Родилась органическая гипотеза.
Немецкие ученые Г.Гефер и К.Энглер в 1888 г. поставили опыты, доказавшие возможность получения нефти из животных организмов (перегонка сельдевого жира при Т =4000С и Р = 10 кгс/см2 - получены масло, горючие газы, вода, жиры, разные кислоты. Из масла плотностью 0.8105 г/см3 состоящего на 9/10 из УВ коричневого цвета последующей разгонкой были получены предельные УВ от пентана (С2Н5) до нонана (С9Н20), парафин и смазочные масла (олефины, нафтены, арены).
В 1919 г. академик Н.Д.Зелинский при перегонке сапропелевого ила из оз. Балхаш получил сырую смолу (63.2 %), кокс (16.0%), газы (СН4, СО2, Н, Н2S – 20.8%). При последующей переработки смолы из нее извлекли бензин, керосин, тяжелые масла.
Казалось проблема решена – нефть и газ производные разложения органики [18, 31, 32].
Научно-теоретический интерес и практическое значение проблемы образования нефти определил И.М.Губкин – основоположник отечественной школы нефтяников [18].
К середине ХХ в. было доказано единство всех горючих полезных ископаемых (нефти, угля, газа, горючих сланцев), установлена генетическая связь нефти с ископаемым ОВ осадочных пород, разработаны критерии выделения нефтегазоматеринских свит.
В 40-50 –е годы модель органического нефтеогазобразования рассматривала процесс образования нефти как преимущественно механическое отжатие глинами битуминозных компонентов, уже образовавшихся в живом веществе и диагенезе в процессе погружения и уплотнения этих глинистых нефтематеринских пород [40].
Созданная в начале 60 –х годов и развившаяся в 70-80 –е годы термокаталитическая концепция образования нефти в своей основе имеет химические реакции, протекающие в сравнительно узком температурном интервале; этот главный этап генерации УВ нефти ОВ назван Н.Б.Вассоевичем главной фазой нефтеобразования (ГФН), за рубежом – «нефтяным окном» [13, 14].
Н.Б.Вассоевич: концепция нефтеобразования – осадочно-миграционная теория (а не органическая или биогенная!). Нефть образуется абиогенным путем, но источником её является ОВ или кероген, захороненный в процессе осадконакопления [14]. Его потенциал закладывается в живом веществе, формируется в диагенезе, реализуется в мезокатагенезе. Ход этого процесса определяется как внутренней структурой керогена, так и внешними факторами – температурой, скоростью прогрева, строением нефтематеринской толщи, определяющим эмиграцию, образовавшихся продуктов, составом минеральной матрицы, влияющим на каталитические процессы, происходящие в керогене.
В последние десятилетия, благодаря работам Н.Б. Вассоевича (1986), А.Э. Конторовича (1998) и других исследователей, состояние осадочно-миграционной теории существенно продвинулось на пути всестороннего комплексного анализа условий формирования и генетических основ нефтегазонакопления. В конце XX века российским ученым удалось сформулировать как общие положения теории, так и ее отдельные составляющие: учение о типах органического вещества (ОВ), схемы развития катагенеза ОВ, стадийности нефтегазообразования, учение об осадочных бассейнах и др. [32].
Вместе с тем многие генетические вопросы формирования месторождений нефти и газа (роль глубинных факторов, рифтогенеза, эпигенетических преобразований, гидрогеологических режимов и др.) требуют дополнительного изучения. Да и само название «осадочно-миграционная теория образования нефти и газа» не вполне точно и полно отражает длительную и многостадийную историю нефтегазогенеза.
Сформулированная в нефтяной геологии осадочно-миграционная концепция скорее относится к образованию и преобразованию в зоне катагенеза нефтематеринских углеродосодержащих геологических формаций. Становление собственно нефтегазоносных залежей в благоприятных структурах – ловушках связано не с сингенетическими процессами осадконакопления, диагенеза и катагенеза осадков, а с более поздними эпигенетическими процессами преобразования пород под влиянием экзогенных и эндогенных факторов и ведущей роли инфильтрационных процессов миграции вещества как по вертикали, так и по латерали [31, 32].
