ИСХОДНЫЙ ОРГАНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И УСЛОВИЯ НАКОПЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПРИРОДЕ

Исходным материнским веществом, давшим начало всей массе битумов и нефтей в природе, является органическое вещество во всем его многообразии. Несмотря на возможное участие в процессе нефтеобразования остатков любых видов организмов, очевидно, можно поставить вопрос о преобладании той или иной группы организмов. Такие группы организмов, как отмечает Н. Б. Вассоевич, появились в истории Земли и стали играть существенную роль в продукции водных бассейнов с кембрия. Они имеют достаточно широкие ареалы распространения, содержат такие биохимические компоненты, которые по своему молекулярному составу наиболее близки к нефтяным углеводородам или могут в условиях диагенеза и катагенеза перейти в таковые.

Условия для проявления таких организмов были, по-видимому, уже в докембрии. Дж. Харингтон и Дж. Силлерс (1963) изучили битумы и проявления нефти из докембрийских отложений. Они отме­чают частое присутствие «примитивной» нефти и аминовых кислот в полосчатых железных рудах и амфиболитах, в то время как в высокотемпературных серпентинитах не обнаружено нефти, смол и аминовых кислот. Исходными организмами, по мнению авторов, были водоросли и бактерии докембрия.

В состав органического вещества, попадающего в осадок, входят остатки растительного и животного мира. В зависимости от преоб­ладания растительных или животных остатков меняется и химиче­ский состав органического вещества (табл. 53).

В составе органического вещества можно выделить липоиды,

белки, углеводы и лигнин.

Липоиды. К липоидам относятся жиры (липиды), углеводороды, смолы и бальзамы, стерины, воска и некоторые другие соединения. Липоиды по своему химическому составу и молекулярному строению стоят ближе всего к соединениям, входящим в состав нефти.

Жиры (липиды) представляют собой эфиры глицерина и самых

разнообразных жирных кислот.

Жиры содержат относительно мало кислорода, около 10—12%. В природных условиях они расщепляются с присоединением моле­кул воды, происходит их гидролиз.

В процессе гидролиза жиры образуют смесь жирных кислот и глицерина. Глицерин легко растворяется и вымывается водой. Кроме того, он служит питательной средой для микроорганизмов. Жирные кислоты, наоборот, очень устойчивы и способны к накоплению

Таблица 53

Химический состав наземных и водных организмов, % сырого веса (по Берджу, Джедди, Г. Л. Стадникову, В. Е. Раковскому., П. К. Когерману)

Примечание. Звездочкой отмечен лигнин.

в анаэробных условиях. Жирные кислоты представляют собой орга­нические соединения с открытой цепью, в молекулах которых со­держится карбоксильная группа СООН. Примером жирной кислоты может служить уксусная кислота CHgCOOH.

Декарбоксилирование жирных кислот (потеря СООН) приводит к образованию углеводородов. Из жирных кислот искусственным путем были получены предельные и непредельные углеводороды с небольшим содержанием ароматических углеводородов.

Углеводороды обнаружены в последние годы в составе растительных и животных организмов. Количество их очень неве­лико — не превышает долей процента на сухое органическое ве­щество.

По мнению некоторых исследователей уже само механическое накопление углеводородов,'попадающих из живого вещества в осадок, в конечном счете может привести к образованию нефти и природного газа. Так, Дж. Хант (1967) считает, что углеводороды в нефти от С^ и выше синтезированы из живущих организмов.

Смолы и бальзамы вырабатываются растительными организмами. В химическом отношении они представляют смеси карбоновых R—С—ОН и оксикарбоновых ОН—R—G—OH кислот,

О О

сложных эфиров и нейтральных кислородных соединений. Это очень стойкие вещества, способные сохраняться в течение геологических периодов. Однако они могут несколько изменяться в сторону услож­нения молекул или несколько упрощаться вследствие потери кисло­тами карбоксильной группы. В первом случае образуются стойкие, нерастворимые и неплавкие вещества, во втором случае — угле­водороды.

С т е р и н ы представляют собой очень стойкие вещества, близ­кие по своему составу к смолам и бальзамам. Содержание их в расте­ниях очень невелико. Предполагается, что они вряд ли могут играть существенную роль в образовании горючих ископаемых.

Споронины и поленины образуют оболочки спор и пыльцы у растений. Они высокомолекулярны, очень устойчивы, не разлагаются под действием кислорода воздуха, органических рас­творителей и минеральных кислот и щелочей; разрушаются лишь при нагревании свыше 300° С. Споронины и поленины могут сохра­няться в осадочных отложениях в течение геологических эпох.

Воска представляют собой смесь свободных высокомолекуляр­ных кислот с эфирами этих кислот и высокомолекулярных спиртов;

кроме того, они часто содержат в себе углеводороды. Воска очень устойчивы и в природных условиях в течение геологического времени способны долго сохраняться без существенных изменений.

Среди липоидов основным по массе веществом являются жиры.

