Тема 6. Горючие ископаемые нефтяного ряда.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ НЕФТИ И ПРИРОДНОГО ГАЗА¹⁰

Ключевые слова: Нефть и ее состав. Биогенная концепция происхождения нефти. Аргументы в пользу биогенной концепции. Аргументы против биогенной концепции. Минеральная концепция происхождения нефти. Аргументы в пользу минеральной концепции. Аргументы против минеральной концепции. Космогеохимическая концепция происхождения нефти. Природный горючий газ и процессы его генерации.

По археологическим данным начало добычи нефти (сбор пучками травы в колодцах с поверхности воды) началось за 5-6 тыс. лет до н.э. на берегах р. Евфрат, в Керчи, в Китае (Сычуань). В Библии говорится о смоляных ключах близ Мертвого моря. На границе Ассирии и Мидии в V веке до н.э. вели колодезную добычу. В Италии в XV веке нефтесодержащие породы измельчались и подогревались в котлах, затем помещались в мешки и отжимали на прессах. В России в 1745 г. Прядунов Ф.С. организовал сбор нефти с поверхности р. Ухты. Нефтяные колодцы в Баку в XIX веке достигали глубины 27 м. Скважины для добычи нефти тартанием стали применять с 60 гг. XIX века, позже были внедрены насосы и газлифты. В начале XIX века нефть добывали в 19 странах. Главными районами добычи были Баку в Российской империи, штат Пенсильвания в США и Индонезия.

Нефть сложная смесь углеводородов и углеродистых соединений, содержит: углерод (84÷87%), водород (12÷14%), кислород, азот и серу (1÷2%, до 5%). Плотность 0,65÷1,05. С водой может образовывать стойкие эмульсии. В нефти выделяют углеводородную (метановую, нафтеновую, и ароматические составляющие), асфальтено-смолистую части (асфальтен растворяется в бензине, смола нет. Смола содержит до 93% кислорода нефти), а также порфирины (азотистые соединения), сероводород, меркаптаны и зольную часть (прежде всего соединения железа, никеля, ванадия, натрия).

Вопрос происхождения нефти имеет общенаучный интерес. Существует концепции биогенного и абиогенного происхождения нефти, которые можно обобщить в альтернативы: нефть из живых организмов или живые организмы из нефти. Большинство теоретических разработок в нефтяной геологии базируются на постулатах правильности или той или другой концепции. Не знание генезиса нефти отрицательно сказываются на эффективности поисков и оценках глобальных нефтяных ресурсов.

В Саудовской Аравии крупное месторождение Даммам было открыто после неудачного бурения 8 поисковых скважин, заложенных на одной и той же структуре. В Алжире уникальное месторождение Хасси-Месауд было вскрыто с 21 попытки. В США крупнейшее месторождение Прадхо-Бей размерами 70×16 км было обнаружено после бурения 46 поисковых скважин. Первые крупные залежи нефти в Северном море были обнаружены после бурения 200 «сухих» скважин. Гигантское Астраханское нефтегазовое месторождение было открыто после бурения 16 непродуктивных скважин. В среднем по всему миру коэффициент успешности поиска нефтяных и газовых месторождений составляет около 0,32, в России 0,2.

Суть биогенной концепции происхождения нефти состоит в следующем. Все горючие углеродистые ископаемые (битумолиты: нефть, газ, асфальты; карболиты: уголь, горючие сланцы) признаются генетически родственными образованьями, т.к. они возникли из преобразованного вещества живых организмов. Исходным веществом для образования нефти и газа были продукты распада биогенного органического вещества, рассеянные в донных отложениях морей и других водоемов (РОВ). В процессе литогенеза (преобразования донных отложений в осадочные горные породы) происходили биохимические и химические превращения РОВ в высококонденсированные макромолекулы (кероген). Длительное (десятки и сотни миллионов лет) многостадийное созревание керогена сопровождалось постепенным отделением от него углеводородных компонентов — "микронефти". Микронефть мигрировала из материнской горной породы в коллекторы, ограниченные слабопроницаемыми породами, и образовывала скопления. Состав и качество исходного органического вещества, а также состав материнской горной породы не имеют принципиального значения для нефтеобразования. Необходимы лишь условия для созревания керогена. Главная черта нефтеобразования — его повсеместность в осадочных бассейнах. "Нефть — детище литогенеза". Наиболее вероятным механизмом сбора капельной нефти и ее перемещения считается величина и градиент порового давления, который в первую очередь зависит от распределения напряжений в массиве горных пород. Зоны аномально высоких пластовых давлений (АВПД) может указывать на существование на стадии образования месторождений порового давления более высокого, чем гидростатическое.

Изучение генезиса нефти обогатили геологию, геохимию и химию нефти новыми знаниями и активно используются на практике. Сторонники биогенной концепции много сделали в изучении условий залегания нефти в осадочных горных породах, изучении состава, условий образования и эволюции осадочных пород, формирования коллекторов нефти. Их большая заслуга состоит в широком и детальном изучении органического вещества осадочных пород.

Биогенная концепция происхождения нефти объясняет следующие основные особенности распространения и состава нефти:

— более 99% месторождений нефти и газа сосредоточено в осадочных горных породах, образовавшихся на месте древних водных бассейнов, в которых развивалась жизнь;

— осадочные породы характеризуются широким распространением дисперсных битуминозных веществ ("диффузно-рассеянной нефти"), близких по составу к обычной нефти. Общее количество рассеянной нефти в осадочной оболочке Земли намного превышает общее количество нефти в месторождениях;

— залежи нефти и газа в каждом регионе приурочены в основном к пластам горных пород определенного возраста;

— химический состав нефти в месторождениях и рассеянной нефти в горных породах имеет много сходного с составом живого вещества: в них присутствуют биомолекулы или их фрагменты (изопреноиды, порфирины и др.), часть которых обусловливает оптическую активность нефти, присущую веществу прошедшему фазу жизни и т. д.

Сторонники биогенной концепции расходятся по следующим вопросам: с какими стадиями литогенеза в основном связано нефтеобразование; каковы источники энергии для синтеза микронефти из керогена; каков механизм собирания рассеянных углеводородов в скопления; формы и источники энергии миграции нефти в горных породах; происхождение нефтей разных типов и др.