В этом отношении генетические основы нефтегазообразования имеют много общего с формированием крупных и уникальных месторождений урана, в особенности многочисленной группы полигенных и полихронных объектов, прямо или косвенно связанных с углеродистыми геологическими формациями протерозоя и фанерозоя.
Для нефти и газа, также как и в урановой геологии можно выделить три основных периода (подготовительный, нефтеобразующий и консервационный) и несколько стадий длительного полигенного и полихронного процесса нефтегазогенеза. При этом очень близка роль в формированиии месторождения углеродсодержащих осадочных отложений, образующихся в разнообразных по тектонической позиции и возрасту бассейнах седиментации и содержащих высокие количества не только углерода и водорода, но и металлов (урана, ванадия, мышьяка, цинка никеля (U, V, As, Zn, Ni) и других элементов).
В спокойной тектонической обстановке (платформенные условия) при залегании на глубине до 1 км такие породы (в частности диктионемовые сланцы /название получили от ископаемого Dictyonema flabelliformis/ на северо-западе Русской плиты) не генерируют эпигенетических концентраций урана, углеводородов и могут рассматриваться как сингенетические потенциальные месторождения металлов и органического топлива. И наоборот, при вовлечении битуминозных отложений в преобразование в активной геодинамической среде зоны катагенеза могут формироваться в крупных специализированных блоках литосферы рудо – и нефтепитающие геохимические системы, способные генерировать подвижные формы металлов и углеводородов, вовлекаемых в дальнейшем в инфильтрационные процессы нафторудообразования.
Выделяются следующие основные стадии нафтидогенеза, зависящие от геологических и геохимических процессов формирования и сохранения залежей нефти и газа в зависимости от типа геодинамического (тектонического) режима.
Первые две стадии (седиментационная и катагенетическая) ответственны за образование в соответствующих блоках осадочных бассейнов нефтегазопитающих геохимических систем (региональный подготовительный период) при наличии нефтематеринских пород и повышенных температурах, соответствующих условиям низкотемпературного гидротермального метасоматоза.
Собственно нефтегазообразующицй период включает две эпигенетические стадии: инфильтрационную и концентрационную. Они связаны с активным гидрогеологическим режимом осадочных бассейнов, чередованием периодов сжатия и растяжения и наличием литологических, структурных или иных ловушек.
Консервационная стадия может развиваться по двум сценариям [32]:
сохранение залежей нефти и газа при пассивном геодинамическом режиме;
уничтожение залежей нефти и превращение их во вторичные битуминозные породы, а также преобразование (или уничтожение) месторождений газа с возможным перемещением газообразных углеводородов в новые структуры.
Предварительное рассмотрение такой модели многостадийного процесса нефте – и газообразования позволяет сформулировать следующие общие выводы:
месторождения нефти и газа являются эпигенетическими многостадийными (полихронными) и полигенными образованиями продуктивных осадочных бассейнов, в накоплении и миграции углеводородов существенную роль играли не только экзогенные, но и эндогенные факторы.
Итак, прежде чем рассматривать стадии онтогенеза углеводородов, рассмотрим, что собой представляет органическое вещество (ОВ) и какое ОВ составляет основу нефтегазопродуцирующих отложений. Это следующие ОВ [47]:
Сапропели – органоминеральные осадки озерных водоёмов. ОВ сапропеля образуется преимущественно за счет продуктов распада живущих в воде растительных и животных организмов … .
Сапропелиты – ископаемое ОВ осадочных пород, образовавшееся в основном за счет остатков зоо- и фитопланктона; являются основной органической составляющей пород нефтематеринских свит.
Сапрпелито-гумиты – ископаемое ОВ, образовавшееся преимущественно из остатков растений; являются одной из главных составляющих РОВ нефтегазоматеринских и газоматеринской пород.
Гумито-сапрпелиты – ископаемое ОВ, образовавшееся преимущественно из остатков растений; являются одной из главных составляющих РОВ нефтегазоматеринских пород.
Гумиты – РОВ континентальных отложений, образовавшееся главным образом за счет остатков высших растений (подгруппа углей группы гумолитов).
