гипотезы происхождения нефти

Лекция 5.
Дисциплина «Геология и геохимия нефти и газа»
Традиционные (классические) гипотезы происхождения
геодинамическая концепция нефтегазообразования.
нефти.
Современная
1. Баженова, О.К. Геология и геохимия нефти и газа: Учебник / О.К. Баженова, Ю.К.
Бурлин, Б.А. Соколов, В.Е. Хаин; Под ред. Б.А. Соколова. – 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Изд-во МГУ, 2004. – 415 с.
2. Химия нефти и газа: Учеб. Пособие для вузов / А.И. Богомолов, А.А. Гайле, В.В.
Громова и др.; Под ред В.А. Проскурякова, А.Е. Драбкина. – СПб: Химия, 1995. –
448 с
Мы рассмотрели химический состав нефтей. Теперь необходимо выяснить ряд
вопросов, касающихся происхождения горючих ископаемых:
- Как образовался этот уникальный продукт природы, причины его появления в земной
коре – его источники?
- Какие стадии в своем развитии (созревании) проходят горючие ископаемые в земных
недрах? Или более точно сказать, что происходит с горючими ископаемыми в земной коре
за геологическую историю их образования и существования?
От того насколько верно мы определимся в этих фундаментальных вопросах зависит:
- эффективность поиска и разведки, т.е. эффективность прогноза зон генерации и нефтегазонакопления в земной коре;
- правильность подсчета разведанных и прогнозируемых ресурсов горючих ископаемых,
- выбор наиболее эффективных методов их извлечения из земной коры.
Разрешение этих вопросов позволит также:
- прогнозировать состав и качество нефти и газа уже на стадии поиска и разведки, и тем
самым:
- спланировать дальнейшие пути переработки и использования.
Разработка теории нефтегазообразования насчитывает более 2,5 веков. В основе ее
изначально лежали две противоположные гипотезы – органического и неорганического
происхождения.
Разработка любой теории начинается с выдвижения одной или нескольких гипотез,
положения которых основываются на известных фактах. Затем по мере развития теории,
получения новых экспериментальных данных, положения гипотез пересматриваются и
уточняются. Затем одна из гипотез принимается, пересматривается либо отбрасывается.
Либо происходит синтез гипотез.
Трудами Ломоносова (1757 г.) была заложена основа гипотезы органического
происхождения нефти. На основе экспериментов он доказывал, что при воздействии тепла
(подземного огня) из каменных углей образуются асфальты, нефти и «каменные масла».
В противовес этому, Гумбольт А. (1805 г.), а позже его поддержал Менделеев Д.И.
(1877 г.) и др., сформулировал гипотезу минерального происхождения нефти. Согласно
этой теории нефть образуется на больших глубинах, как результат деятельности
магматического тепла на горные породы.
Гипотезы неорганического или минерального происхождения нефти
Нефть и углеводородные газы образуются за счет глубинной энергии Земли.
На сегодня их существует несколько: карбидная гипотеза Менделеева, космическая
(или метеоритная) гипотеза, гипотеза глубинного неорганического синтеза (эндогенная).
В основе этих теорий лежит представление об образовании углеводородов в
результате синтеза из простых элементов С, Н2, СО, СО2, СН4, Н2О при высокой
температуре. Получающиеся простые продукты затем взаимодействуют с минеральной
частью пород и синтезируется весь спектр соединений нефти.
Карбидная гипотеза. Менделеев считал, что основой процесса образования УВ
является взаимодействие карбидов металлов глубинных пород с водой.
Д. И. Менделеев впервые изложил в виде стройной научной концепции представления
о глубинном происхождении углеводородов и доложил ее на заседании Всероссийского
химического общества 13 января 1877 г. и в том же году опубликовал специальный раздел
«О происхождении нефти» в работе «Нефтяная промышленность в Северо-Американском
штате Пенсильвания и на Кавказе». В этих работах и в статье «Нефть» в словаре
Брокгауза и Ефрона (1897 г.) уже содержатся те главные аргументы в пользу
неорганического происхождения нефти, которые используются и в настоящее время:
 связь месторождений с глубинными разломами и газовым (грязевым) вулканизмом;
 наличие аномального высокого пластового давления (АВПД) в пластах,
вызывающее фонтанирование нефти;
 присутствие в метеоритах углеродистых соединений (в том числе битумов), а в
глубоких недрах Земли – сильных восстановителей, среди которых особое
значение придавалось неокисленному железу в изверженных породах.
Д. И. Менделеев обрабатывал кристаллический марганцовистый чугун (с 8 %
углерода) соляной кислотой и получил жидкую смесь углеводородов, по запаху, виду и
реакциям идентичную природной нефти. Подобные опыты были повторены позднее
Муассаном (1897 г.), К. В. Харичковым (1903, 1911 гг.) и др. Таким образом, была
доказана теоретическая возможность синтеза углеводородов в глубоких недрах Земли.
