Две концепции происхождения нефти

Ю. И. ПИКОВСКИЙ

"Проблема происхождения нефти решена и решена окончательно в пользу осадочно-миграционной теории". "Доказательства органического происхождения нефти.... утрачивают у нас на глазах всякую убедительность и достоверность". Таким образом, на протяжении десятков лет сохраняется парадоксальная ситуация, сложившаяся в науке о происхождении нефти:

— биогенное и абиогенное происхождение нефти рассматриваются как взаимоисключающие концепции; — та и другая концепции разными группами исследователей признаются несостоятельными;

— подавляющее большинство теоретических разработок в нефтяной геологии и геохимии базируются на постулатах правильности или той или другой концепций, т. е. проблема в принципе считается решенной.

Обе точки зрения, оперирующие современными знаниями, которыми располагают науки о Земле, физика, химия, биология, сохраняют в настоящее время устойчивый антагонизм и решительное неприятие выводов друг друга. Несмотря на несомненный прогресс в области многих вопросов происхождения нефти, итоги взаимоисключающих взглядов все больше дают о себе знать. Несогласованность в определении главных направлений исследований, нерешенность ряда принципиальных вопросов отрицательно сказываются на эффективности поисков новых нефтяных ресурсов. Этот научный феномен нельзя рассматривать как некий курьез. Он касается одного из самых важных вопросов хозяйственной деятельности — топливно-энергетических ресурсов — и заслуживает внимательного анализа.

ДВЕ КОНЦЕПЦИИ — ДВА ПОДХОДА К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ

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 (фоссилизированное органическое вещество), рассеянные в донных отложениях морей и других водоемов. 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 слабопроницаемыми породами, и образовывали в них скопления. Согласно современным воззрениям, состав- и качество 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. "Нефть — детище литогенеза".

Биогенная концепция происхождения нефти объясняет основные особенности распространения и состава нефти:

— более 99 % месторождений нефти и газа сосредоточено в осадочных горных породах, т. е. 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, т. е. 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, и т. д.

Биогенная концепция происхождения нефти не представляет собой единую законченную теорию. В ее рамках по сей день остаются дискуссионными наиболее 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 СС 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 активизируют процесс нефтегазообразования в осадочных породах и извлекают из них углеводороды, участвуя тем самым в формировании месторождений. 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. По другим представлениям, процесс биогенного нефтеобразования продолжался также и в зоне метаморфизма, т. е. 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.

Основной вывод, вытекающий из органической теории происхождения нефти и углеводородного газа, заключается в том, что их поиски следует производить в осадочных породах.

Минеральная (глубинная) концепция происхождения нефти возникла еще на заре нефтяной промышленности и развивалась как альтернатива биогенной концепции. Это было вызвано тем, что биогенная теория при всем ее стремлении к универсальности не могла объяснить многие важные факты или удовлетворительно обосновать некоторые собственные принципиальные теоретические положения. К числу таких фактов и положений относятся крайняя неравномерность в распространении запасов нефти на Земле;

наличие во многих районах залежей нефти и углеводородного газа в кристаллических, в том числе магматических и вулканических, горных породах, залегающих ниже осадочных горных пород; широкое распространение в кристаллических породах и во многих рудах рассеянных углеводородов и углеродистых минералов (в том числе "капель нефти" в кристаллах) вне контактов с осадочными породами; приуроченность нефтяных и газовых месторождений к зонам разломов; отсутствие каких-либо существенных специфических признаков "нефтематеринских" горных пород, кроме наличия рассеянной нефти, близкой по составу к обычной нефти; невозможность количественно объяснить образование крупнейших и гигантских месторождений нефти и газа за счет рассеянного в окружающих породах органического вещества; отсутствие удовлетворительного механизма собирания диспергированных в осадочных породах углеводородов в крупные скопления и другие. Все это побуждает исследователей искать другую, более общую модель нефтеобразования, основанную на неорганическом синтезе углеводородов.

Сущность минеральной концепции кратко сводится к следующему. Нефтегазообразование и формирование нефтяных и газовых месторождений рассматривается как одно из проявлений более широкого природного процесса — дегазации Земли. Этот процесс в различных своих формах — один из главных факторов эволюции Земли, сформировавших современный облик ее внешних оболочек, создавших на ранних этапах геологической истории гидросферу, атмосферу и, в конечном счете, саму биосферу. Глубинная дегазация связана, главным образом, с активными зонами земной коры, для которых характерны наличие глубинных разломов, высокая сейсмичность и вулканизм. Преобладающие компоненты в составе газов — это пары воды, СО2, H2S, H2, N2 и углеводороды.

