Происхождение нефти

Спорить дальше?

Итак, наше исследование проблемы происхождения нефти близится к завершению. Хотя ведущие ученые в области геохимии нефти считают, что эта проблема в принципе решена и основные положения органической теории образования нефти — абсолютная истина, все же голос протеста со стороны «неоргаников» не ослабевает. А надо ли спорить дальше? Если вникнуть в суть дискуссии, то легко понять, что ведется она вокруг источника углерода, слагающего углеводородные соединения нефтей. Каков он, этот источник: биогенный, т. е. ведущий свое начало из живых организмов, или же абиогенный, т. е. поступающий из мантии Земли?

Спор можно разрешить, если проследить круговорот углерода в природе. Одним из первых, кто предпринял успешную попытку представить глобальный процесс круговорота углерода в природе, был В. И. Вернадский. Он считал, что углерод и его соединения, которые участвуют в строении нефти, газа, каменного угля и других горючих пород, являются частью глобальной геохимической системы круговорота углерода в земной коре. Причем живому веществу биосферы В. И. Вернадский отводил ведущую роль. Геохимическую систему всего природного углерода и живого вещества биосферы выдающийся ученый-геохимик называл жизненным циклом. Согласно его представлениям, из жизненного цикла периодически отделяются различные углеродсодержащие минералы: карбонаты извести, каменный уголь, нефти и другие битумы. «Все остальные происходят из них пли образуют незначительные по сравнению с ними массы», — писал ученый. Однако круговорот углерода в природе, по В. И. Вернадскому, ограничивался земной атмосферой, гидросферой и корой.

А если подойти к этому вопросу, используя новые достижения современной науки, и попытаться представить себе этот процесс несколько с иных позиций? Попробуем проследить тот путь, который проделывают углерод и его соединения в природе.

Наиболее распространенным соединением, которое переносит углерод, является углекислота. Ее масса в атмосфере оценивается в 4×10¹⁷ г. В процессе выветривания континентов и фотосинтеза ежегодно поглощается из атмосферы 8,3×10¹⁴ г углекислоты. Если бы не было механизма циклического обращения этого газа, то через 3300 лет он полностью исчез бы из атмосферы, войдя в состав различных горных пород и минералов. Происходит своеобразное «вдыхание» земной корой углекислоты. По оценкам ученых, масса захороненной углекислоты в 500 раз превышает массу этого газа в атмосфере.

Другим переносчиком углерода является метан, количество которого в тропосфере Земли оценивается в (4–5)×10¹⁵ г. [Дегазация Земли и геотектоника, 1985]. Среднее содержание метана в тропосфере составляет сейчас 1,5 часть/млн. По данным некоторых ученых, существует глобальная асимметрия в распределении метана в тропосфере: в Северном полушарии его больше, нежели в Южном. Минимальные концентрации этого газа (1,35–1,38 часть/млн) замерены над ледяным щитом Антарктиды. Большинство ученых склонны считать основную массу метана тропосферы (до 80 %) биогенного происхождения, другие же исследователи ведущую роль отводят абиогенному пути попадания метана в газовую оболочку Земли. Утечка метана из тропосферы происходит за счет его ухода в стратосферу и далее в космос, а также в результате фотохимических реакций.

По расчетам Г. И. Войтова и Т. Г. Орловой, из тропосферы Земли и вод Мирового океана ежегодно выводится и захороняется 2,5×10¹⁴ г углерода, фиксированного в карбонатных породах, и 5,8×10¹¹ г углерода, захороняемого в осадках вместе с фоссилизированной частью органического вещества отмерших растений и животных. Продолжительность жизни молекулы метана в атмосфере до пяти лет. Чтобы пополнить утечку метана, ежегодно в тропосферу его должно поступать около 10¹⁵ г.

По мнению ряда исследователей, без привлечения глубинного метана, поступающего из мантии нашей планеты, невозможно обойтись при уравновешивании метанового баланса. Следовательно, чтобы пополнить атмосферу углекислотой и метаном, наша планета должна не только «вдыхать», но и «выдыхать» их. Исходя из этого, В. И. Вернадский и ввел понятие «газовое дыхание Земли».

