Как образовалась нефть. Почему нефть не кончится никогда
Логично предположить, что и нефть была изготовлена по аналогичному рецепту на той же кухне природы. К 19 веку споры, в основном, сводилось к вопросу, что послужило исходным материалом, сырьем для образования нефти: остатки растений или животных?
Немецкие ученые Г.Гефер и К.Энглер в 1888 году поставили опыты по перегонке рыбьего жира при температуре 400 С и давлении порядка 1 МПа. Им удалось получить и предельные углеводороды, и парафин, и смазочные масла, в состав которых входили алкены, нафтены и арены.
Позднее, в 1919 году, академик Н.Д.Зелинский провел похожий опыт, но исходным материалом послужил органический ил растительного происхождения – сапропель – из озера Балшах. При его переработке удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан…
Так опытным путем была доказана теория органического происхождения нефти. Какие же тут могут быть еще сложности?...
Но с другой стороны, в 1866 году французский химик М.Бертло высказал предположение, что нефть образовалась в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей теории он провел несколько экспериментов, искусственно синтезировав углеводороды из неорганических веществ.
Десять лет спустя, 15 октября 1876 года, на заседании Русского химического общества выступил с обстоятельным докладом Д.И.Менделеев. Он изложил свою гипотезу образования нефти. Ученый считал, что во время горообразовательных процессов по трещинам-разломам, рассекающим земную кору, вглубь поступает вода. Просачиваясь в недра, она в конце концов встречается с карбидами железа, под воздействием окружающих температур и давления вступает с ними в реакцию, в результате которой образуются оксиды железа и углеводороды, например этан. Полученные вещества по тем же разломам поднимаются в верхние слои земной коры и насыщают пористые породы. Так образуются газовые и нефтяные месторождения.
В своих рассуждениях Менделеев ссылается на опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов путем воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода.
Правда, идеи «чистого химика» Менделеева поначалу не имели успеха у геологов, которые считали, что опыты, проведенные в лаборатории, значительно отличаются от процессов, происходящих в природе.
Однако неожиданно карбидная или, как ее еще называют, абиогенная теория о происхождении нефти получила новые доказательства – от астрофизиков. Исследования спектров небесных тел показали, что в атмосфере Юпитера и других больших планет, а также в газовых оболочках комет встречаются соединения углерода с водородом. Ну, а раз углеводороды широко распространены в космосе, значит в природе все же идут и процессы синтеза органических веществ из неорганики. Но ведь именно на этом и построена теория Менделеева.
Итак, на сегодняшний день налицо две точки зрения на природу происхождения нефти. Одна – биогенная. Согласно ей, нефть образовалась из остатков животных или растений. Вторая теория – абиогенная. Подробно разработал ее Д.И.Менделеев, предположивший, что нефть в природе может синтезироваться из неорганических соединений.
И хотя большинство геологов придерживается все-таки биогенной теории, отзвуки этих споров не затихли и по сей день. Уж слишком велика цена истины в данном случае. Если правы сторонники биогенной теории, то верно и опасение, что запасы нефти, возникшие давным-давно, вскоре могут подойти к концу. Если же правда на стороне их оппонентов, то вероятно, эти опасения напрасны. Ведь землетрясения и сейчас приводят к образованию разломов земной коры, воды на планете достаточно, ядро ее, по некоторым данным, состоит из чистого железа… Словом, все это позволяет надеяться, что нефть образуется в недрах и сегодня, а значит, нечего опасаться, что завтра она может кончиться.
Давайте посмотрим, какие доводы приводят в защиту своих точек зрения сторонники одной и другой гипотез.
Но прежде несколько слов о строении Земли. Это поможет нам быстрее разобраться в логических построениях ученых. Упрощенно говоря, Земля представляет собой три сферы, расположенные внутри друг друга. Верхняя оболочка – это твердая земная кора. Глубже расположена мантия. И наконец, в самом центре – ядро. Такое разделение вещества, начавшееся 4,5 миллиарда лет тому назад, продолжается и по сей день. Между корой, мантией ядром осуществляется интенсивный тепло- и массообмен, со всеми вытекающими отсюда геологическими последствиями – землетрясениями, извержениями вулканов, перемещениями материков...
ПАРАД НЕОРГАНИКОВ
Первые попытки объяснить происхождение нефти относится еще ко временам античности. Сохранилось, например, высказывание древнегреческого ученого Страбона, жившего около 2000 лет тому назад: «В области аполлонийцев есть место под названием Нимфей, - писал он, - это скала, извергающая огонь, а под ней текут источники теплой воды и асфальта, вероятно, от сгорания асфальтовых глыб под землей...».
Страбон объединил в целое два факта: извержение вулканов и образование асфальтов (так он называл нефть). И... ошибся! В упомянутых им местах нет действующих вулканов. Не было их и двадцать столетий назад. То, что Страбон принял за извержения, на самом деле – выбросы, прорывы подземных вод (так называемые грязевые вулканы), сопровождающие выходы нефти и газа на поверхность. И в наши дни подобные явления можно наблюдать на Апшероне и Таманском полуострове.
Впрочем, несмотря на ошибку, в рассуждениях Страбона было здравое зерно - его толкование происхождения нефти имело под собой материалистическую почву. Эта линия прервалась надолго. Лишь в 1805 году, основываясь на собственных наблюдениях, сделанных в Венесуэле, на описаниях извержения Везувия, известный немецкий естествоиспытатель А.Гумбольд снова возвращается к материалистической точке зрения. «...Мы не можем сомневаться в том, - пишет он, - что нефть представляет продукт перегонки на громадных глубинах и происходит из примитивных горных пород, под которыми покоится энергия всех вулканических явлений.»