Схема образования жидких и газообразных углеводородов, предложенная Д. И.
Менделеевым проста:
2Fe2C + 6H2O = 2Fe2O3 + C2H6 + 3Н2
Образующиеся по этой схеме углеводороды поднимаются затем в верхнюю холодную
часть земной коры, где конденсируются и накапливаются в пористых осадочных породах.
Объясняя широкое распространение месторождений по земному шару, эта гипотеза
все же ограничивает их расположение вдоль локальных зон, связанных с глубинными
разломами земной коры.
Концепция Д. И. Менделеева получила мощную поддержку ученых-химиков, но
приоритет в решении вопроса происхождения нефти химики отдали геологам как
обладателям конкретных знаний о залежах нефти и вмещающих ее горных породах.
Карбиды металлов (Fe2C, TiC, Cr2C3, WC) и SiC действительно обнаружены в
глубинных горных породах, выносимых с больших глубин. В принципе взаимодействие
их с глубинной поровой водой возможно. Но крупных скоплений карбиды не образуют.
Пока находят только мельчайшие редкие рассеянные вкрапления в породе. Поэтому
говорить о масштабном образовании УВ таким путем пока не приходится.
Космическая (метеоритная) гипотеза была выдвинута Н.А. Соколовым в 1892 г.
Предполагалось, что углеводороды могли образоваться из простых веществ на
космической стадии формирования Земли. Сначала они находились в газовой фазе.
Сгореть они не могли, так как свободного кислорода практически не было. По мере
остывания Земли они поглощались породами. Породы уплотнялись, углеводороды
перемещались в верхнюю часть земной коры и образовывали скопления.
Эта гипотиза практически никем не поддерживается, но, как вы увидите далее, по
ряду фактов заслуживает внимания. Углерод, водород, углеводороды обнаруживают в
метеоритах. В атмосферах Юпитера, Титана обнаружены предельные и непредельные
углеводороды, застывший в виде снега и льда метан, аминокислоты. Количества их в
абсолютном выражении огромны.
Однако нет объяснения почему основные месторождения нефти находятся в
осадочной толще, которая формировалась гораздо позднее остывших магматических
пород земной коры. Почему тогда практически не находят месторождений нефти в
базальтовом фундаменте.
К этой гипотезе исследователи периодически «поворачиваются лицом» (передом).
Поиски нефти в фундаменте ведутся. Но из-за неудач интерес каждый раз затухает.
Гипотезы глубинного неорганического синтеза (эндогенная).
В 1950-60 гг. В СССР активно исследовали возможность прямого синтеза
углеводородов в глубине Земли из смеси Н2, СО, СО2 и СН4 по схеме каталитических
реакций Фишера-Тропша:
СО + 3Н2 = СН4 + Н2
или в общей форме:
nCO + (2n+1)H2  CnH2n+2 + nH2O
По такой схеме могут образовываться н-алканы, изоалканы, олефины,
ароматические УВ. Но нафтеновые углеводороды, широко распространенные во всех
нефтях, по такой схеме синтезированы не были. Кроме того осуществление данных
реакций требует наличие катализаторов (восстановленные металлы VIII группы, т.е. Со,
Ni, Pt), для которых ядами являются сернистые и азотистые соединения, широко
распространенные в горных породах. Т.е. образование нефтей в результате таких реакций
маловероятно в природных условиях.
Новый этап в развитии неорганической теории связан с именем Н.А. Кудрявцева
(Кудрявцев, 1963) и его последователей (Бескровный, 1978). Кудрявцев попытался
объединить концепции космическую и эндогенного синтеза. Он основывался на фактах
обнаружения месторождений нефти и газа вдоль зон глубинных разломов земной коры; в
породах фундамента, в изверженных породах (гипербазиты Кубы и др.)
Главными основаниями неорганической (абиогенной) концепции происхождения
нефти в изложении одного из учеников и последователей Н. А. Кудрявцева – Н. С.
Бескровного – являются:
1. Наличие углеродистых соединений, в том числе углеводородов, во внеземном
(космическом) веществе, из которого произошла аккреция Земли. Космические зонды
обнаружили в атмосферах Юпитера и Титана С2Н2, С2Н4, С2Н6, С3Н8, HCN, HC3N, C2N2.
Эти же и многие другие углеродистые соединения обнаружены в газопылевых облаках
межзвездной среды. В разных формах присутствует углерод в метеоритах. Среднее
содержание С в наиболее распространенных метеоритах – хондритах – оценивается в 0,04
%, в углистых хондритах достигает 5 %. В состав сложного углеродистого вещества
углистых хондритов входят аминокислоты, н-алканы, пристан, фитан, иногда порфирины
и даже оптически активные вещества.