Часть сторонников биогенной концепции основным фактором нефтеобразования считают тепловую деструкцию керогена на глубинах от 1,5 до 7,5 км при температурах 110±45ºС. Другие исследователи главную роль в нефтеобразовании отводят биохимическим процессам, происходившим на ранних стадиях литогенеза морских осадков в благоприятных условиях. Третья группа исходит из того, что превращение многих биогенных соединений, характеризующихся низкими величинами свободной энергии (жирные кислоты, аминокислоты, спирты, сахара и т. д.), в углеводороды — соединения с относительно высоким уровнем свободной энергии термодинамически запрещены в условиях осадочной толщи. Источником энергии для нефтеобразования они считают не столько теплоту, сколько упругие деформации горных пород при сейсмических процессах, в результате которых повышается поверхностная энергия минеральных зерен, за счет чего и идет синтез углеводородов.

В рамках биогенной концепции признается роль вещества и энергии глубоких зон Земли в нефтеобразовании. Сформулирована гипотеза о гидрогенизации РОВ глубинным водородом. Существует гипотеза очагов-реакторов среди осадочных пород или ниже их, образующихся в зонах глубинных разломов в связи с подъемом из глубин высокотемпературных флюидов активизирующих нефтеобразование в осадочных породах, извлекающих из них углеводороды и участвующих таким образом в формировании месторождений. Согласно гипотезе субдукции, морские осадки, содержащие биогенное органическое вещество, затягиваются по крупному разлому под литосферную плиту в мантию¹¹. Из органического вещества в высокотермальной области синтезируются углеводороды, которые поднимаются вверх и образуют месторождения. По другим представлениям, нефтеобразование продолжается и в зоне метаморфизма, при глубоком химическом и физическом изменении горных пород в области высоких температур, давлений и интенсивных деформаций горных пород. Разногласия между сторонниками биогенной концепции объясняют многообразием нефтеобразовательных процессов, способов и путей концентрации нефти в залежах.

Фундамент биогенной концепции нефтеобразования — это утверждение, что нефтеобразующие химические элементы проходили через биологическую стадию и состояние РОВ в осадочных породах. Основной вывод, вытекающий из органической теории происхождения нефти и углеводородного газа, заключается в том, что их залежи размещены в осадочных комплексах. Зная площадь распространения осадочных пород, их мощность, содержание РОВ можно оценить общее количество погребенного органического вещества на территории, часть из которого могла перейти в битумолиты.

Крупнейшей¹² нефтегазовой провинцией мира является регион Персидского залива, где извлекаемые запасы составляют около 70 млрд. м³ нефти и 20 трлн. м³ газа. В Саудовской Аравии, уже добыто 7 млрд. м³ нефти, извлекаемые запасы оцениваются в 43 млрд. м³, а геологические (извлекаемые плюс неизвлекаемые) в 160 млрд. м³. Согласно расчетам, биогенные вещества нефтематеринских отложений (позднеюрских карбонатных пород) могли дать не более 7,5 км³ (7,5 млрд. м³) нефти, что составляет менее 5% от геологических нефтяных запасов Саудовской Аравии. Генетическое родство (образование за счет одного и того же источника) всех нефтей Саудовской Аравии, Ирака, Ирана, Катара, Кувейта и отсутствие других нефтематеринских свит, в регионе, ставит под сомнение биогенную природу нефти как Саудовской Аравии, так и всего района Персидского залива.

В предгорном прогибе Скалистых гор, в маломощном (0÷600 м) клине осадочной толщи, лежащей на докембрийских гранитах и гранитогнейсах Канадского щита, разведаны еще более крупные запасы тяжелой нефти, сосредоточенные в дуге длиной 960 км и площадью 77 тыс. км². Насыщенные вязкой нефтью пески слагают месторождения Атабаска, Пис-Ривер, Колд-Лейк, Уобаска, Ллойдминстер и Юта. Запасы этих месторождений в сумме составляют более 220 млрд. м³, в том числе на месторождении Атабаска 139 млрд. м³. В "карбонатном треугольнике" верхнего девона и карбона здесь же содержится еще 215 млрд. м³ нефти. Еще более грандиозные скопления (480 млрд. м³) высоковязкой и тяжелой нефти выявлены в восточной Венесуэле в полосе длиной 700 км и шириной 50÷80 км по левому берегу в нижнем течении реки Ориноко.

Какова природа этих уникальных месторождений? Где возникла эта нефть, когда и каким образом она локализовалась в залежи? Плотность тяжелых нефтей 966-1030 кг/м³, а температура застывания столь велика, что на глубинах до 600 м она либо твердая, либо напоминает по консистенции зубную пасту.

По мнению сторонников органического происхождения нефти, нефтяные и газовые залежи образуются либо за счет "всплывания" нефти и газа к сводам водонасыщенных пористых и проницаемых пород (песка, известняка и др.), либо за счет их переноса туда из нефтегазоматеринской породы (глины, мергеля, известняка и др.) в виде газового, водного или мицеллярного раствора.

Однако нефть Атабаски и Оринокского пояса всплывать в воде не могла ни в виде капель, ни в более крупных массах, так как ее плотность чаще всего превышает 1000 кг/м³. Разогретая же до жидкого состояния, она быстро застывает в пористой среде, пропитанной холодной пластовой водой. Эта нефть не растворяется ни в воде, ни в газе. Получить водный раствор этой нефти, чтобы переместить ее по порам и трещинам горных пород на расстояние в сотни км, так же невозможно, как растворить в воде асфальт.

Скопления больших масс вязкой нефти можно объяснить только с позиций абиогенной теории образования. Кристаллический фундамент осадочной толщи в районах Атабаски, Колд-Лейк, Уобаски и Пис-Ривер, разбит сетью разломов, по которым миллиарды м³ нагретой, жидкой и генетически родственной нефти могли внедриться из высокотемпературных подкоровых зон в осадочную толщу не ранее конца неогена. Оринокский нефтяной пояс простирается вдоль одноименного гигантского разлома, уходящего в подкоровую зону. К Оринокскому разлому приурочена геотермическая аномалия нефтеносной осадочной толщи. Как и в Канаде, часть запасов тяжелой нефти залегает здесь и в кристаллическом фундаменте.