Неорганическая теория происхождения нефти выкристаллизовывалась постепенно, и к тому моменту, когда Менделеев выдвинул свою теорию карбидного происхождения нефти, неорганики накопили достаточное количество фактов и рассуждений. И последующие годы добавляли в их копилку новые сведения.
В 1877-1878 годах французские ученые, воздействуя соляной кислотой на зеркальный чугун и водяными парами на железо при белом калении, получили водород и значительное количество углеводородов, которые даже по запаху напоминали нефть.
Кроме вулканической гипотезы у сторонников абиогенного происхождения нефти есть еще и космическая. Геолог В.Д.Соколов в 1889 году высказал предположение, что в тот далекий период, когда вся наша планета еще представляла собой газовый сгусток, в составе этого газа присутствовали и углеводороды. По мере охлаждения раскаленного газа и перехода его в жидкую фазу, углеводороды постепенно растворялись в жидкой магме. Когда же из жидкой магмы стала образовываться твердая земная кора, она, согласно законам физики, уже не могла удержать в себе углеводороды. Они стали выделяться по трещинам в земной коре, поднимались в верхние ее слои, сгущаясь и образуя здесь скопления нефти и газа.
Уже в наше время обе гипотезы – вулканическая и космическая – были объединены в единое целое новосибирским исследователем В.Сальниковым. Он использовал предположение, что планетка, имевшая в своем составе большое количество углеводородов, находясь на чересчур низкой орбите, постепенно тормозилась о верхние слои атмосферы и в конце концов упала на Землю, как это происходит с искусственными спутниками. Резкий толчок активизировал вулканическую и горообразовательную деятельность. Миллиарды тонн вулканического пепла, мощнейшие грязевые потоки завалили принесенные из космоса углеводороды, похоронили их в глубоких недрах, где под действием высоких температур и давлений они превратились в нефть и газ.
В качестве обоснования своих выводов Сальников указывает на необычное расположение месторождений нефти и газа. Соединив между собой крупные зоны обнаруженных месторождений, он получил систему параллельных синусоидальных линий, которая, по его мнению, весьма напоминает проекции траекторий искусственных спутников Земли.
Рассказ о неорганических гипотезах нельзя будет считать полным, если не упомянуть известного геолога-нефтника Н.А.Кудрявцева. В 50-е годы он собрал и обобщил огромный геологический материал по нефтяным и газовым месторождениям мира.
Прежде всего Кудрявцев обратил внимание на то, что многие месторождения нефти и газа обнаруживаются под зонами глубинных разломов земной коры. Сама по себе такая мысль не была новой: на это обстоятельство обратил еще Д.И.Менделеев. Но Кудрявцев намного расширил географию применения таких выводов, глубже обосновал их.
Например, на севере Сибири, в районе так называемого Мархининского вала, очень часто встречаются выходы нефти на поверхность. На глубину до двух километров все горные породы буквально пропитаны нефтью. В то же время, как показал анализ, количество углерода, образовавшегося одновременно с породой чрезвычайно невелико – 0,02-0,4%. Но по мере удаления от вала количество пород, богатых органическими соединениями, возрастает, а вот количество нефти резко уменьшается.
На основании этих и других данных Кудрявцев утверждает, что нефтегазоносность Мархининского вала скорее всего связан не с органическим веществом, а с глубинным разломом, который и поставляет нефть из недр планеты.
Подобные же образования имеются в других регионах мира. Скажем, в штате Вайоминг (США) жители издавна отапливают дома кусками асфальта, который они берут в трещинах горных город соседних Медных гор. Но сами по себе граниты, из которых состоят те горы, не могут накапливать нефть и газ. Эти полезные ископаемые могут поступить только из земных глубин по образовавшимся трещинам.
Более того, найдены следы нефти в кимберлитовых трубках – тех самых, в которых природа осуществила синтез алмазов. Такие каналы взрывного разлома земной коры, образовавшиеся в результате прорыва глубинных газов и магмы, могут оказаться вполне подходящим местом и для образования нефти и газа.
Обобщив эти и множество других фактов, Кудрявцев создал свою магматическую гипотезу происхождения нефти. В мантии Земли под давлением и при высокой температуре из углерода и водорода сначала образуются сначала углеводородные радикалы СН, СН2 и СН3. Они движутся в веществе мантии от области высокого к области низкого давления. А так как в зоне разломов перепад давлений особенно ощутим, углероды и направляются в первую очередь именно сюда. Поднимаясь в слои земной коры, углеводороды в менее нагретых зонах реагируют друг с другом и с водородом, образуя нефть. Затем образовавшаяся жидкость может перемещаться как вертикально, так и горизонтально по имеющимся в породе трещинам, скапливаясь в ловушках.
Исходя из теоретических представлений, Кудрявцев советовал искать нефть не только в верхних слоях, но и глубже. Этот прогноз блестяще подтверждается, и глубина бурения с каждым годов возрастает.
В середине 60-х годов удалось ответить на такой важный вопрос: «Почему столь «нежные» углеводородные соединения, из которых состоит нефть, не распадаются в недрах Земли на химические элементы при высокой температуре?» Действительно, такое разложение вполне можно наблюдать даже в школьной лаборатории. На подобных реакциях зиждется деструктивная переработка нефти. Оказалось, что в природе дело обстоит как раз наоборот – из простых соединений образуются сложные... Математическим моделированием химических реакций доказано, что подобный синтез вполне допустим, если к высоким температурам мы добавим еще и высокие давления. То и другое, как известно, в избытке имеется в земных недрах.
В ученом споре о возникновении нефти другая сторона – это адепты биогенной теории.