Под действием микроорганизмов преобразование жировых веществ может начаться еще в осадке. Так, В. Л. Мехтиевой было изучено преобразование жировых веществ животного и растительного про­исхождения под воздействием денитрифицирующих бактерий в вод­ной среде при доступе воздуха, т. е. в условиях, сходных с соответ­ствующими в органогенных илах. Установлено, что под воздействием денитрнфицирующих бактерий жиры претерпевают глубокий гидро­лиз; разрушаются эфирные связи, глицерин и жирные кислоты подвергаются бактериальному окислению за счет кислорода нитра­тов. Резко возрастает кислотное число подопытного жира за счет образования свободных жирных кислот; происходит насыщение двойных связей.

Присутствие азотнокислых солей в морской воде, а также наличие в современных осадках большого числа денитрифицирующих форм дает основание считать, что превращение органических веществ, в том числе и липоидов, в верхнем слое осадка происходит при актив­ном участии денитрифицирующих бактерий. Естественно полагать, что липоиды, присутствующие в органогенных илах, в первую оче­редь подвергаются воздействию денитрифицирующих бактерий. В результате жизнедеятельности этих микробиальных форм среда приобретает резко восстановленный характер, .благоприятствующий развитию анаэробных сульфатредуцирующих бактерий, использу ющих наряду с другими веществами и жирные кислоты.

В процессе преобразования жировых веществ под воздействием деннтрифицирующих бактерий в подопытном жире увеличивается содержание неомыляемых веществ (в отдельных случаях в 4—6 раз по сравнению с контролем). В неомыляемом остатке установлено новообразование стеринов, за счет которых главным образом проис­ходит накопление неомыляемых компонентов. При дегидрировании стеринов сравнительно легко образуются углеводороды. Можно предположить, что бактериальный синтез стеринов жировых веществ в современных морских осадках служит источником образования циклических конденсированных углеводородов.

Следует напомнить, что в некоторых нефтях обнаружены насыщен­ные жирные кислоты, явно унаследованные из исходных органиче­ских веществ.

Для проверки возможности образования нефти из жиров еще К. Энглер проводил специальные опыты, в которых подвергал жиры перегонке под давлением и исследовал при этом дистиллят,оченьсходный с естественной нефтью.

Гипотеза образования углеводородов из растительных жиров наиболее последовательно развита Г. Л. Стадниковым. Последний считает, ^что в естественных условиях в скоплениях растительного материала решительно все углеводы, пектиновые вещества и белки подвергаются разрушению до газообразных или легко вымываемых водой соединений. Воска же, углеводороды, смолы, споронины, поленины, стерины и родственные им вещества — кутины, жирные кислоты и лигнин — не разрушаются и накапливаются на месте отложения растительных остатков. Эти последние вещества, по мне­нию Г. Л. Стадникова, и являются истинными образователями углей и нефти, в которые они постепенно превращаются путем ряда слож­ных реакций. В массе неразрушающихся остатков существенную роль играют лишь жирные кислоты и лигнин. Лигнин дает начало ряду углей, а жирные кислоты — ряду нефтей. В процессе превраще­ния в углеводороды органических остатков, содержащих жирные кислоты, необходимо обогащение их водородом — гидрогенизация. Поступление водорода, по мысли Г. Л. Стадникова, возможно из глубоких недр земли, где пары воды вследствие высокой температуры могут разлагаться с выделением водорода. Существенным недостат­ком гипотезы является необходимость допущения спорадического скопления больших масс растительности, что плохо вяжется с реги­ональным распространением углеводородов и родственных им продук­тов в природе.

В результате исследований Т. Г. Гинзбург-Карагичевой был намечен путь биохимического образования нефтяных углеводородов непосредственно из жировых веществ и через промежуточные про­дукты — нафтеновые кислоты. Анаэробные бактерии по ее схеме являются не только преобразователями органического вещества, но и мощной биомассой для преобразования. Биомасса бактерий

может доходить иногда до 30% от общей массы органических остатков.

В 1958 г. Н. Б. Вассоевич предложил схему образования первич­ных углеводородов в илах за счет исходных водных организмов и переработки их микроорганизмами (рис. 140).

Дж. Купер и Е. Брей (1963) также отводят большую роль жирным кислотам в образовании нефти. Они отмечают, что в биологических

Рис. 140. Образование углеводородов в илах сначала за счет исходных водных организмов, а затем за счет переработки многими поколениями микробов раз­личных биохимических компонентов всех отмерших ранее организмов. Сплош­ные линии доказывают основные пути образования углеводородов (по Н. Б. Вассоевичу).системах н-парафины с высоким молекулярным весом (более 20 ато­мов углерода) и нечетным числом атомов углерода встречаются чаще, чем таковые в сырых нефтях. На это обстоятельство указывал и Герард в 1961, 1962 гг. По мнению Дж. Купера и Е. Брея, в водной среде осадка идет процесс, в соответствии с которым молекула исход­ной жирной кислоты теряет COg с образованием промежуточного вещества, которое в свою очередь дает два продукта — н-парафин и жирную кислоту. Оба продукта содержат на один атом углерода меньше, чем исходная кислота. Образующиеся продукты подвер­гаются тому же процессу. В результате происходит, с одной стороны, выравнивание в содержании н-парафинов с четным и нечетным числом атомов углерода, а с другой, — растет количество н-парафинов с низким молекулярным весом. Распределение жирных кислот в современных и древних осадках и водах нефтяных месторождений вполне укладывается в разработанную ими схему.

