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水力压裂对地下水的影响并不像你想的那样

2005年至2014年期间,美国天然气产量增加了42%,这主要得益于水平井钻井以及高容量水力压裂的研究进展。马塞勒斯页岩气藏是美国最大的天然气藏之一,占据了宾夕法尼亚州的大部分地下空间,天然气开采使用的的化学物质是否会污染当地的饮用水成了一个备受关注的话题。

对此我们进行了一定的研究,研究表明,在地下水井发现的有机化学物质来源于水力压裂作业的表面泄漏(即泄漏在地面的化学物质),而不是源于页岩地层中注入的压裂液。这一分析使得有关水力压裂的潜在问题变得更加清晰,同时可以帮助社区和行业更好地解决潜在水体污染事件。

 污染并不是通过地下深处运移的  ▲宾夕法尼亚页岩气井的数量在七年内显著增加,而且大部分增长是在东北角

为了使天然气从地下页岩层中生产出来,我们向井中注入大量的水、沙子和一些化学物质,进行压裂从而释放页岩储层中的气体。

今年早些时候,美国环境保护局(US EPA)公布了一项令人期待已久关于水力压裂的评估,并直接指出“没有足够数据能证明水力压裂对饮用水资源质量产生影响。”

我们通过在广泛的区域收集地球化学数据,并对其进行研究来解决这个问题。水力压裂添加剂被认定包含近1000种有机化学品,但目前还不清楚它们是否进入了饮用水供应系统。

可能有许多潜在威胁地下含水层的通道,其中包括:损坏的天然气井套管、渗漏的废弃液体池、地下燃料储存罐、深层页岩运移(约1英里深的岩层),以及与水力压裂活动相关的表面泄漏。通过研究,我们确定可能的接触途径是天然气井场作业面,而不是从地下深处运移的。

这些研究结果还是很鼓舞人心的,毕竟化学品的表面泄漏可以有针对性地进行快速清理,并且污染地区的居民可以通过接入点水处理技术进行水处理。换句话说,表面比地下处理更容易得到治理和控制。此外,在该研究中检测到的有机化学物质类型通过家庭中含有木炭或活性炭的水过滤系统就能够轻松的处理掉。

由于国内矿物燃料的生产往往需要租用居住区工业作业的场地,所以就像任何工程施工活动一样,它也存在影响内在环境和公众健康的事故风险。

页岩气的勘探增加了美国区域内该类型的风险,但对人为事故和机器故障的防范机制将减少对当地的影响。此外,较好的事故报告和环境监测能帮助当地市政部门与天然气开采专家合作,确保居民的饮用水安全。

 流体证据 

 ▲水力压裂用水模式和废水回收处理

在这项研究中,我们研究了与水力压裂相关的超过50种有机化合物,以此来解决这一课题中的研究差距问题。

地下水样品中的有机化合物水平(与柴油沸点类似的疏水性化学物质)相对较低(小于20份/亿)。然而,从统计角度来看,他们与该区域距离最近的页岩气井密切相关,在距页岩气井一公里的范围内其含量显著偏高。

这些结果与烃类气体(例如甲烷、乙烷和丙烷)在同一区域的研究结果相类似。值得强调的是,文字记载显示违反环境、健康和安全条例的页岩气井都与含较高水平柴油类有机物的地下水息息相关。

此外,作为公认水力压裂液添加剂的双(2-乙基己基)邻苯二甲酸酯在样品的子集中也进行了检测。这种化学物质被用于许多工业材料和实践中,但它并没有在大范围的样品或有代表性的天然水(即研究领域中的天然泉水)中被检测出来。

 流体是否会向上运移? 
 
▲装满废水的废水池

我们对于水力压裂开发天然气对环境和公众健康造成后果的一个常见问题是,是否流体可以从页岩通过地质断层和裂隙到达饮用水含水层?即水力压裂流体是否可以通过裂缝向上运移从而污染饮用水源?

假设向上迁移可以将压裂过程中使用的近1000种公开的有机工业化学品运移至浅层地下水。但迄今为止,这仍是未经证实和公开的。

我们研究中所采的地下水样中检测出的有机化合物并没有显示出压裂液从页岩至饮用水含水层的运移结果。

我们采用一系列分析过程对其进行了证实。例如,流体从深页岩层中运移应该含有大量独特的稀有气体和盐,但含有较高的柴油类有机物的地下水样中却不含有这些化学标记物。与此相反,地下水的化学性质表明地下水与地球表面接触相对较密切,而与盐含量无关。

悬而未决的问题

我们的研究只是着重于在宾夕法尼亚州东北部的马塞勒斯页岩地区开发,需要注意的是,这项研究的结果可能无法适用于美国境内的所有页岩地层。由于当地地质的不同,对水力压裂页岩的空间和时间分离也可能有很大的不同。

同样,含水层和页岩地层之间的垂直距离,以及该区域的石油和天然气开发历史,这些都可以影响深层地下流体运输到浅地下水层的时间。因此,连续的监控将为可能在时间和空间产生的潜在风险提供更好的解释。

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