ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО В ПРИРОДЕ

Прежде, чем перейти к рассмотрению особой группы осадочных пород – каустобиолитов, рассмотрим как возникает и накапливается в осадках и в осадочных породах литосферы органическое вещество.

Важнейшим процессом, в результате которого в конечном итоге возникли месторождения нефти и газа, явился фотосинтез, при котором световая энергия преобразуется в химическую. В основе его лежит переход водорода из воды в углекислый газ и образование органического вещества в форме глюкозы и кислорода. Из глюкозы аутотрофные организмы могут синтезировать полисахариды, например целлюлозу и крахмал.

Б. Тиссо и Д. Вельте приводят уравнение фотосинтеза, при котором зеленые растения, используя солнечный свет, накапливают энергию (h*v) образуя глюкозу (формула 1).

6СО2+12Н2О=h*v=С6Н12О6+6О2+6Н2О (1)

Древнейшая жизнь на Земле началась около 3,7-3,3 млрд. лет назад, но скачок накопления энергии в результате фотосинтеза произошел около 2 - 1,8 млрд. лет назад (рис.2.2.) с перехода на кислородную атмосферу, что вызвало появление новых групп организмов, и их расцвет привёл к формированию каустобиолитов.

В современных условиях по данным Б. Тиссо и Д. Вельте только 18% общего количества углерода планеты в осадочных породах имеет органическую природу, тогда как 82% углерода осадочного генезиса присутствует в форме карбонатов. По мнению этих исследователей, весь атмосферный кислород, который в настоящее время входит в состав карбонатов и силикатов, образовался в процессе фотосинтеза, а соотношение кислорода и углерода в атмосфере Земли соответствует этой пропорции в составе углекислого газа.

Вслед за фитопланктоном и бактериями третьим по важности поставщиком органического вещества в осадки являются высшие растения.

С докембрия до девона естественным продуцентом первичного органического вещества оставался морской фитопланктон. Начиная с девона все более возрастающая доля стала переходить высшим наземным растениям. В настоящее время считается, что морской фитопланктон и высшие наземные растения производят примерно равное количество органического углерода. Таким образом, продуцентами органического вещества являются в основном четыре группы организмов: фитопланктон, зоопланктон, высшие растения и бактерии (рис.2.2.).

Рис.2.2. События в истории Земли, которые повлияли на эволюцию жизни. До 2 млрд. лет на Земле не происходило массового образования органического вещества (по Б. Тиссо и Д. Вельте, 1981 г).

Учитывая, что в атмосфере содержание кислорода составляет 21%, а в воде на 1 литр приходится только несколько миллиграммов растворенного кислорода, логично предположить, что накопление органического вещества в осадках может происходить только в субаквальных осадках (морях, болотах).

Ткани отмерших организмов состоят из следующих веществ: белков-протеинов, липидов, углеводов и лигнина у высших растений (табл. 3). Вот определение этих терминов из словарей в Интернете с некоторыми упрощениями или уточнениями из других словарей.

Белки - природные высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот, которые соединены пептидными связями в длинные цепи. Белки - основа кожи, шерсти, шелка и других натуральных материалов. В зависимости от формы белковой молекулы различают фибриллярные и глобулярные белки. Протеины - Простые белки, основа, на которой построены отдельные клетки животного организма и растения. [От греч. πρω̃τος — первый, важнейший].

Липиды (от греч. lípos — жир), жироподобные вещества, входящие в состав всех живых клеток и играющие важную роль в жизненных процессах.

Лигнин - органическое полимерное соединение, содержащееся в клеточных оболочках сосудистых растений. Пропитывая оболочки лигнин и целлюлоза вызывают одеревенение растений. Древесина лиственных пород содержит 2О-3О% лигнина, хвойных - до 5О%. В водрослях лигнин не обнаружен.

Углеводы - органические соединения, в состав которых входят углерод, кислород и водород. Углеводы - в растениях - первичные продукты фотосинтеза и основные исходные продукты биосинтеза других веществ. Подвергаясь окислительным превращениям, обеспечивают все живые клетки энергией, входят в состав клеточных оболочек и других структур, подразделяются на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Целлюлоза (франц. cellulose - от лат. cellula, букв. - комнатка, здесь - клетка) (клетчатка), полисахарид, образованный остатками глюкозы; главная составная часть клеточных стенок растений, обусловливающая механическую прочность и эластичность растительных тканей. В коробочках хлопчатника содержится 95-98% целлюлозы, в лубяных волокнах 60-85%, в стволовой древесине 40-55%. В природе разложение целлюлозы осуществляют организмы, имеющие целлюлазу.

В отличие от морских организмов, высшие наземные растения, включая большую часть древесной растительности, содержат главным образом целлюлозу (30-50%) и лигнин (15-25%).

В додевонское время всю биомассу составляли бактерии, сине-зеленые водоросли и более высокоразвитые водоросли, обитавшие в море. Представителем более древних ископаемых природных сообществ организмов являются докембрийские угли водорослевого происхождения – шунгиты.

С начала девонского периода начинается все возрастающая дифференциация животного и растительного мира, и завоевание растениями континентов. В субаквальных осадках в составе остаточного, сформированного биологическим путем органического вещества, можно встретить три основных природных комбинации (табл. 3).

Таблица 3. Основные химические компоненты морского планктона в процентах от сухого веса (по Б. Тиссо и Д. Вельте, 1981 г).

