Биогенная нефть: академики РАН Анатолий Дмитриевский и Алексей Конторович беседуют с Гордоном ↓№ 215↑ 13.02.2003 50:13
Ссылка:
http://gordon0030.narod.ru/archive/10480/index.htmlЕсли внимательно рассмотреть все точки зрения на родословную нефти, то окажется, что их можно разбить на две основные группы. В первой — гипотезы органического происхождения нефти, согласно которой нефть образовалась из остатков животных и растений, во второй — минерального (абиогенного), отстаивающей точку зрения синтеза нефти в природе из неорганических соединений. Почему нефть по-прежнему остаётся загадкой для науки? Почему ни одна гипотеза нас не устраивает? О биогенном происхождении нефти — академики РАН Анатолий Дмитриевский и Алексей Конторович.
Участники:
Дмитриевский Анатолий Николаевич — академик РАН, доктор геолого-минералогических наук, директор Института проблем нефти и газа. Сфера научных интересов: геология и литология, геология нефти, проблемы извлечения нефти, моделирование процессов и механизма формирования месторождений нефти и газа: новые подходы. Стоит на позиции преодоления кажущихся противоречий двух точек зрения.
Конторович Алексей Эмильевич — академик РАН, доктор геолого-минералогических наук, директор Института геологии нефти и газа СО РАН. Сфера научных интересов: геология и геохимия нефти и газа, геология горных полезных ископаемых. Представляет биогенную гипотезу образования нефти.
Обзор темы
Совершенствование знаний о геологическом строении Земли, о ее эволюции естественным образом отражается на развитии идей, связанных с теорией происхождения тех или иных полезных ископаемых. Это относится и к нефти. На протяжении десятилетий в науке сохраняется парадоксальная ситуация: наличие и противостояние двух концепций происхождения нефти — биогенного и абиогенного. Следует отметить, что теория осадочного происхождения достаточно аргументировано отражает весь практический и эмпирический материал по данной проблеме и считается основной, на которую опирается практическая нефтегазовая геология и по которой сделаны важнейшие обобщения. Например, близость состава и строения нефтей всего мира, их единая внутренняя организация и элементный состав. Очевидно, что живое вещество и нефть объединяют две особенности: первая — неразрывная связь между эволюцией и распространением живого вещества в геологической истории Земли и процессом нефтеобразования; вторая — поддержание интенсивного обмена вещества и энергии с окружающей средой. Но по уровню термодинамического потенциала нефть занимает особое положение в природе, и в земной коре более не существует подобного исходного вещества. Это — главный аргумент абиогенной гипотезы. Кроме того, генерации углеводородов из органического вещества при низких температурах маловероятны.
Какие доводы приводят в защиту своих точек зрения сторонники одной и другой гипотез?
По-началу, в XIX и начале ХХ веков, споры, в основном, сводились к вопросу, что послужило исходным материалом, сырьем для образования нефти: остатки растений или животных. В пользу биологического происхождения нефти говорили результаты первых опытов некоторых известных химиков. Немецкие ученые Г. Гефер и К. Энглер в 1888 году поставили опыты по перегонке рыбьего жира при температуре 400 °С и давлении порядка 1 МПа. Им удалось получить и предельные углеводороды, и парафин, и смазочные масла, в состав которых входили алкены, нафтены и арены.
В 1919 году, академик Н. Д. Зелинский провел похожий опыт, но исходным материалом послужил органический ил растительного происхождения — сапропель из озера Балхаш. При его переработке удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан. Экспериментальным путем была, казалось бы, доказана теория органического происхождения нефти.
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, рассеянные в донных отложениях морей и других водоемов. Древняя биосфера почти нацело состояла из бактерий — высокопродуктивных организмов, ставших начальным звеном всего живого на Земле, бактериальная сфера и сейчас продолжает играть особенную роль геологических процессах (Б. А. Соколов). 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 постепенным отделением от него 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 слабо проницаемыми породами, — и образовывали в них скопления. Согласно современным воззрениям, состав и количество исходного органического вещества, а также состав материнской горной породы принципиального значения для нефтеобразования не имеют. Необходимы лишь условия для созревания керогена. Главная черта процесса нефтеобразования — его повсюдность, универсальность в осадочных бассейнах. То есть нефть — детище литогенеза.
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».
Академик И. М. Губкин в своей книге «Учение о нефти» в 1932 году обстоятельно и полно подвел итог тогдашней истории нефтяного и газового дела. В качестве исходного вещества для образования нефти Губкин рассматривал сапропель — битуминозный ил растительно-животного происхождения. 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.