При определенных условиях, связанных с внутренней динамикой Земли, в зонах разломов на больших глубинах возникают очаги нефтеобразования. Из этих очагов массы синтезированных углеводородов и других продуктов химических реакций поднимаются по проницаемым зонам земной коры вверх, в области меньших давлений, образуя при благоприятных условиях (наличие пористых и трещиноватых горных пород, флюидоупоров, экранов, закрытости недр и т. д.) нефтяные и газовые месторождения. "Процесс этот, — писал Д. И. Менделеев, — был, если верно представляется уму, всеобщим, повсеместным, но только местами были условия для удержания внутри масс нефти и ее сохранения".

Минеральная концепция опирается на тот факт, что вне осадочной оболочки Земли и биосферы содержится более 99 % углерода нашей планеты, на наличие в недрах огромного количества внутренней энергии, необходимой для синтеза и "выталкивания" к поверхности больших масс углеводородов, на существование в недрах активных их носителей в виде метана и паров воды. Этой концепции не противоречит присутствие большого количества органических соединений, в первую очередь углеводородов, в космосе. Химическая база минеральной гипотезы — это каталитический синтез и конверсия углеводородов при высоких температурах и давлениях, во многом освоенные химической технологией. Минеральная концепция объясняет такие основные особенности распространения углеводородов, в том числе их скоплений:

— нефть и газ могут залегать в любых горных породах, имеющих свободные емкости и условия для удержания и сохранения находящихся в них флюидов. Этим условиям отвечают, главным образом, осадочные горные породы;

— большинство скоплений нефти и газа в горных породах возникли значительно позже (спустя десятки и сотни миллионов лет) образования самих горных пород. В настоящее время сохранились, в основном, только сравнительно молодые месторождения, так как древние вероятнее всего были разрушены геологическими процессами;

— наличие на Земле гигантских и сверхгигантских месторождений нефти и газа, поскольку размеры этих месторождений в верхних этажах земной коры ограничиваются только размерами имеющихся в горных породах резервуаров и условиями сохранения;

— приуроченность в нефтегазоносных областях скоплений к породам определенного возраста внутри области или бассейна, что связано с общностью условий образования горных пород, формирования в них емкостных и других физических свойств;

— высокая концентрация в нефтях металлов, широкое распространение битуминозных веществ в некоторых рудах;

— широкое распространение в любых горных породах нефтегазоносных районов рассеянных углеводородов, поскольку нефть в месторождениях — это только незначительная часть мощного потока углеводородов, захваченная ловушками;

— наличие сверхвысоких пластовых давлений в нефтяных и газовых залежах.

Таким образом, по словам Д. И. Менделеева, неорганическая концепция объясняет "все главные факты нефтенахождения и то, что нефть находится рассеянною во всех краях света". Принимая эту общую схему, сторонники минерального происхождения нефти предложили множество вариантов реализации нефтеобразовательных процессов. Нет общего мнения о природе углеводородов в глубинных зонах Земли, глубине и характере очагов нефтеобразования, химических реакциях, формах поступления соединений углерода из глубинных недр, о конкретных проявлениях процессов миграции, о возможности образования месторождений в кристаллических горных породах на больших глубинах и по некоторым другим вопросам. Большинство этих разногласий обусловлено невозможностью (пока) непосредственно изучать очаги нефтеобразования или распознать их в доступных изучению частях земной коры.

Несмотря на все различия во взглядах на процессы неорганического нефтеобразования, отчетливо выделяется основной вопрос минеральной (глубинной) концепции — это вопрос о путях движения нефти и газа при формировании месторождений. Признание необходимости поступления нефти, газа или исходных для их образования продуктов по разломам из глубоких недр Земли (земной коры или мантии) объединяет сторонников минеральной концепции. Осадочные породы рассматриваются ими как главный, но не единственный аккумулятор нефти и газа.

Очевидно, что предыстория химических элементов, образующих нефть, для минеральной концепции принципиального значения не имеет: наряду с изначально глубинными продуктами частично это могли быть углерод, водород, азот, входившие когда-то в биогенное вещество, распавшееся в высокотемпературных зонах Земли на элементы или простые молекулы. В этом смысле упомянутые выше гипотезы, развиваемые в рамках биогенной концепции, в которых допускается переработка осадочных пород в высокотемпературных зонах Земли и последующая миграция новообразованных углеводородов в нормальные осадочные породы, можно отнести к различным вариантам минеральной концепции. Принципиальным является только баланс углеводородов той или иной изначальной природы.

Основные практические выводы, которые следуют из минеральной концепции, это, во-первых, перспективность всех проницаемых горизонтов до кристаллического фундамента включительно, залегающих ниже горизонтов с уже известными нефтепроявлениями; во-вторых, размещение зон нефтегазонакопления (месторождений нефти и газа) в местах глубинных разломов.

