3.4. Меры по охране среды при подводной добыче полезных ископаемых

Охрана среды при подводной добыче - один из важных аспектов деятельности подводного технолога. Обширность вопросов, связанных с этой проблемой, не позволяет рассмотреть их с достаточной полнотой в пределах одного параграфа. Здесь мы лишь коснемся некоторых из них, связанных главным образом с проведением под водой добычи твердых ископаемых и нефти.

Масштабы влияния естественных процессов и подводных горных работ на природную среду далеко не одинаковы. Только в результате стока рек в прибрежной зоне Мирового океана ежегодно откладывается более двух кубических километров речных наносов, что и по объему, и по площади, занимаемой этими наносами, несравненно больше годового количества горной массы, перерабатываемой дноуглубительным флотом и добываемой при подводных горных работах во всем мире. Кроме того, постоянное воздействие прибоя и штормов также оказывает серьезное влияние на природный режим моря, вызывая нарушение растительного покрова, перемещение горных пород, изменение рельефа дна и прозрачности воды. Исследования показали, что восстановление сообществ благодаря интенсивным связям с окружающими участками происходит в течение двух месяцев, а содержание взвешенных веществ в воде, не превышающее 20 мг/л, практически не оказывает отрицательного воздействия на обитателей морей.

Что же касается процессов, сопровождающих подводные разработки, то происходящие при этом явления нуждаются в специальных исследованиях, методика которых еще недостаточно разработана: в литературных источниках упоминается лишь об отдельных мелкомасштабных экспериментах в этой области. Одна из таких локальных программ NOMES была осуществлена весной 1974 г. в районе Бостона (США) на подводном гравийно-песчаном карьере. Цель исследований заключалась в определении экологического эффекта разработки карьера на 1) метаболизм и выживание организмов, сталкивающихся с суспензиями мелкозернистого вещества; 2) изменения естественной среды, вызванные извлечением и передислокацией отложений; 3) передачу и распространение добавочных порций химических элементов подводным организмам; 4) химическую и физическую реакцию донных отложений в результате их интенсивного перемешивания.

Программа включала следующие этапы:

- изучение естественных биологических, океанографических и геологических характеристик экспериментального полигона;

- проведение шестинедельного цикла землечерпательных работ при помощи двух 840-мм центробежных насосов на площади 0,25 км². (Грунт извлекался с глубины от 3 до 6,7 м, общий объем извлеченного материала составил 765 тыс. м³. Цикл загрузки включал двухчасовой забор донного грунта и 14-часовой перерыв на его транспортировку к месту разгрузки);

- изучение физико-химического и биологического взаимодействия между отложениями и водой, в частности лабораторные исследования связи между свойствами отложений и концентрациями токсичных элементов (тяжелых металлов и органических загрязняющих веществ); исследования взаимосвязи физико- и биохимических характеристик осадков и энергетического бюджета морских организмов, испытание влияния работ на беспозвоночных животных, морские водоросли, планктон и рыб;

- теоретическое моделирование степени влияния крупномасштабных подводных добычных работ и оценка различных факторов, связанных с ними.

Более серьезную опасность представляет загрязнение акваторий подводных карьеров отходами применяемых при эксплуатации технических средств (подсланевыми водами, топливом, отработанным маслом и смазочными материалами), фекально-сточными водами, мусором и пищевыми отходами. Так, в настоящее время содержание нефтепродуктов в воде, сбрасываемой системой охлаждения двигателей внутреннего сгорания на земснарядах, колеблется от 8 до 46 мг/л. Поскольку объемы сбрасываемой воды на крупных земснарядах достигают нескольких тысяч кубических метров в сутки, уровень загрязнения поверхности моря может быть очень высоким, особенно когда земснаряды работают на ограниченных площадях, например, в ледовых майнах. Существенным источником загрязнения являются тросы земснарядов, с которых в течение года поступает в воду до 100 кг смазки (с каждого судна), а также система смазки черпаковых скатов, на что в сутки расходуется по 18 кг солидола, в процессе работы почти полностью сгребаемого в воду. Поэтому очень важно при разработке морской горнодобывающей техники всеми силами снижать возможность "технологического" загрязнения среды.

Развитие сбора конкреций потребует механической обработки больших площадей дна. Как это повлияет на экологию океана? Прежде всего, отметим, что это влияние распространится на живые организмы, живущие как на дне, так и в толще воды. Дно океана заселено слабо. Так, в западной части северной Атлантики плотность биомассы равна 9 мг/м², а в наиболее перспективных для добычи конкреций районах Тихого океана оно не превышает 0,01 мг/м. Таким образом, несмотря на медленный цикл восстановления глубоководных донных организмов разрушение поверхности дна при добыче, вероятно, не вызовет сильного отрицательного экологического эффекта.

