Происхождение нефти

Парад «неоргаников»

Академик АН УССР В. Б. Порфирьев многие годы возглавлял украинскую школу «неоргаников». Основной упор в своих исследованиях он делал на изучение и обобщение фактов приуроченности скоплений нефти и газа к породам фундамента на Украине, Волго-Урале и в Западной Сибири. В частности, по последнему региону было проанализировано почти 150 площадей, где установлена нефтегазоносность в трещиноватых и выветренных породах фундамента. На основании этого В. Б. Порфирьев и его коллеги пришли к заключению, что кристаллические, метаморфические и вулканические породы фундамента Западной Сибири представляют самостоятельный объект на нефть и газ. В целях поиска глубинных залежей нефти они рекомендовали разбуривать фундамент на глубину 1–2 км, располагая скважины в зонах глубинных разломов и особенно в местах их пересечения.

Другой вывод В. Б. Порфирьева заключался в единовременном акте творения нефти. Ученый считал, что образование всех залежей углеводородов в мире произошло в миоцен-четвертичное время (последние 13–10 млн лет). По каким-то причинам именно в тот период геологической истории Земли произошло раскрытие зон глубинных разломов, по ним устремились в осадочные пласты верхних сфер литосферы жидкие и газообразные углеводороды, источник которых находился в области мантии. Несостоятельность вывода очевидна, так как он противоречит имеющимся данным о времени формирования залежей нефти и газа.

В середине 60-х годов проводились серьезные термодинамические исследования, задачей которых было научное обоснование возможности образования и существования в глубоких недрах Земли «нежных» углеводородных соединений. Дело в том, что углеводороды — это термически неустойчивые образования. При высоких температурах они распадаются на радикалы и даже на химические элементы — углерод и водород; деструкция углеводородов происходит также и в условиях сверхвысоких давлений. Требовалось объяснить, как же могут образовываться и существовать углеводородные цепи в столь неподходящих для себя глубинных условиях.

Термодинамическому обоснованию глубинного происхождения нефти были посвящены работы львовского ученого Э. Б. Чекалюка. По его мнению, термической деструкции углеводородов препятствуют огромные давления (десятки тысяч атмосфер) мантии Земли. Его исследования базировались на математическом физико-химическом моделировании состояния термодинамического равновесия углеводородных систем в геотермобарических условиях. Главные выводы ученого сводились к тому, что с увеличением глубины геостатическое давление тормозит процесс термической деструкции нефти. Теоретические исследования группового состава глубинной нефти, проведенные львовскими учеными, показали, что с глубиной молекулы углеводородных соединений могут укрупняться. В верхней части астеносферы (глубина до 100 км) в равновесной системе содержится в основном метан. По мере возрастания глубины в составе углеводородов должны появляться гомологи метана, затем непредельные соединения, нафтены и ароматика, на больших глубинах — кислородные, сернистые и азотистые соединения.

Термодинамическими расчетами доказывается также, что содержание определенной группы соединений в глубинных нефтях вначале будет увеличиваться с глубиной до некоторого максимального значения, а затем падать. Максимум содержания метана в астеносфере должен располагаться на глубине 100–120 км; алканов — 120–170, нафтенов — 150–230, ароматических соединений — до 260 км. Таким образом, увеличение давления стимулирует полимеризацию и конденсацию углеводородов в крупные углеводородные молекулы. По представлению Э. Б. Чекалюка, оптимальные геотермобарные условия для синтеза нефти имеются в пределах астеносферы. На больших глубинах залегания астеносферы могла бы образовываться тяжелая нефть, на меньших — легкая или газоконденсат. Автор этой гипотезы доказывает, что в осадочном покрове углеводородные системы оказываются термически нестойкими и должны испытывать деструктивные процессы.

Идея о связи месторождений нефти и газа с глубиной залегания астеносферы находит свое развитие в трудах геофизиков В. Б. Сологуба и А. Д. Чекунова. На примере геологии Украины они установили, что крупные прогибы и впадины, которые, как правило, нефтегазоносны, располагаются в областях с приближенным к земной поверхности залеганием астеносферы и, следовательно, с относительно утоненной корой. Напротив, там, где мощность коры увеличивается и поверхность астеносферы погружена, месторождения нефти и газа исчезают. Этим в какой-то степени термодинамическая концепция Э. Б. Чекалюка подкреплялась геологическими данными.

