double arrow

Эволюционный подход


В целом история разработки вопросов происхождения нефти характеризуется постоянно возникавшими противоречиями между химическими и геологическими аргументами и законами. Геологическое мышление долгое время было таково, что большинство геологов придерживалось органической концепции. 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. В то же время не мало фактов, свидетельствующих о генетической связи нефти и живого вещества.

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 железных и магниевых, как в живом веществе), сходный состав микроэлементов. В последние 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 системоткрытость, 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 предшествующем пути развития при существовании, развитии, воспроизведении систем в определенных материальных изменениях субстрата развития.

Как следует из теории химической эволюции открытых каталитических систем Руденко П.И., 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.

Еще одно противоречие: 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 нативной и первичной нефтью. Н. Д. Зелинский считал возможной первичной нефтью "нефтеподобную смолу", которая "под давлением водорода и постепенно, насыщаясь им, дает нефть. А. Ф. Добрянский показал возможность образования нефтяных углеводородов через термокаталитические превращения сложных гетероциклических соединений, продукты полимеризации которых могут быть частью смолистых веществ нефти. Рассеянный в породах "зрелый" кероген, который многие сторонники биогенной концепции рассматривают в качестве исходного вещества нефти, представляет собой совокупность макромолекул, которые составлены из конденсированных и циклических ядер, соединенных гетероатомными связями или алифатическими цепочками.

Все эти обоснованные химические представления противоречат факту вторичного залегания нефти в месторождениях, так как отсутствует (это уже отмечалось) 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.

Понятно, что 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 Д.И. Менделеевым: "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 силикатных и алюмосиликатных катализаторах при температурах порядка 400-800 °С, в настоящее время подробно изучаются. В смолообразных продуктах был идентифицирован широкий спектр полициклических ароматических углеводородов, аналогичных тем, которые обнаружены в природных объектах эндогенного минералообразования (изверженных и вулканических породах, минералах, рудных жилах).


Сейчас читают про: