О научной революции в теории образования углеводородов
Предисловие редакции
Эта публикация — первая в цикле, который мы назвали «Революционные природоподобные технологии в решении глобальных проблем».
* * *
Лекция ведущего научного сотрудника Института проблем нефти и газа РАН, кандидата физико-математических наук Азария Александровича Баренбаума «Биосферная концепция — научная революция в представлениях о образовании нефти и газа», прочитанная в экспертном клубе ИА REGNUM.
О неуничтожимости нефти и газа
Цель своего выступления вижу в том, чтобы популярно рассказать о принципиальных изменениях, которые сегодня происходят во взглядах на природу и происхождение нефти и газа. Я ведущий научный сотрудник Института проблем нефти и газа РАН, и мое научное направление как раз связано с решением этой фундаментальной проблемы.
Первое, что хочу сказать, и, полагаю, что вы этого не знаете, в понимании процессов образования нефти и газа сегодня происходит научная революция. Она связана с рождением новой науки, которая принципиально решила проблему нефтегазообразования, поставленную более 200 лет.
Эта наука возникла всего лишь 25 лет назад, причем в нашей стране. До того, как бы это ни показалось многим из вас странным, науки, которая была бы способна объяснить происхождение нефти и газа, не существовало. А было два разных подхода к решению этой проблемы. Один — основан на «органической» гипотезе нефтегазообразования, а второй — на гипотезе «минеральной». Сторонники органической гипотезы полагали, что УВ нефти и газа образуются в результате фоссилизации и катагенетического преобразования останков живых организмов, погружающихся в земную кору в процессах осадконакопления. Тогда как приверженцы минеральной гипотезы считали нефть и газ продуктами дегазации недр, поднимающимися к поверхности с больших глубин и накапливающимися в осадочном чехле земной коры.
Общеизвестна дискуссия по вопросам образования нефти и газа между сторонниками обеих гипотез, длившаяся на протяжении всего прошлого века.
В этой связи должен заметить, что решения крупных проблем, лежащих на стыке разных научных дисциплин, привлекают исследователей, которые приходят в эту междисциплинарную область из разных наук, с разным багажом знаний, подходов и методов. Образование нефти и газа является именно такой проблемой, возникшей на стыке геологии и химии. Поэтому исторически сложилось так, что органическую гипотезу выдвинули и долгое время разрабатывали геологи, а минеральную — химики. Сегодня проблему нефтегазообразования успешно разрабатывают представители многих других наук.
Наука, о которой я собираюсь рассказать, условно называется Биосферная концепция нефтегазообразования. Это самостоятельная наука, отличная от существующих. Насколько она другая, можно судить хотя бы по тому, что её следствием является вывод о неуничтожимости нефти и газа как полезных ископаемых, которые восполняются в процессе разработки месторождений.
Последний вывод был первыми сделан более 25 лет назад сотрудниками кафедры нефти и газа геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова Б. А. Соколовым и А. Н. Гусевой, сегодня, к сожалению, их уже нет в живых (см. статью «Месторождения нефти и газа не клады, а неиссякаемые источники»).
Так в чем же состоит суть биосферной концепции?
Эта концепция при анализе процессов образования УВ в недрах впервые вводит в рассмотрение геохимический круговорот углерода и воды через земную поверхность с участием биосферы В. И. Вернадского. Круговорот вещества биосферы — это чрезвычайно важный процесс, подлежащий учету при образовании нефти и газа, в котором очень активное участие сегодня принимает человек как элемент биосферы.
На Рис. 1 схематично показано, каким тридцать лет назад геологи, а сегодня климатологи и биологи представляют круговорот углерода на Земле.
В верхней части рисунка показан всем известный биосферный цикл круговорота углерода. Считается, что очень незначительная часть этого углерода поступает под поверхность в результате двух геологических литосферных циклов. Первый с характерным временем ~106 лет — это захоронение органического вещества (ОВ) при осадконакоплении. А второй с характерным временем ~109 лет — процесс, вызванный погружением ОВ, как и вообще углеродсодержащего вещества при субдукции литосферных плит.
Сторонники органической гипотезы связывают происхождение нефти и газа с первым процессом, а минеральной — со вторым. Некоторые геологи полагают, что необходимые для образования УВ углерод и водород были захвачены при формировании нашей планеты миллиарды лет назад и теперь поступают на поверхность из глубоких земных недр и даже из земного ядра.
Первым, кто обратил внимание на то, что что-то в круговороте не так, был Г. И. Войтов (ИФЗ РАН). В начале 80-х годов он начал подсчитывать количество углерода, циркулирующего через поверхность Земли, на нисходящей и восходящей ветви круговорота. Хотя точность таких подсчетов было невелика, тем не менее оказалось, что если на восходящей ветви круговорота поток углерода из недр за счет дегазации составляет ~(1−5)x1015 г в год. То на нисходящей кривой круговорота вниз опускается (3±0.6)x1014 г углерода, представленного на ~2/3 органикой и на ~1/3 карбонатами.
Проблема дисбаланса углерода стала центральной в 90-е годы в результате исследований по Киотскому протоколу, когда за ее решение принялись климатологи. Естественную дегазацию недр они не принимали во внимание вообще, а учитывали лишь углерод, который человек добывает из недр в виде нефти, газа и угля. Используя их в качестве топлива, человек на поверхности превращает этот «восстановленный» углерод в СО2. Количество такого углерода измеряется гораздо точнее и сегодня составляет ~7.6×1015 г/год.
Тем самым дисбаланс между восходящим и нисходящим потоком углерода через поверхность возрос до двух порядков величины. При этом расчеты климатологов показали, что избыток углерода нельзя удалить с поверхности путем поглощения СО2 растительностью и его растворения в водах Мирового океана даже при самых оптимистических предположениях. По оценкам К. Я. Кондратьева и В. Ф. Крапивина, Киотский протокол принят с «дырой» в балансе по углероду как минимум 35%, а фактически намного больше.
Потребление углеродных топлив — это по сути дела процесс превращения УВ в СО2. Поэтому масса углерода, будь он в восстановленном виде (в составе нефти, газа и угля) или в окисленном (СО2), при геохимическом круговороте через земную поверхность суммарно меняться не может. Так что между восходящими и нисходящими потоками углерода при его круговороте через земную поверхность должен выполняться строгий баланс.
Задача наблюдаемого дисбаланса в планетарном круговороте углерода, я хочу это специально подчеркнуть, решена в биосферной концепции. Баланс удалось «восстановить» в результате согласованного решения трех проблем круговорота углерода в биосфере:
1) проблемы стока — переноса СО2 из атмосферы под земную поверхность;
2) проблемы обмена — преобразования окисленного углерода (СО2 и ОВ) в УВ газонефтяного ряда под земной поверхностью;
3) «проблемы источника» восполнения в биосфере углерода, который выводится из углеродного круговорота в ходе геологических процессов.
* * *
Первая проблема — «проблема стока» состоит в поиске механизма, который удаляет избыток СО2 атмосферы и переносит его под земную поверхность. Этим механизмом, как показано в биосферной концепции, является не учитывавшийся ранее перенос СО2 из атмосферы в земную кору при климатическом круговороте метеогенных вод на континентах. В результате участия метеогенных вод биосферный цикл углерода, во-первых, происходит за характерное время ≈30−40 лет, и, во-вторых, охватывает всю биосферу вплоть до глубин 5−7 км целиком, а не только ее надземную часть и почвенную часть, как думали ранее. В этой связи заметим, что масса биоты под земной поверхностью больше, чем над поверхностью Земли. Показательно также, что период 30−40 лет хорошо известен в климатологии, поскольку служит условной границей, отделяющей погодные изменения от изменений климата.
Вторая проблема — «проблема обмена» углеродом между различными циклами планетарного круговорота углерода, связана с объяснением того факта, что над земной поверхностью углерод циркулирует преимущественно в виде СО2, а под земной поверхностью восстанавливается до УВ. Входя в состав то живых существ, то минеральных агрегатов, углерод биосферы меняет не только «хозяина», но и изотопный состав. Из-за плохого растворения углеводородов в воде в подходящих геологических условиях они создают под земной поверхностью собственные скопления, которые мы открываем как залежи нефти, газа и газогидратов.
Решение «проблемы обмена», с одной стороны, вскрывает важную роль земной поверхности как геохимического барьера в круговороте углерода, а с другой, выявляет наличие в земной коре химического механизма, быстро и эффективно преобразующего растворенный в воде СО2 в УВ нефти и газа. В биосферной концепции этим механизмом является реакция поликонденсационного синтеза УВ из СО2 и Н2О в минеральной матрице пород.
Врезка про открытие Черского-Царева
И, наконец, третья проблема — «проблема источника» отвечает на вопрос, откуда в биосфере в требуемом количестве берется углерод, участвующий в круговороте. Сегодня можно считать установленным, что этот углерод поступает на Землю из космоса, в соответствии с представлениями В. И. Вернадского. А приносят углерод, как и воду, галактические кометы, которые выпадают на Землю в короткие (~2−5 млн лет) периоды кометных бомбардировок, которые повторяются через 30−37 млн лет. Состав кометного вещества приведен в Табл. 1.
Табл. 1. Химический состав ядер наблюдаемых комет
Соединение
Химическая формула
Состав, % мас.
60−70
5−10
10−15
10−25
Поступающая с кометами вода накапливается в Мировом океане, а углерод утилизируется биотой и перераспределяется по всем трем циклам круговорота в соответствии со временами жизни углерода в этих циклах.
Согласованные решения всех трех проблем вносят в схему круговорота углерода на Рис. 1 три изменения (Рис. 2). Решение проблемы «стока» опускает биосферный цикл под поверхность, проблемы «обмена» — вводят в рассмотрение геохимический барьер, а проблемы «источника» — добавляют поступление углерода из космоса, что обозначено стрелкой слева вверху.