2. Химическое равновесие между летучими и прочими составляющими той или
иной физико-химической системы C-H-N-S-O, указывает на возможность существования
в условиях мантии Земли метана при температурах до 1300–1500 ºС
3. Присутствие углеродистых соединений в продуктах магматизма мантийного
происхождения. В продуктах дифференциации и горячей дегазации мантии: кимберлитах
и их минералах (алмазах, оливинах, гранатах и др.), перидотах, толеитовых базальтах,
нефелиновых сиенитах и других щелочных породах, а также в гидротермальных системах
современного и древнего вулканизма содержатся такие вещества, как Н2, СО, спирты, СН4
и некоторые более сложные углеводороды.
4. Существование явления углеводородной дегазации вещества мантии,
проявляющееся как в горячих, связанных с магматизмом, так и в «холодных»
амагматических условиях. Активный современный вулканизм островных дуг
характеризуется углекисло-углеводородным составом продуктов дегазации. Рифты в
пределах современных термальных полей отмечаются проявлением водорода и метана.
“Холодной” дегазацией мантии объясняются скопления нефти в гранитах
кристаллического фундамента при сверхгидростатических давлениях. Примеры холодной
водородной и метано-водородной дегазации выявлены в сквозных проницаемых зонах
типа сейсмоактивного глубинного сбросо-сдвига Сан-Андреас в штате Калифорния
(США) и др. (примеры все связаны с газообразными)
5. Нахождение нефти и газа в осадочных бассейнах, тяготеющих к
глубокопогруженным (6–10 км и более) краям литосферных плит, ограниченных
сейсмоактивными геодинамическими поясами на орогенном и рифтовом этапах развития.
Многие нефтегазоносные бассейны имеют генетическую связь с грабенами и глубинными
разломами.
6. Существование парагенеза эндогенной средне- и низкотемпературной рудной
минерализации (полиметаллы, ртуть, уран и др.) с непромышленными проявлениями
углеводородов на складчатой периферии бассейнов; повышенное содержание в нефтях
внутри осадочных бассейнов V, Ni, Fe, Cu, Mo, Mn, Co, Zn, Cr, Hg, As, Sb и других
металлов. Данная закономерность объясняется общностью источников углеродистых
веществ – предшественников нефти и металлов.
7. Глобальная и региональная неравномерность распространения мировых ресурсов
нефти и газа, отражающая очаговый или вертикально-миграционный механизм нефте- и
газообразования. Основные мировые ресурсы нефти и газа содержатся в небольшом
количестве бассейнов, а в пределах последних – в ряде крупных месторождений. Из 600
осадочных бассейнов, имеющихся на Земле, 400 уже изучены глубоким бурением, из них
240 оказались непродуктивными. Из 160 промышленно нефтегазоносных бассейнов 26
содержат 89 % мировых ресурсов нефти и газа (один Арабо-Иранский – 47,5%), еще 24 –
6,28 % и остальные 110 бассейнов – только 4,72 %. Эта неравномерность проявляется и в
том, что 89 % мировых ресурсов нефти сконцентрировано в 37 супергигантских (более 0,8
млрд. м3) и 300 гигантских месторождениях.
8. Распространение нефти и газа по разрезу нефтегазоносных районов до
фундамента включительно (так называемая закономерность Н. А. Кудрявцева).
9. Молодой кайнозойский, скорее неоген-четвертичный, возраст залежей
природного газа и постпалеозойский, преимущественно кайнозойский возраст залежей
нефти
древних
платформ,
не
согласующийся
со
временем
проявления
нефтегазообразования во вмещающих нефть отложения (Словарь..., 1988, с. 462–463).
На основе своих представлений, Н. А. Кудрявцев предложил «... две принципиально
сохраняющие силу для любого из таких (нефтеносных - О.С., М.Т.) районов практические
установки:
1. перспективность
всех
проницаемых
горизонтов
(включительно
до
кристаллического фундамента), залегающих ниже горизонтов с уже известными
нефтепроявлениями, независимо от условий образования осадков и содержания в них
органического вещества.
2. зона нефтегазонакопления (месторождения нефти и газа) размещаются в зонах
глубоких разломов. Под последними понимается вся зона дробления земной коры, в
которой возникли второстепенные оперяющие разломы с сопровождающими их
складками в осадочном покрове, и трещины без смещения, ответвляющиеся на разных ( в
том числе очень больших) глубинах от основных сбросов или сдвигов, секущих всю
земную кору» (Кудрявцев, 1963, с.188).
Вывод Н. А. Кудрявцева о связи месторождений нефти и газа с зонами глубинных
разломов земной коры сыграл большую положительную роль при поисках месторождений
углеводородов и, как отмечено выше, он широко используется в новейших вариантах
осадочно-миграционной концепции происхождения нефти.
