Химия и физика нефти

Из данных таблицы следует, что состав первичной нефти (протонефти) отличается от известных в настоящее время нефтей. Сказанное подтверждает гипотезы В.Д. Соколова и А.С. Эйгенсона об абиогенном допланетном происхождении нефти на стадии формирования протодисков планет и агрегации (аккрекции) протопланетного вещества из межзвездных молекулярных облаков. Не исключено, что органические молекулы асфальтосмолистых веществ первичных углеводородных систем (протонефти) – молекулы с сильнейшим межмолекулярным взаимодействием – были связующим материалом в процессах аккрекции неорганических веществ в планетарные системы.

О космическом происхождении нефти может свидетельствовать и повышенная концентрация в ней ванадия. При земном ее происхождении в нефти должны были бы доминировать элементы, наиболее распространенные в земной коре, типа железа или алюминия. Ванадий же относится к редко распространенным на Земле элементам. Не привнесен ли этот элемент из космоса? Неясно и откуда в нефти столько серы – элемента, которым живые организмы небогаты.

Космическая гипотеза сразу же подверглась крити­ке. Г. Гефер указывал, что в этой концепции много фантастических предпосылок и что она построена лишь на предположениях и допущениях, остающихся пока совершенно недоказанными. Аналогичные критические замечания высказывали И.М. Губкин и В.И. Вернадский.

В результате космическая гипотеза В.Д. Соколова была на некоторое время отверг­нута. Тем не менее, возрождение космических представлений об образовании нефти происходило в дальнейшем не­однократно. Одним из первых, кто вновь обратился к космосу, был академик АН УССР В.Б. Порфирьев. В 1957 г. он предложил обновленный вариант космической гипотезы: Земля при своем формировании захватила водород из первичной газовой материи. Проникая в раскаленные недра планеты, он реагировал с углеро­дом, растворенным в жидкой магме, и образовывал нефтяные углеводороды. Углеводороды, возникшие в первозданном веществе Земли, при ее остывании и формировании как планеты, поглощались остывающей магмой и позднее, поднимаясь по трещинам, внедрялись в осадочные породы, хотя оппоненты считают, что существование в не­драх Земли трещин большой протяженности, соединяю­щих земное ядро с поверхностью, невозможно.

Еще более фантастический вари­ант космический гипотезы предложил новосибирский инженер В.Н. Сальников в 1979 г.

Он объединил в единое целое две гипотезы—вулканическую и космическую, использовав предположение томского ученого Л.А. Пухлякова, что некогда у Земли кроме Луны был еще один спутник – Перун. Эта планетка, имевшая в своем составе большое количество углеводородов, находясь на чересчур низкой орбите, постепенно тормозилась о верхние слои атмосферы и в конце концов упала на Землю, как это происходит с искусственными спутниками. Именно Перун принес на Землю элементы, составляющие углеводоро­ды. Резкий толчок активизировал вулканическую и горообразовательную деятельность. Миллиарды тонн вулканического пепла, мощнейшие грязевые потоки завалили принесенные из космоса углеводороды, похоронили их в глубоких недрах, где под действием высоких температур и давлений они превратились в нефть и газ.

Автор гипотезы обосновывает свои выводы необыч­ным расположением месторождений нефти и газа. Соединяя между собой крупные зоны нефтегазонакопления, В.Н. Сальников получил систему параллельных синусоидальных линий, которая напомнила ему «про­екции траекторий искусственных спутников Земли». Вместе с тем, в мире открыто свыше 30 тыс. месторождений нефти и газа, их можно соединять как угодно, получая самые прихотливые системы линий, остается только призвать на помощь воображение...

Еще одну гипотезу нисходящей миграции нефти с земной поверхности вниз и внезапного образования ее залежей предложил американский ученый И. Великовский. Согласно его точке зрения, источником накопления углеводородов на Земле являются хвосты комет. Состоят они преимущественно из газообразного углерода и водорода. В космическом полете эта смесь не воспламеняется по причине отсутствия кислорода, но, попадая в атмосферу, содержащую кислород, возгорается. Если углеродсодержащие газы и водород окажутся в земной атмосфере в больших количествах, то часть их избежит полного сгорания и превратится в жидкое текучее вещество.

В своей книге «Миры в столкновении» И. Великовский приводит свидетельства различных народов о выпадении на поверхность Земли жидкого текучего вещества и огня. В священной книге майя запечатлена гибель обитателей древней Мексики от хлеставших с неба потоков битума. В древнеегипетских папирусах описываются пролившиеся вместе с камнями потоки горячей нефти. Египет тогда был почти полностью истреблен огнем. От воды, которая все гасит, тот огонь разгорался еще сильнее. Предания об огненном дожде И. Великовский обнаруживает среди народов Малайского архипелага, у западносибирских вогулов (ныне манси), в Вавилоне (Ираке). Сегодня во всех этих регионах обнаружены огромные запасы нефти.

