Природные и техногенные потоки углеводородов в окружающей среде

Москва
ИНФРА-М
201ПРИРОДНЫЕ

И ТЕХНОГЕННЫЕ

ПОТОКИ УГЛЕВОДОРОДОВ

В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Þ.È. ÏÈÊÎÂÑÊÈÉ

МОНОГРАФИЯ

Пиковский Ю.И.

Природные и техногенные потоки углеводородов в окружающей 

среде : моно графия / Ю.И. Пиковский.  — М. : ИНФРА-М, 2019. — 
207 с. — (Научная мысль).

В монографии впервые рассматриваются закономерности распределения 

природных потоков углеводородов в недрах и особенности техногенных потоков, 
образующихся в ландшафтах в результате добычи нефти и газа. Описаны закономерности миграции нефти в почвах различных биоклиматических зон, влияние 
нефти на биотический компонент ландшафта, особенности рекультивации земель.

Для специалистов в области охраны природной среды, рекультивации земель, 

нефтяников.

Geoecological problems of hydrocarbon migration in the environment are discussed. 

The functions of hydrocarbons in the exchange of matter and energy between the geospheres 
and biosphere, the association between hydrocarbon flows, generating major oil/gas fields, 
and outgassing of the Earth, seismicity, hydrothermal process, geochemical aureole in rocks 
and landscapes are shown here.

In the book are given the results of the investigation of oil polluted soils, the concept 

of forecasting division-district and geoecological monitoring in the production regions, the 
function of the PAH as geochemical indicators of lithosphere and technogenic flows, the 
principles of complex luminescence diagnostic of the polluted environment, the load of oil 
pollutants on the environment.

This book is meant for the researchers of the Earth, experts in the environment and 

students.

УДК  547.91+553.9
ББК 26.30
 
П32

© Пиковский Ю.И., 1993, 2016

ISBN 978-5-16-011190-2 (print)
ISBN 978-5-16-103299-2 (online)

П32

Подписано в печать 08.05.2019.

Формат 60×90/16. Печать цифровая. 
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 12,94. 

ППТ20. Заказ № 00000

ТК 389200-1032987-250615

ООО «Научно-издательский центр ИНФРАМ»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1.

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86.        Факс: (495) 280-36-29
Email: books@infram.ru                      http://www.infram.ru

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

ISBN 978-5-16-011190-2 (print)
ISBN 978-5-16-103299-2 (online)

УДК  547.91+553.9

ББК 26.30  

Р е ц е н з е н т ы:

Б.М. Валяев — доктор геолого-минералогических наук;
А.Н. Геннадиев — доктор географических наук

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

Введение

В современном мире углеводороды -  главнейшие топливноэнергетические и сырьевые ресурсы. Непрерьюное усиление их 
потоков происходит в связи с интенсификацией добычи и переработки горючих полезных ископаемых, в первую очередь нефти и 
газа. Глобальное техногенное рассеяние углеводородов приводит 
к загрязнению обширных пространств, нарушению нормальных 
биогеохимических циклов, ухудшению качества сельскохозяйственных земель. Природные потоки углеводородов, идущие из литосферы в ландшафтную оболочку, содержат важную информацию 
о геохимических процессах и скоплениях полезных ископаемых в 
земной коре. Вторжение потоков углеводородов в биосферу происходит на фоне географической зональности, в результате чего 
наблюдается разнообразие ответных реакций природных систем. 
Изучение всего многообразия процессов мобилизации, миграции, 
концентрации и рассеяния углеводородов, их взаимодействия с 
окружающей средой стало одной из актуальных теоретических и 
практических задач геоэкологии.

Объект геоэкологии -  географическая оболочка Земли, включающая в себя всю биосферу и те части внутренних геосфер и 
космического пространства, с которыми человек соприкасается 
в жизнедеятельности.

Географическая оболочка -  это целостный планетарный природный комплекс Земли, сформированный и функционирующий 
при одновременном участии солнечной энергии и внутренней энергии планеты. Она занимает историческое пространство, в котором 
происходит взаимное проникновение и взаимовлияние наружных 
оболочек Земли -  атмосферы, гидросферы и литосферы, живого 
вещества и человеческого общества. Вся эта система внутренних 
и внешних связей и позволяет считать географическую оболочку 
особым пространством материального мира, познание которого 
имеет важнейшее значение для человеческого общества.

Изучение потоков вещества, энергии и информации, связывающих между собой зсе компоненты географической оболочки, а 
ее с окружающим материальным миром -  важный путь познания 
внутренних закономерностей эволюции биосферы, ее локальных, 
региональных и глобальных изменений в связи с естественным 
развитием Земли и хозяйственной деятельностью.

