Химия и физика нефти

Завершая обзор современных неорганических гипотез, следует упомянуть еще об одной из них, принадлежа­щей киевскому геологу Ю.А. Муравейнику. Проис­хождение нефти он пытается связать с общекосмиче­скими процессами, приводящими к формированию планетарных систем в целом и нашей планеты в част­ности. Ученый исходит из космогонических представ­лений академика В.А. Амбарцумяна о мощных взрыв­ных процессах во Вселенной как закономерных фазах космической эволюции вещества. Этот принцип он при­меняет к эволюции Солнечной системы и планеты Зем­ля. Изучая рельеф и геологическое строение зем­ного шара, Ю.А. Муравейник обнаружил на его по­верхности, как он полагает, следы взрывных отрывов части массы Земли. По его мнению, это были цикли­ческие взрывы, повторявшиеся через 200–400 млн лет и оказавшие доминирующее влияние на развитие на­шей планеты и даже на перемещение континентов во­круг воронок взрыва. В качестве следов отрыва Ю.А. Муравейник рассматривает зоны Заварицкого–Беньофа (названы в честь ученых, впервые указав­ших на их существование). Они представляют собой глубинные сколы, наклонно уходящие в недра Земли на 400–700 км. Примером таких зон могут служить глубинные сколы, окаймляющие Тихий океан. В релье­фе его дна они представлены глубоководными желоба­ми (Марианский, Филиппинский, Кермадек, Тонга и др.) По геофизическим данным, сколы падают под ма­терик в среднем под углом 45°. К ним приурочены эпи­центры землетрясений, действующие вулканы. Зоны Заварицкого–Беньофа имеют дугообразную форму, выпуклой стороной обращенную к океану. В тылу каждой зоны находится система островов также дугообразной формы (островная дуга). Участки океанической коры, характеризующиеся по сравнению с континентами существенным утоне­нием мощности за счет отсутствия «гранитного» слоя, Ю.А. Муравейник трактует как своеобразные воронки взрыва.

Ю.А. Муравейник допускает, что при взрывах Зем­ля теряла часть своей массы. Если учесть потери при последних четырех самых мощных взрывах, то перед этими событиями радиус Земли должен быть более 10 тыс. км (средний радиус современной Земли равен 6371 км). Выбрасываемая масса образовывала земные спутники, которые со временем теряли связь с плане­той. Последним спутником Земли, еще сохранившим с ней динамические связи, является Луна. Время взрывного отрыва Луны от Земли в районе Тихого океана Ю.А. Муравейник определяет в 230 млн лет (начало мезозойской эры). Подтверждение своих представлений Ю.А. Мура­вейник видит в данных, добытых американской меж­планетной станцией «Вояджер-1», прошедшей в 278 тыс. км от Юпитера. На его спутнике Ио был обнаружен огромный действующий вулкан. Поверхность Спутника оказалась нагретой до 100 °С, температура же окружающего пространства составляет минус 145° С. Из этого автор гипотезы делает вывод о молодости Ио. Более того, его образование он связывает с существую­щим на Юпитере Большим красным пятном и рассмат­ривает последнее как место взрывного отрыва Ио от Юпитера.

Возможной причиной взрыва Ю.А. Муравейник считает формирование во внешних оболочках планет электрических зарядов за счет облучения Солнцем. На­копление зарядов может привести к взаимодействию отрицательно заряженных внешних оболочек с поло­жительно заряженным ядром по схеме объемно-заря­женного шара. Автор допускает, что «в какой-то кри­тический период развития Земли при достаточном на­коплении электричества в земных недрах возникает электрический пробой в мантии на ядро Земли с про­теканием реакции как синтеза химических элементов из нуклонной плазмы ядра, так и распада образую­щихся радиоактивных элементов». Источник взрыва автор гипотезы помещает на гра­нице мантия–ядро. Сам взрыв он рассматривает как образование гигантского «газового пузыря», существу­ющего под большим давлением до момента отделения части массы Земли. Спутниками «газовых пузырей» Ю.А. Муравейник считает алмазоносные трубки взрыва.

В границах взрывных воронок, которые представ­лены современными или ископаемыми зонами Заварицкого–Беньофа, автор видит средоточие месторождений различных полезных ископаемых, в том числе нефти и газа. Генезис последних Ю.А. Муравейник связывает с выносом углерода из мантии «газовым пузырем», а образование водорода вокруг воронок взры-ва – с воздействием высокого давления, оказы­ваемого «газовым пузырем» на горные породы. В ре­зультате по краям взрывных воронок в условиях тектономагматической активности происходит соединение углерода с водородом и образуются сложные углево­дородные цепи.

Взрывную гипотезу нефтегазообразования Ю.А. Му­равейника можно рассматривать в качестве научного курьеза. Не вдаваясь в критику теории взрывов при­менительно к Земле, можно лишь отметить, что мезо­зойский взрыв, отделивший, по мнению Ю.А. Мура­вейника, Луну от Земли, был бы настолько мощным, что расколол бы нашу планету на части. Сам автор гипотезы оценивает мощность мезозойского взрыва в 4,6·10³²Дж, что соответствует энергии, выделяемой при взрыве 4,6·10¹⁹ атомных бомб, каждая из которых эквивалентна бомбе, брошенной на японский город Хиросиму.

В целом, теория абиогенного генезиса нефти и газа выводит нефтегазовую геологию и геохимию на новые многообещающие рубежи освоения немереных кладовых углеводородного сырья. Как следует из сказанного выше, запасы горючего на нашей планете вполне могут быть практически неограниченными.
2.3.2 Биогенные концепции

Одна из формулировок самой распространённой органической модели образования нефти принадлежит М.В. Ломоносову, писавшему еще в 1763 году о «рождении оной бурой материи… из остатков растений под действием тепла Земли».