Гораздо большее влияние оказывает механическое разрушение поверхности океанского дна на химический состав придонных слоев воды. Было установлено, что при работе черпаковой системы вымывание мелких частиц из черпаков осуществляется вблизи дна, т. е. загрязняются придонные слои вод. В конечном счете происходит транспортировка поднятой мути подводными течениями и ее осаждение на бентосе. Проведенные в Тихом океане эксперименты показали, что более крупные частицы ила будут оседать после вымыва из черпаков на расстоянии нескольких километров, а частицы диаметром менее 0,06 мм могут транспортироваться на многие километры даже при очень малых скоростях течений. Было подсчитано, что одна установка производительностью 3 млн. т в год поднимает за этот период со дна около 23 млн. м³ осадков. Однако сопоставление этой цифры с масштабом естественного транспортирования осадков в океане все же позволяет сделать вывод о сравнительно слабом влиянии подобной добывающей установки на перераспределение донных грунтов. Например, в результате землетрясения 1929 г. в районе Большой Ньюфаундлендской банки образовался мутьевой поток длиной 3,5 км, шириной 350 км с толщиной слоя 100 м, который двигался с континентального склона вглубь океана. Объем транспортируемых осадков при этом составил 100 км³, причем они покрыли собой площадь, равную 100 тыс. км² при толщине слоя от 40 до 100 см.

При эрлифтном способе подъема происходит перенос замутненных слоев богатой питательными веществами донной воды на поверхность. Это может вызвать возрастание биологической продуктивности верхних слоев воды, привести к их замутнению и активизации в новых условиях организмов, бездействовавших в донных условиях. Наблюдения показали, что глубинная вода чрезвычайно быстро прогревается и перемешивается с верхним слоем и уже не опускается вниз. Однако интенсивность роста биомассы фитопланктона становится заметной лишь тогда, когда содержание донной воды превышает 10 % общего объема. А поскольку примесь донной воды при работе эрлифта составляет менее 3 %, ученые в настоящее время предсказывают незначительное влияние и этого фактора на фитопланктон.

Таким образом, можно заключить, что по сравнению с естественными процессами перемещения грунтов в океане искусственные горные разработки не должны оказывать сильного влияния на среду. Однако учитывая мелкомасштабный характер выполненных к настоящему времени исследований, наличие неконтролируемых факторов и различных местных условий, в процессе промышленной разработки необходимо проводить постоянное наблюдение за окружающей средой. Исследования должны включать: наблюдения за процессом сбора конкреций; изучение распределения донных слоев воды с помощью меченых атомов; измерение параметров шлейфа взвешенных осадков посредством красителей; изучение поверхностного шлейфа взвешенных осадков по фотографиям, полученным со спутников и самолетов; непрерывное наблюдение за перераспределением осадков и воздействием их на флору и фауну.

Гораздо более сложные проблемы по защите среды возникают при добыче морской нефти. Интенсивное развитие морских нефтепромыслов совпало с началом широких исследований в области загрязнения Мирового океана отходами деятельности человека. Эти исследования показали чрезвычайно высокий общий уровень загрязнения океанских вод и дна различными веществами и в том числе нефтепродуктами, что привело к разработке во многих странах жестких правил проведения морского бурения. Так, правила, разработанные в 1973 г. Агентством по защите окружающей среды США, предусматривают составление для каждой морской платформы индивидуальных планов мероприятий и контроля по предупреждению утечек нефти, регламентирующих порядок выбора оборудования, выполнения производственных операций, мероприятия на случай аварии и программы специальной подготовки персонала. Правила требуют включать в состав персонала специалистов по борьбе с утечками нефти. Нарушение плана влечет за собой денежные штрафы в размере 500 дол. в сутки. В соответствии с этими правилами, вредными считаются утечки нефти, приводящие к изменению блеска и цвета морской воды и образованию на ней или на берегу нефтяных пленок. Для обнаружения таких загрязнений Береговая охрана США использует специальную систему AOSS, разработанную компанией "Аэроджет электросистем" и монтируемую на самолетах. Она включает радиолокационную установку с дальностью действия до 25 миль, которая обнаруживает нефтяные пятна в тумане и через облачность при минимальной толщине пленки (мономолекулярный слой) и при волнении моря до трех баллов. Система снабжена аппаратурой, работающей в инфракрасном, ультрафиолетовом и видимом диапазоне длин волн. В целом система AOSS позволяет обнаруживать нефтяные пятна днем и в темноте при скорости ветра до 13 м/с и высоте волн до 4 м, а также картировать их на расстоянии до 22 км [94]. Аналогичная аппаратура разрабатывается и в Советском Союзе.

