Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 3, стр. 74-81

ВВЕДЕНИЕ

В связи с изменением климата в регионах с широким диапазоном колебаний температур все более актуальными становятся экологические проблемы, возникающие при строительстве скоростных магистралей и эксплуатации водохранилищ [22]. Изменение климата, сопровождаемое увеличением количества осадков, таянием мерзлых пород и ледников, выступает главным фактором происходящих оползней и камнепадов [7]. Чаще всего оползни происходят после дождей и увлажнения почв на склонах гор [29]. Однако, по мнению Альпийской ассоциации ArgeAlp, к основным причинами оползней относится изменение состояния горных пород в зонах многолетней мерзлоты, которое описывают как “глубинное движение” скальных пород, с одновременным “сдвигом в сторону и вниз” [9]. Так в 2011 г. в Швейцарии произошел мощный катастрофический оползень, вызванный естественными эрозионными процессами и образованием трещин, через которые вода просачивалась в горные породы. Европейские ученые считают, что такой эффект возрастает при большой амплитуде зимних и летних температур, когда вода то превращается в лед, то вновь тает. Так в Альпах за 3-летний период было установлено смещение части горы объемом в несколько миллионов кубометров на 30 см. Серьезный социально-экономический ущерб был нанесен в 2018 г., когда с 4 по 22 января сочетание осадков и таяние снега привело к интенсивным наводнениям и оползням [7].

Эффект разрушения пород чаще всего связывают с химической эрозией и чередованием циклов замерзания–оттаивания, которые взаимно стимулируют друг друга [23]. Изучение механизмов разрушения горных пород в результате замерзания–оттаивания имеет большое теоретическое и практическое значение для анализа последствий и предотвращения разрушений инфраструктурных сооружений в холодных регионах [19, 28].

Несомненно, неординарное событие произошло в декабре 2018 г. на Дальнем Востоке. Впервые в зимний период произошел сход горных пород с сопки на берегу Бурейского водохранилища (БВДХ). Оползень перекрыл бывшее русло р. Бурея, на которой в 2003 г. запущена в эксплуатацию Бурейская ГЭС. Уникальность бурейского оползня состоит в том, что обычно подобные явления на Дальнем Востоке происходят в летнее время, а не зимой [6].

Возникла угроза режиму работы Бурейской ГЭС и затоплению поселений, расположенных выше по течению. В России впервые на водохранилище для разрушения горных пород были проведены крупномасштабные взрывные работы. Кроме самого оползня, обусловившего поступление в водную среду большого объема размельченных горных пород и раздробленной древесины, дополнительным фактором экологического риска выступали взрывчатые вещества тротил (тринитротолуол), гексоген и продукты их детонации [16, 26], которые послужили источниками загрязнения почвы, пород и водной среды. Известно, что в гидробионтах накапливаются в основном продукты трансформации взрывчатых веществ [8, 24, 25]. Потенциальный риск представляют водорастворимые продукты взрывчатых веществ, оказывающие токсичное воздействие на рыб и моллюсков непосредственно через водную среду [11].

После оползня на Бурейском водохранилище было высказано предположение об изменении химического состава воды за счет поступления измельченных горных пород (увеличение количества взвесей), остатков древесных пород (повышение цветности) и высокомолекулярных органических веществ (ОВ) из порового пространства горных пород, находящихся длительное время в состоянии регулярного замерзания–оттаивания [4].

Поэтому изменение качества воды является основным фактором риска, влияющим на изменение структуры и разнообразия сообществ гидробионтов водохранилища, динамику сукцессионных процессов и стабильность функционирования водных экосистем, входящих в единый Бурея-Амурский комплекс.

В данной работе рассматриваются изменение состава летучих органических веществ (ЛОВ) в воде Бурейского водохранилища в зоне влияния крупного оползня и проведения взрывных работ, обсуждается генезис некоторых токсичных соединений.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Долина р. Буреи в районе оползня имеет широтное направление. Ширина затопленного русла составляет 500–550 м при глубине 60–80 м. Левый берег высотой около 400 м, крутой с уклоном 30°–35°; правый – пологий, представляет собой террасовидную поверхность эрозионного происхождения шириной более 1 км и высотой до 50 м над современным уровнем воды. Колебания уровней воды в водохранилище между максимальными отметками в начале осени и минимальными весной составляют 20 м [5, 6].

