vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Неорганическое происхождение нефти и газа

В настоящее время «неорганические теории» происхождения нефти и газа представляют в основном исторический интерес, поскольку большая часть их уже давно никем не поддерживается¹. Распространение этих теорий [гипотез] было вполне

¹Во второй половине XX в. в СССР возобновились попытки воскресить гипотезы минерального синтеза нефти. Было предложено несколько взаимоисключающих вариантов. Все они в корне ошибочны, а авторы их или не знают, или игнорируют достижения современной органической геохимии. Критический разбор минеральных гипотез можно найти в книге М.К. Калинко «Неорганическое происхождение нефти в свете современных данных», «Недра», 1968). Ряд принципиальных ошибок в концепциях неонеоргаников вскрывается в монографии В.А. Соколова «Геохимия газов земной коры и атмосферы» («Недра», 1966). - Прим. ред.

естественным на уровне знаний XVIII в. Основным доводом в пользу неорганических теорий было неоднократное получение в лабораторных условиях из неорганических исходных веществ таких углеводородов, как метан, этан, ацетилен, бензол. Однако нет ни одного месторождения, где можно было бы обнаружить следы подобных процессов в природных условиях, в то время как доказательств органического происхождения нефти огромное множество¹.

Прежде всего нефти характеризуются оптической активностью (способностью вращать плоскость поляризации), в особенности фракции нефтей, выкипающие в интервале 250-300°С.

Давно известно, что это явление характерно почти исключительно для органических веществ, в

образовании которых преобладающую роль играл биологический фактор. Второе серьезное возражение против неорганического происхождения нефти заключается в том, что во всех нефтях обнаружены асфальтово-смолистые компоненты, образование которых может быть связано только с органическим веществом и с большим трудом объясняется с позиций неорганического синтеза нефти.

Отсутствие непосредственной связи залежей нефти с продуктами вулканической деятельности, за исключением крайне редких случаев, заставляет усомниться в существенном значении вулканической деятельности для процесса их образования. Как показали Уайт (White,

личное сообщение) и Де-Голье [13], площади, на которых залежи нефти или газа находятся по соседству с изверженными породами, продуктами деятельности термальных вод и т. п., обычно перекрыты нормальными осадками. Нет ни одного случая, когда бы покрышкой залежи нефти и газа в районах вулканической деятельности служили изверженные породы. В подавляющем большинстве случаи обнаружения УВ среди вулканических пород гораздо лучше объясняются миграцией их в эти породы из вмещающих отложений, чем непосредственным образованием их в самих изверженных породах.

Если бы нефть была космического происхождения, то мы должны были бы находить ее гораздо чаще и в более разнообразных условиях, чем это есть на самом деле, в том числе и в наиболее древних породах. В этом случае не должно было бы быть никакой связи с возрастом пород, и нефть была бы одинаково широко распространена в породах любого возраста, лишь бы

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

они были достаточно проницаемыми. Однако, как мы знаем, докембрий-ские, кембрийские,

триасовые и плейстоценовые отложения содержат очень немного нафтидов, несмотря на то что в разрезах этих отложений обнаружены мощные толщи пористых и проницаемых пород.

Органическое происхождение нефти и газа

В пользу органической природы основного исходного вещества для образования

нефти и газа - «протонефти» (protopetroleum) - свидетельствуют три главных аргумента:

1. Огромное количество ОВ и УВ встречается в осадочной оболочке Земли.

Преобладающими химическими элементами органического вещества как животного, так и

растительного происхождения являются углерод и водород. Кроме того, некоторое количество

соединений с углеродом и водородом, в том числе и углеводороды, и в настоящее время

продуциуется живыми организмами - животными и растениями. Таким образом.

¹Новейшие неопровержимые подтверждения биогенной природы исходного для нефти вещества можно найти в трудах VII Международного нефтяного конгресса (Мексика, 1967) и в двух сборниках «Генезис нефти и газа», один из которых выпущен издательством «Недра» в 1967 г., а другой - издательством «Наука» в 1968 г. - Прим. peд.

органический материал, обильный и широко распространенный, вполне обеспечивает накопление двух основных элементов нефти и газа - углерода и водорода.

2. Во многих нефтях обнаружены порфирины¹, и почти во всех нефтях и газах содержится азот. Это служит более или менее прямым указанием на животное или растительное (или комбинированное) происхождение нефти и газа, поскольку любое ОВ обязательно содержит и порфирины, и азот [16]. Порфирины встречаются в природном асфальте и в неотфильтрованных и не подвергавшихся перегонке средних и тяжелых нефтяных фракцияхг содержащих асфальтово-смолистые компоненты. Количество порфиринов может быть различным. Примерно половина всех исследованных образцов,

полученных из самых различных районов земного шара, характеризовалась присутствием порфиринов в количестве 0,004-0,02 мг на 100 г (0,4×10-4 - 0,2×10-3%), другая половина - 40-400 мг на 100 г (0,04-0,4%).