Для обнаружения источника утечек нефти ученые Вудсхоллского океанографического института разработали метод анализа отобранных проб с помощью газового хроматографа. Проба испаряется при входе в хроматограф, после чего пары нефти пропускаются через трубку с абсорбентом. Входящие в состав нефти углеводороды имеют различную степень поглощаемости, а, следовательно, и неодинаковое время выхода из хроматографа. Сравнивая время задержки с эталоном, можно идентифицировать каждый углеводород, а также определять их количественное содержание. Метод дает очень высокую степень точности идентификации пробы и источника загрязнения, причем сохраняет свою эффективность даже при исследованиях нефти, долгое время подвергавшейся воздействию моря, воздуха и солнца.

С учетом возросших требований по обеспечению защиты окружающей среды от загрязнения при бурении подводных скважин морские буровые платформы в последние годы стали оснащать специальными системами для утилизации вредных стоков и отходов. Одна из наиболее совершенных систем, позволяющая производить бактериологическое разложение нефтепродуктов, очистку, аэрацию и химическую обработку сбрасываемых за борт сточных вод, разработана фирмой "Лафлэнд". Она предусматривает установку на платформе палубного бортового ограждения высотой 1,5 м для предотвращения стока грязи через борт и дополнительных поддонов под всеми двигателями, лебедкой и ротором, а также системы трубчатых лотков, собирающих все загрязняющие стоки в основной трубопровод. Из последнего стоки поступают в специальный затвор, где из потока выделяются дизельное топливо и смазочные вещества, а очищенная вода через решетчатый фильтр, задерживающий крупные твердые частицы неорганического происхождения, уходит в аэрационную камеру. Там происходит разложение твердых органических веществ, которые с помощью кислорода, вдуваемого через специальные диффузоры, перерабатываются микроорганизмами в двуокись углерода, воду и другие субстанции.

Далее раствор через дроссельную систему поступает в очистную камеру и освобождается от твердых частиц, возвращаемых специальным эрлифтом в аэрационную камеру. Частицы, плавающие на поверхности, удаляются из очистной камеры добавочным пеноснимающим устройством. Очищенные стоки через регулирующую заслонку поступают в бак, где они подвергаются дополнительной химической обработке, а затем сбрасываются в море.

Собранные в процессе очистки отходы сжигаются в двух печах; первая предназначена для жидкой грязи, вторая - для прочего мусора и твердых частиц. Обе печи снабжены установкой для вторичного сжигания, обеспечивающей полное удаление всех летучих компонентов, полученных после сжигания отходов. Несгоревшие остатки собираются в контейнеры и отвозятся на берег. Производительность очистной установки составляет около 0,25 м³/ч. Масса установки 2,4 т, габаритные размеры 3,5x1,9x2,0 м. Стоимость комплекта около 20 тыс. дол.

Введение строгих правил по борьбе с утечками нефти и внедрение соответствующих технических средств по предотвращению утечек и контролю за ними позволяют значительно уменьшить опасность нанесения серьезного ущерба морским обитателям в результате проведения буровых работ в море. Следует также учитывать способность морской среды к естественному разложению нефти. Как было сказано выше, при утечке нефти на поверхности воды образуется пленка, размеры и толщина которой зависят от количества разлитой нефти, ее вязкости, наличия ветра, течения и других условий. Образующаяся эмульсионная смесь нефти и воды постепенно окисляется воздухом. Происходит выщелачивание содержащихся в нефти водорастворимых компонентов и биологическое разложение нефти под действием бактерий, находящихся в воде. В результате нефть становится более плотной и темнеет из-за присутствия твердых частиц асфальта и смол. После вымывания этих частиц остается негорючий нерастворимый остаток, состоящий в зависимости от сорта нефти из густой консистентной смазки или черного вазелина, легко удаляемых судами-мусоросборщиками с поверхности моря. Показательным в этом отношении является тот факт, что интенсивный рост добычи морской нефти в Мексиканском заливе до недавнего времени не оказывал отрицательного влияния на развитие в этом районе рыболовства. Так, если в 1950 г., т. е. спустя два года после завершения бурения первой скважины на шельфе Луизианы, добыча рыбы в ее прибрежных водах составляла около 140 млн. т (6 % всей добычи рыбы в США), то к 1970 г., когда в этом районе действовало около 2800 буровых и эксплуатационных платформ, добыча рыбы возросла до 455 млн. т, что составило 22 % от всей добычи рыбы в США [110].

