Происхождение нефти

Нефть – жидкий горючий минерал, относящийся к каустобиолитам. По составу нефть представляет собой сопряженный раствор углеводородов и гетероатомных органических соединений.

По внешнему виду нефть – маслянистая темная жидкость, флуоресцирующая на свету. Цвет ее зависит от содержания и строения смолистых веществ. Встречаются красные бурые и почти бесцветные нефти. Нефть легче воды. Взаимная растворимость нефти и воды ничтожна, однако, при интенсивном перемешивании образуются очень стойкие нефтяные эмульсии.

Вязкость нефти зависит от состава, но всегда значительно выше, чем у воды. В отличие от твердых каустобиолитов – каменных и бурых углей, сланцев, торфа – нефть содержит очень мало золы. Нефть – горючий материал. Теплота ее сгорания 42 МДж/кг, т.е. выше, чем у твердых горючих ископаемых.

Нефтеобразование – сложный, многостадийный длительный химический процесс. Исходный органический материал находится в рассеянном состоянии, продукты его превращения – нефть и газ – также первоначально рассеяны в нефтематеринской (глинистой) породе. Вследствие своей подвижности нефть и газ, также как и вода, способны передвигаться в толще пород. Геологи называют эти перемещения миграцией.

Различают первичную и вторичную миграцию. В результате первичной миграции из нефтематеринских пород нефть и газ собираются в соседствующих пористых песчаных и карбонатных породах. Миграция может происходить в результате воздействия различных факторов: отжатия или прорыва, диффузии, перемещения с водой, растворения жидких веществ нефти в газах при высоких давлениях и перемещения в виде парогазовой смеси, фильтрации по порам и трещинам вмещающих пород при наличии перепада давления и др.

В результате движения по пористым пластам и при вертикальной миграции, возникающей под влиянием гравитационного и тектонического факторов, нефть и газ скапливаются в так называемых ловушках, откуда миграция невозможна или очень затруднена.

Скопление нефти в этих ловушках называется нефтяными залежами. Если количество нефти (или газа) в залежи достаточно велико или в данной структуре пластов горных пород имеется несколько залежей, то говорят о нефтяном нефтегазовом или газовом месторождении. Вместе с нефтью и газом в залежах присутствует вода, так как она обладает способностью заполнять поры пород. Большая часть нефтяных ловушек (залежей) находится на глубине 900-2300м.

Если по проблеме происхождения твердых горючих ископаемых среди ученых нет разногласий, то такого единства мнений относительно нефти нет. Со времен М.В. Ломоносова ученые всего мира пытаются решить эту проблему, но пока нет общепризнанной единой теории происхождения нефти.

Дискуссии ведутся вокруг двух гипотез: нефть - биогенного происхождения, т.е. производная от растений и животных; нефть – неорганическая, образовавшаяся в земных глубинах и по трещинам, поднявшаяся вверх и напитавшая пористые пласты.

По мнению М.В. Ломоносова, впервые предложившего гипотезу об органическом генезисе нефти, она образовалась под воздействием «подземного огня на окаменелые уголья», в результате чего возникли асфальты, нефти и «каменные масла».

Основоположник гипотезы минерального происхождения нефти Д.И. Менделеев утверждал, что нефть образуется вследствие взаимодействия воды с карбидами металлов.

За последние два столетия после М.В. Ломоносова накопилось огромное количество химических, геохимических и геологических данных по проблеме происхождения нефти. В настоящее время преобладающая часть ученых считает наиболее обоснованными представления об органическом генезисе нефти. В пользу «органической» гипотезы свидетельствуют обнаруженная генетическая связь между групповыми компонентами нефти, твердых горючих ископаемых и исходных материнских веществ (биологический аргумент), а также прямые эксперименты по органическому синтезу нефти, подобной природной. В нефтях обнаружен ряд органических соединений, являющихся «биогенными метками» от исходного материнского вещества.

К таковым относятся:

- порфирины – структурные фрагменты хлорофилла и гемоглобина животных;

- изопреноидные углеводороды с одним лишь идентичным природному изомером из 366 тыс. теоретически возможных;

- гоманоиды, свойственные сине-зеленым планктонным водорослям;

- нормальные парафины С₁₇ и выше с преобладающим нечетным числом атомов углерода ;

- битуминозные вещества с идентичными хроматографическими пиками, массспектрами и изотопным составом;

- микроэлементы с идентичным распределением металлов, прежде всего, вольфрама и ванадия.

