Изотопно-геохимические свойства торфяных почв территории месторождения Бованенково, центральный Ямал

Химико-аналитические определения финансированы Российским научным фондом (грант № 14-27-00083), изотопные определения - РФФИ (грант 17-05-00793), полевые исследования поддержаны хоздоговором № 1200-1808-2015.

Введение

Согласно Единому государственному реестру почвенных ресурсов России ^[4], комплексы торфяных болотных переходных (по классификации WRB: Fibric Histosols Dystric ^[14]) и торфяных болотных деградирующих почв плоскобугристых ландшафтов составляют 12,4% почвенного фонда Ямало-Ненецкого автономного округа. По доле занимаемой площади эти почвенные комплексы находятся на втором месте после комплексов тундровых глеевых торфянистых и торфяных, торфянисто и торфяно-глеевых болотных и почв пятен (15,3%). Таким образом, торфяные почвы плоскобугристых ландшафтов таким образом являются одним из наиболее распространенных отделов природных почв п-ова Ямал, именно эти почвы могут служить эталоном сравнения при изучении антропогенной трансформации почв в ходе нефтегазового освоения территории. Изотопный состав углерода торфа отражает степень и скорость разложения органического вещества ^[9], наличие или отсутствие обводнения торфяных горизонтов ^[1]. Содержание азота, углерода ^[10] и серы в торфе отражает изменение органического вещества при торфообразовании. Цель работы – охарактеризовать торфяные почвы Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ), а также изотопно-геохимические свойства этих почв.

Объекты и методы исследований

Значительную часть территории Бованенковского НГКМ составляют низкие (до 15 м абс.) участки голоценовых озерных и аллювиальных пойм, сложенных иловатыми суглинками и разноразмерными песками ^{[2, 6]}. Поверхность дренируется р. Сеяхой, испещрена изометричными контурами небольших озёр ^[8], характеризуется широким распространением полигональных грунтов, в северной части территории – крупными буграми пучения – гидролакколитами. В высоких абразионных береговых обрывах ^[7] р. Сеяхи (до 25-30 и 50-60 м) вскрывается комплекс отложений второй и третьей позднеплейстоценовых террас, представленный иловатыми, пылеватыми суглинками, часто вмещающими мощные (до 30 м) пластовые льды. Более крупные фрагменты террас встречаются на отдалении от русла р. Сеяхи и представляют собой серии разнонаправленных, вытянутых гряд, выполненных с поверхности слоистой иловато-пылевато-тонкопесчаной пачкой, реже иловато-пылеватыми суглинками. Все почвообразующие породы являются многолетнемёрзлыми, преимущественно высокольдистыми, с сетчатой и атакситовой криотекстурой. Актуальная средняя мощность деятельного слоя – 60-80 см. В сезон протаивания деятельный слой песчаных пород переходит в воздушно-сухое, иловато- и пылевато-суглинистых – в вязкопластичное и вязкотекучее физическое состояние. Фоновые почвы территории охарактеризованы в терминах классификации почв России ^[4], они представлены отделами криометаморфических, глеевых, альфегумусовых и торфяных почв. Техногенное воздействие на природные почвы территории Бованенковского НГКМ является строго локальным и связано с непосредственным размещением на поверхности объектов инфраструктуры месторождения. Основной тип воздействия – погребение под мощными (более 1 м) толщами песчаных и песчано-полимерных конструкций-литострат. При несистематических нарушениях серьёзные изменения претерпевает фитоценоз, при этом макроморфологический архетип почвы и тип почвенных комбинаций остаются неизменными.

Почвенные исследования проводились авторами на территории Бованенковского НГКМ с 29 августа по 10 сентября 2015 г. Сеть опорных литолого-почвенных разрезов строилась исходя из задачи максимального изучения основных геоморфологических уровней и приуроченные к ним выходы почвообразующих пород, а также с учётом расположения объектов инфраструктуры месторождения. Литолого-почвенные разрезы закладывались путём прямой выборки грунта до кровли многолетнемерзлых пород (ММП) с последующим углублением, либо глубина залегания кровли ММП устанавливалась с помощью зондирования щупом днища разреза (при мощности сезонно-талого слоя более 100-120 см).

