Contaminación de metano de agua potable que acompaña a la perforación de gas pocillos y fracturamiento hidráulico 1. Stephen G. Osborn una , 2. Avner Vengosh b , 3. Nathaniel R. Warner Warner b b , y 4. Robert B. Jackson un , b , c , 1 Afiliaciones de los autores 1.
* Editado por William H. Schlesinger, Cary Instituto de Estudios de Ecosistemas, Millbrook, Nueva York, y aprobó 14 de abril 2011 (recibido para revisión 13 de enero 2011)
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Abstracto
Tecnologías de perforación y fracturamient fracturamiento o hidráulico de dirección están aumentando drásticamente la extracción de gas natural. En los acuíferos suprayacentes al Marcellus y Utica formaciones de esquisto en el noreste de Pensilvania y el estado de Nueva York, documentamos evidencia sistemática de la contaminación de metano del agua asociada con la extracción de gas de esquisto beber. En las zonas de extracción de gas activos (uno o más pozos de gas a 1 km), las concentraciones promedio y máximas de metano en pozos de agua potable se incrementaron con proximidad al pozo más cercano y gas fueron 19,2 y 64 mg CH 4 L -1 ( n = 26 ), un peligro potencial de explosión; en contraste, las muestras de metano disueltos en sitios sin extracciones vecinos (no hay pozos de gas dentro de 1 km) dentro de formaciones geológicas similares y regímenes hidrogeológicos promedio de sólo 1,1 mg L 1 ( P 60 mg L -1 o Na-Ca-Cl composiciones que reflejaban las aguas de formación más profundas ( Tabla 2 ). Por otra parte, los valores isotópicos medios de δ 18 O, δ 2 H, δ 13 C-DIC, δ 11 B, y 226 Ra en las zonas activas y no activo eran indistinguibles. Los 226 valores de Ra fueron consistentes con los datos históricos disponibles ( 25 ), y la composición de δ 18 O y δ 2 H del agua de pozo que parecía ser de origen meteórico moderna para Pennsylvania ( 26 ) ( Tabla 2 y . Figura S5 ) . En resumen, las características geoquímicas e isotópicas del agua que medimos en los pozos de las zonas activas y no activos son consistentes con los datos históricos e inconsistente con la contaminación de la mezcla pizarra de Marcelo agua de formación o fluidos de fracturamiento salinos ( Tabla 2 ).
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Tabla 2. Las comparaciones de los principales iones seleccionados y los resultados isotópicos en los pozos de agua potable a partir de este estudio a los datos disponibles en las mismas formaciones (Catskill y Lockhaven) en estudios previos ( 24 , 25 ) y para las salmueras subyacentes en toda la cuenca de los Apalaches ( 18 ) Existen al menos tres mecanismos posibles para la migración de fluidos en los acuíferos de agua potable superficiales que podrían ayudar a explicar el aumento de las concentraciones de metano se observó cerca de los pozos de gas ( Fig.. 3 ). La primera es el desplazamiento físico de los gases ricos en soluciones profundas de la formación objetivo. Dadas las presiones litostática e hidrostática de 1-2 km de la recubre los estratos geológicos, y nuestros resultados que parecen descartar el rápido movimiento de las salmueras profundas a cerca de la superficie, creemos que este mecanismo es poco probable. Un segundo mecanismo es tripas de gas pocillos con fugas (por ejemplo, refs. 27 y 28 ). Estas fugas pueden ocurrir a cientos de metros bajo tierra, con el metano que pasa lateralmente y verticalmente a través de los sistemas de fracturas. El tercer mecanismo es que el proceso de fracturación hidráulica genera nuevas fracturas o amplía los encima de la formación de esquisto de destino existente, el aumento de la conectividad del sistema de fractura. La presión reducida después de las actividades de fracturación podría liberar metano en solución, que conduce a metano exsolving rápidamente de la solución ( 29 ), permitiendo que el gas metano para migrar potencialmente hacia arriba a través del sistema de fractura. La migración de metano a través de la 1 - a formaciones geológicas 2-km-gruesas que recubren el Marcelo y Utica esquistos es menos probable como un mecanismo de contaminación de metano que los tubos de sitio con fugas, pero podría ser posible debido tanto a los extensos sistemas de fracturas reportados para estas formaciones y las muchas, pozos perforados y uncased mayores abandonados en el último siglo y medio en Pensilvania y Nueva York. La conductividad hidráulica en los acuíferos suprayacentes Catskill y Lockhaven es controlado por un sistema de fractura secundaria ( 30 ), con varios fallos mayores y lineamientos en el área de investigación ( . Fig. 2 y . Fig. S1 ). En consecuencia, las altas concentraciones de metano con distinta positivo δ 13 C-CH 4 y δ 2 H-CH 4 valores en el agua subterránea poco profunda de las zonas activas, en principio, podrían reflejar el transporte de una fuente de metano profunda asociada con la perforación de gas y las actividades de fracturamiento hidráulico . En contraste, la migración de metano de bajo nivel a los acuíferos subterráneos de superficie, como se observa en las zonas no activas, es probable que un fenómeno natural (por ejemplo, ref. 31 ). Estudios anteriores han demostrado que ocurre naturalmente metano en acuíferos poco profundos se asocia típicamente con una relativamente fuerte firma biogénico indicado por empobrecido δ 13 C-CH 4 y δ 2 H-CH 4 composiciones ( 32 ) junto con altas proporciones de metano a la mayor de cadena hidrocarburos ( 33 ), como observamos en la figura. 4 B . Varios modelos han sido desarrollados para explicar el fenómeno relativamente común de transporte rápido vertical de los gases (Rn, CH 4 , y CO 2 ) de la profundidad a la superficie (por ejemplo, ref. 31 ), incluyendo el flujo de fase