Н.А. Кудрявцев из Ленинградского института ВНИГРИ считал, что синтез нефтяных
углеводородов мог происходить из простых углеводородных радикалов (СН, СН2, СН3),
образующихся в результате деструкции карбонатов и воды при температурах более 700 0С
в верхних слоях мантии и в узлах пересечения глубинных разломов (в вакуумных
реакционных ловушках). Эти радикалы очень реакционно активны и при взаимодействии
др. с др. могут образовывать весь спектр нефтяных углеводородов.
Одноко, не смотря на ряд достоинств, неорганические гипотезы (абиогенная
концепция) не дает новых принципиальных подходов к поискам нефти и газа и не
объясняют целый ряд фактов, которые накопились в процессе исследования нефтей:
 так состав природных углеводородных смесей значительно отличается от
синтезируемых по указанным схемам. Например откуда в нефтях в большом
количестве встречаются сложнопостроенные структуры, несущие следы явно
биологического происхождения, такие как изопреноиды, стераны, терпаны.
 состав изомеров углеводородов нефтей строго ограничен (это характерно для
биологических систем), гомологические ряды очень похожи на те, что синтезируют
растения и микроорганизмы;
 изотопный состав нефтей более близок к живому веществу организмов и
рассеянному ОВ осадочных пород, чем к мантийным углеводородам (глубинные
газовые смеси метана и СО и СО2). Последние изотопные исследования нефтей и
природных газов показали, что доля мантийных газов в нефтях и природных
горючих газах составляет 0,01-0,0001%. Это определили по такому естественному
газу как гелий, изотопный состав которого в мантийном и коровом резервуарах
значительно различается (соотношение концентраций 3Н\4Н в коре составляет 10-8,
а в мантии 10-5). Даже в природных газах вулканических областей, таких как
Камчатка, Япония, доля мантийных флюидов не превышет единиц процентов. Т.Е.
основной источник углеводородов – немантийный.
 оптическая активность указывает на то, что нефть является продуктом биосферы, а
не минерального синтеза.
 характер распределения большинства месторождений нефти и газа, приуроченных
к осадочным бассейнам
 генетическую связи нефтей и ОВ осадочных нефтематеринских пород различного
возраста от кембрия до неогена.
Неорганические концепции актуальны и сейчас. И целый ряд вопросов они
действительно разрешают:
- неравномерность распределения нефтяных и газовых ресурсов на Земле
- приуроченность многих месторождений к разрывным нарушениям
- наличие залежей нефти и газа в изверженных породах
- наличие углеводородных газов в породах фундамента
- обогащенность некоторых нефтей ураном, редкими и редкоземельными металлами
По-видимому, можно согласится со сторонниками органического происхождения нефти в том, что все
основные доводы в пользу абиогенной концепции являются косвенными и могут быть объяснены как с
позиций неорганического, так и органического генезиса нефти.
На ряд из вопросов отвечает биогенная гипотеза нефтеобразования.
Осадочно-миграционная теория образования нефти и газа
Источником нефти и газа является органическое вещество биогенной природы.
Органическая гипотеза основывается на утверждении (и доказывает это), что Нефть
и природные углеводородные газы в подавляющей массе образуются за счет сложного
многоступенчатого преобразования рассеянного органического вещества (РОВ), которое
накапливалось и накапливается как составная часть осадочных горных пород в
разновозрастных водных бассейнах, преимущественно морских, реже – озерных.
В основе возникновения гипотезы органического происхождения нефти лежат опыты
Ломоносова, а позже Энглера (1888) по перегонке животных и растительных веществ
(жира, древесины). В результате получались горючие газы, коричневого цвета масла,
смолы и вода.
В 1919 г. Н.Д. Зелинский подверг перегонке озерный сапропелевый ил – остатков
планктонных водорослей. При этом получены были кокс, смолы, горючий газ и вода. Газ
состоял из метана, СО2, Н2 и Н2S. Смола содержала бензин, керосин и смолистые
вещества. Полученная смесь углеводородов во многом была сходна с природной нефтью и
обладала оптической активностью.
Именно оптическая активность полученных нефтеподобных продуктов послужила
основой для гипотезы происхождения нефти из растительного материала.
Развивающиеся геологические исследования также стали отмечать частую
приуроченность нефтяных залежей к древним морским отложениям, обогащенным
сапропелевым материалом. Такие отложения стали называть нефтематеринскими.
Активно развернувшиеся в 20-30 гг прошлого века исследования органического
вещества современных и древних осадочных пород позволили установить, что именно
сапропелевые отложения являются наиболее вероятным источником нефтяных флюидов.
Органическое вещество откладывается как в морских или озерных условиях, так и в
континентальных областях. При этом состав захороненного материала оказывается
принципиально разным. В морских бассейнах – это остатки планктона –
преимущественно сапропелевый материал, в континентальных – древесной
растительности – гумусово-сапропелевый или сапропелево-гумусовый. Чисто
гумусового материала практически не встречается. Т.к. накопление ОВ происходит
только в субаквальной обстановке, в которой всегда есть остатки озерного или морского
фитопланктона.
