25 Таужыныстардагы органикалык заттар, олардын озерістері

Органикалық заттың тірі организмдер клеткалары тобынан мұнайға немесе көмірсутекті газға жүйелі түрде өзгеріп айналуын және олардың соңғы өнімдерге дейін табиғи ыдырауын мұнай онтогенезі деп аталған. Бұл циклде мұнай мен газ жекеленген, бірақ ең маңызды буын болады, және бұл органикалық заттан мұнай мен газдың қалыптасуы, адамзатқа керекті және құнды пайдалы қазбаның пайда болуы.

Мұнайдың биохимиялық негізін салушылар. Мұнай мен газ туралы қазіргі түсініктер мұнай мен газдың негізін барлық табиғи органикалық заттардың геохимиялық өзгеріп алмасуын талдауға негізделген. Ғалымдар зерттеулерді кері ретте дамытып – мұнайдан шашыранды органикалық затқа қарай, тау жынысынан шөгінді, тұнбаға қарай, тірі затты зерттеу қажеттілігіне келді. Көміртегінің өзгерістерінің геологиялық циклінің бастауында геохимия биохимиямен тығыз тұтастыра түседі.

Биохимия – тірі тканнің химиялық құрамы және молекулярлық құрылысы туралы ғылым. Тірі зат көптеген әр түрлі биохимиялық қосындылардан тұрады, олар төрт топ құрастырады: көмірсулар, белоктар, майлар (липидтер) және нуклеинді қышқылдар.

Көмірсулар, белоктармен және липидтермен бірге тірі организмдер құрамында маңызды роль атқаратын органикалық қосындылардың үлкен тобы; әсіресе өсімдіктер құрамында мол ұшырасады; жалпылама құрамын Сn(H2O)m формуласымен кескіндеуге болады, терминнің атауы да осы формуладан туындайды. Көмірсу клеткаға құрылыс материал және организмге тіршілік әрекеті үшін энергия көзі болып табылады.

Көмірсулардың құрылымдық бірліктері ретінде моносахаридтер болады, олардың ішінде гексаздар (көміртектің алты атомды қосындылары) басымдық етеді: фруктоза, глюкоза, галактоза, олардың химиялық формуласы бірыңғай (C6H12O6), бірақ құрылысы әр түрлі.

Көптеген моносахаридтер бірігіп полисахаридтерді құрастырады. Маңызды полисахаридтер крахмал және целлюлоза. Целлюлоза жоғары дәрежелі полисахаридтерге жататын көмірсу, көптеген өсімдіктердің тозаңдық жақтауларының негізін құрайды. Целлюлозадан тұратын тканьдар жұмсақ және осал болады, қаңқаны нығайту қызметін лигнин атқарады. Лигнин ағаштың қабық астындағы қатты бөлігінің басты (30% дейін) бөлігін құрып, көмірдің негізін салушы болады. Көмірлену кезінде көмірге тиесілі органикалық заттардың бірте-бірте тығыздала түсуі және төмен молекулалы заттарды жоғалту салдарынан көмір массасының азая түсуі жүзеге асады. Көмірлену процесімен ұштаса өтетін химиялық өзгерістердің жалпы бағдары – көміртек мөлшерінің молая, ал оттек пен ұшпа заттар мөлшерінің азая түсуі.

Белок – кез келген тірі клетканың негізгі және өте күрделі заты. Белок молекуласы мөлшері жағынан бейорганикалық қосылыстар молекуласынан жүздеген және мыңдаған есе үлкен болып келеді. Белоктың өте күрделі молекуласының ең басты құрылымдық элементі аминоқышқылдар болып табылады. Олар екі түрлі функцияны, бір жағынан карбоксил тобын кіріктіруіне байланысты, қышқылдық функцияны, екінші жағынан, құрамына әдетте гетероциклдерге кіретін аминотоптар (NH2), сирегірек иминотоптар (NH) болуына байланысты, негіздік функцияны атқаратын органикалық қосындылар. Тірі табиғатта ғалымдар 25 аминоқышқылдарды белгілейді, олардың 20 белоктың құрамында тұрақты болады. Кейбір ғалымдар әр түрлі процестер нәтижесінде аминоқышқылдардың көмірсутектерге ауысуы мүмкін деп есептейді, сондықтан сол аминоқышқылдар есебінен мұнай қалыптасу мүмкіндігін де жоққа шығармайды. Жоғары температура және минералдық катализаторлардың әрекетінен қышқылдардың карбоксил тобынан көмірқышқыл газы бөлініп шығады.

