Происхождение нефти имеет несколько теорий, каждая из которых имеет право на существование. У каждой есть множество известных приверженцев и достаточное число научных трудов и обоснований. На этой странице мы расскажем о том, как образуется нефть в природе и опишем наиболее популярные теории происхождения этого ресурса.
Современная мировая экономика не может обойтись без нефти. Именно поэтому ее все чаще сравнивается с золотом. Спрос на этот энергоресурс возрастает с каждым днем, позволяя компаниям, занимающимся добычей углеводородов, получать солидные прибыли. Каково же происхождение нефти? Почему одни страны богаты этим ресурсом, а другие страдают от его недостатка?
Для того, чтобы понять, как образуется этот ресурс, важно разобрать его состав. Нефть состоит из:
Откуда взялась нефть на нашей планете? Проанализировав состав этого вещества ученые разработали несколько теорий происхождения нефти. Причем каждая из них имеет многочисленное число сторонников и ярых противников остальных теорий. Наиболее популярные гипотезы происхождения нефти:
Современные теории происхождения нефти появились в начале XIX века и лишь в XX столетии приобрели более научный вид. Но, о том, как образуются углеводороды в недрах земли, спорят и по сей день. На данный момент ученые не пришли к единому мнению на этот счет. Поэтому точного ответа на вопрос, откуда берется это вещество под землей, вам никто не даст.
Биогенное происхождение нефти является одной из самых популярных гипотез образования «черного золота» в недрах нашей планеты. На сегодняшний день, эта гипотеза более популярна в кругу академических ученых. Согласно ей, эта жидкость возникла в результате разложения растений и животных на дне различных водоемов. Останки в результате различных химических процессов разлагались. Находящиеся на глубине более 3000 метров они высвобождали углеводороды. Органическая теория происхождения нефти может быть возможной только в условиях высоких температур (140 – 160 градусов).
Жидкие углеводороды, освободившись из органической массы, заполняют собой пустоты. Сегодня их называют месторождениями. Нефть, которая находится на большой глубине, содержится при температуре окружающей среды около 200 градусов. Высокая температура позволяет выделить из нее природный газ.
Биогенную теорию происхождения «черного золота» впервые в России сформулировал М. В. Ломоносов. Известные ученые того времени были практически единодушными в природе образования этого ресурса. Единственным камнем преткновения был исходный материал. Некоторые считали его доисторическими растениями, другие – животными.
М.В. Ломоносов
Версии биологического происхождения нефти имеют свою доказательную базу. Немецкие специалисты Энглер и Гефер провели опыт по перегонки рыбьего жира под высоким давлением и температуры. Им удалось получить вещество, состав которого отдаленно напоминал нефть. Русский ученый Н. Д. Зелинский провел похожий опыт, но взял за исходный материал растительный ил озера Балхаш. Ему удалось получить бензин, керосин, метан и тяжелые металлы.
Не прошел мимо этого вопроса и Д. И. Менделеев. Видный ученый считал, что нефть образовалась в результате реакции воды, попадающей в разломы горных пород и встречающейся с карбидами железа. В лабораторных условиях ученый смог подтвердить свою теорию, но многие геологи ее опровергли, посчитав невозможным «стерильный» результат в природных условиях.
Абиогенная теория происхождения нефти является второй по популярности. Кроме Д. И. Менделеева ее сторонниками являются такие видные ученые своего времени как А. Гумбольд, Н. А. Кудрявцев, Т. М. Голд и другие. Успех этой теории связан с удачными экспериментами по выявлению этого вещества из минерального сырья в лабораториях. Неорганическое происхождение нефти в конце XIX века стала одной из главных гипотез происхождения этого маслянистого вещества.
Д. И. Менделеев называл свою абиогенную теорию – карбидной. И хоть многие геологи не соглашались с его доводами, эксперимент по доказательству этой версии подтвердил ее право на существование. Известный химик считал, что земля состоит из расплавленного железа. Карбиды, которые являются спутниками этого металла, являются исходным материалом для образования самого значимого полезного ископаемого в истории человечества.
После реакции воды с карбидами, образуемые при такой реакции вещества, поднимались выше и окончательно формировались за счет более низких температур. Этот процесс, по мнению сторонников гипотезы, происходит постоянно. Поэтому, уменьшение запасов «черного золота» не грозит человечеству.
А вот основатель советской нефтяной геологии Иван Михайлович Губкин был главным противником теории Менделеева и всегда выступал с критикой в ее адрес. Он считал, что базальтовый пояс не даст воде проникнуть к ядру земли и встретится с карбидами железа.
Многое сделал для понимания образования углеводородов в недрах земли знаменитый американский геолог Арвилл Леворсен. Он придерживается осадочно-миграционной теории происхождения.
Главной альтернативой вышеописанных гипотез является космическая теория происхождения нефти. Ее основоположник, В. Д. Соколов считал, что образование этого ресурса стало возможным благодаря попаданию на землю неорганических компонентов из космоса. Теория стала возможным, после подтверждения наличия углеводородных радикалов на звездах и метеоритах.
Нефтяная космическая теория находит новых последователей каждый день. Современные исследовательские орбитальные станции, телескопы для проведения спектрального анализа далеких объектов и другие технические возможности науки доказывают право этой гипотезы на существование.
Последние исследования показали наличие метана и аммиака в атмосферах близких планет: Юпитера, Нептуна, Урана и Сатурна. Это позволяет сделать вывод, что углеводород может содержаться на любом космическом теле.
По сути, образование жидких углеводородов по этой версии можно отнести как к органической, так и неорганической теории. Уже доказано, что метеориты могут принести на землю не только минералы, но и различные бактерии и микроорганизмы, которые могут стать сырьем для нефти.
Периодически появляются новые версии образования «черного золота». Она предлагает в качестве источника этой жидкости рассеяное органическое вещество, содержащееся в осадочных породах.
Сегодня популярна альтернативная теория происхождения нефти, разработанная российскими учеными из Института проблем нефти и газа РАН. Специалисты сформулировали свою теорию, основываясь на круговороте углерода и воды в природе. Дождевая вода содержит углерод в виде гидрокарбоната. Он попадает в землю и приобретает форму для дальнейшего формирования нефти, которая формируется и попадает в природные резервуары, называемыми осадочными бассейнами.
Согласно этой гипотезе, таким образом формируется 90% нефти и только 10% ее было получено в результате разложения органических останков животных и растений.
Как и в случае с абиогенной теорией, скорость восстановления нефтяных запасов происходит не тысячелетиями, а всего лишь, десятками лет. При этом, основоположники этой теории считают, что чем интенсивнее человек будет перерабатывать углеводороды, тем быстрее они будут попадать обратно в землю и образовывать новые нефтяные массы.
Нефть является важнейшим ресурсом в истории человечества. Именно ископаемые углеводороды стали причиной значительного технического прогресса. Последние данные показывают, что этого ресурса хватит еще на 70 – 80 лет. За это время необходимо перейти на альтернативные виды топлива. Иначе человечеству придется очень сложно. Именно это толкает ученых на изучение возможности переработки солнечной и ветряной энергии.
«Черное золото» сравнивают с кровью экономики и об образовании жидких углеводородов спорят не одно десятилетие. Ведь главным вопросом, который занимает большинство умов, является не природа образования нефти, а та скорость, с которой восстанавливаются запасы углеводородов. Ведь чем быстрее происходит образование этого ресурса, тем дольше человечество сможет прожить до перехода на новый.
oilgazinfo.ru
Нередко называют нефть «чёрным золотом», так как приносит она неплохую прибыль тем людям, кто ее добывает. Многие задаются вопросом о том, как образовалась нефть и какой ее состав. Далее попробуем разобраться в этом.
В состав нефти входят следующие компоненты:
- Углеводородный. Делится эта составляющая, в свою очередь, на нафтеновые, метановые и элементы ароматического типа.
- Асфальтосмолистый. Делится группа данных элементов и на растворимые в бензине вещества. Они называются асфальтенами. А также на нерастворимые элементы (смолы).
- Зольный. Это различные химические вещества, образующиеся при сжигании нефти.
Данный продукт бывает двух видов. А именно существует сырая и очищенная нефть. В первом случае имеется в виду вещество, которое образовалось в природе. Помимо прочего, в ее состав входят обломки горных пород, газы, вода и соли. Из-за того что эти компоненты ничего полезного человеку не несут и вредят оборудованию нефтедобытчиков, от них избавляются путем очистки нефти.
Из указанного полезного ископаемого изготавливают пластмассу, чистящие средства, краски, взрывчатые вещества. Солярку и бензин также вырабатывают из нефти. Даже автомобильные шины производят из этого полезного ископаемого. Еще из нефти изготавливают некоторые лекарственные препараты.
Указанное ископаемое – это топливное сырье. А от этого и происходит преобразование энергии. А именно механической, тепловой и т.д. Если нефтяные запасы исчерпаются, то людям придется ей искать замену. Данное вещество заменит, скорее всего, водород, содержащийся в воде. Но человечество еще должно научиться осуществлять получение энергии из водорода. На сегодняшний день ученые работают над этим вопросом.
Рассмотрим этот пункт подробнее. Есть две теории о том, как образовалось нефть. Они на сегодняшний день имеют своих противников и сторонников среди ученых.
Теорию № 1 называют биогенной. Согласно ей, процесс образования нефти осуществлялся из органических остатков различных животных и растений на протяжении многих миллионов лет. Эту теорию впервые выдвинул знаменитый русский ученый Ломоносов М.В.
Человеческая цивилизация намного быстрее развивается, чем темпы образования нефти. Поэтому она является невозобновляемым природным ресурсом. Согласно биогенной теории, нефть в недалеком будущем иссякнет. Некоторые ученые прогнозируют, что добыча «черного золота» будет длиться не больше 30 лет.
Иная теория намного оптимистичней и предоставляет надежду крупнейшим нефтяным компаниям. Называют ее абиогенной. Основоположником данной теории стал Д.И. Менделеев. Однажды, навестив Баку, он познакомился со знаменитым геологом Германом Абихом, который с ним поделился своими мыслями насчет того, как образовалась нефть. Абих заметил, что все большие месторождения указанного ископаемого расположены в основном рядом с трещинами и разломами земной коры.
Приняв к сведению данную информацию, Менделеев создал собственную теорию о том, как образуется нефть в природе. Она гласит, что поверхностные воды, которые проникают вглубь коры земной через трещины, вступают в реакцию с металлами и их карбидами. В результате этого образуются углеводороды. Они поднимаются постепенно по тем же самым трещинам в земной коре. Со временем в этих местах образуется нефтяное месторождение. Этот процесс длится не более 10 лет.
Данная теория о том, как образовалась нефть на земле, дает право утверждать ученым, что запасов этого вещества хватит еще на многие столетия. То есть месторождения этого полезного ископаемого смогут восстанавливаться, если человек будет на время добычу прекращать. Это сделать в условиях постоянного роста численности населения абсолютно невозможно. Одна надежда остается на новые месторождения. На сегодняшний день приводятся работы по выявлению новейших доказательств истинности абиогенной теории. Известный московский ученый показал, что если нагреть до 400 градусов любой углеводород, который обладает полинафтеновой составляющей, то будет происходить выделение чистой нефти. Это является достоверным фактом.
