный покров трансформирует мигрирующие потоки метана. Процессы деструкции метана осуществляются кооперативным микробным сообществом и завершаются образованием углекислого газа, который эмитирует в атмосферу, и формированием новообразований магнитных оксидов железа.

Почвенный покров обладает различной рефлекторностью (ответными реакциями) на механизмы газопереноса. Он способен создавать мощные биогеохимические барьеры при слабых диффузионных потоках метана, предотвращая или снижая эмиссию метана в атмосферу, и пропускать конвективные потоки метана, уменьшая емкость биогеохимических барьеров и резко увеличивая эмиссию его атмосферу.

ВЫВОДЫ

1. Почвенный покров газоносной территории функционирует как двусторонняя вертикальная и горизонтальная мембрана, экранирующая и дифференцирующая мигрирующие потоки техногенно-аллохтонного метана, обладающая различной рефлекторностью, отвечающей на механизмы газопереноса. Она способна создавать высокоемкие депонирующие и биогеохимические барьеры при слабых диффузионных и малоемкие — при конвективных потоках метана, предотвращая, задерживая или усиливая эмиссию газа в атмосферу. В периоды отсутствия эмиссии метана почвенный покров поглощает атмосферный метан, с одновременным окислением техногенно-аллохтонного метана. Почвы функционируют как механизм (реактор), определяющий цепь превращений деструкции метана и синтеза веществ.

2. В результате формирования искусственных и использования истощенных газовых залежей для хранения природного газа и возникающего диффузионно-конвективного транспорта через систему природной и техногенной трещиноватости геологических структур нарушаются природные биогеохимические циклы метана в почвах. Нарушения выражаются в рассеянии техногенно-аллохтонного метана в почве, возникновении газовых, а на их месте бактериальных аномалий и эмиссии его в атмосферу; в комплексе процессов депонирования и окисления метана. По грубым глобальным подсчетам первые осторожные придержки годовой эмиссии метана в атмосферу по всем искусственным залежам составляют 0,04 Тг, в весенний период – 0,02 Тг, поглощения атмосферного метана – 0,04 Тг, скрытого бактериального стока метана в почвах – 5,6 Тг, эмиссии диоксида углерода – около 0,5Тг.

3. Массовые балансы эмиссии, бактериального окисления, поглощения техногенно-аллохтонного и атмосферного метана характеризуются различной эффективностью и чрезвычайно высокой изменчивостью, обусловленной интенсивностью механизмов поступления потоков газа и структурой почвенного покрова в годовых, сезонных циклах и технологических условиях. Потоки природного газа задерживаются почвой и расходуются на бактериальное окисление (90-99%) и эмиссию метана в атмосферу (1-10%), составляя 5-10% от общих потерь газа при подземном хранении газа. Годовая эмиссия техногенно-аллохтонного и аллохтонного метана почти компенсируется поглощением атмосферного метана. Эмиссия метана в весенний период не компенсируется бактериальным окислением и поглощением атмосферного метана. Годовая интенсивность бактериального окисления техногенно-аллохтонного метана в почвах больше его эмиссии в атмосферу на 1-2 порядка; автохтонного – на порядок.

4. На подземных газохранилищах годовая интенсивность эмиссии метана в атмосферу с поверхности дерново-подзолистых почв почти в 3 раза выше, чем с поверхности черноземов; метанокисляющий потенциал черноземов в 2 раза выше. Годовая интенсивность поглощения атмосферного метана черноземами выше эмиссионного потока (на 15%) и на 30-70% ниже этого показателя для дерново-подзолистых почв. Эмиссия метана в весенний период не компенсируется поглощением атмосферного метана в большей степени в дерново-подзолистых почвах, чем в черноземах.