Необходимым, но весьма трудным в любой естественной науке является этап формализации задачи. То есть сведения ее к неким уравнениям, математическим формулам, моделям, которые можно исследовать теоретически.
На основании схемы (Рис. 2) биосферную концепцию в первом приближении можно представить моделью из системы трех линейных дифференциальных уравнений, каждое из которых описывает свой цикл углерода:
где n1, n2, n3 и t1, t2, t3 — соответственно количество углерода и его время жизни в каждом из трех циклов; Q (t) — функция поступления углерода на поверхность; aij — параметры обмена углеродом между циклами.
Несмотря на свою простоту, модель (1) обладает большой прогностической силой, позволяя исследовать и объяснить специфику круговорота углерода на Земле в докембрии, в фанерозое и в настоящее время.
Наибольший интерес для нас представляет современная эпоха. Из модели следует, что в условиях периодического поступления больших масс кометного вещества устойчивое функционирование биосферы требует обязательного вывода из активного обмена излишков углерода и фиксацию их в неких «резервуарах». Такими резервуарами на поверхности в первую очередь являются Мировой океан, живое вещество, атмосфера и почвы-илы, а под поверхностью — крупные скопления УВ в земной коре.
Анализ показывает, что при динамическом равновесии системы для всех ее резервуаров должно выполняться условие:
где С — константа, имеющая смысл скорости круговорота в системе.
Распределение углерода по основным резервуарам надземной биосферы свидетельствует (рис. 3), что биосфера нашей планеты сегодня пребывает в состоянии близком к динамическому равновесию, характеризующемуся величиной константы С в пересчете на СО2 равной (2.5±0.5)x1017 г/год.
В этом состоянии любое воздействие на геохимическую систему, стремящееся вывести ее из равновесия, биосфера устраняет перераспределением углерода между резервуарами. На Рис. 3 это выглядит как перемещение прямоугольников вдоль прямой линии без изменения положения самой линии.
По аналогии с углеродом были найдены константы равновесия для геологического круговорота вод Мирового океана через срединные океанические хребты и круговорота кислорода атмосферы. Их значения совместно с углеродом биосферы, пересчитанным на СО2, приведены в Табл. 2.
Табл. 2. Константы круговорота углекислоты, кислорода и воды
Тип круговорота
Константа равновесия
Сx10-17 г/год
2,50±0,50
2,75±0,06
2,64±0,40
В пределах точности эмпирических данных круговороты воды, кислорода и углекислоты характеризуются практически одной константой равновесия. Отсюда следует, что на нашей планете имеет место совместный круговорот воды, кислорода и углерода со скоростью С = (2,7±0,1)x1017 г/год, свидетельствующий о существовании единой геохимической системы.
Объединяющим началом этой системы, как утверждал В. И. Вернадский, выступает биосфера. Входя составным элементом в циклы воды, углерода и кислорода, живое вещество приводит их скорость круговорота в соответствие со скоростью геологического круговорота вод подземной гидросферы.
* * *
Если важная роль круговорота углерода при нефтегазообразовании вполне очевидна, то решения проблем «стока» и «обмена» с участием метеогенных вод нуждаются в специальном рассмотрении.
В настоящее время среди геологов распространено мнение, что метеогенные воды проникают на глубины не более 500 м от поверхности. Считается, что ниже эти воды не опускаются, поскольку здесь находятся области медленного и крайне медленного водообмена с низкой подвижностью флюидов.
Это мнение сложилось в гидрогеологии более полувека назад и, как сегодня установлено, является ошибочным. Имеются многочисленные факты, свидетельствующие об очень интенсивной циркуляции вод на всех доступных изучению глубинах континентальной земной коры. Эта циркуляция носит как нисходящий, так и восходящий характер и обнаруживается не только в приповерхностной зоне, но и внизу осадочного чехла на границе с фундаментом, нередко залегающим на глубине десяти и более километров.
На Рис. 4 приведена диаграмма для вод гидросферы:
1 — Мировой океан; 2 — подземные воды; 3 — ледники и ледниковые покровы; 4 — озера, водохранилища и болота; 5 — озера; 6 — болота; 7 — морские льды; 8 — вода в атмосфере; 9 — почвенная влага; 10 — снежный покров; 11 — айсберги; 12 — атмосферные льды; 13 — реки; пунктирная линия — средняя скорость водообмена. Римскими цифрами в пересчете на СО2 показаны данные из Рис. 3: I — Мировой океан; II — живое вещество; III — почвы-илы; IV — атмосфера.
Мы видим, что основные природные резервуары воды, за исключением атмосферных воды и льда, хорошо укладываются на прямую линию (пунктир), которая на диаграмме занимает промежуточное положение между линиями климатического круговорота вод со скоростью 5,2×1020 г/год (вверху) и геологического круговорота вод со скоростью 2,7×1017 г/год (внизу).
