Происхождение нефти

Слово за рифтами

Как мы уже говорили, механизм образования углеводородов в зонах поддвига многое объясняет в современной органической концепции. Вместе с тем есть вопросы, которые остаются без ответа. Прежде всего, почему встречаются крупные по запасам нефтегазоносные регионы и вне зон поддвига? Что определяло там течение процессов образования углеводородов и формирование их в залежи?

В современной нефтегазовой геологии начинает проявляться еще одна тенденция, также связанная с идеей тектоники плит, — это взаимосвязь месторождений нефти и газа с рифтами земной коры.

Рифты — весьма своеобразные структуры коры. Сам термин «рифт», или «рифтовая долина», был введен в геологию английским геологом Дж. Грегори в 1894 г. для определения структур, которые он изучал в Восточной Африке (ныне Восточно-Африканская система рифтов). В переводе с английского «рифт» означает: порог, перекат реки; трещина, щель, ущелье; в глагольной форме — раскалывать, расщеплять. Рифтовой долиной Дж. Грегори назвал провал между двумя порогами в рельефе. Еще ранее в Германии для обозначения подобных структурных форм употребляли термин «грабен».

В настоящее время под рифтом (по Е. Е. Милановскому) понимается линейно-вытянутая полосовидная область очень высокого термического режима земных недр, в которой происходят подъем нагретого мантийного материала, его растекание в стороны в подошве коры и частичное проникновение в кору. В развитии рифта предусматривается образование сводового поднятия, в пределах которого растягивающие усилия приводят к разрыву коры и обрушению центральной части свода с образованием грабена. Процессу рифтообразования предшествует разогрев, «возбуждение» верхней мантии. Это находит отражение и в современном строении рифтов: утонение земной коры до 30–35 км; подъем астеносферы; резкое возрастание теплового потока над рифтом; молодой вулканизм; источники термальных вод; сейсмичность. Все это характеризует рифты как чрезвычайно активные структуры литосферы. По данным некоторых исследователей, в сравнительно небольшом объеме (до 6 %) осадочных образований, приходящихся на рифтовые бассейны, в них концентрируется более 15 % мировых запасов углеводородов [Гончаренко и др., 1984]. Это означает, что рифты характеризуются самой высокой концентрацией запасов углеводородов, приходящихся на единицу объема осадочного чехла. Нефтегазоносными регионами рифтогенного типа являются Северное море, Западная Сибирь, Суэцкий канал, Атлантическое побережье Африки и Южной Америки. Познакомимся кратко с особенностями залегания в их пределах залежей нефти и газа.

Северное море — это одна из богатейших нефтегазоносных провинций, в ее недрах уже выявлено более 7 млрд т углеводородов, а потенциальные ресурсы превышают 17 млрд т. В тектоническом отношении это крупная впадина, центральную часть которой рассекает мощная и разветвленная система рифтов. Процессы рифтогенеза начались в триасе (около 200 млн лет назад) и закончились в начале кайнозойской эры (примерно 50 млн лет назад). За этот период образовалась протяженная система грабенов, имеющая свое продолжение и на прилегающем Европейском континенте. Грабены заполнены в основном триасовыми, юрскими и меловыми отложениями. К этим-то комплексам, прежде всего к юрскому, и приурочены залежи углеводородов. Они залегают в приподнятых косых блоках, срезанных поверхностью верхнемелового несогласия.