Таким образом, альтернативные концепции происхождения нефти — биогенная и минеральная (глубинная) основываются на объяснении разных групп фактов и по-разному ставят основной вопрос нефтеобразования. Если для биогенной теории важно, что исходное вещество для нефтеобразования первоначально находилось в осадочных породах, то для минеральной наиболее важным моментом является процесс образования месторождений за счет миграции вещества из подстилающих осадочные породы глубинных недр Земли. Обе точки зрения, на первый взгляд, взаимно исключающие одна другую, существуют как бы в разных измерениях. Взятые в самом общем виде, они не противоречат большинству известных сейчас фактов залегания нефти в недрах. В этом состоит второй парадокс проблемы нефтеобразования.

Анализируя истоки двух концепций, не трудно прийти к выводу, что их построение было связано с различными методологическими подходами к проблеме. Ранее было показано, что причина больших различий в теориях происхождения жизни связана с двумя различными подходами к их построению: актуалистическим ("взгляд в прошлое" со стороны существующей жизни) и естественно-историческим ("взгляд в будущее" со стороны химии, обусловливающей саморазвитие жизни из неживой материи). Аналогичные методологические подходы прослеживаются и при построении теорий происхождения нефти.

Принцип актуализма ("понять прошлое через настоящее"), на котором базировались геологические исследования прошлых веков, не мог, конечно, не привлекаться геологами к решению вопросов генезиса полезных ископаемых, в частности вопросов генезиса нефти. Элементы актуалистического подхода отчетливо прослеживаются в основных исходных посылках биогенной концепции: сравнение состава нефти и живого вещества; составов нефти в залежах и рассеянной нефти в породах; составов разных типов горючих ископаемых; установление связи современных условий залегания нефти (нефтеносных пород) с распространением горных пород, аналогичных тем, в которых залегает нефть, и так далее. Таким образом, биогенная концепция происхождения нефти базируется в основном на актуалистическом подходе к ее изучению.

Д. И. Менделеев первым применил к решению вопросов генезиса нефти естественно-исторический (эволюционный) подход. Этот подход заключается в рассмотрении естественных процессов развития Земли в целом, учете взаимодействия всех ее оболочек (геосфер). Д. И. Менделеев шел не от сравнения вещества нефти с веществом компонентов осадочных горных пород, а от естественных результатов природных процессов, происходящих на поверхности Земли и в ее недрах. Концепция Д. И. Менделеева учитывает особенности эволюции Земли как планеты, эволюции геологических и геохимических процессов, химической эволюции.

Безусловно, отдельные положения биогенной теории развиваются на базе естественно-исторического подхода, а в некоторых положениях минеральной теории заметны признаки актуалистического подхода. Но в целом довольно отчетливо видно, что две различные концепции происхождения нефти характеризуются различными методологическими подходами к решению этой проблемы. В этом — одна из причин их устойчивого сосуществования. Интересно, что когда сторонники биогенной концепции применяют естественно-исторический подход к исследованию какой-либо части проблемы, у них находится много точек сближения при оценке важности тех или иных явлений со сторонниками минеральной концепции.

Несмотря на нерешенность многих вопросов, исследования в области происхождения нефти дали значительные научные результаты. Работы в аспектах биогенной и минеральной гипотез обогащали геологию, геохимию и химию нефти новыми закономерностями, которые активно использовались практикой. Они внесли свой вклад в геохимию углерода, основы которой были заложены Д. И. Менделеевым и К. В. Харичковым, а стройная всеобъемлющая концепция этой науки сформулирована и развита В. И. Вернадским.

Сторонники биогенной концепции много сделали для изучения условий залегания нефти в осадочных горных породах, изучения состава, условий образования и эволюции осадочных пород, формирования вместилищ нефти — природных резервуаров. Их большая заслуга состоит в широком и детальном изучении органического вещества осадочных пород всего возрастного диапазона, сохранившегося в геологической летописи. Ими много сделано в познании геохимических и генетических связей между всеми углеродистыми горючими ископаемыми Земли.

В работах по минеральному происхождению нефти было обращено внимание на ряд новых закономерностей, ускользавших от внимания сторонников биогенной концепции. Было установлено значение глубинных разломов в создании крупных зон нефтегазо-накопления на Земле, осознана важная роль внутренней энергии и потока глубинных флюидов в образовании природных скоплений горючих ископаемых. Исследования в плане минеральной (глубинной) концепции позволили значительно расширить круг природных объектов, в которых встречаются битуминозные вещества. Такими объектами стали магматические, вулканические, гидротермальные образования, метаморфические породы, служащие ложем древних бассейнов осадконакопления. Сторонники минеральной концепции заострили вопрос о преимущественной роли вертикального перемещения углеводородов в процессе образования скоплений, сформулировали принцип, согласно которому в нефтеносном районе нефть встречается ниже известных залежей до нижней границы осадочной толщи и глубже — в метаморфическом фундаменте при наличии трещин и свободного порового пространства.