Ключевой участок располагается на правобережье р. Сеяхи (Мутной) в 600 м. к юго-западу от промысловой базы ГП-1 Бованенковского НГКМ (рис. 1) и в 5 км к северо-западу от поселка Бованенково (70°23,4 с.ш., 68°19,4 в.д.), на правом борту одной из крупных балочных систем исследуемой территории. Абсолютная высота местности составляет 85-90 м.

Ландшафты ключевого участка ГП-1 представлены плоскобугристой мохово-кустарничковой тундрой (рис. 2) с зелеными мхами с преобладанием политрихума (Polytrichum sp.) и сфагновыми мхами на вершинах полигональных торфяников и преимущественно сфагновыми мхами и осоками с ивой (Salix nummularia And., Salix polaris Wahl.) и березкой карликовой (Betula nana L.). Превышение бугров над разделяющими их ортогонально сочленяющимися ложбинами составляет 55-60 см. Глубина залегания кровли многолетнемерзлых пород от поверхности составляет 45-50 см.

К северо-западу от ключевого участка в водосборном понижении одного из отвершков балочной системы расположена котловина озера диаметром около 30 х 45 м, в нижней северо-восточной части она целиком занята озером, а более возвышенные участки представлены низкой заболоченной озерной террасой. В южной части бровку озерной котловины осложняет оползень-сплыв.

Рис. 1. Точки почвенного опробования для описания почвенного покрова, рассматриваемый в статье ключевой участок обозначен точкой ГП-1 (Т1-Т4) Источник: космический снимок Microsoft Bing Maps с помощью открытого программного обеспечения SAS Планета

Он вдается в вершинную поверхность в виде небольшой циркообразной ниши диаметром 25-30 м с обрывистой стенкой высотой 0,6-0,9 м, местами с нависающей дерниной на бровке. Днище формы заполнено тиксотропным грунтом, поверхность которого в значительной степени покрыта сорвавшимися дерновыми блоками размером 0,3-0,4 х 1-2 м. Всего в 15-20 м от стенки срыва тело крупного оползня практически сплошь задерновано и относительно стабильно. В северо-восточной части ниши отмечен свежий конус выноса небольшого оползня-сплыва диаметром 2-2,5 м, который сформировался в результате прорыва скопления тиксотропного грунта сквозь одну из запруд грунтовых блоков.

В стенке срыва основного оползня-сплыва под дерновым покровом мощностью 2-4 см преимущественно из карликовой березки вскрываются:

3-45 см – буровато-серый средний суглинок с рыжими потеками и пятнами. До 0,25-0,3 м суглинок бесструктурный, плотный.

45-65 см – серый суглинок с оливковым оттенком, плотный, пластичный, книзу еще более уплотняется, массивный. На глубине 0,48-0,52 м – линза торфа мощностью 2-3 см.

65-85 м – тот же суглинок, плотный, очень влажный, пластичный, с мелкоореховатой структурой.

В 20 м к западу вершинная поверхность террасы покрыта хорошо выраженным полигональным торфяником площадью 30 х 40 м². Выпуклые плосковершинные полигоны достигают 3-5 м в диаметре и высоты 0,7 м и ограничены крутыми бортами, часто осложненными кочкарным микрорельефом и выполаживающимися у тыловых швов.

Рис. 2. Ландшафты изученного участка полигональной тундры близ Бованенково: а – разрез Т1 – Т4 до начала шурфования, б, в – тот же разрез после заложения шурфа-траншеи Фото: И.Шоркунов, Р.Сайфутдинов

Их разделяют ложбины шириной от 1-1,5 до 2 м в ортогональных пересечениях, с плоскими днищами, занятыми осокой. Плоские вершины занимают зеленые мхи и кустарнички (брусника), по склонам произрастает карликовая березка (Betula nana L.) и ива (Salix polaris Wahl.).

