Экология и происхождение нефти

   К неорганическим теориям происхождения  нефти относятся минеральная, или карбидная (Д.И.Менделеев, 1877), космическая (В. Д. Соколов, 1889), вулканическая (Ю. Кост, 1905). Общее для этих и менее распространенных неорганических теорий - синтез углеводородов путем взаимодействия карбидов металлов с водой и кислотами (идея Менделеева), а также по схеме Фишера-Тропша из водорода и оксидов углерода.

   2.1. Современная биогенная теория

   Убедительные  доказательства биогенной природы  нефте-материнского вещества были получены в результате детального изучения эволюции молекулярного состава углеводородов  и их биохимических предшественников (прогениторов) в исходных организмах, в органическом веществе осадков и пород и в различных нефтях из залежей. Важным явилось обнаружение в составе нефти хемофоссилий — весьма своеобразных, часто сложно построенных молекулярных структур явно биогенной природы, то есть унаследованных (целиком или в виде фрагментов) от органического вещества. Изучение распределения стабильных изотопов углерода (¹²C, ¹³C) в нефти, органическом веществе пород и в организмах (А. П. Виноградов, Э. М. Галимов) также подтвердило неправомочность неорганических гипотез.

   Было  установлено, что нефть — результат литогенеза. Она представляет собой жидкую (в своей основе) гидрофобную фазу продуктов фоссилизации (захоронения) органического вещества (керогена) в водно-осадочных отложениях.

   Нефтеобразование — стадийный, весьма длительный (обычно много млн. лет) процесс, начинающийся ещё в живом веществе. Выделяется ряд стадий:

• Осадконакопление — во время которого остатки живых организмов выпадают на дно водных бассейнов;
• биохимическая — процессы уплотнения, обезвоживания и биохимические процессы в условиях ограниченного доступа кислорода;
• протокатагенез — опускание пласта органических остатков на глубину до 1,5 — 2 км, при медленном подъёме температуры и давления;
• мезокатагенез или главная фаза нефтеобразования (ГФН) — опускание пласта органических остатков на глубину до 3 — 4 км, при подъёме температуры до 150 °C. При этом органические вещества подвергаются термокаталитической деструкции, в результате чего образуются битуминозные вещества, составляющие основную массу микронефти. Далее происходит отгонка нефти за счёт перепада давления и эмиграционный вынос микронефти в песчаные пласты-коллекторы, а по ним в ловушки;
• апокатагенез керогена или главная фаза газообразования (ГФГ) — опускание пласта органических остатков на глубину более 4,5 км, при подъёме температуры до 180—250 °C. При этом органическое вещество теряет нефтегенерирующий потенциал и реализовывает метаногенерирующий потенциал.
• И. М. Губкин выделял также стадию разрушения нефтяных местозарождений.

   Считается, что основным исходным веществом нефти обычно является планктон, обеспечивающий наибольшую биопродукцию в водоёмах и накопление в осадках органического вещества сапропелевого типа, характеризующегося высоким содержанием водорода (благодаря наличию в керогене алифатических и алициклических молекулярных структур). Породы, образовавшиеся из осадков, содержащих такого типа органическое вещество, потенциально нефтематеринские. Чаще всего это глины, реже — карбонатные и песчано-алевритовые породы, которые в процессе погружения достигают верхней половины зоны мезокатагенеза, где вступает в силу главный фактор нефтеобразования — длительный прогрев органического вещества при температуре от 50 °C и выше. Верхняя граница этой главной зоны нефтеобразования располагается на глубине от 1,3—1,7 км (при среднем геотермическом градиенте 4°С/100 м) до 2,7—3 км (при градиенте 2°С/100 м) и фиксируется сменой буроугольной степени углефикации органического вещества каменноугольной. Главная фаза нефтеобразования приурочена к зоне, где углефикация органического вещества достигает степени, отвечающей углям марки Г. Эта фаза характеризуется значительным усилением термического и (или) термокаталитического распада полимерлипоидных и других компонентов керогена. Образуются в большом количестве нефтяные углеводороды, в том числе низкомолекулярные (C₅-C₁₅), почти отсутствовавшие на более ранних этапах превращения органического вещества. Эти углеводороды, дающие начало бензиновой и керосиновой фракциям нефти, значительно увеличивают подвижность микронефти. Одновременно, вследствие снижения сорбционной ёмкости материнских пород, увеличения внутреннего давления в них и выделения воды в результате дегидратации глин, усиливается перемещение микронефти в ближайшие коллекторы. При миграции по коллекторам в ловушки нефть всегда поднимается, поэтому её максимальные запасы располагаются на несколько меньших глубинах, чем зона проявления главной фазы нефтеобразования, нижняя граница которой обычно соответствует зоне, где органическое вещество пород достигает степени углефикации, свойственной коксовым углям. В зависимости от интенсивности и длительности прогрева эта граница проходит на глубинах (имеются в виду максимальной глубины погружения за всю геологическую историю данной серии осадочных отложений) от 3—3,5 до 5—6 км.

