Происхождение нефти

Нефтегазообразование по О. Г. Сорохтину

Мысль о возможности образования нефти в зонах субдукции наиболее полно и плодотворно разработана в трудах О. Г. Сорохтина, доктора физико-математических наук, руководителя отдела Института океанологии АН СССР.

По О. Г. Сорохтину, образование нефти объясняется возгонкой и термолизом биогенных веществ, затянутых вместе с океаническими осадками в зону субдукции, где происходит поддвиг океанической плиты литосферы под континентальную. Здесь необходимо пояснить, каким образом породы осадочного слоя океана могут быть затянуты в зону поддвига литосферных плит.

Вначале, когда гипотеза литосферных плит только завоевывала умы геологов, специалисты не задавались вопросом: а что происходит в зоне поддвига? Позднее противники этой концепции подметили: если бы происходил процесс поддвига, то в глубоководном желобе должна была образовываться целая «куча» осадков мощностью около 20 км. На самом деле этого не наблюдалось. Лишь в некоторых желобах мощность осадков измерялась 1–4 км, а у большинства она не превышала 1 км. Далее было установлено, что в пределах глубоководных желобов скорость осадконакопления высокая — несколько сантиметров за 1 тыс. лет. Значит, за несколько десятков миллионов лет любой желоб оказался бы буквально засыпанным осадками, даже без учета сгружения в него массы осадков, приносимых конвейером пододвигаемой плиты. В действительности глубоководные желоба в большинстве своем совершенно не заполнены осадками, хотя существуют многие десятки и даже сотни миллионов лет. Следовательно, должен действовать эффективный механизм удаления осадков с поверхности дна. Таким процессом, по мнению Л. И. Лобковского и О. Г. Сорохтина, является затягивание осадков в зону поддвига плит. «Механизм затягивания осадков в зону поддвига жестких плит, — пишут исследователи, — полностью аналогичен механизму попадания жидких смазочных масел в зазоры между трущимися жесткими деталями в различных технических устройствах и машинах» [Геофизика океана, 1979, с. 212].

Расчеты, выполненные этими учеными, показали, что в том случае, когда ширина зазора между плитами в 2–3 раза больше мощности осадочного слоя океанической коры перед зоной поддвига, то осадки будут проскальзывать в зазор и попадать в мантию. Если же ширина зазора будет меньше, то осадки станут выжиматься из зоны поддвига и приращиваться к противоположному от океана склону желоба. В этом случае будет происходить образование аккреционной призмы, или линзы. Она может увеличивать свои размеры, постепенно закрывать глубоководный желоб, который будет как бы отодвигаться в сторону открытого океана. Осадки, попавшие в зазор между движущимися плитами, подвергаются воздействию интенсивного сжатия, повышенного давления и прогрева, поэтому в них процессы диагенеза и катагенеза протекают значительно быстрее, чем в обычных условиях. Этот очень важный вывод пригодится нам в дальнейших рассуждениях.

Теоретические расчеты Л. И. Лобковского и О. Г. Сорохтина были подтверждены и геофизическими исследованиями. Сейсмический разрез, проведенный в начале 70-х годов вкрест простирания Курильского глубоководного желоба, доказал, что слой океанических осадков проходит под внешний край островной дуги. Это явление, по уже на примере подножия Малых Антильских островов, было подтверждено бурением в 1981 г.

Рис. 11. Схематический разрез континентальной окраины Малых Антильских островов

1 — мезозойское основание вулканической дуги; 2 — океаническая кора; 3 — субдукционный комплекс; 4– грязевые вулканы

Таким образом, в зоне поддвига может происходить проскальзывание осадочного слоя океанической коры в мантию Земли или же приращивание отдельных пакетов (чешуй) этого слоя к внутреннему склону желоба с образованием аккреционной призмы (рис. 11).

В океанических осадках, по данным О. К. Борцовского, только 5 % органического вещества составляют нефтеподобные соединения. В остальном биогенном веществе содержится 55–65 % органического углерода и около 4 % водорода, что в пересчете на состав нефтей дополнительно дает выход еще 25 % углеводородов. Следовательно, по расчетам О. Г. Сорохтина, потенциальная производительность биогенных веществ из океанических осадков может достигать 30 %. Надо учитывать, что над глубоководными желобами, прилегающими к островным дугам или окраинам континентов, толща океанической воды обладает аномально высокой биопродуктивностью. Это объясняется подъемом в этих местах холодных глубинных вод (апвеллинг), обогащенных планктоном, что привлекает сюда и других обитателей океана. Поэтому к зоне поддвига океанические осадочные породы подходят с содержанием органики порой до 30 %, тогда как среднее содержание органического вещества в осадках дна океанов не превышает 0,5 %.