Значительное место в этих потоках принадлежит углероду. 
После работ В.И.Вернадского и А.Е.Ферсмана геохимические

3

циклы углерода стали предметом постоянного внимания геологов, 
географов и биологов.

Углеводороды как одна из важных форм существования углерода занимают важное место в обмене веществом и энергией 
между внутренними геосферами и биосферой, между природной 
средой и обществом. Потоки углеводородов на протяжении всей 
истории биосферы участвовали в геохимическом цикле углерода, 
поддерживавшем жизнь на Земле.

Накапливается все больше данных, свидетельствующих о том, 
что убыль углерода, выходящего из биотического круговорота, 
пополнялась в биосфере за счет притока углеводородов, которые 
подвергались в атмосфере фотоокислению и переводились в СОг 
и воду. Особое значение углеводородные потоки приобрели в обмене веществом и энергией между природой и обществом. Масса 
углеводородов, ежегодно поступающих из недр в техносферу, в 
настоящее время не менее чем в пять раз превышает естественное 
углеводородное дыхание планеты. Энергия углеводородов -  один 
из главных факторов развития человеческой цивилизации. *С последней трети прошлого столетия до последней трети нынешнего 
углеводороды стали в известном смысле “хозяевами” планеты, 
их энергия преобразила ее лик, они стали узлом многих противоречий в обществе. Проблемы, связанные с углеводородами, 
относятся к числу важнейших проблем изучения географической 
оболочки.

Имеются три группы процессов, в результате которых возникают углеводородные потоки в географической оболочке: 
1)

биогенный синтез из продуктов распада биомассы, 2) природная 
дегазация внутренних оболочек Земли -  литосферы и мантии, 
3) добыча и переработка горючих ископаемых, в первую очередь нефти и газа. Эти источники дают начало четырем видам 
углеводородных потоков (табл. 1).

Биосферные потоки возникают в результате биогеохимических процессов в твердом субстрате биосферы (почвах, донных 
отложениях, органогенных образованиях) и атмосфере как часть 
естественного биогеохимического цикла углерода.

Литосферные эндолитогенные потоки образуются во внутренних геосферах вне зоны биогеохимических реакций. Источником 
углеводородов служат продукты дегазации мантии, углеродистые 
вещества земной коры, в том числе её осадочной оболочки. Энергетический источник этих потоков -  эндогенная энергия Земли. 
Эндолитогенные потоки -  главный фактор образования скоплений 
углеводородов в литосфере.

Литосферные технолитогенные потоки -  результат естественной дегазации недр, в основном осадочных горных пород и скоплений горючих ископаемых, спровоцированной геотехническими 
комплексами -  скважинами, горными выработками. Такие потоки 
проявляются в виде выходов нефти и газа на земной поверхности, в

4

Т а б л и ц а  1

Типы геохимических потоков углеводородов

Типы и место 
образования

Форма проявления углеводородных потоков

потоков угнелокализованные
локализованные

леводородов
рассеяния
концентрация рассеяния
концентрация

1
2
3
4
5

Биосферные
Выделение
Накопление
Выделение
Ферментатив
(биолитоУВ почвами,
углеводороУВ микроор- ное образова
генные)
донными
отложениями,
болотами,
биотой,
осадочными
породами

дов в торфяниках, 
лигнитах

ганизмами в 
термальных 
и минеральных источниках

ние биогаза в
скоплениях
биомассы

Литосферные
Холодная
Образование
Вынос УВ
Образование

(эндолитоУ  В дегазация газогидрапродуктами
скоплений

генные)
литосферы и 
мантии по 
зонам разломов и 
сейсмической активности

тов, битуминозных пород, 
горючих 
сланцев, УВ 
в углях

грязев. и 
лавового 
вулканизма, 
газо гидротермальной 
деятельности 
рассеяния 
скоплений 
углеводородов.

нефти, газа, 
руд в литосфере

Литосферные
(технолитогенные)

Выходы нефти и газа 
на поверхность по 
трещинам, 
горным 
выработкам

Перетоки 
углеводородов 
из залежей в 
другие коллекторы

Техносферные
(биотехногенные)

Ферментативное образование “биогаза” 
за счет скопления органических продуктов техногенеза

Техносферные Хронические
Водный сток
Аварийные и Добыча и

(техногенвыделения
УВ в кастехнолотранспорти
ные)
газов и жидких УВ на 
месторождениях горючих 
ископаемых, 
производственные и 
бытовые 
сбросы, выхлопные газы

кадных ландшафтно-геохимических 
системах 
концентрации

гические 
сбросы нефти, газа, 
сточных 
вод в ландшафтах

ровка нефти, 
газа, транспортировка 
нефтепродуктов

шахтах, штольнях, в форме межпластовых перетоков флюидов на 
разрабатываемых месторождениях, образования “техногенных” 
залежей углеводородов в недрах. Усилению потоков способству5

ют многочисленные искусственные каналы миграции, активизация 
неотектонических движений земной коры.

