Подземная атмосфера

Прежде чем обратиться к вопросам происхождения современной
атмосферы Земли, рассмотрим состав газов подземной атмосферы, непрерывно поступающих в наземную атмосферу.

Согласно классификации В. В. Белоусова, по происхождению подземные газы подразделяются на: 1) биохимические, 2) воздушные, 3) химические, 4) радиогенные.

В настоящий момент целесообразно выделить, хотя и проблематичную, группу газов ювенильного генезиса, отнесенную В. В. Белоусовым к газам воздушного происхождения.

Газы биохимического происхождения, наиболее распространенные, имеют в своем составе метан и более сложные углеводороды, углекислоту, азот и сероводород; в меньших количествах содержится водород. Генезис этих газов связан с разложением ОВ, поэтому наиболее крупные скопления газов ассоциируют с нефтяными залежами.

В настоящее время доказано активное участие в разложении ОВ микробактерий, способствующих генерации как метана, так и водорода. Особую роль играют бактерии десульфуризаторы, генерирующие сероводород путем восстановления сульфатов (до сих пор геохимиками не установлены другие пути восстановления сульфатов в природных условиях).

Деятельность бактерий ограничена 45-50° С. Следовательно, на глубинах, превышающих 1500-2000 м, генерация газов биохимического происхождения маловероятна. Вместе с этим в настоящее время установлено, что насыщенные водой фумарольные дымы — это питательная среда для некоторых видов бактерий, и многие минералы, образующиеся у фумарол, например, самородная сера, имеют биологическое происхождение

Средний состав этих газов характеризуется следующими соот-
ношениями (вес. %): С — 42-78; Н — 14-24; О + N + S — 0,3 - 44; С/Н — 3-4,3.

По мнению В. А. Соколова, существуют две подгруппы газов биохимического происхождения. Одна из них связана с разложением органики в анаэробных условиях в современных отложениях (эти газы сравнительно легко рассеиваются, удаляясь в атмосферу), другая - с образованием нефти на значительных глубинах при повышенной температуре (200° С). В этом случае биохимический фактор отступает на второй план, и доминирующая роль в образовании газов отводится термокаталитическому распаду органического вещества и последующим процессам гидрогенизации углеводородов. Косвенным подтверждением такой точки зрения является насыщение метаном мощных толщ нефтеносных пород на глубину до 6-7 км (Южно-Каспийская впадина).

Газывоздушного происхождения обусловлены захватом воздуха нисходящими водными потоками. При нагревании таких вод на глубине газы свободно мигрируют в виде восходящих газовых струй. Главным компонентом подобного типа газов будет азот, отличающийся ничтожной растворимостью в водных растворах. Значительная часть воздушного кислорода и углекислоты расходуется на взаимодействие с вмещающими породами, поэтому подземные струи азота иногда напоминают некоторые газы биохимического происхождения. Существенным отличием окажется обычное присутствие в газах воздушного происхождения аргона и инертных газов, характеризующихся в воздухе отношением 0,0118, а в подземных струях «воздушных» газов — значением 0,0235 (из-за частичного
растворения азота и удаления кислорода). При поисковых работах на каустобиолиты это обстоятельство имеет определенное значение.

К газам химического происхождения были отнесены, с одной стороны, поверхностные газы, возникающие при процессах сгорания угля, разложения карбонатных пород (С0₂), колчеданных залежей (S0₂) и т. д., а с другой, — обширная группа метаморфического и вулканического происхождения.

К сожалению, до сих пор нет критериев, позволяющих четко отделить газы, возникающие при метаморфизме пород биосферы и поступающие в циркуляцию через вулканические аппараты, от газов явно ювенильного, глубинного характера.

В состав газов вулканического происхождения входят: С0₂, СО, Н₂, N₂, S0₂, S, Н₂0, H₂S, НС1, HF, B(OH)₃, NH₃, CH₄ и др.

Радиогенные газы подземных атмосфер характеризуются присутствием в первую очередь аргона и гелия — продуктов радиоактивного распада К⁴⁰ и изотопов урана и тория соответственно. Обращает на себя внимание одно обстоятельство: и аргон и гелий освобождаются либо при выветривании горных пород (тогда они поступают непосредственно в атмосферу), либо удаляются из пород при глубинном термальном метаморфизме. В последнем случае оба элемента поступают в подземные струи газов, в том числе и вулканического происхождения. В отличие от аргона значительные количества гелия накапливаются в структурных ловушках, сопровождая нефтеносные структуры, коллекторы. По-видимому, это обстоятельство объясняется тем, что гелий, как и нефть и биохимические газы, в данном случае имеет один общий источник — горизонты осадков, обогащенных органическим материалом, который содержит, как правило, повышенные концентрации урана.

Так, например, работами Г. Митрофанова для Урало-Куйбышевского района была установлена прямая корреляция между концентрациями гелия в газоносных коллекторах и урана в материнских продуктивных горизонтах. Исследованиями Пенькова В.Ф. установлена прямая связь между ураном и углеводородами (Пеньков, 1989).

В последние годы приобрела поисковое значение «гелиевая» съемка, проводимая с целью установления глубинных аномалий (повышенных содержаний) гелия в кристаллическом фундаменте. В некоторых районах СССР (Украина, Казахстан) гелиевым методом были закартированы глубинные разломы по высоким содержаниям в них Не⁴, Не³, Аг⁴⁰ и других газов. Вдоль этих же разломов располагались рудные залежи.

До сих пор не решен вопрос об источнике гелия и аргона в геологически «долгоживущих» структурах. Однако роль этих радиогенных газов как фиксаторов глубинных дислокаций в земной коре, являющихся иногда и зонами миграции рудных гидротерм, несомненна.

Аргон в отличие от гелия, легко диссипирующего из атмосферы за пределы гравитационного поля Земли, будучи по крайней мере в 10 раз более тяжелым газом, интенсивно накапливается в атмосфере.

Выделение группы ювенильных газов вызвано разгоревшейся
в последние годы дискуссией о происхождении нефти и газа в связи
с новыми находками в этой области. Действительно, сравнительно недавно выходы газов, содержащих значительное количество метана, обнаружены в пределах массивов интрузий щелочных пород Хибин, мариуполитов Приазовья, кимберлитовых трубок Восточной Сибири, Африки, т. е. в магматических телах глубинного происхождения, в регионах где какие-либо осадочные формации, обогащенные органическим веществом, отсутствовали.

Так, например, одна из скважин в районе трубки алмазоносных кимберлитов в Якутии «Удачной» дала фонтан газа, состоявшего из 51% водорода, 35% метана с примесью 2,5% тяжелых углеводородов (по сообщению Н. А. Кудрявцева, 1967 г.).