5. Почвенно-экологический мониторинг герметичности искусственных подземных залежей показал, что преимущественно скрытый бактериальный сток метана, а также эмиссия техногенно-аллохтонного метана в атмосферу может достигать 5-10% от общих потерь при подземном хранении газа. Снижение объемов компрессии газа в газохранилище почти в 2 раза уменьшает эмиссию метана в атмосферу в 13-16 раз, интенсивность скрытого бактериального стока в 1,2-2 раза.

6. Почвы функционируют как механизм (реактор), определяющий деструкцию метана. Бактериальное окисление техногенно-аллохтонного метана в почвах приводит к цепи повторяющихся циклических процессов. Трансформация метана протекает в результате незамкнутых циклов и процессов микробиологической деструкции, сопровождается образованием диоксида углерода и переносом его в атмосферу. Эмиссия диоксида углерода в атмосферу в 3-4 раза выше среднесуточной его эмиссии для природных источников в южно-таежной зоне, а его содержание в несколько раз превышает ПДК.

Процессы деструкции метана осуществляются кооперативным сообществом микроорганизмов: метанотрофными микроорганизмами ассимилируется недоступный для других микроорганизмов метан, в результате окисления которого основная часть углерода ассимилируется в биомассе метанотрофов с пропорциональным увеличением роста метилотрофов, ферментирующих железоредукторов. Биомасса микроорганизмов в иллювиальных горизонтах дерново-подзолистых почв газовой аномалии в среднем в 2 раза превышает аналогичную величину в фоновых почвах. Дальнейшая деструкция метана связана с редукцией железа.

7. Образование магнитных оксидов железа является частью элементарного почвообразовательного процесса – оксидогенеза и является следствием комплексного микробиологического и физико-химического синтеза. Образованное органическое вещество создает железо-органические комплексы. Восстановление Fe3+ осуществляется на фоновых территориях за пределами газоносных территорий в иллювиальных горизонтах (агро, хемо, техно)-дерново-подзолистых почв с помощью ферментирующих железоредукторов в анаэробных зонах. В пределах газовых аномалий на биогеохимических барьерах восстановление Fe3+ происходит при подключении дополнительных механизмов аэробной метилотрофной железоредукции, биологически индуцированных метаболитами метилотрофных бактерий ауксинами. Увеличение органического вещества способствует проявлению анаэробной ферментирующей железоредукции и снижению окислительно-восстановительного потенциала. Это сопровождается резким увеличением магнитной восприимчивости вследствие увеличения содержания магнитной фракции, в составе которой обнаружены техногенно-педогенные магнитные оксиды железа, представленные кокковидными бактериоморфными образованиями размером 70 (100…300)100 (200…400) нм, сгруппированными в цепочечные агрегаты. В химическом составе преобладают Fe и O, среди примесных элементов присутствуют N и Cu, как известно, характерные для биогенных структур.

8. Над подземными искусственными газовыми залежами в зонах рассеяния и доминирующего влияния углеводородных газов преобладают часто загрязненные природные почвы с техногенно-педогенными признаками – новообразованиями микродисперсного бактериоморфного магнетита (25-94%). Часть почв не испытывает геохимического влияния газовых залежей (45-0%). В результате механического нарушения и отложения буровых шламов, химического загрязнения сформированы новые техногенные слои, горизонты, специфические антропогенно-преобразованные почвы и почвоподобные образования (около 2-6%) в сочетании с загрязненными природными почвами с магнитными новообразованиями (28-0%). Рассмотрены представления о диагностике почв газоносных территорий.

Содержание диссертации отражено в следующих основных публикациях:

1. Федоров К.Н., Добровольский Г.В, Можарова Н.В. и др. Принципы и методы почвенного районирования. Тез. Природное и сельскохозяйственное районирование СССР, 1983 с. 108-111.

2. Добровольский Г.В, Можарова Н.В., Палечек Л.А., Терешина Т.В. Практикум по географии почв. М.,  Изд. МГУ, 1984, 93 с.