Порода нефтегазоматеринская – осадочная порода, содержащая ОВ, которое способно при вступлении в главную зону нефтеобразования (ГЗН – Т0С от 50-60 до 150-170) генерировать нефть: 1) потенциально нефтематеринская, т.е. еще не реализовавшая свой потенциал нефтегенерации; 2) нефтепроизводящая или нефтепроизводившая, еще не исчерпавшая свой потенциал; 3) бывшая нефтематеринская, уже утратившая способность генерировать нефть. Одним из главных диагностических признаков I стадии развития пород нефтематеринских является присутствие в ней битумоидов паравтохтонных, а II и III стадий – битумоидов остаточных [19].
Формирование и преобразование осадочных пород проходит стадии диагенеза, эпигенеза и катагенеза.
Диагенез – преобразование осадка в осадочную породу в процессе уплотнения и физико-химического превращения и уравновешивания сред. Диагенез: ранний – главными являются окислительно-восстановительные процессы; поздний – решающую роль играет выравнивание концентраций ионов в поровых водах, приводящие к образованию конкреций.
Эпигенез– вторичные минералогические и структурные изменения осадочных пород в совокупности с изменениями содержащихся в них флюидов (воды, нефти, газа). Эпигенез наступает после диагенеза.
Катагенез – процессы изменения отдельных составных частей горной породы (минералов, РОВ, пустотного пространства, флюидов) при её эпигенезе в результате увеличения глубины погружения и пластовой температуры, происходящие без привноса вещества из внешних источников. Выделяются стадии протокатагенеза, мезокатагенеза и апокатагенеза (табл. 6) [32].
Таблица 6. Стадии катагенеза [47]
I. ПРОТОКАТАГЕНЕЗ |
|||
ПК1 |
Б1 |
бурые |
клареновые угли Донбасса |
ПК2 |
Б2 |
||
ПК3 |
Б3 |
||
до 90-1000С |
|||
II. МЕЗОКАТАГЕНЕЗ |
|||
МК1 |
Д |
длиннопламенные |
ГЗН: 80-90–150-1700С глубины 2 – 3,5 км |
МК2 |
Г |
газовые |
|
МК3 |
Ж |
жирные |
ГЗГ: свыше 1700С глубины 3.5-5 км |
МК4 |
К |
коксовые |
|
МК5 |
ОС |
отощенно-спекающиеся |
|
до 200-2200С |
|||
III. АПОКАТАГЕНЕЗ |
|||
АК1 |
Т |
тощие |
ГЗГ - до 5 км |
АК2 |
ПА |
полуантрациты |
|
АК3 |
А |
антрациты |
|
до 3000С |
|||
Залежь нефти и/или газа формируется только в процессе миграции жидких или газообразных УВ. Нефть и газ – образования стадийные, формирующиеся на определенных катагенетических уровнях преобразования, причем на каждом из них генерируются УВ определенного состава; выделяются пики ГЗН и ГЗГ (табл. 7).
Таблица 7. Зональность распределения УВ в ОПБ [14]
Итак для большинства осадочных бассейнов (ОБ) сверху вниз по шкале катагенеза:
|
||||||||||
В разрезах осадочных бассейнов сверху вниз располагаются скопления УВ:
1) ПК1 – ПК2 – небольшие залежи сухого газа;
2) ПК3 - МК11 – залежи нафтено-метановой нефти и полусухого газа, в газовых шапках – полужирный и жирный газ;
3) МК12 – МК2 – в нефтях возрастает содержание метановых УВ, твердых парафинов и легких ароматических УВ, в газовых шапках – жирный газ;
4) МК3 – залежи метаморфизованных, высокопарафинистых нефтей с повышенным содержанием нормальных алканов;
5) МК4 – залежи газоконденсатов;
6) МК5 – залежи сухого газа;
7) МК5 – АК1 и ниже – залежи только метана.
Стадии онтогенеза углеводородов и показатели нефтегазоносности, контролирующие процесс формирования (расформирования) залежей нефти и газа – очаг нефтегазообразования – генерация – миграция – аккумуляция – сохранность – консервация – эволюция (переформирования или расформирование) (рис. 1).
Рис. 1. Стадии онтогенеза углеводородов
Торжество осадочно-миграционной теории нафтидогенеза во второй половине XX века особенно ярко проявилось в блестящих открытиях, сделанных на основе методов прогноза и поиска скоплений нефти и газа, вытекающих из этой теории. К ним относятся открытия, сделанные практически во всех нефтегазоносных провинциях (НГП) СССР, а также в других бассейнах Мира.