Подробные сведения о влиянии на экологию двух морских платформ при безаварийной работе были получены в 1975- 1976 гг. в Калифорнийском институте морских ресурсов. В качестве опытных полигонов были выбраны платформы "Хилдэ" и "Хэйзл", установленные в проливе Санта-Барбара на глубине 30 м в 1958 г. и 1960 г. без каких-либо специальных приспособлений для предотвращения загрязнения воды. Первый 29-месячный цикл наблюдений проводился на платформах в 1960 г. Было установлено, что под сооружениями и вблизи них обитает 47 видов рыб, 40 видов беспозвоночных и 14 видов водорослей, причем численность колоний рыб достигала 6000 особей. В 1970 г. наблюдения были повторены и показали, что постоянная популяция рыб увеличилась под платформой "Хилдэ" до 12 500 особей, а под платформой "Хэйзл" до 18 000 особей. К 1975 г. под платформами обитало уже 270 видов рыб, беспозвоночных и водорослей, а под каждой платформой жило в среднем около 20 000 рыб. Химический анализ тканей различных рыб и беспозвоночных в целях определения следов серебра, кадмия, хрома, меди, молибдена, никеля, свинца и цинка показал лишь незначительное повышение их концентрации. Было также отмечено практически полное отсутствие в мягких тканях рыб и мидий углеводородов. Анализы образцов грунта, проведенные методами инфракрасной спектроскопии, гравиметрии и газовой хроматографии, показали незначительное содержание углеводородов, причем последние не были внесены извне, а носили природный характер. На основании этих многолетних наблюдений был сделан вывод об отсутствии отрицательного воздействия безаварийной эксплуатации морских нефтедобывающих платформ на окружающую среду (при соблюдении мер по ее защите) и даны рекомендации по их использованию для искусственного разведения некоторых видов рыб и беспозвоночных с целью промышленной добычи.^*

^* (Экспресс-информация ВИНИТИ "Подводно-технические, водолазные и судоподъемные работы", 1977, № 19, реф. 144, с. 12-15.)

Одновременно с этими исследованиями в 1975 г. был проведен статистический анализ случаев загрязнения моря при бурении нефтяных скважин, который показал, что более 65 % общего объема разлитой нефти приходится на долю утечек. Наибольшую опасность представляют аварийные выбросы нефти, подобные выбросу, произошедшему 22 апреля 1977 г. на платформе "В" нефтепромысла Экофиск в Северном море. Выброс произошел во время проведения в скважине "ловильных" работ по подъему оставленного в ней на глубине 3000 м каротажного прибора. Обычный контрольный модуль с тремя отсекающими клапанами был снят и заменен предохранительным клапаном, к тому же неправильно установленным. При внезапном скачке давления в нефтеносном горизонте до 30 МПа этот клапан, установленный на глубине 60 м, не сработал, один из клапанов на палубе платформы был сорван, а другой по небрежности персонала оказался открытым. В результате в течение восьми дней (пока на устье водоотделяющей колонны не удалось установить заглушку массой 4 т), в море было выброшено 25 тыс. т нефти, которая при разливе образовала пятно площадью около 3000 км². Из-за неблагоприятных погодных условий (скорость ветра достигала 15,5 м/с, высота волн - до 4 м) удалось собрать лишь 1/10 часть вытекшей нефти.

Специалисты считают, что среднее время ликвидации подобных аварий при неблагоприятных условиях может достигать 100 суток, т. е. при утечках 10-15 тыс. т в сутки в море может попасть до 1-2 млн. т нефти. Даже в случае испарения большей части разлитой нефти в морской среде при этом останется не менее 0,5 млн. т тяжелых фракций (немногим меньше годовых утечек при бурении). Частота катастрофических аварий на буровых и добывающих платформах в море, подобных случившимся в 1979 г. в Мексиканском заливе, очень мала, однако потенциальная опасность их чрезвычайно велика. По мнению специалистов, необходима скорейшая разработка нефтесборщиков производительностью не менее 150 т нефти в час, способных работать при волне высотой до 3 м, скорости ветра 10-11 м/с и течении - 1,5 уз. Кроме того, для локализации нефтяных пятен требуются боновые заграждения высотой 0,5 м над поверхностью воды с глубиной погружения не менее 1,0 м.

В настоящее время Береговая служба США имеет на вооружении секционные морские барьеры, которые можно сбрасывать в море с вертолета или самолета. Их надводная высота 0,53 м, подводная 0,6 м, длина 186,7 м (102 секции по 1,83 м). Их сборка требует участия судов - довольно сложная операция в условиях волнения.

