Геоэкологическая оценка территории влияния Антипинского нефтеперерабатывающего завода с применением условного фона (Тюменский федеральный заказник)

Актуальность работы. Одной из ведущих отраслей промышленности
России, определяющей современный техногенез, является нефтегазодобыча и
переработка углеводородного сырья. Месторождения углеводородного сырья
открыты в 90 странах. К 2001 г., по данным Oil & Gas Journal, по миру
функционировало 742 нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ). Их общая
мощность составляла 4,07749 трлн т. нефти в год при средней мощности НПЗ —
5,48 млн т в год. При этом использование углеводородного сырья все возрастает,
особенно в развитых странах. Так, количество использованных за последние 25-
30 лет топливно-энергетических ресурсов, равно количеству, потраченному за
всю прошедшую историю человечества, три четверти из них составляют нефть и
газ (Абросимов, 2002). Функционирование нефтедобывающей и
нефтеперерабатывающей промышленности сопровождается рядом
геоэкологических проблем, таких как утечки нефти, сжигание попутных газов,
влияние изливаемых нефтяных вод и хранение шламов (Лобачева, 2010). Таким
образом, данные объекты оказывают воздействия различного рода на компоненты
природной среды, где бы они не находились (Ермохин и др., 1995; Московченко,
1998, 2019; Абросимов, 2002; Соромотин, 2007; Околелова, 2010; Ревич, 2010;
Мухаматдинова, 2012; Моисеенко и др., 2012; Хорошавин и др., 2014; Князев,
2014; Шахова, 2016; Язиков, 2013; Bozlaker, 2013; Sarnela, 2015; Толочко, 2016;
Московченко, 2020 и др.) и, как следствие, влияют на здоровье людей (Кочина,
2008; Авалиани, 2012; Smargiassi, 2009; Tarafdar, 2018; Устинова, 2011; Epstein,
2017; Kaldor, 1984; Pasetto, 2012 и др.). Большинство исследований территорий
расположения нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности
сосредоточено на изучении углеводородов как основных загрязнителях данной
отрасли и некоторых прочих химических соединений (Бокарев, 2000; Степанов и
др., 2004; Давыдова, 2004; Шамраев, 2009; Околелова, 2010, 2011, 2015; Власов,
2011; Паничева, 2012; Wei e. a. 2014; Zhao e. a., 2015; Mukerjee, 2016; Montano-
Soto, 2017; Zhang e. a., 2017; Kao e. a., 2019 и др.). Однако помимо них НПЗ
поставляют в окружающую среду и многие другие вещества, специфическими
среди которых являются: Br, Sb, La, Tb, Yb, Ce, As, Hg, Zn, Co. К тому же
нефтеперерабатывающие заводы различаются составом выбросов и их
распространением (Прохорова, 2010; Alonso-Hernandez, 2011; De la Campa, 2011;
Мухаматдинова, 2012; Охлопков, 2015; Jafarinejad, 2016; Croquer e. a., 2016 и др.).
Известны общие факторы, определяющие этот состав для промышленных
объектов (Летувнинкас, 2005). Эти факторы индивидуальны для каждого
предприятия и района: технические характеристики, особенности места
расположения (рельеф, преимущественное направление ветра и т. д.). НПЗ
характеризуются наличием множества источников выбросов с различными
параметрами (Абросимов, 2002) и их сложным составом, с выявленными
специфическими элементами (Язиков, 2006), концентрирующимися в различных
компонентах природной среды. В результате их разноса загрязнение
распространяется от техногенных объектов в виде ореолов, форма и размер
которого определяются параметрами предприятия, а также природными
факторами, прежде всего, преимущественными направлениями ветра
(Летувнинкас, 2005). Также на степень загрязнения атмосферы влияет мощность
НПЗ, особенности технологических схем, арматуры, проектных решений,
техническое состояние оборудования и коммуникаций. Ввиду этого актуально
более обширное поэлементное исследование выбросов НПЗ и экологического
воздействия каждого из них.
Изучение влияния нефтеперерабатывающей промышленности на
природные среды и объекты является важной геоэкологической задачей. Очень
большую долю испускаемых загрязняющих веществ нефтеперерабатывающей
промышленности составляют атмосферные выбросы. По загрязнению атмосферы
нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность находятся на 4
месте среди прочих отраслей (Абросимов, 2002). Причем местными НПЗ
выбрасывается в атмосферу 0,45 % перерабатываемого сырья в сравнении с 0,1 %
западных НПЗ. Наибольшее воздействие оказывается на среды, непосредственно
контактирующие с атмосферой: растительность и почву. Каждый из данных
природных компонентов имеет определенные индикаторные параметры, в
частности показатели концентрирования химических элементов и изменение
форм их содержания являются объектом исследований ученых экологических,
геохимических, биогеохимических и других научных направлений исследований
(Страховенко, 2017; Сиромля, 2019; Сысо, 2016; Ильин, 1985). Для их выявления
важно начать изучение этих вопросов как можно раньше с момента создания
предприятия. Антипинский нефтеперерабатывающий завод (АНПЗ) Тюменской
области является объектом, который функционирует 13 лет и интенсивно
развивается. Поэтому изучение его влияния на окружающую среду носит
первоначальный характер и является основой для создания долговременного
мониторинга.
