книги из ГПНТБ / Швец В.М. Органические вещества подземных вод

МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ СССР

В. М. ШВЕЦ

ОРГАНИЧЕСКИЕ

ВЕЩЕСТВА

ПОДЗЕМНЫХ

ВОД

Под редакцией А. И. Германова

ИЗДАТЕЛЬСТВО «Н Е Д Р А: М о с к в а * 1973

В В Е Д Е Н И Е

Бурное развитие науки в век научно-технической революции привело к рождению ряда новых научных направлений. В геоло­ гии к ним по праву можно отнести органическую гидрогеохимию, изучающую содержание, состав, превращения и закономерности распределения органических веществ в подземных водах.

В настоящее время решение многих теоретических и практи­ ческих проблем геологии уже не может быть эффективным без учета органической составляющей подземных вод. Такими пробле­ мами являются образование нефти, формирование месторождений нефти и газа и гидрогеохимические их поиски; миграция и концент­ рация химических элементов в подземных водах, образование руд­ ных месторождений и промышленных вод; бальнеологическое зна­ чение минеральных вод; питьевое и техническое использование пресных подземных вод и др.

В начале 50-х годов на страницах журнала «Нефтяное хозяй­ ство» развернулась острая дискуссия о происхождении нефти. Боль­ шинство участников дискуссии являлись сторонниками органиче­ ского происхождения нефти, однако среди них не было единства по многим частным вопросам нефтеобразования. Именно в это время (в 1953 г.) М. Е. Альтовский выдвинул новую гипотезу обра­ зования нефти, названную им «гидрогеологической». Рассмотре­ ние основных положений гипотезы нефтематеринских свит привело М. Е. Альтовского к выводу о том, что эта гипотеза «имеет под со­ бой столь шаткие основания», что следует «пойти иными путями и по-иному решать основные вопросы образования нефти, относя­

Именно поэтому с 1953 г. во ВСЕГИНГЕО по инициативе и под

Применение специально разработанных методов изучения количест­ венного и качественного состава органических веществ подземных вод при проведении региональных исследований впервые позволило получить новые данные, касающиеся содержания, форм нахожде­ ния, группового и индивидуального состава водорастворенных орга­ нических веществ. Эти данные в какой-то мере могут служить под­ тверждением «гидрогеологической» гипотезы нефтеобразования М. Е. Альтовского. Они способствовали развитию представлений о миграции нефти в водорастворенном состоянии, поддерживаемых в настоящее время многими советскими и зарубежными геологаминефтяниками. Однако проведенные исследования, в том числе фи­ зико-химическое моделирование, показали, что формирование орга­ нической составляющей подземных вод связано не только с привносом ее с земной поверхности инфильтрационными водами, как счи­ тал М. Е. Альтовский, но и с переходом рассеянного органического вещества водовмещающих пород в подземные воды. Но несмотря на это, идеи М. Е. Альтовского о большой роли органических ве­ ществ в образовании нефти и формировании ее залежей оказались весьма плодотворными и способствовали дальнейшему развитию органической теории происхождения нефти.

Помимо того, изучение геохимии органических веществ под­ земных вод в последние 15 лет привело к качественно новому под­ ходу к разработке гидрогеохимических показателей нефтегазонос­ ное™, в связи с чем они получили большую информативность и достоверность [4, 5, 8, 20, 23, 86, 134, 139, 210, 212, 218, 220].

В. И. Вернадскому одному из первых принадлежит мысль о зна­ чительной роли органического вещества в геохимии многих хи­ мических элементов. Если раньше исследования в этом направле­

именно в последние годы началось интенсивное изучение роли водорастворенных органических веществ в миграции и концен­ трации железа, кремния, меди, цинка, свинца молибдена, урана,

и водорастворенным органическим веществом, проведенные в Азо- во-Кубанском артезианском бассейне, привели к интересным гео­

в которых йод с углеродом связан ковалентно, и комплексные органические соединения, где эта связь осуществляется коорди­ национно, как связь между центральными атомами и лигандами.

Результаты экспериментальных и полевых региональных иссле­ дований, проанализированные с учетом литературных данных по геохимии йода, показали, что одним из основных источников для поступления его в подземные воды являются породы, обогащен­ ные рассеянным органическим веществом. Важными факторами,

водам нефтегазовых месторождений в связи с их специфическими особенностями, оказывающими исключительное влияние на фор­ мирование органической составляющей подземных вод. Наряду с определением органических веществ в водах, изучались их об­

ной методики анализа, что является обязательным условием для сопоставления. Результаты исследований других организаций рас­ смотрены в гл. I .

Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность всем бывшим и настоящим сотрудникам ВСЕГИНГЕО, в той или иной степени принимавшим участие в полевых, химико-аналити­ ческих и камеральных работах по исследованию органических ве­ ществ в подземных водах и в первую очередь Е. Л. Быковой, М. Я. Дудовой, С. С. Францкевич, Г. М. Левицкой, А. А. Смир­ новой, С. Г. Мелькановицкой и В. К- Кирюхину за участие в сов­ местном решении ряда теоретических и практических задач ор­ ганической гидрогеохимии.

Большую благодарность автор выражает Г. Н. Поповой, по­ стоянной участнице камеральной обработки фактического мате­ риала, а также А. И. Германову, А. А. Карцеву и А. В. Щербакову за ценные замечания по работе.

Настоящая книга не лишена недостатков. Ее следует расце­ нивать как одну из первых обобщающих работ по органическим веществам подземных вод, информация о которых пока ничтожно

ее основателей, сравнивал начало работ в этой области с откры­ тием золотой жилы, разработка которой внесет крупный вклад в советскую геологическую науку и практику.