Биогенной теории придерживались многие серьезные отечественные и зарубежные ученые. Академик В.И.Вернадский, основоположник современной геохимии нефти, еще в начале века писал: «Организмы, несомненно, являются исходным веществом нефтей».
Академик И.М.Губкин в своей книге «Учение о нефти», впервые увидевшей свет в 1932 году, наиболее обстоятельно и полно подвел научный итог тогдашней истории нефтяного и газового дела.
В качестве исходного вещества для образования нефти Губкин рассматривал уже знакомый нам сапропель – битуминозный ил растительно-животного происхождения. В прибрежной полосе моря, где жизнь особенно активна, происходит сравнительно быстрое накапливание этих органических остатков. Через какое-то время они перекрываются более молодыми отложениями, которые предохраняют их от окисления. Дальнейшие процессы идут уже без доступа кислорода под воздействием анаэробных бактерий.
По мере погружения пласта, обогащенного органическими остатками, под воздействием последующего наноса и тектонических перемещений в глубину, в нем возрастают температуры и давления. Эти процессы, которые впоследствии получили название катагенеза, и приводят в конце концов к преобразованию органики в нефть.
Взгляды Губкина на образование нефти лежат в основе современной гипотезы ее органического происхождения. В наше время многие ее положения расширены и дополнены. Так, скажем, долгое время считалось, что первоначальное накопление органического вещества обязательно должно идти в океане. Но, видимо, нефть может формироваться и в континентальной обстановке, ведь в болотах, озерах, реках достаточно органического вещества.
Детально рассмотрен и сам процесс формирования нефтяных месторождений. Выделяют пять основных стадий осадконакопления и преобразования органических остатков в нефть.
Первая стадия: в осадок, образующийся в море или в пресном водоеме, вносятся органические вещества с небольшим количеством углеводородного нефтяного ряда, синтезированных живыми организмами.
Вторая стадия: накопленный на дне осадок преобразуется, уплотняется, частично обезвоживается. При этом часть вещества разлагается с выделением диоксида углерода, сероводорода, аммиака и метана. Словом, получается картина, частенько наблюдаемая на болотах.
Третья стадия: биохимические процессы постепенно затухают. Сравнительно небольшая температура земных недр на данной глубине (порядка 50 С) определяет низкую скорость реакций. Концентрация битумов и нефтяных углеводородов возрастает слабо, в составе газовых компонентов преобладает диоксид углерода.
Четвертая стадия: осадок погружается на глубину 3-4 километров, окружающие температуры возрастают до 150 С. Происходит отгонка нефтяных углеводородов из рассеянного органического вещества в пласт. Попав в проницаемые породы-коллекторы, нефть начинает новую жизнь, образует промышленные залежи.
И наконец, пятая стадия: на глубине 4,5 километра и более при температурах свыше 180 С органическое вещество прекращает выделение нефти и продолжает генерировать лишь газ.
Кроме температуры и давления в природных процессах принимает участие и электричество. Член-корреспондент АН СССР А.А.Воробьев выдвинул предположение, что в развитии нашей планеты немалую роль играли именно электрические процессы. По его мнению, горные породы обладают гораздо большими диэлектрическими свойствами, чем атмосфера. А если так, то грозы могут бушевать не только над, но и под землею.
В результате сильных электрических разрядов возникают частицы плазмы, которые обладают высокой химической активностью. Это обстоятельство, в свою очередь, создает предпосылки для протекания таких реакций, которые невозможны при обычных условиях. По мнению Воробьева, метан, выделяющийся из органических соединений, при воздействии подземного электрического разряда может подвергнуться частичному дегидрированию, образуются свободные углеводородные радикалы СН, СН2, и СН3. Соединяясь между собой, они образуют ацетилен, этилен и другие углеводороды, входящие в состав нефти.
Одним из основных механизмов электризации горных пород, согласно рассуждениям Воробьева, является трение в месте контакта горных пород при взаимном перемещении в ходе тектонических процессов. Таким образом, процессы трещинообразования в земной коре могут способствовать превращению механической энергии в электрическую.
И представьте себе, эти весьма неожиданные рассуждения нашли подтверждение в геологической практике. Еще в 1933 году было отмечено, что формы облаков в зонах разломов земной коры резко отличаются от облаков в тех местах, где трещин нет. Современные геофизические приборы указывают, что в приземном слое воздуха над зонами разломов земной коры увеличена электропроводимость.
Есть и еще одна интересная гипотеза. В соответствии с ней, нефть образуется также из органических остатков, затянутых вместе с океаническими осадками в зону, где происходил подвиг океанической плиты под континентальную. Говоря другими словами, существуют тектонические процессы, которые позволяют органическим веществам оказаться на весьма больших глубинах. При этом механизм затягивания осадков в зону подвига жестких плит аналогичен механизму попадания жидких смазочных масел в зазоры между трущимися жесткими деталями в различных технических устройствах и машинах.
Ну а дальше образовавшаяся нефть может подвергаться различным воздействиям. Например, под тяжестью литосферного выступа, наползающий с материка плиты углеводороды могут быть «выжаты» из осадочных пород и активно мигрировать в сторону надвига. Этим эффектом «горячего утюга» может быть объяснено формирование больших залежей нефти на сравнительно небольшой площади, как в районе Персидского залива.
В результате затягивания органических веществ в мантию, их последующей переработки и выброса образовавшихся углеводородов геотермальными водами в верхние слои земной коры их обнаруживают в вулканических газах во время извержений.
Такая теория, учитывающая глобальную тектонику плит земной коры, оказалась весьма продуктивной и с практической точки зрения. В США, к примеру, ведется бурение в так называемых поднаддвиговых зонах Скалистых гор. И здесь были обнаружены как нефтяные, так и газовые месторождения. А ведь по старым, классическим меркам, их здесь не должно было быть.