3. Можарова Н.В., Стасюк Н.В., Федоров К.Н. Типы структур почвенного покрова как основа микрорайонирования и дифференцированного использования земельных ресурсов. Тез. Природное и сельскохозяйственное районирование СССР,  1989, с.134-135.

4. Гельцер Ю.Г., Можарова Н.В., Волкова Э.М. Применение интегральных показателей биологической активности почв при крупномасштабном экологическом картографировании. Тез. Микроорганизмы в сельском хозяйстве. 1992, Пущино, с .42-44.

5. Можарова Н.В. Использование космических снимков при исследовании уровней организации почвенного покрова. // Исследование Земли из космоса. 1992, № 4, с. 103-108.

6. Можарова Н.В., Гельцер Ю.Г., Залибеков З.Г., Гасанова З.У. Антропогенная динамика структуры почвенного покрова пастбищных экосистем. ISSS // Cб. Структура почвенного покрова, 1993, М., 274-276.

7. Акопова Г.С., Сидорова Е.В., Немкова Н.А., Можарова Н.В. Охрана почв в газовой промышленности - ИРЦ РАО Газпром, 1994, 58 с.

8. Можарова Н.В., Гельцер Ю.Г., Кулагина Е.Г. Пространственное распределение биологической активности деградированных почв пастбищ // Почвоведение. 1995, № 10, с. 1284-1290.

9. Гельцер Ю.Г., Можарова Н.В., Грачева Н.К., Кулагина Е.Г. Почвенно-экологический мониторинг на объектах газовой отрасли Тез. Фундаментальные проблемы нефти и газа. М., 1996. с. 256-258.

10. Гельцер Ю.Г., Кулагина Е.Г., Можарова Н.В. Пространственное распределение биологической активности в ненарушенных и антропогенно-измененных почвах // Мониторинг биоразнообразия. М., 1997, с. 213 - 215

11. Можарова Н.В., Кулагина Е.Г., Кадочникова Ю.В. Экологические функции почвенного покрова подземных газохранилищ // Проблемы антропогенного почвообразования. Международная конф. М., 1997, с. 88-91.

12. Можарова Н.В., Журавлев А.Е., Владыченский А.С. Влияние физических свойств на эмиссию и поглощение метана почвенным покровом подземных газохранилищ. Тез. Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения. М., 1998, с. 165-166.

13. Журавлев А.Е., Владыченский А.С., Можарова Н.В. Особенности углеводородного загрязнения почв подземных хранилищ газа // Вестник Московского Университета, сер. 17, почвоведение, 1999, №2, с. 27-32.

14. Можарова Н.В., Кулагина Е.Г. Трансформация почвенного покрова подземных газохранилищ // Вестник Московского Университета, сер. 17, почвоведение, 2000, №1, с. 18-24.

15. Можарова Н.В., Авсеевич Н.И. Эмиссия метана на деградированных почвах газовых месторождений. Тез. Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии. Пущино, 2000, с. 91-92.

16. Можарова Н.В., Ибрагимов В.Т., Авсеевич Н.И., Кулагина Е.Г. Роль почвенного покрова в регулировании эмиссии метана на газоносных территориях. Тез. II съезда ДОП, Суздаль, 2000, с. 161.

17. Можарова Н.В., Владыченский А.С. Механическое нарушение почв при добыче, хранении и транспортировке природного газа // Колл. монограф. Деградация и охрана почв. Изд-во МГУ, 2002, с. 160-167.

18. Герасимова М.И., Строганова, Можарова Н.В., Прокофьева Т.В. Антропогенные почвы.  Смоленск: Ойкумена, 2003. 268 с.

19. Mozharova N.V., Goltsova T.V. Anthropogenic soil of gas-fields (Genesis, diagnostics,>

20. Mozharova N.V., Goltsova T.V. Anthropogenic soil of gas-fields. Anthropogenic soil VIII. Bratislava, 2004. с.17.

21. Mozharova N.V., Vladychenskii A.S. Mechanical disturbance of soil upon Extraction, Storage, and Transportation of Natural Gas. Eurasian Soil Science. Vol. 36. Suppi.1.2004, pp. 588-590.