Дж. Мейер (1964) также отводит большую рольжирным кислотам в образовании парафинов, в то же время терпены он рассматривает как исходное органическое вещество для циклических углеводородов.

По данным Н. Б. Вассоевича (1963), многие биохимические со­единения, играющие важную роль в жизнедеятельности организ­мов, построены из изопреновых или изопреноидных звеньев. Изо-преноидной структурой обладают не только цепочки, но и кольчатые углеводороды, например цикланы и терпены, а также комбиниро­ванные соединения, например каротины и другие. Естественно поэтому, что нахождение в нефтях (в микронефтях) изопреноидных структур геохимики расценивают как прекрасное подтверждение био­органической природы нефтематеринского вещества.

К числу циклических соединений со структурами, позволяющими считать их фрагментами, порой несколько измененными, биохимиче­ских компонентов различных организмов, относятся фенантрены (из нефти выделено шесть типов), лежащие в основе многих природ­ных веществ растительного происхождения, например стероидов и ряда терпеновых соединений. В частности, именно фенантрен — трехкольчатый арен — лежит в основе ретена и фихтелита — углево­дородов, найденных в торфе. ,

Найденный и в нефтях, и битумах пятикольчатый ароматический углеводород — перилен — также может свидетельствовать об уча­стии живого вещества в образовании нефти, так как производные перилена имеются в низших растениях. Бензперилен был обнаружен в остатках иглокожих. Очень своеобразный циклический углево­дород, найденный в нефти и названный адамантаном (СюН^д), мог, по мнению А. Ф. Платэ и других химиков, иметь своим первоисточ­ником биоциклические терпены растительного происхождения, пре­терпевшие воздействие глинистых минералов.

С. Сильверман и С. Эпштейн на основании изучения изотопного состава углерода в растениях, в органическом веществе осадков, пород и нефтей также пришли к выводу о возможности образования нефти из растительных жиров. По данным Крэга, С. Сильвермана и С. Эпштейна в липоидной фракции растений отношение изотопов углерода меньше, чем в растениях в целом, на 4—10°/Qg и соответ­ствует соотношению изотопов углерода в нефтях. В то же время при изучении современных осадков в заливе Флорида показано наличие фракционирования изотопов углерода в органическом веществе осадков. Это может быть следствием не собственно фракционирования изотопов углерода, а избирательного накопления в осадке липоид­ной фракции растений за счет разрушения и ухода в растворенном или газообразном состоянии других частей органического вещества.

Белки представляют собой очень сложные вещества, в состав которых входят углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. В анаэробных условиях белки легко разрушаются с образованием жирных кислот и аминокислот.

Аминокислоты — производные от жирных кислот, у ко­торых один атом кислорода заменен аминной группой — NH^.

Например,

R-CH-COOH.

приводит

NHa

Потеря аминной группы NHg — дезаминирование и переходу аминокислот в жирные кислоты.

Рис. 144. Схема образования углеводородов из белков.

Некоторые ученые рассматривают белки в качестве исходного органического материала для образования нефти. Исследования А. Д. Архангельского показали, что содержание азотистых соеди­нений, протеинов и лигнинно-гумусового вещества в современных и ископаемых морских осадках значительно.

Белковые вещества в природных условиях легко разлагаются, происходит реакция гидролиза. При гидролизе выделяются различ­ные аминокислоты. Часть аминокислот растворяется в воде и вымы­вается из осадка. Высшие аминокислоты, плохо растворимые в воде, вступая в реакцию с дубильными веществами и лигнином, дают на­чало соединениям гумусового характера (рис. 141).

Углеводы. Обнаружение в нефтях парафинов и других произ­водных хлорофилла дает основание предполагать участие расти­тельного материала в образовании нефти. Преобладающей группой химических соединений в растениях являются углеводы. Из них глав­ная роль принадлежит целлюлозе, химическая формула которой (CgHigO^)e. Еще опытами Е. Берля установлена возможность пре­вращения углеводородов в нефтеподобные продукты при восстано­влении их водородом. Химическая сторона превращения углеводов в углеводороды в лабораторных условиях была разработана Н. А. Орловым.

Лигнин — химически сложное аморфное вещество. Состав его до последнего времени полностью не выяснен. Это вещество коллои­дального характера, не растворимое в воде и органических жидко­стях и не поддающееся гидролизу.

Роль лигнина в образовании гуминокислот согласно новейшим представлениям невелика. По современным воззрениям лигнин обра­зуется из окислительных ферментов и особенно энергично в период отмирания плазмы клеток.

Некоторые исследователи (И. Д. Газеман, А. Ф. Добрянский) в качестве исходного материала для нефтеобразования рассматри­вают гуминокислоты. По А. Ф. Добрянскому содержание гумино­кислот в общем балансе органического вещества озерных сапропелей достигает 30—67%, в то время как относительное содержание биту­минозных веществ не превышает 9 %.