   2.2. Карбидная теория происхождения нефти

   Все гипотезы минерального происхождения нефти объединяет идея синтеза углеводородов, кислородо-, серо- и азотосодержащих компонентов нефти из простых исходных веществ — C, H2, CO, CO2, CH4, H2O и радикалов при высоких температурах и взаимодействии продуктов синтеза с минеральной частью глубинных пород.

   Д. И. Менделеев, придерживавшийся до 1867 года представлений об органическом происхождении  нефти, в 1877 году сформулировал известную  гипотезу ее минерального происхождения, согласно которой нефть образуется на больших глубинах при высокой температуре вследствие взаимодействия воды с карбидами металлов.

   Д. И. Менделеев считал, что основой  процесса образования углеводородов  является взаимодействие карбидов глубинных  металлов с водой, которая проникает  по трещинам с поверхности на большую глубину. Схема процесса представлялась следующим образом:

   2FeC + 3H₂O→Fe₂O₃ + C₂H₆

   или в общем виде:

   MC_m + mH₂O→MO_m + (CH₂)_m

   Образовавшиеся  в газообразном состоянии углеводороды, по мнению Д. И. Менделеева, поднимались  затем в верхнюю холодную часть земной коры, где они конденсировались и накапливались в пористых осадочных породах. Карбиды металлов в то время в глубинных породах еще не были известны. В настоящее время предположение Д. И. Менделеева подтвердилось, в глубинных породах найдены карбиды ряда элементов (FeC, TiC, Cr₂C₃, WC, SiC). Но крупных скоплений они не образуют; это мельчайшие (доли миллиметра) редко встречающиеся и рассеянные в породах минеральные выделения. Поэтому процесс образования углеводородов в огромных количествах, которые известны в природе, с этих позиций объяснить очень трудно.

   2.3. Другие абиотические теории происхождения нефти

   В 1889 В. Д. Соколов изложил гипотезу космического происхождения нефти. По этой гипотезе исходным материалом для возникновения нефти служили углеводороды, содержавшиеся в газовой оболочке Земли ещё во время её звёздного состояния. По мере остывания Земли углеводороды поглотились расплавленной магмой. Затем, с формированием земной коры, углеводороды проникли в осадочные породы в газообразном состоянии, конденсировались и образовали нефть.

   Ю. Кост и Э. Штеберг предложили вулканический вариант гипотезы образования нефти, по которому УВ образуются в магме и затем поднимаются по разломам в верхние горизонты земной коры.

   В 30-х годах ХХ века эти гипотезы подверглись значительной критике  со стороны академика И.М. Губкина  – основоположника теории органического происхождения нефти. Однако он допускал, что «небольшие, не имеющие практического значения скопления нефти могли иметь и неорганическое происхождение, возникая в результате небольших выделений её из магмы».

   В середине ХХ века были получены убедительные геологические и геохимические доказательства органического происхождения нефти, которые хорошо объясняли формирование подавляющего большинства нефтяных месторождений Земли. Однако, к этому же времени были получены данные о достаточно широком присутствии в оболочках ряда планет и в газовых облаках межзвёздной среды различных углеродистых соединений, в том числе и углеводородов, а также данные о наличии в метеоритах аминокислот, УВ, порфиринов и других органических соединений. На этом основании в России и за рубежом вновь стали развиваться варианты гипотез космического (Н.А. Кудрявцев, В.Б. Порфирьев, Ф. Хойль) и магматического (П.Н. Кропоткин) синтеза УВ.