Пунктирная линия соответствует скорости C = (2.0±0.5)x1019 г/год. Это значение позволяет заключить, что водоемы материков пополняются за счет двух циклов круговорота: надземного — климатического, и подземного — геологического, воды которых на ~90% формируются за счет поступления «метеогенных» вод и на ~10% «морских» вод подземной гидросферы.
Первые имеют местное происхождение: в виде дождя и снега они выпадают из атмосферы и затем, фильтруясь через земную поверхность, поступают в области питания водоемов. Вторые — воды глубокого залегания, входящие в систему циркуляции подземных вод с участием Мирового океана. Обмен этими водами на континентах носит региональный характер и может идти столь быстро, что в земной коре они не успевают перемешиваться.
Оба типа вод различаются не только содержанием солей, но и изотопией водорода и кислорода, что позволяет их надежно идентифицировать. В континентальной земной коре на глубинах 3−6 км почти все подземные воды являются метеогенными, хотя и в разной степени измененными (Рис. 5). Установлено, что метеогенные воды играют определяющую роль в процессах гидротермального изменения пород и образования гидротермальных рудных месторождений разного возраста.
Данный вывод распространяется и на попутные воды нефтяных и газовых месторождений (Рис. 6), которые характеризуются очень высокими содержаниями дейтерия, не встречающимися в других природных объектах.
Метеогенные воды легко извлекают СО2 из воздуха атмосферы и, сначала переносят СО2 на сушу, а затем и вглубь земной коры. Учитывая, что инфильтрующаяся в породы земной коры вода содержит ~10-5-10-4 г углерода на грамм воды, при климатическом круговороте вод в земную кору ежегодно поступает как минимум ~1015 г углерода. Этого количества в принципе достаточно, чтобы удалить из атмосферы избыточный СО2, образующийся при сжигании человеком углеродных топлив.
Теперь рассмотрим вопрос о глубине проникновения метеогенных вод в земную кору. На Рис. 7 показан типичный характер изменение пластовых давлений с глубиной в нефтегазоносных осадочных бассейнах.
График Рис. 7 свидетельствует о наличии четкой гидродинамической зональности давлений в подземной коровой гидросфере. Верхний его участок говорит о гидравлической связи наземных и подземных вод, которая требует выполнения двух условий: 1) присутствия в породах достаточно густой сети трещин и пор, образующих сообщающиеся между собой и с поверхностью каналы, и 2) конвективного движение подземных вод по каналам.
В зоне литостатических давлений, которая на Рис. 7 начинается глубже 5.5 км, характер изменения давления с глубиной исключительно формируются весом вышележащих горных пород. Породы этой зоны обычно обладают низкой трещиноватостью и пористостью, а если включают воду, то лишь в химически и физически связанных состояниях. Движение подземных вод в этой зоне почти полностью отсутствует.
Наибольший интерес для нас представляет промежуточный интервал глубин — зона «переходных» флюидных давлений. В разных нефтегазоносных бассейнах положение и мощность этой зоны могут отличаться. Эту зону объясняют литологическими изменениями осадочных пород в ходе их погружения. Полагают, что при увеличении с глубиной давления и температур осадочные породы уплотняются, что и приводит к снижению их пористости и проницаемости.
Объяснение причин наблюдаемой гидродинамической зональности давлений в подземной коровой гидросфере, однако, сталкивается с проблемой, получившей название «проблемы нисходящей фильтрации». Суть проблемы состоит в установлении механизма, посредством которого метеогенные воды могут быстро и глубоко проникать в породы земной коры. Предложенные для решения этой проблемы гипотезы приведены в Табл. 3.
Табл. 3. Гипотезы, объясняющие явление нисходящей фильтрации
Физический механизм
Авторы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Физически объяснить явление нисходящей фильтрации эти гипотезы не могут. Тогда как биосферная концепция легко решает эту проблему.
Наши исследования приводят к выводу, что в зоне переходных давлений нефтегазоносных бассейнов происходит интенсивный синтез УВ по реакции СО2 + Н2О. Эта реакция сопровождается разрушением подземных вод с образованием водорода и метана. Оба газа дегазируют в атмосферу. Поэтому в очагах генерации УВ, где разлагается вода и откуда дегазируют Н2 и СН4, возникает дефицит пластовых давлений, или иначе «пьезоминимум», который играет роль насоса «засасывающего» метеогенные воды с поверхности.
Масштабы разрушения подземных вод при нефтегазообразовании столь велики, что в очагах генерации УВ происходит почти полное «поглощение» свободной воды, что влечет за собой появление переходной зоны давлений. В нефтегазоносных бассейнах эта зона совпадает с так называемым «нефтяным окном» или «главной зоной нефтеобразования», в пределах которого находится 95% всех разведанных месторождений нефти и газа на нашей планете.
В настоящее время существование «нефтяного окна» исключительно объясняют процессами диагенеза и катагенеза органического вещества осадочных пород. Биосферная концепция интерпретирует «нефтяное окно» иначе, объясняя его конфигурацию (Рис. 8) термобарическими условиями.
