Научные исследования
Нефть в Арктике
Природный продукт и опасный загрязнитель
Представлены результаты исследований поведения нефтяных углеводородов в Баренцевом море.
Нефть - природный продукт
Что входит в понятие "нефть"
Различные типы нефти существенно различаются по химическим и физическим свойствам. Вопреки выражению "черное золото" нефть может быть представлена в природе в виде черного битумного асфальта и в форме светлых летучих разновидностей. Общим для различных нефтей является доминирование среди других компонентов углеводородов.
Среди углеводородов превалируют алканы - сравнительно малотоксичные соединения с прямыми цепями, легко поддающиеся биохимическому разложению; циклоалканы, образующие кольца, которые составляют до 60% от сырой нефти и плохо поддаются биоразложению; ароматические и полиароматические соединения, доля которых достигает 10% в сырой нефти, отличающиеся высокой токсичностью и канцерогенностью.
Нефть и нефтепродукты, попадающие в водную толщу, в скором времени перестают существовать в виде исходного субстрата и претерпевают изменения в результате различных процессов: испарения, эмульгирования, растворения, окисления, образования агрегатов, седиментации, биодеградации, включающей микробное разрушение и ассимиляцию планктоном и бентосными организмами.
Нефть и нефтепродукты, попадающие в водную толщу, в скором времени перестают существовать в виде исходного субстрата и претерпевают изменения в результате различных процессов: испарения, эмульгирования, растворения, окисления, образования агрегатов, седиментации, биодеградации, включающей микробное разрушение и ассимиляцию планктоном и бентосными организмами.
Почему это важно?
Основной регион разработки нефтегазоносных месторождений - Российская Арктика
По последним оценкам, нефтегазоносный потенциал превышает 100 млрд т в нефтяном эквиваленте. При этом на шельф Баренцева моря приходится 24 % от суммарных углеводородных запасов. Согласно Энергетической стратегии, добыча нефти на шельфе России к 2030 году должна возрасти до 33 млн т/год, в том числе в арктическом секторе – до 17 млн т/год, т. е. более чем в 17 раз: с 0,870 млн т/год в 2015 г. [Каминский и др., 2016].
Меняющийся климат приводит к перестройке экосистемы Арктики
В последние годы в связи с меняющимся климатом, в арктических морях произошли значительные изменения: увеличился приток атлантических вод [Dalpadado et al., 2014; Arrigo, Dijken, 2015; Кодрян и др., 2017] в Баренцевом море, существенно сократилась площадь многолетних льдов и произошло освобождение шельфа от зимнего льда [Лапина и др., 2011], в результате чего первичная продукция фитопланктона возросла в среднем на 28 % [Dalpadado et al., 2014; Arrigo, Dijken, 2015]. Эти изменения жизнедеятельности биоты оказывает влияние на концентрации углеводородов – постоянных компонентов органического вещества океана [Вернадский, 2001].
Методы и материалы
1
Отбор проб
2
Обработка проб
.
3
Визуализация и анализ материала
Отбор проб взвеси
Для исследования фильтрационной взвеси пробы воды были собраны батометрами Нискина объемом 10 л на гидрологических станциях комплексом «Rosette». Положение горизонтов отбора проб выбирали по результатам зондирования температуры, электропроводности, флуоресценции, полученным с помощью буксируемого зонда Idronaut и CTD3 зонда SBE319 Plus (Seabird Electronics, США), снабженного датчиками флуоресценции и мутности.
Отбор проб донных осадков
Донные осадки отбирали из дночерпателя «Океан» (слой 0–2 см) и мультикорера (колонку осадка делили по слоям 0–1, 1–2 и т. д.), сушили при температуре 50 °С, определяя влажность. Из высушенных проб отсеивали фракцию 0,25 мм, которая обычно используется в органической геохимии [Корчагина, Четвери кова, 1976].
Пробы седиментационных ловушек
Впервые были изучены потоки и состав углеводородов в седиментационных ловушках [Клювиткин и др., 2019; Лисицын, 2014; Лукашин и др., 2011; Новигатский, 2020; Gardner, 2000; Magen et al., 2010; Лисицын и др.,2014]. Этот метод позволяет в динамике и во времени изучать процессы современной седиментации рассеянного вещества и различных компонентов в его составе. Поток взвеси определяется количеством вещества, проходящего через единицу площади в единицу времени (мг/(м2сут) [Клювиткин и др., 2021], и соответствует абсолютной массе осадконакопления.
Лабораторные анализы
Дальнейшая обработка проб включает в себя исследования различных параметров, сопутствующих анализу поведения углеводородов в морской среде.
1
Массовая концентрации взвеси
Параллельно 3 пробы фильтруют в судовой лаборатории под вакуумом 400 мбар на предварительно отмытые соляной кислотой и взвешенные мембранные ядерные фильтры с размером пор 0,45 мкм (производство ОИЯИ, г. Дубна). После высушивания фильтров концентрацию определяют в лабораторных условиях гравиметрически с точностью до ±0.001мг.
2
Подготовка к определению липидов и углеводородов, а также общего и органического углерода во взвеси
Пробу воду (3–5л) одновременно фильтруют через прокаленные при температуре 450°С стекловолокнистые фильтры Whatman GF/F (с размером пор 0,7 мкм) под вакуумом 200 мбар [Немировская и др., 2013].
