Под руководством Сьюзан Л. Брэнтли, профессора геологии и почётного профессора Университета Эвана Пью в Институте наук о Земле и окружающей среде при Пенсильванском государственном университете, исследователи изучили 18 заброшенных скважин в национальном лесу Аллегейни и обнаружили, что они выделяют метан не только в атмосферу, но и в прилегающие подземные воды. В некоторых местах в подземных водах также были обнаружены высокие концентрации растворённого железа и мышьяка.
Используя геохимическую компьютерную модель, команда выяснила, что метан — мощный парниковый газ, который улавливает больше тепла, чем углекислый газ — взаимодействует с горными породами вблизи скважин, высвобождая металлы в подземные воды.
Исследователи опубликовали свои выводы на этой неделе (1 ноября) в журнале Geochimica et Cosmochimica Acta.
«По мере того как всё больше нефтяных и газовых скважин по всему миру будут заброшены, а их структурная целостность ухудшится, проблема качества воды будет приобретать всё большее значение», — сказала Брэнтли. «Это связано с тем, что газовые трубы ржавеют и разрушаются, газы проникают в близлежащие подземные водоносные горизонты и могут растворять токсичные элементы, такие как мышьяк, в воде».
После выявления заброшенных скважин на основе визуальных признаков утечки газа исследователи — в том числе группа студентов-исследователей из GeoPEERS, часть программы «Исследовательский опыт для студентов» — собрали 36 проб воды вблизи устьев скважин, а также из ручьёв и подземных водоносных горизонтов в ходе от одного до семи посещений каждого участка.
Исследователи из Лаборатории изотопов и металлов в окружающей среде при Пенсильванском государственном университете и сотрудники Университета Висконсин-Мэдисон проанализировали каждую пробу и определили их уникальные химические сигнатуры.
Команда обнаружила, что в некоторых из исследованных мест было много метанотрофов — микроорганизмов, потребляющих метан, в то время как в других было много метаногенов, которые генерируют метан.
Оба типа микроорганизмов создают проблемы для окружающей среды, по словам первого и соответствующего автора Сэмюэля Шахина, постдокторанта Национального научного фонда в Университете Миннесоты, который защитил докторскую диссертацию по наукам о Земле в 2024 году в Пенсильванском государственном университете под руководством Брэнтли.
«Метанотрофы растут и питаются за счёт метана, который затем растворяет красный оксид железа металлических труб или окружающих горных пород, загрязняя близлежащий водоносный горизонт металлами, такими как мышьяк», — пояснил он. «С другой стороны, метаногены производят всё больше и больше метана, что также является проблемой для загрязнения воздуха».
Шахин сказал, что команда думала, что метан, образующийся в результате бурения природного газа, будет привлекать метанотрофов, но им пришлось пересмотреть свои выводы, когда они обнаружили больше метаногенов в некоторых из исследованных областей.
При дальнейшем изучении они обнаружили, что участки с большим количеством метанотрофов имели ещё одно сходство: в них также было много растворённых металлов в подземных водах. Одна шестая часть проб превышала установленный Агентством по охране окружающей среды (EPA) предел содержания мышьяка в питьевой воде, а более половины проб превышали установленный EPA предел содержания железа в питьевой воде.
«Правда в природе такова, что где бы вы ни обнаружили микробиологию и геохимию, это загадка — в одних скважинах растут метанотрофы, а в других — метаногены», — сказала Брэнтли. «Сэм обнаружил, что существует «переключатель», основанный на породе в водоносном горизонте и скорости, с которой подземные воды проходят через систему, что определяет, будут ли эти микроорганизмы производить богатые металлами или бедные металлами подземные воды».
Чтобы лучше понять свои полевые результаты о различных скважинах, производящих либо метаногенов, либо метанотрофов, исследователи создали геохимическую модель для имитации того, как метан мигрирует через заброшенные устья скважин в водоносные горизонты. Модель помогла прояснить роль железа и серы во взаимодействии с метаном для изменения химического состава подземных вод, объяснил Шахин.
«Пенсильвания — это центр производства углеводородов и топлива, но это имеет свою цену: в штате сотни тысяч скважин, и некоторые из них протекают», — сказала Брэнтли. «Хотя штат прилагает огромные усилия для их заглушения, нет возможности добраться до всех; их слишком много».
Однако исследователи отметили, что, хотя многие исследования были проведены по атмосферным выбросам, это одно из первых исследований, посвящённых изучению того, как незаглушенные скважины могут загрязнять подземные воды.
«Существует много дискуссий о том, как мы расставляем приоритеты в отношении того, какие скважины заглушить», — сказал Шахин. «До этого исследования у нас было гораздо менее полное представление о воздействии на подземные воды, что могло повлиять на принятие решений о заглушении скважин».