В лабораторных условиях можно получить данный продукт. Это научились делать еще в прошлом веке. Зачем же люди добывают глубоко под землей нефть, а не получают ее путем синтеза? Дело в том, что у нее будет огромная рыночная стоимость. Ее производить совсем невыгодно.
Тот факт, что данный продукт получать можно в лабораторных условиях, подтверждает вышеуказанную абиогенную теорию. Ее в последнее время поддерживают многие.
Рассмотрим для сравнения происхождение этого полезного ископаемого. Умершие живые организмы, опустившись на дно моря, находились в такой среде, где они не распадались ни в результате окисления (там отсутствует практически воздух и кислород), ни под действием микробов. В итоге из них образовывались илистые осадки. Благодаря геологическим движениям, опускались они на большие глубины, проникая в земные недра. На протяжении миллионов лет подвергались эти осадки действию высоких температур и давлений. В результате этого проходил определенный процесс в этих отложениях. То есть углерод, который содержался в осадках, переходил в соединения, называемые углеводородами. Этот процесс является немалозначимым в образовании указанного вещества.
Углеводороды высокомолекулярные являются жидкими веществами. Из них и создалась нефть. А вот низкомолекулярными углеводородами являются вещества газообразного типа. В природе встречается их немалое количество. Как раз из них природный газ и получается. Только для этого необходимы более высокие давления и температура. Поэтому там, где добывают нефть, всегда присутствует и природный газ.
Со временем многие отложения данных полезных ископаемых ушли на значительную глубину. На протяжении миллионов лет их перекрыли осадочные породы.
Рассмотрим и эту терминологию. Ценою на нефть является наличие денежного эквивалента соотношения предложения и спроса. Здесь имеется определенная взаимосвязь. То есть если падает предложение, то до выравнивания со спросом стоимость растет.
Цена на нефть также зависит от котировки фьючерсов или контрактов на данный продукт того или другого сорта. Это является существенным фактором. Благодаря оперативной котировке нефти иногда выгодно торговать фьючерсами на фондовых индексах. Стоимость данного продукта обозначается в международном формате. А именно в американских долларах за баррель. Так, стоимость в 45.50 на UKOIL означает, что 1 баррель указанного продукта марки Brent стоит 45.50 $.
Цена на нефть – это очень важный показатель для фондового рынка России. Его значение имеет большое влияние на развитие страны. В основном динамика данного показателя определяется из того, какая экономическая ситуация в Соединенных Штатах. Это немаловажно знать в решении вопроса о том, как образуется цена на нефть. Для эффективного прогнозирования динамики фондовой биржи необходим обзор стоимости данного полезного ископаемого за определенное время (за неделю), а не только то, какая цена сегодня.
Все вышеизложенное содержит немало полезной информации. Ознакомившись с данным текстом, каждый сможет разобраться в решении вопроса о том, как образуется нефть и газ в природе.
fb.ru
Нефть - жидкий горючий минерал, который встречается в осадочных породах Земли [1-4]. Состав нефти представляет собой сложную смесь многих сотен различных углеводородов и соединений, содержащих помимо углерода и водорода разные количества серы, азота, кислорода и металлов. По внешнему виду нефть - маслянистая жидкость от темного до светлого цвета в зависимости от содержания в ней смолистых веществ. Она легче воды, практически не растворима в ней, ее относительная плотность обычно от 0,80 до 0,92. Вязкость нефти значительно выше, чем воды. Температура кипения составляющих нефть разных углеводородов и фракций изменяется от 40-50 °С до высоких температур (вплоть до 500-600 °С). Свое название нефть получила от персидского слова «нафата», что означает «просачивающаяся, вытекающая». Появление нефти на Земле до сих пор остается темой непрекращающихся научных дискуссий (в основном двух взаимоисключающих гипотез - ее органического и неорганического происхождения).
Согласно гипотезе неорганического происхождения нефти (абиогенная гипотеза) углеводороды образовались в результате превращения неорганических соединений. Еще в 1805 г. немецкий ученый А. Гумбольдт утверждал, что нефть происходит из примитивных горных пород, под которыми покоится энергия всех вулканических явлений. В 1876 г. французский химик М. Бер-тло, искусственно синтезировав углеводороды из неорганических веществ, высказал предположение, что нефть образовалась в недрах Земли из минеральных соединений.
В 1876 г. русский ученый Д. И. Менделеев изложил свою «карбидную» гипотезу образования нефти, согласно которой вода, просачиваясь в недра Земли и взаимодействуя с карбидами металлов, в частности железа, под воздействием высоких температур и давления образует углеводороды и соответствующие оксиды металлов. Подтверждением абиогенной теории служили опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов при воздействии серной кислоты (h3S04) на чугун, содержащий значительные количества углерода. В 1878 г. французские ученые, обрабатывая соляной кислотой (НС1) зеркальный чугун и водяными парами железо при белом калении, получили водород и углеводороды, которые даже по запаху напоминали нефть.
Значительный вклад в развитие гипотезы о неорганическом происхождении нефти внес известный ленинградский геолог-нефтяник Н. А. Кудрявцев. В 1950-е годы, обобщив огромный геологический материал о нефтяных и газовых месторождениях мира, он создал свою магматическую гипотезу происхождения нефти, по которой в мантии Земли при высоких температуре и давлении из углерода и водорода сначала образуются углеводородные радикалы, которые, поднимаясь в слои земной коры (в области более низких температур и давлений), взаимодействуют друг с другом и с водородом, превращаясь в нефть. Перемещаясь как вертикально, так и горизонтально в породе по трещинам, образовавшаяся нефть скапливается в ловушках не только в верхних слоях Земли, но и в глубине. Эти представления Н. А. Кудрявцева подтверждаются все большей глубиной (более 10 км) бурения нефтяных скважин.
Но «карбидная» гипотеза не объясняет появления всех углеводородов разнообразного строения, которые имеются в нефти. Наряду с вулканической гипотезой происхождения нефти русский геолог В. Д. Соколов в 1889 г. выдвинул космическую теорию, согласно которой газовый сгусток постепенно переходил в жидкую фазу, а содержащиеся в нем углеводороды (соединения углерода с водородом) растворялись в жидкой магме, превращающейся по мере охлаждения в твердую земную кору, по трещинам в которой углеводороды поднимались в верхние ее слои, образуя скопления нефти и газа.
Уже в наше время, объединив вулканическую и космическую гипотезы в единое целое, новосибирский исследователь В. А. Сальников предположил, что в результате столкновения спутника с Землей активизировалась вулканическая и горообразовательная деятельность. Миллиарды тонн вулканического пепла и грязевые потоки завалили в глубоких недрах Земли принесенные из космоса углеводороды, где под действием высоких температур и давлений они превратились в нефть и газ.
Сущность органической гипотезы происхождения нефти заключается в том, что нефть и газ появились из органического вещества, которое первоначально было в рассеянном состоянии в осадочных породах. Предполагается, что таким органическим веществом были отмершие остатки микрофлоры и микрофауны (планктон и др.), развивавшиеся в морской воде, к которым примешивались остатки животного и растительного мира. Основные процессы преобразования погребенного в осадочных породах органического вещества происходили после погружения на значительные глубины, где под воздействием высоких температур и давлений, а также из-за каталитического действия горных пород органическое вещество превращалось в углеводороды нефти. На это потребовались сотни (около 570) миллионов лет, что, однако, составляет всего около 10 % истории Земли. Еще в 1888 г. немецкие ученые Г. Гефер и К. Энглер получили предельные углеводороды, парафин и смазочные масла при перегонке рыбьего жира при температуре 400 °С и давлении порядка 1 МПа.
В 1919 г. русский ученый академик Н. Д. Зелинский при переработке органического ила растительного происхождения (сапропель из озера Балхаш) получил бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан.
Академик И. М. Губкин в своей книге «Учение о нефти» (1932 г.) в качестве исходного вещества для образования нефти также рассматривал сапропель - битуминозный ил растительно-животного происхождения. Пласты, обогащенные органическими остатками, перекрываются более молодыми отложениями, предохраняющими ил от окисления кислородом воздуха с последующим его превращением под воздействием анаэробных бактерий. В пласте по мере тектонических перемещений его в глубину возрастают температура и давление, что приводит к преобразованию органики в нефть. Взгляды И. М. Губкина на образование нефти лежат в основе современной гипотезы ее биогенного происхождения, согласно которой процесс формирования нефтяных месторождений включает в качестве основных стадии осадконакопления и преобразования органических остатков в нефть.
Член-корреспондент АН СССР А. А. Воробьев выдвинул предположение, что кроме температуры и давления в природных процессах участвует и электричество. Так, метан, выделяющийся из органических соединений под воздействием электрического разряда, возникающего при контакте горных пород в ходе тектонических процессов, превращается в ацетилен, этилен и другие углеводороды, входящие в состав нефти.
Основоположник современной геохимии нефти академик В. И. Вернадский в начале XX в. также придерживался биогенной гипотезы происхождения нефти: «Организмы, несомненно, являются исходным веществом нефтей». Согласно гипотезе, высказанной В. И. Вернадским, в строении нефти, газа, каменного угля и других пород участвуют углерод и его соединения, которые являются частью глобальной геохимической системы круговорота
в земной коре (рис. 1.1). Основным из этих соединений является диоксид углерода (С02), содержание которого в атмосфере оценивается в 4 • 10й т. При этом ежегодно в результате фотосинтеза и выветривания из атмосферы поглощается более 8 • 108 т С02. То есть в отсутствие кругооборота углерод за тысячи лет мог бы полностью исчезнуть из атмосферы и быть «захороненным» в горных породах, где запасы С02 примерно в 500 раз больше, чем в атмосфере.
Метан (СН4) также является переносчиком углерода, а его содержание в атмосфере составляет 5 • 109 т. Однако из атмосферы часть СН4 попадает в стратосферу и далее в космическое пространство. Кроме того, метан расходуется и в результате фотохимических превращений. Если учесть, что продолжительность существования молекулы СН4 в атмосфере около 5 лет, то для того чтобы пополнить его запасы, в атмосферу ежегодно должно поступать около 109 т метана из подземных запасов в виде метанового испарения или «газового дыхания Земли».
В настоящее время источниками поступления углерода считаются мантия Земли при извержении вулканов и дегазация недр за счет «газового дыхания» планеты. При этом пополнение углеродных запасов происходит в результате затягивания осадков океанической породы в мантию при надвигании плит друг на друга. В значительно меньшей степени (Ю“10 от общего количества ежегодно «складируемого») углерод поставляется вместе с метеоритным веществом из космического пространства.
Об органическом происхождении нефти и газа образно пишет профессор МГУ Б. А. Соколов: «Нефть - результат физико-химических реакций при столкновении двух противоположных движущихся потоков: опускающейся органоминеральной волны осадочных слоев, содержащих органическое вещество и испытывающих катагенетические превращения, с одной стороны, и поднимающейся флюидной, осуществляющей тепломассоперенос из недр Земли к ее поверхности - с другой».
