Гидроразрывы заподозрили в повышении солености поверхностных вод
Статистические исследования выявили корреляцию между работой нефтедобывающих скважин, на которых применяется технология гидроразрыва пласта, и уровнем солености поверхностных вод. Ученые сопоставили данные о расположении более 46 тысяч скважин в США и измерениями содержания ионов солей в реках и ручьях в близлежащих районах водосбора за 10,5 лет. Небольшой рост концентрации солей был отмечен в районах с новыми скважинами и происходил спустя несколько месяцев после их запуска, сообщает статья в журнале Science.
Метод гидравлического разрыва пласта (ГРП), или фрекинг, используется для повышения продуктивности скважин путем обеспечения притока флюида (нефть, газ, конденсат) через искусственно создаваемые в пласте трещины. Его применяют с середины XX века при разработке нетрадиционных источников углеводородов, таких как пласты, сложенные породами с низкой проницаемостью — сланцами, плотными песчаниками или известняками.
При ГРП в целевой пласт через перфорацию в обсадной колонне нагнетательной скважины закачивается жидкость разрыва. Состав ее может быть различным в зависимости от геологических характеристик пласта. В общем случае она представляет собой сложную смесь на водной основе, включающую гелеобразователи, поверхностно-активные вещества, вещества для снижения трения, ингибиторы коррозии и образования отложений, разжижители, биоцидные соединения и другие реагенты. После падения давления, которое происходит вследствие разрыва, для предотвращения смыкания трещин в скважину вводят проппант — расклинивающий агент, в качестве которого может применяться кварцевый песок или синтетический гранулированный материал. Чтобы обеспечить его попадание в трещины, в скважину под большим давлением нагнетают продавочную жидкость. На последнем этапе цикла гидроразрыва скважину промывают для удаления остатков проппанта. В карбонатных породах для поддержания и развития трещин вместо проппанта используют кислоту.
На всех стадиях цикла ГРП в работе используются химические вещества, многие из которых токсичны, и их попадание в источники воды необходимо исключить. Для контроля движения жидкости в пласте и обнаружения возможных утечек в обсадных колоннах скважин используют трассерный, или индикаторный метод, основанный на применении меченых растворов. Трассеры могут быть флуоресцентными, радиоактивными или химическими. Чтобы избежать утечки в водоносные горизонты, отработанную жидкость, содержащую вредные реагенты, нагнетают через утилизационные (сбросовые) скважины в пласты с водонепроницаемой кровлей. Кроме того, поступление содержащих вредные реагенты жидкостей в почву и подземные воды предотвращают, изолируя пласт путем цементирования и строительства многоколонных скважин. Такие скважины оборудованы несколькими промежуточными обсадными колоннами.
Вредные вещества могут попадать в окружающую среду разными путями. Главные причины их утечки — разливы во время цикла ГРП (например, при разрыве подающих стальных труб), разливы утилизационных бассейнов и нарушения целостности скважин выше водонепроницаемой кровли пласта. Как возвратная, так и попутная пластовая вода содержат много солей, и по их присутствию в поверхностных водах вблизи нефтеразработок можно судить о происходящей утечке.
Исследователи из Великобритании, Испании и США во главе с Пьетро Бонетти (Pietro Bonetti) из Университета Наварры в Барселоне проанализировали данные о концентрации солей в районах поверхностного водосбора вблизи нефтепромыслов, использующих технологию гидроразрыва, в различных регионах США. Ученые сосредоточили внимание на присутствии в воде хлорид- и бромид-ионов (Cl–, Br–), а также бария Ba2+ и стронция Sr2+. Как правило, эти ионы в больших концентрациях содержатся и в возвратной, и в попутной воде. Кроме того, в отличие от многих органических компонентов, подверженных биологическому разложению, они могут быть обнаружены и спустя несколько лет после попадания в воду. В исследование были включены данные о 60783 измерениях их концентрации на 2038 станциях мониторинга в 408 областях водосбора. Временной охват исследования составил 10,5 лет — с января 2006 по июнь 2016 года.
Данные рассматривались в привязке к геокодированной базе, которая содержит информацию о 46479 скважинах: координаты, тип (вертикальная или горизонтальная), специализацию (нефтяная, газовая) и дату ввода в эксплуатацию. Колебания концентрации, определенные для областей водосбора (HUC10 в кодировке Геологической службы Соединенных Штатов), суммировались по более крупным гидрографическим единицам — подбассейнам (HUC8) и подрегионам (HUC4). Статистическая обработка проводилась с помощью регрессионного анализа с учетом таких переменных, как среднесуточные температуры и количество осадков за три дня, включая день забора пробы воды. На их основе ученые методом наименьших квадратов рассчитали коэффициенты, позволяющие оценить суммарные изменения концентрации каждого типа ионов на определенной территории. Такая оценка достигается умножением коэффициента на среднюю концентрацию ионов в период, предшествующий началу работы скважин, и на среднее количество скважин в пределах этой территории.