Азот является одним из основных компонентов аминокислот [CH2(NH2)COOH], т.е.

гидролизированного протеина, входящих в состав любой живой материи. Траск и Патнод

[17] установили, что содержание биогенного азота в осадках почти прямо пропорционально содержанию в этих осадках органического углерода (Сорг). Таким образом, содержание азота и углерода может служить мерой обогащенности отложений органическим веществом. В древних отложениях, например, кратность содержания ОВ по отношению к содержанию углерода и азота выражается соответственно как 1, 1:1 и 24:1.

Азот присутствует практически во всех нефтях и газах, главным образом в качестве составной части сложных асфальтово-смолистых соединений. Непрерывная цепь

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

распространения азота - от живых организмов через органическое вещество в осадках к нефти - одно из доказательств органической природы нефтегазоматеринского вещества.

3. Оптическая активность - способность вращать плоскость поляризации поляризованного света - является свойством большей части нефтей, не обнаруживающимся в веществах неорганического происхождения, за исключением киновари (H2S) и кварца (SiО2). Наиболее интенсивно оптическая активность проявляется у фракций, выкипающих в интервале 250-300°С. По-видимому, оптическая активность большинства нефтей является следствием присутствия в них холестерола (С20Н45ОН) [а

также фитостеролов и других соединений], встречающегося в органическом веществе как животного, так и растительного происхождения [18].

Практически во всех породах-неколлекторах, таких, как глины и карбонаты,

обнаружены самые различные УВ и даже нефть. Одни и те же УВ встречаются как в рассеянном состоянии в тонкозернистых осадках [в микронефти], так и в самих нефтях.

Теснейшая связь ОВ и УВ в осадках исключает какие-либо сомнения в том, что ОВ является первичным источником нефти и газа.

Впервые возможность органического происхождения нефти сформулирована Лескеро [19], который в 1866 г. предположил, что нефть в девонских отложениях восточных районов США образовалась из одноклеточных морских растений 2. Обилие растительных и животных остатков, повсеместно распространенных и характерных почти для всех типов отложений, естественно, заставило исследователей рассматривать этот материал в качестве органического источника нефти и газа.

¹Порфирины образуются из гемина (вещества, окрашивающего кровь в красный цвет) или из хлорофилла (вещества, окрашивающего растения в зеленый цвет). В нефтях порфирины встречаются в виде сложных соединений, которые быстро окисляются. Трейбс установил, что растительные порфирины (C32H36N4 и C32H35N4СOOH), выделенные из хлорофилла, встречаются значительно чаще, чем животные порфирины (C32H38N4 и C32H36N4COOH), образованные из гемина.

²Основоположником органической теории является М.В. Ломоносов, на 100 лет опередивший Лескеро. - Прим. ред.

Хакфорд [20] в 1922 г. нашел, что состав золы нефти и морских водорослей практически одинаков; в ней содержатся йод, бром, фосфор и соли аммония. Позднее он развил эту идею и пришел к выводу, что нефть и другие нафтиды могли образоваться в результате пиролиза и гидролиза морских водорослей при низких температурах [21].

Еще более отчетливо показана связь между нефтью и исходным веществом в работе Сандерса [22]. Он обнаружил в нефтях многих залежей огромное количество разнообразнейших микровключений: остатки кальцитовых или кремневых скелетов и панцирей, окаменелые растительные остатки, раковинки фораминифер, мельчайшие

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

конкреции пирита, небольших рачков, остатки скелетов насекомых, оболочек спор,

водорослей, грибков, кутикулы смолистых телец, кусочки угля и лигнита. Некоторые из этих включений, конечно, могли быть привнесены в нефть со стороны. Однако большая их часть, несомненно, генетически связана с нефтями, в которых они обнаружены. [Это заключение в свете новейших данных представляется ошибочным. Большая часть подобного рода включений связана с вмещающими нефть отложениями и попала в нее чисто механическим путем. Часть наиболее мелких включений, в частности споры и пыльца, могла попасть в нефть на путях ее миграции.]

Еще одним доказательством органического происхождения нефти является присутствие нефтяных УВ в современных осадках Мексиканского залива [23].

Определение абсолютного возраста этих УВ свидетельствует о том, что они не могли мигрировать в современные осадки из более глубоких горизонтов, а образовались на небольших глубинах в результате разрушения ОВ, захороненного в самих этих осадках.