Большинство белорусских ученых (академик Национальной академии наук Беларуси и Российской академии наук Р. Г. Гарецкий, члены-корреспонденты НАН Беларуси Р. Е. Айзберг и А. В. Кудельский) связывают генезис нефти и природного газа с органической (осадочно-миграционной) теорией. Их позиция обусловлена тем, что почти все известные скопления нефти и углеводородных газов приурочены к осадочным толщам и районам развития так называемых нефтегазоматеринских (нефтегазогенерирующих) комплексов. Отмечается очень большое сходство большинства органических соединений, обнаруженных в осадочных породах, с углеводородами, составляющими основную массу нефти, при этом показано, что в составе нефти органическое вещество имеет биогенное происхождение. В соответствии с осадочно-миграционной теорией нефтегазоность недр является историческим явлением. Она зависит от количества и качества органического вещества генерационных пород, интенсивности их погружения на большие глуби-ны (2-10 км и более) в условиях нарастающей высокотемпературной среды (от 60-80 до 150-200 °С).
В связи с этим все поисково-разведочные работы по обнаружению новых месторождений нефти и газа на территории Беларуси основаны на концепции их органического происхождения.
В то же время, по мнению академика Р. Г. Гарецкого, выявленные случаи нахождения нефтепроявлений в кристаллических или изверженных породах (если они не связаны с перетоком из осадочных толщ) могут быть свидетельством возможности генезиса нефти и нафтидов и неорганическим (абиогенным) путем. Но такие нафтидопроявления несоизмеримо более редки, чем нефтепроявления в осадочных комплексах.
Белорусский ученый, член-корреспондент НАН Беларуси Ю. М. Плеска-чевский в конце 1980-х годов предложил радиационно-химическую гипотезу генезиса нефти, которая основана на известных явлениях взаимодействия ионизирующих излучений с веществом. Согласно этой гипотезе, нефть образуется как из органического вещества осадочной толщи, так и из углеродистых газов глубинного и сверхглубинного происхождения. Под влиянием естественной радиации земных пород газы мантийного (абиогенного) происхождения, такие как метан и низкомолекулярные углеводороды, присутствующие и в продуктах деструкции органических веществ, «захороненных» в осадках, т. е. биогенного происхождения, полимеризуются и превращаются затем в нефть. При этом глубина этих превращений в значительной мере определяется поглощенной дозой радиации, которая и обусловливает образование различной по составу и вязкости нефти.
В пользу радиационно-химической гипотезы образования нефти свидетельствует присутствие в ней природных радиоактивных веществ: урана, тория и т.п., а также соединений ванадия (концентрация которого в тяжелых
нефтях и природных битумах нередко превосходит его концентрацию в твердых рудах), германия, никеля и др., являющихся основой эффективных катализаторов полимеризации и химических превращений низкомолекулярных углеводородов в нефть.
Вследствие своей подвижности нефть и газ, так же как и вода, способны передвигаться в толще пористых пластов осадочных пород. Эти перемещения называются миграцией. При вертикальной миграции нефть и газ скапливаются в так называемых ловушках, т. е. в таких участках пористых горных пород, откуда дальнейшая миграция невозможна. Скопления нефти в этих ловушках называются нефтяными залежами (рис. 1.2). Если количество нефти и газа в залежи достаточно велико или в данной структуре пластов горных пород имеется несколько залежей, то говорят о нефтяном, нефтегазовом или газовом месторождении.
enciklopediya-tehniki.ru
Существование современной мировой экономики немыслимо без таких полезных ископаемых, как нефть и газ, поэтому нефть нередко называют «чёрным золотом», поскольку высокий спрос на этот энергоресурс позволяет нефтяным компаниям получать солидные прибыли. Многих интересует вопрос о том, каково происхождение нефти и газа и что вообще такое нефть. В этой статье мы постараемся доступным языком ответить на эти вопросы.
Нефть – это сложная смесь различных химических веществ, в которой преобладают два элемента – углерод и водород, соединения которых называются углеводороды.
Итак, нефть состоит из следующих химических соединений:
Сырая нефть для практического применения непригодна. Для того, чтобы получить практически применимые продукты, её подвергают переработке на нефтеперегонных заводах (НПЗ). Промысловая нефть бывает сырой и товарной. Сырая нефть – это то вещество, которое образовалось в природе естественным путем. В ней содержатся растворенные газы, соли, вода и обломки горной породы.
Все эти нежелательные примеси не только бесполезны с практической точки зрения, но еще и крайне негативно влияют на применяемое оборудование и на трубопроводы, по которым сырье поступает на переработку. Поэтому на нефтяных промыслах нефть перед закачкой в магистральный нефтепровод проходит предварительную очистку. Именно после этих процессов и получается нефть, называемая товарной.
Список получаемых из этого полезного ископаемого продуктов весьма обширен. Это и всем известные виды моторных топлив (бензины, дизельное топливо, авиационный керосин и так далее), а также котельное и судовое топливо (мазут) и различные виды масел (смазочные, трансмиссионные и так далее).
Кроме того, из нефтяного сырья делают пластмассы, растворители, краски, чистящие средства и взрывчатые вещества. Автомобильные шины также делают из сырья, полученного из «черного золота». Это полезное ископаемое не зря называют важнейшим энергоносителем, поскольку основное его предназначение – топливное сырье. А уже топливо путем сжигания преобразуется в тепловую, механическую и другие виды энергии.
В настоящее время наиболее популярными теориями, объясняющими образование нефти в природе, являются две гипотезы происхождения нефти. Оба этих предположения имеют в ученом мире как своих ярых сторонников, так и своих непримиримых противников.
Первая теория – биогенная.
Она гласит, что нефть образовалась из органических останков самых разных видов растительного и животного мира, и продолжался этот процесс в течение многих миллионов лет. и животных и растений на протяжении многих миллионов лет. Первым эту гипотезу высказал знаменитый на весь мир русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.
Если принять эту теорию за основу, то перспектива человечества в плане этого энергоресурса выглядит совсем не радужной. Дело в том, что наша цивилизация развивается гораздо быстрее, чем происходит естественное образование нефти в природе.
Другими словами, человечество выкачивает её намного больше, чем успевает создать природа, вследствие чего это полезное ископаемое относят к так называемым невозобновляемым ресурсам. Сторонники этой теории уверены, что в скором будущем запасы черного золота закончатся, и человечеству понадобятся альтернативные источники энергии.
Вторая теория в этом плане выглядит более оптимистичной, особенно для нефтяной промышленности. Она называется абиогенная.
И тут первым, кто выдвинул эту гипотезу, стал российский ученый Дмитрий Иванович Менделеев. Как-то раз, будучи в Баку, он познакомился с весьма известным в те времена геологом, которого звали Герман Абих. Именно этот геолог, на основании имеющихся у него научных геологических данных, рассказал Менделееву о том, что все наиболее крупные нефтяные месторождения, как правило, располагаются поблизости от разломов и трещин земной коры.
Приняв эту информацию к сведению, Дмитрий Иванович разработал собственную теорию о природном происхождении этого полезного ископаемого. Он предположил, что через такие трещины и разломы поверхностные воды проникают вглубь земной коры, после чего они вступают в реакцию с содержащимися в ней металлами и их карбидными соединениями.
По мнению ученого, именно в результате этого процесса и происходит образование углеводородов. Затем, по тем же разломам и трещинам, они со временем поднимаются ближе к поверхности, что и приводит к появлению нефтяного или газового месторождения. Главным в этой теории является то, что, по мнению Менделеева, длительность этого процесса не превышает десяти лет.
Если верить этой гипотезе, то углеводородных запасов нашей цивилизации хватит еще на много веков, поскольку разрабатываемые ныне месторождения будут постепенно восстанавливаться, если на некоторое время прекратить их разработку.
Биогенная теория происхождения нефти
Однако, в условиях колоссального спроса на этот энергоресурс, который постоянно увеличивается в связи с постоянным ростом численности населения земного шара, прекратить добычу на уже эксплуатируемых месторождениях не представляется возможным. Вся надежда – только на новые, еще не тронутые запасы сырья.
В настоящее время абиогенная теория набирает все большую популярность, поскольку развитие современных технологий позволяет ученым находить все больше доказательств её истинности. К примеру, научно доказано и проверено многочисленными экспериментами, что при нагревании до температуры четыреста градусов Цельсия любой содержащий полинафтеновые соединения углеводород, то начинается выделение чистой нефти. И это – научно доказанный достоверный факт.
«Позвольте!» – спросите вы, – «если нефть можно получать в лабораториях, то зачем тогда вообще тратить огромные средства на её добычу из земных недр?» Тут все не так просто, и главная проблема заключается в том, что себестоимость искусственной нефти очень высока. Другими словами, по тем ценам, по которым её станут продавать, её никто не купит, и производство такого продукта будет нерентабельным. Получение этого продукта в лабораторных условиях было интересно лишь с научной точки зрения, поскольку сама возможность такого процесса лишний раз подтверждала теорию Менделеева.
Давайте для сравнения рассмотрим происхождение и этого ценного природного энергоносителя. Согласно сложившемуся сейчас мнению, опустившиеся на морское дно умершие живые организмы, попали в такую среду, где нет кислорода и микроорганизмов, в результате чего их распада не происходило (из-за отсутствия окислительных процессов и воздействия микробов). Как итог – накапливались илистые осадки. В процессе движений геологических пластов земной коры, эти осадки опускались на все большую и большую глубину, проникая при этом в недра Земли.
В течение многих миллионов лет этот ил находился под воздействием высоких температурных значений и высокого давления, вызывавшее в этих осадках определенные химические и физические процессы. Содержавшийся в этих отложениях углерод начинал образовывать соединения с водородом (углеводороды). Высокомолекулярные углеводороды это жидкие вещества, которые входят в состав нефти. А низкомолекулярные углеводороды – это как раз газообразные химические соединения, из которых и образуется всем известный природный газ.
Именно поэтому в местах нефтедобычи всегда есть и углеводородные газы, называемые попутными, хотя на нашей планете есть и залежи чистого природного газа, без наличия в них жидкого нефтяного сырья. Эта теория как раз подтверждает биогенную гипотезу М.В. Ломоносова, поэтому однозначного ответа на вопрос о происхождении нефти до сих пор нет.
Так какие можно сделать выводы из всего вышесказанного?
Точно сказать, как образуются углеводородные полезные ископаемые, ученые в настоящее время дать не могут. Обе существующие в современном научном мире гипотезы находят свое подтверждение, и окончательно опровергнуть одну из них пока не удается.
Если верна теория Ломоносова, то человеческой цивилизации необходимо срочно искать альтернативные источники энергии, поскольку если запасы природных углеводородов будут исчерпаны, мировую экономику ждет очень глубокий кризис. Исходя из худшего, мировая наука активно работает в этом направлении. Уже сейчас научились делать топливо из растений, использовать энергию ветра и приливных волн для выработки электрической энергии, далеко продвинулись разработки в области электрического автомобилестроения, и работы в этой сферы постоянно продолжаются.
Однако пока равнозначной замены нефти ученые предложить не могут, и «черное золото» остается важнейшим природным энергоносителем для всей человеческой цивилизации.
Мало кто сомневается, что человеческий ум, запустивший ракету в космос и опустившийся на дно мирового океана, найдет выход из этой ситуации, какая бы теория происхождения нефти и природного газа не оказалась истинной. К примеру, водорода, из которого можно делать топливо, в водах мирового океана предостаточно.
Тут вопрос в другом – когда научно-технический прогресс сделает альтернативные источники энергии такими же дешевыми и доступными, как углеводороды. И если это произойдет позже, чем закончатся запасы привычных энергоресурсов, то переход мировой экономики на новые источники энергии может оказаться весьма болезненным.
Непрерывный синтез нефти в недрах земли! Доклад советнику президента РФ!