По мнению геохимиков, гуминокислоты, переведенные в раство­римое состояние, легко вступают во взаимодействие с различными веществами, представляющими продукты превращения клетчатки, пектиновых веществ и жиров (сахара, альдегиды, аминокислоты, глицерин). Эти продукты синтеза обладают свойствами битумов — растворяться в органических растворителях (Н. Титов, 1953). Гидрирование первичных продуктов и преобразование их в нефть могло происходить при участии водорода в момент выделения, образующегося при сбраживании углеводородов.

Таким образом, в настоящее время можно считать доказанной возможность образования углеводородов из любой указанной группы веществ: липоидов, белков и углеводов. Без сомнения, в богатой лаборатории природы могут создаваться благоприятные условия для преобразования любой из этих групп в углеводороды.

Направленность изменения исходного органического вещества в значительной степени зависит от условий его накопления и захоро­нения в осадке.

Жизнь зародилась на земле в отдаленную геологическую эпоху, в архейскую эру. Уже в кембрии жизненные формы водной оболочки земного шара были довольно разнообразны. Водоемы были населены не только различного типа водорослями и простейшими животными типа трилобитов, остатки которых в виде окаменелостей дошли до нас, но и многочисленными микро- и макроорганизмами, не оставив­шими в геологической летописи своих следов. В начале палеозоя жизнь быстро завоевывает и сушу. В современную нам эпоху жизнь

 

покрывает сплошной биогенной оболочкой весь земной шар, наиболее богата она в водоемах.

В табл. 54 в качестве примера приведен баланс органического вещества в Черном море.

Таблица 54

Баланс органического вещества Черного моря (по данным О. А. Радченко и Н. Б. Вассоевича)

организмы	Биомасса,	Годовая i	продукция
	млн. т	сотни млн. т	%
Общий планктон	15,0	27,45	-
Фитопланктон без бавтерпй ....	13,5 1,5	27,00 0,45
Бентос ..............	40,0	0,80	-
макрофиты	20,0	0,40	0,19
Зообентос .............	20,0	0,40	0,19
Бактерии в водной толще	, 30,0	120—180
Пурпурные серобактерии .....	20,0	60—80	28,80
Бактерии грунта .........	10,0	60—80	28,80
Рыбы ...............	10,0 1,0	60—80 0,0017	28,80

Как в наше время, так и в любой другой геологический период можно наблюдать необычайное разнообразие условий отложения орга­нического вещества, начиная от консервирующего действия районов вечной мерзлоты до окисляющего влияния атмосферы, уничтожающей Полностью органические остатки.

Условия для дальнейшего преобразования органических остатков не везде были одинаковые. На дневной поверхности пустынных континентов под окисляющим действием атмосферы органические остатки, за исключением их минеральной части, «сгорают» почти целиком. Органическое вещество переходит в различные газообраз­ные продукты, рассеивающиеся в атмосфере. Трудны условия сохра­нения и накопления органического вещества на возвышенных частях континентов. Помимо разрушающего действия атмосферы, органи­ческое вещество разрушается и окисляется проточными водами, которые сносят органические остатки с повышенных в пониженные части суши. Здесь при обилии воды в болотах, пресноводных и соле­ных озерах, лагунах, заливах и морях наиболее пышно развивается флора. Пышное развитие флоры в свою очередь вызывает обильное развитие фауны.

Отложение органического вещества не ограничивается зоной лагун и заливов. Оно происходит и в обширных континентальных морях (эпиконтинентальных) и в геосинклинальных бассейнах. Накоп­ление органического вещества в эпиконтинентальных и геосинклинальных бассейнах могло происходить как за счет пассивно плава­ющих организмов (планктона), так и организмов, обитающих на дне (бентоса). Немалую роль играют микроорганизмы, населяющие оса­док на дне бассейна. Достаточно указать на то, что только один фитопланктон (растительный планктон) верхнего 100-.% слоя миро­вого океана, по данным С. А. Зернова, дает ежегодно 60 млрд. т органического углерода. В глубоких частях бассейнов вдали от бере­говой линии количество органического вещества, попадающего в осадок, значительно сокращается. Можно говорить о некоторой оптимальной зоне накопления органического вещества в осадках в пределах шельфа, т. е. в пределах той постепенно погружающейся под уровень моря части континентов, в-которой происходит накоп­ление основной массы осадочных пород. .

Наконец, водные потоки несут в моря и другие водоемы огромное количество органического вещества. Подсчитано, что Волга ежегодно вносит в Каспийское море 5,5 млн. т растворенного органического вещества. Общее же количество органического вещества в Каспии до­стигает, по данным Н. М. Страхова, 134 млн. т сухого вещества в год.

Из приведенных цифр видно, что органическое вещество в водоеме в подавляющей массе накапливалось за счет организмов самого моря.

В различных местах, в разное время и в разнообразных условиях происходило накопление различных по своему характеру органиче­ских веществ.