Прежде чем попасть в зону поддвига, океанические осадки еще в условиях первичного залегания на дне проходят длительную стадию диагенеза в течение 100–150 млн лет. Одновременно происходит и некоторое преобразование органического вещества в сторону его «созревания» в микронефть. В зоне поддвига осадки с органическим веществом попадают в условия повышенного температурного режима. По расчетам О. Г. Сорохтина, трение между литосферными плитами приводит к выделению 500–700 кал на каждый грамм породы. За счет рассеивания получаемого при этом тепла океаническая кора в зоне поддвига может разогреваться примерно до 1000 °C. Однако во внешней части, непосредственно перед литосферным выступом, разогрев коры еще сравнительно невелик. Поэтому должен существовать участок, где создается весьма благоприятный температурный режим для термолиза и возгонки биогенных веществ, рассеянных в осадках пододвигаемой плиты. В зоне такого режима, с температурами 100–400 °C, осадки могут пребывать около 1–2 млн лет. Создаются природные условия, сопоставимые с искусственными, лабораторными, когда за короткий отрезок времени, но при сильном температурном воздействии из растительных и животных остатков получается нефть. Другими словами, в зонах поддвига возникают природные перегонные кубы, где в сравнительно короткое геологическое время происходит трансформация рассеянного органического вещества в нефть за счет жесткого температурного режима. В этом случае вовсе не требуется длительного и устойчивого прогибания пластов, чтобы попасть в главную зону нефтеобразования.

Океанические осадки, приходящие в зону поддвига, всегда насыщены поровыми и кристаллизационными водами, концентрация которых достигает нередко 50 %. При разогреве эти воды превращаются в термальные флюиды с температурой до 400 °C и давлением более 200 атм. Флюиды будут стремиться уйти из-под зоны поддвига в область меньшего давления. На своем пути они неизбежно начнут выжимать, растворять и выносить капельно-жидкую нефть. Вот тот мощный фактор выноса микронефти из материнской породы, которого так не хватало «органикам»! Именно перегретый водяной пар с избыточным давлением способен эффективно вытеснять рассеянную микронефть и осуществить процесс ее эмиграции. Интересно, что у разработчиков нефтяных месторождений существует аналогичный способ искусственного вытеснения нефти из продуктивного пласта за счет воздействия на него перегретым водяным паром.

Дальнейший ход рассуждений у О. Г. Сорохтина таков. Поднимающиеся по трещинам термальные воды с углеводородами (в свободном или растворенном состоянии) будут разгружаться в пределах литосферного выступа и в тылу островодужной системы с образованием залежей нефти. Мощь рассмотренного механизма нефтеобразования можно оценить простыми расчетами. Допустим, исходя из современных условий толщина океанического осадочного слоя с рассеянным органическим веществом составляет 0,5 км, средняя скорость поддвига литосферных плит будет 7 см/год, а длина всех активных зон поддвига — примерно 40 тыс. км. Тогда за 1 млрд лет под островные дуги и активные окраины континентов погрузилось бы около 2,8×10²⁴ г осадков. Если принять среднее содержание органического вещества в осадках 0,5 %, что явно занижено, то в зоны поддвига при нашем варианте погрузилось бы около 7×10²¹ г органического вещества. При 30 %-ном выходе углеводородов из этого количества органики могло бы образоваться 2×20²¹ г нефти, что более чем в 1 тыс. раз больше всех выявленных геологических запасов углеводородов. «Поэтому, — пишет О. Г. Сорохтин, — даже приняв коэффициент полезного действия описанного механизма образования нефти и газа равным 0,1 %, все же с его помощью можно объяснить происхождение многих месторождений этих горючих ископаемых, начиная от рассеянной «микронефти» и до гигантских» [Геофизика океана, 1979, с. 380].