Казалось бы, что образование колоссальных залежей природного газа легче объяснить исходя из теории органического нефтегазообразования, т.к. газ более миграционно способен. Так ли это? В упоминавшемся синклинальном прогибе Скалистых гор бурением 200 скважин выявлено газовое месторождение Дип-Бэйси (штаты Альберта и Британская Колумбия) площадью 66560 км². Его геологические запасы, составляют 12,5 трлн. м³ газа в интервале глубин 1068÷4575 м. Газоносные песчаники занимают объем почти 123 тыс. км³, а вся пористость является эффективной. Газовая залежь располагается в замке синклинали в малопористых и слабопроницаемых песчаниках, которые вверх по крыльям переходят в крупнопористые и высокопроницаемые, водонасыщенные песчаники и конгломераты.

Размещение уникальных залежей газа в замках синклиналей под водоносными породами установлено также на месторождении Сан-Хуан¹³, месторождении Уоттенбер¹⁴, месторождении Милк-Ривер¹⁵. В каждом из этих месторождений вода залегает выше, чем газ, хотя между водой и газом в пластах нет никаких барьеров или экранов, а по восстанию пористость и проницаемость коллекторов увеличивается с максимумом в водоносной части пласта.

Эти факты опровергают гравитационную дифференциацию флюидов в природных пористых средах. Дело в том, что сила капиллярного сопротивления, обусловленная стенками минерального скелета и поверхностным натяжением на разделе нефть-вода или газ-вода (уравнение Лапласа), на 4 порядка больше силы Архимеда (уравнение Навье-Стокса). Образование залежей нефти и газа можно объяснить следующим образом. Поднимаясь из подкоровых глубин по разлому и оперяющим трещинам, абиогенно синтезированные нефть и газ "впрыскиваются" под значительным давлением из глубинного очага в любую пористую и проницаемую среду, где распространяются грибообразно. Углеводороды остаются сравнительно неподвижными и не всплывают, пока новые порции нефти и газа не проникнут в залежь. Реальность этого механизма показывает практика эксплуатации подземных газохранилищ в горизонтальных и наклонных водонасыщенных пластах песка и песчаника.

Сторонники органической теории считают, что "главная зона нефтеобразования", располагается на глубинах 2÷4 км, в исключительных случаях до 6 км. Однако на глубинах 4500÷8100 м уже разрабатывается более 1000 месторождений нефти и газа, причем их начальные суммарные извлекаемые запасы составляют 7% от мировых запасов нефти и 25% от запасов газа. На этих глубинах в Египте, Италии, Мексике, Франции и США разведано около 47% общих запасов газа, а в интервале глубин 4500-6670 м в Аргентине, Италии, Ливии, Мексике, США и Тринидаде-Тобаго выявлено более 31% извлекаемых запасов нефти. В Мексике и США свыше 50% промышленных залежей нефти и газа залегают на больших глубинах. Глубже главной зоны нефтегазообразования в Канаде, США, Франции, Египте, Венесуэле, Ливии, Тринидаде-Тобаго, Аргентине, Мексике, Италии¹⁶ выявлены 25 нефтяных и газовых месторождений гигантов.

В СНГ на глубинах 4500÷7520 м выявлены залежи нефти и газа в Предкарпатском и Предкавказском прогибах, Печорской впадине, южном Приуралье, на Астраханском своде, в Каспийском море, Туркмении, Казахстане, Азербайджане и др. районах. В Карпатах мощные нефтеносные пласты обнаружены на глубинах 6÷7,5 км. В Днепровско-Донецкой впадине известны 30 залежей на глубинах 4,5÷6,0 км, скважины там фонтанируют с дебитом нефти до 500 т/сут., а газа - до 1 млн. м³/сут.

Пластовые температуры на больших глубинах в настоящее время существенно выше оптимальных температур, при которых, согласно органической теории, происходило созревание органического вещества и отделение углеводородов от горных пород. В бассейне Анадарко (США) на глубинах 4575÷8103 м температура газоносных пластов достигает 219°С, суммарные доказанные запасы газа равны 878 млрд. м³, а потенциальные 2,5 трлн. м³. Скважины, фонтанирующие с глубин более 4575 м, дают от 0,285 до 11,35 млн. м³ газа в сутки. В бассейнах Валь-Верде и Делавэр (США) более 100 скважин глубиной 4575÷7015 м на месторождениях Паккет и Гомес, фонтанируют с дебитами газа 12÷46 млн. м³/сут. Песчаники формации Тускалуза залегают на глубине 4575÷6500 м в виде полосы длиной 520 км и шириной 30-50 км простираются от устья реки Миссисипи через южную часть Луизианы до границы с Техасом. Здесь, разрабатываются одно нефтяное и 12 нефтегазо-конденсатных месторождений с доказанными запасами газа 170 млрд. м³. Глубины эксплуатационных скважин 5185÷6100 м, а температура продуктивных пластов достигает 232°С. В остальной части этой зоны в интервале 4575÷6100 м песчаники с пористостью 28%, проницаемостью 204 фм² и мощностью до 152 м содержат 852 млрд. м³ газа и 240 млн. м³ конденсата.

Все это не согласуется с теорией органического происхождения, согласно которой с увеличением глубин залегания и температуры продуктивных горизонтов запасы нефти и газа уменьшаются вследствие деструкции углеводородов и уменьшения пористости вмещающих пород. Объяснить существование более 1000 месторождений нефти и газа на больших глубинах в осадочных толщах Евразии, Африки, Северной и Южной Америки, в недрах Северного, Карибского, Каспийского морей и Персидского залива биогенная теория не может.

Изотопный состав углерода природного газа, нефтей и газоконденсатов более 100 месторождений в различных нефтегазоносных областях Западной Сибири показывает о том, что нефти, конденсаты, попутный нефтяной и свободный газ этих месторождений и залежей генетически едины, что свидетельствует об их поступлении из одного источника нефтегазообразования. Наличие же залежей нефти и газа здесь и в породах фундамента указывает на то, что этот источник был глубинным, вероятнее всего, подкоровым, а все месторождения этого региона, включая и газогидратные, сформировались геологически недавно.