Майлар (липидтер) органикалық қосындылардың үлкен және күрделі тобын құрады. Суда ерімейді, органикалық еріткіштерде (хлороформ, спирт, бензол, петролейлі спирт, ацетон, толуол) жақсы еритіндігімен анық дараланатын, тірі табиғатты құруда өзіндік ролі бар органикалық қосындылардың ішіндегі ең бастыларының бірі.

Липидтердің арасында жануар – жәндіктер майлары және өсімдіктер майлары кең тараған – майлы қышқылдар мен глицериннің қосындылары. Хайуанаттар майы қалыпты жағдайда қатты, тұтқырлы қою зат, өсімдіктер майы – сұйық зат. Себебі хайуанаттар майының майлы қышқылдары қаныққан, шектелген тізбектер құрады, ал өсімдіктердің майлы қышқылдары қанықпаған тізбектер құрады. Майлардан басқа липидтерге балауыз жатады. Балауыз май тектес органикалық қосындылардың бір түрі.химиялық құрамы біратомды спирттер мен жоғары дәрежелі май қышқылдарынан тұрады. Тірі организмдердің, әсіресе өсімдіктердің қабықтарында ұшырасады. Биохимиялық тұрғыдан мейлінше салғырт, шөгінділер құрамында ұзақ уақытқа сақтала алады. Қарапайым липидтермен бірге күрделілері бар – фосфолипидтер және липоидтар. Олар диагенез және катагенез жағдайларында салыстырмалы тұрақты, сөйтіп нашар өзгерістерге шалдыққан түрінде мұнай құрамына өтеді. Осымен байланысты, өсімдіктер мен хайуанаттардан жинақталған (синтезделген), нашар өзгерістерге ұшыраған қосындылар үшін ғалымдар мұнай геохимиясына «хемофоссилия» (қазынды химиялық молекула) түсінігін енгізген. Мұнайда хемофоссилияның болуы, олардың биогенді жаралу тегінің дәлелі болып саналады. Биохимиялық қосындылардың төртінші тобы – нуклеинді қышқылдар, аз мөлшерде жинақталады, тұнбада оларды тез арада бактериялар пайдаға асырып қоректенеді. Мұнай жаралу тегіне қатысы жоқ деуге болады.

Тірі заттың компонентті құрамы. Көмірсудың, белоктың және липидтердің мөлшері бойынша жоғары сатылы өсімдіктер және хайуанаттар айтарлықтай өзгеше болады. Фотосинтездің басты өнімі көмірсулар, олар жоғары өсімдіктердің органикалық затының негізін (80%) құрады, бұл өнімдердің негізгісі целлюлоза, олардың мөлшері ағаштар – шөптер – қыналар – балдырлар ретінде азаяды. Сонымен құрлық өсімдіктерінің құрамында ерімейтін жоғары молекулярлы көмірсулар басым болады, теңіз өсімдіктерінде әсіресе бірклеткаларда көмірсудың мөлшері төмендейді.

Теңіз бассейндерде фитопланктон органикалық заттың маңызды жабдықтаушысы болады. Фитопланктонның липид фракциясының құрамында негізгі рольді майлы қышқылдар атқарады (диатомды балдырларда 60-80%). Балдырлардың липид фракциясында әдетте 3-5% көмірсутектер болады. Сонымен, әлем мұхитында органикалық заттың негізгі жабдықтаушысы фитопланктон, онымен бірге зоопланктон және бактериялар, олардың организмнің құрамына әр түрлі липидтерді жинақтауға қабілеті бар. Фитопланктон және зоопланктон көп мөлшерде қанықпаған майлы қышқылдарды жинақтайды. Шектелмеген майлы қышқылдардан диагенез кезінде нафтенді қышқылдар қалыптасады. Планктон мен бактериялардағы липдтердің сандық мөлшері жеткілікті болғандықтан олармен мұнайдың генезисін байланыстыруға болады. Зерттеушілердің есептеуі бойынша, бүгінгі күнгі барлық ашылған мұнайдың пайда болуы үшін шөгінді жыныстардағы органикалық заттың 1% жеткілікті. Органикалық заттың массасының 50% белоктар, шамамен 30% липидтер, 20% көмірсулар.

