CC BY
69
ГУБАЙДУЛЛИН Марсель Галиулович, КОРОБОВ Станислав Владимирович,
доктор геолого-минералогических наук, ведущий аспирант Института экологических проблем Се-
научный сотрудник Института экологических вера Уральского отделения РАН. Автор трех
проблем Севера Уральского отделения РАН. Ав- научных публикаций
тор 110 научных публикаций, в т. ч. 5 монографий (трех в соавт.)
ЗАТУЛЬСКАЯ Татьяна Юрьевна, старший РУЖНИКОВ Алексей Григорьевич, аспирант
преподаватель кафедры географии и геоэкологии Института экологических проблем Севера Ураль-
Поморского университета. Автор 6 научных пуб- ского отделения РАН. Автор 4 научных публика-
ликаций ций
п
ИНФ ОРМАЦИОННО-КОМПЬЮ ТЕРНАЯ СИСТЕМА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ПРИ ОСВОЕНИИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЕВЕРА ТИМАНО-ПЕЧОРСКОЙ НЕФТЕГАЗОНОСНОЙ ПРОВИНЦИИ*
Региональная информационная модель, экзогенные криогенные процессы, устойчивость геологической среды
Северная часть Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции относится к регионам России, где в первой половине XXI в. планируется интенсификация промышленного освоения месторождений углеводородов. Здесь, в пределах Ненецкого автономного округа (НАО) Архангельской области, выявлено 77 месторождений нефти и газа. Извлекаемые запасы нефти в них составляют около
1,4 млрд т [1]. За последние 5 лет объем ее годовой добычи в НАО возрос в 2,5 раза и в 2004 г. составил более 11 млн т. Освоение новых месторождений нефти и газа с наращиванием объемов добычи и вывоза углеводородного сырья влечет за собой усиление техногенной нагрузки на компоненты природной среды. Значительному инженерно-хозяйственному воздействию подвергается верхняя часть литосферы, которую принято называть геологической средой [2, 3]. Она представляет собой основу, на которой формируются почвы, ландшафты, развиваются растительные и животные сообщества. В связи с этим актуальной является задача по экологической оценке и прогнозу последствий освоения ресурсов недр.
В работе [4] для такой оценки предлагается использовать территориальную геоин-формационную модель, представляющую собой информационно-компьютерную систе-
му, которая, адекватно отображая результаты геоэкологических исследований, позволяет выполнить их системный анализ с целью оценки, прогноза состояния природной среды, а также обоснование мероприятий по ее защите при освоении минерально-сырьевых ресурсов региона. В данной работе приводится обобщенная схема геоинформационной модели, рассматривается ее содержание применительно к условиям Европейского Севера России в связи с предстоящей крупномасштабной разработкой месторождений полезных ископаемых.
На рис. 1 представлена структура региональной информационной модели по экологической оценке состояния геологической среды, адаптированной к решению задач, связанных с освоением нефтяных месторождений севера Тимано-Печорской провинции. В ее основу положен блочный принцип. Такой подход позволяет независимо разрабатывать отдельные компоненты системы и использовать их сразу в нескольких целях как внутри системы, так и при решении других задач. Рассмотрим вкратце назначение и содержание блоков, а также принципы, по которым происходит взаимодействие между ними.
В процессе геоэкологического исследования происходит сбор и обработка информации о районе работ, проводятся различные лабо-
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 05-05-97518).
Рис. 1. Структура информационной модели геоэкологических исследований
раторные анализы. По их результатам заполняются информационные базы данных (ИБД). В них аналитические данные распределяются по тематическим группам (вода, почвы, донные отложения, экология, геохимия и пр.). Каждая группа, в свою очередь, разбивается на подгруппы (полный химический анализ, спектральный анализ сухого остатка, содержание нефтепродуктов, содержание фенолов, состав, плотность, пластичность, влажность, поэлементный анализ и др.).
Наряду с формированием ИБД полученные результаты используются для создания типологических карт геологического и экологического содержания. На таких картах отображается, как правило, один-два, реже более, элемента геологической среды (например, данные об экзогенных геологических процессах, характеристики грунтов и горных пород, возможные пути миграции и участки
аккумуляции нефтезагрязнений, геопатогенные зоны, модуль техногенной нагрузки и другие показатели). Эти сведения необходимы для получения расчетных характеристик, используемых при проектировании промысловых сооружений, оценке воздействия на окружающую среду нефтяных и газовых комплексов и решения ряда других задач. Карты являются уникальным информационным документом, позволяющим на основе их ситуационного анализа проводить различного рода исследования для решения задач недропользования.
Математический аппарат, используемый при обработке первичных данных, обширен и включает в себя методы фильтрации, регуляризации, интерполяции, экстраполяции и другие стандартные технологии.