Еще в XVIII в. ученые наблюдали выделения нефти, твердых углеводородов, битумов и нефтяных газов при извержениях вулканов, например, в свежих лавах Везувия и Этны. Доля метана в газах, выделяемых при фонтанировании гейзеров в Калифорнии, составляет до 16%. В эманациях вулкана Ново-Эрупта (Аляска) метана 14%, вулкана Монтань-Пеле (остров Мартиника) 18%, в продуктах подводного вулканического извержения у Азорских островов 87%. В 1973 г. вулкан Тятя (Курилы) выбросил около 2×10⁸ м³ пепла и 5×10⁸ м³ ювенильного вулканического газа. В пепле вулкана Тятя содержалось 0,04% абиогенных аминокислот (аланин, аспарагиновая и глютаминовая кислоты, треонин, серин, валин и цистин), а в раскаленных до 400°С газовых струях, выходивших из трещин около кратеров вулкана, кроме азота и водяных паров присутствовал водород и метан.

Все вулканы планеты ежегодно выбрасывают около 3,3×10¹¹ т вулканического пепла, в том числе 3,3×10⁶ т углеводородов. В погребенных вулканических породах разного возраста на территории Австралазии, Азии, Африки, Европы, Северной и Южной Америки выявлено около 600 месторождений нефти и газа, извлекаемые запасы которых составляют более 3 млрд. т нефти и 1,5 трлн. м³ газа. В их числе 15 гигантов с запасами от 70 до 700 млн. т. углеводородного сырья. Нефть из вулканических пород добывают в Азербайджане (Мурадханлы, возле г. Евлах), в Грузии (в Кахетии около г. Гурджаани; в Самгори, Патардзеули, Телети и Ниноцминда вблизи Тбилиси), где дебит нефти каждой из скважин достигает 1500 т/сут. На островах Хонсю и Хоккайдо (Япония) нефтегазоносным является вулканический "зеленый туф", а метан вместе с глубинным гелием выделяется здесь из действующих вулканов, фумарол и гидротерм. В нефтегазоносных областях Мексики закартированы десятки тысяч жил вулканических пород, из которых выделяются нефть, мальта и асфальт. На Сицилии разрабатываются газонефтяное месторождение Гальяно, газовые месторождения Бронте, Катания, Чизина и Сан-Николо, опоясывающие вулкан Этна.

В более 280 месторождениях нефти и газа на всех континентах, кроме Антарктиды, и их шельфах часть разведанных запасов находится в кристаллических породах (габбро, граниты, гранодиориты, гранофиры, гранитогнейсы, амфиболиты, кристаллические сланцы) фундаментов осадочных бассейнов. В Северной Америке это нефтяные и нефтегазовые месторождения Хьюготон-Панхэндл, Уилмингтон, Керн-Ривер, Лонг-Бич; в Южной Америке: Оринокский нефтяной пояс, Ла-Пас, Мара, Кармополис, Ля-Бреа-Париньяс-Тальяра; в Африке: Сарир, Амаль, Ауджила-Нафора, Рагуба, Дара, Бу-Аттифель, Хатейба, Зарзаитин, Рамадан и др. Нефть и газ могли проникнуть в кристаллические породы только снизу по разломам. Возраст пород фундамента не играет принципиальной роли. Он может быть докембрийским (Пис-Ривер и Оринокский пояс), палеозойским (Мало-Ичское месторождение в Западной Сибири и Оймаша на Мангышлаке), мезозойским (Уилмингтон, Лонг-Бич, Ля-Веля) и даже олигоценовым (Джатибаранг). Суточные дебиты нефти скважин из пород фундамента достигают 4600 т (Ренкю, КНР), а газа до 5÷7 млн. м³. Нефтегазоносность установлена на глубинах на несколько сот метров ниже поверхности складчатого фундамента (месторождения Ауджила - Нафора - Амаль, Тотумо, Еллей-Игайское, Мало-Ичское и др.). Все месторождения нефти и газа в кристаллических породах фундамента, за исключением месторождений Ла-Пас и Мара, были найдены случайно.

Одним из доказательств абиогенной, мантийной природы углеводородов являются нефтегазопроявления различного вида и масштаба, приуроченные к кристаллическим образованиям докембрийского возраста на древнейших щитах при отсутствии на их поверхности осадочных пород. Такие нефтегазопроявления локального и регионального характера имеются на Австралийском, Алданском, Африканском, Балтийском, Бразильском, Гвианском, Канадском и Украинском щитах.

В Хибинском, Салмагорском и Ловозерском массивах на Кольском полуострове зарегистрированы интенсивные газопроявления в виде выбросов промывочной жидкости и фонтанирования из микротрещин и межминеральных поровых каналов в изверженных породах вскрытых скважинами. В этом газе содержится метан и его гомологи. Из газожидкостных включений в нефелине, эвдиалите, сфене, эгерине, альбите и апатите выделен газ, также содержащий метан и его гомологи. Кроме того, в изверженных породах Хибин присутствует черный вазелиноподобный битум. В Кольской сверхглубокой скважине на глубине 6500÷10500 м выявлены природный рассол, гелий, водород, азот и углеводороды, что свидетельствует об их поступлении из подкоровой области Балтийского щита.

На Украинском щите газожидкостные включения, содержащие метан, обнаружены в кристаллических породах Коростеньского и Корсунь-Новомиргородского плутонов, а также Завальевского графитового месторождения. При проходке подземных горных выработок в Криворожском железорудном бассейне многократно наблюдались выделения горючего газа, приводившие к вспышкам. В газе содержится до 80% метана и до 4% тяжелых углеводородов.

На Канадском щите в районе озера Верхнее, на медном руднике "Сентрал Патрисия" наблюдаются обильные выделения метана из архейских кристаллических пород. В течение 10 лет здесь было зарегистрировано 135 вспышек и взрывов метана. В районе ураново-золоторудного месторождения Витватерсранд (ЮАР) в докембрийских породах Африканского щита выделения горючего газа еще более обильны. В одном из рудников здесь были зарегистрированы сотни внезапных выделений углеводородных газов. Объем углеводородных газов выносимых при вентиляции рудников и из буровых скважин превышает 500 млн. м³/год. В штате Санта-Катарина в Бразилии пустоты в лишенном трещин свежем базальте, перекрывающем кристаллические породы Бразильского щита, заполнены жидкой нефтью. В Норвегии на площади Арендаль в жилах долеритов (температура кристаллизации которых 1000÷1200°С), секущих архейские гнейсы Балтийского щита, пустоты диаметром до 1 см также заполнены жидкой нефтью, состоящей из нормальных парафинов С₁₀÷С₁₅ с примесью изопреноидов.

