ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2007, № 6, с. 707-720
УДК 631.48
ХИМИЯ
почв
ФОРМИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ НАД ПОДЗЕМНЫМИ ХРАНИЛИЩАМИ ГАЗА*
© 2007 г. Н. В. Можарова, В. В. Пронина, А. В. Иванов, С. А. Шоба, А. М. Загурский
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, Ленинские горы
Поступила в редакцию 02.05.2006 г.
Впервые рассмотрены представления о специфике механизма формирования магнитных оксидов железа в почвах над искусственной газовой залежью. В процессе взаимодействия техногенно-аллох-тонного метана с почвой формируются биогеохимические барьеры, на которых происходит формирование твердофазных продуктов функционирования и почвообразования. Педогенные новообразования представлены тонкодисперсными магнитными оксидами железа специфической формы и являются результатом элементарного почвообразовательного процесса - оксидогенеза, составленного из комплекса микропроцессов биогенной и абиогенной природы.
В пятидесятые годы прошедшего столетия в связи с поиском геохимических методов разведки полезных ископаемых сформулировано понятие газовой и нефтяной залежи как специфического фактора почвообразования [11]. Над разрабатываемыми газовыми и нефтяными месторождениями установлено повышенное содержание углеводородных газов, увеличение содержания углеводо-родокисляющих микроорганизмов и снижение окислительно-восстановительного потенциала в почвенном профиле по сравнению с фоновыми почвами [7, 10, 11, 13, 18]. Позднее установлено формирование газовых и бактериальных аномалий по проявлению эмиссии метана в атмосферу, увеличению активности бактериального окисления метана, снижению и широкому варьированию окислительно-восстановительного потенциала в почвах над подземными газохранилищами [14]. Участие углеводородных газов и продуктов их микробиологического преобразования в почвообразовании газоносных территорий рассматривалось с позиций увеличения биомассы метилотроф-ных микроорганизмов, формирования органического углерода и азота [12, 14, 24]. Однако до сих пор менее ясны и изучены процессы и механизмы возможного влияния природного газа на варьирование и снижение окислительно-восстановительного потенциала в почвах газоносных территорий. Один из способов решения этих вопросов может быть связан с изучением явлений редукции Бе3+ до Бе2+ и, как остаточным результатом этих процессов, сопряженного с ними изменения состава оксидов железа в почвах. Наибольший вклад в магнитные свойства почв оказывает магнетит, восприимчивость которого на два-три порядка превосходит восприимчивость таких минеральных форм как
* Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант < 06-04-
48735-а.
гематит, гетит, ферригидрит. Это дает возможность диагностировать его присутствие на уровне десятых и сотых долей процента. Другим важнейшим свойством магнетита является то, что железо в нем находится как в двух, так и трехвалентном состоянии (одна из формул Бе2+0 ■ Бе|+ 03). Поэтому этот минерал обязательно проявляется как промежуточная твердая фаза в циклических окислительно-восстановительных процессах.
В отечественной и зарубежной почвенной литературе показано, что в ходе почвообразования происходит изменение магнитной восприимчивости, которая зависит от факторов почвообразования [2, 4, 6, 22, 26].
Выделяют два механизма бактериального восстановления: использование Бе3+ в качестве акцептора электронов в диссимиляционных процессах Бе + е~ = Бе2+ и неспецифическое косвенное восстановление железа продуктами метаболизма. Первый механизм связан с биологически контролируемой биоминерализацией и хорошо изучен для процессов образования внутриклеточных магнитных образований железа магнитотаксиче-скими бактериями. Размеры частиц магнитных минералов внутри клетки соответствуют 60 х 100, 40 х 50 нм [21].
Второй механизм называют биологически индуцированной минерализацией [28, 29]. Он связан с выделением микроорганизмами метаболитов -частицы магнетита образуются внеклеточно. Такой механизм образования минерала эквивалентен небиогенной минерализации и может быть сведен к созданию магнетита в строго определенных почвенных физико-химических условиях. Однако важную роль может играть размер и поверхность бактериальных клеток. Педогенные минеральные частицы, образующиеся таким образом, характеризуются варьированием по раз-
707
4*
мерам в широком диапазоне 0.05-0.80 мкм (во фракции < 2 мкм), содержат множество дефектов кристаллической решетки [1, 28, 29]. Хотя выпадение и образование внеклеточного магнетита происходит на стадии абиотического окисления Fe2+ [6] с дальнейшим его восстановлением биогенным специфическим или неспецифическим путем, морфология и размер частиц магнетита определяются деятельностью бактерий. Вместе с тем, в литературе имеются сведения о полигене-тичности магнетитовых образований в почвах: литогенных, космогенных и техногенных [2, 6, 8].
