Теории происхождения нефти
Что такое НЕФТЬ, как она образовалась? Есть несколько гипотез и теорий по этому вопросу. В познании генетической природы нефти и условий её образования можно выделить несколько периодов.
Первый период (донаучный) продолжался до средних веков. Так, в 1546 Георгий Агрикола писал, что нефть и каменные угли имеют неорганическое происхождение; последние образуются путём сгущения и затвердевания нефти.
Второй период — научных догадок — связывается с датой опубликования труда М. В. Ломоносова «О слоях земных» (1763), где была высказана идея о дистилляционном происхождении нефти из того же
органического вещества, которое даёт начало каменным углям.
Третий период в эволюции знаний о происхождении нефти связан с возникновением и развитием нефтяной промышленности. В этот период были предложены разнообразные гипотезы неорганического (минерального) и органического происхождения нефти, а также космического.
Органическая теория
Основы этой теории были положены М.В.Ломоносовым в середине XVIII века. В одном из своих трактатов он писал: Выгоняется подземным жаром из приготовляющихся каменных углей она бурая и черная масляная материя и сие есть рождение жидких разного сорта горючих и сухих затверделых материй, каковы суть каменное масло, жидовская смола, нефть, гагат, и сим подобное, которые хотя чистотой разнятся, однако из одного начала происходят". Позднее эта теория менялась и варьировалась, но суть теории такова – органический материал, преобразованный сначала в уголь, а потом в нефть. Правда, другие гипотезы того времени носили курьезный характер. Один варшавский каноник утверждал, что Земля в райский период была настолько плодородна, что на большую глубину содержала жировые примеси. После грехопадения этот жир частично испарился, а частично погрузился в землю, смешиваясь с разными веществами. Всемирный потоп содействовал превращению его в нефть. Известны и другие не менее "научные" гипотезы о происхождении нефти. Авторитетный немецкий геолог-нефтяник Г.Гефер рассказывает об одном американском нефтепромышленнике конца прошлого века, считавшем, что нефть возникла из мочи китов на дне полярных морей. По подземным каналам она проникла в Пенсильванию. Гениальная догадка М. В. Ломоносова об образовании нефти в результате воздействия повышенной температуры на биогенное органическое вещество осадочных пород начала получать подтверждение в конце XIX- начале XX веков при проведении экспериментальных химических и геологических исследований. Немецкие ученые Г.Гефер и К.Энглер в 1888 году поставили опыты по перегонке рыбьего жира при температуре 400 С0 и давлении порядка 1 МПа. Им удалось получить и предельные углеводороды, и парафин, и смазочные масла, в состав которых входили алкены, нафтены и арены. Позднее, в 1919 году, академик Н.Д.Зелинский провел похожий опыт, но исходным материалом послужил органический ил растительного происхождения – сапропель – из озера Балшах. При его переработке удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан. Так опытным путем была доказана теория органического происхождения нефти.
3.2 Минеральная теория
Первым высказал эту теорию в 1805 году А.Гумбольдт. В 1866 году французский химик М.Бертло высказал предположение, что нефть образовалась в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей теории он провел несколько экспериментов, искусственно синтезировав углеводороды из неорганических веществ. Опыты учёных 1860-1870-ых годов по неорганическому синтезу углеводородов послужили отправной точкой для развития этой теории. 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. Например, в первой половине XX века интерес к гипотезе минерального происхождения нефти в основном был потерян. Поиски нефти велись во всем мире, исходя из представлений о ее органическом происхождении. С 1950 года снова начал возрастать интерес к минеральной гипотезе, причиной чего была, по-видимому, недостаточная ясность в ряде вопросов органической концепции, что и вызвало ее критику. Наибольшую известность получили представления Н. А. Кудрявцева. Они заметно изменялись во времени, но сущность их заключаются в том, что нефть и газ образуются в глубинных зонах Земли из смеси и в результате реакций прямого синтеза углеводорода из CO, а также полимеризация радикалов CH. Геологические доказательства минеральной гипотезы - наличие следов метана и некоторых нефтяных углеводородов в глубинных кристаллических породах, в газах и магмах, извергающихся из вулканов, проявления нефти и газа по некоторым глубинным разломам и т. п. - являются косвенными и всегда допускают двойную трактовку. Абиогенная теория (минеральная) о происхождении нефти получила новые доказательства – от астрофизиков. Исследования спектров небесных тел показали, что в атмосфере Юпитера и других больших планет, а также в газовых оболочках комет встречаются соединения углерода с водородом. Ну, а раз углеводороды широко распространены в космосе, значит в природе все же идут и процессы синтеза органических веществ из неорганики.