В 1980 году в штате Вайоминг поисковая скважина на глубине 1888 метров вошла в докембрийский фундамент, сложенный из гранита. Затем в скальных породах геонефтеразведчики прошли еще 2700 метров и обнаружили осадочные отложения мелового периода. Необъяснимое, казалось бы, чередование пород разного геологического возраста объяснялось весьма просто: на осадочные породы в свое время была надвинута плита гранита.
Бурение было продолжено, и на глубинах 5,5 километров разведчики обнаружили промышленные залежи газа. К настоящему времени в Скалистых горах ведется промышленная разработка, а прогнозные запасы оцениваются в 2,8 миллиарда тонн условного топлива. Это уникальное месторождение.
Круговорот углерода в природе
Итак, как видите, обе точки зрения достаточно продуктивны, обе опираются не только на логические заключения, но и на реальные факты. Что же, надо спорить дальше? Вряд ли... Интересную точку зрения на этот счет высказал известный геолог В.П.Гаврилов.
«Спор можно разрешить, - пишет он, - если проследить круговорот углерода в природе. Одним из первых, кто предпринял успешную попытку представить глобальный процесс круговорота углерода в природе, был В.И.Вернадский. Он считал, что углерод и его соединения, которые участвуют в строении нефти, газа, каменного угля и других пород, являются частью глобальной геохимической системы круговорота в земной коре….»
Что же, давайте проследим путь, который проделывают углерод и его соединения в природе.
Наиболее распространенным из таких соединений является диоксид углерода. Масса этого вещества в атмосфере оценивается астрономической цифрой 400 000 000 000 тонн! В процессе выветривания и фотосинтеза ежегодно из атмосферы поглощается более 800 000 000 СО2. Если бы не было механизма кругооборота, то за несколько тысяч лет углерод полностью исчез бы из атмосферы, оказался «захороненным» в горных породах. По современным оценкам, масса диоксида углерода, «спрятанного» в горных породах, примерно в 500 раз превышает его запасы в атмосфере.
Еще одним переносчиком углерода является метан. Его в атмосфере тоже немало – около 5 000 000 000 тонн. Однако из атмосферы происходит утечка метана в стратосферу и далее в космическое пространство. Кроме того, метан расходуется и в результате фотохимических реакций. Продолжительность существования молекулы метана в атмосфере в среднем составляет 5 лет.
Следовательно, что бы пополнить его запасы, в атмосферу ежегодно должно поступать около 1 000 000 000 тонн метана из подземных запасов. И он, действительно, поступает в виде метанового испарения или, как говорил Вернадский, «газового дыхания Земли».
Если ограничиться традиционными рамками углеродного цикла, то весь резерв земной атмосферы, океана и биомассы исчерпался бы в довольно короткий срок – за 50-100 тысяч лет. Однако этого не происходит. Приходится допустить, что запасы углерода на поверхности планеты непрерывно пополняются. Основными источниками поступления углерода ученые считают космос и мантию Земли.
Космическое пространство поставляет нам углерод вместе с метеоритным веществом. Точнее будет сказать: поставляло. В настоящее время поступление космического углерода на планету незначительно – всего 0,000 000 001 от общего количества ежегодно «складируемого» в процессе осадконакопления. Но, как полагают многие специалисты, так было далеко не всегда: в прошлые геологические эпохи количество метеоритов и космической пыли было намного больше.
Второй и на сегодняшний день основной поставщик углерода – мантия планеты, причем не только во время извержения вулканов, как считалось ранее, но и при дегазации недр, за счет уже упоминавшегося газового дыхания планеты. Поскольку и здесь углеродные запасы не безграничны, то они, естественно, должны как-то пополняться. И такой механизм пополнения исправно функционирует и по сей день. Это затягивание осадков океанической коры в мантию при надвигании плит друг на друга.
Таков широкий взгляд на круговорот углерода в природе. Он должен примирить органиков и неоргаников. В самом деле: органики считают, что углерод при образовании нефти обязательно должен пройти через живой организм. И это, скорее всего, действительно так. Исследования, выполненные межпланетными автоматическими станциями, показывают, что на Венере и Марсе углеводородных газов не обнаружено – по всей вероятности потому, что на этих планетах отсутствует биосфера и земной цикл превращения углерода в углеводороды там невозможен.
Правы и неорганики: ведь сами по себе все органические вещества, составляющие жизненные циклы, когда-то образовывались из неорганических. Пока, правда, нет полной ясности, как именно это произошло, но в конце концов наука это узнает.
И стало быть, в практических поисках нефти и газа надо использовать весь арсенал теорий и гипотез, которыми располагает современная наука, не ограничивать свой взгляд какими-то искусственными шорами. И тогда успех придет. Как сказал известный американский геолог М.Хэлбути: «Я твердо убежден, что в будущем мы откроем в глобальном масштабе столько же нефти и значительно больше газа, чем открыто сегодня. Я полагаю, что нас ограничивает только недостаток воображения, решительности и технология.»
Цена на нефть зависит не только от ее запасов и политики, но и от популярности той или иной теории ее происхождения. Новые открытия позволяют предположить, что слухи об истощении нефтяных резервов сильно преувеличены.
Прогнозы изменения цен на нефть колеблются в очень широких пределах. Одни предсказывают их стабильный рост, другие – не менее устойчивое падение. Причина такого разнобоя во многом связана с тем, что до сих пор нет общепринятого понимания, как нефть образуется, а значит, мы не знаем, есть ли вообще дно у нефтяной бочки. Последние открытия позволяют предположить, что нефть будет с человеком всегда.