Загрузка...neftok.ru
Относительно теории происхождения нефти учёные к единому мнению не пришли. Это очень сложный вопрос, и проблема его разрешения не по силам пока ни геологии газа и нефти, ни всему естествознанию, которое в данный момент доступно человечеству. О происхождении нефти говорят не только теоретики, но и практики. Знаменитейший геолог-нефтяник И. М. Губкин в тридцатых годах прошлого века писал об этом много и интересно, обсуждая различные теории происхождения нефти. Мы вообще можем только догадываться, что за процессы прошли в течение миллиардов лет под земной корой, наша планета для нас во многом ещё загадка. Человек мало знает об истинном ходе процессов геоэволюции, поэтому теории происхождения нефти весьма многочисленны.
Когда человечество получит полные знания об условиях, которые способствуют возникновению нефти, когда изучит, как именно формируются залежи её в земной коре, когда познакомится со всеми без исключения структурными формами пластов, их литологическими особенностями, которые благоприятны для появления и скопления нефти, - только тогда разведка и поиск месторождений будут проводиться действительно целесообразно. Как только начала развиваться геологическая наука, наметились две основные теории происхождения нефти. Первая связывает её образование с живым веществом. Это органическая теория происхождения нефти. Вторая говорит о том, что и газ, и нефть возникли благодаря синтезу водорода и углерода при высоких давлениях и температурах в глубине земной коры. Это неорганическая теория происхождения нефти.
История утверждает, что органическая теория появилась позже неорганической: до середины девятнадцатого века нефть добывалась только там, где соприкасалась с поверхностью земли - в Калифорнии, в Средиземноморье, в Венесуэле и некоторых других местах. Немецкий учёный Гумбольдт предполагал, как образуется нефть: так же, как асфальт, в результате действия вулканов. Чуть позже, во второй половине девятнадцатого века, химики уже умели в лабораториях синтезировать ацетилен С2Н2 с углеводородами метанового ряда. Ещё позже нашим Дмитрием Ивановичем Менделеевым была предъявлена миру собственная "карбидная", а не органическая теория происхождения нефти. Геолог и учёный Губкин яростно её критиковал.
В 1877 году мэтр выступил в Русском химическом обществе относительно гипотезы происхождения нефти. Она была основана на огромном фактическом материале, а потому немедленно стала популярной. Судя по предъявленным доказательствам, все на тот момент открытые месторождения сконцентрировались на краях горно-складчатых образований, они вытянуты в длину и расположены вблизи зон крупных разломов. По Менделееву, через разломы вглубь Земли попадает вода и вступает в реакцию с карбидами металлов, таким образом, способствуя возникновению нефти, которая затем поднимается и образует залежи. Формула Менделеева выглядит так: 2FeC+3h3O=Fe2O3+C2H6. Судя по его гипотезе (как образуется нефть), процесс этот происходит всегда, а не только в далёкие геологические периоды.
И. М. Губкин карбидную теорию критиковал повсеместно. Этот вариант не может удовлетворить хорошо знающего геологию человека, который уверен, что нефть вполне прекрасно образовалась и там, где вообще нет никаких разломов, проводящих воду к жидким карбидам. Таких трещин просто не существует в природе - от ядра Земли к поверхности. Базальтовый пояс не даст ни воде проникнуть вглубь, ни готовой нефти подняться наружу. Тем более что против этой теории говорит вся нефть, сегодня добываемая с огромных глубин. Аргументом Губкину служило ещё и то, что нефть, образованная неорганическим путём, оптически неактивна, а вот природная - активна, даже способна вращаться в плоскости поляризации света.
Очень популярна была и космическая теория относительно того, как образуется нефть. Сегодня, с наступлением на космос современных технологий, и она потерпела сокрушительное фиаско. Русский геолог Н. А. Соколов обнародовал свою теорию космического происхождения нефти в далёком 1892 году, основываясь на том, что углеводороды существовали на нашей планете всегда, в самом первозданном её виде, а образовывались они при высоких температурах, когда Земля только формировалась. Охлаждаясь, планета поглощала нефть, растворяя её в жидкой магме. После образования твёрдой земной коры магма как бы отдала углеводороды, которые по трещинам и поднялись в верхние её части, где сгустились от охлаждения и образовали некие скопления. Аргументами Соколову служило то, что углеводороды были обнаружены в массе метеоритов.
Губкин и эту теорию раскритиковал в пух и прах, обвинил в том, что её основаниями служат чисто теоретические выкладки, которые геологическими наблюдениями ни разу не подтверждались. Он вообще был уверен, что неорганической нефти в природе почти нет, а та, что есть, не может иметь практического значения. Основная масса нефтяных залежей всё-таки содержит вещество, прошедшее все стадии образования нефти, и именно органическим путём. Последующее обсуждение этой проблемы происходило почти сто лет, с такими же спорами и отсутствием согласия. Советские учёные-нефтяники выдвинули наиболее обоснованную теорию неорганического происхождения нефти.
Кропоткин, Порфирьев, Кудрявцев и другие их единомышленники попытались доказать, что из водорода и углерода, которых достаточное количество в магме, получаются радикалы СН, Ch3, Ch4, выделяющиеся из неё вместе с кислородом, что и служит исходным материалом в холодных зонах для образования нефти. Кудрявцев был уверен, что абиогенное происхождение нефти позволяет ей проходить вместе с газами в осадочную оболочку планеты по глубинным разломам именно из мантии Земли. Порфирьев возражал, что нефть поступала не в форме радикалов углеводорода из глубинных зон, а уже полностью обладая всеми свойствами готовой естественной нефти, пробиваясь сквозь пористые породы. Он не мог ответить только на вопрос о том, на какой глубине нефть находилась до миграции? Несомненно, что в подкорковых зонах, но вся эта теория так же точно недоказуема, как и предыдущие.
Неорганическое происхождение нефти подкреплялось следующими аргументами:
1. В фундаментальных кристаллических породах тоже есть месторождения.
2. Примеси газа и нефти обнаружены вместе с углеводородами в выбросах вулканов, в "трубках взрыва", в космосе.
3. Углеводороды можно получить лабораторным путём, создавая условия высоких давлений и температур.
4. Углеводородные газы и жидкие флюиды углеводородов присутствуют в скважинах, которые вскрывают кристаллический фундамент (в Швеции, Татарстане и других местах).
5. Органическая теория никак не может объяснить наличие громадных концентраций нефти и гигантских месторождений.
6. Залежи газа имеют кайнозойский возраст, а нефти - постпалеозойский на древних горных платформах.
7. Нефтяные месторождения чаще всего связаны с глубинными разломами.
В последние годы появилось достаточно много публикаций с новыми данными. Например, жидкая нефть обнаружена в океанах, в спрединговых их зонах. Большинство этих фактов говорит о неорганическом происхождении нефти. Однако всё равно она обоснована достаточно скупо и слабо. Потому и сторонников у неё по сей день очень мало. Подавляющее большинство учёных-геологов и за рубежом, и в нашей стране придерживаются органической теории возникновения нефти. Чем же так привлекательна эта теория?
Биогенное происхождение нефти подразумевает возникновение её из органического вещества осадочных субаквальных отложений. Характер этого процесса явно стадийный. Сторонники биогенной теории уверены, что нефть - продукт, получившийся посредством превращения из органического вещества. Это остатки животного и растительного мира в осадочных отложениях морского происхождения, коих на один кубический метр породы соленосных отложений приходятся буквально граммы, но в горючих сланцах на тот же кубический метр осадочных отложений может приходиться до шести килограмм. В глинах - полкилограмма, в алевролитах - двести грамм, в известняках - двести пятьдесят.
Сапропель и гумус - всякий человек, увлекающийся растениеводством, знает, что это такое. Если органическое вещество накапливается под водой, где доступ воздуха недостаточен, но он есть, оно перегнивает, получается гумус - главная часть почвы, обеспечивающая плодородие. Если же под водой, но без доступа кислорода накапливается органическое вещество, тогда происходит "медленная перегонка", восстановительный химический процесс - гниение. Мелкие бассейны с застойной водой всегда имеют огромное количество сине-зелёных водорослей, планктона, в том числе и членистоногих, которые живут недолго и умирают в громадных количествах.
На дне образуется мощный слой органического ила - сапропеля. Таковы прибрежные части морей, лагуны, лиманы. При сухой перегонке сапропель выдаёт двадцать пять процентов веса похожих на нефть жирных масел. А образование нефти - процесс настолько долгий и сложный, что проследить за всеми его стадиями человек не имеет возможности, он находит только результат - огромные месторождения и залежи нефти. А процессы шли тысячелетиями в нефтематеринских свитах, где самые разнообразные отложения формировались на дне океанов и содержали рассеянное вещество органического происхождения в количествах не ниже кларка - четырёхсот грамм на кубический метр.
Нефтематеринские отложения с самым высоким потенциалом - глинисто-карбонатные, в которых содержится органическое вещество сапропель. Называются такие отложения доманикитами. Они есть во всех докембрийских толщах, в системах фанерозоя, причём на одинаковых стратиграфических уровнях совершенно разных континентов. Каким же образом так получилось? Три с половиной миллиарда лет назад на земле зародилась жизнь. В кембрийскую эпоху водная оболочка Земли уже имела самые разнообразные формы органики. Ранний палеозой был представлен необъятными морями и океанами, где водорослей и беспозвоночных уже было огромное количество видов.
И далеко не сразу весь этот органический мир устремился на сушу. Самые лучшие условия для жизни создавались в водоёмах на глубине от шестидесяти до восьмидесяти метров - чаще всего это шельфы подводных границ континентов. Чем ближе к суше, тем органического вещества в отложениях больше. Внутриконтинентальные моря содержат до пятидесяти процентов всей отложившейся органики. Наилучшие условия для создания нефти - прибрежные части морей. Родиной нефти являются древние моря, а не болота в пресноводных бассейнах.
Академик Губкин утверждал, что нефтеобразование не может обойтись без прохождения определённых стадий. Первые - седиментогенез и диагенез, когда идёт формирование газоматеринских и нефтематеринских осадков, то есть - исходного органического вещества. Первая стадия несёт с собой такие биохимические процессы, при которых образуется кероген и изобилие газообразных веществ, которые постепенно рассеиваются.
Некоторая часть их растворяется и концентрируется, иногда даже представляя интерес промышленной добычи (пятьдесят миллиардов кубических метров метана в африканском озере, например, или в Японии тоже из моря добывается газ, в котором до девяноста семи процентов метана). Однако на этой стадии нефть ещё не образовалась. А вот дальнейшее погружение ведёт разведчика к нефтематеринским породам зоны катагенеза, где уже возникают из исходного органического вещества аммиак, сероводород, метан, углекислый газ, а с ними и жидкие продукты углеводородов.
Главной фазой является нефтеобразование в стадии катагенеза на глубине двух-трёх километров отложений при температуре от восьмидесяти до ста пятидесяти градусов по Цельсию. Оптимальными условиями являются как раз те, при которых решающий фактор - высокая температура. Нефтегазогенерация имеет и конкретные зоны по глубине залегания. До ста пятидесяти метров зона биохимическая, для которой характерно развитие в органическом веществе биохимических процессов с выделением газов.