В общем в рамках той и другой теории исследуются разные стороны сложного природного явления — нефтеобразования. Вместе с тем упорно сохраняющийся взаимный антагонизм двух концепций приводит порой к парадоксальным ситуациям. Например, подтверждающиеся практикой следствия минеральной концепции (связь месторождений с глубинными разломами, роль внутренней энергии Земли в нефтеобразовании и миграции углеводородов, ведущее значение вертикальной миграции флюидов и другие) сначала решительно отвергались ее противниками, а впоследствии воспринимались ими уже как выводы из биогенной концепции.

Большинство аргументов, выдвигаемых в пользу признания биогенного или минерального происхождения нефти, имеют альтернативы, и поэтому не могут считаться доказательствами. Но у исследователей имеются все же главные доводы, позволяющие им твердо оставаться в рамках своих концепций. Для сторонников биогенного генезиса главное — химическое сходство нефти с живым веществом, для сторонников минерального генезиса — физическая возможность аккумуляции нефти в крупные скопления только энергоемкими и концентрированными вертикальными потоками, идущими с глубины. Это наиболее узловые и в то же время наиболее противоречивые вопросы всей проблемы происхождения нефти.

ПРОТИВОРЕЧИЯ МЕЖДУ ХИМИЕЙ И ГЕОЛОГИЕЙ

История разработки вопросов происхождения нефти характеризуется постоянно возникавшими противоречиями между химическими и геологическими аргументами и законами. Д. И. Менделеев, выстроив стройную химическую аргументацию, неизбежно должен был опираться в своей гипотезе на положения в области геологии, которые в то время из-за недостаточности данных казались многим весьма умозрительными. Их нельзя было непосредственно проверить "молотком и долотом". "Проще поэтому, — писал В. И. Вернадский, — оставить в стороне эти сложные построения... и попытаться понять историю нефти, оставаясь в пределах верхних оболочек земной коры, доступных нашему непосредственному изучению". Геологическое мышление в ту пору было таково, что большинство геологов остались на позициях органической теории. Это определило и позицию химиков.

В настоящее время принципиальная возможность неорганического синтеза углеводородов в недрах и подъема флюидов по зонам глубинных разломов сомнений не вызывает. Общепризнанны и факты, указывающие на реальные следы этих процессов. На первый план в критике минеральной концепции происхождения нефти вышли химические аргументы. "Успехи в познании молекулярного состава нефти показали, что он в целом совершенно необъясним ("аномален") с позиций любой неорганической гипотезы". Сделать такое заключение позволили факты, свидетельствующие, с точки зрения биогенной концепции, о генетической связи нефти и живого вещества.

Противоречие первое: нефть и живое вещество.

Долгие годы на связь нефти и живого вещества указывали оптическая активность нефти, наличие в ее составе порфиринов (правда, в виде ванадиевых и никелевых комплексов, а не железо- и магниевых, как в живом веществе), сходный состав микроэлементов. В последние два десятилетия установлена близость многих других структур нефти и живого вещества. Нефть в залежах и микронефть, рассеянная в породах, содержит хемофоссилии — углеводороды, идентичные обнаруженным в живых организмах, реликтовые структуры — изопренаны, стераны, тритерпаны. Последние хотя и не полностью идентичны биомолекулам, но связаны с ними не очень сложными переходами. Эти структуры составляют более 40 % углеводородов нефти. Установлено, что оптическая активность нефти связана с тритерпанами, стеранами и гопанами во фракциях выше 420—450 °С. Порфирины присутствуют, в основном, в асфальтенах нефти и, возможно, в других высокомолекулярных ее компонентах. Обсуждается вопрос о возможной конституционной связи молекулы порфирина с молекулами смол и асфальтенов. Во всех малопревращенных нефтях набор хемофоссилии и реликтовых структур примерно одинаков.

Таким образом, можно утверждать, что указанные особенности состава нефти не являются случайными, т. е. обязанными, например, растворению, контаминации биогенных компонентов из осадочных пород. Это — закономерные явления, которые требуют объяснения с позиций любой научной концепции.