Среди потоков углеводородов, возникающих в сфере хозяйственной деятельности (техносфере), можно выделить биотехногенные и собственно техногенные потоки. 
Биотехногенные потоки 
связаны с микробиологическим синтезом метана на техногенном 
органическом субстрате, в основном на свалках, и образованием 
биогаза.

Собственно техногенные потоки -  это результат добычи нефти 
и газа, их транспортировки, переработки, потребления. 
Управляемые (транспортируемые углеводороды) и неуправляемые 
(сбрасываемые в окружающую среду) техногенные потоки углеводородов -  мощный фактор антропогенного преобразования 
географической оболочки.

Во всех типах углеводородных потоков различаются нелокализованные потоки, осуществляющие сток углеводородов с больших 
пространств и действующие практически непрерывно с меняющейся интенсивностью, и локализованные потоки, связанные с 
точечными и линейными источниками, прерывистыми во времени и пространстве. 
Основной геохимический процесс -  это 
рассеяние углеводородов в литосфере, гидросфере, атмосфере, 
почвенно-растительном покрове с последующей их трансформацией. Временно могут возникать и потоки концентрации вещества 
(в основном в литосфере и техносфере), которое в конечном итоге 
приходит в состояние рассеяния. 
Также не существует резких 
границ между нелокализованными и локализованными потоками. 
Перемещение потоков в пространстве происходит в транзитных 
водно-газовых системах, а аккумуляция -  в основном в твердом 
субстрате.

В данной работе на концептуальном уровне рассматриваются типология, генезис, особенности проявления и геохимическая 
роль з ландшафтах природных и техногенных потоков углеводородов, методы оценки состояния и прогноз изменения среды, 
загрязненной этими потоками.

На основе собственных многолетних исследований геохимии 
углеродистых веществ в различных регионах страны, обобщения 
литературных материалов автор попытался создать концепцию 
единого геохимического углеводородного цикла, все блоки которого (биосферный, литосферный и техносферный) вгзаимоо бус лов- 
лены и взаимосвязаны. 
Автор надеется, что эта концепция может помочь в раскрытии глубоких геосферно-биосферных связей, 
обусловленных потоками вещества и энергии между земными оболочками. Поиски, разведка и рациональное использование энергетических ресурсов недр Земли, с одной стороны, и сохранение 
благоприятной для жизни окружающей среды, с другой,- важнейшие геологические, географические и геоэкологические проблемы, 
которые необходимо рассматривать в тесном единстве.

6

В первой части книги рассматриваются природные потоки, создающие естественный углеводородный фон биосферы и ресурсы 
нефти и газа в недрах земной коры; излагаются нетрадиционные 
взгляды на формирование литосферных потоков углеводородов 
и их связь со сквозными сейсмогенными зонами и современной 
морфоструктурой. Особое внимание уделяется полициклическим 
ароматическим углеводородам как геохимическим индикаторам 
литосферных потоков углеводородов. Эти соединения еще недостаточно оценены в поисковой геохимии.

Вторая часть книги посвящена экологическим аспектам изучения потоков углеводородов, образующихся в результате утечек и 
аварий при добыче и транспортировке нефти и газа. 
Исследуется поведение потоков разлившейся на земле нефти, их влияние 
на окружающую среду, особенности самоочищения и рекультивации загрязненных почв. 
Лается разработанная совместно с 
М.А.Глазовской концепция прогнозного геоэкологического районирования территорий нефтедобычи, основанная на выделении 
ландшафтно-геохимических систем -  взаимосвязанных потоков 
вещества в ландшафтах. 
Завершением этой части служит глава о геоэкологическом мониторинге при добыче и переработке 
нефти и газа -  системе наблюдений и оценке состояния среды, 
воздействия на окружающую среду предприятий нефтегазового 
комплекса, диагностике и нормированию загрязнений.

Книга написана на материалах оригинальных исследований (за 
исключением обзорной первой главы), проведенных в лаборатории углеродистых веществ биосферы географического факультета 
М ГУ. Автор многие годы работал под руководством профессоров 
В.Н. Флорозской и М .А. Глазовской, чьи идеи в значительной 
мере определили его научное мировоззрение. 
В приводимых 
данных заложен большой труд сотрудников лаборатории. 
Ряд 
исследований проведен совместно с коллегами из других фирм 
и организаций. Ссылки на них даются в соответствующих местах книги.