Современные теории органического происхождения нефти и газа

Скачок, который произошел в настоящее время в понимании условий образования нефти и газа, связан с открытием широкого распространения во многих живых организмах нефтяных УВ, которые, будучи захоронены в осадках, практически не изменяются. С этим открытием связаны имена многих исследователей, работы которых перечислены в конце данной главы [24]. [Доля УВ, непосредственно унаследованных от живого вещества (т.е.

био-УВ), значительно меньше, чем это можно себе представить, судя по высказыванию Леворсена. Почти вся масса низкокипящих УВ, составляющих бензиновую и керосиновую фракции нефти, образуется в результате мягкого термолиза и (или) термокатализа из более высокомолекулярных соединений, в частности из био-УВ, из соединений, которые можно называть предшественниками УВ (пред-УВ), например из жирных кислот, аминокислот,

некоторых спиртов и др.

Нефть, как таковая, образуется не на стадии диагенеза, а значительно позже, на стадии катагенеза, в условиях повышенной температуры (90±25°С) и длительного геологического времени, в какой-то мере компенсирующего высокую температуру. По существу нефть образуется не столько биогенным, сколько абиогенным путем, но из биогенного органического вещества. Если учесть это, а также двусмысленность слова

«органический», то лучше говорить не об органическом происхождении нефти, а об осадочно-миграционном. ]

Почти все глинистые и карбонатные породы содержат рассеянное ОВ трех основных видов: растворимые жидкие УВ, растворимые асфальтово-смолистые вещества

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

и нерастворимый кероген¹. Количество растворимых IB изменяется от 1 до 50

¹Американские, а вслед за ними и некоторые советские авторы неправильно ограничивают понятие кероген лишь нерастворимыми в органических растворителях компонентами ОВ осадков и пород. Термин «кероген» (по-древнегречески - «рождающий вое: был введен в употребление в 1912 г. английским автором проф. А. Грам-Брауном для ОВ шотландских горючих сланцев. Следует учитывать, что дебитуминизация ОВ производится разными исследователями различными органическими растворителями и нередко не одним, а двумя (последовательно). Это обусловливает неопределенность понятия о нерастворимом ОВ (или «керогене», в новой трактовке американских авторов).

У нас, к сожалению, часто дебитуминированное ОВ именуют «остаточным», что также неправильно. Остаточным в понимании геолога и геохимика является то ОВ (или его компоненты), которое осталось в породе после каких-либо естественных процессов (а не реакций в лабораториях) - термолиза, окисления, эмиграции наиболее подвижных компонентов и т.д. - Прим.

ред.

баррель/акрфут. Это то количество УВ, которое осталось в породе после удаления их в процессе диа- и катагенеза. Крайне важным является вывод Ханта [24] о том, что, за исключением некоторых красноцветных глин, песчаников и метаморфизованных отложений, все остальные породы-неколлекторы содержат нефтяные УВ.

Кроме растворимых нефтяных УВ, в органическом веществе содержится большое количество нерастворимых производных УВ с гетероэлементами (insoluble hydrocarbon compounds) и сложных органических соединений, часть которых также может быть трансформирована в нефтяные УВ благодаря воздействию тепла, давления,

каталитических процессов или деятельности бактерий.

Сложные нерастворимые ОВ представлены керогеном - пиробитумом. В настоящее время известно два типа керогена: угольный и нефтяной. Кероген угольного типа не образует нефти, а участвует в формировании лигнита и газовых углей (cannel coal).

Трансформация керогена нефтяного типа приводит к образованию нефти. Органическое вещество этого типа обычно бывает олеофильно, и нефтяные УВ находятся под его

защитой.

Одни и те же УВ обнаружены и в породах-неколлекторах [в составе микронефти] и

в живых организмах. Большая часть живых организмов содержит углеводороды [25] и

гетеросоединения, жирные кислоты, терпе-ноиды и стероиды, захороняющиеся впоследствии в осадках почти без изменений. Этот непосредственный источник нефтяных УВ в изобилии распространен в осадочных отложениях во всех районах земного шара.

Условия миграции УВ и аккумуляции их в залежах в виде нефти и газа рассматриваются в

следующей главе.

Интересно сравнить состав ОВ пород-неколлекторов и нефти (в вес. %).

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Это органическое вещество встречается обычно в трех разновидностях:

1.Углеводороды, аналогичные по составу и строению тяжелой фракции нефтей.

2.Природные асфальты из коллекторов, аналогичные по составу и внешнему виду асфальтово-смолистым компонентам нефти.