На ключевом участке ГП-1 на относительно ненарушенной антропогенной и эрозионной деятельностью вершинной поверхности абс. высотой 87 м был заложен траншейный разрез протяженностью 12 м, пересекающий два плоскобугристых эродированных полигональных торфяника и ложбину между ними (рис. 3).

++

Рис. 3. Схема расположения точек отбора на плоскополигональном бугре, Бованенковское НГКМ. Ракурс совпадает с рис. 1 а, б

Для морфологического описания и отбора образцов были выбраны 4 точки, Т1 - вершина северо-восточного плоского бугра, Т2 – склон бугра, Т3 – ложбина между буграми и Т4 – вершина юго-западного бугра. В траншее были изучены торфяно-эвтрофные почвы (точки Т1, T2, Т4) и торфяно-олиготрофные почвы отдела торфяных почв, ствола органогенного почвообразования. В каждой точке был произведен отбор образцов по глубине через каждые 3 см.

В точке ГП-1 были измерены потоки СО₂ с поверхности почв. Измерения потоков двуокиси углерода велись прямоточным методом закрытых камер с помощью набора портативных инфракрасных СО₂-газоанализаторов AZ 77532 (Temp-CO₂) (КНР, Тайвань) с точностью 1 ppm. Эти и другие данные потоков СО₂ в почвах Бованенковского НГКМ обобщены в публикации одного из авторов статьи ^[13]. Температуры приземного слоя воздуха и почвы определены электронным термометром с зондом из нержавеющей стали (Checktemp-1; Hanna Instruments), объемная влажность почвы – полевым рефлектометром HH2 Moisture Meter с датчиком ThetaProbe ML2x (Delta-T Devices Ltd.).

В близлежащих водных объектах, а также во внутрипочвенных включениях льда измерены такие показатели как pH, Eh, TDS и температура воды в момент измерения с помощью мультифункциональных датчиков (HANNA, Германия)

Содержание азота, углерода и кислорода измерено в эколого-геохимическом центре кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ с помощью CHNS-анализатора VARIO EL III V4.01, Elementar Analysensysteme GmbH, Германия. В качестве стандартного образца использована сульфаниловая кислота. Относительная ошибка измерений составила 1,3% при измерении азота, 6,97% при измерении углерода и 15% при измерении серы. Измерения значений δ¹³С и δ¹⁵N в образцах торфа выполнены в изотопной лаборатории географического ф-та МГУ на масс-спектрометре Delta-V с элемент-анализатором. Радиоуглеродные измерения возраста выполнены сцинтилляционным методом в лаборатории радиоуглеродного датирования ИИМК РАН.

Результаты и обсуждение

На северо-восточной вершине полигона (Т1) вскрыта эвтрофно-торфяная почва под зелеными и сфагновыми мхами (рис. 4).

0-10 см – Т – Олиготрофный-торфяный горизонт. Уплотнен, влагонасыщен, неоднородный по цвету в верхней части от бурого до темного серовато-бурого сфагновый торф.

10-50 см – ТЕ – Темно-серовато-бурый влагонасыщенный, уплотненный торф, с 20 см более темный эвтрофный торф. С глуб. 50 см – высокольдистый мерзлый торф.

Рис. 4. Эвтрофно-торфяная почва, Т1, Бованенковское НГКМ

На северо-западном склоне полигона (Т2, рис. 5) вскрывается эвтрофно-тофяная почва, покрытые зелеными и сфагновыми мхами, осоками, лишайниками.

Рис. 5. Профиль эвтрофно-торфяной почвы склона полигона, T2, Бованенковское НГКМ

0-10 см – Т – свежий сфагновый уплотненный бурый торф

10-48 см – ТЕ – эвтрофно-торфяный горизонт. Гипновый торф, уплотненный, свежий, неоднородный по цвету в верхней части – от бурого до темного серовато-бурого цвета гипновый торф. В нижней части горизонта – узкие субвертикальные ледяные прожилки.