Для сброса разлитой нефти Береговой службой США принят, в частности, на вооружение нефтесборочный агрегат фирмы "Локхид мизайл энд спэйс". Его рабочий орган выполнен в виде полупогруженного в воду вращающегося барабана, состоящего из отдельных дисков. Нефть налипает на диски и, когда они поднимаются из воды, удаляется специальными скребками. Во время полномасштабных испытаний агрегата была достигнута производительность 227 м³/ч при содержании воды в собранной нефти менее 7 %.

В последние годы широкое распространение получил метод искусственного осаждения нефти на дно с одновременной химической обработкой (нефть обрабатывается составом, плотность которого больше плотности воды). В борьбе с разливами нефти применяются также химические препараты на основе моющих средств и эмульгаторов, способствующие разделению крупных пятен нефти на более мелкие, и специальные обогащающие вещества, которые облегчают бактериальный процесс разложения разлитой нефти. В качестве последних долгое время применялись азотные и фосфорные соли, пока не выяснилось, что они стимулируют рост водорослей.

Работы, выполненные в нашей стране под руководством М. П. Нестеровой, позволили создать комплексный метод обработки поверхности при утечке нефтепродуктов, в результате чего образуется сплошное заграждение, препятствующее ее растеканию. В основе метода - сорбирующие свойства некоторых растительных, минеральных и синтетических веществ, образующих при соприкосновении с нефтью агломераты, легко подбираемые с поверхности воды обычными механическими средствами. Например, с помощью гидрофобизированных опилок удается связать и собрать до 99,9 % нефти. Оставщуюся тонкую пленку диспергируют в толще воды для того, чтобы нефть могла быстрее окислиться и расщепиться за счет естественных процессов. В качестве диспергирующих средств применяют отечественные препараты ЭПИ-5 и ДН-75^*.

^* (Экономические проблемы Мирового океана. Одесса, 1977, с. 61-63 (Тезисы докладов Всесоюзн. конференции).)

Следует особо подчеркнуть, что успешная борьба с разливом нефти в значительной степени зависит от правильности предсказания его поведения и перемещения. Впервые метод аналитичного прогнозирования вероятности загрязнения северного побережья Аляски в случае утечек нефти был применен в 1975 г. в рамках программы мероприятий по подготовке к распродаже лицензий на буровые работы. Исследователи произвольно взяли 15 точек возможного разлива нефти на расстоянии 2-15 миль от берега. Для каждого пункта была построена роза ветров и на основании ее изучения определена вероятность достижения нефтяным пятном берега. С учетом ряда допущений был построен график зависимости времени достижения нефтью берега от расстояния и выведена эмпирическая формула для подсчета минимального времени:

(3.9)

где χ - расстояние до берега. Вероятность достижения пятном берега составила 40-96 %.

В дальнейшем этот метод был усовершенствован Геологическим управлением США и применен для анализа возможного загрязнения побережья США при разработке в течение 20 лет месторождения на участке площадью 4800 км² в районе банки Джорджеса на расстоянии 87-376 км от берега. Была определена 91 %-ная вероятность возникновения в течение этого периода одного или нескольких случаев разлива 160 м³ (или более) нефти. Вероятность того, что пролитая нефть попадет на берег, варьировалась в пределах 2-23 %. Одновременно был сделан долгосрочный прогноз суммарного загрязнения побережья в результате постоянных небольших утечек нефти (рис. 3.25) [11].

Рис. 3.25. Карта прогноза возможного загрязнения побережья США при постоянных небольших утечках нефти в течение двадцатилетней разработки Северо-Атлантического шельфа. 1 - от 113 до 1130 кг/км; 2 - от 11,3 до 113 кг/км; 3 - от 1,13 до 11,3 кг/км; 4 - менее 1,14 кг/км

В связи с расширением буровых работ в Арктике Служба Береговой охраны США с 1970 г. привлекает ученых для исследования поведения разлитой нефти и способов ее уничтожения в условиях многолетних льдов. В частности, было обнаружено, что в летний период вылитая под лед нефть поднималась на его поверхность и держалась там, не растекаясь, причем верхний слой раскристаллизированного льда поглощал до 25 % объема нефти. Анализы проб воды не показали присутствия каких-либо микроорганизмов, способных снижать содержание углеводородов, поэтому наилучшим способом борьбы с разливами нефти было признано поглощение с помощью соломы и сжигание, оказавшееся эффективным как на воде, так и на льду, причем обычно сгорало до 90-98 % разлитой нефти. Однако проблема сбора нефти в Арктике в зимний период еще далека от решения и требует проведения специальных исследований.