Сделать такой оптимистический вывод позволяют открытия канадских и российских ученых: вполне возможно, нефть обязана своим возникновением подземному океану. Речь идет не о привычных нам залежах минеральных вод, а о всепланетной грандиозной оболочке, в которой циркулирует перегретая вода и пар. Именно существование такой оболочки объясняет и движение тектонических плит, извержение вулканов и... появление нефти.
Вода в алмазе
Недавно стало известно о результатах исследования одного бразильского алмаза, который был найден еще в 2008 году близ города Жуина в Бразилии. Внутри этого невзрачного камня были найдены включения минералов. Ученые, в отличие от торговцев бриллиантами, очень любят такие камни – включения содержат уникальную информацию о процессе формирования алмазов. И вот в бразильском камне нашли следы рингвудита, крайне редкого минерала, который встречается в метеоритах (его также удалось синтезировать в лабораторных условиях). Рингвудит – родственник широко распространенного на земле оливина, но для создания рингвудита нужна вода. И не просто вода – а вода при высокой температуре и давлении.
Современная наука может только по косвенным признакам судить о том, что происходит на больших глубинах. Самая глубокая в мире скважина, пробуренная на Кольском полуострове России, лишь немного глубже отметки 12 км от поверхности земли. Находки вроде алмаза из Жуина позволяют заглянуть гораздо глубже. Алмазы образовались во время гигантских вулканических взрывов, в эпоху молодости нашей планеты, и кимберлитовые трубки, в которых алмазы залегают, – это следы тех катаклизмов. Пузырьки в алмазах – это контейнеры из прошлого, из больших глубин.
Обнаружение рингвудита подтвердило гипотезу, что на больших глубинах, под земной корой, есть вода, и ее больше, чем во всех океанах Земли. Но в алмазах находили не только рингвудит: российские ученые из Института геологии и минералогии Сибирского отделения РАН обнаружили в них следы нефти. Эти две столь разные находки возвращают нас к одному бесконечному геологическому спору.
Из чего получается нефть?
Этот вопрос возник еще в XIX веке, когда появились две конкурирующие теории: биогенного и абиогенного генезиса нефти. Согласно биогенной теории, нефть – это продукт останков древних биологических организмов, животных и растений. Абиогенная теория предполагает, что это результат химических реакций в недрах Земли.
С точки зрения биогенной теории процесс превращения биомассы в нефть продолжался миллионы лет. Микроскопические капельки нефти попадали в особые высокопроницаемые пласты и образовывали в них скопления. Этим объясняется, что подавляющее большинство месторождений нефти сосредоточено в осадочных горных породах, что нефть распространена очень широко, ну и химический состав нефти имеет много общего с химией живых организмов. Согласно этой теории происхождения нефти, ее поиски следует производить в осадочных породах и ее залежи конечны.
Абиогенная теория утверждает, что природа нефти – в химических процессах, связанных с постоянным выделением из недр планеты различных газов. Это пары воды, углекислый газ, сероводород, азот, водород и ряд других. Активным сторонником этой теории был Дмитрий Менделеев, который считал, что процесс происходит непрерывно, по всей планете, но только в отдельных местах возникали условия для накопления паров нефти и их консервации. В их пользу играют находки нефти в кристаллах и магматических породах и высокое содержание металлов в нефти. Эти наблюдения крайне трудно объяснить с биогенной точки зрения.
Включения нефти в кристаллы кварца – один из доводов сторонников абиогенного происхождения нефти
Практический вывод из абиогенной теории: перспективными для поиска нефти могут быть любые трещиноватые породы – даже кристаллические. Кроме этого, можно быть уверенными, что нефть не иссякнет совсем: она постоянно генерируется в недрах планеты, хотя и в количестве, много меньшем, чем мы потребляем.
Есть ли компромисс?
Даже между западниками и евразийцами в России больше общего, чем между сторонниками биогенной и абиогенной теории происхождения нефти. Научный спор превратился в религиозный диспут. При этом до самого последнего времени все практические действия по разработке нефтяных месторождений базировались только на постулатах одной из теорий, биогенной. Но сегодня растет запрос на более универсальную концепцию, которая могла бы полнее объяснить, что происходит в земной коре. И вот здесь самое время вспомнить одну теорию, которая сейчас переживает второе рождение, – о подземных океанах, точнее, о дренажной оболочке внутри Земли.
В свое время не одного геолога поставил в тупик простой арифметический подсчет. Мы знаем объем суши, возвышающейся над уровнем моря, – это примерно 130 млн куб. км. Мы также знаем примерное количество твердых частиц, смываемых в океаны всеми реками мира за год, – около 22 млрд тонн, что-то около 10 куб. км. Поскольку эрозия земной поверхности идет постоянно, примерно за 13 млн лет планета должна была бы стать плоской, едва возвышающейся над уровнем океана. Но Земля не смылась в море даже там, где уже миллиарды лет нет активного горообразования. Из этого был сделан вывод, что материки постоянно растут (что, кстати, подтверждается геодезическими наблюдениями). Что-то их заставляет всплывать из мантии.
В конце 60-х годов ХХ века Степан Григорьев выступил с теорией о том, что в глубинах планеты идет постоянная циркуляция перегретой воды. Чистая вода при 374°С при любом давлении переходит в пар. А вот для рассолов эта критическая точка значительно выше – например, для пятипроцентного раствора солей она равна уже 410°С. По мнению Григорьева, водные растворы под действием силы тяжести уходят в глубь планеты, где, испаряясь, движутся вновь вверх. Этот круговорот воды захватывает различные химические соединения. Вверх пары воды несут кремниевую кислоту, вниз – соединения магния, железа и кальция. Так кора становится легче, материки всплывают над мантией, затем новые породы мантии оказываются в зоне действия «дренажного слоя», и процесс продолжается.