Космическая теория
В 1892 году М. А. Соколовым была выдвинута гипотеза космического происхождения нефти. Суть ее сводится к тому же минеральному синтезу углеводородов из простых веществ, но на первоначальной, космической стадии формирования Земли. Предполагалось, что образовавшиеся углеводороды находились в газовой оболочке, а по мере остывания поглощались породами формировавшейся земной коры. Высвобождаясь затем из остывавших магматических пород, углеводороды поднимались в
верхнюю часть земной коры, где образовывали скопления. В головах и хвостах комет обнаружили радикалы, куда входят те же элементы. Космическое пространство содержит в достаточном количестве эти элементы, которые либо под воздействием высоких температур, либо под действием радиоактивного излучения образуют радикалы. При снижении температуры радикалы соединяются и молекулы, что, вероятно, и происходит в космосе. Астрофизические наблюдения и прямые космические исследования показали, что на планетах земной группы (Венера, Марс, Луна) отсутствуют углеводородсодержащие соединения. Если бы на поверхности или в атмосфере планеты были найдены углеводороды, то неоспоримость доводов сторонников неорганического происхождения нефти была бы очевидна. Исследования метеоритов, т.е. обломков тел, находящихся на границе планет земной группы с зоной планет-гигантов, показали присутствие в них органических соединений: углеводородов, аминокислот, гетероциклических соединений. Следует отметить одну особенность выделенных из метеоритного вещества парафиновых углеводородов: они состоят в основном из нормальных углеводородов. Своего рода сенсацией явилось открытие у углеводородов метеоритного происхождения оптической активности. Приведенные данные, казалось бы, говорили в пользу возможного образования углеводородов Земли из соединений, содержащихся в составе обломков родительских космических тел. Это органическое вещество в недрах Земли могло претерпеть изменения, превратившие его в нефть.
Этапы происхождения нефти
Нефть — результат литогенеза. Она представляет собой жидкую (в своей основе) гидрофобную фазу продуктов фоссилизации (захоронения) органического вещества в водно-осадочных отложениях в бескислородных условиях.
Нефтеобразование — стадийный, весьма длительный (обычно 50-350 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;
- апокатагенезкерогена 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 нефтяныхместозарождений.
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.
История науки знает много случаев, когда вокруг какой-нибудь проблемы
разгораются жаркие споры. Такие споры идут вокруг проблемы происхождения нефти.
1 этап - с древнейших времён по 1760. В этот период представления о
происхождении нефти, так или иначе, были связаны с различными представлениями о "флогистоне", происхождение Земли и др. Первая теория была сформулирована в 950 годы арабским учёным Их - Ван - эс-Сафа. "Вода и воздух - писал он - созревают действием огня и образуют огненную серу и водяную ртуть. Эти два вторичных элемента смешиваются с разным количеством земли и в зависимости от температуры образуют минералы, находящиеся в земле, включая битуминозную субстанцию, такие, как нефть. Поэтому они имеют "высокий" воздух и нефть, сжимается и огнеопасны. " В конце 17 века (1697)итальянский учёный П. С. Бекконе, ссылаясь на мнение англ. учёного В. Чарметона, считая, что янтарь и битумы имеют одинаковое происхождение и нефть образуется "вулканическими силами из земли и серного начала", В качестве доказательства он приводил пример
землетрясения 1683 года, которое повлияло на интенсивность нефтепроявлений в Сицилии. Судя по работе французского учёного Н. Лемери, в конце 17 века существовало представление об образовании нефти в результате перегонки янтаря; каменный уголь является остатком этой перегонки. Однако сам Лемери считал, что нефть образуется в результате перегонки битума. Пожалуй, самое интересное предположение высказал в начале 18 века немецкий учёный П. Ф. Генкель. По его мнению, нефть образуется из остатков животных и растений. Существование к 1739
году представления о нефти были обобщены русским академиком И. Вейбрехтом, который, разделяя мнение о нефти как о смеси "огненной", водной и земляной субстанций, в то же время считал, что нефть либо образовалась под влиянием тепла Земли, либо находилась в её недрах изначально. На основании нахождения нефти в теплых странах вблизи морей с соленой водой и длительности ее притоков снизу. Вейбрехт считал, что нефть - "это преобразованная, огненная сущность солей, оставляемая морской водой. При чрезмерном накоплении горючих веществ в одном месте при их воспламенении происходят землетрясения и оседания почвы".
Любопытен вывод этого исследования о том, что "масляные части растений близки по своим свойствам к нефтяным маслам". На этом основании делалось предположение: «быть может, огненные и масляные части всех растений происходят от нефти, которую растения вытягивают из земли». Эти представления завоевывали все большее и большее признание. В 1750 немецкий ученый Шпильман писал, что нефть образуется из растений, преимущественно из ели. Член французской академии наук, химик по специальности П.Ж. Макер в 1758 высказал мнение о том, что битумы
образуются в результате взаимодействия "растительных масел " и "кислот".