ОВ смешанного типа встречается с девона, т.е. с момента появления высшей
растительности. Девон – псилофиты и плауновые, карбон – споровые, Пермь-третичный
период – голосеменные, третичный – покрытосеменные.
Гумусовое ОВ приурочено в основном к угленосным континентальным отложениям.
При его нагревании образуется сухой метановый газ и углерод.
Сапропелевый материал содержит большое количество липидного материала (до
40%), из которого при нагревании легко образуются углеводороды – алканы, нафтены и
арены.
Изучение сапропелевого материала осадочных пород, испытавших погружение на 23 км, где температуры достигают 100-1500С показало, что оно содержит до 20 %
битуминозных веществ (масел, смол, асфальтенов), до 10-12% углеводородов, имеются
азот, серо-, кислородсодержащие соединения, свойственные нефтям. Вассоевич Н.Б
назвал это вещество микронефтью.
Особое значение в доказательстве биологического происхождения нефти имело
открытие в нефтях унаследованных от живого вещества биомолекул – Тиссо и Вельте
предложили назвать их хемофоссилиями (химические ископаемые фоссилизованные
(рассеянные) в породе). Их мы рассмотрим позднее в отдельном разделе. К таким
веществам относятся порфирины, изопреноидные углеводороды, стераны и терпаны,
некоторые нормальные алканы. Их суммарное количество может достигать в нефтях 30%.
Они не только подтверждают органическое происхождение нефтей, но и позволяют
определить из каких именно отложений поступали нефтяные углеводороды при
формировании месторождений.
Следующей ступенью развития органической гипотезы нефтеобразования было
выяснение стадийности образования жидких и газообразных веществ из рассеянного ОВ
пород. В 60-80 гг ряд тщательно проведенных модельных экспериментов показал, что
нефть является результатом термокаталитического преобразования ОВ в недрах по мере
погружения отложений в области высоких температур и давлений:

При нагревании сапропелевых сланцев до 150-1700С начинается слабое разложение
ОВ с выделением жидких и газообразных продуктов.

При 2000 их образуется заметно больше;

При 370-4000 в течение 1 ч уже до 60-80% ОВ переходит в растворимое состояние.
Образуется много смолисто-асфальтеновых веществ, углеводородов, газов и воды.

Дальнейшее повышение температуры приводит к углификации и выделению
газообразных продуктов.
Эксперименты показали, что нефтеобразование происходит в узком температурном
интервале. Этот этап генерации углеводородов ОВ был назван ГФН или нефтяным окном.
Детальные геолого-геохимические исследования позволили установить, что
аналогичный процесс термического разложения происходит и в природных условиях.
Как результат была разработана довольно стройная теория нефтегазообразования.
Вассоевич Н.Б. предложил называть ее осадочно-миграционной теорией. Это название
отражает как связь с осадочным процессом, так и условиями формирования залежей в
результате миграции.
Согласно этой концепции, нефть и газ образуются из рассеянного органического
вещества осадочных пород на определенных уровнях преобразования. Причем на каждых
уровнях ОВ изменяется по своему и образуются углеводороды определенного состава. На
всех стадиях органическая и неорганическая составляющие породы взаимодействуют и
изменяют друг друга.
Выделяется четыре основные стадии преобразования захороненного ОВ: диагенез,
катагенез, метакатагенез и метаморфизм. Рисунок.
- диагенез – это процесс протекающий в только что сформированных осадках. Интервал
глубин, где происходит этот процесс, составляет сотни метров (редко достигает 2000м).
Главным агентом, трансформирующим ОВ, являются микробы. Они усваивают часть ОВ,
образуя свою собственную биомассу. Первичные биополимеры (белки и углеводы)
изменяются и включаются в новые поликонденсированные структуры – биогеополимеры.
Выделяется СО2, NH3, СН4 и вода. В песках, где аэрация высокая ОВ разлагается
полностью, в илах – частично. При массовом накоплении остатков высших растений
образуется торф, затем бурые угли.
По мере погружения осадка минеральная часть уплотняется, карбонаты, сульфиды
металлов частично растворяются и переосаждаются. Происходит консолидация
минеральной составляющей с органической. Выделяется СО2 и вода. К концу диагенеза
органическое вещество представлено почти полностью геополимером – керогеном,
срощенным с минеральной основой.
- Катагенез – Последовательное накопление осадков в бассейнах приводит к захоронению
ранее отложившихся горизонтов в недра. Это ведет к значительному повышению
температуры и давления. Тектонические процессы также способствуют этому. Для
обозначения этой стадии литогенеза используется термин катагенез, предложенный
Вассоеичем Н.Б. Температура может изменяться в пределах от 50 до 1500С, а
геостатическое давление вышележащих осадков – от 300 до 1000-1500 бар (атм.).