Биогенная концепция происхождения нефти так объясняет основные особенности распространения и состава нефти:
более 99% месторождений нефти и газа сосредоточено в осадочных горных породах, то есть 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, то есть 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.
Биогенная концепция происхождения нефти все еще не представляет собой единую законченную теорию, как, впрочем, и абиогенная. В ее рамках до сих пор остаются дискуссионными 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.
Значительная часть сторонников биогенной концепции разделяет осадочно-миграционную теорию. Согласно этой теории, главный фактор нефтеобразования — тепловая деструкция созревшего керогена при достижении породами в процессе погружения зоны температур 110 ± 45 °С на глубинах от 1,5 до 7,5 км.
Другие исследователи считают эти положения неприемлемыми, отводя главное место в нефтеобразовании биохимическим процессам, происходящим на самых ранних стадиях литогенеза в определенных благоприятных условиях морских донных осадков.
Третья группа исследователей исходит из того, что превращение многих биогенных соединений, характеризующихся низкими величинами свободной энергии (жирные кислоты, аминокислоты, спирты, сахара и т. д.), в углеводороды — соединения с относительно высоким уровнем свободной энергии, часто оказывается термодинамически запрещенным в условиях осадочной толщи. Источником энергии для нефтеобразования они считают не столько теплоту, сколько упругие деформации горных пород под воздействием сейсмических процессов, в результате этого повышается поверхностная энергия зерен минералов, за счет чего могут происходить процессы синтеза углеводородов.
Среди современных гипотез нефтеобразования, развиваемых в рамках биогенной концепции, все чаще появляются разнообразные представления, признающие необходимость учитывать большую роль вещества и энергии глубоких зон Земли. К наиболее давним из таких представлений относятся гипотезы гидрогенизации биогенного вещества осадочных пород глубинным водородом. Развивалась гипотеза очагов-реакторов, образующихся в зонах глубинных разломов среди осадочных пород или ниже их в связи с подъемом из глубин высокотемпературного вещества, активизирующего процессы нефтеобразования. Близка к этим представлениям общая теория нефтегазоносности, создаваемая на базе биогенной концепции. Согласно этой теории, потоки глубинных флюидов (в литосферу Земли выбрасывается огромное количество газовых флюидов, в составе которых преобладают H, H2He, CH4, CO2, преобладающими газами во флюидных потоках являются протий и молекулярный водород) активизируют процесс нефтегазообразования в осадочных породах и извлекают из них углеводороды, участвуя тем самым в формировании месторождений. На современном этапе Земля представлена продуктами распада вещества, составляющими центральную часть ядра планеты. Процессы распада и дезинтеграции этого «дозвездного» вещества протекают вследствие ядерно-молекулярнойдиссоциации ядра планеты с образованием различных химических элементов и их соединений. 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.
Следует упомянуть гипотезу субдукции, согласно которой морские осадки, содержащие биогенное органическое вещество, затягиваются по крупному разлому под литосферную плиту в зону мантии Земли. Из этого органического вещества в высокотермальной области синтезируются углеводороды, которые поднимаются затем вверх и образуют месторождения. 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. Такая теория, учитывающая глобальную тектонику плит земной коры, оказалась весьма продуктивной и с практической точки зрения. В США, к примеру, в последние годы начали бурить в так называемых поднаддвиговых зонах Скалистых гор. И здесь были обнаружены как нефтяные, так и газовые месторождения. А ведь по старым, классическим меркам их здесь быть не должно.
По другим представлениям, процесс биогенного нефтеобразования продолжался также и в зоне метаморфизма, то есть глубокого химического и физического изменения горных пород в области высоких температур, давлений и интенсивных деформаций горных пород.
Разноречивость представлений о процессах образования нефти из остатков отмерших организмов тем не менее не мешает сторонникам биогенной концепции считать ее в принципе правильной. Все разногласия объясняются сложностью самой проблемы и многообразием нефтеобразовательных процессов.
Таким образом, 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.
Согласно биогенной теории нефть и углеводороды в земной коре образуются из органических веществ (OB) — 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. Указанные реакции происходят как в равновесных, так и неравновесных условиях в процессе самоорганизации вещества. Процесс этот протекает в нелинейных условиях на основе перехода беспорядок-порядок вследствие потери устойчивости, ибо поток переносимой флюидами энергии, диффузные потоки массопереноса, пластовое давление, температура, объемы резервуаров имеют переменные значения. Данные параметры тесно связаны с региональной геотектоникой, скоростью осадконакопления, фракциями и геологическим временем.
Основной вывод, вытекающий из органической теории происхождения нефти и углеводородного газа, заключается в том, что их поиски следует производить в осадочных породах.
Продолжение следует.