Нефтезагрязнение при добыче нефти на шельфе

При попадании нефти  в морскую среду возникает  сложнейшая мозаика физико-химических и других превращений, ход, длительность и результат которых зависят  как от состава и свойств самой  нефти, так и от конкретной ситуации и текущих параметров среды. Главными чертами этой картины являются ее высокий динамизм и тесное переплетение физических, химических и биологических процессов рассеяния и трансформации компонентов нефти. Подобно отравленному живому организму, морская экосистема разрушает, метаболизирует, депонирует и нейтрализует избыточные количества нефтяных примесей, превращая их в более «привычные» и безопасные для нее вещества. Период полураспада обширных пятен после нефтяных разливов составляет 1-1,5 часов. [8]

 

Рис. 4. Схема распределения  и миграции нефти в море (зима)

 

            

 

Рис. 5. Схема распределения  и миграции нефти в море

 

Понятие «Нефть в море» и выражения  типа «содержание нефти в морской  среде», «накопление нефти в морских  организмах», «поступление нефти в  донные отложения» и т.д. относятся  не к нефти как таковой, а к  многочисленным и разнообразным  продуктам ее трансформации. Эти продукты присутствуют в море в самых разных миграционных формах (пленка, раствор, взвесь, эмульсия, осадок) и непрерывно меняют свой состав, свойства и форму нахождения под влиянием физических, химических и биологических процессов. Процессы миграции и «выветривания» нефти:

 

Растекание и перенос (адвекция).

Распространение разлитой на поверхности  моря нефти происходит вначале под  действием сил тяжести, а затем  контролируется ее вязкостью и силами поверхностного натяжения. При растекании сырой нефти она быстро теряет свои летучие и водорастворимые компоненты, а оставшиеся более вязкие фракции тормозят процесс растекания. При прочих равных условиях легкая нефть растекается быстрее, чем тяжелая. Установлено, в частности, что при отсутствии ветра, волн и течений 1т сырой нейти за 10 мин образует пятно диаметром около 50м и средней толщиной 0,1мм, тогда как для растекания в таких же условиях нефти тяжелого типа требуется 90 мин. [1]

 

Испарение.

При разливе нефти и нефтепродуктов на поверхности моря сразу же начинается улетучивание в атмосферу наиболее легких нефтяных фракций. Известны примеры разливов, когда в течение нескольких суток (иногда часов) после разлива испарялось до 75% от первоначального объема разлитой нефти. Для большинства видов сырой нефти при их разливе в море считается нормальным потеря от 20 до 40% разлитой нефти.

 

Растворение.

При нефтяных разливах незначительная доля углеводородов и других соединений сырой нефти (обычно менее 1% от исходного  объема) может переходить в растворенное состояние. Это относится, прежде всего, к относительно токсичным низкомолекулярным углеводородам ароматической структуры, а так же к полярным соединениям, которые возникают в результате окислительных превращений некоторых нефтяных фракций. Что касается алифатических углеводородов и большинства не углеводородных соединений и веществ (асфальтены, смолы), то их растворимость обычно ничтожно мала.

 

Диспергирование.

В отличие от направленного (адвективного) переноса нефти на поверхности моря под действием ветра и течений диспергирование представляет собой комбинацию двух одновременно происходящих процессов:

• Разрушение нефтяного пятна в условиях активной волновой динамики поверхностных вод с образованием в толще воды разбавленной суспензии взвешенных нефтяных фрагментов и капель нефти;
• Турбулентное перемешивание и распределение (разбавление) мелких капель нефти в поверхностных водах.

 

Эмульгирование.

По своей направленности и результатам  процесс эмульгирования нефти прямо  противоположен ее диспергированию, хотя в том, и в другом случае главной движущей силой является энергия волн и турбулентного перемешивания поверхностных вод. По мере испарения легколетучих компонентов нефти ее вязкость постепенно нарастает. Одновременно повышается концентрация микросуспензии асфальтенов в жидкой нефти и начинается их агрегирование в виде эластичной твердой фазы, которая покрывает задержанные в нефти капли воды прочной оболочкой и таким образом стабилизирует их, предотвращая выход за пределы вязкой нефтяной массы.

 

Седиментация.

Обладая адгезивными свойствами, сырая  нефть и нефтепродукты (особенно их тяжелые разновидности) легко  взаимодействуют со взвешенными  в морской воде частицами, а так  же с донными и береговыми отложениями. По мере того как нефть, диспергированная в условиях активной динамики поверхностных вод (например, во время шторма), сорбируется на частицах минеральной взвеси она выводится из водной среды и осаждается на дно.

 

Затопление (осаждение).