Цель настоящей работы - выявить влияние метана, основного компонента природного газа, на формирование магнитных оксидов железа в почвах.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования являлся почвенный покров подземного хранилища газа и прилегающей территории регионального фона в Московской обл. Природный газ поступает с месторождений севера Тюменской обл. и закачивается на глубину 890-920 м в породу-коллектор. Газохранилище расположено в песчаниках и песках нижнещигров-ского горизонта и имеет глинистую алевролити-стую покрышку мощностью 10-25 м. В условиях природной и техногенной вертикальной и горизонтальной трещиноватости геологических структур образуется подземный ореол рассеяния углеводородных газов. Площадь зоны рассеяния углеводородных газов в почвенном покрове составляет около 21, промышленной зоны - около 1, исследуемой территории - около 60 км2.
Фактический материал получен на основе полевых и лабораторных исследований 1998-2005 гг. Проведены катенарные почвенно-географические работы в сходных литолого-геоморфологических условиях на фоновой территории, ореоле рассеяния углеводородных газов и промышленной зоне. Общее количество заложенных разрезов - 51. Удельная магнитная восприимчивость определялась во всех горизонтах и по площади (метод конвертов) через измерения объемной магнитной восприимчивости (капаметр КТ-5) и плотности почвенных горизонтов. Величина Eh измерялась в 10-кратной повторности (полевой потенциометр с платиновым и хлорсеребряным электродами рН-150), отбирались ненарушенные образцы для микроморфологических, микробиологических и химических анализов. Картосхема распределения магнитной восприимчивости М 1 : 40000 составлена в программе Mapinfo, версия 5.0.
В лабораторных исследованиях определялась удельная магнитная восприимчивость тем же прибором методом сравнения со значениями эталона, в качестве которого использовалась соль Мора, проводилось выделение магнитной фракции методом обогащения из почвенного образца в целом по методу [2]. Навеску почвы помещали в
пластмассовую тарелку, разбавляли дистиллированной водой и периодически взбалтывали. Магнитные частицы собирали на дне емкости с помощью постоянного магнита с величиной магнитного поля порядка 0.07 Тл, а немагнитную часть сливали. Часть выделенной магнитной фракции подвергалась дополнительной обработке с целью удаления солей и органического вещества по методике [30]. Определение встречаемости (%) и форм магнитных частиц проводилось на стереомикроскопе Stemi 2000 в отраженном свете. Микроморфологический анализ магнитной фракции почв проводился на сканирующем электронном микроскопе JEOL-JSM-35CF, энергодисперсионные спектры получены на сканирующем электронном микроскопе OPTON Carl Zess LEO 1450VP и рентгеновском микроанализаторе INCAx-sight.
Определение биомассы и видового состава почвенных микроорганизмов проводилось методом хромато-масс-спектрометрии [15]. Активность биологического окисления и продуцирования метана измерялась кинетическими методами с использованием инкубирования в закрытых сосудах [9, 16] с использованием газового хроматографа М 3700 (МОЗ Хроматограф, Россия) с пламенно-ионизационном детектором (адсорбент SE-30, металлическая колонка длиной 1 м).
Разработан и выполнен эксперимент по определению влияния природного газа на магнитную восприимчивость почв. Он основан на разделении процессов восстановления/окисления железа, необходимых для синтеза магнетита. Моделировали режим периодического увлажнения/иссушения в присутствии природного газа и его отсутствии.
Использовали образцы иллювиальных горизонтов дерново-подзолистых почв с различным содержанием органического углерода, физической глины, находящихся в промышленной зоне, зоне рассеяния углеводородных газов и на фоновой территории. Каждый образец почвы делили на две части. Одну часть использовали для восстановления железа ценозом существующих в почвенном образце микроорганизмов, с избытком заливая ее 1%-ным раствором глюкозы. По истечении недели надосадочный раствор сливали и использовали для увлажнения второго образца так, чтобы влажность почвы составила около 20%. Контроль показал, что массовая концентрация железа в привносимом растворе в среднем составляла 0.002%. Процесс окисления моделировали иссушением, добавляя для его ускорения в сосуд с образцом почвы силикагель. К концу недели влажность образца снижалась до 15%. В образцах с добавлением газа еженедельно через силиконовую трубку, закрепленную на дне герметично закрываемого сосуда, вводился метан в количестве 4000-10000 ppm. Каждую неделю измеряли магнитную восприимчивость и Eh. Эксперимент проводился в течение года. В начале и в конце опыта проведены микробиологические и электронно-микроскопические исследования.
Статистическую обработку данных проводили | пакете Statistica.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Основные профильные и пространственные закономерности распределения магнитных характеристик почв фоновой территории. Почвы района исследования формируются на песчаных и супесчаных озерно-ледниковых и древнеаллюви-альных отложениях. Рассматриваемые почвообра-зующие породы по степени ожелезненности относятся к умеренно-низкоожелезненным [6]. Степень оксидогенеза железа (Feдит/Feвал) - оче
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.