Принципиальная возможность неорганического синтеза углеводородов в недрах и подъема флюидов по зонам глубинных разломов сомнений не вызывает. Факты, указывают на реальность этих процессов. На первый план в критике минеральной концепции происхождения нефти вышли химические аргументы. "Успехи в познании молекулярного состава нефти показали, что он в целом совершенно необъясним ("аномален") с позиций любой неорганической гипотезы". Такое заключение делается на основе наличия генетической связи нефти и живого вещества.

На связь нефти и живого вещества указывают: оптическая активность нефти, наличие в ее составе порфиринов (правда, в виде ванадиевых и никелевых комплексов, а не железо- и магниевых, как в живом веществе) и сходный состав микроэлементов. Установлена близость молекулярной структуры нефти и живого вещества. Нефть в залежах и микронефть, рассеянная в породах, содержит хемофоссилии — углеводороды, идентичные обнаруженным в живых организмах, реликтовые структуры — изопренаны, стераны, тритерпаны. Последние, хотя и не полностью идентичны биомолекулам, но связаны с ними не очень сложными переходами. Эти структуры составляют более 40% углеводородов нефти. Оптическая активность нефти связана с тритерпанами, стеранами и гопанами выделяемыми при 420÷450°С. Порфирины присутствуют, в основном, в асфальтенах и, возможно, в других высокомолекулярных компонентах. Во всех мало превращенных нефтях набор хемофоссилий и реликтовых структур примерно одинаков. Эти особенности состава нефти не являются случайными и требуют объяснения с позиций любой концепции.

Рассеянный в породах "зрелый" кероген многие сторонники биогенной концепции рассматривают в качестве исходного вещества нефти. Кероген можно представить как макромолекулу, составленную конденсированными и циклическими ядрами, соединенными гетероатомными связями или алифатическими цепочками. Деструкция керогена в ходе термобарических процессов приводит к образованию первичной, способной к миграции легкой парафинистой нефти газоконденсатного типа, которая затем в залежах, претерпевая ряд превращений, трансформируется в обычную нефть. Эта гипотезы не рассматривают природный механизм сбора в залежи высокомолекулярных малоподвижных или неподвижных веществ, не объясняет разнообразия нефтей в природе.

В рамках биогенной концепции не ясно, как хемофоссилии и реликтовые структуры оказались в нефтяных залежах в тех же соотношениях, как по молекулярной массе, так и по химической структуре, что и в рассеянном состоянии. Согласно биогенной концепции, процесс нефтеобразования растягивался на многие миллионы лет. В течение всего этого периода образовавшиеся углеводороды должны отходить из зоны реакции в виде более простых углеводородов. Что же позволило им через миллионы лет образовать большие скопления в другом месте и вступить в химические реакции с одним и тем же химическим эффектом в самых разных геологических условиях, неоднократно менявшихся на протяжении млн. лет? Как при этом мигрирует тяжелый остаток, содержащий основную массу стеранов, тритерпанов, гопанов, а также смолы и асфальтены с порфиринами и микроэлементами? Пока на эти вопросы не дано ответов и "генетическая" связь нефти с живым веществом останется гипотетичной.

Трудно объяснить это сходство "разборкой" дисперсных микроагрегатов в больших объемах недр, длительным направленным перемещением отдельных молекул и "сборкой" их в том же порядке в концентрированном скоплении. Само рассеянное углеродистое вещество (кероген и углеводороды) может иметь в осадочных породах различную природу.

Биогенная теория не может объяснить:

- наличие во многих районах залежей нефти и углеводородного газа в кристаллических, в том числе магматических горных породах, подстилающих осадочный чехол;

- широкое распространение в кристаллических породах и во многих магматогенных рудах рассеянных углеводородов и углеродистых минералов (в том числе "капель нефти" в кристаллах) вне контактов с осадочными породами;

- механизм образование крупнейших и гигантских месторождений нефти и газа за счет рассеянного органического вещества в породных комплексах прилежащих территорий.

Все это побуждает искать другую, более общую модель нефтеобразования. Химическое сходство между рассеянной нефтью и нефтью в месторождениях в одной нефтеносной области проще объяснить тем, что это продукты процессов рассеяния и концентрации вещества из генетически общего источника. Вернадский В.И. отметил, что "следы углерода, всюду находимые, несомненно, различного происхождения. С одной стороны, это … остатки организмов... с другой стороны, конечные продукты (твердые и жидкие) разложения газообразных углеродистых молекул, находящихся в состоянии чрезвычайного рассеяния, например, в земных газах". "В биосферу непрерывно идет ток углеродистых газов (СО₂ и углеводородов) из глубоких геосфер земной коры, происшедших частью... из самородного углерода".

По Ломоносову М.В. нефть «… выгоняется подземным жаром из приготовляющихся каменных углей…». В 1805 г. А. Гумбольт высказал предположение о минеральном происхождении нефти на основе неорганического синтеза углеводородов. Менделеев Д.И. в 1877 г. показал возможность возникновение углеводородов при взаимодействии воды с карбидами металлов в условиях высоких температур и давлений. В середине XX века проф. Кудрявцев Н.А. пришел к выводу, что нефть и природные горючие газы могли образоваться в недрах Земли в результате прямого синтеза воды и окислов углерода, а также полимеризации радикалов СН. В 1892 г. проф. Соколов Н.А. выдвинул гипотезу о космическом происхождении нефти. Суть ее сводится так же к неорганическому синтезу углеводородов, но на космической стадии формирования Земли.

Минеральная (абиогенная) концепция происхождения нефти возникла и развивалась как альтернатива биогенной концепции. Сущность минеральной концепции сводится к следующему. Нефтегазообразование и формирование нефтяных и газовых месторождений рассматривается как одно из проявлений более широкого природного процесса — дегазации Земли. Этот процесс в различных формах — один из главных факторов эволюции Земли, создавших гидросферу, атмосферу и, в конечном счете, саму биосферу. Глубинная дегазация связана, главным образом, с активными зонами земной коры, для которых характерны: глубинные разломы, высокая сейсмичность и вулканизм. Преобладающие компоненты в составе газов недр: пары воды, СО₂, H₂S, H₂, N₂ и углеводороды.