На Рис. 8а показаны результаты расчета фазовой РТ-диаграммы типичной системы УВ, состоящей: СН4 (70−85%), С2Н6-С4Н10 (5−10%), С5+(10%) для температур и давлений на глубинах до 6 км. На Рис. 8б приведена кривая изменения процентного содержания нефтяной фазы с глубиной. Кривая получена как результат пересечения системы изоплер с линией глубин на Рис 8а.
Расчет хорошо объясняет характер распределения нефтяных и газовых залежей по глубинам в разных нефтегазоносных бассейнах мира. При изменении исходного состава УВ двухфазная область на Рис. 8а смещается, что трансформирует кривую (Рис. 8б), но не меняет наших выводов.
Таким образом, проблема «стока» затрагивает широкий круг вопросов, которые так или иначе связаны с механизмом преобразования под земной поверхностью окисленного углерода в УВ газонефтяного ряда. В биосферной концепции этим механизмом является поликонденсационный синтез нефтегазовых УВ из СО2 и Н2О с участием метеогенных вод.
В этой связи принципиально важным является вывод биосферной концепции, что основная масса нефти и газа непосредственно образуется в породах осадочного чехла земной коры в реакции синтеза СО2 + Н2О.
Однако реальность синтеза УВ в осадочном чехле отвергается сторонниками как органической, так и минеральной гипотез происхождения нефти и газа, и потому его механизм сегодня остается слабо изученным вопросом.
Вместе с тем более двух десятков лет назад В.И. Молчанов и независимо Н.В.Черский и В.П. Царев теоретически обосновали и экспериментально доказали, что синтез УВ из окисленного углерода (СО2, ОВ) в насыщенных водой механически активированных минеральных средах с высокой внутренней поверхностью происходит уже при комнатной температуре.
Этому способствуют разорванныехимические связи — радикалы на поверхности минералов, обладающие избыточной энергией и тем самым снижающие порог реакций. Под действием механических сил, создаваемых в естественных условиях приливным влиянием Луны, сейсмическими волнами, тектоническими подвижками, искусственным воздействиемит.п., в матрице пород возникают внутрикристаллические дефекты, которые диффундируют к поверхности минеральных зерен, вызывая их энергетическую активацию.
В экспериментах, выполненных указанными исследователями, механическая активация достигалась либо дроблением и истиранием углеродсодержащих минеральных веществ, либо трением и/или пропусканием через образцы пород морской воды. Спектр образовавшихся УВ указывал на поликонденсационный характер химической реакции их синтеза.
В последние годы реакция синтеза УВ из СО2 и Н2О экспериментально изучалась в ИПНГ РАН при фильтрации карбонизированной воды (вода с растворенным СО2) через железосодержащие насыпные среды. Эксперименты проводились при комнатной температуре и близком к атмосферному давлении на специальной лабораторной установке (Рис. 9).
Обозначения: 1 — реактор с нагревательным элементом, 2 — смеситель, 3 — сепаратор-накопитель, 4 — газовый хроматограф, 5 — баллон с углекислым газом, 6 — редуктор, 7 — вентили, 8 — манометры
Установка позволяла моделировать процессы, сопровождающие фильтрацию метеогенных вод через осадочные породы. Эксперименты заключались в анализе состава газов, возникавших при пропускании водного раствораСО2, имитировавшего метеогенную воду, через реактор, заполненный насыпной средой, моделировавшей горные породы. Состав карбонизированной воды варьировался, а в модельные среды добавлялась стружка железа. Эксперименты проводились в стационарном и динамическом режимах.
На Рис. 10 приведены хроматограммы легких газов в динамическом режиме при «малой» и «большой» скорости пропускания воды через реактор.
Химический состав основных газов на выходе из реактора после их очистки щелочью приведен в Табл. 4.
Табл. 4. Химический состав газов после щелочной очистки
Компонент
Водород
Азот
Кислород
Метан
Этан
СО2
СО
95.859
3.618
0.457
0.039
0.008
0.002
0.017
На Рис. 11 приведена хроматограмма УВ, экстрагированных с поверхности железной стружки после окончания экспериментов.
Эксперименты показали, что поликонденсационный синтез УВ из СО2 и Н2О сопровождается образованием большого количества свободного водорода. Эта химическая реакция применительно к синтезу н-алканов может быть представлена феноменологической формулой:
Реакция синтеза УВ из СО2 и Н2О происходит с участием «активного» (по В.И. Молчанову) водорода и становится энергетически возможной лишь при достаточно полном удалении из системы кислорода. В наших экспериментах поглотителем кислорода служило железо, которое в синтезе УВ выступало также катализатором. В породах земной коры эти функции могут выполнять разные химические элементы и их соединения.
Реакция идет в тонком слое порядка нескольких ангстрем на поверхности минеральной матрицы пород. При этом, как установили Н.В.Черский и В.П. Царев, возникает широкий спектр газообразных, жидких и твердых УВ — предельных, непредельных и ароматических. Газообразные и жидкие УВ, вероятно, сразу же переходят в водный поровый флюид, тогда как отлагающиеся на поверхности матрицы битумоиды экстрагируются самим флюидом.