3
Подготовка к определению углеводородов в донных осадках
Пробы донных осадков, отобранные из дночерпателя и мультикорера, делили по слоям, а затем сушили при температуре 50 °С, определяя влажность. Из высушенных проб отсеивали фракцию 0,25 мм, которая обычно используется в органической геохимии [Корчагина, Четвери кова, 1976].
4
Концентрации липидов и углеводородов
Измерения производятся путем экстрагирования метиленхлоридом на ультразвуковой бане для определения концентраций липидов и углеводородов ИК-методом на спектрофотометре IRAffinity-1. В качестве стандарта использовали смесь (по объему): 37,5 % изооктана, 37,5 % гексадекана и 25 % бензола (ГСО 7248–96) [Ру ководство…, 1993]. Чувствительность метода – 3 мкг/мл экстракта.
5
Состав алифатических углеводородов
Методом колоночной хроматографии гексаном определяют состав алканов из фракции углеводородов. Использовали хроматограф «Кристалл-Люкс 4000-М», с пламенно-ионизационным детектором, капиллярной колонкой 30 м × 0,22 мм фирмы Supelco, с фазой 5 % фенила и 95 % метилполиксилана, при программировании температуры от 60 до 300 °С, со скоростью 8 °/мин, газ-носитель – гелий (скорость прохождения газа 1,5 мл/мин).
6
Концентрация и состав полициклических ароматических углеводородов (ПАУ)
Суммарное содержание ПАУ определяли флуоресцентным методом на приборе Trilogy (стандарт – нефтепродукт в гексане, ГСО 7950) [Справочники…, 1984], а их состав – методом высокоэффективной жидкостной хроматографии, снабженном колонкой «Диасфер» фирмы БиоХимМак (Россия).
7
Концентрация хлорофилла "а"
Определяли флуоресцентным методом на приборе Trilogy фирмы Turner (США), предварительно откалиброван- ном на кафедре биофизики биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Для выделения хлорофиллов фильтры помещали в 90% ацетон при температуре +4 °С и выдерживали в темноте в течение 12–16 часов [UNESCO, 1994].
8
Концентрация общего и органического углерода
Содержание определяли методом сухого сожжения на анализаторе АН-7560 (РФ), с подкислением пробы соляной кислотой. Чувствительность метода – 6 мкг углерода в пробе, точность 3–6 относительных % [Люцарев, 1986].
С целью выявления геохимических особенностей распределения и состава нефтяных углеводородов в Баренцевом и других арктических морях, было проведено их изучение в водной взвеси и донных осадках летом 2016, 2017, 2019 и 2020 гг. в рейсах НИС «Академик Мстислав Келдыш».
В экспедициях была охвачена осадочная толща на гидротермальных полях, расположенных в пределах Ян-Майенского осевого вулканического поднятия в южной части хребта Мона (в том числе гидротермальное поле Локи Касл). Выполнен отбор донных осадков в местах выходов метановых сипов на континентальной окраине архипелага Шпицберген и в желобе Стурфиорд. Исследованы Медвежинский желоб, шельф Н. Земли, кратеры в центральной части Баренцева моря.
АЛИФАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
Количественные показатели
Распределение алифатических углеводородов (АУВ) в Баренцевом море в 2019 году
На станциях 6207 и 6209 возможно поступление УВ с нефтяным загрязнением так как, согласно данным из космоса, в этой части Баренцева моря сосредоточено максимальное количество нефтяных пленок.
Распределение алифатических углеводородов (АУВ) в Баренцевом море в 2020 году
На судоходных путях установлены превышения ПДК нефтяных углеводородов 50 мкг/л (ПДК для нефтяных УВ)
АЛИФАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
Качественные показатели
Хроматограмма состава алифатических углеводородов вблизи Шпицбергена ст. 6840 и 6841
2 соседних станции 6840 и 6841; на станции 6840 преобладают углеводороды с длинной цепи более 22 атомов углерода - у них "сиповое" происхождение
Хроматограмма состава алифатических углеводородов вблизи Шпицбергена ст. 6840 и 6841
На станции 6841 наблюдаются относительно выраженные пики на хромтограмме для углеводородов с длинной цепи 16-20 - у них "планктонное" происхождение
ВЫВОДЫ
В поверхностных водах Баренцева моря произошел рост концентраций алифатических УВ во взвеси, обусловленный прикромочным цветением. Климатические изменения, вызвавшие увеличение ПП в Баренцевом море, привели также к росту концентраций УВ.
Повышенное содержание УВ в южной части Баренцева моря (до 58 мкг/л, 2020 г.) связано не только с возросшим судоходством, но и с коколитофоридным цветением, то есть природные процессы приводят к формированию более высоких концентраций УВ.
В настоящее время природные процессы, происходящие в Баренцевом море, оказывают большее влияние на формирование состава и уровней алифатических УВ и ПАУ, чем антропогенные.
Контакты
nemir44@mail.ru Немировская Инна Абрамовна
koltovskaya.ev@ocean.ru Колтовская Екатерина Владимировна
koltovskaya.ev@ocean.ru Колтовская Екатерина Владимировна
117997, Российская Федерация, Москва, Нахимовский проспект, дом 36