Диагенез кезіндегі органикалық заттың өзгерісі. Диагенезде сусымалы борпылдақ тұнба тығыздалады және қатаяды. Кеуектілігі азаяды, судан айырылады, тұнбаның бір бөлігі ериді. Шөгіндінің минералды бөлігі мен ондағы органикалық зат химиялық өзгерістерге ұшырайды. Егер түптік су оттегімен байыған болса, шөгіндінің жоғарғы қабатшасы химиялық жолмен тотықтанады. Егер түптік су күкіртсутекпен жұқтырған болса, шөгіндіде тотықсыздану процестері басым түседі.

Диагенездің алғашқы сатысында органикалық затты өзгеріске шалдығуда белсенді рольді микроорганизмдер – бактериялар, саңырауқұлақтар (бір клеткалы немесе көп клеткалы өте қарапайым өсімдіктер тобы), балдырлар ойнайды. Бактериялар көп мөлшерде тұнбаның жоғарғы 3 см қабатшасында болады, тереңдеген сайын оның мөлшері кемиді, себебі тұнбаның бетінде қоректену заттары және оттегі тараған, бұл жерде дербес оттегіні пайдаланатын аэробты бактериялар үстемдік көрсетеді. Тереңдеген сайын органикалық заттың және дербес оттегінің мөлшері кемиді, бұл жерде бактериялар азайып олардың анаэробты түрлері болады.

Жалпы алғанда химиялық және биохимиялық реакциялар органикалық заттарды күрделі өзгерістерге әкеледі. Органикалық заттың тотықтануы басым болады, оттегі мол болғанда ол көмірқышқыл газы мен суға дейін «жанып» кетеді. Бастапқы полимерлі органикалық заттар (көмірсу, белок, лигнин, липидтер) бактериялармен мономерлерге ыдыратылады, оларды жарым–жартылай микроорганизмдер сіңіреді, сонымен бірге оргаминералды кешендер пайда болады.

Органикалық заттың ұзақ өзгерістерінің нәтижесінде биополимерлер геополимерлерге ауысады, яғни ірі құрылысы полимерлі күрделі мегамолекулалар. Органикалық заттың өзгеріп алмасулары барысында оттегі, күкірт, азоттан айырылып, геополимерлер көміртекпен байиды.

Органикалық заттың өзгерістерінің диагенетикалық сатысы миллиондаған жылға созылып, жүздеген метр шөгінділерді қамтиды. Органикалық заттың шөгінділердің жоғарғы қабатшаларындағы жылдам өзгерістер заттың баяу қайта құрылуымен алмасады, оның барысында құрамы қарапайымдаланады, құрылысы орнықтылады, тұрақты жағдайға келеді.

Органикалық заттың катагенез кезінде өзгерісі. Катагенез шөгінді тау жыныстырдың түзілуіне сабақтаса өтетін олардағы өзгерістердің бірі. Шөгінділердің катагенездегі өзгеріс сатысы олардың күрт тығыздалуымен және кейбір өнімді терригендік және аутигендік құрамбөліктердің өзгере бастауымен сипатталады; мұндай өзгерістер қысым мен температура мөлшерінің бірте-бірте арта түсуімен туындайды, алайда катагенді өзгерістер метаморфты өзгерістер санатына жатпайды. Сатылар арасында қатаң шектер болмайды, себебі тау жыныстардың және олардағы органикалық заттың өзгерістері біртіндеп жүреді.

Катагенез сатысына мұнайдың жаралу тегінің басты фазасы және газдың пайда болуының соңғы фазасы (термокатализ) ұштасып, сонымен бірге қоңыр және тас көмірлердің эволюциясы байқалады. Жанғыш пайдалы қазбалар саласында ғалымдар катагенез сатыларының градацияларының нақтылы шкаласын белгілеген. Оның негізіне көмірдің әр түрлі маркаларының петрофизикалық көрсеткіштері салынған, яғни өзгерістердің әр түрлі деңгейлері.

Жан-жақты қамтитын сипаттамасы ретінде витриниттің шағылдырғыштық қабілеті алынған. Витринит көмірді құрастыратын компоненттердің бірі. Көмірдің басқа компоненттерінен күшті жылтырлығымен, жарықшақтануымен және ойыс сынық бетімен (мүйіздің сынығындай) ерекшеленеді, өзгеру дәрежесі жоғарылаған сайын витриниттің жылтырлығы күшейеді.

Мұнайгазды бассейндердің шөгінді жыныстарында әр түрлі көмірлі кірікпелер кең тараған. Олар шөгінді жыныстардың катагенез дәрежесін анықтауға көмектесіп, органикалық заттың катагенездік өзгеріп алмасуларын мұнай жаралу тегі процестерімен байланыстырудың негізін салады.