От одного до полутора километров вниз - переходная зона, где затухают все биохимические процессы. Третья зона от полутора до шести километров - термокаталитическая, она особо важна для образования нефти. И четвёртая - газовая, где образуется в основном метан. Видно, что процесс и начинается с образования газа, и сопровождает нефтеобразование на всех этапах, и завершает этот процесс. Зональность эта вертикальная, а распределение углеводородов в месторождениях - горизонтальное.
Раньше нефть добывали там, где она почти вплотную подходит к поверхности. Сейчас добыча её увеличилась многократно, а потому и скважины просто поражают своей протяжённостью. Самые длинные были пробурены в СССР: на Сахалине - гораздо более двенадцати километров, и на Кольском полуострове - 12262 метра. В Катаре горизонтальная скважина более двенадцати километров, в США - две девятикилометровые скважины. В баварских горах Германии есть такая же девятикилометровая скважина, из которой ничего не добывалось и не добывается, хотя потратили на неё триста тридцать семь миллионов долларов. В Австрии было найдено небольшое месторождение нефти, которое неожиданно оказалось гораздо больше разведанного, но нефть обнаружилась на глубине более восьми километров. При ближайшем рассмотрении это скопление оказалось не нефтью, а газом, который добывать было невозможно - геологические особенности этого участка не позволили. А скважину всё-таки пробурили, но не нашли вообще ничего, даже сланцев, которые можно было бы добывать.
Всем странам нужна нефть. Из-за её отсутствия постоянно начинаются войны. Добывается она сейчас в невиданных ранее количествах. Земля уже буквально обескровлена. Эксперты-энергетики подсчитали, на сколько лет хватит нефти, имеющейся в недрах Земли. И оказалось, что уже разведанных запасов осталось всего на пятьдесят шесть лет. Конечно, полностью она не исчезнет. Люди уже умеют добывать нефть из сланцев, нефтеносного песка, из природных битумов и много чего ещё. Венесуэле хватит нефти на сто лет, Саудовской Аравии - почти на семьдесят, России - менее тридцати лет осталось бытия нефтегазовым гигантом.
fb.ru
Нефть — результат литогенеза. Она представляет собой жидкую (в своей основе) гидрофобную фазу продуктов фоссилизации (захоронения) органического вещества (керогена) в водно-осадочных отложениях в бескислородных условиях.
Нефтеобразование — стадийный, весьма длительный (обычно 50-350 млн лет)[1] процесс, начинающийся ещё в живом веществе. Выделяется ряд стадий:
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)[2] также подтвердило неправомочность неорганических гипотез.
Считается, что основным исходным веществом нефти обычно является зоопланктон и водоросли, обеспечивающие наибольшую биопродукцию в водоёмах и накопление в осадках органического вещества сапропелевого типа, характеризующегося высоким содержанием водорода (благодаря наличию в керогене алифатических и алициклических молекулярных структур).
В древности существовали теплые, богатые питательными веществами моря, такие как в Мексиканском заливе и древний океан Тетис, где большое количество органического материала падало на дно океана, превышая скорость, с которой оно могло разложиться. В результате большие массы органического материала были погребены под последующими отложениями, такими как сланец или соль. Это подтверждается наличием толстого слоя соли над месторождениями нефти на Ближнем Востоке. Образование соляных отложений свидетельствует о том, что данные водоёмы длительное время были достаточно мелкими, плохо сообщались с остальным океаном и испарение сильно превышало приток морской воды извне. Впоследствии эти зоны оказались на суше в результате движения континентов. Условия достаточно уникальные, поэтому большую часть современных органических осадков на дне океана ждёт другая судьба — при движении океанической коры они попадают в зону субдукции.
Породы, образовавшиеся из осадков, содержащих такого типа органическое вещество, потенциально нефтематеринские. Чаще всего это глины, реже — карбонатные и песчано-алевритовые породы, которые в процессе погружения достигают верхней половины зоны мезокатагенеза, где вступает в силу главный фактор нефтеобразования — длительный прогрев органического вещества при температуре от 50 °C и выше. Верхняя граница этой главной зоны нефтеобразования располагается на глубине от 1,3—1,7 км (при среднем геотермическом градиенте 4°С/100 м) до 2,7—3 км (при градиенте 2°С/100 м) и фиксируется сменой буроугольной степени углефикации органического вещества каменноугольной. Главная фаза нефтеобразования приурочена к зоне, где углефикация органического вещества достигает степени, отвечающей углям марки Г. Эта фаза характеризуется значительным усилением термического и (или) термокаталитического распада полимерлипоидных и других компонентов керогена. Образуются в большом количестве нефтяные углеводороды, в том числе низкомолекулярные (C5-C15), почти отсутствовавшие на более ранних этапах превращения органического вещества. Эти углеводороды, дающие начало бензиновой и керосиновой фракциям нефти, значительно увеличивают подвижность микронефти. Одновременно, вследствие снижения сорбционной ёмкости материнских пород, увеличения внутреннего давления в них и выделения воды в результате дегидратации глин, усиливается перемещение микронефти в ближайшие коллекторы. При миграции по коллекторам в ловушки нефть всегда поднимается, поэтому её максимальные запасы располагаются на несколько меньших глубинах, чем зона проявления главной фазы нефтеобразования, нижняя граница которой обычно соответствует зоне, где органическое вещество пород достигает степени углефикации, свойственной коксовым углям. В зависимости от интенсивности и длительности прогрева эта граница проходит на глубинах (имеются в виду максимальной глубины погружения за всю геологическую историю данной серии осадочных отложений) от 3—3,5 до 5—6 км.
В познании генетической природы нефти и условий её образования можно выделить несколько периодов.
Основные вехи в длительном процессе научного разрешения вопроса о происхождении нефти намечены русскими учёными. Впервые в 1763 М. В. Ломоносов высказал предположение о происхождении нефти из растительных остатков, подвергшихся обугливанию и давлению в земных слоях. Эти идеи Ломоносова далеко опередили научную мысль того времени, искавшую источники нефти среди неживой природы.
В 1866 французский химик М. Бертло высказал предположение, что нефть образуется в недрах Земли при воздействии углекислоты на щелочные металлы. В 1871 французский химик Г. Биассон выступил с идеей о происхождении нефти путём взаимодействия воды, CO2, h3S с раскалённым железом.
В 1892 В. Д. Соколов изложил гипотезу космического происхождения нефти. По этой гипотезе исходным материалом для возникновения нефти служили углеводороды, содержавшиеся в газовой оболочке Земли ещё во время её звёздного состояния. По мере остывания Земли углеводороды поглотились расплавленной магмой. Затем, с формированием земной коры, углеводороды проникли в осадочные породы в газообразном состоянии, конденсировались и образовали нефти.[1]
Д. И. Менделеев, разделявший вначале представление об органическом происхождении, склонялся к мысли о происхождении её в результате реакций, идущих на больших глубинах, при высоких температурах и давлениях, между карбидами металлов и водой, просачивающейся с поверхности земли.[1] Гипотеза Менделеева о происхождении нефти из неорганического вещества теперь имеет лишь исторический интерес.
Работами советского учёного В. И. Вернадского были доказаны исключительная способность организмов, населяющих нашу планету, концентрировать в литосфере огромные запасы углерода и колоссальная роль последнего в геологических процессах. Советский учёный Н. Д. Зелинский показал, что некоторые соединения углерода, входящие в состав животных и растений, при невысокой температуре и соответствующих условиях могут образовывать продукты, вполне сходные с нефтью по химическому составу и физическим свойствам. Новым этапом в разработке проблемы происхождения нефти было открытие советским учёным Т. Л. Гинзбург-Карагичевой в водах Биби-Эйбата и Сураханов (Баку) на глубине 2000 м живых бактерий, способствующих восстановлению сульфатов. Это натолкнуло на мысль о большой роли микроорганизмов в судьбах погребённого органического вещества и образованной из него нефти. Позднее подобные микроорганизмы были обнаружены и в нефтяных месторождениях США.
Лабораторные исследования показали, что при действии на органические вещества гамма-излучения образуются углеводороды с выделением свободного водорода. Таким образом, наличие радиоактивного распада в породах может вести к образованию свободного водорода для процессов гидрогенизации в природных условиях. Однако роль ионизирующего излучения в происхождении нефти еще недостаточно выяснена. Советский геолог И. М. Губкин, обобщив результаты исследований природы нефти, пришёл к заключению, что процесс её образования непрерывен и неотделим от процессов формирования в недрах земли залежей этого полезного ископаемого независимо от масштаба скоплений. Наиболее благоприятными для образования нефти являются неустойчивые в прошлом участки земной коры на границах областей опускания и поднятия. Сильный размыв суши в этих областях содействовал быстрому накоплению осадков, а значит и погребению органического материала и опусканию его во всё более глубокие зоны земной коры. Это опускание сопровождалось подъёмом температуры и ростом давления, содействовавшим процессам нефте- и газообразования, чему способствовала и деятельность погребённых анаэробных бактерий. В таких областях погружения земной коры при известных условиях могли отлагаться слои, содержащие большие количества органического материала, которые затем вошли в состав нефтепроизводящих или нефтематеринских свит. В передовых прогибах горных хребтов и в геосинклиналях во все геологические эпохи создавались благоприятные условия для образования нефти в бассейнах, где растительные и животные остатки, преимущественно планктон, смешиваясь с неорганическими веществами, послужили началом образования пород, давших впоследствии нефть. Повышенным содержанием органического материала характеризуются глинистые и илистые осадки, заполняющие впадины морского дна, где вода не перемешивается ни волнами, ни морскими течениями и где, следовательно, создаются условия восстановительной среды, благоприятной для сохранения органического материала и его дальнейшего изменения и постепенного превращения в нефть.
В 50—60-е гг. XX в. в СССР (Н. А. Кудрявцев, В. Б. Порфирьев, Г. Н. Доленко и др.) и за рубежом (английский учёный Ф. Хойл и др.) возрождаются различные гипотезы неорганического (космического, вулканического, магматогенного) происхождения нефти. Однако на 6-м (1963), 7-м (1967) и 8-м (1971) Международных нефтяных конгрессах неорганические гипотезы не получили поддержки.
Важным для познания генезиса нефти являлось установление в конце XIX — начале XX вв. оптической активности нефти, а также тесной связи нефти с сапропелевым органическим веществом в осадочных породах. Сапропелевую гипотезу, высказанную впервые немецким ботаником Г. Потонье в 1904—05, в дальнейшем развивали русские и советские учёные — Н. И. Андрусов, В. И. Вернадский, И. М. Губкин, Н. Д. Зелинский и другие. Сапропелевая гипотеза ассимилирована современной теорией осадочно-миграционного происхождения нефти. Развитию представлений о природе нефти и условиях формирования её залежей способствовали также труды немецкого учёного К. Энглера, американских геологов Дж. Ньюберри, Э. Ортона, Д. Уайта, русских и советских учёных — Г. П. Михайловского, Д. В. Голубятникова, М. В. Абрамовича, К. И. Богдановича и других.
Этот период изучения нефти характеризуется организацией широких геолого-геохимических исследований, направленных на решение проблемы нефтеобразования и органически связанной с ней проблемы нефтематеринских отложений. В СССР такие работы осуществлены А. Д. Архангельским в 1925—26. В США аналогичные исследования начаты в 1926 П. Траском. В 1932 была опубликована классическая работа И. М. Губкина «Учение о нефти», сыгравшая огромную роль в развитии представлений о генезисе нефти и формировании её залежей. В 1934 в нефти, асфальтах и ископаемых углях были найдены порфирины, входящие в молекулу хлорофилла и других природных пигментов.