Часть I
ПРИРОДНЫЕ потоки 
УГЛЕВОДОРОДОВ В БИОСФЕРЕ И 
ЛИТОСФЕРЕ

Г Л А В А  1.
БИ О СФ ЕРН Ы Е П О ТО К И  У Г Л Е В О Д О Р О Д О В

1.1. Формы и резервы углерода в географической 
оболочке

Географическая оболочка может существовать как целостный 
комплекс только благодаря взаимному обмену веществом, энергией и информацией между его блоками. В такой обмен включены 
практически все известные химические элементы, но организуют 
его потоки всего трех элементов (Н, С, О) в формах живого вещества, воды, углекислоты и углеводородов. Эти главные активные 
потоки неразрывно связаны между собой, тесно взаимодействуют 
друг с другом и одинаково необходимы для географической оболочки, выполняя в ней определенные функции. Наиболее активно 
обмен веществ происходит в биосфере, но он не менее важен и 
за ее пределами.

Исключительная роль в этих потоках принадлежит углероду.
Все разнообразие форм существования углерода в географической оболочке вслед за В.И. Вернадским можно разделить на 
следующие большие группы: 
1) живое вещество; 2) нефоссили- 
зированные продукты отмирания и жизнедеятельности живого 
вещества; 3) кислородные минеральные формы углерода (окислы, 
карбонаты); 4) некислородные формы существования углерода 
(углеродистые вещества) -  самородный углерод, карбиды, твердые углеродные полимеры, асфальт, нефть, природный газ и др.

Эти группы представляют собой сложноорганизованные субстанции, состоящие из различных соединений, их модификаций, 
парагенетических ассоциаций. 
Самые простые из них -  окислы 
и карбонаты,- и те редко встречаются в виде чистых соединений и выделений одного компонента или минерала. Это главная 
особенность проявления углерода в географической оболочке.

Вторая особенность всех групп соединений углерода на Земле - две формы их существования: концентрированная и рассеян8

ная (диспергированная). В живом веществе это микроорганизмы 
и представители высших форм растительного и животного мира, 
для продуктов отмирания -  рассеянное органическое вещество и 
скопления торфа, гумуса, сапропеля; для кислородных соединений -  рассеянное СО2 и толщи известняков, доломитов, карбонатов; для углеродистых веществ -  рассеянные формы во всех типах 
горных пород и скопления угля, нефти и газа.

За пределами географической оболочки -  в верхней атмосфере, ближнем и дальнем космосе, а также мантии Земли -  углерод 
очень распространенный элемент и существует в иных, малоустойчивых для географической оболочки, формах. В межзвездных 
облаках и кометах Солнечной системы углерод присутствует в 
космической пыли и газах, в атомарном виде, в виде ионов, простых молекул, радикалов (СО, С, НС, CS, СгН, СН3ОН и др.). 
В 
пылевом компоненте диффузных облаков находится в среднем 30% 
углерода (Мендыбаев, Лаврухин, 1986).

В коме кометы Галлея было идентифицировано около 20 соединений углерода, главными из них предполагаются СОг и СО, по 
распространенности следующие после Н2О. Среди других соединений углерода в атмосфере кометы предполагаются СН4, HCN, 
HC3N2, CH3CN и CS2 (Мендыбаев, Лаврухин, 1986).

В мантии Земли термобарические условия позволяют предполагать существование углерода в элементной форме (графит), в 

форме ионов и радикалов (СН, СН3 , CHJ, CN, CS и др.), а также 
простых молекул (СН4, СО, СО2). Как в космосе, так и в мантии 
наряду с углеродом наиболее широко распространен водород.

Реакции в вакууме под влиянием космических излучений и реакции в зонах мантии Земли в условиях высоких температур и 
давлений приводят к разнообразным сложным соединениям углерода, которые могут быть устойчивы в условиях географической 
оболочки, но могут распадаться в зоне реакции. Эти реакции -  
единственно возможные первоисточники всех форм углерода на 
Земле.

В географической оболочке цикл углерода можно представить 
в виде взаимодействия потоков углерода в четырех названных 
формах (рис. 1).

Резервы углерода в географической оболочке разделяются на 
подвижные и неподвижные. В подвижных резервах углерод может 
перемещаться в пространстве и обмениваться веществом с другими блоками географической оболочки. В неподвижных резервах 
углерод только фиксируется. 
Он приводится в движения в результате крупного природного катаклизма (например, внедрение 
магмы, крупное землетрясение) или техническими средствами.

Подвижные резервы углерода: 1) углеводороды и окислы углерода в водных и газовых потоках; 2) живое вещество; 3) отмершие 
остатки организмов в почве и донных отложениях; 4) скопления 
углеводородов в стратисфере.

9