Для опытной проверки физико-химической математической модели был поставлен эксперимент прямого высокотемпературного синтеза углеводородов на установках для синтеза алмазов в условиях высоких давлений и температур до 7×10³ МПа и 2000 К (свыше 1700 °C). Из смеси исходных реагентов, куда входили природные карбонаты и гидраты, были получены углеводородные смеси от метана до гексана и даже следы гептана. В природных условиях, по мнению Э. Б. Чекалюка, донором углерода и водорода могут быть вода и углекислота, содержащиеся в веществе астеносферы в растворенном состоянии. Подводящими каналами углеводородных эманаций из астеносферы в осадочные слои земной коры служат глубинные разломы.

С иных позиций рассматривал термобарические условия образования углеводородов другой исследователь, И. В. Гринберг, выступивший в середине 60-х годов с баровакуумной гипотезой. По его данным, любой природный нефтяной углеводород базируется на сравнительно ограниченном комплексе исходных «структурных» элементов: С, СН, СН₂ и СН₃. Их возникновение, сохранение и превращение в углеводороды могут происходить, по И. В. Гринбергу, только при наличии в мантии Земли вакуумно-реакционных объемов в форме полостей глубинных разломов. В этом отношении И. В. Гринберг явился новатором в стане «неоргаников». Последние, как мы видели, традиционно связывали образование углеводородов с огромными давлениями и высокими температурами в мантии Земли. По мнению же И. В. Гринберга, основанного на современных достижениях в области синтеза графитовых и алмазных систем, формирование углеводородов из «структурных» элементов происходит в относительном вакууме. Этим исследователь отводил критические замечания идейных противников о том, что в условиях сверхвысоких давлений углеводородные цепи существовать не могут.

Глубинные разломы представляют собой своеобразную, сравнительно узкую зону повышенной трещиноватости земной коры. Поскольку сплошность литосферы нарушена, то возникает некоторая связь между земной поверхностью и недрами, она приводит к относительному выравниванию давления в зоне разлома. В результате в его корневой области, лежащей в основании коры или даже в мантии, глубинное давление снижается. Происходят резкий сброс напряжений и формирование локальных вакуумных зон, столь необходимых, по мнению И. В. Гринберга, для возникновения углеводородных соединений из «структурных» элементов.

В качестве донора атомов углерода и водорода И. В. Гринберг опять-таки рассматривал углекислоту и воду. По его мнению, недра нашей планеты — практически неисчерпаемый источник этих веществ. Именно углекислота и вода являются главным компонентом газовой фазы вещества верхней мантии. Свои выводы он подкреплял данными по изучению газовых эманаций Гавайских вулканов, которые содержат до 73 % воды и около 20 % углекислоты. В зависимости от соотношения этих исходных «материнских» веществ зарождаются и формируются основные четыре генетические карбоцепные формы: метано-газоконденсатные, типично нефтяные, смолисто-асфальтовые и немиграционные графито-алмазные системы. Нефтегазовые флюиды по трещиноватым зонам глубинных разломов мигрируют вверх, претерпевая по пути различные геохимические превращения.

Представление И. В. Гринберга и Э. Б. Чекалюка об углекислоте и водороде как источников углеводородов основывалось на достижении химии еще начала нашего века. В 1908 г. русский химик Е. И. Орлов доказал возможность синтеза нефтяных углеводородов из этих продуктов (смесь окиси углерода и водорода получила название водяного газа). Практическое применение открытие русского химика нашло в Германии в годы первой мировой войны. Оказавшись отрезанной от природных источников нефти, Германия с помощью своих ученых-химиков Фишера и Тропша создала целую технологию получения синтетической нефти. Причем водяной газ получали из бурого угля, а синтез нефти осуществлялся путем контакта этого газа при температуре 180–200 °C и атмосферном давлении с окисными железоцинковыми катализаторами. После окончания войны надобность в дорогом искусственном горючем отпала, так как в Германию стала поступать более дешевая естественная нефть.

Несмотря на определенные достижения в развитии неорганических воззрений среди «неоргаников» возникли существенные теоретические разногласия, как это видно на примере термобарических исследований Э. Б. Чекалюка и И. В. Гринберга. Если первый рассматривал высокие давления как необходимое условие образования углеводородов в мантии, то второй видел в них разрушительное начало и искал в недрах области относительного вакуума, где могла бы образовываться и сохраняться нефть. Тем не менее период с середины 60-х годов до середины 70-х можно рассматривать как своеобразный парад различных неорганических идей. По инициативе сторонников этой концепции организуется ряд республиканских и всесоюзных дискуссий, совещаний и конференций по генезису нефти. Материалы этих научных кворумов широко публикуются, и неорганические идеи становятся достоянием широкого круга специалистов-нефтяников.