Геоэкологические исследования, направленные на выявление техногенного
воздействия, осуществляют путем сопоставления показателей техногенных
территорий с какими-либо значениями, принятыми за естественные. Они могут
быть представлены средними показателями содержания химических элементов в
каком-либо компоненте природной среды, называемыми кларками, либо
аналогичными значениями для конкретного региона. Подход с применением
региональных данных считают более корректным. Это объясняется тем, что
каждый регион характеризуется конкретной геохимической спецификой, которая
может значительно отличаться от общей. Таким образом, для корректного
выявления техногенного воздействия на природные компоненты следует
использовать с целью сопоставления местный фон. Изучение в совокупности с
этим воздействия предприятий ведущей региональной отрасли промышленности
позволяет выявить экологическую специфику. Однако во многих случаях
возникает проблема поиска фоновой территории, учитывая современные
масштабы техногенеза и урбанизации. Наиболее подходящими объектами с
данной точки зрения считают особо охраняемые территории, где не ведется
хозяйственная и промышленная деятельность. Для территории Тюменской
области к таковым относится Тюменский федеральный заказник.
В целом, изучение воздействия предприятий ведущей региональной отрасли
промышленности позволяет выявить геоэкологическую специфику и
районировать территорию по степени геохимической нагрузки.
Объектом исследования являются территории расположения
Антипинского нефтеперерабатывающего завода и района Тюменского
федерального заказника, предметом – элементный состав компонентов природной
среды – почва, подстилка, травостой и листья березы повислой (Betula pendula
Roth).
Цель: выявить особенности изменения элементного состава компонентов
природной среды в условиях техногенеза на территории деятельности
предприятия нефтепереработки (Антипинского нефтеперерабатывающего завода)
в сравнении с условно фоновой территорией Тюменского федерального
заказника.
Задачи исследований:
 Определить элементный состав компонентов природной среды
(подстилки, травостоя, почвы, листьев) условно фоновой территории Тюменского
федерального заказника и установить особенности минералогического и
микроминерального состава почв.
 Провести оценку состояния условно-фоновой территории в сравнении
с литературными данными и установить особенности миграции элементов в
компонентах природной среды.
 Установить особенности элементного состава компонентов
природной среды, а также специфики микроминерального состава почв
территории деятельности предприятия по нефтепереработке (Антипинского НПЗ)
и выявить закономерности их изменения по удалению от предприятия.
 Провести сравнение анализируемых параметров в компонентах
природной среды техногенно измененной и условно фоновой территорий.
 Выявить специфику изменения миграции отдельных элементов по
профилю почв, установить ореолы рассеяния, закономерности распределения
химических элементов и изменение соотношения отдельных из них на условно –
фоновой и техногенно – измененной территориях Тюменской области.
Фактический материал и методы исследований. Пробоотбор и
пробоподготовка материалов для исследований осуществлялись лично автором в
сотрудничестве с ИНЗЕМ ТюмГУ (Тюмень) и ИПА СО РАН (Новосибирск). Их
анализирование проводилось частично лично, а также сотрудниками ОГ ИШПР
ТПУ (Томск) и ИПА СО РАН (Новосибирск).
Пробы почвы, подстилки, травостоя, листьев в количестве 56, 36, 29, 20
шттук соответственно были отобраны на локальной территории Тюменского
федерального заказника и в районе расположения Антипинского НПЗ. Все они
были проанализированы инструментальным нейтронно-активационным методом
анализа в ядерно-геохимической лаборатории на базе исследовательского
ядерного реактора ТПУ и атомно-абсорбционным методом на содержание Hg с
использованием анализатора ртути РА-915+ с приставкой ПИРО-915 в МИНОЦ
«Урановая геология» ТПУ. Методом растровой электронной сканирующей
микроскопии были изучены пробы почвы и листьев на микроскопе Hitachi S-
3400N с ЭДС приставкой Bruker XFlash 4010 в МИНОЦ «Урановая геология»
ТПУ. Дополнительно было осуществлено изучение смешанных проб почвы
методом порошковой рентгеновской дифрактометрии на дифрактометре Bruker
D2 PHASER в МИНОЦ «Урановая геология», определен гранулометрический
состав и содержание магнитной фракции, определено содержание валовых и
подвижных форм отдельных химических элементов в лаборатории Биогеохимии
почв ИПА СО РАН. Подстилка была разделена на фракции. Статистическая
обработка данных осуществлялась с применением программ Microsoft Excel,
LibreOffice, Statistika.