В предлагаемом механизме формирования месторождений нефти и газа мобилизация и миграция рассеянных углеводородов происходят за счет активной «промывки» осадочных слоев термальными водами. Они вовлекают образовавшиеся углеводороды в общий глубинный водонефтяной поток, направленный в сторону уменьшения давления, т. е. в сторону от зоны поддвига. Избыточное давление термальных вод поддерживается за счет постоянной мобилизации и перегрева поровых вод океанических осадков, а также вод, освобождающихся при дегидратации океанической коры в зоне субдукции. По расчетам О. Г. Сорохтина [1984], за геологическую историю Земли через зоны субдукции профильтровалось 16 млрд км³ воды, что в 7 раз больше ее содержания в гидросфере и литосфере, вместе взятых. И этот постоянно действующий фильтрующий механизм вымывал, выносил в растворенном состоянии углеводороды.

По мере удаления от зон поддвига температура и давление термальных вод уменьшаются, в результате замедляется и скорость их фильтрации. Возникают условия, благоприятные для аккумуляции углеводородов. О. Г. Сорохтин оценивает расстояние аккумулятивной зоны от места образования первичной нефти исходя из известного в гидродинамике закона Дарси. По его мнению, за период времени в 100 млн лет нефть может мигрировать от места своего рождения в сторону прилегающих краевых частей платформ до несколько сот километров.

По О. Г. Сорохтину, следует различать два основных механизма поддвига, приводящих к образованию нефти. Первый механизм выражен пододвиганием океанической плиты под островные дуги или континенты (процесс субдукции), а второй — надвиганием островной дуги или края континента на пассивную окраину другого континента (процесс обдукции). По мнению исследователя, второй механизм более нефтеобилен по сравнению с первым. Дело в том, что пассивная окраина континента всегда имеет мощную линзу осадочных пород. Эта линза располагается у подножия континентального склона континента, ее мощность более 10–15 км. А если учесть, что по окраинам континентов биопродуктивность океанов существенно увеличена, то становится понятным высокое содержание в осадочной массе линзы органического вещества.

Под тяжестью литосферного выступа наползающей плиты углеводороды будут активно выжиматься из осадочной линзы и мигрировать в сторону окраины пододвигаемых континентальных платформ. Этим эффектом «горячего утюга» О. Г. Сорохтин объясняет формирование зон нефтегазонакопления Персидского залива и других частей земного шара.

Рассмотренный механизм образования нефти, предложенный О. Г. Сорохтиным и другими советскими и зарубежными учеными, дает возможность понять и объяснить ряд фактов, которые были труднообъяснимы с позиции классической органической концепции происхождения нефти.

Во-первых, становится понятным, почему в ряде мест земного шара образуются относительно огромные скопления углеводородов (Персидский залив, Венесуэла, Западная Канада и др.). Если исходить из общепринятого «органиками» механизма образования залежей за счет выделения растворенных углеводородов из пластовых вод при прохождении последних через антиклинальные ловушки, то для образования таких полюсов нефтегазонакопления потребовалась бы огромная нефтесборная площадь, чего в конкретных геологических условиях не наблюдается. Эту слабую сторону «органиков» подметил еще Н. А. Кудрявцев на примере месторождения Атабаска в Канаде.

Кроме того, исходя из классической органической концепции вымывание микронефти и перенос ее по пластам-коллекторам вплоть до ловушки осуществляются пластовыми водами. Нефть же переносится в растворенном состоянии. Растворимость нефти в воде — 0,002 %. Тонна нефти растворяется в 50 тыс. м³ воды. В земных недрах содержится, вероятно, не более 10¹² т нефти. Для ее транспортировки потребуется 5×10¹⁶ м³ воды, что в 5 раз больше объема всей подземной воды в осадочных породах земной коры [Нестеров, 1975] или в 3 раза больше объема Северного Ледовитого океана. Если рассчитать количество воды, потребное для формирования таким образом одного супергигантского нефтяного месторождения, то оно будет ориентировочно равно 10¹⁴–10¹⁵×м³ [Калинко, 1977], что значительно больше объема Баренцева моря. Другими словами, если бы вся нефть действительно транспортировалась бы пластовой водой в растворенном состоянии, то в земных недрах просто не хватило бы для этого воды. Теперь же это объясняется сравнительно легко и просто: органическое вещество, из которого образовалась нефть, длительное время поставлялось к зоне поддвига конвейером литосферных плит, а сама нефтесборная площадь в несколько раз могла превосходить современные нефтегазоносные бассейны. Огромное количество воды для выноса образовавшихся углеводородов из зон поддвига поставлялось процессами дегидратации погружающейся в мантию литосферной плиты, и, как мы уже знаем, по расчетам О. Г. Сорохтина [1984], за геологическую историю Земли гидросфера нашей планеты неоднократно профильтровывалась через зоны поддвига, вынося при этом углеводородные флюиды.