Анализ пространственного распределения североморских месторождений нефти и газа показывает, что практически все они лежат в пределах рифтовой системы, осложняющей строение центральной части впадины. По мнению некоторых исследователей, образование этих рифтов связано с «несостоявшимся спредингом» Северного моря, сопряженным со спредингом Атлантического океана. Обращает на себя внимание тот факт, что при сравнительно небольшой нефтесборной площади этой провинции (660 тыс. км²) и малой мощности материнских пород (первые сотни метров) в ее пределах концентрируются крупные скопления углеводородов. Как считают исследователи, это результат более быстрого и полного «созревания» органики под действием повышенных температур недр этого региона. Североморская рифтовая система отличается наиболее высокими для всей Западной Европы значениями геотермических градиентов — до 34 °C/км, тогда как в стороне от рифтов градиент не превышает 27–28 °C/км. Анализ палеотемператур доказывает, что в начальные стадии формирования рифтов (триас — юра) геотермический градиент был не менее 50 °C/км [Гончаренко и др., 1984]. Следовательно, в таких условиях главная фаза нефтеобразования могла начаться значительно раньше, при погружении осадка на глубину 1–1,5 км вместо 2–3 км при обычных условиях. При дальнейшем погружении процессы преобразования органического вещества в микронефть происходили активнее, так как температура недр на глубине, скажем, 3–4 км составляла 150–200 вместо 100–150 °C.

Аномально высокий прогрев недр объясняется приближенным положением к подошве коры горячего астеносферного слоя и сравнительно высоким тепловым потоком в зонах рифтов. Последние выполняли роль газовой горелки, нагревающей в лабораторных условиях колбу с органическим веществом. И в том и в другом случае высокие температуры приводили к термокаталитическому преобразованию органики в жидкие и газообразные углеводороды.

Сходными геологическими условиями характеризуется и Западная Сибирь. В центральной ее части располагается разветвленная система рифтов (рис. 12), развитие которой происходило также на протяжении большей части мезозойской ары (триас, юра, мел). По данным В. С. Суркова, даже в настоящее время значения пластовых температур в зонах рифтов на 4 °C выше, чем на той же глубине, но в стороне от них.

Измерение геотермического градиента в зоне самого крупного в Западной Сибири Колтогоро-Уренгойского рифта показало, что в его пределах он колеблется от 35 до 40 °C/км, на удалении же от рифта снижается до 25–30 °C/км. К зонам рифтов Западной Сибири, и прежде всего Колтогоро-Уренгойского, приурочены месторождения нефти и газа, здесь увеличивается плотность запасов — количество углеводородов на единицу площади.

Суэцкий грабен (АРЕ) расположен на продолжении Красноморского рифта. Его размеры 300–330×50–90 км, т. е. очень маленькая площадь — всего 20 тыс. км². В то же время разведанные запасы нефти достигают почти 400 млн т. А это означает, что на 1 тыс. км² площади здесь приходится не менее 0,02 млн т нефти (по данным М. К. Калинко, 0,04 млн т/км²), в Северном море — 0,013 млн т. Суэцкий грабен — молодая структура коры. В своем развитии она прямо связана с Красным морем, также являющимся горячим расколом литосферы. Учитывая, что в пределах последнего температура донных осадков в ряде мест превышает 60 °C, можно допустить протекание процесса преобразования органического вещества в микронефть практически уже на поверхности морского дна.

Рис. 12. Система рифтов Западной Сибири

Рифты:

I — Колтогоро-Уренгойский;

II — Худосейский;

III — Худуттейский:

IV — Аганский;

V — Усть-Тымский;

VI — Чузикский;

VII — Ямальский.

Разведочные площади, на которых скважинами были вскрыты рифтовые образования:

1 — Саймовская;

2 — Иглская;

3 — Никольская;

4 — Локосовская;

5 — Федоровская

Подобных примеров можно привести много. Какой же вывод следует из изложенного? В геологическом развитии Земли наряду с мощным режимом субдукционных зон, способным создавать чрезвычайно благоприятные термобарические условия для преобразования рассеянного в морских донных осадках органического вещества в нефть, существует еще один благоприятный режим для подобных процессов — режим рифтов. Осадочные бассейны рифтового типа закладываются на начальной стадии раскола (деструкции) земной коры, как правило континентального типа. За сравнительно короткий отрезок времени (5–20 млн лет) возникает узкий грабенообразный прогиб, выполненный 4–7-километровой толщей осадков. На начальных стадиях осадконакопления в рифтах формируются обычные континентальные речные или озерные отложения с прослоями вулканических образований. Далее часто откладываются соленосные комплексы, появление которых связывают с выносом солей глубинными термальными водами.