При определенных условиях в зонах разломов на больших глубинах возникают очаги нефтеобразования. Из этих очагов синтезированные углеводороды и другие продукты химических реакций мигрируют по проницаемым зонам в области меньших давлений, образуя при благоприятных условиях нефтяные и газовые месторождения. "Процесс этот, — писал Менделеев Д.И., — был … повсеместным, но только местами были условия для удержания внутри масс нефти и ее сохранения". Минеральная концепция опирается на тот факт, что вне осадочной оболочки и биосферы содержится более 99% углерода нашей планеты, на наличие в недрах неограниченной внутренней энергии необходимой для синтеза и "выталкивания" к поверхности больших масс углеводородов, на существование в недрах активных носителей тяжелых углеводородов в виде метана и паров воды. Эту концепцию подтверждает присутствие большого количества органических соединений, в первую очередь углеводородов, в космосе. По мнению Менделеева Д.И., неорганическая концепция объясняет "все главные факты нефтенахождения и то, что нефть находится рассеянною во всех краях света".

По минеральной гипотезе нефть — это результат каталитического синтеза и конверсии углеводородов при высоких температурах и давлениях. Минеральная концепция объясняет следующие особенности распространения углеводородов:

— нефть и газ могут залегать в порах и трещинах любых горных породах, при условии удержания и сохранения находящихся в них флюидов. Этим условиям отвечают, главным образом, осадочные горные породы;

— большинство скоплений нефти и газа в горных породах возникли значительно позже (спустя десятки и сотни миллионов лет) образования самих горных пород. В настоящее время сохранились, в основном, только сравнительно молодые месторождения, так как древние вероятнее всего были разрушены в ходе геологических процессов;

— наличие на Земле гигантских и уникальных месторождений нефти и газа. Размеры этих месторождений в верхних этажах земной коры ограничиваются только размерами имеющихся в горных породах резервуаров и условиями сохранения;

— приуроченность в нефтегазоносных областях скоплений нефти и газа к породам определенного возраста внутри области или бассейна, что связано с общностью фациальных условий образования горных пород, с особыми емкостными свойствами и проницаемостью;

— высокие содержания в нефтях металлов и широкое распространение битуминозных веществ в некоторых рудах;

— широкое распространение в любых горных породах нефтегазоносных районов рассеянных углеводородов, поскольку нефть в месторождениях — это только незначительная часть мощного потока углеводородов, захваченная ловушками; — наличие сверхвысоких пластовых давлений в нефтяных и газовых залежах.

Среди сторонников минерального происхождения нет общего мнения о природе углеводородов в глубинных зонах Земли, глубине и характере очагов нефтеобразования, химических реакциях, формах поступления соединений углерода из подкоровой области, о механизме миграции, о возможности образования месторождений в кристаллических горных породах на больших глубинах и ряду других вопросов. Объединяет сторонников минеральной концепции признание поступления нефти, газа или исходных для их образования продуктов по разломам из недр Земли. Осадочные породы рассматриваются ими как главный, но не единственный аккумулятор нефти и газа.

Рассеянные в горных породах углеродистые вещества любой природы переходят из одного химического состояния в другое в соответствии с изменениями термобарических условий, физико-химических особенностей пород и других компонентов среды, в результате чего будут иметь место закономерные связи: органическое вещество — среда. Но эти связи сами по себе не служат бесспорным доказательством генетических соотношений между породой и органическим веществом.

Подобие нефти и живого вещества находит и другое объяснение. Из теории химической эволюции открытых каталитических систем следует, что особенности их вещественного состава и строения, возникающие при формировании новых свойств и функций, в биогенезе на любой базе должны повторяться или быть подобными. Конвергенция признаков должна усиливаться на более высоких этапах эволюции. Нефть как вещество, достигшее определенного этапа химической эволюции, на котором оно приобрело некоторые свойства и функции, напоминающие свойства и функции живого вещества, приобрела и некоторые термодинамически выгодные особенности состава, строения и структуры живого вещества. Эти черты сходны, но не идентичны, как не идентична и нефть живому веществу. Характер генетических и геохимических связей между нефтью и живым веществом, а также между всеми горючими углеродистыми ископаемыми не очевиден, а сущность этих связей до конца не раскрыта.

Нефть — сложная природная субстанция. Она соответствует определенному высокому этапу (ветви) геохимической эволюции углеродистых соединений Земли, которая привела к возникновению живого вещества. Не случайно между живым веществом и нефтью имеется много общего: состав, исходные вещества для образования, близкие условия развития самого процесса, особенно на первых стадиях эволюции, одни и те же катализаторы, способствующие этому процессу и т. д. Возможнл нефть - побочной продукт перехода абиогенного органического вещества в живое вещество или исходное вещество в биогенезе. Предбиологическая нефть не сохранилась. Возможно, что условия для нефтенакопления в недрах возникли уже после создания биосферы, и нефть получила возможность занять свободную нишу в погруженных частях былых биосфер.

Свойства нефти как сложно организованной субстанции с большим запасом свободной энергии еще мало изучены, связаны между собой причинно. Нефть в природе изменяется так же, как и всякие другие природные объекты, в результате взаимодействия с окружающей средой. Нефти всего мира едины внутренней организацией и молекулярным составом.

Предыстория химических элементов, образующих нефть, для минеральной концепции принципиального значения не имеет: наряду с изначально глубинными продуктами частично это могли быть углерод, водород, азот, входившие когда-то в биогенное вещество, распавшееся в высокотемпературных зонах Земли на элементы или простые молекулы. По этому аспекту гипотезы, развиваемые в рамках биогенной концепции, в которых допускается переработка осадочных пород в высокотемпературных зонах Земли и последующая миграция новообразованных углеводородов в нормальные осадочные породы, близки к минеральной концепции.

Концепция Менделеева Д.И. учитывает особенности эволюции Земли как планеты, эволюции геологических и геохимических процессов, химической эволюции. Работами по минеральному происхождению нефти было установлено значение глубинных разломов в создании крупных зон нефтегазонакопления, осознана важная роль внутренней энергии и потока глубинных флюидов в образовании природных скоплений горючих ископаемых. Был расширен круг природных объектов, в которых встречаются битуминозные вещества. Сторонники минеральной концепции считают, что в процессе образования скоплений преимущественную роль играют вертикальные перемещения углеводородов, поэтому в нефтеносном районе нефть встречается в кристаллическом фундаменте ниже известных залежей в осадочной толще при наличии трещин и пор.