Предложенный механизм хорошо объясняет и очаговое образование углеводородов, которые возникают не везде, а только там, где существовали подходящие для этого геодинамические условия.

Во-вторых, отводится еще один из важнейших доводов «неоргаников» — присутствие углеводородных газов и даже жидкой нефти в вулканических выделениях. Это результат затягивания органики в мантию, ее термолиза и возгонки образовавшихся углеводородов термальными водами в верхние слои литосферы. При этом какая-то доля углеводородов неизбежно попадала в вулканические зоны и выделялась вместе с вулканическими газами (фумаролами) на поверхность Земли. В то же время вулканическая часть островной дуги, через которую углеводороды должны пройти от зоны субдукции к месту своего накопления, не является непреодолимым препятствием. Конечно, вулканические жерла поглощают какое-то, может быть и немалое, количество углеводородов, но вулканы с подводящими магматическими каналами не образуют сплошного заслона. Они расположены лишь в отдельных тектонических узлах, как правило на пересечении разломов. Между вулканами, доказывает О. Г. Сорохтин, всегда существуют «широкие окна с близкими к нормальным температурными условиями, через которые и может происходить миграция углеводородов» [Геофизика океана, 1979, с. 380].

В-третьих, что самое главное, предложенный механизм объясняет попадание в мантию Земли органического вещества. Не из мантии в земную кору идет поток углеводородов, а, наоборот, из коры в мантию поставляется органика и готовые углеводороды. Последние, конечно, в мантийных термобарических условиях испытывают деструкцию, расщепление на радикалы и даже на атомы углерода и водорода. Мантия, таким образом, насыщается углеродом биогенного происхождения!

Наконец, в-четвертых, предложенный механизм обосновывает возможность вытеснения микронефти из материнского пласта и сравнительно дальнюю в некоторых случаях миграцию нефти и газа из зон поддвига в краевые области смежных платформ.

Как видим, учение о литосферных плитах сыграло революционную, прогрессивную роль в дальнейшем развитии воззрений на происхождение нефти. Однако полностью объяснить многогранный процесс образования нефти с позиции предложенного механизма невозможно. О. Г. Сорохтин признает, что некоторые нефтегазоносные регионы не имеют прямой связи ни во времени, ни в пространстве с зонами поддвига. К ним относится, в частности, Западная Сибирь. Сюда же можно добавить Северное море, Атлантическое побережье Африки и Южной Америки и др. По-видимому, это только один из возможных механизмов образования нефти, хотя и очень важный. Кроме того, и сам предложенный механизм образования нефти в зоне поддвига еще до конца не разработан. Он имеет разночтения. Некоторые «неорганики», в частности Г. Н. Доленко, рассматривают зону субдукции как канал, по которому глубинные углеводороды неорганического происхождения могут проникать из мантии в верхние слои литосферы. По представлению Г. Н. Доленко, пододвигающаяся литосферная плита попадает в верхнюю мантию и возбуждает там различные геохимические процессы. В астеносфере происходит генерация углеводородов при взаимодействии летучих компонентов углекислоты и паров воды. В качестве катализатора выступает окись железа. Реакция протекает по схеме

Последующие геохимические реакции усложняли компонентный состав природной нефти. Одновременно с геохимическими процессами синтеза углеводородов в условиях астеносферы под действием геодинамических напряжений зарождались и развивались глубинные разломы, служившие проводящими каналами для нефти и газа из очагов астеносферы в пористые пласты осадочного слоя земной коры.

Хотя, как мы видим, механизм образования нефти и газа в зонах субдукций нуждается еще в совершенствовании, прогрессивность такого подхода к проблеме нефтегазообразования очевидна. Это дает новый импульс в развитии теоретической мысли в нефтегазовой геологии и имеет большое практическое значение.

О. Г. Сорохтин механизмом поддвига литосферных плит объясняет и образование алмазов. Поскольку «неорганики» традиционно используют наблюдаемые в природе битумные и нефтяные включения в алмазоносных трубках взрыва (диатремах) для подтверждения своих идей, рассмотрим предложенную О. Г. Сорохтиным концепцию формирования алмазов.