Г Л А В А I

КИСТОРИИ

ОР Г А Н И Ч Е С К О Й Г И Д Р О Г Е О Х И М И И

История изучения органического вещества подземных вод свя­ зана в основном с двумя направлениями: 1) с оценкой качества пресных вод, используемых для водоснабжения, и 2) с исследова­ ниями химического состава вод нефтяных месторождений [209].

О присутствии органических веществ в подземных водах из­

вами. Первое химическое исследование органического вещества

ника Порла им были обнаружены сели креновой и апокреновой кислот. В составе креновой кислоты было определено 40% угле­ рода, по 7% водорода и азота и 45% кислорода. Важно отме­

вещества в водах «горных ключей» Германии, оказавшееся рав­ ным 5,3—16,0 мг/л. Очень интересные исследования по органи­ ческому веществу подземных вод, отобранных из нефтяных сква­ жин, источников и грязевых вулканов, в 1874—1882 гг. провел профессор Ново-Александрийского института сельского хозяйства и лесоводства А. Л. Потылицын [148]. Наиболее детально он изучал воду из нефтяной скважины в Кудако (п-ов Тамань). Предвари­ тельные данные указывали на присутствие в этой воде щелочных со­ лей жирных кислот. Взятая на анализ вода в объеме 300 см3 под­ кислялась и перегонялась в струе водяного пара. При этом боль­ шая часть кислот переходила в отгон. Перегнанная жидкость имела

кислую реакцию и специфический запах, характерный для смеси масляной и каприловой кислот. Органические вещества, остав­ шиеся после отгона в концентрате, частично извлекались эфиром (смолы), а частично давали щелочи, ясно различимые в микро­ скоп (янтарный ангидрит?). А. Л. Потылицын считал, что по внешним признакам и по кристаллической форме баритовых и серебряных солей, которые были получены им, в растворе нахо­ дятся соли муравьиной, уксусной, масляной, капроновой, капри­ ловой, каприновой и, вероятно, высших кислот и янтарной [148]. Наличие этих кислот в воде А. Л. Потылицын объяснял окисле­ нием нефти под влиянием сернокислых солей и других кисло­ родных соединений воды.

беля и Тимана), альбуминоидного азота, нитратов, нитритов и аммиака с целью санитарной оценки пресных подземных вод, ис­

к выводу, что вода из источников и скважин содержит органи­ ческое вещество исключительно растительного происхождения.

В 1874 г. в нефтях были найдены нафтеновые («нефтяные») кислоты, которые вскоре начали изучать и в водах нефтяных ме­ сторождений. Так, Н. В. Соколов в 1912 г. (по появлению мути при подкислении воды) обнаружил в воде одной из скважин Грозненского нефтяного месторождения «нефтяную, именно унде-

нафтеновых кислот, который, однако, впоследствии не нашел ши­ рокого применения, и нафтеновые кислоты продолжали определять качественно [160].

Первые данные о количественном содержании нафтеновых кислот в подземных водах относятся к 30-м годам. Так, В. Рейснер [154] применил экстракцию нафтеновых кислот из вод Ба­ кинских месторождений петролейным эфиром. Полученные им данные показали, что содержание нафтеновых кислот в водах ко­

нием спиртовой щелочью, нафтеновые кислоты имели низкий мо­ лекулярный вес.

А. Б. Малятский и Л. Я. Марголис [118] предложили другой (колориметрический) метод количественного определения нафте­ новых кислот. Они провели опыты по растворению нафтеновых кислот в дистиллированной воде с одновременными замерами рН раствора и построили кривую зависимости рН от количества нафтеновых кислот в 1 л воды. И. Н. Буторин и 3. П. Букс [37] установили, что содержание нафтеновых кислот в водах Грознен­ ских нефтяных месторождений зависит от качества нефти: макси-

мальное количество нафтеновых кислот (5 г/л) обнаружено в воде скважин, дающих беспарафиновую нефть, а минимальное (до

по окисляемое™, цветности и азотистым соединениям в пресных артезианских и грунтовых водах. Некоторые немногочисленные данные по содержанию С«орг. и N0 pr. в грунтовых водах были полу­ чены зарубежными исследователями. В частности, они приводятся в известной работе К. Кейльгака [100]: в грунтовых водах, при­ уроченных к породам различного геологического возраста, содер­ жится от 0,14 до 12,0 мг/л С0 рг. и от 0,06 до 9,40 мг/л N o p r . -

В. А. Приклонский [149] считал, что органические вещества грунтовых вод имеют разное происхождение: в водах болотистых и залесенных районов—растительное и отчасти животное проис­ хождение, а в населенных местах частично является продуктом разложения различного рода отбросов. И. Р. Хецров [200], обоб­ щив данные по окисляемости вод более чем 600 скважин г. Мо­ сквы, подсчитал, что средняя окисляемость для вод нижнекамен­ ноугольного горизонта равна 0,67 мг О/л (т. е. цифра, подтверждаю­ щая более ранние данные А. П. Иванова), среднекаменноугольного 1,2 мг О/л и верхнекаменноугольного 1,6 мг О/л. И. Р. Хецров уста­ новил, что ухудшение качества вод двух верхних горизонтов проис­ ходит из-за проникновения загрязненных грунтовых и речных вод через «окна» в юрских глинах.

В конце 30-х годов нафтеновые кислоты в водах нефтяных месторождений стали изучаться более широко. При этом приме­ нялись в основном три метода: объемный, весовой и непосредст­

мере удаления от последнего содержание органических кислот за­ метно уменьшается. Присутствие органических кислот в водах нефтяных месторождений В. Т. Малышек объяснял взаимодейст­ вием нафтеновых кислот нефтей с гидрокарбонатами натрия воды, в результате чего образуются нафтеновые соли нафтеновых и жирных кислот, хорошо растворимые в воде.'