Экологические проблемы разработки и эксплуатации сланцевых месторождений

Введение
Одним из основных последствий техногенеза является истощение невосполнимых ресурсов, прежде всего топливных. По разным оценкам при современных объемах добычи, нефти и газа хватит на срок от 50 до 70 лет. При этом возможности использования альтернативной энергетики во многих регионах ограничены климатическими условиями, существующим уровнем научно-технического потенциала и социально-экономического развития. В частности, имеющиеся солнечные и ветровые энергетические ресурсы многих стран сегодня не в состоянии обеспечить полноценное функционирование их промышленного комплекса (например, территория постсоветского пространства – Россия, Украина, Беларусь, etc).
Актуальность темы также связана с зависимостью безопасности национальных экономик от конъюнктуры на мировом рынке относительно топливного сырья. Не имея собственных энергетических ресурсов в необходимом количестве, многие страны вынуждены принимать решения, противоречащие национальным интересам – от покупки топлива на невыгодных условиях до значительных уступок в политике странам-экспортерам.
Решением вышеуказанных социально-экономических и ресурсных проблем для стран, имеющих недостаточные запасы традиционного сырья, становится добыча сланцевого газа. Разработка сланцевых месторождений имеет существенные преимущества: улучшение инвестиционного климата, привлечение зарубежных инвесторов, создание новых рабочих мест и развитие инфраструктуры регионов. Несмотря на указанные преимущества, добыча сланцевого газа вызвала массовые протесты в разных странах мира – от Алжира до Украины. Организаторы протестных движений, включая политические партии и общественные организации, настаивают на запрете добычи сланцевого газа из-за возможных экологических угроз, связанных с освоением и эксплуатацией месторождений. Учитывая изложенное, перед учеными стоит задача выяснить причины общественного резонанса и оценить реальные экологические риски разработки сланцевых месторождений.
Литературный обзор
Экологические проблемы сланцевой революции охватывают воздействие разработки месторождений на все компоненты окружающей среды. Негативное воздействие связано с рисками загрязнения, повышения сейсмической активности, нарушения рельефа и ландшафтов экосистем территорий в районах добычи сланцевого газа, а также отсутствием адекватной нормативно-правовой базы и отраслевых стандартов (Farah & Tremolada 2016). Указанные виды негативного воздействия обусловлены использованием технологии горизонтального бурения и гидравлического разрыва пласта для извлечения сланцевого газа из породы на значительных глубинах, что требует применение специальной жидкости для разрыва пласта (Cooper, Stamford & Azapagi 2016). Риски химического загрязнения связаны прежде всего со спецификой состава жидкости, которая используется для гидроразрыва и насчитывает около 600 химических веществ в разных вариантах состава. Среди основных опасных химических элементов и соединений выделяют: поверхностно-активные вещества, нефтяные дистилляты, этиленгликоль, барий, сульфаты, гуаровая камедь, соляная кислота, различные биоциды для контроля роста бактерий и многие другие (Lampe & Stolz, 2015). Рассмотрим детальнее особенности возможных экологических последствий разработки и эксплуатации сланцевых месторождений.
Влияние на гидросферу. Загрязнение поверхностных и подземных вод является одной из основных экологических проблем разработки сланцевых месторождений. При добыче сланцевого газа в скважину закачивают специальную жидкость для гидроразрыва пласта, содержащую сотни разных химических элементов и соединений. Следует отметить, что эти добавки составляют около 2 % от объема жидкости, используемой для гидроразрыва пласта. При этом высокая токсичность химических добавок и большие объёмы используемой жидкости приводят к появлению потенциальной угрозы для окружающей среды (Michalski & Ficek, 2016). Загрязнение обьектов гидросферы может происходить при попадании химических добавок в подземные воды вследствие появления трещин при гидроразрыве или из-за плохой очистки отработанной воды. Недостаточная очистка воды, которая используется при добыче сланцевого газа, связана с самыми высокими экологическими рисками из-за концентраций загрязняющих веществ, превышающих фоновые значения в 1000-10 000 раз и стандарты качества в 10-100 раз (Annevelink, Meesters & Hendrik, 2016).
Результаты многочисленных исследований с представлением данных химического анализа свидетельствуют о загрязнении обьектов гидросферы в регионах добычи сланцевого газа. В частности, в западной Пенсильвании в районе месторождения сланцевого газа Marcellus были зафиксированы повышенные концентрации хлоридов и бромидов в сточных водах даже после процесса очистки. Уровни радия в донных отложениях в точке сброса сточных вод были в 200 раз выше, чем фоновые значения этого элемента и значения в пределах верхнего течения (Warner, Christie, Jackson & Vengosh, 2013). Данные других исследований химического состава возвратных вод, пробы которых были также отобраны с площадок сланцевого пласта Marcellus показали превышение максимальных допустимых концентраций для таких загрязняющих веществ: барий, хлорид, бензол, железо, марганец, таллий, etc (Warner, Christie, Jackson & Vengosh, 2013).
Рассмотрим противоположные мнения и исследования, в которых обосновывается безопасность добычи сланцевого газа для обьектов гидросферы. Авторы (Zhang & Yang, 2015) отмечают низкую вероятность загрязнения грунтовых вод при использовании технологии гидроразрыва, поскольку трещины не соединяют резервуар с неглубоким водоносным горизонтом

. При этом зафиксированные случаи загрязнения могут быть связаны с ошибками построения самой скважины, а обеспечение целостности скважины позволит предотвратить загрязнение.