При высоких температурах, которые развиваются на активированной поверхности минералов пород, вода способна перейти в суб‑ и сверхкритическое состояния, при которых ее свойства резко меняются. Плотность воды существенно снижается, а ее растворяющая и экстрагирующая способности возрастают на два и более порядка величины. При этом сама вода начинает действовать не только как растворитель, но и как реагент и как катализатор.
Очевидно также, что вода, участвующая в синтезе УВ, меняет изотопный состав. Тяжелый изотоп водорода — дейтерий в большем количестве остается в воде, чем переходит в УВ. Этим обстоятельством объясняется высокое содержание дейтерия в попутных водах месторождений (Рис. 6).
Изотопные смещения возникают и в синтезируемых углеводородах. Э.М. Галимов нашел, что наблюдаемый изотопный сдвиг по dС13 в низших н-алканах: СН4 (1,022), С2Н6 (1,013), С3Н8 (1,006), С4Н10 (1,004) нельзя объяснить распадом крупных молекул ОВ, а можно получить последовательным присоединением активного радикала Н´. Причем радикал Н´ зарождается вне рассматриваемой системы.
Теперь обратимся к другим важным следствиям биосферной концепции.
Первое из них — феномен дегазации недр (Табл. 5). Это явление состоит в интенсивной разгрузке через земную поверхность газов, среди которых доминируют те же газы, что и в наших экспериментах: CH4, H2, CO2 и N2.
Табл. 5. Плотность потока газов в геоструктурных зонах по Г.И. Войтову
Площадь
млн км2
CO2
CH4
Н2
N2
Не
В активном вулканизме на поверхности Земли
5.66
0.066
0.025
?
?
10.38
0.170
0.012
?
?
В альпийских складчатых зонах
3.95
10.68
0.0014
0.16
22×10-5
150
400/119
50/54
10/0.14
40/7.5
0.35/9.5×10-3
Платформы и древние складчатые области
29.4
22.5/1.21
30/0.063
4.2/0.012
4/0.147
0.2/0.001
5.1
1.0/0.01
300/1.102
100/0.012
20/0.127
0.35/8×10-5
316
20/13
150/34.1
6.3/0.18
18./7.11
0.27/0.015
Мировой океан
81.8
20/3.24
150/8.835
4/0.029
5/0.51
0.3/0.0044
30.8
500/30.49
650/14.5
12/0.033
8/0.31
0.6/0.0033
193.9
50/19
300/70
75/1.3
8/1.938
0.15/0.005
55.4
600/67
750/30
900/4.48
100/6.93
0.25/0.0025
Примечания: цифра в числителе — плотность потока газов (см3/м2 в год), в знаменателе — их интегральная разгрузка (1012 г/год)
В настоящее время явление дегазации исключительно объясняют поступлением газов из глубоких земных недр. Ряд геологов полагают, что эти газы сохранились в ядре Земли с момента ее образования и теперь выходят на поверхность. Такое мнение, однако, вызывает резкие возражения специалистов по космохимии и физике Земли, так как противоречит представлениям этих наук об условиях формирования нашей планеты и ее внутреннем строении.
Разрушения воды с образованием Н2 и УВ позволяет отказаться от наличия Н2, СН4 в ядре Земли, как физически необоснованной гипотезы. Эксперименты и расчеты показывают, что эти газы естественным образом могут быть объяснены синтезом УВ в земной коре. Причем, если образующийся из Н2О кислород поглощается в породах, то СН4 и Н2 вместе с захваченным водами N2 воздуха и не прореагировавшим СО2 выносятся в атмосферу.
Наиболее интенсивно они разгружаются через разломы литосферных плит, особенно в зонах срединных океанических хребтов (Рис. 12). Метан и другие газы, вовлекаясь в круговорот, остаются на планете. Легкий же водород достигает стратосферы и частично уходит в космос.
Второе следствие биосферной концепции — это уже упоминавшееся пополнение УВ разрабатываемых месторождений. Дело в том, что, извлекая из недр нефть, газ и уголь и сжигая их на поверхности, человек нарушает динамическое равновесие между циклами углерода, сложившееся на Земле за многие миллионы лет. В результате большая масса углерода, участвовавшая ранее в литосферных циклах круговорота со временами ~106 и ~109 лет, вовлекается в 40-летний биосферный цикл. В ходе биосферного цикла СО2 переносится под земную поверхность, где частично вновь превращается в УВ.
Эта антропогенная компонента отнюдь не мала. Потребление углеродных топлив приводит к выбросу в атмосферу массу СО2, которая дает ~16% вклад в скорость круговорота углерода в биосфере составляющую 2,7×1017 г/год.
Хозяйственная деятельность людей в теоретической модели (1) формально учитывается коэффициентами ɑ12 и ɑ13. Так, добыча и потребление нефти и газа из обычных месторождений увеличивает коэффициент ɑ12, тогда как добыча угля, а также сланцевых нефти и газа — коэффициент ɑ13.