Из минеральной концепции следует, что для поисков залежей нефти перспективны:

- все проницаемые толщи горных пород и кристаллического фундамента включительно, залегающие ниже горизонтов с уже известными нефтепроявлениями;

- зоны у глубинных разломов.

Биогенная и минеральная концепции основываются на объяснении разных групп фактов и по-разному ставят основной вопрос нефтеобразования. Если для биогенной теории важно, что исходное вещество нефтей первоначально находилось в осадочных породах, то для минеральной наиболее важным моментом является процесс образования месторождений за счет миграции вещества из недр Земли в перекрывающие осадочные породы.

Большинство аргументов, выдвигаемых в пользу признания биогенного или минерального происхождения нефти, имеют альтернативы, и поэтому не могут считаться доказательствами. Для сторонников биогенного генезиса главное — химическое сходство нефти с живым веществом, для сторонников минерального генезиса — физическая возможность аккумуляции нефти в крупные скопления только энергоемкими и концентрированными вертикальными потоками, идущими с глубины. Это наиболее узловые и в то же время наиболее противоречивые проблемы происхождения месторождений нефти.

Сложность проблемы состоит в том, что малые количества нефтяных углеводородов могут образоваться как биогенным, так и абиогенным путем, что доказано экспериментально. Дело в масштабах. Речь должна идти о сотнях миллиардов тонн. Помимо исходного материала не менее важны условия и процессы его превращения в нефть, механизмы миграции и формирования залежей. Концепция "двойного" (органического и неорганического) происхождения нефти и газа будет справедлива, прежде всего, по отношению к рассеянному углеродистому веществу, о чем свидетельствуют, например, данные изучения органического вещества Кольской сверхглубокой скважины.

Исследователи единодушны в том, что современный состав всех нефтей мира сформировался в процессе их эволюции уже в месторождениях. Расхождения имеются в вопросах о характере первичного вещества, которое дало начало всему разнообразию типов нефтей.

Минеральная концепция происхождения нефти позволяет увязать вопросы генерации и транспортировки высокомолекулярных углеводородов. В лабораторных условиях из СО и Н₂ на силикатных и алюмосиликатных катализаторах при температурах 400÷800°С, соответствующих глубинам 30÷60 км, получены углистые и смолообразные вещества, состоящие из полициклических ароматических углеводородов, аналогичных тем, которые обнаружены в изверженных и вулканических породах, минералах, рудных жилах. В ходе реакции основная часть синтезированных летучих углеводородов осаждалась в виде смолистых веществ на стенках реактора, охлажденных до 60÷150°С. Сторонники биогенной концепции соответствующую геотермальную зону называют главной зоной нефтеобразования, т. к. в ней сосредоточены основные запасы нефти. Дальнейшая эволюция полициклических углеводородов возможно идет за счет гидрогенизации и, частично, термокаталитической деструкции.

Химики, отвлекаясь от геологической стороны проблемы, приходили, как правило, к единому мнению, что источником нефтей в основном, являются полициклические углеводороды смешанной нафтеново-ароматической природы или близкие к ним по строению гетерогенные соединения, т. е. вещества достаточно реакционно-способные, обладающие большим запасом свободной энергии. В начале ХХ в. Харичков К.В. выдвинул "асфальтовую теорию" происхождения нефти, согласно которой нефть признавалась производным асфальта, содержащего в основном циклические соединения. Стадников Я.Г. также пришел к выводу, что асфальты и асфальтовые породы — промежуточная стадия первичной нефти. Зелинский Н.Д. «выводил» первичную нефть из "нефтеподобной смолы", которая "под давлением водорода и постепенно, им насыщаясь, дает нефть. Добрянский А.Ф. показал возможность образования нефтяных углеводородов через термокаталитические превращения сложных гетероциклических соединений, полимеризация которых может быть частью реорганизации смолистых веществ нефти. Возможно, что асфальты и тяжелые нефти в недрах представляют собой вещества ранних стадий нефтеобразования, а не результат окисления нефти, как принято считать.

Помимо продуктов полимеризации и поликонденсации из глубинных очагов генерации нефти и газа в осадочную толщу должны проникать метан, а также парафиновый газоконденсат. Эволюция метана, парафиновых углеводородов и полициклических углеводородов, происходящая уже в залежах, обуславливает разнообразие типов нефтей, газов и битуминозных природных образований.

Очаги нефтеобразования возможно связаны с эпицентрами глубокофокусных землетрясений. Сейсмотектонический процесс обеспечивает как энергию синтеза углеводородов, так и каналы для миграции флюидов. Косвенно это подтверждается фактами выделения горючих газов при землетрясениях, а также приуроченностью месторождений нефти и газа к зонам крупных разломов.

По одному из вариантов минеральной концепции "мигрировала из глубинных зон и формировала крупные скопления во встреченных ловушках уже "готовая" нефть, обладающая физико-химическими свойствами, присущими природной нефти".