Результаты анализа показали, что содержание ионов солей в воде в районах использования гидроразрыва возрастает в периоды от 91 до 180 дней после пуска новой скважины. Этот временной интервал соответствует ранним этапам добычи, когда производится наибольшее количество возвратной и попутной воды. Кроме того, в течение года после пуска те станции мониторинга, которые располагались в пределах 15 километров ниже по течению ручьев и рек, в которых происходит водосбор, отмечали повышенный уровень содержания ионов (за исключением брома). Однако в районах, где глубокие водоносные пласты отличаются высоким уровнем минерализации, повышенные концентрации солей в пробах наблюдались и до пуска, то есть вне связи с работой скважин.
Превышение концентрации везде оказалось небольшим. Так, в пределах подбассейнов (области площадью около 1800 квадратных километров) оно составило для ионов Cl– 2,233 миллиграмма на литр, для Br– 3,25 микрограмма на литр, для Ba2+ — 1,02 микрограмма на литр и для Sr2+ — 8,88 микрограмма на литр. Максимальный уровень загрязнения поверхностных вод по стандартам Агентства по охране окружающей среды США (USEPA, US Environmental Protection Agency) составляет для ионов бария 2,0 миллиграмма на литр и для хлорид-ионов — 250,0 миллиграмма на литр. Уровень содержания стронция, безопасный для здоровья при суточном воздействии, определен в 25,0 миллиграмма на литр. Данные по максимально допустимому загрязнению воды бромом USEPA не предоставляет. Бонетти и его коллеги указывают, что, несмотря на незначительность роста содержания ионов, он отличается постоянством и проявляется во всех регионах, связанных с нефтедобычей.
Авторы исследования отмечают также, что обнаруженную корреляцию между возрастанием солености вод и применением ГРП нельзя однозначно трактовать как следствие утечек отработанной жидкости в местах, где ведется активная разработка месторождений. Проникновение солей из отработанной воды может рассматриваться лишь как наиболее вероятное на данный момент объяснение такой корреляции. Следует учитывать, что многие пункты мониторинга состояния воды расположены достаточно далеко от рабочих скважин и нередко находятся выше по течению. Это искажает оценку содержания вредных веществ, среди которых могут присутствовать и потенциально более опасные соединения, чем соли стронция и бария. Для того чтобы выяснить механизмы их попадания в водоемы, требуются расширенные исследования, в том числе активный мониторинг солености в приустьевой зоне скважин.
Ранее N + 1 рассказывал о том, что американские инженеры разработали систему отбора проб воды с дрона и создали нанокомпозитный магнитный сорбент для ликвидации последствий разливов нефти, а микробиологи обнаружили сообщества бактерий, которые формируются в сланцевых пластах, подвергающихся гидроразрыву.
Ученые опознали его по повышенному микроволновому излучению
Изучив данные орбитальных наблюдений, планетологи предположили, что в районе ториевой аномалии Комптон—Белькович на обратной стороне Луны под поверхностью располагается крупный гранитный массив. Диаметр его на 20-километровой глубине может достигать 53 километров, а близко к поверхности составляет около 13 километров. Основой для построения модели, которая согласуется с гравитационными данными, послужили микроволновые измерения над областью Комптон—Белькович. Об исследовании сообщает статья в журнале Nature. Гранит и сходные с ним по условиям образования и составу породы (тоналиты, гранодиориты, граносиениты) объединяют в группу гранитоидов. Это кислые (то есть обогащенные кремнеземом SiO2) полнокристаллические породы, которые формируются в толще земной коры в результате медленного застывания магматических внедрений ― интрузий. Если же происходит извержение, из быстро остывающих кислых лав образуются неполнокристаллические или стекловатые породы кислого состава. Возникновение резервуара кислой магмы ― источника гранитоидной интрузии ― происходит, как полагают ученые, за счет фракционной кристаллизации мантийного расплава, внедряющегося в кору, либо переплавления осадочно-метаморфических коровых пород, которые нагревает подстилающий их очаг такого расплава. На Земле эти процессы протекают активно благодаря наличию воды и действию механизма тектоники плит ― эти факторы способствуют плавлению и переработке материала коры и верхней мантии. На нашей планете кислые породы чрезвычайно распространены. Наличие их на других телах Солнечной системы фиксируется лишь по косвенным данным или в виде редких находок в образцах грунта. Так, в зернах лунного реголита из Океана Бурь, доставленного экспедицией «Аполлон-12», исследователи нашли сростки кремнезема и калиевого полевого шпата и интерпретировали их как следы кислого вулканизма. Дистанционные исследования также показали, что на Луне в прошлом происходили извержения кислых лав. Планетологи обнаружили их признаки, анализируя данные гамма-спектрометрии, полученные с помощью аппарата Lunar Prospector, в разных областях Океана Бурь (в окрестностях кратеров Ханстен, Меран