Не следует забывать, что на дне различных водоемов не просто накапливалась органическая масса, а шел процесс осадконакопле-ния. Накапливался осадок лишь в той или иной мере обогащенный органическим веществом, и только в особо благоприятных условиях (болота, лагуны, заливы и т. д.) образовывались иногда значительные массы органического вещества, по количеству преобладающие над остальной частью осадка.

Интересные выводы о распределении рассеянного органического материала в современных осадках на громадных пространствах внутренних морских бассейнов и океанов сделаны О. К. Бордовским (1966). В бассейнах котловинного типа, где материковая отмель узка, основная масса рассеянного органического вещества аккуму­лируется у основания склона; в сравнительно небольших бассейнах перемещение органического вещества из мелководных районов приводит к резкому обогащению центральных областей впадин;

повышенные концентрации в океанических бассейнах явно тяготеют к районам, изобилующим планктоном (так, в северной половине Индийского океана повышенные концентрации отмечаются в отло­жениях глубоководной Яванской впадины, вблизи острова Цейлон, западного побережья Австралии и др.). Следовательно, высокой концентрацией органического материала характеризуются осадки впадин и районы по тем или иным причинам чрезмерно богатые планктонными организмами.

В зависимости от разных геологических условий можно выделить три основных пути преобразования обогащенного органическим веществом осадка: 1) свободный доступ кислорода — тление; 2) огра­ниченный доступ кислорода — гумификация; 3) отсутствие доступа кислорода — гниение: а) газообразные продукты могут свободно удаляться; б) удаление газообразных продуктов и их рассеивание затруднено.

Рассмотрим каждый из перечисленных выше путей преобразова­ния (рис. 142).

1. Свободный доступ кислорода. Свободный доступ кислорода к осадку, обогащенному органическим веществом, происходит в слу­чае накопления органических остатков на суше и в водоемах при сво­бодной циркуляции обогащенных кислородом поверхностных вод и выводе осадка на поверхность. В случае отложения грубозернистого материала и циркуляции воды последняя не только приносит кисло­род, но и легко вымывает из осадка органические вещества. Резуль­татом при всех этих явлениях будет удаление из осадка органиче­ского вещества путем окисления его и превращения в газообразные продукты или путем механического выноса.

2. Ограниченный доступ кислорода. Все ранее перечисленные условия отсутствуют. В осадок поступает лишь незначительное количество кислорода. Это может происходить при накоплении осадка в болотах или мелководных озерах и лагунах при отсут­ствии активной циркуляции воды. Бассейн в общем характеризуется застойными условиями, но некоторое количество кислорода поступает отчасти с приносимыми минеральными частицами, отчасти благодаря медленному проникновению кислорода в осадок через маломощный слой воды и проницаемую покрышку. Имеющегося в осадке и посту­пающего извне кислорода не хватает для полного окисления органи­ческого вещества и превращения его в газообразные продукты. В орга­ническом веществе окисляются лишь наиболее неустойчивые, легко разлагающиеся продукты. Происходит брожение органического ве­щества под действием различных микроорганизмов. Образующиеся газы, в том числе и метан (СН^), свободно удаляются.

3. Отсутствие доступа кислорода. Накопление осадка, содержа­щего органическое вещество, происходит в относительно более глубоководных условиях. Доступа кислорода нет. Процессы окисле­ния идут только за счет кислорода, содержащегося в самом органиче­ском веществе. Среда восстановительная. Идет энергичное брожение вещества под влиянием бактерий. Осадок пелитовый, тонкообломоч­ный или карбонатный. По геологическим условиям и дальнейшему ходу процессов можно выделить два случая:

1) образовавшееся в осадке коллоидальное вещество медленно коагулирует и стареет. Накопление осадка происходит сравнительно медленно. Дно бассейна или незначительно прогибается, или то прогибается,то поднимается. Сверху над осадком, обогащенным

 

Гл.IX. Происхождение нефти и природного газа

 

органическим веществом в процессе его диагенеза (преобразования в породу), отлагаются относительно проницаемые породы. Часть органического вещества, превращаясь в жидкие и газообразные продукты, легко удаляется и рассеивается;

2) в бассейне преобладает тенденция опускания, вызывающая быстрое захоронение осадков, обогащенных органическим веществом. Происходит накопление мощных толщ в основном песчано-глинистого или карбонатного характера. Энергично протекают микробиологиче­ские процессы, особенно на первой стадии преобразования осадка. Среда резко восстановительная. Возникающие в процессе преобразо­вания органического вещества подвижные соединения перемещаются в боковом направлении и в вышезалегающие слои. Вследствие погру­жения осадок попадает в область более высоких температур.

Как видно из изложенного, накопление органического вещества в осадке тесно связано с геологическими условиями образования по­следнего. Поэтому накопление органического вещества следует рас­сматривать в общей схеме осадочной дифференциации и интеграции пород.

Н. М. Страхов, изучая осадки современных морей, пришел к вы­воду, что «органическое вещество накапливается в осадках в кон­центрациях, обратно пропорциональных средним диаметрам частиц или прямо пропорциональных количествам имеющейся в осадке пелитовой фракции». Интересно отметить сохранение той же законо­мерности для осадков древних морей. Не менее 85% всей массы органического вещества, заключенного в земной коре, содержится в рассеянном состоянии в пелитовых (глинистых) породах.

