Химия и физика нефти

Хотя многие ученые называют различные представления о происхождении нефти теориями, понятно, что все они не выходят за рамки гипотез и ни одна из них не является обще­принятой.

Очевидно, что важнейшим этапом при формировании всякого системного знания, в том числе и о происхождении нефти, является следование такой схеме классификации, которая охватывает максимальный объем исследуемого объекта. Однако такой всеобъемлющей классификации гипотез о происхождении нефти до сих пор не создано, хотя не вызывает сомнений, что с увеличением объема информации роль систематизации возрастает не только количественно. Ясно, что наилучшей является та классификация, которая не только содержит в себе максимальную информацию, но и позволяет с максимальной скоростью ее извлекать.

Очевидно, что к систематике концепций о происхождения нефти вполне применим тринитарный подход. При этом на первом этапе логично поставить вопрос об особенностях процесса образования углеводородов: на Земле, в Космосе или на Земле под влиянием космических воздействий. В дальнейшем трихотомию можно осуществлять в соответствии с особенностями исходного вещества и процессов, приводящих к образованию нефти. В каждом элементе триады на каждом уровне можно найти новые триады и, таким образом, в достаточно емком виде представить структуру всего объема имеющихся знаний.

Автор пособия не ставил своей задачей анализ всех существующих воззрений о происхождения нефти. Да это было бы и просто невозможно: одних только неорганических гипотез выдвинуто около 50. Но все-таки попытался на современном уровне знаний ответить на вопрос: как же могла возникнуть нефть?
2.1 Космохимические гипотезы

Уже давно известно, что космическое пространство является вместилищем громадных количеств углеводородов и других важных веществ. Многие ученые считают именно бездны мироздания местом, где развивается начальная стадия естественной космо-геохимической истории углеводородов.

Это подтверждается данными астрофизических и других исследований по составу звезд, межзвездных молекулярных и ионных облаков, межпланетных пылевых частиц, комет, метеоритов, планет и их атмосфер. Так, в газопылевой среде межзвездного пространства обнаруживаются молекулы (радикалы) СН и CN, в спектрах относительно холодных звезд – СН, CN и С₂, а в спектрах комет – С₂, С₃, СН, CN, ОН, NH, NH₂, CO, N₂. Содержание СН₄ в атмосфере Сатурна определялось бы при земном атмосферном давлении и температуре слоем толщиной 350 м, Юпитера – 800, Урана – 2200 и Нептуна – 40 000 м. В составе атмосферы Венеры установлены СО₂, СО, СН₄, С₂Н₆, С₂Н₄, Марса - СО₂, СО, COS, CH₄, Н₂СО₃, СН₃СНО и др.; в атмосфере Титана, спутника Сатурна, – СН₄, С₂Н₂, С₂Н₆, С₂Н₄, С₃Н₈, C₂HCN и др.

Как выяснили астрофизики, планета Плутон состоит из замороженного метана, силикатного материала и льда. Энцеланд и Рея (спутники Сатурна) покрыты ледовым панцирем из метана и характеризуются холодным метановым вулканизмом. И т. д. и т. п.

По данным различных исследований, универсальное космохими-ческое значение имеет реакция Фишера – Тропша, которая является ответственной за генезис углеводородов, нефти, карбидов (науглероживание металлических катализаторов в межзвездных пылевых зернах) и других углеродистых летучих веществ в межзвездных облаках, межпланетной пыли, метеоритах, начальной Солнечной туманности и на Земле, согласно хондритовой модели ее образования.

Исследования лунного грунта также показали наличие в нем органических соединений, правда, в очень малых дозах. Так, углерода содержится около 200 частей на 1 млрд частей, присутствуют «следы амино­кислот».

Несмотря на довольно слабую обоснованность космических гипотез и их слишком большую научную «смелость», отрицать существование в космосе соедине­ний углерода с водородом и других веществ уже просто неправильно.

Главным в гипотезах о космическом происхождения нефти являются представления о механизмах образования залежей нефти на Земле. Можно выделить: аккрекцию (поглощение) первичной космической материи и выпадение космических органических осадков на поверхность Земли с последующим их захоронением.