Опускание на глубину 2-3 км идет за время от 10 до 60 млн. лет
Отсюда – подъем температуры до 1500С идет со скоростью 10С за 60-400 тыс. лет.
Такое нарастание температур и давлений делает систему неравновесной, что приводит к
новым изменениям.
Основным типом неорганических изменений остается уплотнение пород: продолжает
выделяться вода, уменьшается пористость и проницаемость, соленость поровых вод
приближается к насыщению.
Органическое вещество подвергается значительным изменениям:
1) на начальном этапе погружения в зону протокатакенеза (до 1,5 км Т= 50-700С)
значительной деструкции керогена не происходит. Отщепляются кислородные
фрагменты (в виде СО2). Незначительно разрушаются жидкие битуминозные
компоненты, которые находились вместе с керогеном в породе изначально. Здесь
фиксируется верхняя катагенетическая зона газообразования. (ПК1-ПК2 –
небольшие залежи сухого газа).
2) Ниже, в зоне слабого мезокатакенеза (ПК3-МК1) ОВ входит в главную зону
нефтеобразования. На глубинах до 2 км, где действуют температуры до 1000С,
располагаются залежи метано-нафтеновых нефтей, полусухого и жирного
попутного газа. С глубиной (МК1-МК2) в нефтях возрастает доля метановых УВ,
твердых парафинов, легких ароматических УВ, в газовых шапках – жирный газ. В
керогене значительно снижается доля водорода, сам он уплотняется,
ароматизируется, т.е идет явная деструкция УВ звеньев и упорядочивание
структуры керогена. Еще на более поздней стадии мезокатагенеза (МК3) находятся
залежи метаморфизованных, высокопарафинистых нефтей, а на стадии МК4 –
газоконденсатов. Т.Е. процессы деструкции все более усиливаются, идет отрыв
коротких молекул, все больше образуется газообразных веществ, которые
мигрируют по пластам и образуют свои собственные скопления.
3) В основании зоны МК – находится зона апокатагенеза (по Тиссо и Вельте –
метагенеза) и метаморфизма – последняя стадия эволюции ОВ. Это глубокие
прогибы и геосинклинальные зоны. Температуры и давления очень высокие,
нередко породы испытывают гидротермальное воздействие и влияние магмы.
Глинистые минералы теряют остаточную воду и окристаллизовываются.
Перекристаллизовывается кварцит…, исчезают текстурные признаки породы. ОВ
претерпевает метагенез. В этой зоне фиксируют только метан и остаточный
углерод. Угли трансформируются в антрацит. Сапропелевый кероген претерпевает
графитизацию. (R0 = 4).
Таким образом в 60-х годах прошлого века была создана концепция стадийности
нефте-газообразования Разработаны представления о химизме главных стадий
нефтегазообразования.
Уточнение механизмов формирования месторождений активно происходит с середины
80-х гг до настоящего времени.
ОВ осадочных пород – важнейший, но не единственный источник углеводородов
нефти и газа
Мы можем стоять на различных позициях в вопросе образования горючих полезных
ископаемых: неорганической, органической, смешанной, но приступая к практической
реализации геохимических поисков нефти или газа мы должны учитывать ряд очевидных
на сегодняшний день истин,
1. Биогенное органическое вещество всегда присутствует в осадочных отложениях
2. ОВ в условиях недр способно образовывать жидкие и газообразные нефтяные УВ, поэтому
может являться материнским по отношению к нефти или газу
3. Химический состав нефтей и битумоида пород указывает на их генетическую связь
4. Большинство месторождений нефти и газа приурочено к осадочным отложениям богатым
органическим веществом, расположенных в наиболее погруженных частях осадочных
бассейнов, где пластовые условия обеспечивают начало ГФН.
на которые опирается органическая гипотеза.
5. Очень много месторождений приурочено к глубинным разломам, зонам субдукции,
современным вулканам. Поиск таких структур и внимание к ним всегда оказывается
оправданым. Доказано, что некоторые месторождения гиганты связанны с глубинными
разломами и имеют постоянную подпитку мантийными углеводородами.
И таким образом важнейшими оказываются положения неорганической гипотезы
нефтегазообразования.
Но нужно учитывать, что мантийные углеводороды, движущиеся по этим разломам, не
являются нефтяными по составу. Это легкие, летучие углеводороды, главным образом
газы метанового ряда, которые могут приобрести нефтяной вид только в случае
экстракции тяжелых нефтяных УВ (битумоидного состава) из рассеянного биогенного
вещества осадочных толщь.