Следует особо отметить такой убедительный геохимический аргумент в пользу органической концепции, как оптическая активность – одно из фундаментальных свойств, общих для живого существа и продуктов его преобразования. Установлено, что нефти минерального синтеза в отличие от биогенного не обладают оптической активностью.

Геологическим аргументом в пользу органической концепции является то обстоятельство, сто подавляющая часть залежей нефти сосредоточена именно в осадочных породах Земли.

Убедительным (космическим) аргументом в доказательство биогенного синтеза нефти являются результаты исследований, полученных межпланетными автоматическими станциями Венера- 5, -6, -7 и американскими станциями, показавшие полное отсутствие углеводородов на Венере и Марсе, где нет биосферы, хотя в атмосфере этих планет содержится в значительных количествах двуокись углерода.

В последние годы и у нас и за рубежом проводились комплексные исследования химизма нефтеобразования в условиях максимально моделирующих природный нефтесинтез (за исключением длительности опытов по причине отсутствия у исследователей времени продолжительностью в миллион лет). В результате установлены общие закономерности образования основных классов углеводородов нефти из отдельных групповых компонентов растений и животных организмов, а также продуктов их первичных превращений (химический аргумент).

Образование нефти непосредственно из СО₂ и Н₂О, из которых состояла материнская атмосфера Земли, термодинамически без фотосинтеза невозможно (термодинамический аргумент). Теоретически более вероятна возможность образования нефти в земных глубинах взаимодействием воды с карбидами металлов.

Основные положения современной органической теории происхождения нефти

Нефтеобразование по механизму имеет много общего с углеобразованием, является длительным сложным многостадийным биохимическим, термокаталитическим и геологическим процессом преобразования исходного органического материала - продукта фотосинтеза - в многокомпонентные смеси углеводородов парафинового, нафтенового, ароматического рядов и гибридного строения . В отличие от генезиса твердых горючих ископаемых нефтесинтез включает дополнительно осадочно-миграционные стадии с накоплением первоначально рассеянной по осадочным породам микронефти в природных резервуарах макронефти. По этому признаку термин «месторождение» справедливо применять только к твердым горючим ископаемым, по отношению к нефтям и природным газам он не имеет смысла как места их рождения. Правильнее употреблять термины «залежи» нефти или «залежи» газов. Не исключено, что каустобиолиты как твердые, так и жидкие и газообразные, первоначально на химических стадиях их синтеза имели общую «родину», затем расслоились и разошлись по новым «квартирам». В настоящее время по генетическому признаку в качестве близких «родственников» природных нефтей признают сапропелитовые угли. Следовательно, нефть, природный газ, сланцы, сапропелитовые угли и богхеды, исходным материалом для синтеза которых являются водная растительность (планктон, водоросли, бентос) и микроорганизмы, генетически взаимосвязаны и образуют группу сапропелитовых каустобиолитов. Торф, бурые и каменные угли и антрацит принадлежат к группе гумусовых каустобиолитов. В процессе образования нефти, особенно природного газа, может в принципе участвовать и легко разрушаемая биоорганизмами часть органики (например, липиды и белки) наземной растительности.

Выделяют 5 основных стадий осадконакопления и преобразования органики в нефть.

Первая стадия - осадконакопление. После отмирания остатки растительных и животных организмов выпадают на дно морских или озерных бассейнов и накапливаются в илах, рассеиваясь среди привнесенных или образуемых на месте минеральных осадков.

Вторая стадия - биохимическая, подобная торфогенезу в процессах углеобразования. Накопленный на дне бассейнов органический осадок медленно преобразуется, уплотняется, частично обезвоживается за счет протекания биохимических процессов в условиях ограниченного доступа кислорода. Процесс сопровождается выделением углекислоты, воды, сероводорода, аммиака и метана. Осадок одновременно пополняется углеводородами нефтяного ряда за счет биосинтеза их в телах бактерий и образования из липидных компонентов. В керогене возрастает содержание углерода и водорода за счет деструкции периферийных гетероорганических функциональных групп молекулярной структуры органического вещества.