2 этап (1761-1859).Этот этап продолжался почти 100 лет. Он начался с
работы М.В.Ломоносова. В середине 18 века в своем трактате "О слоях земных", великий русский ученый писал: " Выгоняется подземным жаром из приготовляющихся каменных углей бурая и черная масляная материя... и сие есть рождение жидких разного сорта горючих и сухих затверделых материй, каковы суть каменного масла, жидковская смола, нефть. Которые хотя чистотой разнятся. Однако из одного начала происходят" Таким образом, более 200 лет назад была высказана мысль об органическом происхождении нефти из каменного угля. Исходное вещество было одно: органический материал, преобразованный сначала в уголь, а потом в нефть и газ. Родилась органическая гипотеза. М.В.Ломоносов был не единственный, кто высказался по интересующему нас вопросу в 18 веке. Правда, другие гипотезы того времени носили курьёзный характер. Так, один варшавский каноник утверждал, что Земля в райский период была настолько плодотворна, что на большую глубину содержала жировые примеси. После грехопадения этот жир частично испарился, а частично погрузился в землю, смешиваясь с различными веществами. Всемирный потоп содействовал превращению его в нефть. Также известна ещё одна гипотеза.
Авторитетный немецкий геолог-нефтяник Г.Гефер рассказывает об одном
американском нефтепромышленнике конца прошлого века, считавшим, что нефть возникла из мочи китов на дне полярных морей. По подземным каналам она проникла в Пенсильванию. Немецкий химик К. Райхенбах в 1834 привел перегонку каменного угля с водой и получил 0,0003% масла, очень похожего на скипидар и на нефть Италии. На основании этого он предположил, что нефть "представляет собой скипидар доисторических пиний (итальянских сосен), находилась в углях в готовом виде и выделялась
из них под действием теплоты Земли". В 19 веке среди учёных были распространены идеи, близкие к представлениям Ломоносова. Споры велись главным образом вокруг исходного материала: «животные или растения?».
3 этап (1860-1905). Немецкие учёные Г. Гефер и К. Энглер в 1888 поставили опыты, доказавшие возможность получения нефти из животных организмов. Позднее, в 1919 академиком Н.Д.Зелинским был осуществлен опыт, исходным материалом которого был органогенный ил преимущественно растительного происхождения из озера Балхаш. При его перегонке были получены: сырая смола-63,2%, кокс-16%, газы (метан, окись углерода, водород, сероводород.)-20,8%. При последующей переработке смолы из нее извлекли бензин, керосин и тяжелые масла. Итак, опытным путём было доказано, что нефть - производные при разложении органики либо животного, либо растительного происхождения, либо их смеси. Таковой была органическая гипотеза. Но также существовала и неорганическая гипотеза, выдвинутая Д. И. Менделеевым, и получившая название карбидной. Ученый считал, что во время горообразовательных процессов по
трещинам, рассекающим земную кору, поверхностная вода просачивалась вглубь Земли к металлическим массам. Взаимодействие ее с карбидами железа приводило к образованию окислов металла и углеводорода. У.В. по тем же трещинам поднимались в верхние слои земной коры и насыщали пористые породы, образуя месторождения. Однажды, побывав в г. Баку, Менделеев от русского учёного Г.В. Абиха узнал, что часто месторождения нефти территориально приурочены к сбросам - особого типа трещинам земной коры. В этом Менделеев видел неоспоримые доказательства своих воззрений. Таким образом, к концу прошлого столетия четко обособились 2 полярных взгляда на проблему происхождения нефти: органическая и неорганическая.
4 этап (1932-1950). Выход в свет в 1932 книги академика И. М. Губкина "Учение о нефти " положил конец колебаниям между указанными группами представлений, и в течение последующего этапа господствовала гипотеза образования нефти из рассеянного органического вещества, накапливавшегося в значительных количествах в осадках морских бассейнов.
5 этап (1951 - настоящее время). Этот этап можно смело назвать этапом становления теории органического происхождения нефти, или, как ее правильно назвал Н.Б. Вассоевич, теории осадочно-миграционного происхождения нефти и углеводородных газов. Начало данного этапа следует считать 1950 год потому, что именно этот год почти одновременно с советскими и американскими учёными были обнаружены У.В. в современных осадках. Американские исследователи под руководством П.В.Смита открыли углеводороды в современных осадках Мексиканского залива, прикалифорнийской части Тихого океана, а также некоторых пресноводных бассейнов. И хотя дальнейшие исследования показали, что углеводороды, содержащиеся в современных осадках, существенно отличаются от нефти, значение указанных открытий трудно переоценить.
Они показали, во-первых, что углеводороды образуются в осадках из остатков растительных и животных организмов. Тем самым был положен конец продолжавшейся в течение более двух столетий дискуссии о том, какое органическое вещество может быть исходным для образования нефти. Во-вторых, оказалось, что процессы нефтегазообразования могут развиваться почти в любых субаквальных осадках и что для этого не требуется каких-то особых экстраординарных условий.