На первый взгляд кажется очевидным, что все эти особенности как нельзя лучше согласуются с биогенным происхождением нефти. Эта очевидность становится не столь выразительной при попытках объяснить, как эти хемофоссилии и реликтовые структуры оказались в нефтяных залежах в тех же относительных количествах и соотношениях, как по молекулярной массе, так и по химической структуре, что и в рассеянном состоянии. Любой реальный механизм первичной эмиграции диспергированных углеводородов из материнских горных пород должен объяснять эту геохимическую корреляцию.

Ни одна из теорий в рамках биогенной концепции пока не раскрыла такого механизма, а в ряде случаев эти теории сами ставят под сомнение его существование. Согласно биогенной концепции, процесс нефтеобразования растягивался на многие миллионы лет. В течение всего этого периода образовавшиеся углеводороды должны отходить из зоны реакции. Что же позволило им через миллионы лет образовать большие скопления в другом месте и приводить к одному и тому же химическому эффекту в самых разных геологических условиях, неоднократно менявшихся за период нефтеобразования? Как при этом мигрирует тяжелый остаток, содержащий основную массу стеранов, тритерпанов, гопанов, а также смолы и асфальтены с порфиринами и микроэлементами? Пока на все эти вопросы не будет дано обоснованных ответов, "генетическая" связь нефти с живым веществом останется только постулатом.

Ряд важных закономерностей в составе рассеянного органического вещества не имеет пока однозначного толкования. Химическое сходство между рассеянной нефтью и нефтью в месторождениях в одной нефтеносной области проще объяснить тем, что это ->-продукты единого процесса рассеяния и концентрации вещества из генетически общего источника, чем происхождением одного из другого без существенной дифференциации. Тем более сложно объяснить это сходство "разборкой" дисперсных микроагрегатов в больших объемах горных пород, длительным направленным перемещением отдельных молекул и "сборкой" их в том же порядке в концентрированном скоплении.

Само рассеянное углеродистое вещество — кероген и углеводороды — может иметь в осадочных породах различную природу. Еще В. И. Вернадский отметил, что "следы углерода, всюду находимые, несомненно различного происхождения. С одной стороны, это последние остатки организмов... с другой стороны, конечные продукты — твердые и жидкие — разложения газообразных углеродистых молекул, находящихся в состоянии чрезвычайного рассеяния, например, в земных газах". И далее: "В биосферу непрерывно идет ток углеродистых газов — СО2 и углеводородов — из глубоких геосфер земной коры, происшедших частью... из самородного углерода".

Таким образом, все концепции "двойного" происхождения нефти и газа — органического и неорганического — будут справедливыми по отношению прежде всего к рассеянному углеродистому веществу, о чем свидетельствуют, например, данные изучения органического вещества Кольской сверхглубокой скважины.

Рассеянные в горных породах углеродистые вещества любой природы будут переходить из одного химического состояния в другое в соответствии с изменениями температурных условий, физико-химических особенностей пород и других компонентов среды, в результате чего будут иметь место закономерные связи: органическое вещество — среда. Но эти связи сами по себе не служат бесспорным доказательством генетических соотношений между породой и органическим веществом.

Глубокое единство нефти и живого вещества с естественно-исторических позиций находит другое объяснение.

Нефть — очень сложная природная субстанция. Она соответствует определенному высокому этапу или ветви геохимической эволюции углеродистых соединений Земли, которая привела к возникновению живого вещества. Не случайно, что между живым веществом и нефтью имеется много общего: состав, исходные вещества для образования, близкие условия развития самого процесса, особенно на первых стадиях эволюции, одни и те же катализаторы, способствующие развитию процесса, и т. д. Нефть рассматривалась как продукт побочной ветви процесса перехода абиогенного органического вещества, а также как исходное вещество -среда обитания в биогенезе. Предбиологическая нефть, естественно, не сохранилась. Возможно, что условия для нефтенакопления в недрах возникли уже после создания биосферы, и нефть получила возможность занять свободную нишу в погруженных частях былых биосфер, образовав так называемую углеводородную сферу Земли.

Свойства нефти как организованной сложной субстанции с большим запасом свободной энергии еще мало изучены. Давно замечено, что в нефти нет никаких случайных свойств; все свойства нефти тесно связаны между собой причинно, потому что нефть в природе изменяется и живет так же, как и всякие другие природные объекты, в результате взаимодействия с окружающей средой.

Нефти всего мира едины своей внутренней организацией, элементами и молекулярным составом. Они обладают рядом важных особенностей, свойственных живым объектам. Две основные особенности живых систем — открытость, обмен с окружающим миром веществом и энергией, а также постоянная изменяемость системы во времени — с полным основанием можно отнести и к нефти. Как живой организм, так и нефть представляют собой гетерогенные, неравновесные субстанции, проходящие путь необратимого развития, состоящие из множества различных больших и малых молекул.

Скопление нефти можно рассматривать как "эволюционирующую открытую каталитическую систему", которая приобрела на определенном этапе химической эволюции некоторые функции и свойства, общие с живым веществом. Можно указать, в частности, на следующие из таких функций и свойств:

— единство (целостность) материального субстрата развития;

— стремление к стационарному существованию при сохранении определенного комплекса условий и при постоянном обмене веществом и энергией с окружающей средой;

— свойство необратимо разрушаться (погибать) при сильном нарушении комплекса постоянных условий существования;

— способность реагировать на неопасные для существования системы изменения внешних условий и приспосабливаться к ним, запечатлевая эти воздействия в эволюционных изменениях природы материального субстрата развития;

— запечатление и хранение информации о всем предшествующем пути развития при существовании, развитии, воспроизведении систем в определенных материальных изменениях субстрата развития.

Как следует из теории химической эволюции открытых каталитических систем, особенности их вещественного состава, строения и структуры, возникающие при формировании новых свойств и функций, в биогенезе на любой базе должны повторяться или быть подобными. Такая конвергенция признаков должна усиливаться при достижении все более высоких этапов эволюции.

Таким образом, нефть как вещество, достигшее определенного этапа химической эволюции, на котором оно приобрело некоторые свойства и функции, напоминающие свойства и функции живого вещества, приобрела и некоторые термодинамически выгодные особенности химического состава, строения и структуры живого вещества. Эти черты сходны, но не идентичны, как не идентична и нефть живому веществу. Возможно, это — не единственная альтернатива, но она делает совсем неочевидным характер генетических и геохимических связей между нефтью и живым веществом, а также между всеми горючими углеродистыми ископаемыми. Во всяком случае сущность этих связей пока до конца не раскрыта.

Противоречие второе: первичная нефть и первичная миграция.

В настоящее время все исследователи единодушны в том, что современный состав всех нефтей мира сформировался в процессе их эволюции уже в месторождениях. Значительные расхождения имеются в вопросах о характере первичного вещества, которое дало начало всему разнообразию типов нефтей.

Химики, которые изучали этот вопрос, отвлекаясь от геологической стороны проблемы, на основе законов химии и термодинамики приходили, как правило, к единому мнению, что источником нефтяных углеводородов в основном, являются полициклические углеводороды смешанной нафтеново-ароматической системы или близкие к ним по строению гетерогенные соединения, т. е. вещества достаточно реакционно-способные, обладающие большим запасом свободной энергии. Еще в начале нашего века К. В. Харичков выдвинул "асфальтовую теорию" происхождения нефти, согласно которой нефть признавалась производным асфальта," содержащего в основном циклические соединения. Я.Г. Стадников также пришел к выводу, что асфальты и асфальтовые породы — промежуточная стадия между первичной нефтью. Н. Д. Зелинский считал возможной первичной нефтью "нефтеподобную смолу", которая "под давлением водорода и постепенно, им насыщаясь, дает нефть. А. Ф. Добрянский показал возможность образования нефтяных углеводородов через термокаталитические превращения, сложных гетероциклических соединений, полимеризация которых может быть частью смолистых веществ нефти. Рассеянный в породах "зрелый" кероген, который многие сторонники биогенной концепции рассматривают в качестве исходного вещества нефти, представляет собой макромолекулу, которая составлена конденсированными и циклическими ядрами, соединенными гетероатомными связями или алифатическими цепочками.

Эти обоснованные химические представления противоречат факту вторичного залегания нефти в месторождениях, так как отсутствует природный механизм первоначального сбора в залежи высокомолекулярных малоподвижных или неподвижных веществ. По одному из современных вариантов минеральной концепции, учитывающему ключевую роль данного вопроса в нефтеобразовании, "мигрировала из глубинных зон и формировала крупные скопления во встреченных ловушках уже "готовая" нефть, обладающая физико-химическими свойствами, присущими природной нефти".

С геологических позиций, согласно биогенной концепции, первичные нефти — это способные к миграции легкие парафинистые нефти газоконденсатного типа, в дальнейшем претерпевающие в залежах окислительные и другие превращения, в том числе под воздействием микробиологических процессов. Но и эта гипотеза, которой, пожалуй, нет альтернативы в модели собирания рассеянных углеводородов, также находится в противоречии с основными химическими концепциями нефтеобразования. К тому же она не может объяснить всего разнообразия нефтей в природе, в частности, накопления большого количества "реликтовых структур", содержащихся в основном в средних и тяжелых фракциях нефти.

Таким образом, одно из главных противоречий в обеих гипотезах нефтеобразования между химией и геологией, т. е. между высокомолекулярным характером "первичной" нефти и необходимостью ее перемещения по толщам горных пород, остается пока не разрешенным.