Анализируя древние толщи, слагающие земную кору, можно прийти к неожиданному заключению. Оказывается, что в этих образованиях, возраст которых 3,5–3,7 млрд лет, имеются углеродсодержащпе породы (папример, древнейшие графитовые кварциты серии Амитоок в Западной Гренландии). По в то время на Земле жизни практически не было, значит, круговорот углерода в атмосфере мог происходить и без активного участия живых организмов.

В более молодых породах, накопившихся за последние 600 млн лет, когда органическая жизнь была уже сравнительно широко развита, по данным А. Б. Ронова, накоплено 71,3×10²¹ г углерода в карбонатных породах и 9,1×10²¹ г углерода в рассеянном органическом веществе, угольных пластах, нефтях и углеводородных газах. По оценке Г. И. Войтова, это в 20,1×10⁴ раз больше содержания углерода, фиксированного в настоящее время в атмосфере Земли, в 21,2×10² раза больше содержания углерода в Мировом океане, в 16,4×10³ раз больше резерва углерода в живых и отмерших организмах биосферы.

А теперь обратим внимание на такой факт: в древние эпохи развития нашей планеты углерод не образовывал углеводородных соединений, хотя и углерода и водорода на Земле было предостаточно. Но вот развивается жизнь в океанах и на континентах, появляется биосфера, начинается процесс образования и накопления углеводородов. Если проследить изменение запасов нефти от древних эпох к современным, то оно выглядит следующим образом. В докембрийских образованиях нефти очень мало. В нижнепалеозойских отложениях ее запасы А. А. Бакиров оценивает в 3,1 %, в верхпепалеозойских — 3,7, в мезозойских — 68, в кайнозойских — 25,2 % (кайнозойская эра еще не завершена). То же можно сказать и о газе (соответственно): 0,4; 26,3; 62; 11,3 %. Это говорит о том, что только с появлением биосферы создаются условия для образования нефти и газа. По расчетам ученых, через живое вещество вся углекислота атмосферы оборачивается за 6,3 года, а за последние 600–500 млн. лет весь углеродный резерв атмосферы Земли, вод Мирового океана и продукции живого вещества был обновлен 1850 раз! Это означает, что углерод, откуда бы он ни поступал на Землю, неоднократно «пропускается» через биосферу. При определенных благоприятных обстоятельствах происходила его консервация в залежах нефти, газа, каменного угля и карбонатных горных породах. Мы приходим, таким образом, к очень интересному и важному выводу: появление биосферы на Земле приводит и к появлению углеводородной сферы (увосферы по Б. А. Соколову и Ф. П. Мельникову).

Исследования, выполненные межпланетными советскими автоматическими станциями «Венера -5, -6 и -7», а также американскими станциями, показали, что атмосфера Утренней Звезды на 93–97 % состоит из углекислого газа, 2–5 % составляет водород, 0,5 % — кислород и примеси инертных газов. Углеводородных газов, несмотря на значительный резерв углерода в атмосфере, обнаружено не было. Да это и понятно, на Венере отсутствует биосфера, земная цепочка превращения углерода в углеводороды нарушена.

Такая же ситуация и на Марсе. В его разреженной атмосфере установлены окись и двуокись углерода, пары воды, углеводородные же газы отсутствуют. Нет углеводородных соединений и на Луне. Причина одна — безжизненность наших соседей по Солнечной системе.

Если ограничиваться традиционными рамками углеродного цикла, то весь углеродный резерв земной атмосферы, Мирового океана и биомассы исчерпался бы за 50–100 тыс. лет. Этого, однако, не происходит. Следовательно, необходимо допустить существование какого-то внешнего источника углерода, который способен компенсировать его ежегодную «утечку». Логично предположить существование двух основных внешних источников углерода: космос и мантию Земли.