Отдельное внимание в современных исследованиях уделено проблеме воздействия процессов добычи сланцевого газа на водные ресурсы регионов. Поскольку один из видов экологических рисков связан с использованием для фрекинга большого количества пресной воды, как следствие – пересыхание маловодных рек и уменьшение запасов воды в питьевых источниках. Согласно моделям воздействия добычи сланцевого газа на водные ресурсы Польши, потери воды от эксплуатации месторождений составят 0,03-0,86% от общего забора для всех сфер экономики (Vandecasteele, et al., 2015). Разработанные для Китая сценарии воздействия на водные ресурсы показали похожие результаты. Использование воды при разработке сланцевых месторождений будет составлять около 0,03-0,4 % местного водоснабжения в стандартном случае и 0,1-1,5 % в худшем случае. Отмечается, что расходование такого количества воды не окажет существенного влияния на водоснабжение в регионе (Xie, Zhang, Wang & Huanga, 2019).
Влияние на атмосферу. Все стадии технологического цикла добычи сланцевого газа сопровождаются выбросами в атмосферный воздух метана и других углеводородных газов, которые содержатся в пласте и относятся к группе парниковых газов. Сланцевый газ состоит преимущественно из метана, поэтому просачивается в водную и воздушную среды через трещины в земной поверхности, образовании при разработке месторождений. В 2014 году коллектив учёных (Kort, Frankenberg, Costigan, Lindenmaier, Dubey & Wunch, 2014) представили результаты исследований аномалий выбросов метана с 2003 по 2009 год в местах разработки сланцевых месторождений, которые были получены при помощи спутниковых снимков. Место аномалии соответствовало региону США под названием «Четыре угла». Этот регион охватывает территорию штатов Колорадо, Нью-Мексико, Аризоны и Юты. Ежегодно с площади региона в атмосферу поступает около 600 тысяч тонн метана, что сопоставимо с годовыми промышленными выбросами Великобритании. Как уже было отмечено, метан относится к парниковым газам, поэтому интенсивная разработка сланцевых месторождений может привести к ускорению повышения глобальной температуры приземного слоя атмосферы.
В современных исследованиях также рассматриваются проблемы загрязнения атмосферы оксидами азота при добыче сланцевого газа. Согласно данным исследований на территории сельских районов Англии (Purvis, R. M., et al., 2019) разработка сланцевых месторождений привела к увеличению выбросов оксидов азота на 20-30 %. Отмечается, что преимущественной причиной увеличения выбросов стало наличие трещин в пласте и почве, через которые просачивались загрязняющие вещества. В свою очередь, моделирование загрязнения атмосферы от разработки сланцевого месторождения Marcellus в Пенсильвании показало увеличение концентрации оксидов азота и PM 2,5 на 0,27 мкг/м3. В случае реализации этого сценария увеличение случаев преждевременной смертности в регионе добычи составит от 200 до 460 человек в год (Roohani, Roy, Heo, Robinson & Adams, 2017).
Влияние на литосферу. Нагнетание песка и воды под высоким давлением на значительные глубины до 5-7 км для разрыва пласта может приводить к возникновению сейсмической нестабильности и техногенных землетрясений. По данным геологической службы США, в центральной части страны с 2008 года наблюдается семикратное увеличение сейсмической активности, что связано с добычей сланцевого газа. В частности, инъекция водно-песчаной смеси в пласты вблизи международного аэропорта Даллас в Техасе вызвала более 180 землетрясений только с 2008 по 2009 год. При этом магнитуда таких землетрясений не превышает 4 баллов (Sovacool, 2014). Разработка месторождения Preese Hall в Англии также привела к возникновению сейсмической активности в 2011 году. Магнитуда землетрясений была незначительной и составила по разным оценкам от 1.5 до 2 баллов. Однако, эти события привели к национальному мораторию на добычу сланцевого газа на период больше года (Bradshaw & Waite, 2017).
Влияние на здоровье населения. Экологические риски для здоровья населения регионов, на которых ведется разработка сланцевых месторождений, связанны с такими факторами: загрязнение компонентов окружающей среды, включая атмосферу и питьевую воду; шумовое загрязнение; сейсмическая нестабильность.
Как уже было отмечено выше, разработка сланцевых месторождений является источником поступления в атмосферу метана, этана, пропана, оксида углерода, оксида азота и многих других загрязняющих веществ. Превышение допустимых концентраций метана в атмосфере приводит к гипоксии, головной боли, нарушению функционирования нервной системы, перепадам артериального давления, etc. Приведенную симптоматику подтверждают исследования, проведенные в Пенсильвании, США. В частности, у населения, проживающего вблизи месторождения Marcellus, после разработки сланцевого газа были обнаружены такие изменения психофизиологического состояния: повышенная утомляемость, нарушение сна, раздражительность, слабость, тошнота, затруднение дыхания, депрессия, тревога, головокружение (Steinzor, Subra & Sumi, 2013).
В литературном обзоре также следует отметить данные исследований относительно уменьшение веса младенцев, чьи матери проживали вблизи районов добычи сланцевого газа (Hill, 2018)