В ложбине между плоскими буграми (Т3, рис. 6) вскрывается олиготрофно-торфяная почва:

0-27 (30) см – Т – олиготрофно-торфяный горизонт. Светло-бурый слабоуплотненный, влажный сфагновый торф. Волнистая граница.

27(30)-45 см – ТЕh – эвтрофно-торфяный горизонт. Более темный серо-бурый, суше вышележащего, слаборазложившийся торф. В нижней части в мерзлом торфе вскрываются субвертикальные прожилки льда и линзы иловато-пылеватого, тусклого сизо-светло-серого мёрзлого суглинка – вероятно, верхняя часть криометаморфического горизонта (подобный суглинок вскрывается в обнажении борта озерной котловины).

Рис. 6. Профиль олиготрофно-торфяной почвы ложбины, T3, Бованенковское НГКМ

Срез кровли многолетнемёрзлых пород на глубине 45-50 см вскрывает субвертикальные грунтовые прожилки органогенного и органоминерального материала в периферической (рис. 7) и ледяную жилу – в центральной части (рис. 8) межблочной ложбины. Тело жильного льда в мерзлых суглинисто-торфяных отложениях в центральной части состоит из белого пузырчатого льда и обрамлено более темным прозрачным льдом по внешнему краю, расширяясь книзу от 0,5-1 см на глубине 40 см до 40 см на глубине 55-60 см.

Рис. 7. Субгоризонтальный срез кровли многолетнемерзлых пород в ложбине, Бованенковское НГКМ

Рис. 8. Субгоризонтальный срез кровли многолетнемерзлых пород ложбины: ледяная жила, Бованенковское НГКМ

Вершина юго-западного бугра (рис. 9) покрыта зелеными и сфагновыми мхами, осоками, лишайниками и в разрезе представлена:

Рис. 9. Профиль эвтрофно--торфяной почвы вершины бугра, T4, Бованенковское НГКМ

0-10 см – Т– олиготрофный торф, уплотненный, влагонасыщеный, неоднородный по цвету – от бурого до темного серовато-бурого цвета.

10-50 см – ТЕ – эвтрофно-торфяный горизонт, уплотненный, влагонасыщеный, темно-серовато-бурый гипновый торф, с 20 см более темный, неоднородный.

В описанных разрезах почва была названа по доминирующему ботаническому составу наиболее мощного торфяного горизонта. В современной классификации почв России ввиду жестких критериев и малого разнообразия торфяных горизонтов детальная классификация подобных почв затруднена.

Для сопоставления с геохимическими свойствам почв были измерены химические, физические и физико-химические параметры грунтовых включений льда и водных объектов (табл. 1).

Таблица 1. Химические, физические и физико-химические параметры льда и водных объектов Бованенковское НГКМ

В пределах плоскобугристого торфяника рН находится в диапазоне кислых значений – 4,74, вероятно, что и торф имеет близкие значения рН. Еh льда составил 150 мВ, лед ультрапресный. Для торфяных почв Бованенковского месторождения описаны значения рН солевой вытяжки равные 4,0-4,4 и водной вытяжки 5,5 ^[5]. В р. Сеяха (Мутная) и озере ГП-1 значения этого показателя более щелочные. Условия среды во всех трех объектах, окислительные.

Торф вершины плоскобугристого торфяника был послойно датирован по общему радиоуглероду (табл. 2).

Таблица 2. Радиоуглеродный возраст торфа в верхней части плоскополигонального торфяного бугра, Бованенковское НГКМ

Возраст олиготрофно-торфяного горизонта с глубины 12-24 см составил 2415 ± 100 лет, на глубине 27-36 см возраст эвтрофного торфа – 4520 ± 240 лет, а возраст эвтрофного торфа на глубине 39-48 см датирован возрастом 2340 ± 210 лет. Вероятно, эти полигональные плоскобугристые торфяники начали формироваться не ранее 2,5 тыс. лет назад.