ОТ КЕРОГЕНА К НЕФТИ ИЛИ ОТ ПРОДУКТОВ УПЛОТНЕНИЯ К НЕФТИ?

Построение непротиворечивой модели на базе биогенной концепции встречает ряд трудностей, о которых говорилось выше. Минеральная концепция происхождения нефти открывает больше возможностей для преодоления противоречий между химическими и геологическими концепциями нефтеобразования. Путь решения проблемы первичной нефти, с точки зрения минеральной концепции, был указан еще в начале века: "Мы имеем основание признать нефть производным асфальта, а не наоборот... Асфальт мог образоваться в качестве начального продукта уплотнения при реакциях карбидов".

Продукты уплотнения молекул органических соединений, в том числе циклических структур, образующиеся при конверсии метана, бензола, этилена, ацетилена, других углеводородов, а также в синтезе из СО и Н2 на гетерогенных катализаторах, в настоящее время подробно изучаются. Это углистые и смолообразные вещества, образующиеся на силикатных и алюмосиликатных катализаторах при температурах порядка 400—800 °С в результате полимеризации и поликонденсации реакционноспособных веществ, как исходных, так и получающихся в ходе превращений. В смолообразных продуктах уплотнения был идентифицирован широкий спектр полициклических ароматических углеводородов, аналогичных тем, которые обнаружены в природных объектах эндогенного минералообразования (изверженных и вулканических породах, минералах, рудных жилах).

Существенно то обстоятельство, что в ходе реакции часть летучих продуктов уплотнения удаляется вместе с газами и осаждается в виде смолистых веществ на стенках холодной части реактора. Суммарное количество полициклических углеводородов в летучих продуктах уплотнения на 1—3 порядка превышало эту сумму в нелетучих продуктах. Вероятно, что наиболее массовое осаждение продуктов уплотнения и фазовое выделение углеводородов будет происходить при 60—150 °С, т. е. именно в той зоне палеотемператур, в которой сосредоточены основные известные запасы нефти и которая получила у сторонников биогенной концепции наименование главной зоны нефтеобразования.

Дальнейшая эволюция продуктов уплотнения вероятнее всего идет по пути гидрогенизации и, частично, термокаталитической деструкции по известным схемам. Водород в этих реакциях может быть различного происхождения.

В настоящее время делаются успешные попытки объяснить состав нефтей и газов в залежах реакциями с участием водорода. Процессы гидрогенизации и деструкции могут проходить и при движении продуктов реакций по проницаемым зонам.

Таким образом, формирование состава нефтей через стадию скопившихся в горных породах продуктов уплотнения конденсированных молекул является той моделью, которая в известной мере снимает противоречия между химическими и геологическими концепциями нефтеобразования.

Возможно, что скопления на больших глубинах асфальтов или тяжелых нефтей представляют собой вещества ранних стадий нефтеобразования, а не результат окисления нефти, как широко принято считать в настоящее время.

Помимо продуктов уплотнения из глубоких очагов генерации нефти и газа в осадочную толщу должны проникать метан, а также парафиновый газоконденсат, образующийся при синтезе углеводородов из СО и Н2. Эволюция этих трех составляющих -метана, парафиновых углеводородов и циклических продуктов уплотнения, происходящая уже в образовавшихся залежах, и приводит к разнообразию типов нефтей, газов и битуминозных образований в земной коре. Сами очаги нефтеобразования по минеральной концепции уже не представляют собой сугубо гипотетическое непознаваемое явление. Известны температуры синтеза (400—800 °С), которые имеются в зоне перехода между корой и мантией Земли на глубинах 30—60 км.

Экспериментально показано, что катализаторами синтеза углеводородов из СО и Н2 могут служить щелочные изверженные, вулканические и осадочные горные породы. Можно говорить и о некоторых признаках очагов нефтеобразования: обилии в породах углеподобных веществ полимерной природы. Маловероятно, чтобы очаг нефтеобразования совпадал с магматическим очагом. Скорее он будет находиться в зонах очагов землетрясений на больших глубинах. Сейсмотектонический процесс обеспечит при этом необходимую энергию и каналы для миграции флюидов. Косвенно это подтверждается фактами выделения горючих газов при землетрясениях, а также приуроченностью месторождений нефти и газа к зонам крупных активизированных разломов.

Безусловно, здесь много неясных и нерешенных вопросов, но есть конкретные объекты и для исследований. Предстоит более тщательное исследование химии нефтеобразовательных процессов, очагов нефтеобразования, палеосейсмических явлений, форм проявления гидротермального процесса как наиболее реального механизма миграции нефти, геохимических ореолов рассеяния, сопровождающих процесс формирования месторождений, и многих других проблем. Необходимо исследовать и истинные масштабы этих процессов.