22. Можарова Н.В., Гольцова Т.В., Поздняков Л.А. Применение экспресс-методов электросъемки в целях диагностики и детального картографирования техногенно-нарушенных и загрязненных почв. Тез. «Современные методы загрязнения почв», 2004, с 364-365

23. Можарова Н.В., Гольцова Т.В. Экологические функции почвенного покрова при решении вопросов рационального природопользования в газовой отрасли. Материалы форума «Инновационные технологии ХХI века для рационального природопользования, экологии и устойчивого развития», М., 2004, c.158-162.

24. Можарова Н.В., Иванов А.В, Кулачкова С.А., Пронина В.В. Влияние искусственной газовой залежи на почвы в зонах подземной трещиноватости геологических структур. Тез. ДОП, Новосибирск, 2004, с. 363-364.

25. Можарова Н.В., Ушаков С.Н. Диффузионная проницаемость почв газовой аномалии. Тез.IV съезда ДОП,  Новосибирск, 2004, с.376-377.

26. Можарова Н.В., Ушаков С.Н. Роль диффузионной проницаемости почв в регулировании эмиссии метана на газоносных территориях // Доклады АН, 2004, том 399, №3, с. 1-5.

27. .Stroganova M.N., Gerasimova M.I., Prokofieva T.V., Mozharova N.V. Proposals for grouping the technogenic soils. Soil>

28. Строганова М.Н., Герасимова М.И., Прокофьева Т.В, Можарова Н.В Техногенные почвы. Научная сессия по фундаментальному почвоведению. 2004, с.106-107.

29. Можарова Н.В., Беляева Н.И. Роль почвенного покрова в эмиссии метана на газоносных территориях // Вестник Московского Университета, сер.17, 2005, №1, с. 12 21.

30. Селянин В.В., Зенова Г.М., Можарова Н.В., Закалюкина Ю.В., Звягинцев Д.Г. Ацидофильные и алкалофильные актиномицеты в кислых, нейтральных и щелочных почвах // Почвоведение, 2005, №5, с. 590-593

31. Можарова Н.В., Лисовицкая О.В. Загрязнение почвенного покрова при захоронении промышленных стоков на объектах подземного хранения природного газа // Промышленные и бытовые отходы: проблемы хранения, захоронения, утилизации, контроля. Сборник материалов IX Международной научно-практической конференции. Пенза, 2005, с.62-65.

32. Можарова Н.В., Кулачкова С.А., Пронина В.В. Специфика функционирования почвенного покрова газоносных территорий // Вестник Московского Университета, сер. 17, почвоведение,  2005, № 3, с.9-19.

33. Кулачкова С.А., Пронина В.В., Можарова Н.В. Ассимиляция техногенно-аллохтонного метана в почвах газоносной территории // Материалы Международной науч. конф. Экология и биология почв, Ростов-на-Дону, 2005, с.242-247.

34. Можарова Н.В., Гольцова Т.В. Анализ пространственно-временной динамики загрязнения почвенного покрова на объектах газовой отрасли. // Газовая промышленность, М., 2006, №8, с. 90-93.

35. Можарова Н.В., Кулачкова С.А. Пространственная и годовая динамика эмиссии бактериального окисления метана в почвах в летний период при подземном хранении природного газа. // Экология и биология почв: проблемы диагностики и индикации. Ростов-на-Дону, 2006, с. 342-347.