В дальнейшем по мере роста рифта и преобразования его из внутриконтинентального в морской межконтинентальный рифт (типа Красного моря) в нем накапливаются нормальные морские обломочные и карбонатные отложения. В центральных частях рифтов, в условиях ограниченной циркуляции вод, обычно аккумулируются мощные глинистые толщи, обогащенные органикой (черные глины). В связи с быстрым захоронением и погружением на большие глубины они уже на рифтовой стадии способны реализовать свой нефтегазоматеринский потенциал. Этому в значительной степени способствует аномально высокий тепловой поток в рифтах и как результат этого высокая прогретость земных недр. Поэтому образование углеводородов происходит уже в молодых, неглубоко залегающих осадках. Причем даже озерные отложения, содержащие сравнительно небольшое количество органики, могут оказаться нефтегазопроизводящими. Об этом свидетельствуют многочисленные нефтегазопроявления в пределах современной внутриконтинентальной Восточно-Африканской системы рифтов. Отдельные рифты, заполненные водой, образуют систему озер, по берегам которых, например озера Альберт, известны выходы газа, высачивание легкой нефти, закированные песчаники. В грабене озера Киву в придонном слое воды обнаружено целое месторождение газа (СН₄ + СО₂) с запасами 72 млрд м³.

Первичная миграция (или эмиграция) нефти и газа в рифтовых структурах происходит за счет отжима поровых и связанных вод при уплотнении и разогреве осадков. Высокий прогрев недр рифта обусловливается приближенным положением к подошве литосферы мантийных масс с температурой выше 1200 °C. Высоконагретые флюидные потоки, идущие от мантии, Выступают как мощное средство извлечения «зрелых» нефтяных углеводородов из нефтематеринских пород и перемещения их в коллекторские толщи. Роль флюидных потоков становится очевидной после установления в рифтах Мирового океана горячих источников с температурой до 350 °C, несущих водород, углекислый газ, метан, сульфиды и гидроокислы металлов.

Следует подчеркнуть, что в процессе выноса углеводородов из материнских пород в данном случае важную роль будет играть углекислота, присутствие которой резко увеличивает растворение нефти в воде. Эмиграция микронефти происходит прежде всего в центральных наиболее погруженных частях рифта. Выделяющиеся при этом воды вместе с углеводородами перемещаются вдоль слоев осадочных пород от осей рифта к его флангам. Однако специфическое (щелевое) строение рифтов ограничивает передвижение по пласту углеводородов, что уменьшает их потери и обеспечивает пространственную близость залежей нефти и газа к зонам их генерации, т. е. к рифтам. Зоны нефтегазонакопления обычно приурочены к системе ступеней, осложняющей склоны рифтовых структур, и к крупным горстообразным выступам в осевой части рифтов. В пределах ступеней ловушки чаще всего возникают там, где ступени пересекаются поперечными разломами. Возникающая мозаичная система блоков и создает необходимые вместилища для нефти и газа. Надо помнить также, что рифты всегда ограничены разломами, имеющими длительную историю геологического развития. Благоприятное же влияние разломов на формирование зон нефтегазонакопления сравнительно подробно рассматривалось выше. Это в полной мере приложимо и к разломам, ограничивающим рифты.

Высокая нефтегазоносность рифтов породила даже оригинальную точку зрения на происхождение нефти и газа, высказанную геологом В. А. Левченко. По мнению ученого, пространственная приуроченность месторождений нефти и газа к рифтам и в особенности к местам их пересечения с поперечными разломами (тектонические узлы) не может быть удовлетворительно объяснена с точки зрения органического происхождения углеводородов, «поскольку нельзя объяснить, почему именно в таких сравнительно узких и линейно-вытянутых тектонических зонах и особенно на участках их взаимного пересечения могла бы наиболее интенсивно развиваться жизнь и скапливаться разновозрастная биогенная органика» [Нефтегазоносность Мирового океана, 1984, с. 263]. Ученый доказывает, что с позиции органической гипотезы нельзя понять причины поясного «распределения углеводородов на континентальных окраинах», большую обогащенность нефтью и газом «восточных окраин океанов по сравнению с западными» [Там же].