Значения δ¹³С в торфе в точке Т1 варьируют от –25,5 до –28‰ (рис. 10). Близкие значения (δ¹³С = –29.. –28 ‰) были зафиксированы для органогенного горизонта криоземов в низовьях р.Колымы ^[11] и δ¹³С = –24…–28‰ в нескольких криоземах оглеенных криотурбированных на Тазовском и Таймырском полуостровах ^[12]. δ¹⁵N варьирует в диапазоне от -0,46 до 5,96‰ (табл. 3).

Таблица 3. Вариации δ¹³С и δ¹⁵N в торфе (точка Т1), Бованенковское НГКМ

Рис. 10. Распределение по глубине значений δ¹³С, ‰ (V-PDB) и соотношения C/N в торфе (точка Т1), Бованенковское НГКМ

Изотопный состав азота и углерода обнаруживают близкие тенденции: при облегчении изотопного состава углерода, облегчается и изотопный состав азота. Как и в пределах Бованенковского НГКМ для ряда почвенных профилей Российской Арктики также отмечены такие геохимические свойства как разнонаправленные тренды соотношения C/N и изотопного состава углерода почв ^[10], то есть уменьшение соотношения С/N при увеличении δ¹³С c глубиной. В случае торфяно-эвтрофной почвы Бованенковского НГКМ подобные изменения четко прослеживаются для соотношения углерода и азота, но слабо выражены в изотопном составе. Соотношение углерода к азоту в торфе высокое и близко к соотношению в других органогенным почвах Российской Арктики ^{[10, 11, 12]} изменяется на вершине полигонального торфяника в диапазоне значений от 55 до 20 с увеличением глубины, а в ложбине от 39 до 25. Изотопный состав углерода торфяно-эвтрофной почвы изменяется в сторону утяжеления до глубины 18 см, и далее с глубиной изотопный состав вариабелен но в целом становится более легким и снова достигает таких же значений как на поверхности. Это объясняется тем, что рассматриваемая нами толща полностью торфяная, а не минеральная, и слои торфа формировались в разное время независимо друг от друга. Отметим также из изотопно-геохимических свойств локальный максимум δ¹³С на глубине 36 см после которого значения δ¹³С снова снижаются.

Геохимические свойства торфа (рис. 11) имеют разнонаправленные тенденции. Содержание углерода с глубиной в профиле Т1 (вершина полигона) уменьшается с 45 до 28%, при этом в точке Т3 (ложбина) в верхней части профиля содержание углерода составило 42% (табл. 4), а в нижней 40%, то есть тенденция уменьшения содержания углерода сохраняется с глубиной, но в ложбине менее выражена, чем на вершине.

Рис. 11. Распределение содержания углерода, азота, серы, % по глубине профиля Т1, Бованенковское НГКМ

Таблица 4. Элементный состав торфа Бованенковского НГКМ

Содержание азота с глубиной, напротив, растет от 0,839 из до 2,629%, достигая максимального значения на глубине 36 см, а в нижней части профиля содержание азота составляет 1,713. В ложбине содержание азота в верхней части почвенного профиля составило 1,067, а в верхней 1,607%, также сохраняя тенденцию к увеличению содержания азота в торфе. Эти значения значительно больше (в 2-6 раз), чем в болотно-низинных почвах арктических тундр (0,44%). Содержание серы изменяется от 0,2 до 0,96%, достигая максимума в той же части профиля, что и азот (36 см). В целом содержание серы увеличивается с глубиной. Для ложбины отмечена обратная тенденция уменьшения содержания серы с глубиной от 0,7 до 0,5%.

Для точки Т1 распределение серы и азота имеет похожий характер и их пики совпадают с горизонтом, выделяющимся морфологически (более темный морфон) по локальному увеличению значений δ¹³С и δ¹⁵N и по более древнему возрасту торфа.