Информационные базы данных и типологические карты служат основой для построения цифровых моделей карт (ЦМК). Базовым инструментом для создания ЦМК являются географические информационные системы (ГИС). Они также применяются при разработке приложений, касающихся минеральносырьевой базы и организации доступа к геологическим данным с целью обеспечения управления информационными ресурсами.
Следующей важной составной частью информационной модели является блок геоэкологического районирования. Проведение районирования предполагает разработку методики оценки экологического состояния территории, а также формулирование принципов геоэкологического картографирования и районирования. Поскольку на экологическую ситуацию оказывает влияние одновременно множество факторов, то важнейшей проблемой представляется поиск единого интегрального показателя, позволяющего оценить состояние компонентов геологической среды на региональном уровне. Одним из способов ин-
тегральной оценки экологического состояния среды являются классификации, основанные на балльных оценках с использованием весовых коэффициентов влияющих факторов. Веса определяются при помощи экспертных опросов с последующей их статистической обработкой.
Такой подход положен в основу районирования с использованием экспертно-аналитической системы (ЭАС) анализа и обработки факторов, влияющих на экологическое состояние геологической среды [5]. Она является составной частью информационно-компьютерной системы обеспечения разработки недр и состоит из трех самостоятельных разделов: банков данных, аналитической и экспертной систем. ГИС-технологии являются той информационной средой, где осуществляется их взаимосвязь, пространственное совмещение комплексной геолого-экологической и другой информации, представленной в виде тематических слоев, баз и банков данных. Методика интегральной экологической оценки территории и создание геоэкологических карт для ее районирования с применением ЭАС подробно изложена в работах [5, 6]. Интегральная экологическая оценка, основанная на экспертных балльных классификациях с учетом весовых коэффициентов влияющих факторов, дает возможность исследовать не только существующую ситуацию, но и позволяет оценить потенциальную экологическую опасность воздействия на территорию в связи с усилением темпов разработки нефтяных месторождений.
Блок прогнозирования состояния геологической среды предназначен для выполнения исследований по оценке уязвимости, устойчивости и рисков, связанных с разработкой недр. Этот блок в практическом отношении имеет наибольшее значение. Выполненные на
данном этапе исследования и анализ показывают, что самыми важными природными факторами, которые существенным образом могут влиять на состояние геологической среды и определять ее устойчивость в условиях европейской части Севера России, являются следующие:
• многолетняя мерзлота (ММП);
• экзогенные геологические процессы (ЭГП);
• тип горных пород, грунтов и почв, их физико-механические и геохимические свойства, определяющие создание геохимических барьеров;
• характеристика растительного покрова;
• естественная защищенность подземных вод;
• рельеф земной поверхности;
• тектоническая нарушенность и неоднородность пород;
• геодинамическая активность, сейсмичность.
Устойчивость геологической среды определяется ее способностью к сохранению и восстановлению своих свойств, обеспечивающих нормальные условия функционирования и жизнеобитания путем самоочищения от природного и техногенного влияния [7, 8]. Для северных геосистем она во многом зависит от устойчивости многолетней мерзлоты к внешним воздействиям. Зона развития сплошных мерзлых пород характеризуется широким распространением таких ЭГП, как криогенное растрескивание, рост повторно-жильных льдов, термокарст, термоэрозия, солифлюк-ция (вязко-пластичное течение почвы по верхней границе льдистой мерзлоты), эрозия по берегам рек. Пучение, новообразования мерзлых пород и эоловая дефляция преобладают в южной части региона - в зоне развития прерывистых мерзлых пород.
Можно считать, что устойчивость геологической среды к техногенным воздействиям сопоставима с ее устойчивостью к ЭГП [9]. Чем выше потенциальная возможность возникновения таких геологических явлений, тем ниже устойчивость геологической среды к техногенным нагрузкам. Поэтому при региональной оценке устойчивости геологической среды на территории развития криолитозоны в качестве показателей устойчивости можно использовать степень распространенности криогенных геологических процессов, в первую очередь таких, как термокарстовые, тер-моэразионные и др. С учетом пространственно-временных характеристик их развития в условиях заполярной тундры Архангельской области нами предлагается следующая градация устойчивости геологической среды:
I. Устойчивое состояние. Экзогенные геологические процессы отсутствуют или проявлены слабо (пораженность площади процессами составляет менее 10%). Экосистема согласно [10] соответствует экологической норме.
II. Умеренно устойчивое состояние. Процессы средней интенсивности проявления, пораженность изменяется в пределах 10-30%. Характеризуется незначительными локальными (площадь воздействия менее 1 км2), быстро восстанавливающимися (менее 5 лет) остаточными изменениями и соответствует экологическому риску.
Ш. Слабо устойчивое состояние геологической среды. Характеризуется местными (площадь воздействия в пределах 1-100 км2) нарушениями устойчивости и медленно восстанавливающей (5-20 лет) средой. Пораженность площади составляет более 30%, что соответствует сильной интенсивности проявления экзогенных процессов или экологическому кризису.