О динамике этого процесса позволяет судить увеличение СО2 в атмосфере (Рис. 13). В частности, в послевоенное время содержание СО2 в атмосфере выросло с 310 ppm (1950 г.) до 387 ppm,
Рис. 13 отражает рост СО2 за счет многих процессов: дегазации недр, деятельности вулканов, выброса СН4 при оттаивании мерзлотных пород и гниения в болотах, солнечной активности и т.п. Однако основной вклад в этот рост дает потребление углеродных топлив. При их сжигании в атмосферу поступает примерно на порядок больше СО2, чем во всех других процессах.
Имеющиеся на земной поверхности резервуары углерода, однако, не в состоянии утилизировать этот СО2. Поэтому согласно правилу (2), поступающий в атмосферу СО2 перераспределяется по другим резервуарам системы. Часть его растворяется в водах Мирового океана и поглощается растительностью, а тот СО2, который они утилизировать не могут (~ 5×1015 г/год), переносится под земную поверхность, где он участвует в образовании УВ.
В некоторых случаях система может поддерживать региональное равновесие за счет заполнения старых месторождений новыми порциями УВ, а в других случаях — нет. Так, в центре европейской части России, где ловушек для УВ мало, а объем СО2 от сжигания углеродных топлив велик, возникающие водород и метан главным образом уходят в атмосферу.
Прямым следствием данного процесса, на наш взгляд, являются участившиеся случаи образования в центре европейской части России специфических воронок диаметром от 50 до 300 метров, через которые наряду с метаном дегазирует водород (Рис. 14). Появление воронок заметили в начале 90-х годов, так что за последние 20 лет, по данным В.Н. и Н.В. Лариных, таких структур появились сотни. Аналогичные воронки в виде цилиндрических кратеров в последние годы начали появляться на Ямале в зонах вечной мерзлоты.
В странах Западной Европы, где также нет подходящих условий для накопления нефти и газа, подвижный углерод с подземным стоком вод поступает в Атлантический океан, создавая в Северном море морские месторождения УВ, которых сегодня насчитывается более 150.
Еще худшая ситуация на Североамериканском континенте. Из-за высокого потребления УВ в США и Канаде и интенсивной добычи сланцевого газа и нефти здесь ежегодно в круговорот вовлекается большое количество углерода, не обеспеченного необходимыми природными ловушками. В отсутствии ловушек этот углерод в виде СО2 остается в атмосфере, а также накапливается в морских месторождениях, их открыто у берегов США более 500.
В этой связи следует отметить, что последние два десятилетия потребление УВ в мире растет настолько быстро, что система круговорота углерода на планете не успевает стабилизироваться за время биосферного цикла.
Следствия такой дестабилизации очевидны. Если ситуацию не изменить, то с одной стороны, будет увеличиваться содержание СО2 и других парниковых газов в атмосфере, а с другой — снижаться нефтегазовый потенциал недр добывающих регионов мира, что ведет к резкому удорожанию УВ сырья.
Можно предложить стратегический комплекс мер, который позволит замедлить эти негативные процессы. Он заключается в возможности разработки месторождений как пополняемых источников УВ, и тем самым более эффективно использовать нефтегазовый потенциал недр.
Стратегия предполагает: 1) введение в эксплуатацию (для местных нужд) мелких месторождений, считающихся сегодня нерентабельными; 2) снижение темпов извлечения УВ из залежей до уровня их естественного пополнения и 3) продуманную логистику, при которой основная часть УВ потребляется в пределах того же гидрогеологического бассейна, где они добываются.
Главный вывод новой науки, о которой я постарался доступно рассказать, состоит в том, что нефть и газ — это неуничтожимые полезные ископаемые нашей планеты. Поэтому к естественным месторождениям УВ следует относиться так, как мы относимся к колодцам для отбора воды. Если воду из колодца извлекать очень интенсивно, то воды в нем может и не оказаться. Однако колодец не уничтожают, а ждут, когда он вновь заполнится водой.
То же самое происходит с заполнением месторождений нефтью и газом, только за более длительное время, исчисляемое первыми десятками лет.
* * *
Литература
Баренбаум А.А. Механизм формирования скоплений нефти и газа // Доклады АН. 2004. Т. 399. №6. С. 802−805.
Баренбаум А.А. Галактоцентрическая парадигма в геологии и астрономии. М.: «ЛИБРОКОМ». 2010. 544 с.
Баренбаум А. А. Как будем выполнять указание Президента // Газета: Российские недра №5(149)
Баренбаум А.А. Научная революция в проблеме происхождения нефти и газа. Новая нефтегазовая парадигма // Георесурсы. № 4(59). 2014. С.9−15.
Баренбаум А.А. Современное нефтегазообразование как следствие круговорота углерода в биосфере // Георесурсы. 2015. № 1(60). С. 46−53.