Геохимические свойства газовой фазы почв рассмотрены при анализе эмиссии углекислого газа с поверхности почв. Средний измеренный поток диоксида углерода в пересчёте на атомарный углерод на вершине торфяного блока ГП-1, Т1 составляет 0,08 гС⁄(м²×час). Это самое низкое из измеренных нами значений для природных почв, при этом наиболее высокие значения выявлены у глееземов вблизи дорожной насыпи 0,13 гС⁄(м²×час), а у подбуров типичных значение измеренного потока диоксида углерода составило – 0,12 гС⁄(м²×час). Среди нарушенных почв наиболее высокую эмиссию диоксида углерода демонстрируют погребенные под маломощным наносом (до 20 см) из материала дорожной насыпи торфяно-глеевые почвы, значения эмиссии диоксида углерода составляют 0,25 гС⁄ (м²×час), наименьшие значения (0,02 гС⁄ (м²×час)) характерны для поверхностей насыпных площадок кустов газовых скважин. Измеренные нами значения потока углекислого газа с поверхности эвтрофно-торфяных почв в целом характерны для фоновых почв гипоарктических и арктических тундр ^[13]. Температура почвы в точке Т1 на период начала сентября 2015 измерена и колеблется в пределах 6,3...6,6 °С на поверхности и 4,8…5,3 °С на глубине 10 см. Относительная влажность торфа при этом составила от 30,9 до 38,2%.

Заключение

1. Современная классификация почв России ^[4] не позволяет точно охарактеризовать почвы рассматриваемых плоскобугристых ландшафтов, ввиду малого разнообразия органогенных горизонтов. Сфагновый по ботаническому составу торф из-за ограничения по мощности отнесен к горизонту Т, а залегающий под ним слой эвтрофного торфа к горизонту ТЕ. Почва авторами классифицирована как эвтрофно-торфяная несмотря на присутствие олиготрофно-торфяных компонентов.

2. Повторно-жильный лед в пределах торфяников имеет кислую реакцию среды за счет поступления органических кислот из кислых торфяных почв.

3. Возраст изученных торфяных почв не более 2,5 тыс. лет.

4. По изотопно-геохимическим характеристикам торф Бованенковского НГКМ близок к арктическим торфам. Изотопный состав углерода торфа варьирует от –25,5 до –28 ‰, обнаруживая тенденцию к утяжелению с глубиной в верхней части профиля и облегчению в нижней. Содержание углерода в ложбине и на вершине плоского торфяного бугра убывает с глубиной также, как и соотношение углерода к азоту, что характерно для почв Российской Арктики.

5. Геохимические свойства эвтрофно-торфяных почв плоскобугристого торфяника выражены в распределениях серы и азота, которые имеют схожий характер (увеличение с глубиной). Их пики совпадают с горизонтом, выделяющимся морфологически (более темный морфон) по локальному увеличению значений δ¹³С и по более древнему возрасту торфа.

6. Содержание углерода с глубиной в профиле почв на вершине полигона и в ложбине уменьшается с 45 до 28% и с 42% до 40% соответственно, то есть тенденция уменьшения содержания углерода с глубиной сохраняется на разных ландшафтных позициях.

7. Анализ геохимических свойств газовой фазы торфяных почв при измерении потока диоксида углерода с поверхности показал их сопоставимость по этому показателю с фоновыми почвами арктических и гипоарктических тундр, при этом техногенное воздействие на торфяные и торфяно-глеевые почвы может как увеличить эмиссию СО₂ как в 2 раза (в случае маломощного наноса до 20 см) так и почти полностью блокировать ее при засыпании мощным слоем песка и полимерных материалов.

Благодарности

Авторы благодарят к.г.н. Ю.Н.Чижову и Л.В.Добрыдневу. за помощь в проведении изотопных и химико-аналитических работ.