IV. Региональное неустойчивое состояние геологической среды с неустойчивым и
невосстанавливающимся в период разработки нефтяных месторождений (более 20 лет) природным комплексом. Характеризуется развитием процессов очень сильной интенсивности на площади более 50% территории (площадь воздействия в пределах 100-10 000 км2). Экосистема находится в состоянии экологического бедствия.
В соответствии с предлагаемой градацией оценки проиллюстрируем состояние геологической среды в районе Варандей-Тобой-ской группы нефтяных месторождений, где начинается их ввод в эксплуатацию (рис. 2). Общий анализ геокриологической обстановки района выполнен на основании результатов мелко- и среднемасштабных съемок по изучению распространения ММП и поражен-ности территории криогенными процессами. Как видно из рис. 2а, ландшафтную основу представляют равнины: ледниковая (1), озерная и морская (2), прибрежно-морская (3).
В данном районе наиболее распространена озерно-морская равнина, характеризуемая как плоская, полого-волнистая, слабо расчлененная ложбинами с многочисленными озерами, полигонами, участками бугров пучения и термокарстовых воронок, заболоченная. Она сложена песками. Почвы болотные и тундровые, глеевые. Растительность - мхи, лишайники, злаковые.
Несколько меньшее распространение имеет прибрежно-морская равнина. Это пляжи, косы, морские террасы, сложенные песками. На ее поверхности имеются термокарсты и бугры пучения, абразионные и аккумулятивные участки. Почвы болотные, болотно-глеевые. Растительность - мхи, лишайники, кустарники, злаковые.
Незначительную площадь занимает ледниковая равнина, состоящая из валунных суглинков, полого-холмистая, слабо расчленен-
1111111111 • • -|2£^з^^41 Кчйййб I кЕЛг^з
1/У11я[7У|д |А/1т1-0-1п
а. б.
Рис. 2. Схема эколого-геологических условий Варандей-Тобойского района:
а) ландшафтные условия и развитие экзогенных геологических процессов: 1 - ледниковая равнина, 2 - озерно-морская равнина, 3 - прибрежно-морская равнина, 4 - заболачивание, 5 - термокарст, 6 -эоловые процессы, 7 - интенсивная абразия, 8 - овраги, 9 - оползни, 10 - термоэрозионные уступы, 11 - участки вспучивания грунтов;
б) состояние геологической среды: 1 - устойчивое, 2 - умеренно устойчивое, 3 - слабо устойчивое
ная. Почвы болотные, тундровые. Растительность бедная, представлена лишайниками, злаками и мхами.
Экзогенные криогенные процессы криоли-тозоны на данном этапе в основном управляются естественными гидрологическими и термоэрозионными процессами. Территория характеризуется преимущественно средней и слабой интенсивностью развития экзогенных процессов, обусловленных геокриологическими условиями. Им соответствуют I и II категории устойчивости геологической среды (рис. 2б). В пределах зоны распространения I категории интенсивного проявления ЭГП не установлено. Она представлена незначительными проявлениями многолетнего и сезонного пучения, а также заболачивания. Группа II характеризуется развитием на локальных участках термокарстовых и термоэрозионных процессов средней интенсивности, заболачиванием и относится к умеренно устойчивому состоянию геологической среды. При-
чем сильной интенсивности проявления ЭГП здесь пока не установлено. В пределах III группы на значительных площадях представлены интенсивные термоэрозионные и абразионные уступы с высотой 4-9 м, участки активного развития термокарста, вспучивания и криогенного растрескивания грунтов.
При строительстве и эксплуатации площадных объектов нефтепромыслов и линейных транспортных сооружений наибольшую опасность представляет развитие термокарста. Поэтому должны быть приняты соответствующие технические решения, позволяющие минимизировать повреждение поверхностного растительного слоя и исключить термическое воздействие на геологическую среду. В дальнейшем техногенные нарушения, связанные с механическими и тепловыми воздействиями на грунты и почвенно-растительный покров, могут способствовать активизации ЭГП. Кроме того, при оценке состояния геологической среды должны учитываться и другие
факторы, основанные на ресурсных, геохимических и геофизических показателях.
В процессе прогнозирования влияния нефтегазодобывающих комплексов на окружающую среду обычно рассматривают штатную и аварийную ситуации, поскольку в зависимости от этого принципиально отличаются последствия загрязнения природных комплексов. Под штатным (нормальным) функционированием системы понимается такое ее функционирование, когда коэффициент вариации не превышает 10% регламента или когда экстремальные отклонения могут изменить параметры системы не более чем на 1,5 среднеквадратических отклонения. Аварийной считается ситуация, когда имеют место 2-3 среднеквадратических отклонения от нормы.