Однако целиком неорганическая теория происхождения нефти не отвергнута. Существуют попытки объединить органическую и неорганическую теории происхождения нефти: с одной стороны, при радиоактивном распаде в ядре Земли образуется водород, который и взаимодействует с углеродом с образованием нефтеподобных веществ, с другой стороны, в нефти имеются биомаркеры — соединения, безусловно, органического происхождения, с которыми встречается «неорганическая» нефть.
Виталий Рафаилович Флид, заведующий кафедрой физической химии Московской академии тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова, доктор химических наук в 2011 г.[3] утверждал: «В нескольких странах — США, Японии, у нас в Троицке — построены установки для моделирования процесса образования углеводородов из карбонатов и воды в присутствии двухвалентного железа. Если смешать карбонат кальция или магния с раствором соли железа и нагревать при высоком давлении, то, как показали наши исследования, абсолютно достоверно образуются углеводороды. По крайней мере, метан. Этот газ из глубин Земли по каналам в породах поступает к поверхности, по ходу движения претерпевая различные реакции с образованием более тяжелых углеводородов. То есть нефти. Это и есть неорганический путь образования нефти. Геологи утверждают, что существуют месторождения нефти, которые были полностью исчерпаны, а потом нефть в них снова появилась. Возможно, это та самая нефть из глубин Земли, которая вряд ли когда-нибудь закончится.»[4]
Абиогенное происхождение нефти (англ.) — Небиологическая теория происхождения нефти.
| В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 1 февраля 2012. |
dic.academic.ru
Вопрос о происхождении (генезисе) нефти и газа имеет большое теоретическое и практическое значение. Решение этого вопроса позволяет облегчить поиск и разведку нефтяных и газовых месторождений, оценить их запасы, правильно организовать добычу и переработку.
Существует много гипотез происхождения нефти.
1) Магматическая
2) Карбидная
3) Органическая
3) Механическая
4) Вулканическая
5) Взрывная
6) Космическая
В настоящее время достаточно хорошо известно, как и в каких геологических условиях скапливаются нефти и природный газ. Вопрос же о происхождении их до сих пор окончательно не решен.
В объяснении происхождения нефти и горючих газов уже более ста лет противоборствуют две основные концепции. Представители одной из них – органики – считают, что нефть и природный газ возникли в осадочном чехле земной коры в результате глубокого преобразования останков животных и растительных организмов, населявших древние моря и озера. Их оппоненты – неорганики – доказывают, что нефть и горючие газы образовались в мантии Земли неорганическим путем. Первая концепция называется органической, или биогенной (греч. «биос» – жизнь, «генесис» – происхождение), вторая – неорганической, или абиогенной (греч. «а» – не).
Гипотеза органического происхождения нефти и газа. Истоки современных представлений о происхождении нефти возникли в XVIII – начале XIX в. Основы гипотезы органического происхождения нефти заложил М. В. Ломоносов, объясняя её образование воздействием «подземного огня» на «окаменелые уголья», в результате чего, по его мнению, возникли асфальты, нефти и «каменные масла». В 1763 г. в своем знаменитом труде «О слоях земных» М.В. Ломоносов писал о нефти:
«Между тем выгоняется подземным жаром из приуготовляющихся каменных углей оная бурая и черная масляная материя и выступает в разные расселины и полости сухие и влажные, водами наполненные...»
Поскольку считалось, что угли произошли из растительных остатков, то и нефти приписывалось растительное происхождение. М.В. Ломоносов обосновывал это, в частности, фактом небольшой плотности нефтей. Там же он писал:
«Увериться можем о происхождении сих горючих подземных материй из растущих вещей их легкостью. Ибо все минералы в воде потопают, нефть по ней плавает». Фактически с этой работы М.В. Ломоносова отсчитывает свою историю концепция органического происхождения нефти и горючих газов.
В своем развитии концепция органического происхождения нефти и природных газов опиралась на достижения различных наук и в первую очередь на геологические наблюдения. Геологи обратили внимание и на то, что скопления нефти и природного газа распространены в земной коре крайне неравномерно. Они приурочены к определенным комплексам осадочных пород. При этом нередко одни продуктивные комплексы отделены от других мощными толщами так называемых непроницаемых пород (глины, соли, ангидриты). Это исключает широкие масштабы попадания нефти и газа из одних комплексов в другие.
Было установлено, что скопления нефти и газа часто находятся в линзах проницаемых пород, окруженных непроницаемыми породами.
Концепция органического происхождения нефти и горючих газов набирала силы и совершенствовалась в острой борьбе как с внешними оппонентами – неорганиками, так и с внутренними. В недрах школы органиков бушевали подчас неуемные страсти. Горячим, например, был спор о том, что являлось исходным веществом для нефти – растения или животные организмы? Победили в конце концов те, кто утверждал: и растения, и животные. Другим предметом спора было место залегания нефти. Одни ученые считали, что нефть находится в залежах на месте своего первичного образования. Это понятие обозначалось латинским термином «in situ» (на месте). Сторонники противоположной точки зрения утверждали, что нефть образовалась в одном месте, а скопилась – в другом, то есть в залежах она находится во вторичном залегании. Победила вторая точка зрения. Как ни трудна была подчас борьба, но нельзя отрицать большую ее значимость для развития науки.
Одним из важнейших является тот факт, что свыше 99,9% известных скоплений нефти и природного газа приурочено к осадочным толщам. Это привело ученых к основополагающему выводу: нефть является продуктом процесса осадконакопления.
Интересными оказались результаты непосредственного изучения состава самих осадочных пород. Во всех осадочных образованиях – от верхнего архея (т. е. с того времени, когда зародилась жизнь на Земле) и до современных осадков – почти всегда содержатся рассеянное органическое вещество и продукты его преобразования. Общее количество органического вещества в породах обычно колеблется в пределах 0,2–0,9% массы осадочных пород. Но среди мощных толщ осадочных пород имеются отдельные пачки пород, обогащенные органическим веществом. Так, глины в среднем в 2–4 раза богаче органическим веществом, чем пески и карбонаты.
Для подтверждения возможности образования нефти органическим путем были проведены специальные экспериментальные исследования.
Более ста лет назад немецкий химик К. Энглер произвел перегонку жира сельди при давлении 1 МПа и температуре 420°С. При этом из 492 кг рыбьего жира были получены 299 кг (61%) масла плотностью 0,8105, а также горючие газы и вода. Масло на 90% состояло из углеводородов коричневого цвета. После дробной разгонки масла в его низших фракциях оказались главным образом метановые углеводороды от пентана и выше. Из фракций, кипящих выше 300°С, был выделен парафин. Кроме того, были получены смазочные масла, в состав которых входили в очень незначительных количествах олефины, нафтены и ароматические углеводороды. Этому продукту перегонки жиров под давлением, отличающемуся по своему составу от природных нефтей, К. Энглер дал название «протопетролеум» (греч. «протос» – первый, англ. «петролеум» – нефть). На основании данного опыта К. Энглер совместно с немецким геологом Г. Гёфером сделали вывод, что нефть образовалась из животных жиров.
Но в тот же период самим К. Энглером и другими исследователями были получены углеводороды и из растительных масел: репейного, оливкового и др.
В начале XX века Г. Потонье выдвинул гипотезу о происхождении нефти из смешанного растительно-животного материала – сапропеля. В 1919 г. академик Н.Д. Зелинский произвел перегонку сапропеля оз. Балхаш. В результате были выделены сырая смола (63,2%), кокс (16,0%) и газ (20,8%). Газ состоял из метана, окиси углерода, водорода и сероводорода. После вторичной перегонки безводной смолы были получены бензин, керосин и тяжелые масла. В состав бензина входили метановые, нафтеновые и ароматические углеводороды.
В 1912 г. К. Энглер высказал предположение об определенной роли природных алюмосиликатов (глины) в процессах образования нефти. В 1921 г. японский ученый Кобаяси получил искусственную нефть при перегонке жира рыб без давления, но в присутствии катализатора – гидросиликата алюминия. Подобные опыты были проведены и другими исследователями. Это натолкнуло их на мысль, что такими катализаторами в природных условиях могут быть глинистые толщи, содержащие первичное рассеянное органическое вещество.
Русский ученый А.Д. Архангельский указал, что именно в глинистых породах происходит преобразование рассеянного органического вещества. Вследствие этого глинистые породы были названы нефтепроизводящими, или нефтематеринскими. И.М. Губкин отметил, что образование нефти из рассеянных в илах органических веществ представляет собой региональный процесс, протекающий на обширных площадях в толщах осадочных пород.
В настоящее время с позиций органической концепции происхождение нефти и горючих газов представляется следующим образом.
Верхние слои воды в морях и озерах населены планктоном – мелкими организмами, прежде всего водорослями, а также ракообразными. Им обязана своим происхождением основная масса органического вещества, захороненного в осадках. После отмирания планктона остатки растительных и животных организмов в огромном количестве выпадают на дно бассейнов и накапливаются в илах, рассеиваясь среди минеральных частиц. Отмирающие организмы падали на дно иногда в количестве 10–100 г на квадратный метр.
С этого момента начинается первая стадия преобразования остатков этих организмов, которую еще называют биохимической. Oна сопровождается разложением органических остатков бактериями и преобразованием рассеянного органического вещества в условиях ограниченного доступа кислорода. Микроорганизмы в первую очередь перерабатывают легкоразрушаемые органические соединения белки, углеводы и др. Как отмечалось выше, из них могут образоваться углеводороды. В процессе разложения рассеянного органического вещества образуется много метана, углекислого газа, воды и незначительное количество жидких и твердых углеводородов.
По мере погружения морского дна неизменно накапливаются илистые осадки, последовательно перекрывающие друг друга. Процесс уплотнения осадка и превращения его в осадочную породу называется диагенезом (греч. «диагенесис» – перерождение). Молодая осадочная порода попадает при погружении в зону катагенеза (греч. «ката» – движение вниз, «генесис» – происхождение), где преобладают химические процессы, обусловленные взаимодействием веществ. В зоне катагенеза начинается новый этап преобразования рассеянного органического вещества, на котором основную роль играют температура и давление. Они возрастают по мере погружения затвердевших осадков и накопления сверху новых отложений.
В захороняющихся илах постепенно затрудняется, а затем и полностью прекращается обмен веществами с придонным слоем воды. Это приводит к гибели микроорганизмов вследствие их отравления продуктами своей жизнедеятельности. В связи с этим биохимические процессы затухают. Если вначале в реакциях участвует кислород среды, то затем они идут лишь за счет внутренних ресурсов кислорода самого органического вещества. Под влиянием высокой температуры начинается разложение более сложных соединений рассеянного органического вещества на менее сложные, в том числе и углеводороды.
Таким образом, с увеличением глубины залегания осадочных пород в разлагающемся органическом веществе растет содержание газообразных углеводородов и рассеянной нефти, которую еще называют микронефтью, или протонефтью.
Как показывают лабораторные опыты, химические превращения органического вещества с образованием микронефти наиболее быстро протекают при температуре 100– 200°С, которая существует на глубине 4–6 км. Однако сторонники органической концепции допускают, что такие же химические реакции могут происходить и на глубине в 2–3 раза меньшей, где температура составляет всего 40–60°С. По их мнению, длительное, в течение многих миллионов лет, воздействие на органическое вещество столь низких температур приводит к такому же результату.