Катагенез сатысы үш саты тармағына бөлінеді – протокатагенез (ПК) немесе бастапқы катагенез, мезокатагенез (ортаңғы МК) және апокатагенез (АК) немесе соңғы катагенез. Саты тармақтары бірқатар градацияларға бөлінеді.

«Шағын мұнайдың» пайда болуының басталуы негізінде МК басында байқалады, МК3 градацияның соңына қарай шағын мұнайдың генерациясы аяқталады, бірақ органикалық затқа белсенді түрде жылу әсерінің жалғасуы метанның пайда болуына әкеледі. АК метанның генерациясы біртіндеп өшеді, бірақ толық тоқтамайды, ал кейбір ғалымдардың пікірі бойынша метагенезде де жалғасады. Сонымен, мұнайдың пайда болуының басты фазасы МК1-МК2 шегін қамтиды, газдың пайда болуының термокатализ фазасының – МК4-АК1 шегі.

Геологиялық әдебиетте органикалық заттың тұрақтанған түрі кероген (шет елдерде), ал ТМД елдерінде органикалық зат (ОЗ) атауына иемделген. Химиялық сипаттамасы бойынша органикалық зат үш типке ажыратылады.

Сапропельді ОЗ (аминді типті кероген) балдырлы-бактериалды жаралу типті терең өзгерістерге ұшыраған органика. Шөгіндіге түскен ОЗ құрамында протеиндер (белок), көмірсулар және липидтер көп мөлшерде болған. Олардың химиялық құрамының ерекшелігі сутегінің мол болуы. Сапропель типті органика Б.Тиссо ұсынған номенклатура бойынша «кероген І» сәйкес. Айқын түрде сапропелді ОЗ тұщы сулы бассейндерде, көлдерде, лагуналарда және теңіз бассейндердің карбонатты лай-тұнбалар жиналған учаскелерінде қалыптасады.

Гумус типті (арконды кероген) органиканың бастапқы материалы жоғары сатыдағы (құрлық) өсімдіктерінің қалдықтары болған, олардың құрамында полиароматты (хошиісті) топтар кең тараған. Шет елдерде гумусты ОЗ «кероген ІІІ» атау алған, олар таяз сулы теңіз бассейндерде қалыптасады. Бірақ жер шарында ең кең тараған органика аралас сапропель-гумусты немесе гумус-сапропелді. Мұнай шығарушы свиталардың көпшілігі аралас құрамды ОЗ тұрады. Б.Тиссоның ұсынысы бойынша шашыранды органикалық заттың бұл түрі «кероген ІІ» атауын алған.

Сапропелді ОЗ көбінесе циклометилді құрылымдардан тұрады. Жабық жүйеде сапропельді ОЗ катагенезі көп мөлшерде «шағын мұнайдың» қалыптасуына әкеледі, сондықтан ОЗ бұл типі мұнайдың пайда болуына ең қолайлысы деп саналады. Ашық жүйеде сапропелді ОЗ көп мөлшерде көмірсутекті және көмірсутекті емес газдар пайда болады.

Мамандардың есептеуі бойынша сапропелді ОЗ МК1 және МК2 кезеңінде 30-35% битумоидтарды соның ішінде 17-20% көмірсутек шығарады. ОЗ бастапқы массаның 44% жоғалады. Сапропелді ОЗ катагенез барысында МК1-ден АК2 дейін «шағын мұнай» газдар және су түріндегі жалпылама шығыны 70% құрады.

Гумусты ОЗ хошиісті шығырлар басым болады. Олардың негізгі өнімдері көмірсутекті газдар, ал шағын мұнай өте аз бөлінеді. ОЗ басым бөлігі катагенез барысында көмір тәрізді затқа шоғырланады.

С.Г.Неручевтің мәліметтері бойынша МК1 және МК2 шегінде гумусты ОЗ шамамен 1.6% битумоидтарды шығарады, олардың құрамында КС мөлшері 0.2-0.4% деңгейде болады. ОЗ массасының жалпы шығыны 10% аспайды. Сонымен, гумусты ОЗ сапропелді ОЗ салыстырғанда битумоидтарды 20 есе, мұнайлы КС 50-100 есе аз шығарады.

Катагенез өзгерістерінен кейін гумусты және сапропелді қалдық ОЗ құрылысы жалпылама белгілермен сипатталады, олардың бастысы жоғары дәрежедегі хошиістілік.