Согласно геодезическим измерениям, объем сошедшего оползня составил 24.5 млн м³. Объем надводной части превысил 4.5 млн м³, основная часть оползня находится под водой. Параметры оползня: длина – 800 м, высота над урезом водохранилища – от 7.5 до 46 м. Глубина водохранилища на месте схода оползня – более 70 м. Кроме оползня произошло уникальное событие – образовалась волна, по своему механизму представляющая небольшое цунами и уничтожившая лес на обоих берегах на площади 300 га. Водный поток ломал стволы деревьев, оставляя раздробленные пни высотой до 1 м (рис. 1). Значительная часть деревьев обратным потоком воды была снесена в водохранилище, где они впоследствии вмерзли в лед. Вода перешла на другой берег и по долине притока Средний Сандар поднялась на 3.6 км [6].

Рис. 1.

Уничтоженный лес в результате цунами, вызванного оползнем (фото А.Н. Махинова, 15.01.2019).

В связи с труднодоступностью района схода оползня исследования в акватории БВДХ проводили во время краткосрочных вылетов вертолетов МЧС России. Пробы воды были отобраны до начала взрывных работ (выше и ниже тела оползня) и после их проведения из образованного канала (рис. 2).

Рис. 2.

Схема мест отбора проб воды: 1 – стенка срыва оползня; 2 – оползневое тело; 3 – канал после взрывных работ; 4, 5 – точки отбора проб воды.

Определение содержания ЛОВ в пробах воды из водохранилища и 5-суточных водных вытяжках разных субстратов (размельченные горные породы до и после взрывов, обугленная древесина, почва с вертолетной площадки) проводили методом газовой хроматографии с использованием колонки HP-FFAP (50 м; 0.320 мм; 0.50 мкн) при интервале температур 45–200°С. Вытяжки готовили при 20–23°С в стерильной дистиллированной воде из расчета 1 г субстрата/100 мл.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В первые годы формирования Бурейского водохранилища (2003–2004 гг.) предполагалось, что значительный водообмен будет снижать негативное влияние затопленных почв и растительности на качество воды. Однако проведенные исследования показали, что на качество воды существенное влияние оказывали биогеохимические процессы, происходящие в толще воды, контактных зонах вода–берег и вода–дно, особенно при разложении растительных остатков [1].

Подобные процессы могут вновь иметь место в водохранилище в зоне оползня за счет размывания берегов канала, разложения древесных остатков после цунами, поверхностного стока с берегов, седиментации размельченных горных пород, поступления из порового пространства ОВ и их вовлечение во внутриводоемные процессы. Такие предпосылки были выявлены после исследования качественного состава ЛОВ воды в период ледостава вокруг тела оползня.

Качественный состав ЛОВ в воде водохранилища до начала взрывных работ существенно отличался выше и ниже тела оползня (табл. 1). Это может быть связано с медленным дренажом воды сквозь тело оползня и поступлением ОВ из слагающих его почв и горных пород. Максимальное количество компонентов было установлено ниже тела оползня.

В основную группу ЛОВ в воде у левого берега входили бензол, метанол, m-ксилол и изопропилбензол. В воде у правого берега ниже тела оползня было установлено максимальное содержание метанола, здесь же были обнаружены бутанол и гексан. Известно, что алканы (метан, этан, пропан, гексан) широко распространены в осадочных породах, нефтяных месторождениях, угольных пластах и болотах [14]. В результате окисления и гидролиза алканов образуется широкий спектр метаболитов, включая ацетон, метанол, бутанол и др.

Пробы воды, отобранные из канала, образованного после взрывных работ (19.02.2019 г.), отличались по составу ЛОВ, среди них обнаружены (мкг/дм³): ацетальдегид (0.017–0.052), ацетон (0.020–0.25), метанол (0.060–0.22), толуол (0.001–0.42) и др. Спустя две недели (1.03.2019 г.) в пробах воды из канала отмечено снижение концентраций многих компонентов, за исключением изопропилбензола. Его содержание было в 7.5 раз выше, чем в пробах воды, отобранных ранее.

Для обоснования состава ЛОВ в пробах воды БВДХ после оползня были проведены исследования водных вытяжек разных субстратов (табл. 2). В вытяжке обугленной древесины доминировали метанол и ацетон. В вытяжке скальных пород без признаков гари обнаружены гексан, ацетон, примеси бензола и его метилированные производные, а метанол отсутствовал.

В водной вытяжке размельченных горных пород, покрытых гарью, доминировали метанол и гексан. Только в этом образце присутствовали бутанол и бутилацетат. Значительное разнообразие ЛОВ обнаружено в почвенной вытяжке с вертолетной площадки, где осуществляли разгрузку топлива и взрывчатых веществ. Здесь присутствовали метанол и гексан, но их концентрации были в 2 раза ниже, чем в вытяжке пород с гарью.