Следует отменить, что органическое вещество преимущественно наземного происхождения с высоким содержанием лигнина и углеводов характеризуется соотношением Н/С примерно 1,0-1,5 и наибольшей степенью ароматичности структуры. В органическом материале, образованном главным образом остатками автохтонного морского планктона, величина соотношения Н/С достигает примерно 1,7-1,9. Это органическое вещество имеет алифатическую и алициклическую структуру. В силу некоторых особенностей, благоприятными условиями для накопления обогащенных органическим материалом осадков являются зоны континентальных шельфов в зонах со спокойными водами: лагуны, эстуарии и глубокие впадины с ограниченной циркуляцией вод, а также – континентальные склоны. Вследствие особенностей химического состава устойчивы для сохранения в осадке липидные (или жироподобные) вещества как водонерастворимые соединения. Они лучше сохраняются входя в состав детритового органического материала (в меньшей степени - в состав растворенного органического материала) делая содержащие их осадки потенциально нефтематеринскими породами.

Все остальные вещества в водной среде гидролизуются, и, как следствие, в дальнейшем участвуют в пищевой пирамиде и в осадках не сохраняются. Наиболее обогащены подобным детритовым материалом алеврито-глинистые породы (табл. 4).

Таблица 4. Изменение содержания органического вещества в осадках серии Викинг Канады в зависимости от размерности пород (по Б. Тиссо и Д. Вельте, 1981 г).

Обогащённые органическим веществом осадки способны формироваться в любом районе, где сохраняется высокий уровень поставки органического материала, относительно спокойных гидродинамический режим и средние скорости накопления тонкозернистых минеральных частиц. Минеральные частицы пелитовой (глинистые минералы) размерности легко адсорбируют органический материал. Эта тонкая минеральная взвесь вместе с взвешенными частичками детритового органического вещества характеризуется низкой плотностью и поэтому выносится из районов с высоким уровнем гидродинамической активности в зоны распространения более спокойных вод.

Для накапливающихся здесь тонкоразмерных осадков характерен ограниченный доступ растворенного молекулярного кислорода, вследствие чего возрастает вероятность сохранения органического вещества. При возрастании скорости седиментации наступает разубоживание и формируются осадки с низким содержанием органического вещества.

Липиды, сохранившиеся в осадках и преобразованные в результате проявления диагенетических и катагенетических процессов, называются битумами. При повышенном их содержании формируются битуминозные породы, такие как битуминозные песчаники, известняки. Особенностью битумов является их способность растворяться в скипидаре, хлороформе и других растворителях. Выделяется также группа веществ, которых в названных жидкостях не растворимы, но при прокаливании породы они выделяют летучие компоненты. Это - пиробитумы. К ним относятся такие твердые битумы, как антраксолиты, альбертиты, шунгиты.

Форма нахождения органических веществ в осадочных породах весьма различна. Различают: растительный детрит; капли и комочки, выполненные органическим материалом (в том числе кусочки окаменевшей смолы); органическое вещество может находиться в форме сорбентов на поверхности минеральных частиц породы; кроме того, органическое вещество может находиться и в рассеянной форме, например в виде органического вещества, входящего в состав кристаллической решетки минералов породы.

При изучении петрографического состава пород при помощи поляризационного микроскопа принято подразделять фрагменты органического вещества на три группы:

1-ая группа включает тонкодисперсное ОВ, размер частиц которого менее 0,005 мм. Оно практически не видимо и усматривается в виде серого оттенка породы, так как находится в основном в сорбированном состоянии;

2-ая группа включает мелкий спорово-пыльцевой и растительный детрит с размером частиц органического вещества более 0,005 мм. Здесь органическое вещество уже отделяется от вмещающей породы и различимо в виде мелких фрагментов.

3-ья группа включает органическое вещество, попавшее в породе уже в процессе постседиментационного преобразования, в катагенезе или эпигенезе. Их размер и форма нахождения зависит от вторичных процессов, преобразующих вмещающую породу. Они либо развиты по микростилолитам или трещинам, либо выполняют поры или каверны в породе. Это – капли нефти, мигрирующие по трещинам и порам породы.

В морских и озёрных осадках сохраняются липиды, остальные органические вещества, попавшие в осадок гидролизуются, переходят в сахарах и уходят на питание микроорганизмов, обитающих в водоёмах.

Благоприятными условиями для накопления обогащенных ОВ морских осадков являются зоны континентальных шельфов в зонах со спокойными водами: лагуны, эстуарии и глубокие впадины с ограниченной циркуляцией вод, а также – континентальные склоны.

САПРОПЕЛИТЫ

Веществом, на примере которого наиболее ярко видны принципы формирования нефти из осадочных пород, обогащенных органическим веществом, являются сапропели. Сапропель (сапрос – гнилой, пилос – ил) (рис. 2.3.) формируется в результате разложения анаэробными бактериями (без доступа кислорода) остатков членистоногих, водорослей, планктона с формированием в результате органогенного ила и характеризуется высоким содержание органического углерода или С орг.

Рис. 2.3. Относительное положение залежей торфа и сапропеля в условиях озерно-болотного ландшафта. (В.Н. Волков, 2005г.)

Сапропель выглядит как однородная бурая масса полупрозрачная в тонких прослоях, напоминающая засохший столярный клей. Процессы преобразования пород типа сапропелей происходит в результате их погружения на определенную глубину, в результате чего возрастают температура и давление, и, как следствие, исходное органическое вещество породы обезвоживается, в нем возрастает содержание водорода, уменьшается содержание кислорода и азота. В качестве возможного источника протонефти рассматривается также гумусовое органическое вещество, слагающие многие угольные месторождения нашей планеты.

Исходное органическое вещество осадочных пород при их погружению на глубину попадает в зону все возрастающих температуры и давления. В этих породах постепенно происходят процессы преобразования, в результате которых остаются преимущественно измененные липиды, и формируется протонефть. Считается, что минимальное давление, при котором начинает формироваться первые месторождения нефти, отвечает перекрытию вышележащими породами более 900 м.