Остановимся несколько подробнее на осадке как на физико-химической среде для химических и биохимических процессов. Эта среда возникает на дне бассейна и существенно отличается от вод­ной массы, расположенной выше. Н. M. Страхов дает ей следующую общую характеристику: «Отсутствие свободного кислорода и восста­новительный характер среды, выраженные тем сильнее, чем с более тонкозернистым осадком мы имеем дело; колоссальное изобилие бактерий в верхних слоях осадка и соответственно интенсивная их жизнедеятельность; резкая, а порой исключительно сильная обогащенность грунтового раствора малыми компонентамиР, N, SiOg, Fe и другими, несомненное насыщение ими во многих случаях раствора; пестрота и большие изменения физико-химических показа­телей даже внутри однородных осадков, а вместе с тем и ярко выра­женная зональность этих показателей по мере перехода от при­брежных песчаных отложений к более тонкозернистым пелагиче­ским — вот основные признаки осадков как физико-химической среды для течения химико-биологических процессов».

Наиболее характерными показателями физико-химических осо­бенностей среды осадконакопления являются концентрации водород­ныхионов рН и окислительно-восстановительный потенциал Eh.

В водной среде происходит частичная диссоциация как самой воды, так и всех солей, кислот и оснований, находящихся в растворе. В нейтральной среде концентрация гидроксильных (ОН) и водород­ных (Н) ионов одинаковая, равная 1 • Ю-⁷ г/л. Повышение содержания ионов водорода в растворе приводит к появлению кислой среды, понижение — к появлению щелочной. В качестве показателя щелоч­ности или кислотности среды берется десятичный логарифм (с поло­жительным знаком) концентрации ионов водорода в 1 л, обознача­емый рН.

Величина рН оказывает существенное влияние на растворимость и осаждение различных солей. Особенно сильно это. сказывается на растворимости карбонатов. Последнее обстоятельство отзывается на условиях существования организмов с карбонатным скелетом или покровом. С понижением pHJ растворимость карбонатов повы­шается и условия существования для упомянутых организмов ухудшаются. На участках морского дна, значительно удаленных от берега, в условиях накопления карбонатных отложений почти един­ственным источником органического материала .являются остатки планктонных организмов. Значительная часть органического веще­ства, захороняемого в карбонатных илах, будет представлена жировыми веществами. Это в известной степени определяет и напра­вленность процессов превращения компонентов состава. Имеются сведения, что распад белковых веществ замедляется в присут­ствии жиров, которые тормозят действие энзнмов, разрушающих белки.

Наличие карбонатов кальция или маг ния в Ялах обусловливает повышенное значение рН среды, что также сказывается на направлен­ности, процессов превращения органических компонентов. Карбонаты кальция или магния обеспечивают, кроме того, нейтрализацию кис­лых (вредных) продуктов бактериальной жизнедеятельности, что способствует дальнейшему протеканию биохимических процессов.

Вопрос о геохимической обстановке образования карбонатных пород весьма обстоятельно рассмотрен в монографии «Карбонатные породы», вышедшей в 1967 г. под ред. Т. В. Чилингера, X. Дж. Бис-села и Р. В. Фаирбриджа. —

Дж. Хант рассматривает карбонатные породы как возможно нефтематеринские. , . . ,

В глинистом осадке (верхняя часть склона и нижняя часть шельфа) отмершие остатки планктона в водной массе при падении на дно подвергаются тем же изменениям, что и в карбонатной фации, но путь, который они проходят до дна, короче, а распад их может оказаться менее полным. В глинистые осадки вместе с жирами могут попасть остатки белкового и углеводного характера. В этой зоне в илах может оказаться несколько большим и количество отмер­ших бактериальных клеток, так как бактериальная флора пышно развивается на тонковзмученных глинистых частицах. В этой же

зоне вместе с глинистыми частицами будут осаждаться и гумино-кислоты, приносимые с суши водными потоками; их величина в общем балансе органического вещества может быть значительной (от 20 до 70%). В этой зоне может оседать и приносимый с суши мелкий расти­тельный детрит, содержащий воска, кутин и смолы. Таким образом, органические клетки, отлагаемые в глинистых илах, могут оказаться значительно более разнообразными по сравнению с карбонатными илами. Превращение органического вещества в этих условиях (по крайней мере внутри осадка) будет протекать в восстановительных условиях. Передвижение воды, способной принести кислород, внутри глинистых илов крайне затруднено. Поэтому бактериальное окисле­ние может протекать лишь за счет кислорода железа, а при большем содержании органического вещества и за счет кислорода сульфатов. В глинистых илах будут накапливаться кислые (вредные) продукты жизнедеятельности микробов, и затухание последней будет происхо­дить гораздо раньше, чем в карбонатной фации. По К. Ф. Родионовой это является одной из причин накопления органического вещества в глинистой фации.

При переходе к алевритовым и песчаным отложениям среди органических остатков в илах возрастает роль детрита высших растений, приносимого с суши, и детрита макрофитов, произраста­ющих в водоеме. Обычно здесь пышно развивается бентос.