Сторонники неорганического происхождения нефти заявили о себе в XVIII в. Начиная с А.Гумбольда основным доводом в пользу неорганического происхождения нефти была связь нефтепроявлений с деятельностью вулканов (вулканическая гипотеза). До середины XIX в. использовалась только нефть естественных выходов, распространенная в тектонически активных областях – Средиземноморье, Венесуэла, Калифорния и др. Поэтому нефтепроявления (и генезис нефти!) связывались с эндогенными процессами [13, 37].
Научные концепции неорганического происхождения нефти возникли во второй половине XIX в. К этому времени относятся успешные эксперименты по неорганическому синтезу сложных органических соединений, в т.ч. углеродистых (М. Бертло, С. Клоэц /1877-1878/), позволившие высказать идею о минеральном синтезе нефти.
В конце XIX в. появились гипотезы Д.И.Менделеева о неорганическом происхождении нефти и В.Д.Соколова о космическом происхождении нефти [13, 37].
15 октября 1876 г. на заседании Русского химического общества Д.И.Менделеев изложил свою неорганическую гипотезу происхождения нефти, названную карбидной. Он считал, что внутри Земля состоит из расплавленных металлов (преимущественно железа), содержащих углерод (карбиды). Расплавленное металлическое ядро земного шара (барисфера) покрыто сравнительно тонкой твердой корой (литосфера). В литосфере также должны содержаться карбиды металлов (FeC и др.) в твердом и жидком состоянии. С ними он и связывает образование нефти. Во время горообразования по трещинам (разломам) поверхностная вода просачивалась вглубь Земли к металлическим массам. Взаимодействие с карбидами железа приводило к образованию окислов металла и УВ.
Согласно реакции Энглера: 2FeC + 3H2O = Fe2O3 + C2H6
УВ по трещинам поднимались в верхние холодные слои земной коры, где они конденсировались и накапливались в пористых породах, образуя залежи. Этот процесс, по мнению Д.И.Менделеева, наблюдался не только в прошлом геологической истории, но происходит и сейчас (залежи пополняются по мере их истощения – Шебелинское газовое месторождение и др.).
От геолога-нефтяника Г.В.Абиха он узнал, что часто месторождения нефти и газа территориально приурочены к сбросам. В этом Д.И.Менделеев видел неоспоримое доказательство своих воззрений. Позднее выяснилось, что его гипотеза не выдерживает критики. Но заслуга Д.И.Менделеева в том, что он привлек внимание ученых к проблеме происхождения нефти и газа и правильно оценивал практическое значение вопросов о природе нефти [13].
Заслуживает внимания космическая гипотеза В.Д.Соколова, выдвинутая им в 1892 г. По его мнению в составе первичного газопылевого облака, из которого образовалась ЗЕМЛЯ и другие планеты находилсь углеводороды. По мере формирования ЗЕМЛИ они оказались в ее глубинном веществе, составляющем вторую оболочку планеты – мантию. В дальнейшем при остывании мантии УВ начали выделяться из нее и проникать по трещинам в рыхлые породы земной коры. Это гипотеза В.Д Соколова - одна из разновидностей представлений о глубинном происхождении нефти.
Как показало время, в работе, опубликованной более чем на 100 дет раньше, М.В.Ломоносов оказался многократно ближе к истине [31].
В Москве в 1968 г. на Международном симпозиуме по происхождению нефти выступил Н.А.Кудрявцев – лидер сторонников абиогенного синтеза, доклад которого был освистан … [37]. Несмотря на это теория абиогенного синтеза в СССР продолжала развиваться трудами Н.А.Кудрявцева, Н.С.Бескровного, А.Е.Лукина, П.Н.Кропоткина, В.Б.Порфирьева [491], Ф.А.Летникова, А.А.Маркушева, В.А.Жарикова, Б.М.Валиева, В.А.Краюшкина, М.Г.Гринберг, Г.Н.Доленко[30, 301], Э.Б.Чекалюк и другие очень крупные ученые. Большой вклад в это направление внесла украинская школа геологов во главе с В.Б.Порфирьевым. На Украине в этом направлении продолжают плодотворно работать его последователи В.А.Краюшкин, А.Е.Лукин, В.И.Созанский и другие. Большой вклад в изучение абиогенного синтеза нефти в формировании и переформировании нефтяных месторождений внесли ученые-геологи Республики Татарстана (РТ) [37].