Образование нефти В. А. Левченко представляет себе как результат дегазации мантии Земли, что в значительной степени перекликается с представлениями П. Н. Кропоткина и Б. М. Валяева. Но если эти ученые допускают эманацию углеводородов непосредственно из мантии, то В. А. Левченко считает, что из мантии вначале выделяется атомарный водород. Причем выделение его происходит именно в рифтовых зонах. Причину дегазации мантии В. А. Левченко видит в процессе пульсационного развития расширяющейся Земли. Далее атомарный водород по разломам поднимается до контакта с метаморфическими толщами фундамента платформ, где, реагируя с органическим углеродом, и образует- углеводороды. Дальнейшая миграция углеводородов, прежде всего вертикальная, приводит к накоплению их в залежи, но в близости от рифтовых зон земной коры. В. А. Левченко, таким образом, выдвигает смешанную гипотезу — органо-неорганическую, поскольку, по его представлению, углерод — органического происхождения, а водород — неорганический продукт мантии.

Идея гидрогенизации органического вещества глубинным водородом в последнее время сравнительно широко используется геологами при решении вопроса о происхождении нефти. Мы уже упоминали этот механизм образования углеводородов при рассмотрении нефтегазоносности кольцевых структур земной коры. К аналогичным выводам приходит группа грозненских геологов-нефтяников: М. Н. Смирнова, В. М. Бражник, В. В. Малышева. Исследования последних лет показывают, что в рифтовых зонах океанов действительно наблюдается существенное истечение водорода. Так, в рифте острова Исландия вынос водорода 1 тыс. м³/сут. В кимберлитовой трубке «Удачная», в скв. 42, дебит водорода достигал 100 тыс. м³/сут. По мнению некоторых специалистов, водород становится ценным

компонентом для промышленного извлечения. Если фоновое содержание водорода не превышает 50 мл/л, то аномальное достигает 1500 мл/л и выше. Наиболее мощные водородные аномалии связаны как раз с океаническими и континентальными рифтами, поэтому роль водорода в процессе нефтегазообразования может быть действительно важной. Ведь в лабораторных условиях процесс гидрогенизации углерода давно изучен, а в последние годы на этой основе даже организовано промышленное получение синтетической нефти из каменного угля. У нас в стране для этого используются низкосортные бурые угли Канско-Ачинского бассейна. В заводских установках из него приготовляется специальная паста, которая и насыщается водородом — гидрогенизируется. При строго определенном технологическом режиме уголь превращается в жидкое топливо. Синтезированную нефть перерабатывают, как обычную, на нефтеперерабатывающем заводе и получают бензин с более высоким октановым числом, чем у привычного «нефтяного» бензина.

Таким образом, идея гидрогенизации органического углерода глубинным водородом находит в наши дни промышленное подтверждение. Но идет ли этот процесс в природных условиях? Мощное поступление водорода из недр в литосферу, гидросферу и атмосферу Земли обнаружено сравнительно недавно, и масштабы его взаимодействия с органическим углеродом еще не ясны. Это явление требует всестороннего и глубокого изучения. Тем не менее известно, что органическое вещество, рассеянное в осадочной породе, содержит углерода 66–88 %, а водорода — всего 4–7 %. Следовательно, количество образовавшихся углеводородов неизбежно будет лимитироваться количеством водорода, содержащегося в органическом веществе, при исчерпании водородных ресурсов должны исчерпаться и нефтегазогенерирующие возможности породы. Поступление дополнительных порций водорода приведет к увеличению количества производимых углеводородов. Некоторые ученые считают, что в недрах нашей планеты имеется практически неисчерпаемый источник водорода. Так, В. Н. Ларин доказывает изначально гидритный состав Земли. По его мнению, внутреннее ядро земного шара сложено гидритами металлов (т. е. соединениями металлов с водородом), внешнее ядро — металлами с растворенным в них водородом, нижняя мантия — сплавами на основе кремния, магния и железа, средняя, верхняя мантия и кора — силикатами и окислами. Таким образом, дегазация внутренних зон планеты поставляет в ее верхние горизонты, и прежде всего в земную кору, тот недостающий водород, который увеличивает производство углеводородов из органического углерода. Наиболее активен и мощен водородный поток в рифтовых зонах, потому-то В. А. Левченко и связывает с ними процессы нефте-газообразования в земной коре.