По представлениям Соколова Н.А. (1899), Порфирьева В.Б. (1957), Голда Т. (1979) и др. космогеохимическая история углеводородов возможно начинается в безднах мироздания. С помощью радиотелескопов в межзвездной среде обнаружено колоссальное разнообразие органических молекул, которые можно считать промежуточными продуктами в добиотическом синтезе. В газопылевой среде межзвездного пространства наблюдаются молекулы (радикалы) СН и CN, в спектрах относительно холодных звезд СН, CN и С₂, а в спектрах комет С₂, С₃, СН, CN, ОН, NH, NH₂, CO, N₂. Количество СН₄ в атмосфере Сатурна при земном атмосферном давлении и температуре позволяет сформировать виртуальный слой толщиной 350 м, в атмосфере Юпитера - 800, Урана - 2200 и Нептуна - 40000 м. В составе атмосферы Венеры установлены СО₂, СО, СН₄, С₂Н₆, С₂Н₄; Марса - СО₂, СО, COS, CH₄, Н₂СО, СН₃СНО и др.; в атмосфере Титана, спутника Сатурна, - СН₄, С₂Н₂, С₂Н₆, С₂Н₄, С₃Н₈, СН₃С₂Н, C₂HCN и др. Плутон состоит из замороженного метана, льда и силикатного материала, а спутники Сатурна Энцелад и Рея покрыты панцирем из твердого метана, для них характерен холодный метановый вулканизм. Около звезды Бета созвездия Живописца выявлено протопланетное облако, состоящее, скорее всего, из частиц льда, силикатов и органических соединений. В межзвездных облаках выявлены СО, Н₂ и углеводороды. На расстоянии 30 тыс. световых лет от Земли обнаружено огромное облако аминокислот и белка. Межпланетные пылевые частицы содержат углеводороды и карбиды железа, а метеориты карбиды: SiC, Fe₃C и (Fe,Co)₃C, внеземные алканы и циклоалканы, фитан, пристан, арены, фенолы, жирные кислоты, сахара, тиофены, бензо- и алкилтиофены, хлорбензолы, аминокислоты, аденозинтрифосфат, алкилпирролы, алкилпиридины, анилины, бензонитрил, индол, порфирины, оптически активные органические вещества, углеводородные радикалы и асфальтоподобный органический полимер. Эти абиогенные органические соединения, вероятно, присутствовали и в первичном веществе Земли. В ее первичной атмосфере господствовали Н₂, СН₄, NH₃ и Н₂О, которые в ходе химической эволюции превращались в молекулы HCN, НСО₂Н, НСНО, НОСН₂СНО, СН₃СО₂Н, NH₂CH₂CO₂H, CH₃CH(NH₂)CO₂HCO₂H(CH₂)₂CO₂H и CO₂HCH₂CH(NH₂)CO₂H. Возможно летучие органические соединения являются продуктами геохимической эволюции системы С-Н-О в недрах при многофазных и полиморфных превращениях глубинного вещества.

Метан, высокомолекулярные углеводороды, графит, другие соединения углерода - вошли в состав первичного вещества Земли. Вероятно, что в первые 500 млн. лет после образования Земля получила из космоса за счет аккреции миллиарды тонн органического материала. При температуре 1000÷1300°С в отсутствие свободного реакционного объема (например, в верхней мантии Земли) нефть и метан должны сохраняться очень долго. Там же, где температура выше, могут существовать их основные радикалы: метин (СН), метилен (СН₂), метил (СН₃) и углерод. Их сочетания и соотношения определяют как множественность нефтяных углеводородов, так и единство основных свойств и общую основу нефтей всех месторождений. Чтобы нефть и горючий газ могли синтезироваться из радикалов или из СО и Н₂, необходим реакционный объем. За счет полиморфных превращений и разуплотнения гетерогенного вещества подкоровой области в ней образуются зоны резко пониженного давления. Туда и устремляется лавина нефтегазообразующих радикалов или СО с Н₂ и создаются условия для возникновения полных углеводородных форм. Последние, поднимаясь по разломам в разных условиях и с различной скоростью, претерпевают сложные метаморфозы, формирующие привычный облик добываемой из скважин нефти. Эти предпосылки позволяют считать ресурсы нефти в недрах на больших глубинах практически неисчерпаемыми.

Минеральная и биогенная концепции выдвинули ряд плодотворных идей, взятых на вооружение практикой. При поисках и разведки нефти и газа используют отдельные идеи и эмпирические закономерности, а не на законченную теоретическую концепцию происхождения нефти, которая должна опираться на совокупность фактов. Сторонники различных точек зрения на генезис нефти категоричны:

- "Проблема происхождения нефти решена и решена окончательно в пользу осадочно-миграционной теории".

- "Доказательства органического происхождения нефти... утрачивают у нас на глазах всякую убедительность и достоверность".

Английский геолог С. Пауэрс в 20 гг.XX в. сказал «Ко времени, когда из Земли будет извлечен последний баррель нефти, еще не будет создана гипотеза ее образования». Задача дальнейших исследований поставить точку в этом споре.

В XVII в. голландский ученый Ван-Гельмонт предложил для особого состояния вещества, при котором, в отличие от твердого и жидкого состояния, вещество способно распространяться по всему доступному объему без скачкообразного изменения свойств, использовать термин «газ». Горючий газ считается лучшим видом топлива: т.к. характеризуется полным сгоранием, при минимуме продуктов сгорания, легкостью розжига и регулирования процесса горения. Природный газ: метан 80÷97%, этан 0,4÷0,5%, пропан 0,2÷1,5%, бутан 0,1÷1%, пентан до 1%, другие газы 2÷13%. Промышленное использование началось с 1872 г. после строительства газопровода. Известно 6 основных процессов, приводящих к образованию метана: биохимический, термокаталитический, радиационно-химический, механохимический, метаморфический, космогенный.

Биохимический процесс образования метана происходит в илах, почве, торфяниках, осадочных горных породах, в водоемах, в свалках бытовых отходах при разложении отмершей биомассы бактериями, а также в процессе жизнедеятельности жвачных животных. Ежегодная биогенерация метана в глобальном масштабе составляет 2,7×10¹⁴ т (А.Г. Заварзин). Пресноводные водоемы характеризуются на порядок большей интенсивностью генерации метана, чем моря. Биохимический метан может образовывать залежи «сухого» газа. Скопления биохимического метана разрабатывают в Японии. Значительная часть биохимического метана переходит в гидратное состояние.

Термокаталитический процесс образования метана связан с преобразованием органического вещества осадочных толщ под воздействием термобарических условий в недрах при каталитическом участии минералов глин. При этом считается, что главная зона метанообразования располагается под главной зоной нефтеобразования на глубине более 3 км. В отличие от нефти метан генерируется из преобразованного вещества высших растений.

Радиационно-химический процесс образования метана связывают с преобразованием органического вещества осадочных толщ под воздействием радиоактивного излучения. Сапропелевые илы часто служат восстановительным геохимическим барьером, на котором концентрируются соединения урана. Под воздействием радиоактивного излучения органическое вещество распадается на углерод, водород, кислород, метан.

Механохимический процесс генерации метана имеет место в угленосных толщах при карбонизации углей.

Метаморфическое образование метана происходит на контакте угленосных толщ с магматическими дайками и силлами.

Космогенный процесс образования метана является частным случаем возникновения углеводородов в космическом пространстве.