Теория Григорьева долгое время вызывала иронию, главным образом потому, что никакая водопроницаемость в больших глубинах Земли не считалась возможной – слишком уж большие давления на глубине. Однако открытия Кольской сверхглубокой скважины заставили по-иному взглянуть на наши представления о природе недр. В частности, на глубине ниже 9 км скважина вскрыла высокопористые горные породы, насыщенные горячими рассолами. Температура там подбиралась уже к 200°С.
Новая теория
Таковы возможные кирпичики новой универсальной теории образования и накопления нефти: она может образовываться и из органического, и из неорганического исходного материала. А может вообще происходить сложный, многоступенчатый процесс. Например, сибирские ученые смогли синтезировать тяжелые углеводороды из смеси мрамора, воды и металлов при температуре 1500 градусов и давлении 50 тысяч атмосфер. Хотя не стоит забывать, что мрамор – это метаморфизованная осадочная порода, сформированная из останков скелетиков древних организмов.
Органические осадки, которые откладываются на дне океана, вместе с водой уходят в зонах субдукции под материки, где включается процесс постоянной водной циркуляции, о чем писал Григорьев. Как замечает канадец Грэм Пирсон, работающий в Альбертском университете Эдмонтона, это не те океаны, по которым можно плавать; но именно там в результате высокотемпературных реакций под большим давлением из оливина в присутствии воды сформировался рингвудит, который потом в результате извержения вулкана оказался в алмазной оболочке.
Дренажная оболочка, движение плит, новые открытия в области синтеза позволяют предположить, что нефть производится в недрах планеты постоянно и затем выносится в верхние слои земной коры, где и накапливается в течение сотен тысяч лет. Это напоминает ванну, в которую течет струя воды. Мы можем достаточно быстро вычерпать ванну, но вода потом опять набежит. Это, кстати, часто наблюдается на заброшенных месторождениях. Вопрос – в сроках. Однако, если внять точке зрения Менделеева, что топить печки нефтью – все равно что топить их ассигнациями и что лучше оставить нефть лишь для нужд нефтехимии, то может статься, что ее нам хватит на многие и многие тысячелетия. А новые подходы к поиску нефти могут обогатить нас новыми месторождениями даже в тех регионах Земли, где ранее мы и не ожидали их встретить.
На счет образования нефти и угля обычно мало кто сомневается - это органические останки древних растений и животных преобразовавшиеся под воздействием давления недр и при недостатке кислорода. Поэтому уголь и нефть справедливо относят к невозобновляемым ресурсам и регулярно пресса нас попугивает весьма коротким промежутком времени, оставшемся до их полного исчерпания. В угле этому находят неоспоримые подтверждения - следы древних животных организмов и растений. Но с нефтью, оказывается, все далеко не так однозначно. Существует еще, как минимум, две теории имеющие под собой достаточно серьезную научную основу.Подтверждением классической теории образования нефти служит опыт немецких ученых Г.Гефера и К.Энглера поставленный ими в 1888 году. Они осуществили перегонку рыбьего жира при температуре 400 С и давлении около 1 МПа. При этом им удалось получить предельные углеводороды, парафин, смазочные масла, с высоким содержанием алкенов, нафтенов и аренов. Позже академик Н.Д. Зелинский проводил похожий опыт, но исходным материалом был выбран органический ил образованный из водорослей. Ему удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан…
Казалось бы, все с этим процессом встало на свои места. Миллионы лет назад отложившиеся останки попавшие на большие глубины (как?) под действием давления и температур преобразовались в нефть-газ-уголь. Скоро (через 50 лет) мы их все извлечем, и придется подождать еще несколько миллионов лет до возобновления запасов. Не тут-то было. Факты свидетельствуют о том, что процессы образования нефти и газа продолжаются и гораздо более высокими темпами, чем это возможно по классической теории.
Об фактах продолжающегося образования нефти и газа свидетельствуют длительные сроки эксплуатации месторождений, достигающие ста и более лет, и суммарные объемы накопленной добычи, многократно превышающие первоначально планируемые. Уровень добычи на месторождениях на поздних ее этапах сначала снижается до 10-20% от максимального уровня добычи, а затем стабилизируется. Например, Шебелинское месторождение эксплуатируется уже более 50 лет, при этом его ресурсы не иссякают. Начальные запасы газа месторождения неоднократно уточнялись в сторону увеличения. В настоящее время они в 2 раза выше чем первоначально утвержденные. В Татарстане также установлено явное несоответствие нефтяных ресурсов и объемов добычи нефти. Сейчас уже извлечено более 3 млрд. т. нефти, в то время как оценка их нефтематеринского материала для всей осадочной толщи составляет всего 709 млн. т. И это не единичные случаи.
Теория первая. Карбидная или биогенная.
В 1866 году французский химик М.Бертло предположид, что нефть образовалась (и образуется) в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей теории он провел несколько экспериментов, и ему удалось искусственно синтезировать углеводороды из неорганических веществ.
Десять лет спустя, 15 октября 1876 года, на заседании Русского химического общества Д.И.Менделеев изложил свою гипотезу образования нефти. Великий химик считал, что во время процессов горообразования по трещинам-разломам, рассекающим земную кору, вглубь поступает вода. Просачиваясь в недра, она в конце концов встречается с карбидами железа и под воздействием высоких температур и давления вступает в химическую реакцию. В результате этой реакции образуются оксиды железа и углеводороды. Образующиеся вещества по разломам коры поднимаются в верхние ее слои и насыщают пористые породы. В результате образуются газовые и нефтяные месторождения.