36. Кулачкова С.А., Можарова Н.В. Сезонная динамика эмиссии и стока метана в почвах при подземном хранении природного газа // Экология и биология почв: проблемы диагностики и индикации. Ростов-на-Дону, 2006, с.286-291

37. Nadezhda Mozharova, Svetlana Kulachkova, Victoria Pronina. Specificity of soil’s functioning and formation on gas-bearing areas. 4th International Conference on Soils in Urban, Industrial, Traffic, Mining and Military Areas (SUITMA), 2007, p 112-113

38. Nadezhda Mozharova Soils of gas-bearing areas (properties,>

39. Можарова Н.В., Пронина В.В., Иванов А.В, Шоба С.А., Загурский А.М. Формирование магнитных оксидов железа в почвах над подземными хранилищами газа. // Почвоведение, № 6, 2007, с 707-720

40. Бухгалтер Э.Б., Будников Б.О., Можарова Н.В., Кулачкова С.А., Мартыненко И.А. Основные положения методики составления оценочных и прогнозных почвенных карт трансформации и загрязнения почвенного покрова под воздействием газового комплекса», РД, Стандарт организации ОАО «Газпром», 2008, с.1-77.

41. Можарова Н.В, Гольцова Т.В. Некоторые особенности техногенных слоев и горизонтов почв промышленных зон подземных газохранилищ // Вестник Московского Университета, сер. 17, почвоведение,  2008, № 3, с.9-15.

42. Лисовицкая О.В., Можарова Н.В. Углеводородное загрязнение почвенного покрова в условиях комплексного техногенного воздействия. // Вестник Московского Университета, сер. 17, почвоведение,  2008, № 4, с.19-25.

43. Mozharova N. V., Kulachkova S.A. Specificity of soil’s functioning and formation on gas-bearing areas // Journal of Soils and Sediments. Vol, № 8, 2008, № 6, pp. 434-432.

44. Бухгалтер Э.Б, Будников Б.О, Можарова Н.В, Кулачкова С.А., Мартыненко И.А. Картографическое обеспечение прогнозирования состояния окружающей среды на объектах ОАО «Газпром». // Защита окружающей среды в нефте-газовом комплексе. 2008, №8, с. 13-22

45. Кулачкова С.А, Можарова Н.В. Пространственно-временная динамика загрязнения почв и атмосферы метаном, в районе подземного хранения природного газа. // Современные проблемы загрязнения почв. 2008. т.1. с.128-132.

46. Можарова Н.В. Инновационная система почвенно-экологического мониторинга герметичности объектов подземного хранения природного газа. // Фундаментальные достижения в почвоведении экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям, тезисы доклада. М., 2008, с. 234-236.

47. Можарова Н.В., Кулачкова С.А., Владыченский А.С., Шустров Ю.Д. Проблемы газогеохимических инженерно-экологических изысканий для строительства. //. Фундаментальные достижения в почвоведении экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям, тез. доклада. М., 2008, с. 236-237.

48. Шустров Ю.Д., Можарова Н.В., Кулачкова С.А. Проблемы газогеохимических инженерно-экологических изысканий для строительства. Информационный вестник ГПМО» Мособлгосэкспертиза, вып.2, 2008, с. 22-28.

49. Бухгалтер Э.Б., Будников Б.О., Шоба С.А., Можарова Н.В., Кулачкова С.А. Почвенно-экологический мониторинг герметичности объектов подземного хранения природного газа. // Тез. докладов «Путь инноваций и новые технологии в газовой промышленности». 2008, с.60-61.

50. Кулачкова С.А., Можарова Н.В. Применение микробиологических методов в инженерно-геологических газогеохимических изысканиях. // Перспективы развития инноваций в биологии. Матер.II научно-практ.конф. М., Инноватика ,2008, с 57-58.

51. Можарова Н.В. Почвы и почвенный покров газоносных территорий. Тез. окладов Y съезда ДОП, Ростов на Дону, 2008, с.444.

52. Кулачкова С.А., Можарова Н.В. Функционирование почв на газоносной территории в дерново-подзолистой зоне. Тез. докладов V съезда ДОП, Ростов на Дону, 2008, с. 161.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.