Вместе с тем существуют иные представления об источнике водорода. Так, ученые Института океанологии АН СССР А. А. Геодекян и др. [1980] считают, что водород в необходимых количествах для нефтегазообразования мог продуцироваться и в осадочном слое коры. По их мнению, в рифтовых зонах океанов не происходит такого мощного истечения водорода из глубоких подкоровых недр, по крайней мере, в виде регионально действующего потока, которое так необходимо для реализации идеи В. А. Левченко.

Развивая свою гипотезу, В. А. Левченко вынужден прийти к выводу о невозможности образования углеводородов в зонах поддвига литосферных плит, так как, по его мнению, на современных активных окраинах Мирового океана выявлено сравнительно мало залежей нефти и газа. При этом автор забывает, что в современных зонах поддвига процесс образовании углеводородов, согласно механизму О. Г. Сорохтина, еще не закончился, он протекает на наших глазах. Современные зоны поддвига значительно моложе современных пассивных окраин континентов. Ведь образование океанов начиналось именно с возникновения систем рифтов, которые в дальнейшем и преобразовались в пассивные окраины, тогда как появление зон поддвига происходило уже позже, когда океан начал стареть. У современных молодых океанов зоны субдукции отсутствуют (Северный Ледовитый океан) или имеются в ограниченном количестве (Атлантический, Индийский океаны). Широко развиты — они у стареющих океанов (Тихий океан). Поэтому, чтобы правильно оценить масштабы нефтегазообразования в зонах поддвига, необходимо учитывать не только современные, но и палеозоны субдукций. В этом случае, как было показано выше, запасы нефти и газа в зонах активных окраин континентов (современных и древних) намного превышают таковые в зонах современных и древних рифтов.

Что касается возможности расширения Земли, необходимой для гипотезы В. А. Левченко, то против этого есть существенные возражения, выдвигаемые А. С. Мониным и О. Г. Сорохтиным. По их мнению, расширение Земли возможно либо в случае ее разогрева и фазового перехода земного вещества из твердого в жидкое состояние, либо в случае уменьшения гравитационной постоянной и разуплотнения материала нашей планеты. В первом варианте для увеличения радиуса Земли в 1,5–1,7 раза нужно полностью расплавить и частично испарить вещество Земли. Во втором варианте необходимо, чтобы гравитационная постоянная уменьшилась в 13–15 раз на протяжении последних 250 млн лет. Это означало бы, что в палеозое ускорение силы тяжести превысило бы современное в 40–45 раз. Тогда бы все позвоночные животные оказались раздавленными собственным весом, существовать могли бы только некоторые насекомые. Высота гор и глубина впадин не превышали бы 200–300 м, т. е. на Земле не было бы и самой суши. Как считают А. С. Монин и О. Г. Сорохтин, изменение гравитационной постоянной оказало бы влияние и на Луну и на Солнце. При этом в палеозойскую эру наш естественный спутник оказался бы в 13–15 раз ближе к Земле и разрушился бы приливными силами. Да и сам земной шар в 13–15 раз оказался бы ближе к Солнцу, при этом светимость последнего увеличилась бы в 30–50 тыс. раз, а величина солнечного потока возросла бы в 5–10 млн раз. В таких условиях Земля и все планеты Солнечной системы неизбежно бы испарились, а Солнце под влиянием коллапса превратилось бы в черную дыру. Как видим, расчеты этих ученых показывают невероятность процесса существенного расширения Земли, который, если бы существовал, привел к всеобщей катастрофе на нашей планете.

Наконец, при создании своей гипотезы В. А. Левченко совершенно игнорирует ту массу фактов, показывающих единство живых организмов, рассеянного органического вещества и нефти, которая была приведена нами ранее.