Помимо седиментации диспергированной нефти при взаимодействии нефтяных капель со взвешенным веществом возможно затопление, т.е. выделение тяжелой агрегированной нефти из поверхностного слоя моря и опускание ее в толщу воды под действием силы тяжести. Это бывает в двух ситуациях:

• Сразу после разлива тяжелой нефти, если ее исходная плотность была больше плотности морской воды;
• Спустя некоторое время после разлива тяжелой нефти, исходная плотность которой была несколько меньше единицы, но затем повысилась в результате выветривания или за счет инкорпорирования в жидкую нефть частиц песка при выносе в прибойную полосу на песчаном пляже.

 

Химическое окисление и фотолиз.

Химические превращения нефти  в море носят в основном окислительный  характер, а на морской поверхности  они обычно сопровождаются фотохимическими  реакциями под воздействием ультрафиолетовой части солнечного спектра. Процессы разложения нефти под действием солнечного света (фотоокисление, фотолиз) ускоряются в присутствии некоторых микроэлементов и ингибируются соединениями серы. Конечные и промежуточные продукты окисления (гидроперекиси, фенолы, карбоксильные кислоты, кетоны, альдегиды) обычно имеют повышенную растворимость в воде и повышенную токсичность. Однако эту опасность не стоит преувеличивать, поскольку время жизни продуктов окисления оценивается часами (иногда сутками) и их концентрация быстро снижается за счет процессов дальнейшего разложения, турбулентности и разбавления в водной толще.

 

Агрегирование.

Образующиеся после нефтяных разливов стойкие эмульсии в виде плавающих  муссов при длительном нахождении на поверхности моря подвергаются сложным процессам химической и микробной трансформации. Конечным продуктом этих медленно протекающих процессов являются затвердевшие нефтяные агрегаты в виде смолисто-мазутных комков и шариков, которые можно встретить как на поверхности открытых вод, так и на берегу. [6]

 

Глава 4. Влияние нефтезагрязнения на гидробионты

 

При всем многообразии сценариев нефтяных разливов в море распределение нефти  в морской среде всегда крайне неоднородно, а опасность нефтяного  стресса для разных видов и экологических группировок морской биоты сильно меняется в зависимости от их экологии и, прежде всего от того, где они обитают. Эффекты и последствия нефтяных разливов для морских организмов и сообществ, обитающих преимущественно в пределах трех основных биотопов в море:

• Водная толща (пелагиаль) – среда обитания для организмов планктона и нектона, включая рыб;
• Морское дно (бенталь) – область обитания бентосных видов и форм (в основном беспозвоночных и макрофитов)
• Морская поверхность (нейсталь) – область преимущественного или временного обитания морских птиц и млекопитающих.

К этим трем биотопам базовых местообитаний  надо добавить узкую мелководную  полосу на границе моря и суши (побережье), куда входят прибойная зона (подводный  береговой склон), приливно-отливная зона (литораль) и зона заплеска (супралитораль). Именно здесь развиваются наиболее сложные и динамичные экологические процессы. Эта же область является ареной самых опасных сценариев прибрежных нефтяных разливов.

 

1. Планктон и нектон

Среди экологических группировок планктона наибольшее токсическое воздействие от разлитой на поверхности моря нефти должны испытывать организмы и сообщества гипонейстона, обитающие в верхнем (наиболее загрязненном) слое толщиной несколько сантиметров.

 

Судя по известным экспериментальным данным, воздействие нефти на фитопланктон может меняться от стимулирующего эффекта (усиления роста и скорости деления клеток за счет присутствия в нефти ростовых веществ) до кратковременного ингибирования фотосинтеза и снижения продукции одноклеточных водорослей. Некоторые виды (например диатомовые) отличаются повышенной чувствительностью реагирования на нефть по сравнению с другими таксонами (например сине-зелеными жгутиковыми). В зоопланктоне токсические эффекты (аномалии поведения, ухудшение питания, снижение скорости роста и др.) появляются в первую очередь  в фауне планктонных ракообразных и личиночных форм беспозвоночных.

 

2. Бентос

Понятие «бентос» обычно распространяют не только на обитателей морского дня, постоянно пребывающих ниже уровня моря, но и на организмы, обитающие в литорали до отметки уровня полной воды и периодически контактирующие с атмосферой. Многие из низ проходят личиночную стадию в планктоне (меропланктон), а некоторые могут подниматься в толщу воду в короткий период размножения. Большинство организмов зообентоса во взрослом состоянии может лишь медленно передвигаться на короткие расстояния или же постоянно прикреплены к донному грунту. Бентосные сообщества отличаются достаточно сложной видовой и трофической структурой и обычно включают в себя не только донную фауну (моллюски, ракообразные, черви), но также крупные прикрепленные водоросли и морские травы (макрофиты).