3.Кероген, нерастворимое пиробитуминозное ОВ, обычно составляющее основную массу рассеянного ОВ в породах-неколлекторах.

Углеводороды. Рассеянные в породах углеводороды, по всей вероятности,

происходят частично или полностью из живых организмов, растительных и животных.

Они могли образоваться также в результате некоторых процессов, приведших к трансформации ОВ пли нефтеподобных гетеросоединений (асфальтово-смолистых компонентов) ОВ через ряд последовательных изменений в нефтяные УВ. Такое преобразование должно было происходить или до, или во время диагенеза и катагенеза осадков, поскольку УВ [микронефть] почти повсеместно распространены в глинистых и карбонатных породах.

Эрдман [26] изучил большое количество УВ нефтяного ряда, чаще всего встречающихся в осадочных породах. Он проанализировал наиболее характерные фракции этих УВ, которые содержатся как в нефти, так и в породах в измеримых количествах. Из данных Эрдмана следует:

1. Ароматические углеводороды низкого молекулярного веса - бензин, нафталин,

толуол, этил-бензол, ксилены и другие фракции, выкипающие до 250°С, - составляют около 5 % общего количества углеводородных фракций нефти и широко распространены в древних отложениях. В современных осадках они не обнаружены, и, следовательно,

химический механизм их образования не связан с жизнедеятельностью организмов.

Эрдман утверждает, что такие соединения, как сквалены, каротены, терпены и ненасыщенные (непредельные) жирные кислоты, содержащиеся в больших количествах в наземных и морских растениях и животных, могли быть предшественниками легких ароматических УВ.

2. Легкие алифатические углеводороды (предельные) - метан, этан, пропан, бутан,

пентан и т.д. - характерные компоненты нефти; сюда же относится н-гептан, наиболее легкий углеводород, обнаруженный в живых организмах. Химический механизм образования этих УВ пока еще неясен.

Важнейшим, а возможно и основным, источником алифатических УВ являются протеины. В результате известных реакций взаимодействия аминокислот, приводящих к

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

образованию протеинов, образуются и все изомеры алифатических УВ. Аминокислоты обнаружены и в древних, и в современных отложениях, причем в изобилии.

3. Средние и тяжелые алифатические, нафтановые и ароматические углеводороды найдены как в породах, так и в нефтях. Эрдман полагает, что одни из них возникли из таких биохимических компонентов живого вещества растений и животных, как липиды,

сохраняющиеся благодаря своей устойчивости без заметных изменений в течение длительного геологического времени, а другие образовались из неуглеводородного вещества - жирных кислот, альдегидов и спиртов.

Асфальтово-смолистые вещества. Эти компоненты - смолы, мальтены и асфальтены - представляют собой неуглеводородные фракции органической части осадков и нефтей, состоящие в основном из углерода и водорода с примесью кислорода, азота,

серы, ванадия и никеля. Это сложные вещества высокого молекулярного веса (от сотен до сотен тысяч), встречающиеся в различных количествах от следов до 50 вес.% (в некоторых нефтях).

Асфальтово-смолистые вещества, обнаруживаемые в породах-неколекторах,

сходны с асфальтово-смолистыми компонентами нефтей или природными асфальтами,

встречающимися в местах высачивания нефти. Количество таких веществ в породах обычно колеблется от 1 до 70 баррель/акрфут, т.е. несколько выше, чем количество УВ.

Эти сложные соединения в живых организмах не найдены, но могут быть получены химическим путем из таких биохимических компонентов, как целлюлоза (клетчатка),

лигнин, пурины и пиримидины. Присутствие в нефти порфиринов (естественных пигментов - производных хлорофилла и гемоглобина) является доказательством ее биологического происхождения. В наибольшем количестве порфирины встречаются в нефтях с повышенным содержанием асфальтово-смолистых веществ, что свидетельствует о раннем (низкотемпературном) образовании последних [27]. Распространены порфирины в виде сложных металло-порфириновых соединений, что, кстати, также является одной из причин прилипания нефти к олеофильным частичкам пород-коллекторов.

Кероген. Большая часть органического вещества, рассеянного в породах (85-95%),

состоит из керогена - твердого пиробитума, нерастворимого в обычных органических растворителях [28]¹ При повышении температуры кероген разлагается. Химический анализ показывает, что в его составе преобладают углерод, водород и кислород; в

незначительном количестве имеются также азот и сера. Кероген, встречаемый в породах-

неколлекторах, в высушенном виде представляет собой тонкий аморфный порошок темно-

коричневого или черного цвета, обычно очень похожий на угольную пыль. При нагревании этого порошка в пробирке нефтяные дистилляты либо не выделяются,