Косвенно подтверждает гипотезу И. Великовского то, что нефть сегодня нередко обнаруживается в кимберлитовых трубках. Нефть в плотных кимберлитах содержится в трещинах. Объемы ее там незначительны, но главное, что в кимберлитах и в их окрестностях нет никаких других источников возможного появления нефти или каких-либо нефтесодержащих пород. Некоторыми исследователями кимберлитовые трубки рассматриваются как кольцевые астроблемы, возникшие под воздействием ударов космических тел.

После того как горючая нефтеносная жидкость пролилась, она вначале еще могла держаться на поверхности морей. Наверное, пропитывала собой верхние слои почвы и частично поглощалась пожарами. Затем нефть профильтровалась на глубину сквозь пористые пески и трещиноватые известняки или гипсы и другие проницаемые для нее породы. В конце концов, нефть скопилась в синеклизных понижениях, отчасти дифференцировалась на фракции, из нее истек газ, скопившийся под газонепроницаемыми куполами. Теперь выявить эти залежи можно только глубоким бурением.

За истекшее с тех пор время следы нефтепроявлений у земной поверхности были промыты дождями, паводками и текучими водами. Но остатки былых нефтяных залежей до сих пор обнаруживаются в илах озер и служат индикаторами при поисках месторождений углеводородов.
2.2 Космо-планетарные (алхимические) концепции

Концепции, которые называются здесь космо-планетарными, не часто рассматриваются учеными и, вероятнее всего, не скоро в обозримом будущем будут признаны Международными нефтяными конгрессами. В их рамках образование углеводородов рассматривается как результат ядерных превращений некоторых химических элементов.

Дело в том, что большинство пород, в которых находится нефть, содержат двуокись кремния – SiO₂. И если от одного ядра кремния, имеющего атомную массу 28, отнять одну альфа-частицу с атомной массой 4 и прибавить ее к другому атому кремния, то получится атом серы с атомной массой 32. А оставшийся от первого атома изотоп магния с атомной массой 24 частично сохранится, как и магний, который тоже содержится в попутных нефтяных водах, а частично развалится и даст две молекулы углерода с атомной массой по 12, создав, таким образом, основу для образования и нефти, и каменных углей.

Основные аргументы оппонентов касаются ядерных трансмутаций, проще говоря, алхимии. Само по себе превращение одного ядра в другое никого не удивляет, это известно со времен открытия радиоактивности. Оппонентов раздражает неясность относительно необходимой для подобных превращений энергии. За счет каких сил преодолевается кулоновский барьер? Каков механизм процесса?

Один из механизмов таких превращений был предложен известным ученым, сторонником концепции эфиродинамики В.А. Ацюковским. По его мнению, в Землю, как и в любое другое небесное тело, втекают из космоса эфирные потоки, скорость вхождения их равна второй космической скорости, составляющей для Земли 11,18 км/с. Эти потоки проникают внутрь Земли на любую глубину, по дороге проходя сквозь породы и турбулизируясь. Результатом турбулизации эфирных потоков являются вихри, которые внешним давлением эфира сжимаются, и скорость потоков в них многократно возрастает, так же как и градиенты скоростей, а значит, появляются большие градиенты давлений, разрывающие молекулы, атомы и ядра и перестраивающие вещество. При этом за миллионы лет из обычных неорганических пород могли образоваться любые углеводороды и вообще любые элементы, причем на любой глубине.

Подобные процессы вполне могут протекать в недрах любых планет, а это значит, что и нефть, и каменный уголь, и другие минералы и элементы могут существовать на всех планетах Солнечной системы, а не только на Земле. Это, совсем не означает, что на этих планетах была жизнь.

Еще одно объяснение дается в рамках нейтринной геологии. Нейтрино являются источником слабых взаимодействий. Облучение вещества Земли, в частности, вещества железного земного ядра, потоками косми-ческих нейтрино ведет к «развалу» ядер «стабильных» элементов, таких как железо. Приводятся возможные реакции нейтринного развала ядер железа на кальций, углерод и нейтроны, очень быстро превращающиеся в протоны – ядра элемента водорода. Теоретически возможен и развал ядер железа на ядра атомов кислорода, гелия и водорода (что объясняет, в частности, «гелиевое дыхание» нашей планеты). Это, по мнению авторов, очень важно с точки зрения исследования путей образования углеводородов в глубинных областях нашей планеты. Но «развал» под действием слабых взаимодействий «стабильных» ядер железа на ядра кальция, углерода и других легких элементов интересен еще и тем, что позволяет найти ответ на другие вопросы, встающие перед геологами. Если в железном ядре образуются атомы кальция и углерода, то они, конечно же, мигрируют к границе «ядро – мантия», способствуя образованию там таких, содержащих кальций и углерод горных пород, как карбонатиты и алмазосодержащие кимберлиты. Взаимосвязанный генезис «посланцев мантийных глубин» – карбонатитов и кимберлитов в последнее время крайне заинтересовал геологов.