Считается, что после достижения температуры примерно 60°С разложение рассеянного органического вещества ускоряется. В большинстве случаев такая температура характерна для глубины 2–2,5 км. По мере дальнейшего повышения температуры темпы разложения снижаются. Когда нефтематеринские породы, опускаясь в прогибающемся осадочном бассейне, попадают в глубокие зоны земной коры, где температура достигает 150–200°С, начинается деструкция (лат. «деструкцио» – разрушение) нефти. В результате образуются сначала газоконденсат, а затем метан, то есть в этих условиях из рассеянного органического вещества и микронефти образуются только или почти только газообразные углеводороды.
Подобные воззрения привели к возникновению представлений о зональности образования нефти и горючих газов по разрезу, начиная с приповерхностных условий залегания морских илов и до наиболее глубоко залегающих осадочных пород. Так, верхний интервал глубин до 1,5 км выделяется как зона преимущественно газообразования, в интервале 1,5–2,5 км предполагается образование из рассеянного органического вещества максимального количества жидких углеводородов – микронефти. Здесь господствует температура от 60 до 160°С. Эту зону называют очагом нефтеобразования, или главной зоной нефтеобразования. В дальнейшем нижняя граница этой зоны была опущена до 6 км. Считается, что до этой глубины может образовываться нефть. А на больших глубинах, где температура превышает 150–200°С, генерируется в основном метан. Эта зона выделяется в качестве главной зоны газообразования.
К важнейшим вопросам относится вопрос о механизме концентрации рассеянной нефти – микронефти – в различные по масштабам скопления углеводородов. Согласно рассматриваемой концепции глинистые и известковые илы являются нефтематеринскими породами. По мере их погружения и уплотнения рассеянная микронефть вместе с газообразными углеводородами и водой начинает выжиматься из илов в залегающие выше пористые породы (песчаники и др.). Этот процесс получил название первичной миграции (лат. «миграцио» – перемещение). Им заканчивается термокаталитический (греч. «термэ» – теплота, «каталисис» – растворение, разрушение) этап преобразования захороненного в осадках рассеянного органического вещества.
Попавшая в пористые породы микронефть по химическому составу еще не соответствует настоящей нефти. В ней отсутствуют легкие компоненты. А более тяжелая часть имеет далеко не все углеводородные группы. Свойства настоящей нефти микронефть приобретает уже в пористой среде.
В моменты последующих тектонических перестроек микронефть под влиянием гравитационных и других сил начинает медленное перемещение вверх по наклону пластов. Так начинается вторичная миграция нефти и природных газов. Этот момент нужно считать уже началом формирования самого нефтяного месторождения.
Подтверждением, что описанный процесс мог иметь место в прошлом, послужило обнаружение углеводородов в современных илах Черного моря, в газовой фазе современных осадков озер, лиманов и лагун на Таманском полуострове, современных осадках Мексиканского залива, прикалифорнийской части Тихого океана, дельты р. Ориноко и др. Позже нефтяные углеводороды были обнаружены в современных осадках всех водных бассейнов. Известны скопления метанового газа в наземных дельтах рек По, Миссисипи, Волги и др. Из дельтовых отложений рек Янцзы в районе Шанхая (Китай) и Красная в провинции Тхай-Бинь (Вьетнам) газ добывался с помощью неглубоких (15–30 м) скважин и использовался для бытовых нужд местного населения.
Обнаружение в современных осадках углеводородов дает основание предположить, что они являются продуктами начальной стадии преобразования рассеянного органического вещества осадков в нефть.
Значительное большинство геологов и химиков являются сторонниками органического происхождения нефти и газа. Сторонники органической гипотезы (М.В. Ломоносов, В.И. Вернадский, И.М. Губкин, А.Ф. Добрянский и др.) считают, что источниками происхождения нефти были остатки растений и животных, скопившихся в течение многих миллионов лет на дне водоемов в прошлые геологические эпохи в виде ила. Отмершие организмы перекрывались в дальнейшем слоями осадочных пород и под влиянием анаэробных бактерий подвергались биохимическим превращениям. При этом, в основном, происходили сложные процессы гидролиза и восстановление липидов (жироподобные вещества), углеводов, белков и лигнина, содержащихся в организмах.
Большая часть геологических и геохимических наблюдений и фактов лучше подтверждает гипотезу органического происхождения нефти. Особенно убедительно выглядит хорошо доказуемая связь между составом нефти, живого вещества и органического вещества древних осадочных пород и современных осадков.
Основные доказательства биогенной гипотезы:
Ø Территориальное совпадение нефтяных месторождений и зон осадочных пород. На пример, обилие нефтяных месторождений в зоне шельфа морей и океанов, прибрежных зон, зон, где в отдаленные геологические периоды было морское дно.
Ø В составе нефти обнаружены элементы биогенного происхождения, входящие в состав белков, жиров (азот, сера, кислород), а также оптически активные вещества биогенного происхождения.
Ø Углеводороды нефти имеют преимущественно нормальное строение молекул, как и углеводороды биогенного происхождения. В случае образования углеводородов в результате каталитической полимеризации, как следует из первой и второй гипотез, они имели бы преимущественно разветвленное строение.
Однако в последние годы обнаружены большие скопления нефти, не связанные с осадочными породами. Это позволило предположить в качестве варианта биогенной гипотезы, что возможны процессы образования нефти из органического материала, попавшего в глубокие недра земли не путем постепенного осаждения, а в результате геологических процессов, характерных для ранних периодов формирования земной поверхности.
Гипотеза минерального происхождения нефти и газа. Идея о минеральном происхождении нефти впервые была высказана знаменитым немецким естествоиспытателем А. Гумбольдтом в 1805 г. В начале XIX в. он полагал, что нефть имеет глубинное происхождение, основываясь, в частности, на присутствии углеводородов в продуктах деятельности современных вулканов.
Прогресс химии, эксперименты по неорганическому синтезу углеводородов, выполненные М. Бертло (1866) и Г. Биассоном (1871), послужили отправной точкой для развития гипотезы минерального происхождения нефти и газа. В 1866 г. французский химик М. Бертло, проводя опыты, обнаружил, что ацетилен при сравнительно низких температурах может переходить в более тяжелые углеводороды. На этом основании он сделал более общий вывод о том, что углеводородные соединения метеоритов образовались синтетическим путем и что, по-видимому, подобное происхождение имеют углеводороды, содержащиеся в массах планет.
Все гипотезы минерального происхождения нефти объединяет идея синтеза углеводородов, кислород-, серо и азотсодержащих компонентов нефти из простых исходных веществ – С, Н2, СО, СО2, СН4, Н2О и радикалов при высоких температурах и взаимодействии продуктов синтеза с минеральной частью глубинных пород.
Д.И. Менделеев, придерживавшийся до 1867 г. представлений об органическом происхождении нефти, в 1877 г. сформулировал так называемую карбиднуюгипотезу ее минерального происхождения, согласно которой нефть образуется на больших глубинах при высокой температуре вследствие взаимодействия воды с карбидами металлов.
Д.И. Менделеев считал, что основой процесса образования углеводородов является взаимодействие карбидов металлов глубинных пород с водой, которая проникает по трещинам с поверхности на большую глубину. Схема процесса представлялась в следующем виде:
СаС2 + 2Н2О → Са(ОН)2 + С2Н2
Al4C3 + 12h3O → 4Al(OH)3 + 3Ch5
2FeC + 3h3O → Fe2O3 + C2H6
или в общем виде можно записать:
MCm + mh3O → MOm + (Ch3)m
Возникавшие в газообразном состоянии углеводороды, по мнению Д. И. Менделеева, поднимались затем в верхнюю холодную часть земной коры, где они конденсировались и накапливались в пористых осадочных породах. Карбиды металлов в то время в глубинных породах еще не были известны. В настоящее время предположение Д.И. Менделеева подтвердилось, в глубинных породах найдены карбиды ряда элементов (Fe3C, TiC, Сг2С3, WC, SiC). Но крупных скоплений они не образуют; это мельчайшие (доли миллиметра) редко встречающиеся и рассеянные в породах минеральные выделения. Поэтому процесс образования углеводородов в огромных количествах, которые известны в природе, с этих позиций объяснить очень трудно. Не вызывает сомнений сейчас также, что вода с поверхности по трещинам на большие глубины поступать не может. Но это и не существенно, флюидная фаза глубинных пород в определенных условиях воду содержит, поэтому в принципе ее взаимодействие с карбидами реально. Вполне вероятно и образование простейших углеводородов, однако вряд ли это возможно в больших количествах.
КАРБИДЫ (от латинского carbo – уголь) – соединения углерода с металлами, а также с бором и кремнием. Эти соединения обладают удивительным разнообразием физических и химических свойств. Так, карбид золота Au2C2 взрывается уже при попытке пересыпать его с листочка фильтровальной бумаги, на котором он был высушен. С другой стороны, карбиды некоторых элементов (например, бора и тантала) не разлагаются даже при температуре белого каления и настолько химически инертны, что на них не действует царская водка, а по твердости они приближаются к алмазу!
Впервые необычное соединение металла с углеродом (К2С2) получил в 1809 знаменитый английский химик Гемфри Дэви. В 1863 французский химик Марселен Бертло изучил свойства другого карбида – очень неустойчивого и легко взрывающегося карбида одновалентной меди Cu2C2. В 1878 немецкий металлург Ф.Мюллер, растворив образцы стали в разбавленной серной кислоте, выделил карбид железа Fe3C. Но только в конце 19 в. французский химик Анри Муассан, прославившийся получением фтора, синтезировал многие из этих необычных соединений и изучил их свойства. Он получал карбиды, нагревая до очень высокой температуры смеси древесного угля с разными металлами, их оксидами или карбонатами. Для этого он использовал жар вольтовой дуги в электрической печи собственной конструкции.
Карбиды, как оказалось, можно получить не только в лаборатории. Еще до работ Муассана австрийский ученый Э.Вайнсхенк в 1889 открыл в метеоритах минерал когенит, представляющий собой смешанный карбид железа, кобальта и никеля состава (FeNiCo)3C. А сам Муассан в 1904 обнаружил в метеорите, привезенном из каньона Диабло в штате Аризона, темно-зеленый минерал, представляющий собой карбид кремния SiC. Этот минерал в честь ученого назвали муассанитом.
Раньше карбиды классифицировали по их устойчивости к действию воды и кислот, а также по тому, какие газы выделяются при их разложении. Современная классификация учитывает тип химической связи между атомами в карбидах – именно от этого зависят в основном физические и химические свойства. В соответствии с этой классификацией, карбиды можно разделить на три группы, которые довольно сильно отличаются по своим свойствам.