gaseosa continua impulsado por presión a través fracturas en seco o saturado de agua y la densidad de flotación-driven de microburbujas de gas en acuíferos y fracturas llenas de agua (31 ). Se necesita más investigación en esta y otras regiones para determinar el mecanismo (s) que controla las concentraciones de metano superiores que observamos. En base a los resultados de las aguas subterráneas y la naturaleza contenciosa de la extracción de gas de esquisto, creemos que es necesario, el muestreo coordinado a largo plazo y la supervisión de la industria y los propietarios privados. En comparación con otras formas de extracción de combustibles fósiles, la fracturación hidráulica es relativamente poco regulada a nivel federal. Desechos disgregación no están regulados como residuos peligrosos según la Ley de Conservación y Recuperación, pozos de fracturación no están cubiertos por la Ley de Agua Potable Segura, y sólo recientemente la Agencia de Protección del Medio Ambiente se le preguntó empresas fractura de informar voluntariamente a una lista de los componentes en el los fluidos de fracturamiento basados en el Plan de Emergencia y Derecho a Saber de la Comunidad. También se necesita más investigación sobre el mecanismo de contaminación de metano, las posibles consecuencias para la salud de metano, y el establecimiento de datos de referencia de metano en otros lugares. Creemos que los datos sistemáticos e independientes sobre la calidad de las aguas subterráneas, incluyendo las concentraciones de gases disueltos y composiciones isotópicas, deben recogerse antes de las operaciones de perforación comiencen en una región, como ya se hace en algunos estados. Idealmente, estos datos deben estar disponibles para el análisis público, reconociendo los problemas de privacidad que acompañan a este tema. Estos datos de referencia mejoraría la seguridad del medio ambiente, el conocimiento científico y la confianza del público. Del mismo modo, el seguimiento a largo plazo de las aguas subterráneas y las emisiones de metano en la superficie durante y después de la extracción sería aclarar el alcance de los problemas y ayudar a identificar los mecanismos detrás de ellos.Una mayor corresponsabilidad, el conocimiento, y posiblemente de regulación son necesarios para garantizar el futuro sostenible de la extracción de gas de esquisto. Sección anteriorSección siguiente
Métodos Un total de 68 muestras de agua potable se recogieron en Pennsylvania y Nueva York de los acuíferos lecho de roca (Lockhaven, 8; Catskill, de 47 años, y Genesee, 13) que recubren el esquisto Marcellus y Utica formaciones ( Fig. S1. ). Los pocillos se purgó para eliminar el agua estancada, se controlará su pH, conductividad eléctrica y la temperatura hasta que se registraron valores estables. Las muestras fueron recolectadas "aguas arriba" de los sistemas de tratamiento, tan cerca del pozo como sea posible, y se conservan de conformidad con los procedimientos detallados en los métodos de la IS . Muestras disueltas-gas se analizaron en Isotech Laboratories y químico del agua y isótopo (O, H, B, C, Ra) composiciones se midieron en la Universidad de Duke (ver Métodos SI para los detalles analíticos). Sección anteriorSección siguiente
Agradecimientos Damos las gracias a Rebecca Roter, Peggy Maloof, y muchos otros que nos permitió probar sus pozos de agua; Laura Ruhl y Tewodros Rango de coordinación y asistencia sobre el terreno; Nicolas Cassar sugerencias reflexivas en la investigación, y Kaiguang Zhao y Rose Merola ayuda con figuras . Jon Karr y el Laboratorio de Isótopos Ambiental Duke realizaron análisis de δ 18 O, δ 2 H, y δ 13 C de muestras de aguas subterráneas. William Chameides, Lincoln Pratson, William Schlesinger, del Laboratorio Jackson, y dos revisores anónimos hicieron sugerencias útiles sobre el manuscrito y la investigación. Agradecemos el apoyo financiero de Fred y Alice Stanback a la Escuela Nicholas de Medio Ambiente y del Centro de Duke sobre el Cambio Global. Sección anteriorSección siguiente
Notas al pie
1 ¿A quién debe dirigirse la correspondencia. E-mail:
[email protected] .
Contribuciones de los autores: SGO, AV, y RBJ investigación diseñado; SGO y NRW realizó la investigación; AV contribuido nuevos reactivos / herramientas de análisis; SGO, AV, NRW, RBJ y analizaron los datos, y SGO, AV, NRW, RBJ y escribió el documento.
Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses. * Este artículo Presentación Directa había un editor preestablecido. Este artículo contiene información de soporte en línea en www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1100682108//DCSupplemental . Libremente disponibles en línea a través de la opción de acceso abierto PNAS.
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