Менделеев ссылается при этом на опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов путем воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода.
В то время идеи «чистого химика» Менделеева не имели успеха у геологов, которые сочли опыты, проведенные в лаборатории отличными от процессов, происходящих в природе. Однако карбидная или, как ее еще называют, а биогенная теория о происхождении нефти получила доказательства из неожиданного источника – от астрофизиков. Изучение спектров небесных тел показало, что в атмосфере Юпитера и некоторых других планет, как и в газовых оболочках комет присутствуют углеводороды. Ну, а раз соединения углерода с водородом распространены в космосе, значит процессы синтеза органических веществ из неорганики в природе имеют место быть!
Теория вторая. Круговорот углерода в природе.
Группой ученых из Института проблем нефти и газа РАН (ИПНГ РАН) под руководством доктора геолого-минералогических наук Азария Баренбаума была разработана еще одна теория происхождения нефти и газа. Согласно их концепции, залежи углеводородов могут возникать не за миллионы лет, а за десятилетия. При этом одновременно подвергается сомнению теория парникового эффекта, поскольку основным тезисом утверждается, что уровень двуокиси углерода в атмосфере может саморегулироваться, а значит неуправляемого накопления углекислоты в атмосфере не происходит.
Теория российских ученых предполагает, что нефтегазообразование – это процесс не столько геологический, сколько климатический. Он связан с круговоротом воды и углерода на Земле. Поступающий с дождевыми водами углерод, захваченный из атмосферы в форме гидрокарбоната в условиях земной коры восстанавливается до углеводородов, из которых уже в геологических структурах-ловушках формируются нефтегазовые скопления. По оценкам российских ученых до 90% нефтегазовых скоплений на глубинам от 1 до 10 километров появляются благодаря описанной им теории, и только 10% запасов формируются из органических остатков, как это предполагалось классической теорией.
И еще один важный вывод российских ученых-геологов заключается в том, что благодаря активному участию в образовании нефти и газа климатического круговорота, пополнение залежей ископаемых углеводородов происходит не за многие сотни тысяч и миллионы лет, а всего лишь за несколько десятилетий. А второй вывод заключается в том, что умеренное извлечение нефти и газа из залежей не должно сильно влиять на потенциальную нефтегазоносность региона. Но это верно при условии, что углеводороды будут потребляться в пределах того же региона, что и их добыча. То есть тепловые электростанции, работающие на углеводородах, компенсируют добычу нефти и газа ее образованием.
Сегодня большинство ученых считает, что нефть имеет биогенное происхождение. Иначе говоря, нефть образовалась из продуктов распада мелких организмов животных и растений (планктона), живших миллионы лет назад. Старейшие месторождения нефти были образованы 600 млн. лет назад.
В то время большая часть Земли была покрыта водой. Живые организмы после смерти опускались на дно древних морей и заливов и покрывались илом, песком и слоями последующих отложений. Эти отложения постепенно уплотнялись, обезвоживались и опускались все ниже. При этом давление и температура в этих отложениях увеличивались. Под воздействием анаэробных бактерий (то есть бактерий, способных жить без доступа кислорода), из органического вещества стали образовываться углеводороды, собиравшиеся в маленькие маслянистые капельки. К сожалению, ученые пока не могут точно ответить на вопрос, какие именно процессы в органических отложениях привели к образованию нефти.
Важно понимать, что углеводороды не лежали под землей в виде озер нефти. Они были смешаны с водой и песком, которые постепенно просачивались сквозь пористые слои песчаников и известняков вместе с пузырьками газа. Часто смесь продвигалась сквозь породы под воздействием высокого давления. Нефть и газ просачивались в пустоты между частицами осадочных пород, как вода проходит в губку. Рано или поздно на пути нефти и газа попадался слой породы, сквозь который они не могли просочиться, - непроницаемой породы, не имевшей пор или трещин, - и таким образом, они оказывались в геологической "ловушке".
Пока шел процесс образования нефти, Земля тоже менялась. Происходили движения земной коры, разломы и соединения массивов. Эти процессы формировали различные типы нефтяных геологических "ловушек".
Мы знаем, что состав нефти, найденной в разных точках земного шара, сильно различается. Это объясняют разницей в реакциях, происходивших при образовании нефти или разными видами растений и животных, из организмов которых она формировалась.
Запасы нефти исчисляются сотнями миллиардов тонн, и распространена она повсеместно, на суше и на море. То, что лежало на поверхности, давно использовано, и теперь нефть добывают с глубин 2-4 и более километров. Но еще глубже ее еще больше, просто оттуда добывать ее пока экономически невыгодно, то есть дорого.
А знаете ли вы...
Первым догадку о происхождении нефти из органического вещества высказал русский ученый Михайло Васильевич Ломоносов в своем труде «О слоях земных» (1763)
"Нефть - ценнейшее химическое
сырье,
Ее надо беречь. А котлы топить можно
и ассигнациями."
Д.И.Менделеев
Несмотря на то, что к концу ХХ столетия стала бурно расти атомная энергетика, нефть в энергетическом балансе всех стран по-прежнему занимает важнейшее место. Да и как же иначе? Ведь не поставишь же атомную электростанцию на автомобили и самолеты! Атомные корабли, конечно, есть.но их мало. А как быть со всем остальным? Да и не одной энергетикой жив человек. Он ходит по асфальтовым дорогам, а это нефть. А все эти бензины, керосины, мазуты, масла, каучуки, резины, полиэтилены, асбестотехнические изделия и даже минеральные удобрения! Плохо пришлось бы нам, если бы на земном шаре не было бы нефти. Но нефти на Земле много, ее начали добывать еще в VI тысячелетии до нашей эры, а теперь ежегодная добыча составляет сотни миллионов тонн.