Первый источник (космическое пространство) поставляет на нашу планету углерод с метеоритным веществом. В настоящее время поступление космического углерода на Землю незначительно: по Г. И. Войтову, 10^-8 % от ежегодно захороняемого углерода в процессе осадконакопления. Но так было не всегда. В прошедшие геологические эпохи количество метеоритов и космической пыли, ежегодно выпадавших на земной шар, во много раз превосходило современное. По-видимому, на ранних стадиях формирования Земли как планеты в ее недрах было запасено значительное количество космического углерода.

Вторым (на сегодня основным) источником углерода является мантия Земли. Обычно считают, что его вынос происходит через действующие вулканы. Между тем некоторые ученые считают, что вулканическая деятельность поставляет в атмосферу Земли только 10¹³ г углерода в год (1–2 % от количества углерода, ежегодно теряемого атмосферой и гидросферой). По мнению Г. И. Войтова, углерод поставляется из недр путем их дегазации, которая распределена по всей поверхности Земли, а интенсивность ее возрастает в эпохи усиления тектонических движений. По расчетам зарубежных ученых, только через срединно-океанические рифты в год поступает 4×10¹⁴ г ювенильного углерода. Значит, через 200 млн лет при таком дебите количество углерода достигло бы его содержания во всех осадочных породах, накопившихся на Земле за последние 1,6 млрд лет. Другими словами, потери углерода мантией планеты весьма существенны.

Но ведь углеродные запасы недр тоже не безграничны. Должен быть, по-видимому, какой-то механизм их пополнения. Такой механизм есть — это затягивание осадков океанической коры в мантию в зонах субдукции. Вместе с осадками в мантию поступает и углерод как в форме углеводородных соединений, так и в форме карбонатных осадков. Следовательно, наряду с традиционным круговоротом углерода в природе, охватывающим поверхностные оболочки Земли, главным образом атмосферу, гидросферу и верхнюю часть литосферы, существует еще один цикл круговорота, с одной стороны, выходящий за рамки околоземного пространства, а с другой — за рамки литосферы. Но общим для этих двух круговоротов углерода в природе является то, что углерод при этом проходит в обязательном порядке через живые организмы биосферы.

Рис. 23. Круговорот углерода в природе

1 — залежи углеводородов; 2—газовые залежи (СО₂, СН₄); 3 — залежи каменного угля; 4 — массы карбонатных пород. Стрелки показывают движение углерода (остальные пояснения в тексте)

На рис. 23 круговорот углерода показан сплошной линией, пунктирная линия отражает круговорот углерода в космосе и мантии (по крайней мере, верхней мантии) Земли. Нисходящие (левые) ветви круговоротов сливаются при подходе к биосфере. И атмосферный углерод и углерод из космоса усваиваются растительными и животными организмами, перерабатываются в них, преобразуясь в органическое вещество. Значительная часть углерода (механизм О. Г. Сорохтина и Л. И. Лобковского) попадает через зоны поддвига в мантию Земли. Пройдя в ней сложные превращения, углерод вновь возвращается в литосферу в виде «газового дыхания» недр. И на этих восходящих (правых) ветвях круговоротов углерода также происходит его «утечка». Углерод может консервироваться в газовых залежах, горных породах. Большая часть его возвращается в атмосферу, а частично рассеивается и в космическом, околоземном пространстве. Таков широкий взгляд на круговорот углерода в природе.

Думается, что он может в какой-то степени примирить «органиков» и «неоргаников». Даже если допустить возможность появления из недр Земли углеводородных газов (в основном метана), то углерод, входящий в его состав, когда-то был в живых организмах, проходил свое развитие в биосфере Земли. А раз так, то любые углеводороды биогенны!

Такая точка зрения делает дискуссию между «органиками» и «неорганиками» лишенной смысла. Она уподобляется спорам средневековых схоластов о том, сколько ангелов может уместиться на острие иглы. Дальнейшее изучение проблемы происхождения нефти и закономерностей размещения ее залежей в земной коре должно идти под знаком сближения полярных точек зрения на основе определяющей роли биосферы Земли.