За рубежом считают, что концепция органического, биогенного происхождения нефти была выдвинута немецким ботаником Г. Потонье в начале XX века. При поисках и разведке нефтяных месторождений геологи уже в XIX веке стали отмечать частую приуроченность нефтяных залежей к древним морским отложениям, обогащенным сапропелевым органическим веществом, которые были названы нефтематеринскими. Начиная с работ А.Д. Архангельского (1927 г.) и П.Д. Траска (1926 – 1932 гг.) развернулись исследования органического вещества современных осадков и древних осадочных пород.

Биогенной теории придерживались многие серьезные отечественные и зарубежные ученые. Академик В.И. Вернадский, основоположник современной геохимии нефти, еще в начале века писал: «Организмы, несомненно, являются исходным веществом нефтей».

Казалось бы, в XX веке учёные получили бесспорные аргументы в пользу органической теории происхождения нефти. Из нее выделили многочисленные биомаркеры – остатки молекул органического вещества. Кроме того, выяснилось, что у нефтей есть оптическая активность, которую раньше считали свойством исключительно органических веществ.

Российские геологи-нефтяники А.П. Архангельский, И.М. Губкин, Н.Б. Вассоевич  и др. считали, что существует тесная связь между углеводородными месторождениями и осадочными породами, и эти воззрения стали частью общей концепции В.И. Вернадского о роли жизни в формировании геохимических циклов. В настоящее время теория В.И. Вернадского о роли биосферы в эволюции Земли признана практически всеми, и, как оказалось, продукты биосферы проникают в недра Земли гораздо глубже, чем предполагал сам автор гипотезы. Дело в том, что сейчас ученые широко обсуждают модель глубинного перемещения первичного осадочного вещества (вместе с преобразованными биологическими остатками) через мантию Земли. Океанические плиты, в том числе и осадочные породы с остатками органики, затягиваются в мантию Земли там, где одна плита «подлезает» под другую (так называемые зоны субдукции на активных окраинах континентов). На поверхности такие зоны проявляются в виде цепи вулканов – например, Камчатка и Курильские острова, огненный пояс вокруг Тихого океана. Именно с таким глубинным рециклингом некогда органического вещества связывают образование части алмазов.

В качестве исходного вещества для образования нефти Губкин рассматривал сапропель – битуминозный ил растительно-животного происхождения. В прибрежной полосе моря, где жизнь особенно активна, происходит сравнительно быстрое накапливание этих органических остатков. Через какое-то время они перекрываются более молодыми отложениями, которые предохраняют ил от окисления. Дальнейшие процессы идут уже без доступа кислорода под воздействием анаэробных бактерий.

По мере погружения пласта, обогащенного органическими остатками, под воздействием последующего наноса и тектонических перемещений в глубину, в нем возрастают температуры и давления. Эти процессы, которые впоследствии получили название катагенеза, и приводят в конце концов к преобразованию органики в нефть.

Взгляды Губкина на образование нефти лежат в основе современной гипотезы ее органического происхождения. В наше время многие ее положения расширены и дополнены. Так, скажем, долгое время считалось, что первоначальное накопление органических веществ обязательно должно было происходить в океане. Но, видимо, нефть могла формироваться и в континентальной обстановке, ведь в болотах, озерах, реках достаточно органического вещества.

Основной вопрос биогенной концепции нефтеобразования – это вопрос об источнике исходного органического вещества. Признание, что нефтеобразующие химические элементы проходили в своей истории биологическую стадию и были первоначально рассеяны в осадочных породах, объединяет разнообразные гипотезы и теории в рамках биогенной концепции.

Основной вывод, вытекающий из органической теории происхождения нефти и углеводородного газа, заключается в том, что их поиски следует производить в осадочных породах.

Сущность биогенной концепции происхождения нефти состоит в следующем. Все горючие углеродистые ископаемые (нефть, газ, асфальты, уголь, горючие сланцы) – признаются генетически родственными образованиями. Они возникли из отмерших остатков живых организмов, обитавших на Земле в прошлые геологические эпохи. Исходным веществом для образования нефти и газа были продукты распада биогенного материала (фоссилизированное органическое вещество), рассеянные в донных отложениях морей и других водоемов. В процессе литогенеза – преобразования донных отложений в осадочные горные породы – происходили биохимические и химические превращения находящегося в них органического вещества в высококонденсированные макромолекулы – кероген. Дальнейшее созревание керогена сопровождалось его деградацией и постепенным отделением углеводородных компонентов – «микронефти». Этот процесс был длительным и многостадийным, продолжался десятки и сотни миллионов лет. Микронефть эмигрировала из материнской горной породы в проницаемые пласты. Перемещаясь по таким пластам, углеводороды попадали в природные резервуары – пласты-коллекторы, ограниченные слабопроницаемыми породами, и образовывали в них скопления. Согласно современным воззрениям, состав и качество исходного органического вещества, а также состав материнской горной породы принципиального значения для нефтеобразования не имеют. Необходимы лишь условия для созревания керогена.

По мнению сторонников органического происхождения нефти, нефтяные и газовые залежи образуются либо за счет «всплывания» нефти и газа к сводообразным перегибам водонасыщенных пористых и проницаемых пород (песок, известняк и др.), либо за счет их переноса туда из нефтегазоматеринской породы (глина, мергель, известняк и др.) в виде газового, водного или мицеллярного раствора.

Сам процесс формирования нефтяных месторождений в рамках современного варианта биогенной гипотезы рассмотрен детально. Обычно выделяют пять основных стадий осадконакопления и преобразования органических остатков в нефть.

Первая стадия: в осадок, образующийся в море или в пресном водоеме, вносятся органические вещества с небольшим количеством углеводородов нефтяного ряда, синтезированных живыми организмами.