Обстановка в период седиментации и раннего диагенеза для каждого типа осадков (песчаные, глинистые, карбонатные) определяет количество захороненного в них органического вещества.

Возникновение в осадке тех или иных минералов обусловлено характером выпадающих в осадок солей, последнее связано с вели­чиной рН раствора. По минералам, возникшим в момент накопления осадка, так называемым сингенетичным минералам, можно судить о концентрации водородных ионов в осадке, исходном для данной породы.

Сущность окисления сводится к потере ионами электронов. При восстановлении происходит обратный процесс — приобретение ионами электронов. Поскольку электрон является носителем отри­цательного заряда, окисленные вещества, имеющие меньше электро­нов, обладают более высоким электрическим потенциалом, чем восста­новленные. Этот потенциал называется окислительно-восстановитель­ным, или редокс-потенциалом, и обозначается знаком Eh. Чем ниже значение Eh, тем выше у данного соединения способность восстана­вливать другие вещества и тем более оно само восстановлено. Таким образом, физико-химические условия накопления осадка могут быть охарактеризованы величинами рН и Eh.

Осадки, характеризуемые определенным комплексом физико-хи­мических особенностей среды накопления, называются геохимиче­скими фациями. Учение о геохимических фациях разработано у нас в стране в трудах Л. В. Пустовалова, Н. М. Страхова, Г. И. Бушинского, Г. И. Теодоровича, Л. А. Гуляевой, К. Ф. Родионовой и дру­гих исследователей.

Восстановление органического вещества в осадке до почти бес­кислородных углистых или битуминозных веществ может происходить лишь в определенных геохимических фациях. Такие фации должны характеризоваться, с одной стороны, отрицательными значениями окислительно-восстановительного потенциала Eh, т. е. восстанови­тельными условиями, а с другой, — значениями рН > 7, т.е. должныносить нейтральный или щелочной характер.

Условия образования осадочных минералов и пород в зависи­мости от рН и Eh осадка подробно исследованы Г.' И. Теодорови-чем. На основании изучения субаквальных (подводных)' отложений Г. И. Теодорович выделяет ряд фаций, наиболее благоприятных, по его мнению, для процессов битумообразования.

К ним относятся по Г. И. Теодоровичу следующие геохимические фации: 1) явно восстановительная или сероводородная (сульфидная);

2) восстановительная (с окислительно-восстановительным разделом чуть выше поверхности осадка); 3) слабовосстановительная (сидери-товая и вивианитовая) с окислительно-восстановительным разделом, совпадающим с поверхностью осадка и 4) нейтральная фация с окис­лительно-восстановительным разделом проходящим немногонижеповерхности осадка.

Изучение процессов битумообразования в современных и четвер­тичных осадках привело В. В. Вебера к выводу, что благоприятные фапиальные обстановки распространяются на известную часть субаквальных континентальных фаций, они охватывают весь ком­плекс лагунных фаций (от опресненных до переходных к эвапорито-вым); к ним могут относиться фации не только застойных бассейнов, но и нормальные мелководно-морские фации как терригенного, так и карбонатного состава. Иначе говоря, возможности накопления и превращения углеводородов в нефтяном направлении могут быть созданы по В. В. Веберу в различных фациальных обстанопках, объединяемых лишь одним общим и обязательным признаком:

исходный органический материал должен попадать в осадок неокис­ленным (или практически неокисленным), и дальнейшее преобразо­вание этого органического материала должно происходить в условиях длительного субаквального погружения осадка и неизменно сохраня­ющейся восстановительной среды.

Говоря о восстановительной среде осадка, следует подчеркнуть, что создание и сохранение восстановительной среды в нем зависят прежде всего от наличия органического вещества. В процессе сво­его разложения органическое вещество, взаимодействуя с осадком, создает в нем восстановительную обстановку. Выделяющаяся в про­цессе разложения органического вещества энергия в незначительной части трансформируется в тепловую энергию, большей же частью она расходуется на химические и биохимические процессы.

 

Влияние фациальных условий на состав органического вещества и превращение его в битум могут быть прослежены и по древним осадкам. В этом отношении большая работа была проделана Ш. Ф. Мехтневым и Д. В. Жабревым по неогеновым отложениям Азербайджана, Н. Б. Вассоевичем и В. А. Успенским по северо-вос­точному Предкавказью, К. Ф. Родионовой по Ставрополью и Волго-Уральской области. •

Наиболее благоприятными для накопления органического веще­ства и дальнейшего его преобразования в направлении битуминиза­ции и образования углеводородов оказываются субаквальные фации без четко выраженной связи с их литологическим выражением. Поэтому наиболее активные преобразования органического вещества и новообразования битуминозных веществ происходят в гетерогенных глинисто-алевритово-песчанистых осадках или в фациях с тонким и частым переслаиванием осадков; благоприятными оказываются карбонатные осадки. Геохимически безусловно благоприятны фации от резко восстановительных до сидеритовой. Разногласия касаются только сидеритовой и шамозитовой геохимических фаций, которые многими исследователями рассматриваются как неблагоприятные для процессов нефтеобразования.

