杜克大学地球化学和水质教授Avner Vengosh一直在研究环境影响的水力压裂在过去的五年里和一组科学家一起。

这种追踪方法已经在西弗吉尼亚州的一个泄漏地点和宾夕法尼亚州的一个石油和天然气盐水废水处理厂下游进行了现场测试。资料来源:Avner Vengosh

他们已经发表了大量关于这种做法如何影响地下水和地表水质量的论文，但很难掌握如何真正识别环境中的水力压裂返排液。毕竟，不同的水力压裂运营商倾向于使用不同的流体混合物，而许多流体的化学成分是无法向公众提供的。

让他们挠头的问题是:“当我们看到污染时，我们如何能够将其与污染历史区分开来，例如，因为大部分水力压裂钻井都发生在一个有几十年传统污染遗产的地区石油和天然气钻井，”Vengosh说。所以，当你看到污染时，你怎么知道这种污染不是过去二三十年前的活动造成的，它真的与今天的水力压裂有关吗?”

这个巨大的未知最终在由Vengosh共同领导的两年研究中得到了答案——地球化学追踪方法——由美国国家科学基金会资助，并于2014年10月发表在《环境科学与技术》杂志上。

这种追踪方法可以帮助钻井公司在返排处理和密封方法失败时更好地了解问题的范围，并在压裂液不是该地区污染的实际来源时帮助公司免受指责。

工作原理

该研究的主要作者纳撒尼尔·华纳(Nathaniel Warner)说:“我们正在研究的是……是什么导致了历史上的石油和天然气产量与最近的水力压裂液的差异。”“我们关注的是，主要的区别是什么?使用压裂液，你要寻找的是这些致密的地层，你真正的目标是那里的源物质，所以我们认为可能不同的是这些离子、硼和锂同位素的可用性，它们可能会粘在页岩上。”

水力压裂液通常含有水、沙子和专有化学品的混合物。钻井人员在高压下向气井注入大量液体，以破坏地下深处的页岩地层，这使得困在页岩中的天然气向上流动。一旦压裂过程完成，压裂液就会随着气体一起从井中回流到地面。

研究结果表明，水力压裂过程会导致页岩地层中天然存在的硼和锂元素脱落，并以返排液的形式返回井中。能够在压裂返排样品中识别页岩的实际性质，科学地将流体与压裂联系起来，将其与任何其他可能的污染源区分开来。

“我们在论文中提出的建议是，我们有一种独立于他们实际添加到水力压裂液中的化学物质的示踪剂，”Vengosh说。

这意味着，无需知道特定污染区域使用的压裂液最初是由什么化学物质组成的，就可以确定压裂液已经或尚未释放到环境中的位置。

华纳说:“它实际上只是非常精确地测量水中物质的浓度——水中物质的化学成分——以及水中物质的同位素比例。”“这不是一个你在野外拿出来进行调查的小工具。根本不是那样的。”

现场测试

追踪方法在西弗吉尼亚州的一个泄漏地点和宾夕法尼亚州的一个石油和天然气废水处理厂的下游进行了现场测试。在从常规油气钻井和水力压裂中获得各种流体废物样本后，科学家们将它们带到杜克大学的实验室，并用质谱仪对它们进行分析。首先，他们系统地测量了样本，以显示水力压裂液和常规油气废物之间在统计上的有效差异。然后，他们从这两个地点取了污染的例子，以证明他们实际上可以识别环境中的水力压裂液。

Vengosh说，新的追踪方法为任何需要进行的监测或补救过程提供了重要的第一步。“当你看到污染时，重要的不仅是说‘哦，我们有问题了’，还有‘我们如何解决它?’查明源头是解决问题的第一步。”

他说，他非常熟悉居民普遍的怀疑态度水井业主，在水力压裂领域，这绝不是追踪方法，旨在确定水力压裂行业。他称自己的研究工作是客观的，并强调了这项新技术对水力压裂公司和油井所有者的好处。

Vengosh说，这种科学的过程可以帮助水力压裂行业的公司避免数百起诉讼，因为环境中的液体无法追溯到他们。至于争论的另一方，他说这种方法提供了有关污染源的知识。“我们可以提供基于科学的筛查……如果房主认为他们的水被(压裂液)污染了，我们将使用化学和同位素来了解这种担忧是否合理。”

Vengosh承认示踪方法的一个关键弱点是，在某些情况下，水力压裂行业可能会在液体中加入硼，使示踪过程复杂化。不过，他的团队还没有在他们的样本中遇到这种情况。

说到样品，他们永远不会嫌多。华纳说，他对他们从这两个盆地获得的少量样本并不满意。“在其他盆地进行测试;这将是非常好的，以确保它是强大的，而不仅仅是在几个特定的盆地。”

他承认，要求更多只是科学发展的方式。“我认为这真的很有前途。我对它的进展感到兴奋，但问题总是多于答案。你到了最后，或者你开始研究，意识到还有很多东西你想调查和研究。所以它永远不会结束。”

Vengosh称这种革命性的追踪方法是他们研究水力压裂对环境影响的更大图景的一部分，他对其未来的影响抱有很大的希望。

“我认为今天关于水力压裂的一个问题是，所有的辩论都是基于公共关系、运动，其中有很多情感，我们希望增加科学的部分……我希望这种示踪剂将使讨论更加文明，更加科学。”

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