Вторая стадия: накопленный на дне осадок преобразуется, уплотняется, частично обезвоживается. При этом часть вещества разлагается с выделением диоксида углерода, сероводорода, аммиака и метана. Словом, получается картина, частенько наблюдаемая на болотах.

Третья стадия: биохимические процессы постепенно затихают. Сравнительно небольшая температура земных недр на данной глубине (порядка 50 °С) определяет и низкую скорость реакций. Концентрация битумов и нефтяных углеводородов возрастает слабо, в составе газовых компонентов преобладает диоксид углерода.

Четвертая стадия: осадок погружается на глубину 3–4 км, окружающие температуры возрастают до 150 °С. Происходит отгонка нефтяных углеводородов из рассеянного органического вещества в пласт. Попав в проницаемые породы-коллекторы, нефть начинает новую жизнь, образует промышленные залежи.

И наконец, пятая стадия: на глубине 4,5 км и более при температурах свыше 180 °С органическое вещество прекращает выделение нефти и продолжает генерировать лишь газ.

Биогенная концепция происхождения нефти объясняет основные особенности распространения и состава нефти:

– более 99 % месторождений нефти и газа сосредоточено в осадочных горных породах, т. е. в породах, образовавшихся из донных отложений древних водных бассейнов, в которых развивалась жизнь;

– осадочные породы (глины, песчаники, известняки и др.) характеризуются широким распространением дисперсных битуминозных веществ («диффузно рассеянной нефти»), близких по составу к обычной нефти. Общее количество рассеянной нефти в осадочной оболочке Земли намного превышает общее количество нефти в месторождениях;

– в нефтегазоносных регионах залежи нефти и газа стратифицированы, т. е. в каждом регионе приурочены в основном к пластам горных пород определенного возраста;

– химический состав нефти в месторождениях и состав рассеянной нефти в горных породах имеют много сходных черт с составом живого вещества: в них присутствуют биомолекулы или их фрагменты (изопреноиды, порфирины и др.), часть которых обусловливает оптическую активность нефти, присущую живому веществу, и т. д.

Биогенная концепция происхождения нефти не представляет собой единой законченной теории. В ее рамках по сей день остаются дискуссионными наиболее принципиальные вопросы: стадии литогенеза, с которыми связано, в основном, нефтеобразование; источники энергии для синтеза нефтяных углеводородов из керогена; механизм собирания рассеянных углеводородов в скопления; формы и энергия миграции нефти в горных породах; происхождение типов нефтей и другие. На все эти вопросы биогенная концепция пока не дает однозначных ответов: большинство решений имеют альтернативы.

В соответствии с еще одной гипотезой, нефть образуется также из органических остатков, затянутых вместе с океаническими осадками в зону, где происходил поддвиг океанической плиты под континентальную. Говоря другими словами, существуют тектонические процессы, которые позволяют органическим веществам оказываться на весьма больших глубинах. При этом механизм затягивания осадков в зону поддвига жестких плит аналогичен механизму попадания жидких смазочных масел в зазоры между трущимися жесткими деталями в различных технических устройствах и машинах.

Образовавшаяся нефть может подвергаться различным воздействиям. Например, под тяжестью литосферного выступа, наползающей с материка плиты углеводороды могут быть «выжаты» из осадочных пород и активно мигрировать в сторону от наддвига. Этим эффектом «горячего утюга» может быть объяснено формирование больших залежей нефти на сравнительно небольшой площади, как в районе Персидского залива.

В результате затягивания органических веществ в мантию, их последующей переработки и выброса образовавшихся углеводородов геотермальными водами в верхние слои земной коры их обнаруживают в вулканических газах во время извержений.

На протяжении десятков лет в науке о происхождении нефти сохраняется парадоксальная ситуация:

– биогенное и абиогенное происхождение нефти рассматриваются как взаимоисключающие концепции;

– та и другая концепции разными группами исследователей признаются несостоятельными;

– подавляющее большинство теоретических разработок в нефтяной геологии и геохимии базируются на признании правильности той или другой концепции, т. е. проблема в принципе разными группами исследователей считается решенной.

Итоги взаимоисключающих взглядов все больше дают о себе знать, прежде всего, на эффективности поисков новых нефтяных ресурсов.

Обе точки зрения достаточно продуктивны и опираются не только на логические заключения, но и на реальные факты, и в то же время противоречат друг другу.

Очень похоже, что в практических поисках нефти и газа надо использовать весь арсенал теорий и гипотез, которыми располагает современная наука, что и пытаются сделать сторонники полигенных концепций.

В целом история разработки вопросов происхождения нефти характеризуется также и постоянно возникавшими противоречиями между химическими и геологическими аргументами и законами.

Нефть – очень сложная природная субстанция. Она соответствует определенному высокому этапу или ветви геохимической эволюции углеродистых соединений Земли, которая привела к возникновению живого вещества. Нефти всего мира едины своей внутренней организацией, элементами и молекулярным составом. Они обладают рядом важных особенностей, свойственных живым объектам. Две основные особенности живых систем – открытость, обмен с окружающим миром веществом и энергией, а также постоянную изменяемость системы во времени – с полным основанием можно отнести и к нефти. Как живой организм, так и нефть представляют собой гетерогенные, неравновесные субстанции, проходящие путь необратимого развития, состоящие из множества различных больших и малых молекул.

Скопление нефти можно рассматривать как «эволюционирующую открытую каталитическую систему», которая приобрела на определенном этапе химической эволюции некоторые функции и свойства, общие с живым веществом. Можно указать, в частности, на следующие из таких функций и свойств:

– единство (целостность) материального субстрата развития;

– стремление к стационарному существованию при сохранении определенного комплекса условий и при постоянном обмене веществом и энергией с окружающей средой;

– свойство необратимо разрушаться (погибать) при сильном нарушении комплекса постоянных условий существования;

– способность реагировать на неопасные для существования системы изменения внешних условий и приспосабливаться к ним, запечатлевая эти воздействия в эволюционных изменениях природы материального субстрата развития;

– запечатление и хранение информации о предшествующем пути развития при существовании, развитии, воспроизведении систем в определенных материальных изменениях субстрата развития.