Итак, объективно сосуществующие две концепции происхождения нефти — биогенная и минеральная (глубинная) — ставят разные вопросы, с разных методологических позиций подходят к их решению. Вместе с тем обе концепции в целом показали свою жизнестойкость и выдвинули ряд плодотворных идей, взятых на вооружение практикой. Практика поисков и разведки нефти и газа опирается пока на отдельные идеи и эмпирические закономерности, а не на законченную теоретическую концепцию.

Но истина одна, и решать проблему происхождения нефти нужно, так как она становится все более актуальной для науки и практики. То, что нефтяная промышленность обходилась пока без окончательного решения вопроса генезиса нефти, ничего не значит. Завтра это делать будет трудней, а в будущем — невозможно.

Есть ли выход из создавшегося тупика? Наука рано или поздно такие выходы находила. Для построения теории генезиса нефти, которая могла бы вести за собой практику, сторонникам обоих концепций предстоит еще найти ответы на многие вопросы, преодолеть многие противоречия. Многочисленные работы, касающиеся происхождения нефти, исходят из заранее заданного постулата. Сложившуюся ситуацию можно охарактеризовать словами поэта: "А мы все ставим каверзный ответ и не находим нужного вопроса". Правильная постановка задачи — главная трудность в решении всей проблемы.

В этой связи все больше выявляется плодотворность идей Д. И. Менделеева, который рассматривал происхождение нефти и образование нефтяных месторождений как единый неразрывный процесс, и тем самым наметил наиболее перспективный путь решения проблемы. Ставить задачу генезиса месторождения и только в этой связи генезиса вещества — в этом путь конкретизации проблемы, один из главных уроков Д. И. Менделеева.

Идеи Д. И. Менделеева не только обострили саму проблему происхождения нефти, но и дали глубокий импульс ее развитию. И дело, конечно, не только в том, что выдвигаемые альтернативы не давали научной мысли, стоять на месте. Не только минеральная, но и биогенная концепция в современном виде многое почерпнули из идей Д. И. Менделеева. Ученый показал, как нужно методологически правильно подходить к решению проблемы, указал на необходимость искать взаимосвязи всех процессов, происходящих в недрах, привлекать к решению проблемы многие науки. "Вдаваясь в глубь земли, приходится сдаваться в глубь многих областей знаний". "Вопрос о происхождении угля и нефти выходит далеко за пределы отдельных наук о природе должен разрешаться на основании данных всего естествознания", — говорилось через 60 лет в капитальном труде о генезисе горючих ископаемых. Время показало справедливость многих гениальных догадок Д. И. Менделеева, основанных на зрелой научной методологии. Глубокая научность Менделеевской концепции состоит прежде всего в том, что она не отбрасывает ни один научный факт, ни одну проверенную идею, а опирается на них в своем развитии.

Идеи Д. И. Менделеева коснулись не только нефтяной науки. Его можно считать родоначальником геохимии углерода — науки о поведении этого элемента во всех оболочках Земли. Наука о рудообразовании все чаще обращается к необходимости привлекать данные об абиогенном синтезе углеводородов. Гипотеза Д. И. Менделеева стала опорой современной концепции происхождения жизни на Земле. К идеям Д. И. Менделеева восходят истоки проблемы получения искусственного жидкого топлива.

Решение проблемы происхождения нефти имеет большое значение для многих областей науки и производства, для ускорения научно-технического прогресса. Знание генезиса нефти и истинных процессов образования месторождений существенно повысит эффективность поисков новых нефтяных ресурсов, поможет дать правильную оценку нефтяного потенциала Земли. Велико ее значение для решения вопросов рационального использования природных ресурсов. Каково бы ни было происхождение нефти, ее запасы исчерпаемы, и особенно важно их разумно использовать.

Знание генезиса нефти имеет большое значение для химии нефти. В настоящее время все в большей степени становится необходимым рассматривать новые данные о составе нефти с точки зрения современных представлений о происхождении нефти. Вероятно, на этом пути будут сделаны наиболее крупные обобщения.

Важнейшее значение эта проблема имеет и для эволюционной биохимии. Сходство в определенных отношениях нефти с живым веществом поможет на примере генезиса нефти понять многие черты предбиологической эволюции, особенности систем, находящихся на высокой стадии химической эволюции.

Не приходится сомневаться, что современная наука решит эту нелегкую проблему. И когда дискуссия о генезисе нефти утихнет, можно будет сказать: "Причина того, что она продолжалась так долго, в том, что разные ученые имели разные мнения о том, какие факты важно объяснять".