 

При быстром переносе и рассеянии  нефтяного поля на морской поверхности  в открытых водах, на больших глубинах и в дали от берегов транспорт нефти на дно практически исключен. При этом все процессы рассеяния и «выветривания» нефти развиваются на границе раздела моря с атмосферой и в верхней толще пелагиали. В таких ситуациях чисто пелагического разлива бентос обычно остается вне сферы воздействия нефти. Есть мнения, что на глубинах более 10м донные организмы практически не подвергаются риску поражения от нефтяных пленок на поверхности моря.

 

Чаще всего происходят разливы  с выносом нефти в мелководную прибрежную зону и литораль, где нефть может быть перемещена в донные осадки, как за счет вертикального перемешивания водных масс, так и за счет ее сорбции на минеральной взвеси и осаждения на дно. В результате этих процессов донные грунты оказываются загрязненными нефтяными углеводородами, а бентосные организмы подвергаются длительному нефтяному стрессу. Это происходит не только за счет токсического действия растворенных углеводородных фракций, но и в результате физического нарушения биотопов многих видов бентоса при локализации нефти в донных отложениях.

 

3. Морские птицы

Благодаря положительной плавучести (плотность нижу единицы) и низкой растворимости в воде (менее 1% от общего) сырья нефть и большинство  нефтепродуктов, поступающих в морскую  среду, локализуются преимущественно на границе раздела моря с атмосферой и береговой линией. В результате такого распределения нефти ее вредное биологическое действие при разливах должно проявляться в основном не в водной толще, а на поверхности моря и на побережье за счет прямого физического контакта вязкой нефтяной массы и нефтяных пленок с обитающими здесь организмами. В первую очередь речь идет, естественно, о морских птицах, которые живут по существу на границе двух сред – водной и воздушной, перебираясь на берег лишь в период размножения. Благодаря высокой численности и повсеместному распространению морские птицы являются первыми жертвами нефтяных разливов, и поэтому привлекают к себе повышенное внимание, как специалистов, так и широкой общественности.

 

Ситуации гибели птиц в условиях нефтяного загрязнения достаточно очевидны и наглядны, а размеры их потерь могут быть оценены количественно. Такого рода эпизоды многократно исследованы, описаны в научной литературе и часто фигурируют в средствах массовой информации. Как показывают последние обзоры международных экспертов количественные оценки этих потерь весьма приближенны, а их влияние на состояние популяций на фоне природной динамики численности морских птиц до сих пор остается предметом дискуссий.

Рис. 6. Птицы – первые жертвы нефтяных разливов

 

Морская орнитофауна является наиболее уязвимым к нефтяному загрязнению  компонентом прибрежных сообществ  и экосистем. Даже кратковременный  контакт с разлитой нефтью резко  снижает водоизоляционную способность  перьевого покрова птиц, приводит к их переохлаждению, иногда к утрате плавучести и способности летать и часто заканчивается их быстрой гибелью.

 

4. Морские млекопитающие

Киты, ластоногие и другие группы млекопитающих  не столь многочисленны по сравнению  с остальными представителями морской фауны. Уже поэтому, можно полагать, что вероятность их поражения во время нефтяных разливов должна быть относительно не велика. Вместе с тем, учитывая широкие вариации видовых особенностей экологии и биологии этих животных, а также их общую черту – потребность в воздухе и тяготение к границе раздела моря с атмосферой, есть основания отнести их (как и птиц) к морским организмам, обитающим в зоне повышенного риска воздействия нефти.

 

Угроза нефтяных разливов для морских  млекопитающих возникает прежде всего в результате их соприкосновения  с пленочной нефтью. При этом наиболее высокая опасность поражения  угрожает морским зверям с густым меховым покровом, который предохраняет их кожу от соприкосновения с водой и обеспечивает им надежную термоизоляцию. Речь идет в основном о каланах и полярных медведях. При контакте с нефтью изолирующая способность мехового покрова этих животных резко снижается, что может привести к их переохлаждению, усилению общего метаболизма и затем к истощению и гибели. Вместе с тем наблюдались ситуации, когда полярные медведи и каланы активно вычищали свой мех от нефти. Хотя при этом часть нефти попадала в организм животных, им удавалось избежать гибели, кроме, конечно, ситуаций очень сильного загрязнения.

 

Киты, тюлени и другие группы морских  млекопитающих поддерживают свою термоизоляцию  в основном за счет толстого слоя подкожного жира. Поэтому их уязвимость к действию попавшей на наружный покров нефти  не столь велика как для каланов и полярных медведей. Что касается моржей, а также морских котиков, кольчатых нерп и других тюленей, покрытых жестких и коротким мехом, то нефть плохо прилипает к этому покрову. Установлено, что загрязненный нефтью мех морских котиков очищается после 24ч пребывания животных в чистой воде. Отмечено так же, что группа детенышей сивучей, сильно загрязненных нефтью (более 75% покрытия), спустя месяц были обнаружены живыми. [3]