Заметим, что «нейтринная геоалхимия» – развал ядер тяжелых элементов на ядра более легких химических элементов, с одной стороны, направлена против «сильных» взаимодействий, стремящихся удержать вместе все нуклоны ядра химического элемента. С другой стороны, появление нескольких ядер легких элементов вместо одного тяжелого ядра понижает плотность земного ядра и, тем самым, противодействует гравитационным силам, создавая дополнительное «давление» в ядре Земли.

Е.А. Кулинкович считает, что энергетическое "питание" Земли осуществляется в значительной степени через галактические и солнечные космические лучи, а геологическая история – это неисчерпаемый источник сведений, в частности, о галактическом космическом излучении.

В определенные моменты вселенской «квазаризации» «работают» метагалактические процессы порождения космических лучей – на Землю попадает обобществленное излучение от огромного числа галактик, в том числе и от тех, которые способны испускать и суперэнергетические частицы. При этом важно не столько количество поступившей на Землю энергии, сколько_ее «качество»– объем суперэнергетичных частиц.

Для понимания дальнейшего текста приводим шкалу геологического времени (таблица 16).

В истории Земли, считает Е.А. Кулинкович, можно указать два «вселенских праздника», два события, которые имели определяющее значение для геодинамической истории.

Первый «праздник» произошел в момент 4820 млн лет от Большого Взрыва. «Вселенская квазаризация» в эту эпоху была особенно сильной. В галактиках формировались звезды дисковых систем, в нашей Галактике – Млечный путь. В это же время была порождена звезда, которую через несколько миллиардов лет люди назовут Солнцем. Второй «вселенский праздник» наступил через примерно 600 млн лет назад. Это было событие такого масштаба, что вся геологическая история оказалась разделенной на две части – «до» и «после».

Период «до» геологи назвали докембрием (криптозоем, т.е. эпохой скрытой жизни), а период «после» – фанерозоем, т.е. эпохой открытой жизни. Эти два отрезка геологической истории очень резко отличаются друг от друга. На Землю поступило огромное количество сверхэнергетического космического излучения от других галактик, и это излучение коренным образом изменило ее элементный состав (имеются в виду, конечно же, химические элементы).

Пытаясь раскрыть тайну «кальциевой катастрофы» в геохимии (наличие неоправданно большого, не соответствующего материальному балансу количества в земной коре кальция и ряда других элементов) Е.А. Кулинкович пришел к выводу о существовании особой ядерной реакции развала ядер железа под воздействием высокоэнергетичных нейтрино. Эта реакция, по его мнению, в конечном виде выглядит так:
нейтрино + Fe⁵⁶ = Ca⁴⁰ + C¹² + 4 нейтрона.
Образование большого количества кальция (ядро кальция – дважды магическое, то есть особенно крепкое) существенно изменило состав океанической воды, и это позволило живым организмам извлекать из вод морей и океанов известь, столь необходимую для постройки скелета. Началась совершенно новая эпоха в истории биосферы – эпоха существования скелетообразующих организмов. Но этого мало, вместе с образованием атомов кальция – если гипотеза автора о возможности нейтринного развала ядер железа верна – происходило и образование атомов углерода и водорода (нейтроны вне атомного ядра неустойчивы и превращаются в протоны – ядра атомов водорода), таким образом, вышеприведенная реакция приобретает совсем уж интригующий вид:
нейтрино + Fe⁵⁶ = Ca⁴⁰ + метан.
Таким образом, революционную эпоху скелетогенеза можно назвать также «карбокальциегенезом».

Анализ результатов зондирования ядра одной из комет американскими космическими аппаратами привел к возникновению гипотезы образования углеводородов путем мюонного катализа. Как известно, при захвате мюона протоном образующийся атом приобретает свойства нейтрона, что создает возможность его сближения с атомом углерода и последующего образования углеводородной связи.

Использование концепции мюонного катализа для объяснения возникновения химической связи расширяет известные физические представления о роли мюонов в ядерных физических процессах. Высказанное предположение поддается прямой экспериментальной проверке, например на ускорителях.

Фактор – космическое излучение – мог действовать во все геологи-ческие эпохи, начиная с архея, когда образующиеся углеводороды уже могли накапливаться, не разрушаясь. Образующиеся на поверхности Земли углеводороды могли вступать в биологический кругооборот углерода, не сохраняясь в первоначальном виде. Образование углеводородов в водах архейского океана, вероятно, происходило с существенно меньшей интенсивностью или не происходило совсем. При этом, в океане так же, как и на поверхности Земли, углеводороды могли вступать в биологический кругооборот.

