Étant donné les abondantes ressources naturelles de la Pennsylvanie, il n'est pas surprenant que le Commonwealth soit devenu la Mecque de la fracturation hydraulique. Des chercheurs, cependant, ont récemment découvert que le rejet de millions de gallons d'eaux usées de fracturation hydraulique traitées chaque année dans les eaux de surface de la région peut avoir des effets plus durables qu'on ne le pensait à l'origine.

Selon l'Energy Information Administration des États-Unis, la fracturation hydraulique représentait plus de la moitié de la production de pétrole aux États-Unis et les deux tiers de la production de gaz aux États-Unis en 2015. Ce pourcentage devrait augmenter à mesure que de plus en plus d'États commenceront à adopter cette pratique. Bien que des études montrent que la fracturation hydraulique produit moins d'émissions de gaz à effet de serre que les technologies plus anciennes comme le charbon, cela s'accompagne d'autres préoccupations environnementales. En haut de cette liste se trouvent les eaux usées qu'elle produit, qui contient une multitude de contaminants potentiellement dangereux. Rien qu'en 2015, Les puits de gaz non conventionnels de Pennsylvanie ont produit près de 1,7 milliard de gallons d'eaux usées. S'il existe des installations dédiées au traitement des eaux usées avant leur rejet, ils ne fournissent qu'un traitement limité, laissant intacts de nombreux polluants.

Pour mieux comprendre l'impact de ces contaminants sur l'environnement, Le professeur d'ingénierie environnementale de Penn State, Bill Burgos, et ses collègues ont étudié des échantillons de sédiments prélevés dans un réservoir de l'ouest de la Pennsylvanie. L'étude a été publiée dans le plus récent numéro de Sciences et technologies de l'environnement .

"Il n'y avait pas un gardien de l'eau qui était assis dans ces rivières pour collecter ces échantillons à un rythme continu, donc d'une certaine manière, beaucoup d'informations viennent de passer, " dit Burgos. " Mais dans certains réservoirs, où les sédiments s'accumulent au fil du temps, il y a des couches de sédiments qui sont comme les anneaux d'un arbre; vous pouvez regarder dans les sédiments et capturer le temps et les échantillons spatialement composites."

L'objectif de l'étude était d'utiliser les sédiments qui s'étaient accumulés pour reconstituer l'activité pétrolière et gazière industrielle qui se déroulait pendant le boom du développement de Marcellus Shale en Pennsylvanie, de 2008 à 2015 environ afin de mieux comprendre l'impact historique de l'élimination des eaux usées pétrolières et gazières.

"Vous avez besoin d'un lac ou d'un réservoir qui permet aux sédiments de se déposer sans être perturbés dans ces couches, " a déclaré Burgos. " Les mots que nous utilisons sont un 'enregistrement temporel cohérent.' Vous n'obtenez un enregistrement temporel cohérent que s'il s'agit d'un lac qui accumule continuellement des sédiments et qui n'est pas sujet à une inondation ou à un affouillement."

Xiaofeng Liu, professeur assistant en génie civil, développé un modèle informatique pour reconstruire les couches de sédiments afin d'identifier le meilleur emplacement d'échantillonnage. Les chercheurs ont choisi le lac Conemaugh River dans l'ouest de la Pennsylvanie. Ce site offrait une forte concentration d'eaux usées et une faible dilution des eaux usées, ainsi qu'un réservoir contrôlé par un barrage.

Une fois l'emplacement choisi, l'équipe a commencé à collecter des échantillons.

"Nous avons inséré un tube dans le sédiment comme vous mettriez une paille dans un Slurpee ou un slushy, " dit Burgos. " Tu mets ton pouce sur la paille, et tu le retires."

Dans ce cas, ils utilisaient des gouttières agricoles, bouchons en plastique et ruban adhésif, plutôt qu'une paille et un pouce, recueillir les échantillons de sédiments, qui ont été immédiatement congelés pour préserver le contenu, puis ramenés au laboratoire d'ingénierie environnementale de Kappe à Penn State.

Une fois au labo, les chercheurs ont poussé les échantillons comme un pop glacé push-up, les couper en tranches.

« Nous les avons divisés en différentes sections afin de pouvoir effectuer différentes analyses sur eux, " dit Nathaniel Warner, professeur adjoint d'ingénierie environnementale à Penn State et co-auteur de l'étude.

Warner a déclaré que les chercheurs, en collaboration avec l'Université d'État du Colorado, ont recherché des signatures de radioactivité élevée et mesuré l'eau interstitielle et les radio-isotopes pour déterminer l'âge des sédiments. Ils ont également testé la minéralogie majeure, granulométrie et granulométrie, dans le but de développer un profil complet.

Les résultats ont déterminé que le rejet d'eaux usées de pétrole et de gaz a eu un impact sur la qualité de l'eau et la qualité des sédiments à une plus grande échelle qu'on ne le pensait auparavant. De grandes quantités d'eaux usées de pétrole et de gaz avec des charges élevées de chlorure, baryum, strontium, le radium et les composés organiques ont laissé des concentrations élevées dans les sédiments et l'eau interstitielle.

Spécifiquement, deux types importants de contaminants organiques ont été trouvés :les perturbateurs endocriniens (éthoxylates de nonylphénol) et les cancérogènes (hydrocarbures aromatiques polycycliques). Les concentrations les plus élevées ont coïncidé avec des couches de sédiments déposées il y a cinq à dix ans, pendant le pic d'activité de Marcellus Shale.

"Les isotopes confirment qu'il s'agit de déchets de pétrole et de gaz non conventionnels, " dit Burgos.

Certains rapports isotopiques, comme le strontium et le radium, sont plutôt uniques à la formation Marcellus. Une étude précédente menée par Warner a révélé que les niveaux de radium immédiatement en aval d'une usine étaient environ 200 fois plus élevés que dans les sédiments situés en amont des installations. Cette étude actuelle démontre que des niveaux élevés ont été trouvés jusqu'à 12 milles en aval des usines de traitement.

"Ce sont des contaminants qui ont transité par ces stations d'épuration centralisées, et ils peuvent être transportés sur de grandes distances, ", a déclaré Burgos.

Bien que les résultats montrent une contamination à long terme des bassins versants de Pennsylvanie, les chercheurs disent que les effets sur l'environnement et la santé humaine sont encore inconnus et difficiles à évaluer.

"C'est une sorte d'inconnu, risque non quantifié, " Burgos a dit. " La chose que vous ne savez pas, c'est l'effet synergique de toutes ces choses ensemble, l'effet combiné du radium et du plomb et des tensioactifs et du sel, tous ensemble. L'effet combiné de ces choses augmente-t-il la toxicité ?"

L'étude a montré une baisse significative de la quantité de contaminants rejetés dans les eaux de surface suite à l'interdiction volontaire de rejet des déchets de Marcellus demandée par le Pennsylvania Department of Environmental Protection, qui a débuté en 2011, suggérant qu'une réglementation plus stricte des eaux usées est utile.

Les chercheurs veulent maintenant utiliser les matériaux qu'ils ont collectés pour mesurer la toxicité biologique des couches de sédiments au fil du temps. Ils prévoient également de tester des échantillons de sédiments à des endroits plus en aval vers Pittsburgh pour voir dans quelle mesure la contamination s'est propagée et dans quelle mesure.

"Peut-être qu'ils n'arriveront jamais à Pittsburgh, " dit Burgos. " Mais le fait est que, vous regardez une carte et il y a d'autres plantes en amont de Pittsburgh sur le bras principal de la rivière Allegheny et il n'y a aucune raison de suggérer que ces plantes ne contribuent pas à la même chose."