Баренбаум А.А. К вопросу нисходящей фильтрации воды в нефтегазоносных осадочных бассейнах // Электронный научный журнал «Георесурсы. Геоэнергетика. Геополитика» Вып.(2)12. 30.12.2015.
Баренбаум А.А. О происхождении и возрасте нефти и газа // Актуальные проблемы нефти и газа. Эл. журнал. www.oilgasjournal. 2016. Вып. 3(15)
Баренбаум А.А. О возрасте нефти в залежах // Георесурсы. 2017. Т.19. №1. С.30−37. DOI:10.18 599/grs.19.1.1
Баренбаум А.А. Об участии в нефтегазообразовании подземных вод // Новые идеи в геологии нефти и газа — 2017: сборник научных трудов (по материалам Международной научно-практической конференции, МГУ 25−26 мая. 2017), М.: Изд-во «Перо». 2017, С. 35−39.
Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружение. М.: Наука. 2001. 376 с.
Войтов Г.И. Химизм и масштабы современного потока природных газов в различных геоструктурных зонах Земли // Журнал Всес. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. 1986. Т.31. №5. С.533−539.
Галимов Э.М. О новой химической модели процесса нефтегазообразования // Кн.: Природа органического вещества современных и ископаемых осадков. М.: Наука. 1973. С.207−227.
Дмитриевский А.Н. Полигенез нефти и газа // Доклады АН. 2008. Т.419. №3. С.373 — 377.
Закиров С.Н., Закиров Э.С., Баренбаум А.А., Климов Д.С., Лысенко А.Д., Серебряков В.А. Геосинтез в проблеме происхождения нефти и газа // Передовые технологии разработки, повышения нефтеотдачи месторождений и исследования скважин (отечественный и мировой опыт): Труды VIII Международного технологического симпозиума. М.: Институт нефтегазового бизнеса. 2013. С. 43−46.
Зыкин Н.Н. Попутные воды нефтегазоконденсатных месторождений как нетрадиционное сырье для газохимического производства // Газовая промышленность. Спец. выпуск. Нетрадиционные ресурсы нефти и газа. 2012. С.38−42.
Кондратьев К.Я., Крапивин В.Ф. Моделирование глобального круговорота углерода. М.: Физматлит. 2004. 336 с.
Ларин В.Н., Ларин Н.В. Обнаружена дегазация водорода в центральных районах Русской платформы.
Молчанов В.И. Опыты по синтезу углеводородов при тонком измельчении минеральных веществ в воде // Доклады АН. 1967. Т.174. №5. С.1185−1187.
Молчанов В.И., Гонцов А.А. Моделирование нефтегазообразования. Новосибирск: ОИГГМ, 1992. 246 с.
Муслимов Р.Х., Глумов Н.Ф., Плотникова И.Н., Трофимов В.А., Нургалиев Д.К. Нефтегазовые месторождения — саморазвивающиеся и постоянно возобновляемые объекты // Геология нефти и газа. Спец. выпуск. 2004. С.43−49.
Семенов Н.Н. Основные проблемы химической кинетики. М.: Изд-во АН СССР, 1959.
Соколов Б.А., Гусева А.Н. О возможности быстрой современной генерации нефти и газа // Вестник МГУ. Сер. геол. 1993. №3. С.48−56.
Сывороткин В.Л.Глубинная дегазация Земли и глобальные катастрофы.М.:Геоинформцентр.2002.250с.
Уолтер Дж., Вуд Б. (ред.) Взаимодействие флюид-порода при метаморфизме. М.: Мир. 1989. 248 с.
Ферронский В.И., Поляков В.А. Изотопия гидросферы Земли. М.: Научный мир. 2009. 632 с.
Черский Н.В., Царев В.П. Механизмы синтеза углеводородов из неорганических соединений в верхних горизонтах земной коры // Доклады АН. 1984. Т.279. №3. С. 730−735.
Черский Н.В., Царев В.П., Сороко Т.И., Кузнецов О.Л. Влияние тектоно-сейсмических процессов на образование и накопление углеводородов. Новосибирск: Наука. 1985, 224 с.
Черский Н.В., Мельников В.П., Царев В.П. Явление генерации углеводородов из предельно окисленных соединений углерода и воды // Доклады АН. 1986. Т.288. №1. С.201−204.
Barenbaum A.A., Klimov D.S. Experimental measurement speed destruction of carbonated water at geosynthesis // Experiment in Geosciences 2015. Vol. 21, №1, Р. 62−65.
Barenbaum A.A., Zakirov S.N., Zakirov E.S., Serebryakov V.A. Method of hydrocarbon and hydrogen production from water and carbon dioxide. Patent US. №.20,120,315,215 13/12/2012.
Barenbaum A.A., Zakirov S.N., Zakirov E.S., Klimov D.S., Serebryakov V.A., Physical and Chemical Processes During the Carbonated Water Flooding in the Oilfields // SPE Russian Petroleum Technology Conference, 26−28 October 2015, Moscow, Russia. SPE-176 729-MS.