Если бы при поиске нефти мы привязывались только лишь к зонам глубинных разломов,
то ожидаемыми могли быть только газовые, конденсатные или в лучшем случае
конденсатные с нефтяной оторочкой месторождения. Для того, чтобы приуроченные к
разломам или вулканизму местророждения были нефтяными, необходимо, чтобы
мантийные
флюиды
проходили
(контактировали)
через
нефтенасыщенные
(битумонасышенные) богатые органикой осадочные отложения. И только тогда в
результате экстракционных процессов мы получим вещество или смесь веществ, которое
мы привыкли называть нефтью.
Эти вопросы могут быть объяснены с позиций новейших смешанных гипотез
нефтегазообразования и в частности геодинамической.
Геодинамическая модель нефтегазообразования и миграции УВ [1]. Возникла в 60-х гг
XX столетия, как результат смены традиционных представлений о преимущественно
вертикальной динамике геосферы на идеи о ведущей роли горизонтальных движений
литосферных плит (Дж. Вильсон, О.Г. Сорохтин, С.А. Ушаков, К.А. Клещева и др).
Геодинамическая эволюция литосферы рассматривается как циклический процесс
раскрытия и закрытия океанических пространств с образованием на их месте
континентальных масс. В процессе циклического развития литосфера проходит ряд
стадий и фаз, из которых для нефтегазообразования наиболее благоприятными являются
режимы частичной или полной субдукции и рифта. В рамках модели рассматривается и
третья, более спокойная, обстановка нефтегазообразования – классический
депрессионный геодинамический режим.
Субдукционно-обдукционный геодинамический режим характерен для зон
поддвига литосферных плит, расположенных по окраинам океанов. Субдукционный
механизм приводит к нагромождению огромных масс осадков с РОВ (аккреционные
призмы) и их затягиванию под океаническую плиту, где они оказываются в жестких
термобарических условиях (рис. 1.3). РОВ накапливается на континентальных окраинах и
в глубоководных желобах по мере продвижения к зоне субдукции и в среднем достигает
0,78 %. В зонах поддвига, под действием высоких температур (100-4000С) в течение 1-2
млн лет происходит трансформация РОВ в капельно-жидкую нефть, которая стремится
уйти в область меньшего давления и температуры. Этому движению помогают
гидротермальные флюиды, выделяющиеся из водонасыщенных (до 50 % поровой и
кристаллизационной воды) океанических осадков, попавших в зоны поддвига. Они
относятся к разряду суб- и сверхкритических флюидов с температурами до 4000С и
давлением более 2∙107 Па. На пути своего движения они неизбежно выжимают,
растворяют и выносят капельно-жидкую нефть. Поднимающиеся по трещинам
термальные растворы УВ разгружаются в пределах литосферного выступа и в тылу
островодужной системы.
По мере удаления от зон поддвига температура и давление термальных вод уменьшаются,
замедляется и скорость фильтрации. Создаются условия, благоприятные для выделения
отдельных фаз жидких и газообразных УВ-флюидов и образования залежей нефти и газа.
И эти залежи будут локализоваться в стороне окраин поддвигаемых континентальных
платформ. Этим объясняется высокая нефтегазонасыщенность недр платформенных
окраин, прилегающих к горно-складчатым областям (Предуральско-Предновоземельская
система, Предапалачская, Предкордильерская, Предверхоянская, Африкано-Индийская,
Предандская системы).
Рис. 1.3 Механизм формирования бассейнов орогенов (столкновения пассивной
континентальной окраины и островной дуги). 1 – астеносфера и надастеносферный слой; 2
– континентальная кора; 3 – океаническая кора; 4 – осадочные толщи (а – терригенные,
обломочные, вулканогенно-обломочные; б – карбонатные); 5 – кремнистые и другие
глубоководные породы; 6 – вулканогенные толщи (а – островодужные, б – вулканиты
грабенов и авлакогенов на континенте); 7 – метаморфические образования; 8 – осадочные
толщи орогенного комплекса (кампан-антропоген); 9 – поверхность кристаллического
фундамента; 10 – океанический фундамент (а – автохтонный, б – аллохтонный
обдуцированный); 11 – гранитоиды (а – ранней генерации (150 млн лет), связанные с
авлакогенами, рифтами на окраине Северо-Американского континента, б – поздней
генерации (40-90 млн лет), островодужные, ларамийские); 12 основные шарьяжи (а –
пассивно-окраинных
(миогеосинклинальных)
пород,
б
–
островодужных
(эвгеосинклинальных) пород); 13 – интенсивная складчатость; 14 – глубинные разломы;
15 – шов столкновения плит; 16 – надвиги; 17 – поступление магматического материала;
18 – направление движения микроплит и блоков. САК – Северо-Американский континент;
ЦАМ – Центрально-Американский массив (микроконтинент); ПФ – плита Фаралон; ПО –
пассивная окраина Северо-Американского континента; Ж – желоб; ЮБ – Юкатанский
континентальный блок; НБ – Никарагуанский континентальный блок; КМ – Карибская
мезоплита; ОС – ороген столкновения островной дуги с пассивной окраиной континента;
ВЮ – Впадина Юкотан; РК – трансформный разлом Кайман; ПК – поднятие Кайман; НП
– Никарагуанское поднятие. [20].