Сторонники неорганического происхождения нефти, обладавшие острым критическим умом, великолепно владевшие достижениями современной геологии и геохимии, видя слабые стороны органической теории образования нефти и газа, какой она была в начале второй половины XX столетия, указывали «органикам» не нерешенные вопросы и тем самым активизировали исследования по многим направленям. Они, «неорганики», выдвинули несколько положений, которые по их мнению, невозможно объяснить с позиций органической гипотезы. Основные из них следующие: существование в природе огромных скоплений нефти, часто наблюдаемая приуроченность месторождений нефти и газа к зонам разломов, нахождение включений нефти и газа в магматических породах, образование которых связано с остыванием магмы, нахождение нефти в кратерах вулканов, кимберлитовых трубках и в вулканических газах.
Н.А.Кудрявцев[33, 34]: нефть и газ образуются из реакционных смесей Н, СО2, СН4 и других простейших углеродистых соединений в результате осуществления реакций типа: СО + 3Н2 = СН4 + Н2О.
Сторонники эндогенного синтеза, связывая процессы нефтегазообразования с глубинной дегазацией, приводят новые факты, свидетельствующие о «несостоятельности» биогенного происхождения нефти: присутствие углеводородных газов, главным образом, метана в вулканических эманациях, изверженных породах фундамента; повышенная металлоносность твердых нафтидов, обогащенность их ураном, редкими и редкоземельными элементами; результаты эксперементов по абиогенному синтезу УВ.
Они объясняют абиогенное происхождение нефти путем синтеза УВ из оксидов углерода и водорода (реакция Фишера – Тропша). Каталитический синтез УВ давно освоен химической промышленностью. Его осуществляют при t = 150-300оС, в качестве катализаторов используют Co, Ni, Pt и элементы VIII группы.
Общий вид реакции Фишера – Тропша: nCO+(2n+1)H2→CnH2n+2+nH2O
Согласно данной реакции при разных условиях могут быть образованы н-алканы, изопреноиды, ни нафтены, широко распространенные во всех природных нефтях … [42].
В пользу эндогенного происхождения УВ газов часто приводится повышенная концентрация в них гелия (He) и водорода (Н). В качестве критерия генезиса газов используется их изотопный состав.
Единственным газом, изотопный состав которого в мантийном и коровом резервуарах резко различен, является He. Наличие ювенильной примеси гелия позволяет оценить и возможную долю УВ-газов и прежде всего метана, мантийного генезиса (в современной мантии СН4/3Не = 10-6 [37].
В СССР создана теория абиогенного синтеза нефти [37]:
1) В её основе лежат процессы дегазации глубинных сфер земли, являющиеся основным процессом развития нашей планеты, одной из проявления которых являются глубинные восстановительные флюиды, контролирующие процессы метасоматоза, литогенеза, образования нефтяных и рудных месторождений.
2) Существование в глубокопогруженных осадочных бассейнах и их кристаллическом фундаменте путей миграции глубинных флюидов через глубинные разломы, дизъюнктивные узлы – места сопряжения зон глубинных разломов на границах крупных блоков земной коры, которые рассматриваются как дискретные каналы, наиболее благоприятные для миграции больших масс флюидов и переноса эндогенной энергии, в т.ч. тепла, в верхние геосферы.
3) Существование в осадочных бассейнах узлов нефтегазонакопления, а в их кристаллическом основании разуплотненных зон, надежно перекрытых плотными породами-покрышками.
Сторонники неорганического синтеза для объяснения нефтегазообразования привлекают как эндогенный генезис углеводородных флюидов, так и метасоматический [322]. В 2000 г. появились публикации снова привлекающие космос для образования УВ нефти /Ю.Р.Каграманов, А.Г.Егикян, 2000/ [37].
Вопрос о происхождении нефти до настоящего времени остается открытым – дискуссионным. В последние годы появляются теории, пытающиеся связать воедино органическую и неорганическую гипотезы, например, осадочно-неорганическая теория И.И.Чебаненко, В.П.Клочко и др. [41].