Как следует из теории химической эволюции открытых каталитических систем П.И. Руденко, особенности их вещественного состава, строения и структуры, возникающие при формировании новых свойств и функций, в биогенезе на любой базе должны повторяться или быть подобными. Такая конвергенция признаков должна усиливаться при достижении все более высоких этапов эволюции.

Таким образом, нефть как вещество, достигшее определенного этапа химической эволюции, на котором оно приобрело некоторые свойства и функции, напоминающие свойства и функции живого вещества, приобрела и некоторые термодинамически выгодные особенности химического состава, строения и структуры живого вещества. Эти черты сходны, но не идентичны, как не идентична и нефть живому веществу. Возможно, это – не единственная альтернатива, но она делает совсем неочевидным характер генетических и геохимических связей между нефтью и живым веществом, а также между всеми горючими углеродистыми ископаемыми. Во всяком случае, сущность этих связей пока до конца не раскрыта.

Еще одно противоречие: первичная нефть и первичная миграция.
В настоящее время все исследователи единодушны в том, что современный состав всех нефтей мира сформировался в процессе их эволюции уже в месторождениях. Значительные расхождения имеются в вопросах о характере первичного вещества, которое дало начало всему разнообразию типов нефтей.

Химики, которые изучали этот вопрос, отвлекаясь от геологической стороны проблемы, на основе законов химии и термодинамики приходили, как правило, к единому мнению, что источником нефтяных углеводородов в основном, являются полициклические углеводороды смешанной нафтено-ароматической системы или близкие к ним по строению гетерогенные соединения, т. е. вещества достаточно реакционно-способные, обладающие большим запасом свободной энергии.

Еще в начале прошлого века К.В. Харичков выдвинул «асфальтовую теорию» происхождения нефти, согласно которой нефть признавалась производным асфальта, содержащего в основном циклические соединения. Я.Г. Стадников также пришел к выводу, что асфальты и асфальтовые породы — промежуточная стадия между нативной и первичной нефтью.

Н.Д. Зелинский считал возможной первичной нефтью «нефтеподобную смолу», которая под давлением водорода и постепенно, насыщаясь им, дает нефть. А.Ф. Добрянский показал возможность образования нефтяных углеводородов через термокаталитические превращения сложных гетероциклических соединений, продукты полимеризации которых могут быть частью смолистых веществ нефти. Рассеянный в породах «зрелый» кероген, который многие сторонники биогенной концепции рассматривают в качестве исходного вещества нефти, представляет собой совокупность макромолекул, которые составлены из конденсированных и циклических ядер, соединенных гетероатомными связями или алифатическими цепочками.

Все эти обоснованные химические представления противоречат факту вторичного залегания нефти в месторождениях, так как отсутствует (это уже отмечалось) природный механизм первоначального сбора в залежи высокомолекулярных малоподвижных или неподвижных веществ. По одному из современных вариантов минеральной концепции, учитывающему ключевую роль данного вопроса в нефтеобразовании, мигрировала из глубинных зон и формировала крупные скопления во встреченных ловушках уже «готовая» нефть, обладающая физико-химическими свойствами, присущими природной нефти.

С геологических позиций, согласно биогенной концепции, первичные нефти – это способные к миграции легкие парафинистые нефти газоконденсатного типа, в дальнейшем претерпевающие в залежах окислительные и другие превращения, в том числе под воздействием микробиологических процессов. Но и эта гипотеза, которой, пожалуй, нет альтернативы в модели собирания рассеянных углеводородов, также находится в противоречии с основными химическими концепциями нефтеобразования. К тому же она не может объяснить всего разнообразия нефтей в природе, в частности, накопления большого количества «реликтовых структур», содержащихся в основном в средних и тяжелых фракциях нефти.

Таким образом, одно из главных противоречий в обеих гипотезах нефтеобразования между химией и геологией, т. е. между высокомолекулярным характером «первичной» нефти и необходимостью ее перемещения по толщам горных пород, остается пока не разрешенным.

Естественно предположить, что образование нефти из рассеянного органического вещества может идти по схеме работы проточного неравновесного реактора. Ниже приводится схема рассуждений М.В. Родкина. По аналогии с другими процессами, запрещёнными равновесной термодинамикой, он рассматривает объект, в который вещество и энергия поступают, а удаляются продукты реакции. При таком подходе многое видится совсем по-другому. Например, ясно, что простое существование пород, богатых рассеянным органическим веществом, долго находившимся при повышенных температурах, – условие необходимое, но недостаточное, поскольку в этом случае из  углеводородов образуется только метан. Чтобы пошел процесс нефтеобразования, в нефтематеринские толщи должны поступать потоки вещества и энергии, а из них должны быстро выноситься и где-то при более низких термодинамических параметрах накапливаться продукты – компоненты нефти. В земной коре интенсивный перенос вещества и энергии возможен только с помощью магмы или газожидкостных потоков вещества (флюидов). Магма не подходит – у нее очень высокая температура, при которой нефть тут же разложится. Остаются только потоки глубинного флюида, которые несут не только энергию, но и разнообразные глубинные компоненты, в частности углеводороды мантийного происхождения. Это уже типичный проточный реактор.

Такая модель хорошо согласуется с хорошо известными эмпирическими фактами: давно установлена связь между местами образования и накопления нефти и местами перемещения флюидов в земной коре.