К первой группе относятся так называемые солеобразные карбиды с ионной связью. Эти карбиды образуют щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий, редкоземельные элементы, а также актиноиды. Их состав иногда соответствует типичным валентностям металлов (Al4C3), а иногда – нет (Ве2С). Многие ионные карбиды можно получить непосредственно из элементов (Са + 2С → СаС2) или восстановлением оксидов углеродом (СаО + 3С → СаС2 + СО). Ионный характер связи приводит к высокой температуре плавления; например, карбид кальция СаС2 плавится при 2300°С, карбид тория ThC2 – при 2655°С. Водой или разбавленными кислотами ионные карбиды легко разлагаются – гидролизуются. При этом образуются различные углеводороды и гидроксид металла. Самый известный пример – получение ацетилена гидролизом карбида кальция: СаС2 + 2Н2О → Ca(OH)2 + С2Н2. Ацетилен выделяется также при гидролизе Na2C2, К2С2 и др. Поэтому такие карбиды можно рассматривать как производные ацетилена, в которых атомы водорода замещены атомами металла. При этом катионы металла и анионы С2–2 размещаются в соответствующих узлах кристаллической решетки. Солеобразный характер этих карбидов подтверждается возможностью их электролиза в расплавленном состоянии. Интересно отметить, что чистый карбид кальция – бесцветные кристаллы, хотя увидеть их непросто, так как обычный технический продукт имеет цвет от бурого до черного.
Взаимодействие карбидов щелочных металлов с водой протекает исключительно бурно. Так, если карбид калия просто облить водой, произойдет бурная реакция, которая сопровождается взрывом такой силы, что выделяющийся ацетилен сразу же разлагается с выделением угля. Чтобы провести реакцию К2С2 + 2Н2О → 2КОН + С2Н2, надо медленно пропускать над карбидом водяной пар.
В ряде случаев карбиды ионного типа образуются непосредственно при пропускании ацетилена через растворы солей металлов. Так карбиды серебра, меди(I), золота и ртути, которые чаще называют ацетиленидами. Ацетилениды щелочных металлов можно получить действием ацетилена на свободные металлы. В сухом виде ацетилениды тяжелых металлов легко разлагаются со взрывом. Гидролиз ионных карбидов других металлов показывает, что они «происходят» из других углеводородов. Например, при гидролизе карбида алюминия выделяется метан: Al4C3 + 12h3O → 4Al(OH)3 + 3Ch5 (так же гидролизуется карбид бериллия Ве2С), а при гидролизе карбида магния получается метилацетилен: Mg2C3 + 4h3O → 2Mg(OH)2+ НС≡С–СН3. Интересно, что карбид магния другого состава, MgC2, дает при гидролизе только ацетилен. Иногда при гидролизе ионных карбидов углеводороды выделяются совместно с водородом, который частично гидрирует непредельные углеводороды. С выделением почти равных количеств водорода и метана разлагается карбид марганца: Mn3C + 6h3O → 3Mn(OH)2 + Ch5 + h3. Карбиды редкоземельных металлов и тория при разложении разбавленными кислотами выделяют не чистый ацетилен, а его смесь с метаном, этиленом и другими углеводородами. Например, при гидролизе карбида церия СеС2 получается смесь ацетилена с метаном в соотношении 4:1, а также немного этилена и жидких и твердых углеводородов (состав продуктов зависит от условий проведения реакции). Еще больше жидких и твердых углеводородов дает при гидролизе карбид урана.
Ко второй группе относятся карбиды, которые образуют переходные металлы IV–VII групп, а также кобальт, железо и никель. Это металлоподобные соединения с другой структурой. В них атомы углерода, имеющие небольшие размеры, не связаны друг с другом и располагаются в пустотах между атомами металлов. Различная упаковка атомов металла в кристаллической решетке приводит к разному составу карбидов даже для одного и того же металла; например, хром образует карбиды состава Cr3C2, Cr4C, Cr7C3 и др. Эти карбиды (их называют карбидами внедрения) часто отличаются большой твердостью и очень высокими температурами плавления. Например, карбиды тантала и гафния TaC и HfC – наиболее тугоплавкие из известных веществ (плавятся при 3985 и 3890°С соответственно).
Металлоподобные карбиды обладают высокой электропроводностью и очень высокой химической стойкостью к агрессивным средам (многие из них не растворяются даже в царской водке). Они используются для упрочнения чугуна и стали (карбиды железа, хрома, вольфрама, молибдена), а также для производства очень твердых сплавов, которые применяют для обработки металлов резанием (карбиды WC, TiC, TaC, VC, Cr3C2). Например, твердые наконечники резцов, сверл делают из победита – спеченного порошка карбида вольфрама WC с добавкой металлического кобальта. Очень важную роль играет карбид железа Fe3C (цементит) – твердые кристаллы, входящие в структуру чугуна и стали.
Карбид вольфрама WC используют также для изготовления буровых коронок, деталей аппаратуры для производства синтетических алмазов, для нанесения износостойких покрытий на поверхности металлов. Это вещество, как и карбид вольфрама, используют как компонент жаропрочных, жаростойких и твердых сплавов, для получения износостойких покрытий, для изготовления тугоплавких тиглей, в которых можно плавить почти любые металлы (сам карбид плавится при 3257°С). Карбидом титана выкладывают внутренние стенки высокотемпературных печей.
К третьей группе относятся ковалентные карбиды. Их образуют кремний и бор – соседи углерода по периодической таблице, близкие к нему как по размеру атомов, так и по электроотрицательности. Карбид кремния SiC (техническое название – карборунд) в чистом виде – бесцветные кристаллы, но примеси часто окрашивают его в различные цвета, вплоть до черного. По своей структуре это соединение аналогично алмазу; решетку карбида кремния можно получить, если в немного расширенной решетке алмаза заменить половину атомов углерода на атомы кремния. Это вещество обладает очень высокой твердостью; помимо этого оно имеет свойства полупроводника. Из него делают шлифовальные бруски и круги, огнеупорные материалы для печей и литейных машин, нагревательные элементы для электропечей, полупроводниковые диоды.
Бор образует по два карбида с точно известной структурой – В4С и В13С2. Наибольшее значение имеет первый из них – черные блестящие кристаллы, которые по твердости уступают лишь алмазу и нитриду бора BN. Этот карбид применяют для изготовления абразивных и шлифовальных материалов и в качестве полупроводника. Карбид, обогащенный изотопом 10В, используется как поглотитель нейтронов в ядерных реакторах.
В 1982 г. русский учёный Соколов В.Д. предложил так называемую “космическую” гипотезу, согласно которой углеводороды нефти образованы из углерода и водорода в эпоху формирования Земли и других планет.
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 основу этой гипотезы были положены факты о наличии углерода и водорода в хвостах комет и углеводородов в метеоритах. Согласно современным данным, в атмосфере Юпитера и Титана, а также в газопылевых облаках обнаружены C2h3, C2h5, C2H6, С3Н8, HCN, C2N2. В метеоритах (углистых хондритах) найдены твердые углистые вещества, нормальные алканы, аминокислоты, однако происхождение их неясно. Когда речь идет о низких концентрациях, не исключено загрязнение метеоритов при падении на Землю. Кроме того, рядом ученых в метеоритах обнаружены форменные органические образования, очень сходные с простейшими одноклеточными организмами древнейших пород Земли. Во всяком случае к объяснению поступления минеральной нефти из больших глубин Земли эти факты о нахождении органических веществ в метеоритах прямого отношения не имеют.
Глубинные массивные кристаллические периодитовые породы, как и метиориты, содержат элементарный углерод и карбиды тяжёлых металлов. Эти же породы содержат воду, водород, окись углерода и углекислоту. В этой связи выдвинут целый ряд других гипотез о неорганическом происхождении нефти и газа в недрах Земли в результате химических реакций непосредственно из углерода и водорода в условиях высоких температур, давлений и каталитического действия оксидов металлов (Fe, Ni и др.) (Н.А. Кудрявцев, В.Б. Порфильев и др.).
Химизм получения углеводородов из окиси углерода и водорода известен благодаря исследованиям учёных: Е.И. Орлова, Н.Д. Зелинского и других.
Процесс первого синтеза углеводородов из СО и Н2 был осуществлён русским химиком Е.И. Орловым в г. Харькове (1908 г.), получившим из смеси СО и Н2 простейший олефиновый углеводород - этилен, очевидно по схеме:
2СО + 4Н2 → С2Н4 + 2Н2О
Эта реакция была проведена при температуре 100°С и при контакте с катализатором, состоящим из Ni + Pd, осаждённых на коксе.
Позднее было установлено, что в результате получается не только этилен, но и ряд других, более сложных алкенов.
Тяжёлые металлы подгруппы железа, особенно в присутствии окиси алюминия и магния, как под давлением, так и без давления способствует образованию углеводородов сложного состава и разных рядов:
В зависимости от условий реакции в качестве конечных продуктов могут быть не только жидкие углеводороды и вода, но также и твёрдые парафины и церезины, газы – метан и его ближайшие гомологи и углекислота.
В первой половине XX века интерес к гипотезе минерального происхождения нефти в основном был потерян. Поиски нефти велись во всем мире, исходя из представлений об ее органическом происхождении.
С середины прошлого века интерес к минеральной гипотезе снова начал возрастать, причиной чего была, по-видимому, недостаточная ясность ряда вопросов органической концепции, что и вызывало ее критику.
Некоторую известность получила магматическая гипотеза образования нефти. На больших глубинах – в мантии Земли – в условиях очень высокой температуры углерод и водород образуют углеводородные радикалы СН, СН2 и СН3. Вследствие перепада давления они перемещаются по веществу мантии в зоны глубинных разломов и вдоль этих разломов поднимаются вверх, ближе к земной поверхности. По мере понижения температуры в верхних слоях эти радикалы соединяются друг с другом и с водородом. В результате возникают различные более сложные нефтяные углеводороды. К ним присоединяются другие углеводороды, образующиеся из окиси углерода и водорода, а также из карбидов различных металлов и воды по реакциям, указанным М. Бертло, Д.И. Менделеевым и др. Разнообразие реакций обеспечивает и чрезвычайное разнообразие возникающих углеводородов, смесь которых в основном и составляет природную нефть.
Дальнейшее движение углеводородных газов и нефти приводит их или на поверхность Земли, или в ловушки, создающиеся в проницаемых породах осадочного покрова, а иногда и в кристаллических породах на границе с ними. Передвижение (миграция) углеводородов происходит по заполненным водой трещинам и вызвано огромным перепадом давлений в местах образования нефти и осадочной толщи, а также разностью плотностей воды и нефти.
В поисках доказательств абиогенного синтеза нефти некоторые исследователи обращались к промышленным процессам получения синтетического топлива. Однако по мере углубления знаний о составе нефти отчетливо выявились глубокие различия в составе природных и синтетических углеводородных смесей. Последние практически не содержат широко представленных в нефти сложнопостроенных углеводородных молекул, насыщенных структурных аналогов компонентов живого вещества – жирных кислот, терпенов, стеролов и т. д.
Ряд аргументов сторонников минерального происхождения нефти основан на термодинамических расчетах. Была сделана попытка определить температуру нефтеобразования по соотношениям между некоторыми изомерными углеводородами, допуская, что высокотемпературный синтез приводит к появлению термодинамически равновесных смесей. Рассчитанная таким образом температура нефтеобразования составила 450-900°С, что соответствует температуре глубинной зоны 100-160 км в пределах верхней мантии Земли. Однако для тех же нефтей расчет по другим изомерным парам дает другие значения температуры (от –100 до 20000°С), совершенно нереальные в условиях земной коры и мантии.
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. Внедряющиеся в земную кору глубинные породы расплавляют и ассимилируют осадочные породы с имеющимся в них биогенным органическим веществом; жерла вулканов также проходят через осадочные толщи, причем иногда регионально-нефтегазоносные, поэтому находимые в них СН4и некоторые другие нефтяные углеводороды могли образоваться не только в результате минерального синтеза, но и пр
poznayka.org
|
|
|
|
|
|