Третья стадия - протокатагенез. Пласт органических осадков медленно со скоростью 50-300 м/млн. лет опускается на глубину до 1,5-2 км, обусловливаемую скоростью прогибания земной коры и возрастом осадочного слоя. Пласт сверху покрывается слоем новых молодых осадков. По мере погружения в пласте повышаются давление и температура (подъем температуры на 1°С примерно за 60-400 тыс. лет). Биохимические процессы вследствие гибели микроорганизмов полностью затухают. При мягких термобарических параметрах в пласте (температура 50-70°С) активного процесса нефтеобразования не происходит, поскольку любое самое продолжительное геологическое время (вплоть до 400-600 млн. лет) не может компенсировать недостаток температуры. Концентрация битуминозных веществ возрастает незначительно.

Четвертая стадия - мезокатагенез: осадок погружается на глубину 3-4 км, температура возрастает до 150°С. Органическое вещество подвергается термокаталитической деструкции с образованием значительного количества подвижных битуминозных веществ - до 30% масс, на исходный кероген сапропелитового типа. Битумоиды содержат практически весь комплекс углеводородов нефтяного ряда. Эта стадия деструкции значительной части керогена с образованием преобладающей массы нефтяных углеводородов получила название главной фазы нефтеобразования (ГФН). Одновременно с образованием (генерацией) основного количества углеводородов в ГФН происходит отгонка за счет перепада давления и эмиграционный вынос вместе с газом и водой битумоидов керогена из глинистых и карбонатно-глинистых уплотняющихся осадков в проницаемые песчаные пласты-коллекторы и далее в природные резервуары макронефти. В начале ГФН скорость генерации рассеянной нефти еще преобладает над скоростью ее эмиграции, с ростом глубины наблюдается значительное обогащение органического вещества битуминозными компонентами. При дальнейшем погружении осадочных пород процесс генерации углеводородов постепенно затухает вследствие израсходования основной части керогена, а скорость их эмиграции возрастает. В результате при дальнейшем росте глубины погружения нефтематеринских пород интенсивность (скорость) генерации микронефти снижается и ГФН завершается.

При эмиграции микронефти из глинистых нефтематеринских пород в прилегающие пласты пористых водонасыщенных песчаников возникает хроматографическое разделение образовавшейся смеси жидких и газообразных углеводородов. Глинистый пласт представляет собой естественную хроматографическую колонку, а газы и низкокипяшие углеводороды исполняют роль элюента. В природной хроматографической колонке происходит частичная задержка асфальто-смолистых веществ. В песчаный коллектор выносится смесь нефтяных углеводородов с содержанием 5-10% асфальто-смолистых веществ. Это уже настоящая нефть.

Пятая стадия - апокатагенез керогена - на глубине более 4,5 км, где температура 180-250°С. Органическое вещество исчерпало свой нефтегенерирующий потенциал, продолжает реализовываться метаногенерирующий потенциал, благодаря чему эта стадия получила наименование главной фазы газообразования (ГФГ). С ростом глубины осадочных пород ниже ГФН нефть становится более легкой с преобладанием доли алканов, обогащается низкокипящими углеводородами; залежи нефтей постепенно исчезают, замещаются сначала газоконденсатами, затем залежами природного газа, состоящего преимущественно из метана. Нефть, попав при эмиграции близко к поверхности, теряет легкие фракции, окисляется и утяжеляется. Она характеризуется повышенной плотностью, низким содержанием бензиновых фракций и высоким содержанием асфальто-смолистых веществ.

ВЫВОД: Таким образом, имеющихся на сегодня результатов химических, геохимических, биологических и космических исследований достаточно, чтобы считать концепцию органического происхождения нефти научно аргументированной теорией. Те немногие геологические факты, которые пока трудно объяснимы с позиций этой теории ( обнаружение нефти вне осадочных пород) следует рассматривать как исключительные, учитывая сложность и многообразие химического синтеза от исходной биомассы до природной нефти и использовать их для установления более полной картины в рамках органической теории происхождения не только нефти, но и каустобиолитов в целом.

Вопросы для самопроверки

1. Сущность теории происхождения нефти, выдвинутой М.В.Ломоносовым.

2. Гипотеза минерального происхождения нефти Д.И. Менделеева.

3. Космический аргумент в доказательство биогенного происхождения нефти.

4. Почему лагерь сторонников органического происхождения нефти более многочислен?

5. Какой аргумент сторонников минеральной теории происхождения нефти сложно опровергнуть?