Нефтегазообразование и формирование нефтяных и газовых месторождений рассматривается как одно из проявлений более широкого природного процесса – дегазации Земли. Этот процесс в различных своих формах – один из главных факторов эволюции Земли, сформировавших современный облик ее внешних оболочек, создавших на ранних этапах геологической истории гидросферу, атмосферу и, в конечном счете, саму биосферу. Глубинная дегазация связана, главным образом, с активными зонами земной коры, для которых характерны наличие глубинных разломов, высокая сейсмичность и вулканизм. Преобладающие компоненты в составе газов – это пары воды, СО₂, H₂S, H₂, N₂ и углеводороды.

При определенных условиях, связанных с внутренней динамикой Земли, в зонах разломов на больших глубинах возникают очаги нефтеобразования. Из этих очагов массы синтезированных углеводородов и других продуктов химических реакций поднимаются по проницаемым зонам земной коры вверх, в области меньших давлений, образуя при благоприятных условиях (наличие пористых и трещиноватых горных пород, флюидоупоров, экранов, закрытости недр и т. д.) нефтяные и газовые месторождения.

Минеральные концепции опираются на ряд фактов:

– вне осадочной оболочки Земли и биосферы содержится более 99 % углерода нашей планеты;

– в недрах имеется огромное количество энергии, необходимой для синтеза и «выталкивания» к поверхности больших масс углеводородов;

– в недрах имеются предуглеводороды в виде метана и паров воды.

Химическая база минеральной гипотезы – это каталитический синтез и конверсия углеводородов при высоких температурах и давлениях, во многом освоенные химической технологией. Минеральная концепция объясняет следующие особенности распространения углеводородов, в том числе их скоплений:

– нефть и газ могут залегать в любых горных породах, имеющих свободные емкости и условия для удержания и сохранения находящихся в них флюидов; этим условиям отвечают, главным образом, осадочные горные породы;

– большинство скоплений нефти и газа в горных породах возникли значительно позже (спустя десятки и сотни миллионов лет) образования самих горных пород. В настоящее время сохранились, в основном, только сравнительно молодые месторождения, так как древние вероятнее всего были разрушены геологическими процессами;

– наличие на Земле гигантских и сверхгигантских месторождений нефти и газа, поскольку размеры этих месторождений в верхних этажах земной коры ограничиваются только размерами имеющихся в горных породах резервуаров и условиями сохранения;

– приуроченность в нефтегазоносных областях скоплений к породам определенного возраста внутри области или бассейна, что связано с общностью условий образования горных пород, формирования в них емкостных и других физических свойств;

– высокая концентрация в нефти металлов, широкое распространение битуминозных веществ в некоторых рудах;

– широкое распространение в любых горных породах нефтегазоносных районов рассеянных углеводородов, поскольку нефть в месторождениях – это только незначительная часть мощного потока углеводородов, захваченная ловушками;

– наличие сверхвысоких пластовых давлений в нефтяных и газовых залежах и др.

Принимая эту общую схему, сторонники минерального происхождения нефти предложили множество вариантов реализации нефтеобразовательных процессов.

Несмотря на все различия во взглядах на процессы неорганического нефтеобразования, отчетливо выделяется основной вопрос минеральной (глубинной) концепции – это вопрос о путях движения нефти и газа при формировании месторождений. Признание необходимости поступления нефти, газа или исходных для их образования продуктов по разломам из глубоких недр Земли (земной коры или мантии) объединяет сторонников минеральной концепции. Осадочные породы рассматриваются ими как главный, но не единственный аккумулятор нефти и газа.

Очевидно, что предыстория химических элементов, образующих нефть, для минеральной концепции принципиального значения не имеет: наряду с изначально глубинными продуктами частично это могли быть углерод, водород, азот, входившие когда-то в биогенное вещество, распавшееся в высокотемпературных зонах Земли на элементы или простые молекулы. В этом смысле гипотезы, развиваемые в рамках биогенной концепции, в которых допускается переработка осадочных пород в высокотемпературных зонах Земли и последующая миграция новообразованных углеводородов в нормальные осадочные породы, можно отнести к различным вариантам минеральной концепции. Принципиальным является только баланс углеводородов той или иной изначальной природы.

Основные практические выводы, которые следуют из минеральной концепции, это, во-первых, потенциальная перспективность всех проницаемых горизонтов до кристаллического фундамента включительно, залегающих ниже горизонтов с уже известными нефтепроявлениями; во-вторых, размещение зон нефтегазонакопления (месторождений нефти и газа) в местах глубинных разломов.