Нелишне при этом вспомнить, что еще в 1889 году геолог В. Д. Соколов высказал предположение, что углеводо­роды уже присутствовали в газопылевом облаке, из которого сформировалась Земля, и основываясь на фактах находок битумов в метеоритах и углеводоро­дов в хвостах некоторых комет, он предложил свою «космиче­скую» гипотезу возникновения залежей нефтяных углеводородов в коре нашей планеты (1892 г.). Космические скитальцы – метан, высокомолекулярные углеводороды, графит, другие соединения углерода – вошли в состав первичного вещества Земли именно на этом этапе. Современная модель образования мантии Земли путем аккрекции вещества, на 40 % состоявшего из углеродистых хондритов, вполне согласуется с выводами Соколова.

Не исключено, что в первые 500 млн лет после образования коры, когда Солнечная система прошла через темные облака, Земля получила из космоса за счет аккрекции сотни – десятки тысяч миллионов тонн органического материала.

В 80–90-х г. г. прошлого века появился ряд публикаций А.С. Эйгенсона, посвященных разработке теории происхождения нефти на основе соответствующих статистических моделей распределения состава. В этих работах описана общая для всех природных и техногенных углеводородных систем универсальная закономерность – нормального (Гауссова) распределения компонентов и фракций по стандартным температурам кипения. Обнаруженное явление использовано Эйгенсоном для развития гипотезы Соколова о формировании нефтяных систем на стадии эволюции планеты из метаносодержащих космических газов.

Исследования, проведенные за последние годы, показали глубокую статистическую и термодинамическую основу этого распределения. Было установлено, что нефти и углеводородные системы – представители общего класса веществ - систем с хаосом химического состава или стохастические многокомпонентные системы (СМС).

Все СМС делятся на две большие группы биогенного и абиогенного происхождения. К биогенным СМС относятся вещества биогеохимических систем, например, гуминовые компоненты почв, твердые топлива. Абиогенные СМС образуются в нефтехимических процессах синтеза Фишера-Тропша, каталитическом риформинге, алкилировании, крекинге, пиролизе и т.д. По данным радиоастрономии типичные абиогенные СМС – межзвездные молекулярные облака – гигантские молекулярные облака (ГМО), занимающие значительные области космоса, содержат в своем составе неорганические и органические МСС, состоящие из углеводородов ряда метана, гетероатомных азотсодержащих и оксосоединений: циан, цианоацетилен, амины, аминокислоты.

Кроме того, установлено, что все СМС имеют свою специфическую физикохимию. Особенностью их, в том числе ГМО, является возможность существования в элементарном объеме вещества большого числа компонентов различной природы – от простых молекул до сложных веществ.

Следствием нормального распределения компонентно-фракционного состава по свободным энергиям образования является аналогичное распределение по стандартным температурам кипения, теплотам фазовых переходов (ФП), молекулярным массам, временам релаксации и т.д. Это распределение означает самовоспроизводимость, метастабильность и сопряженность компонентов СМС в единую статистическую энергетическую систему. Для СМС (в частности, ГМО) характерны размытость и пространственно-временное пересечение фазовых переходов (ФП), когда один из переходов не закончился, а другой уже начался, а распределение корреляционных радиусов (R) и параметров порядка ФП следует экспоненциальным законам. Следствием таких особенностей фазовых переходов является неоднородность агрегатного состояния вещества ГМО и неоднородность процессов звездообразования и аккрекции вещества в космическом пространстве. 

Кроме известных компонентов ГМО проведены расчеты модельных фрагментов соединений, аналогичных по составу и структуре асфальто-смолистым составляющим нефти – нефтяным смолам и нефтяным асфальтенам с числом алкилзамещенных бензольных и парафинонафтеновых колец от 4 до 13, конденсатам асфальтенов с числом алкилзамещенных бензольных и парафинонафтеновых колец от 13 до 52 ( в соответствии с теорией асфальтосмолистых веществ).

Полученные оценки показывают неисчерпаемость ресурсов органического вещества в видимой части Вселенной. Так, средние массы органических веществ не превышают 10¹⁵ масс Солнца, что, впрочем, мало по сравнению с массой космоса и составляют около 10^-10 наблюдаемой массы Вселенной (без учета скрытой массы).

Таблица 15 - Ресурсы нефтеобразующих органических веществ в видимой части Вселенной, без учета потерь в процессах звездообразования