С позиций неравновесного проточного реактора можно легко объяснить пробелы биологической модели образования нефти:

– разобщенность в пространстве зон образований и скоплений нефти;

– стадийность формирования нефти и расположение очагов образования и залежей у зон разломов;

– связь месторождений с эпохами и районами активизации глубинного флюидного режима;

– относительно слабая зависимость между составом и объемами нефтей в месторождениях и характеристиками вмещающих осадочных пород;

– существование каналов подпитки залежей нефти и присутствие примесей мантийного вещества там, где идёт интенсивное нефтеобразование.

 Какие же из геотектонических структур больше всего похожи на проточный неравновесный реактор? Например, глубокие осадочные бассейны, где есть вертикальные потоки отжимаемых из осадков флюидов. Другой пример – зоны, где одни блоки земной коры глубоко надвигаются на соседние, оставляя под собой огромные массы осадочных пород. Самые крупные зоны таких сдвигов – зоны субдукции, в которых океанические плиты вместе с осадками оказываются затянутыми в мантию. Потоки флюидов несут энергию и разнообразные глубинные компоненты – проточный реактор обеспечен бесперебойной работой. Если бы этих потоков не было, то образующиеся неравновесные углеводороды там же и распадались бы с образованием метана, углекислого газа и графита. Надо сказать, в последние годы геолого-геофизические исследования подтвердили, что зоны интенсивного образования нефти и газа совпадают с зонами глубинных надвигов и субдукции (современной или древней).

Возникает интересная картина: образование нефти рассматривается как биогенный процесс в проточном неравновесном реакторе, но характерными чертами такого процесса становятся особенности, трактуемые обычно в рамках абиогенной модели нефтегенеза. Например, скопления нефти у зон разломов, наличие путей подпитки нефти, связь месторождений с зонами активизации глубинного (в частности, мантийного) флюидного режима – все это необходимые условия эффективного преобразования рассеянного органического вещества в нефтяные углеводороды. В рамках такой схемы большая часть чисто биогенных или абиогенных объяснений теряют свою категоричность. Намечается сближение двух концепций, возможность их одновременной или  взаимодополняющей разработки. Естественно предположить, что происходит (в разных условиях и  в разных масштабах) и биогенное, и абиогенное нефтеобразование. Работает общий принцип: в природе реализуется все, что не запрещено основными физическими законами.

В вышеизложенной концепции внимание не концентрируется на природе флюидов. В то же время многими учеными делаются успешные попытки объяснить состав нефти и газа в залежах реакциями с участием в основном водорода. Считается, что процессы гидрогенизации и деструкции могут проходить не только в статике, но и при движении продуктов реакций по проницаемым зонам.

Подобные представления излагаются, в частности, В.Н. Кривицким. Он считает, что генерации углеводородов из органического вещества при низких температурах маловероятны. Действительно, органическое вещество содержит все те структуры и химические элементы, из которых слагается нефть, но не следует забывать, что это – лишь кажущееся единство. Превращение же органического вещества в нефть нуждается в постоянном источнике энергии, так как процесс образования углеводородов эндотерми-ческий. Термодинамически закономерно, что при температуре 450–500 °С идут одни процессы, при 100 °С – уже другие, и для экстраполяции скорости распада органического вещества в таких условиях нет никаких теоретических оснований.

Но самый главный вопрос, который стоит сейчас перед геологией, – это вопрос о едином источнике энергии и вещества. Ибо «холодная модель» образования Земли, на которой построена вся современная геология, такого источника не имеет.

Накопленный ныне обширный материал по геохимической эволюции Земли дает основания принять выдвинутую ранее гипотезу академика В.А. Амбарцумяна, суть которой в следующем: планеты Солнечной системы начали свое существование как объекты звездной природы, в недрах которых сохранились остатки сверхплотного «дозвездного» вещества. На современном этапе Земля представлена продуктами его распада, составляющими центральную часть ядра планеты. Процессы распада и дезинтеграции «дозвездного» вещества протекают вследствие ядерно-молекулярной диссоциации ядра планеты с образованием различных химических элементов и их соединений.

В результате всего этого в литосферу Земли выбрасывается огромное количество газовых флюидов, в составе которых преобладают Н, Н₂, Не, СН₄, СО₂. В последнее время было доказано, что самые плотные потоки глубинных газов из земной коры поступают из молодых сооружений, рифовых зон океанов и континентов, из зон перехода материков к океанам, т.е. из тех мест, где горные породы испытывают наибольшие растягивающие деформации.

Преобладающими газами во флюидных потоках являются протий и молекулярный водород. Интегральная величина разгрузки последнего из различных структурных зон Земли составляет 6,08410¹² г в год. Такой интенсивный поток не может проистекать, не реагируя с углеводородом, находящимся в осадочной оболочке Земли, а также кислородом и другими элементами. Поэтому именно глубинные потоки водорода и углерода создают постоянно обновляющуюся гидро- и углеводородную сферу в земной коре.

Опираясь на приведенные факты, можно развить известную теорию осадочно-миграционного образования нефти посредством предлагаемой гипотезы.

Нефть и углеводороды в земной коре образуются из органических веществ (ОВ) – керогена и битумоидов, – которые являются зародышами процесса нефтеобразования под воздействием потоков протия и водорода. Катализаторами процесса выступают вмещающие породы (в основном глины и некоторые металлы типа Ni, Pt). Другими словами, нефть и углеводороды возникают в осадочной оболочке Земли в процессе геогидрокрекинга, а основная реакция образующего их процесса - протонирование; для геологических масштабов – это геопротонирование органического вещества и нефтематеринских пород. Процесс образования нефтей в результате гидрокрекинга и геопротонирования протекает по определенной схеме.

В.Н. Кривицкий отмечает главные геолого-химические и химические особенности и роль каждого вещества в процессе нефтеобразования.