Основную опасность представляют разливы нефти в процессе эксплуатации труб в результате их изношенности, а также при аварийных разрывах. Крупные аварии на нефтепроводах, танкерах и нефтехранилищах приведут к попаданию в природную среду десятков тысяч тонн загрязняющих веществ. Под угрозой загрязнения окажутся огромные площади. Наиболее ощутимыми будут потери для животного мира. На пересеченном рельефе нефть локализуется на относительно небольших участках, но, проникая глубоко в почву и грунт, способна оставаться в них десятилетиями. Очевидна потребность в системах прогноза, моделирующих различные сценарии развития ситуации в условиях повышенной уязвимости северных экосистем. Соответствующие исследования в этом направлении ведутся, их результаты являются предметом специального обсуждения.
Одним из важных звеньев обеспечения экологической безопасности проведения работ и принятия эффективных управленческих реше-
ний является система мониторинга состояния недр. Перед ним ставятся следующие задачи [5]:
а) изучить закономерности функционирования компонентов геологической среды;
б) прогнозировать процессы в природной среде, происходящие при естественных и техногенных воздействиях на недра;
в) разработать обоснованные варианты стратегии недропользования;
г) найти решения продления периода сбалансированного функционирования геологической среды.
Особая роль в системе мониторинга состояния недр принадлежит информационному обеспечению, исходной документальной основой которого служат компьютерные карты геоэкологического содержания и цифровые банки данных. Сопоставление фоновых характеристик с наблюдаемыми негативными отклонениями, своевременное прогнозирование во времени и в пространстве неблагоприятных тенденций в развитии того или иного процесса или явления позволят своевременно принимать решения об изменении технологического режима производства, проведении необходимых природоохранных мероприятий и тем самым регулировать качество среды.
Создаваемая и развиваемая информационно-компьютерная система анализа может стать основой для прогнозирования влияния тех или иных техногенных процессов на геологическую среду с целью предотвращения негативных экологических последствий, связанных с освоением нефтяных месторождений на территории НАО. Она позволит также оценить возможность получения недропользователями положительных экономических результатов с минимальным ущербом для окружающей среды.
Список литературы
1. Губайдуллин М.Г. Ресурсная база и перспективы освоения нефтяных месторождений севера Тимано-Печорской провинции // Нефтяное хозяйство. 2003. № 4. С. 85-87.
2. Сергеев Е.М. Инженерная геология - наука о геологической среде // Инженерная геология. 1979. № 1. С. 3-19.
3. Осипов В.И. Геоэкология - междисциплинарная наука об экологических проблемах геосфер // Геоэкология. 1993. № 1. С. 4-18.
4. Губайдуллин М.Г. Формирование региональной информационной модели экологической оценки состояния геологической среды // Вестн. Поморского ун-та. Сер. «Естеств. и точ. науки». 2003. № 1(3). С. 12-22.
5. Губайдуллин М.Г. Геоэкологические условия освоения минерально-сырьевых ресурсов Европейского Севера России. Архангельск, 2002.
6. Юдахин Ф.Н., Губайдуллин М.Г., Коробов В.Б. Экологические проблемы освоения нефтяных месторождений севера Тимано-Печорской провинции // Екатеринбург, 2002.
7. Трофимов В.Т., Герасимова Н.С., Красилова Н.С. Устойчивость геологической среды и факторы, ее определяющие // Геоэкология. 1994. № 2. С. 18-28.
8. Королев В.А., Николаева С.К. Геоэкологическая оценка зон влияния инженерных сооружений на геологическую среду // Геоэкология. 1994. № 5. С. 25-37.
9. Губайдуллин М.Г. Экологическая оценка геологической среды при освоении ресурсов недр Архангельской области // Геодинамика и геологические изменения в окружающей среде северных регионов: материалы Всерос. конф.: В 2 т. Архангельск, 2004. Т. 1. С. 205-208.
10. Экологические функции литосферы / Под ред. В.Т. Трофимова. М., 2000.
Gubaidullin Marsel, Korobov Stanislav, Zatulskaya Tatiana, Ruzhnikov Aleksey
INFORMATION AND COMPUTER SYSTEM OF ECOLOGICAL EVALUATION OF GEOLOGICAL ENVIRONMENT WHEN DEVELOPING OIL DEPOSITS OF THE NORTHERN PART OF TIMAN-PECHORA OIL AND GAS PROVINCE
The structure of information and computer system for evaluating the influence of increasing oil deposit fields of the European North of Russia on geological environment is discussed. Special emphasis is laid upon the block of possible geological environment changes prediction. Gradation of environmental stability is suggested according to a degree of exogenous geological processes progress.
Рецензент - Шварцман Ю.Г., доктор геолого-минералогических наук, профессор, директор Центра экологических исследований Поморского университета