Многие ароматические соединения, обнаруженные в воде вокруг оползня и в водных вытяжках, включая метилированные производные бензола (толуол и ксилолы), представляют опасность для гидробионтов, вызывая так называемые пролонгированные риски в пространстве и во времени. Однако при определенных экологических условиях при воздействии микроорганизмов-деструкторов они могут подвергаться трансформации и деструкции [15]. Толуол часто встречается в незагрязненных водных экосистемах в довольно низких концентрациях, образуясь во время анаэробной деградации ароматических аминокислот. Для бензола и этилбензола пороговые концентрации при разложении в донных отложениях были зарегистрированы в диапазоне μМ, в то время как для толуола и ксилолов они были как минимум на два порядка ниже [13].

Генезис присутствующего во многих пробах метанола может быть связан с трансформацией природного метана в результате микробиологических процессов [27]. Обнаруженное сочетание ЛОВ позволило высказать гипотезу, что многие из этих соединений тесным образом связаны с циклом метана и разложением растительных остатков. Известно, что метан выделяется в местах с высоким содержанием ОВ, включая нефтяные месторождения, залежи угля и водохранилища [2, 10, 12]. В качестве основных субстратов для метаногенеза микроорганизмы используют смесь Н₂ + СО₂, формиат, ацетат, метанол, метиламины, метилтиолы [20] и сложные ароматические соединения, присутствующие в углях [17, 21].

Известны различные виды метаногенеза (рис. 3): гидрогенотрофный, ацетокластический и метилотрофный. Высвобождаемый метан быстро окисляется и утилизируется метанотрофными бактериями [3, 18]. Продуктом окисления метана часто является метанол, который затем окисляется до альдегидов. Метанол выступает идеальным донором электронов для денитрификации и способствует трофическому взаимодействию между метанотрофными и денитрифицирующими бактериями [10, 17].

Рис. 3.

Разные механизмы метаногенеза из природных органических/растительных полимеров [18].

В цикле метана участвуют метаногены, метанотрофы и другие микроорганизмы, разлагающие сложные ОВ и поставляющие метаногенам субстраты для синтеза СН₄. Некоторые группы бактерий могут конкурировать с метаногенами за субстрат. Все это создает чрезвычайно сложную систему трансформации ОВ в почвах и донных осадках, а также в поровом пространстве горных пород при их оводнении.

Анализ публикаций, посвященных циклу метана, позволяет сделать вывод о возможных механизмах образования идентифицированных нами ЛОВ. Присутствие метанола и ацетона в пробах воды может быть связано с их поступлением из порового пространства горных пород в результате инфильтрации воды сквозь тело оползня и сопряженных процессов трансформации ОВ, метаногенеза и метанотрофии. Ацетон чаще образуется в качестве промежуточного продукта в результате анаэробного разложения растительных остатков. Ацетаты могут использовать ацетокластические метаногены, продуцируя CO₂ и метан, тем самым замыкая цикл метана. Гексан, наряду с другими алканами, содержится в породах угольных и нефтяных месторождений. Так, на территории Верхнебуреинского района расположены Ургальское месторождение угля и Адниканское месторождение углеводородного сырья. В результате фильтрационных и диффузионных процессов углеводороды различного агрегатного состояния (жидкие и газообразные) могут мигрировать из осадочных пород по порам, трещинам и разрывным нарушениям в подземные и поверхностные воды, изменяя их качество.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Интенсивное загрязнение окружающей среды в зоне оползня растительными остатками, нефтепродуктами от транспортных средств, большое количество продуктов детонации взрывчатых веществ, размельчение горных пород являются в большей степени вероятности факторами дестабилизации экологической обстановки в акватории водохранилища.

В результате проведенных исследований установлено, что на состав летучих ОВ в воде Бурейского водохранилища в значительной степени повлияли дезинтеграция горных пород и высвобождение из порового пространства ОВ различного генезиса. Важным фактором экологического риска выступают метанол и метилированные производные бензола. Они сами являются токсикантами для гидробионтов и могут вступать в реакцию метилирования ртути, изменяя ее биодоступность и усиливая токсичность. В природных условиях весь набор идентифицированных летучих ОВ может образовываться в результате микробиологических процессов из различных низко- и высокомолекулярных предшественников. Изменение качества воды в значительной степени будет зависеть от экологических факторов, влияющих на взаимосвязанные процессы метаногенеза, метанотрофии и трансформации лигноцеллюлозы.

Авторы выражают благодарность Комитету по гражданской защите Правительства Хабаровского края и ГУ МЧС Хабаровского края и коллегам из лаборатории гидрологии и гидрогеологии ИВЭП ДВО РАН А.Н. Махинову и В.И. Киму за содействие в проведении исследований и отборе проб.