Месторождения нефти и зоны субдукции
в районе Индонезии:
1-современные вулканы;
2-месторождения;
3- ось глубоководного желоба – начало
зоны субдукции
Основные зоны образования нефти и газа и
палеозоны субдукции:
1-Предполагаемое положение зон
субдукции 100 млн лет назад
2основные
регионы
нефтегазообразования
3- отдельные высокопродуктивные и
тектоническиактивные бассейны
Рифтогенный геодинамический режим присущ внутриконтинентальным и
окраинно-континентальным системам рифтов. Рифты и надрифтовые депрессии, по мере
развития, заполняются мощной толщей осадков (4-7 км), обогащенных органикой (рис.
1.4). Высокий тепловой поток, который идет от приближенного к подошве литосферы
астеносферного выступа, активизирует процессы нефтегазообразования из РОВ пород.
Подогретый водоминеральный поток, идущий из низов литосферы и состоящий из воды,
водорода, гелия, углекислого газа, метана и других компонентов, вымывает жидкие и
газообразные УВ и перемещает их в пласты-коллекторы осадочного чехла.
По мере дальнейшего развития внутриконтинентальные рифты трансформируются
в океанические бассейны с центрами спрединга. С двух сторон формирующегося океана
возникают пассивные окраины континентов, как фрагменты начальных рифтовых
осадочно-породных бассейнов. Если процессы рифтогенеза не сопровождаются
раскрытием океана, а останавливаются на фазе рифта, то над рифтовыми структурами
обычно происходит заложение крупных впадин и синеклиз. В них формируются
региональные зоны нефтегазонакопления рифтогенного типа внутри континентов,
прогреваемые горячими разломными швами (Западная Сибирь, Северное море, Суэцкий
залив и ряд других НГР).
Рис. 1.4 Основные этапы развития нефтегазоносных бассейнов, связанных со
сводово-вулканическими и щелевыми континентальными рифтами. 1 – осадочный чехол
бассейна (а – отложения из тонкозернистого материала (глины, карбонаты, сульфаты), б –
отложения из грубозернистого материала (песчаники, гравелиты, конгломераты)); 2 –
континентальная земная кора; 3 – земная кора уплотнения «асфарского типа»; 4 – зона
разуплотнения в континентальной земной коре; 5 – океаническая земная кора; 6 – дайки и
вулканические аппараты, потоки; 7 – сбросы в континентальной коре; 8 – литосфера; 9 –
астеносфера; 10 – наиболее разуплотненная часть астеносферы. [20].
Депрессионный геодинамический режим характерен для ряда крупных
внутриплатформенных впадин и некоторых межгорных впадин. Режим характеризуется
гораздо меньшей прогретостью недр, чем субдукционный и рифтогенный. Процесс
нефтегазообразования идет «вяло» и для его активизации осадкам необходимо
погрузиться на глубины 2-3 км (в главную зону нефтегазообразования).
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Для целей поиска нефти и газа важно сравнить масштабы нефтегазообразования под
влиянием разных геодинамических режимов.
Разбивка всех известных мировых месторождений на три основные группы показала, что
субдукционно-обдукционный геодинамический режим обеспечивает генерацию 80 % всех
выявленных запасов УВ, на долю рифтогенного режима приходится 15 % запасов и лишь
5 % формируется в депрессионных бассейнах.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Геодинамическая модель нефтегазообразования оказала большое влияние на
практику нефтегазопоисковых работ. Появились новые объекты поиска, на которые
раньше не обращали внимание – области не только столкновения литосферных плит, но и
древнего и современного рифтогенеза, гранитный слой земной коры.
Из этой модели вытекает нетрадиционное понимание круговорота углерода в природе.
Оно состоит в том, что углерод и водород, составляющие основу нефти и газа, при своем
круговороте проходят не только через атмосферу, биосферу, гидросферу и литосферу, но
и через околоземное космическое пространство и мантию Земли. Пройдя через зоны
поддвига в мантию Земли органический углерод в виде «газового дыхания» недр,
содержащего СО, СО2, СН4 и др., вновь возвращается в литосферу, гидросферу, биосферу
и атмосферу. По пути частично происходит сбор рассеянных в породе жидких и
газообразный УВ и консервация их в залежах, а частично – рассеяние в сферах Земли и
космическом околоземном пространстве. Новый подход в известной мере примеряет
органиков и неоргаников, указывая все же на биосферное происхождение УВ флюидов.