   В.Б. Порфирьев (1967) предположил, что нефть, находящаяся в подкоровых зонах  образовалась одновременно с другими минеральными веществами, вошедшими в состав Земли. Из подкоровых зон она поступает по глубинным разломам в осадочную оболочку Земли (стратисферу) и при наличии ловушек образует залежи.

   Н.А. Кудрявцев (1973) также связал формирование залежей нефти и газа с разломами, а образование УВ видел как результат взаимодействия радикалов СН (метина), СН₂(метилена), СН₃ (метила), которые выделяются из мантии Земли в определённой последовательности, в зависимости от термобарических условий. В верхних зонах литосферы, где температура понижается, начинает выделяться уже метан. Углеводородные радикалы легко вступают в реакции полимеризации и образуют различные углеводороды в верхних частях земной коры. По его предположению Земля образовалась из космического пылевого облака, которое содержало УВ. Под действием температур в несколько тысяч градусов в глубинных зонах Земли они распались на УВ радикалы и водород.

   П.Н. Кропоткин (1985) считал, что УВ поступают  в осадочную оболочку в результате дегазации мантии. Часть земной коры, лежащая ниже зоны гипергенеза (оксисферы) совместно с верхней мантией до глубины 150 км, называемая редуктосферой, характеризуется восстановительными условиями и содержит много водорода, метана и других УВ, а также паров воды, окиси углерода, сероводорода, азота и гелия. Дегазация мантии путем прорыва этих газов по разломам в страти-сферу является по П.Н. Кропоткину причиной образования скоплений газа, газоконденсата и нефти.

   На  большие масштабы выделения глубинных ювенильных газов – азота, метана и гелия обратил внимание ещё В.И. Вернадский, образно назвав этот процесс «дыханием Земли». На этом основании американский исследователь Т. Голд выдвинул идею, связывающую метановую дегазацию мантии и земной коры с сейсмической активностью Земли. Землетрясения возбуждают дегазацию и создают пути миграции для газов. По его предположению на глубинах до 15 км осадочные и кристаллические породы содержат УВ и, прежде всего, метан мантийного происхождения в таком количестве, что их достаточно для обеспечения населения Земли в течение тысячелетий.

   Представления о неорганическом синтезе УВ развивали  во второй половине ХХ века многие ученые России и Украины: Г.Е. Бойко, К.Н. Волоссович, И.В. Гринберг, Г.Н. Доленко, Л.Н. Капченко, В.В. Колодий, А.И. Кравцов, В.Ф. Линец-кий, И.А. Петерсилье, Ю.Ф. Степаник, Э.Б. Чекалюк и другие. При этом были по-лучены лабораторные данные о том, что метан может полимеризоваться в тяжелые УВ при каталитическом воздействии силикатов, окислов железа и никеля, которые содержатся в горных породах. Эти же данные показали, что синтез УВ возможен из оксида и диоксида углерода и водорода в различных условиях в присутствии пород катализаторов по следующим реакциям:

   СО + 3Н₂ = СН₄ + Н₂О,

   СО₂+ 4Н₂ = СН₄ + 2Н₂О,

   2СО₂ + 3Н₂О + FeО = С₂Н₆ + 7Fе₂О₃.

   Бурение глубоких и сверхглубоких скважин, в частности Тюменской дают основание предполагать глубинные эманации (истечения) метана в осадочный че-хол (Т.В. Белоконь,1998).

   Основные  факты, подтверждающие возможность  неорганического синтеза УВ по мнению сторонников этой концепции следующие (по Н.С. Бескровному):

   1. Наличие органических соединений, в том числе УВ и оптически  активных веществ в космической  материи. 

   2. Результаты термодинамических исследований, указывающие на возмож-ность существования  метана в условиях мантии Земли  при температурах до 1300-1500 и низкой летучести кислорода.

   3. Наличие углеродистых соединений, а также водорода, оксида углерода, спиртов, метана и некоторых,  более сложных УВ в продуктах магматизма мантийного происхождения, продуктах дифференциации и горячей дегазации мантии, а также в гидротермальных системах современного и древнего вулканизма.