1. Зародыши: ОВ (органическое вещество), кероген. Основная функция, которую выполняет органическое вещество, – это функция зародышей нефтеобразования в неравновесных термодинамических процессах. ОВ – зародышевые структуры, созданные живым веществом в биосфере под воздействием солнечной энергии, являющейся поставщиком углерода и первичных реликтовых структур. На их основе и под воздействием эндогенных потоков вещества и энергии идет образование углеводородов, а также преобразование на природных катализаторах органического вещества. Накопленный фактический материал подтверждает, что состав нефти в определенной степени контролируется составом органического вещества материнских пород. Подтверждающим примером роли органического вещества как зародыша нефтеобразования является, по-видимому, его способность передавать нефтям в процессе геогидрокрекинга и геопротонирования свои оптические свойства. Другим фактом в пользу того, что органическое вещество является зародышем нефтеобразования, является установленная во всех регионах мира тесная связь залежей нефти с комплексами отложений с повышенным содержанием органического углерода; при отсутствии же таковой нет и нефтеобразования.

Доказательством особой роли органического вещества служит теория микронефти; она показывает, что существование в земной коре капельножидкой и сходной с ней, но резко преобладающей дисперсной микронефти, может служить подтверждением наличия единого, постоянно протекающего, нефтепроизводящего процесса геопротонирования органического вещества, в какой бы форме рассеивания оно ни находилось, так как протий и водород обладают уникальной способностью распространяться в любой среде.

2. Катализаторы: глины, металлы. Если принять гипотезу геогидрокрекинга и геопротонирования органического вещества и керогена, то становится понятной и роль глины в процессе нефтеобразования. Уже давно отмечена прямая корреляция между качеством нефти некоторых месторождений и свойствами нефтематеринских глин: чем более активна глина, тем благороднее нефть, тем больше в ней парафинов. Экспериментально подтверждено, что природная глина может катализировать нефтеобразование, т.е. отмечается прямая зависимость запасов нефти в отложениях разного возраста от содержания в них разбухающих глин. С другой стороны, свойства нефтей коррелируются со степенью измененности глин, в частности, их уплотненности (аргелитов).

Приведенные факты можно интерпретировать как влияние глин-катализаторов через свои активные поверхностные центры на процесс геогидрокрекинга. Часть этих центров является кислотными за счет протонирования или расщепления Н₂О, при диссоциативной адсорбции на ионе из А1₂О₃. Избыточное количество протонов может, в свою очередь, создать протонодонорный центр, повышающий кислотность катализатора, а значит, и сам ход гидрокрекинга. Экспериментально доказано, что кислотная функция глин, осуществляемая протием, катализирует изомеризацию и гидрокрекинг по карбений-ионному механизму. Отмечено также, что к увеличению кислотности катализатора и его активности по отношению к скелетной изомеризации и гидрокрекингу приводит увеличение в глинах содержания CI и F.

Процессы геопротонирования в нефтеобразовании и роль катализатора в нем могут служить косвенным объяснением существования тяжелых сернистых нефтей в карбонатах. Причина явления скрыта в следующем: если нефтематеринскими породами являются глины со своими кислотно активными центрами, то процесс гидрообессеривания развивается очень интенсивно и приводит к удалению серы из органического вещества, превращая ее в H₂S и углеводородные продукты. В карбонатах же роль активного центра в большей степени играют переходные металлы, и геогидрокрекинг идет, вероятно, через центры гидрогенизации, а это, в свою очередь, не способствует процессу гидрообессеривания.

3. Энергомассоносители: протий и водород. За последние годы в понимании процесса происхождения нефти и газа все большая роль отводится эндогенным факторам. Считается, что флюиды, поднимающиеся из глубин Земли, осуществляют энергомассоперенос и являются источником обеспечения нефтеобразования в главной фазе.

Обладая исключительной способностью к диффузии и самой высокой теплоемкостью в расчете на единицу массы, протий и водород с успехом выполняют роль основного энергомассоносителя. Сами потоки – избирательны и протекают по прогретым зонам земной коры. В случае если протий и водород попадают на дневную поверхность планеты, они диссипируют в космическое пространство.

Если же древние разломы и рифтовые системы перекрыты осадочным чехлом, то протий и водород совместно с СН₄ наполняют пласты газами, иногда до аномально высоких давлений, и возбуждают длительный процесс геопротонирования.

Еще один важный процесс, который контролируется геопротонированием, – первичная миграция нефти. Протонирование органического вещества создает условия для возникновения дискретной и непрерывной газонефтяной фазы, не требующей течения воды как движущей силы миграции. На протяжении геологического времени постоянно действующая «протий-водородная продувка» нефтематеринских пластов приводит к миграции сначала микронефти, а затем ее капелек до пород коллекторов. При этом сам процесс геопротонирования приводит в движение битумоиды и углеводороды через разжижение и образование более легких углеводородов. Указанный процесс объясняет тот факт, что в подавляющем большинстве многопластовых месторождений мира господствует определенная закономерность изменения нефтей от залежи к залежи – вниз по разрезу уменьшается плотность содержащихся нафтеновых углеводородов, асфальтосмолистых компонентов и усиливаются значимость метановых углеводородов и содержание парафинов.

4. Продукты: нефть, газ, конденсат. Предполагаемая гипотеза дает ответы на ряд вопросов, связанных с изменением качества нефтей от фациальных условий и времени их образования. Более образно это можно проследить, условно разделив процесс нефтеобразования на четыре мегацикла: раннепалеозойский, средне-, позднепалеозойский, мезозойский и кайнозойский. По усредненным данным, плотность нефтей последних трех соответственно составляет: 0,842, 0,875 и 0,886 г/см^З; выход бензиновой фракции соответственно 19, 21 и 26 %; содержание твердого парафина – соответственно 1,9, 3,1 и 4,1 %. Приведенные данные свидетельствуют, что чем древнее нефти, тем больше они подвергались процессу геопротонирования и тем легче стала их удельная плотность, выше подвижность.