Степень достоверности обеспечена достаточным количеством проб,
проанализированных в лабораториях, прошедших соответствующую аттестацию
и аккредитацию. Анализ проб проводился с применением стандартных образцов
сравнения. При этом проводился внутренний и внешний контроль путем
дублирования и параллельного определения элементного состава исследуемых
образцов разными аналитическими методами. Погрешность определения
значительной части определяемых химических элементов не превышала 10-15 %.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. На территории Тюменского федерального заказника содержание
химических элементов в почве ниже (за исключением незначительного
превышения хрома) в сравнении с литературными данными и нормативными
показателями. Особенности накопления и низкий коэффициент вариации Ca, Rb,
Fe, Co, Ba в почве, подстилке, травостое и листьях березы повислой
характеризуют территорию как условно-фоновую.
2. Проявленность влияния Антипинского нефтеперерабатывающего
завода заключается в увеличении концентрации Br, Zn, La, Ce в верхнем
горизонте почв и присутствии микроминеральных фаз фосфатов редкоземельных
элементов. Концентрирование мышьяка в ореолах рассеяния по данным
содержания в подстилке, травостое, листьях березы установлено в районе
расположения факельного хозяйства. По мере приближения к предприятию
увеличивается сумма редкоземельных элементов (почва – от 40 до 52 мг/кг,
подстилка – от 26 до 53 мг/кг, травостой – от 6,8 до 21 мг/кг, листья березы – от
1,4 до 4,3 мг/кг).
3. Ртуть поступает с листовым опадом в подстилку с концентрированием
в верхнем горизонте почв (до 0,047 мг/кг в почвах Тюменского федерального
заказника и до 0,093 мг/кг – Антипинского нефтеперерабатывающего завода).
Максимальные накопление ртути фиксируется в листьях, травостое и подстилке,
которые можно применять в качестве индикаторов загрязнения окружающей
среды.
Научная новизна. Впервые выполнено комплексное исследование и
сравнение природно-техногенной и условно-фоновой территорий по минералого-
геохимическим показателям компонентов природной среды локальных
территорий юга Тюменской области (почва, подстилка, растения). Впервые на
примере Тюменского федерального заказника проведено комплексное изучение
компонентов природной среды, и установлены фоновые концентрации 29
химических элементов. Впервые установлена эколого-геохимическая специфика
природно-техногенной территории, подверженной воздействию Антипинского
нефтеперерабатывающего завода. Установлено наличие микроминеральных фаз
сложного состава в компонентах природной среды. Выявлены особые
закономерности распределения Hg: накопление в верхнем горизонте почв,
преимущественное накопление в компонентах фоновой территории, кроме
травостоя и почвы, преимущественное накопление в южном и восточном
направлении от АНПЗ.
Теоретическая и практическая значимость. Установлены элементный
состав почв, подстилки, травостоя и листьев березы повислой территории
Тюменского федерального заказника и района расположения Антипинского
нефтеперерабатывающего завода. Выявлены элементы-индикаторы техногенной
трансформации природной среды, включая специфику микроминерального
состава почв территории деятельности предприятия. Возможно применение
полученных данных в целях экологического мониторинга самим АНПЗ, а также
научными и природоохранными организациями в качестве основы для
дальнейших исследований экологического состояния территории региона. Также
эта информация используется в образовательных целях в содержании таких
дисциплин, как «Геоэкология», «Экология», «Геохимия живых организмов».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
представлены на конференциях международного и всероссийского уровня:
 VIII Всероссийская научная студенческая конференция с элементами
научной школы имени профессора М.К. Коровина «Творчество юных – шаг в
успешное будущее» по теме: «Проблемы геоэкологии и устойчивого развития в
XXI веке. Экология человека и планеты», Томск (2015).
 XX Международный научный симпозиум имени академика М.А.
Усова “Проблемы геологии и освоения недр”, Томск (2016).
 Международная школа-семинар для молодых исследователей
«Биогеохимия химических элементов и соединений в природных средах»,
Тюмень (2016).
 XX Международные биогеохимические чтения «Современные
тенденции развития биогеохимии в условиях техногенеза биосферы», Москва
(2016).
 XII Международная ландшафтная конференция «Ландшафтно-
экологическое обеспечение рационального природопользования и устойчивого
развития», Тюмень-Тобольск (2017).
 Международный симпозиум имени академика М.А. Усова, Томск
(2017).
 III Международная школа-семинар для молодых исследователей
«Биогеохимия химических элементов и соединений в природных средах»,
Тюмень (2018).
По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 5 статей в
журналах, рекомендованных ВАК, включая 3 в журнале, индексируемом базами
данных Scopus и Web of Sciense.
Структура и объем работы. Работа состоит из 5 глав, введения,
заключения и списка литературы, включающего 404 источника.
В главе 1 приведены закономерности накопления химических элементов в
компонентах природной среды, дана минералого-геохимическая характеристика
почв.
Глава 2 содержит геоэкологическую характеристику юга Тюменской
области и основные характеристики Антипинского НПЗ.
В главе 3 приведены материалы и методы сбора, подготовки, анализа
изучаемых компонентов природной среды, статистической обработки,
интерпретации минералого-геохимической информации.
В главе 4 описано накопление химических элементов в компонентах