Влияние фаций сказывается не только на условиях накопления и превращения исходного органического вещества, но в известной мере и на продуктах его превращения. При сопоставлении нефтей, полученных из толщ, имеющих различную фациальную характери­стику, удается подметить некоторые различия. По одновозрастным отложениям наблюдается приуроченность более легких и более метанизированных нефтей к породам, имеющим более восстановлен­ный облик и в значительной степени глинизированным. Еще отчетли­вее наблюдаются изменения при сопоставлении нефтей из континен­тальных (субаквальных) и морских отложений; эти отличия отмеча­ются даже по изотопному составу углерода нефтей.

Ранее уже приводились данные С. Сильвермана и С. Эпштейна по сопоставлению битума и нефтей из континентальных и морских отложений. Значение 6С¹³ у морских растений и животных (беспозво­ночных) составляет 13°/до, у нефтей из морских осадков миоцена — плиоцена Калифорнии оно равно 23°/ао. Наземные растения и уголь характеризуются величиной 6С¹³ 25°/о(), у нефтей из эоценовых кон­тинентальных (озерных) сланцев грин-риверс в штате Юта (США) эта величина составляет примерно 32°/оо. Таким образом, пресновод­ные организмы содержат углерод на 10—12°/од более легкий, чем морские, а углерод нефтей из этих отложений также на 10°/ов легче, чем углерод нефтей из морских отложений.

. ., На рис. 143 приведено сопоставление нефтей месторождения Уод.-Крик США с битумами из вмещающих сланцев фронтиер по Дж.; Ханту, достаточно красноречиво подтверждающее сделанные выше выводы. К. Ф. Родионова, Ю. И. Корчагина, В. В. Ильинская (1963) детально изучили нефти и битумы из отложений карбона'и де­вона Волго-Уральского региона. Они пришли к выводу, что сходство в строении нафтеново-моноароматической и нафтеново-бициклоаро-матической фракций из масел сырых нефтей и сингенетично битуми­нозных веществ указывает на генетическую связь углеводородов

Рис.'143.Сравнение экстракта из сланцев фроытиер с нефтью из песков.уолт-

крик (по Дж. Ханту). ' ' ' Разгонка осуществляется при глубине вскрытия вакуума Ю"³ мм рт. ст.

А — кривые разгонки экстракта из сланцев фронтиер и нефти из песков уо-гг-крик- В _ распределение углеводородов во (Ьракции > 400° F; а—экстракт из слянщ-ы фпонтиер-о—сырая нефть из песков уолт-крик; 1 —моноциклические ароматические уптеводородьг г —бицяклические; з — трициклическяе; t — полициклические; s — парафины и нафтены'

нефти и органического вещества, рассеянного в породах. Кроме того, сходство в строении углеводородов рассмотренных фракций масел сингенетично битуминозных веществ пород девона и карбона указы­вает на то, что нефтеобразовательные процессы в этих породах про­текали самостоятельно. Е. П. Шишенина подчеркивает сходство и неугдеводородных фракций нефтей и битумов. 26*

Таким образом, рассеянные в осадочных породах углеводороды и родственные им некоторые неуглеводородные компоненты органи­ческого вещества обнаруживают столь много общих черт с соответ­ствующими фракциями нефтей, что в целом могут называться дисперс­ной нефтью (по И. М. Губкину) или микронефтью (по Н. Б. Вассо-евичу).

Несмотря на отмеченное сходство, нельзя говорить о полном тождестве отдельных фракций битумов и нефтей. По данным Э. Д. Гим-пелевич, битумы глинистых пород содержат в 2—3 раза меньше масляных фракций, чем нефти, экстрагированные из песчаников. В масляной фракции битумов относительно понижено содержание предельных углеводородов. В усредненной молекуле нафтеново-ме-тановых углеводородов число циклопарафиновых колец и содержание углерода в этих кольцах значительно выше, чем в молекуле той же группы углеводородов, выделенных из нефтей. Отличия в циклич­ности углеводородов подтверждаются значениями показателей пре­ломления и других констант.

Аналогичная направленность изменений наблюдается и в составе ароматических углеводородов. В битумах глин в отличие от нефтей повышено общее содержание ароматических углеводородов. Харак­терно присутствие полициклических ароматических соединений. В частности, А. А. Ильиной в третичных отложениях Предкавказья и Сахалина установлено наличие пятиядерного ароматического углеводорода перилена (СгоН^)- В нефтях из тех же отложений пе-рилен либо отсутствует, либо удается наблюдать лишь его следы. Отличия в характере ароматических фракций битумов и нефтей подтверждаются (Е. А. Глебовская, Е. Б. Проскурякова) методом инфракрасной спектрометрии.

К аналогичным выводам пришел Дж. Хант, изучая нефти и би­тумы бассейнов Паудер-Ривер и Вайоминг в США. Он отмечает очень большое сходство изучаемых объектов, но мигрировавшая нефть содержит несколько больше парафиновых и нафтеновых угле­водородов. '

Наиболее убедительными доказательствами органического про­исхождения нефти и газа являются закономерности их распростра­нения в земной коре.