и Груйтуйзен), в районе кратера Лассел в Море Облаков. В этих районах были зарегистрированы аномалии содержания тория ― одного из так называемых несовместимых элементов. Высокая концентрация тория говорит о том, что исходная магма претерпела фракционную дифференциацию и проэволюционировала до кислого состава, так как из-за высокого ионного потенциала торий с затруднением включается в кристаллическую решетку минералов и накапливается в магматическом расплаве. Область размерами около 40 × 75 километров с наиболее обогащенными торием породами (с концентрацией до 26 миллионных долей против максимум двух миллионных долей в лунных базальтах) располагается на обратной стороне Луны, между кратерами Комптон и Белькович к северо-востоку от Моря Гумбольдта. Предполагается, что реголит здесь содержит вулканический пепел. На участке площадью примерно 25 × 30 километров фотометрическим методом были обнаружены высококремнеземистые породы, а центральная часть аномалии Комптон—Белькович ― это окруженная куполами равнина диаметром около 15 километров, возможно, кальдера обрушения древнего вулкана. Однако все эти результаты ограничиваются идентификацией признаков вулканизма на поверхности и не позволяют с уверенностью строить глубинные модели лунных недр под аномалией Комптон—Белькович. Американские исследователи во главе с Мэтью Зиглером (Matthew A. Siegler) из Планетологического института в Тусоне привлекли для изучения аномалии Комптон—Белькович данные микроволновой радиометрии, полученные китайскими орбитальными станциями «Чанъэ-1» и «Чанъэ-2», работавшими на разных высотах. Ученые рассчитали на их основе величину теплоотдачи с учетом суточных колебаний и сопоставили полученный результат с данными инфракрасных измерений, выполненных аппаратом Lunar Reconnaissance Orbiter. Это позволило вычесть долю энергии, которую привносит в общий фон солнечный нагрев, и получить распределение собственного излучения с лунной поверхности в районе аномалии. Оказалось, что область Комптон—Белькович выделяется на общем фоне отчетливой положительной температурной аномалией около девяти кельвин. Чтобы рассчитать, как распределяются температуры на разных глубинах в районе Комптон—Белькович, планетологи использовали данные о вариациях микроволнового излучения на разных частотах (более низкие частоты несут энергию с больших глубин). Кроме того, Зиглер с коллегами оценили диэлектрические свойства лунных пород, ответственные за рассеяние тепла в толще коры. На Луне диэлектрические потери существенно ниже, чем на Земле, из-за сухости пород, и это дает возможность проводить микроволновое зондирование на больших глубинах. Расчеты показали, что для обеспечения наблюдаемого на аномалии Комптон—Белькович теплового потока величиной 180 милливатт на квадратный метр требуется слой породы, содержащей 26 миллионных долей тория, мощностью не менее 50 километров. Поэтому приближенные модели подстилающего область Комптон—Белькович гранитного интрузивного массива ― источника радиогенного излучения ― ученые строили из двух элементов. Диаметр верхней части массива предполагался в пределах 10–20 километров (ограничение на него накладывает топография района), нижний ― 45–60 километров. Такие крупные интрузии ученые называют батолитами. Всего было построено 176 комбинаций из этих двух частей; каждую из них рассмотрели с тремя различными профилями плотности по глубине, построенными на основе гравитационных измерений по программе GRAIL, и соответствующей им теплопроводностью. Наиболее предпочтительной оказалась модель, в которой верхняя часть интрузии диаметром около 13 километров залегает на глубине от 1,0 до 7,5 километра; концентрация тория в ней может доходить до 132 миллионных долей. По-видимому, в прошлом оно было вулканическим очагом. Ниже его залегает гораздо более крупное и, вероятно, менее радиогенное интрузивное тело, служившее промежуточным резервуаром, в котором магма дифференцировалась в меньшей степени. Поперечник этого тела оценивается в 53 километра, а толщина ― в 26,5 километра. Неясно, как могла развиться столь крупная многоступенчатая магматическая система. Зиглер и его коллеги указывают несколько возможных факторов ее образования: долгоживущий высокотемпературный источник подогрева (например, мантийный плюм); аномально высокая локальная концентрация воды; глубоко залегавший слой пород, богатых радиоактивным изотопом калия 40K (так называемые KREEP-породы) и способных к повторному плавлению за счет саморазогрева. Но, что бы ни послужило причиной возникновения гранитного массива под областью Комптон—Белькович, любой из сценариев подразумевает наличие крупномасштабных неоднородностей в составе мантии или коры во время формирования Луны. Ранее N + 1 сообщал о том, что базальтовые породы на поверхности Луны содержат больше воды, чем реголит, и о том, как планетологи нашли признаки текущей вулканической активности на Венере. А еще мы рассказывали, как ученые обнаружили следы взрывного извержения кислой магмы, случившегося в древности на Марсе.