Нефть приносит большие доходы. Целые страны благоденствуют, продавая свою нефть и вызывая зависть соседей. Другие страны закачивают нефть в естественные и искусственные пещеры, создавая на всякий случай стратегические запасы. Нефтяные короли и монополии, трубопроводы и заводы по переработке нефти, передел нефтяной собственности, нефтяные войны, договоры и спекуляции и т. д. и т. п. Чего только не было в истории человечества из-за нефти! Скучно жилось бы людям, если бы ее не было на свете.
Но нефть существует, ее запасы исчисляются сотнями миллиардов тонн, и распространена она повсеместно, на суше и на море, причем на больших глубинах, исчисляемых километрами: то что лежало на поверхности, давно использовано, и теперь нефть добывают с глубин 2-4 и более километров. Но еще глубже ее еще больше, просто оттуда добывать ее пока нерентабельно.
Но вот что странно: хотя нефти много и она широко используется, до сих пор никто не знает, откуда же нефть вообще появилась на Земле. Существует множество догадок и гипотез на этот счет, одни относятся к донаучному периоду, который продолжался до средних веков, а другие - к научному, названному учеными людьми периодом научных догадок.
В 1546 г. Агрикола писал, что нефть и каменные угли имеют неорганическое происхождение. Ломоносов в 1763 году высказал предположение, что нефть произошла из той же органики, что и каменные угли. В третий период - период развития нефтяной промышленности был высказан ряд предположений как об органическом, так и о неорганическом происхождении нефти. Не имея возможности даже просто перечислить их, ограничимся лишь некоторыми.
1866 г. французский химик М.Бертло: нефть образуется при воздействии углекислоты на щелочные металлы.
1871 г. французский химик Г.Биассон: нефть образовалась благодаря взаимодействию воды, углекислого газа и сероводорода с раскаленным железом.
1877 г. Д.И.Менделеев: нефть образовалась в результате проникновения воды вглубь Земли и ее взаимодействия с карбидами.
1889 г. В.Д.Соловьев: углеводороды содержались в газовой оболочке Земли еще когда она была звездой, а далее они поглотились расплавленной магмой и образовали нефть.
А затем пошла серия гипотез неорганического происхождения нефти, но они не были поддержаны Международными нефтяными конгрессами, и органического происхождения, которые были поддержаны.
Считается, что основным исходным веществом нефти является планктон. Породы, образовавшиеся из осадков, содержащих такого типа органическое вещество, потенциально нефтематеринские. После длительного прогрева они образуют нефть. Вариаций на эту тему создано немало, правда, никак не объясняется одно затруднение, каким образом такая масса планктона (или мамонтов, это все равно) могла попасть на такие глубины по всему земному шару, да еще поселиться в песчаниках, хотя бы и пористых. И еще неясно, почему нефтяные месторождения всегда содержат не только нефть, но еще и серу в виде сероводорода или смол. И почему в попутных водах, сопровождающих добычу нефти, имеется почти весь набор химических элементов, навряд ли содержащихся в планктоне.
Но те, кто научно догадывается о происхождении нефти, стараются не акцентировать внимание на таких пустяках.
Однако хотелось бы обратить внимание на еще одну возможность, которая вероятнее всего не будет признана Международными нефтяными конгрессами. Дело в том, что песчаники, в которых содержится нефть, это в основном окись кремния - SiO. И если от одного ядра кремния, имеющего атомный вес 28, отнять одну альфа-частицу с атомным весом 4 и прибавить ее к другому атому кремния, то получится атом серы с атомным весом 32. А оставшийся от первого атома изотоп магния с атомным весом 24 частично сохранится как магний, который тоже содержится в попутных водах, а частично развалится и даст две молекулы углерода с атомным весом по 12, создав таким образом некоторую основу для образования и нефти, и каменных углей. Но если это так, то возникает вопрос о механизме, который мог бы все это совершить.
С точки зрения эфиродинамики такой механизм существует. В Землю, как и в любое другое небесное тело втекают из космоса эфирные потоки, скорость вхождения их равна второй космической скорости, составляющей для Земли 11,18 км/с. Эти потоки проникают внутрь Земли на любую глубину, по дороге проходя сквозь породы и турбулизируясь. Результатом турбулизации эфирных потоков являются вихри, которые внешним давлением эфира сжимаются, и скорость потоков в них многократно возрастает, так же как и градиенты скоростей, а значит появляются большие градиенты давлений, разрывающие молекулы, атомы и ядра и перестраивающие вещество. При этом за много лет из обычных неорганических пород могли создаться любые углеводороды и вообще любые элементы, причем на любой глубине.
Подобные процессы вполне могут протекать в недрах любых планет, а это значит, что и нефть, и каменный уголь, и другие минералы и элементы могут существовать на всех планетах Солнечной системы и не только ее. Это, правда не означает, что на этих планетах была жизнь. Также как и отпечатки стрекоз или листьев в каменном угле вовсе не свидетельствуют о том, что каменный уголь образовался из этих стрекоз или листьев. Мало ли кто куда мог залететь за прошедшие миллионы лет!
Из изложенного следует, что нефтяной кризис может быть связан не с нехваткой нефти на Земле, а с дороговизной ее добычи из глубинных слоев. Так что Д.И.Менделеев прав не только в том плане, что нефть нужно беречь, потому что она ценное сырье, это верно, даже если ее много. Он прав еще и потому, что начиная с какого-то момента стоимость ее добычи возрастет настолько, что топить котлы ассигнациями, т.е. бумажными деньгами окажется дешевле.