В каждом мегацикле к тому же наблюдается ступенчатый характер изменения изотопного состава серы. Если в начале каждого из них нефти обогащены тяжелой серой, то в конце – относительно обеднены. Причина этого, вероятно, заключается в итоговом результате реакции гидрообессеривания нефтей в процессе геопротонирования.

Выдвинутая гипотеза образования нефти как результата геопротонирования органического вещества не только расширяет теоретические критерии поиска новых месторождений, но и открывает практические перспективы их обнаружения в стратиграфических комплексах докембрийского и других фундаментов. Сорбированный же водород в будущем может стать новым поисковым элементом на нефть и газ. Особенно в активных регионах альпийской складчатости, в зонах коллизии земной коры, рифтовых систем, на окраинах литосферных плит.

Академик А.Н. Дмитриевский основное внимание сосредоточил не на выяснении того, что первично – нефть, генерированная в недрах нашей планеты, а потом биологическая жизнь, или, напротив, бактериальная сфера первых миллиардов лет существования Земли, впоследствии породившая залежи нефти и газа. Учитывая противоречия, присущие как биогенной, так и абиогенной теориям происхождения нефти и моделированию процессов и механизма формирования месторождений нефти и газа, свои исследования Дмитриевский направил на выяснение механизмов нефтегазообразования, плодотворно сотрудничая с представителями обеих школ. Изложим кратко его точку зрения полигенности происхождения нефти и газа.

А.Н. Дмитриевский считает, что для объяснения генезиса нефтяных месторождений важно привлечь геодинамику, науку, вышедшую из недр геотектоники, когда стало ясно, что глобальные процессы, эволюция вещества Земли как планеты приводят к широкомасштабному вторжению глубинного вещества и энергии и их воздействию на развитие внешних оболочек Земли. Современная геодинамика как научное направление формировалась параллельно с созданием новой глобальной концепции тектоники литосферных плит и нередко отождествлялась с ней. Новая глобальная тектоника для многих разделов наук о Земле (петрология, рудная геология, литология и др.) играет роль одной из наиболее общих систем, в рамках которых пересматривается багаж накопленных в них данных, а также теоретических построений.

Кроме этого, и проявление геодинамических факторов в нефтяной геологии отличается значительной специфичностью. В плане частной, близповерхностной геодинамики для процессов генерации углеводородов и нефтегазонакопления важнейшее значение должно приобрести вторжение глубинных флюидов, такое же по значению, как вторжение магмы и ее дериватов для генезиса рудных приповерхностных месторождений. Однако понимание механизма генезиса глубинных флюидов, как и генезиса магм, замыкается уже на глубинную (общую) геодинамику, предметом которой является рассмотрение основных сил, процессов и механизмов, действующих внутри Земли. При этом современное понимание глубинных сил и процессов, обусловливающих движение масс вещества и энергии внутри Земли и в ее верхних твердых оболочках, увязано с рассмотрением эволюции Земли как планеты. Геодинамический подход позволяет рассматривать процессы нефтегазообразования в рамках более широкой системы, используя при этом выработанную методологию системного анализа.

Привлечение тектоносейсмических процессов и механохимических реакций для объяснения механизмов нефте- и углеобразования выглядит предпочтительнее, логичнее и лучше согласующимся с тектоническим (геодинамическим) контролем нефтяных, газовых и угольных месторождении. Но и на этом «геодинамическом» пути остаются трудности, поскольку затраты энергии на механохимические реакции при генерации углеводородов на несколько порядков превышают ее возможное выделение в приповерхностных горизонтах за счет тектоносейсмических процессов.

При любых взглядах на процессы генерации и аккумуляции углеводородов есть общее coгласие в одном – залежи нефти, конденсата и битумов (может быть, за единичными исключениями) вторичны. Вторичность, залежей сопровождается и проявляется в аномальности флюидов и многих литологических и геохимических особенностей, вмещающих залежи пород по отношению к ее окружению – фону. Эта аномальность связана каждый раз с вторжением углеводородов из нижезалегающих горизонтов. С ростом глубины нахождения скоплений углеводородов аномальность по отношению к фону не уменьшается, a возрастает. Это проявляется и в превышении температур и давлений в залежи над фоном, резком росте газонасыщенности пластовых вод и переходе к доминированию углеводородной компоненты при приближении к контуру залежи. В резервуаре и обрамлении залежей появляются некоторые типичные гидротермальные минералы, образование которых требовало температур, значительно превышающих фоновые во вмещающих залежь породах.

В целом аномальный облик минерализации в резервуаре и его окружении связан с вторжением высоконагретых углеводородных смесей (чаще всего в виде газоконденсата), их последующим расслоением и взаимодействием с вмещающими породами. Для резервуаров более характерной оказывается не поровая, а трещинно-поровая и трещинно-кавернозная емкость.

Для флюидных нестабильностей, связанных с проявлениями современной геодинамической активности характерно проявление периодичности, многослойной ритмики. Ритмика процессов дегазации взаимосвязана с ритмикой современных геодинамических процессов в глобальном, планетарном масштабе, и ее проявления ощущаются в разрезе земной коры вплоть до самых приповерхностных горизонтов.

На базе геофлюидодинамики формулируются промежуточные выводы:

– даже у поверхности Земли иногда в достаточно локализованной и интенсивной форме фиксируются разгрузки углеводородных флюидов глубинного облика;

– по мере роста глубин нахождения в скоплениях углеводородов все с большей отчетливостью обнаруживаются свидетельства их формирования из вторгшихся вторичных углеводородных флюидов, а в окружении залежей обнаруживается все большее количество минеральных новообразований, связанных с осуществлением «горячих реакций в холодной среде», термодинамически невозможных за счет фона вметающих пород;

– в сущности, на глубинах более 3–5 км многие скопления углеводородов представляют собой вторичные флюидизированные очаги, возникновение которых обусловлено активностью самих вторичных флюидов, энергетика которых связана с глубинными геодинамическими процессами;

– нестабильности процессов разгрузки (дегазации) и состава их продуктов отражают не просто смешение флюидов разного состава и paзных горизонтов: они отражают быстрые, скачкообразные изменения условий возникновения и устойчивости различных компонентов углеводородных флюидов на больших глубинах;

– с увеличением глубин перемещению флюидов становился все более присущ квазигармонический, импульсный характер, что является отражением нелинейного характера процессов, обусловливающих перенос флюидов. Эти нелинейные процессы переноса флюидов тесно переплетаются с современными активными геодинамическими процессами, причем для тех и других характерна единая ритмика, связанная с воздействием так называемых космических факторов;

– энергетика и механизмы формирования скоплений углеводородов базируются на нелинейных процессах углеводородной дегазации, ритмика которых также обусловлена космическими (точнее природными) факторами.

Прослеживаются очевидные аналогии в процессах формирования и закономерностях размещения скоплений и разгрузок углеводородов с другими естественными разгрузками, такими как фумаролы, гидротермы, термальные и минеральные источники, трубки взрыва и другие вулканоиды. И для этих случаев основные особенности пространственного размещения, флюидодинамического и геохимического режимов перечисленных глубинных paзгрузок свидетельствуют в пользу нелинейного характера процессов, протекающих в их очагах.

Дальнейшие разработки актуальных вопросов о возможных механизмах и глубинах генерации (становления, рождения, трансформации) восстановленных флюидов – водорода и особенно углеводородов, –оказываются увязанными с изучением нелинейных процессов разгрузки глубинной энергии.

Использование системного подхода к изучению энергетики Земли в целом показало, что для геодинамических процессов Земли характерны «квантовые энергетические слои», «квантовые переходы», «туннельные эффекты», резонансные образования типа стоячих волн, механизмы миграции флюидов в верхних оболочках Земли связаны с нелинейными процессами ее глубинных зон. При такой интерпретации подводится также база под энергетику и механизмы процессов формирования вторичных флюидизированных очагов – скоплений углеводородов (включая большие глубины).

Современный взгляд на проблему происхождения нефти и газа с позиций системного подхода позволяет сделать следующие выводы: геологическая среда в элементе каждого масштаба является целостной системой, эволюция которой определена законами системного движения материи.

Физико-химические процессы, которые обычно рассматриваются как основа катагенеза, с этой точки зрения играют подчиненную роль: являются фоном, на котором развивается самоорганизация природной системы на сверхтонкой квантовой структуре вещества.

Зоны наиболее активного системообразования в геологической среде связаны с интенсивной флюидодинамикой, так как именно в них происходит деструктуризация локальной геологической системы с выделением флюидов, а также переструктуризация геологической системы с утилизацией поступающего флюида. Таким образом, зоны аномально активного системообразования в геологической среде проявляют себя, в частности, и в виде флюидизированных очагов, разновидностью которых являются месторождения углеводородов.

Особую роль А.Н. Дмитриевский отводит автоволновым процессам в образовании месторождений нефти и газа, ведь динамические процессы, происходящие в геосферных оболочках, реализуются в виде постоянного потока энергии и вещества из недр Земли. Энергетический поток в целом является функцией глубинного режима Земли и отличается большим разнообразием с точки зрения пространственной реализации, интервалов по времени и интенсивности энергетического воздействия. Формирование энергетического потока в значительной мере обусловлено взаимодействием автоволновых полей сферических оболочек Земли. Таким образом, эти процессы обеспечивают концентрацию и адресную направленность энергетического воздействия.

Энергетическое воздействие, обусловленное автоволновым взаимодействием, приводит к нарушению равновесия в открытых геологических системах. Энергетический поток обеспечивает переход открытой равновесной системы от чисто энтропийного процесса к поглощению энергии, ее преобразованию, производству энтропии на новом уровне и диссипации энергии. Подобные процессы приводят к формированию диссипативных структур. Постоянный поток энергии переводит систему в стационарное состояние; устойчивость стационарного состояния определяется режимом и параметрами энергетического воздействия и условиями диссипации энергии; при изменении параметров энергетического потока система переходит в новое стационарное состояние.

При проведении геофизических работ часто отмечаются аномалии, характеризующиеся инверсиями сейсмических скоростей, изменениями электропроводности пород и другими эффектами. Подобные аномалии найдены как на платформах, так и в горно-складчатых областях. В.Н. Николаевский предложил называть эти аномальные зоны коровыми волноводами.

Коровые волноводы находятся в верхней части земной коры на глубинах 10–25 км. Волноводы являются реологически ослабленными зонами и характеризуются повышенной трещиноватостью и флюидонасыщен-ностью. Результаты экспериментальных исследований показывают, что одни и те же горные породы ведут себя по-разному в зависимости от давления, температуры, флюидонасыщенности. При воздействии энергии коровые волноводы переходят в когерентное состояние и реагируют на малейшие изменения энергетического уровня, это проявляется или раскрытием трещин и заполнением волновода флюидными массами, или выжиманием флюидов в большей или меньшей степени из корового волновода с перемещением их в верхние горизонты, в толщу осадочных пород.

Подобный механизм, считают А.Н. Дмитриевский и Б.М. Валяев, определил формирование гигантских скоплений углеводородов в пределах Астраханского карбонатного массива. Углеводородные скопления в подобных случаях могут иметь глубинный генезис. В то же время неоднократные «промывания» осадочной толщи Прикаспийского бассейна способствуют аккумуляции в залежах микронефти и отдельных нефтяных скоплений органического происхождения.