Нефть откуда берется в природе. Нефть: условия залегания в природе и происхождение. Выводы и прогнозы

На счет образования нефти и угля обычно мало кто сомневается - это органические останки древних растений и животных преобразовавшиеся под воздействием давления недр и при недостатке кислорода. Поэтому уголь и нефть справедливо относят к невозобновляемым ресурсам и регулярно пресса нас попугивает весьма коротким промежутком времени, оставшемся до их полного исчерпания. В угле этому находят неоспоримые подтверждения - следы древних животных организмов и растений. Но с нефтью, оказывается, все далеко не так однозначно. Существует еще, как минимум, две теории имеющие под собой достаточно серьезную научную основу.

Подтверждением классической теории образования нефти служит опыт немецких ученых Г.Гефера и К.Энглера поставленный ими в 1888 году. Они осуществили перегонку рыбьего жира при температуре 400 С и давлении около 1 МПа. При этом им удалось получить предельные углеводороды, парафин, смазочные масла, с высоким содержанием алкенов, нафтенов и аренов. Позже академик Н.Д. Зелинский проводил похожий опыт, но исходным материалом был выбран органический ил образованный из водорослей. Ему удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан…

Казалось бы, все с этим процессом встало на свои места. Миллионы лет назад отложившиеся останки попавшие на большие глубины (как?) под действием давления и температур преобразовались в нефть-газ-уголь. Скоро (через 50 лет) мы их все извлечем, и придется подождать еще несколько миллионов лет до возобновления запасов. Не тут-то было. Факты свидетельствуют о том, что процессы образования нефти и газа продолжаются и гораздо более высокими темпами, чем это возможно по классической теории.

Об фактах продолжающегося образования нефти и газа свидетельствуют длительные сроки эксплуатации месторождений, достигающие ста и более лет, и суммарные объемы накопленной добычи, многократно превышающие первоначально планируемые. Уровень добычи на месторождениях на поздних ее этапах сначала снижается до 10-20% от максимального уровня добычи, а затем стабилизируется. Например, Шебелинское месторождение эксплуатируется уже более 50 лет, при этом его ресурсы не иссякают. Начальные запасы газа месторождения неоднократно уточнялись в сторону увеличения. В настоящее время они в 2 раза выше чем первоначально утвержденные. В Татарстане также установлено явное несоответствие нефтяных ресурсов и объемов добычи нефти. Сейчас уже извлечено более 3 млрд. т. нефти, в то время как оценка их нефтематеринского материала для всей осадочной толщи составляет всего 709 млн. т. И это не единичные случаи.

Теория первая. Карбидная или биогенная.

В 1866 году французский химик М.Бертло предположид, что нефть образовалась (и образуется) в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей теории он провел несколько экспериментов, и ему удалось искусственно синтезировать углеводороды из неорганических веществ.

Десять лет спустя, 15 октября 1876 года, на заседании Русского химического общества Д.И.Менделеев изложил свою гипотезу образования нефти. Великий химик считал, что во время процессов горообразования по трещинам-разломам, рассекающим земную кору, вглубь поступает вода. Просачиваясь в недра, она в конце концов встречается с карбидами железа и под воздействием высоких температур и давления вступает в химическую реакцию. В результате этой реакции образуются оксиды железа и углеводороды. Образующиеся вещества по разломам коры поднимаются в верхние ее слои и насыщают пористые породы. В результате образуются газовые и нефтяные месторождения.

Менделеев ссылается при этом на опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов путем воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода.

В то время идеи «чистого химика» Менделеева не имели успеха у геологов, которые сочли опыты, проведенные в лаборатории отличными от процессов, происходящих в природе. Однако карбидная или, как ее еще называют, а биогенная теория о происхождении нефти получила доказательства из неожиданного источника – от астрофизиков. Изучение спектров небесных тел показало, что в атмосфере Юпитера и некоторых других планет, как и в газовых оболочках комет присутствуют углеводороды. Ну, а раз соединения углерода с водородом распространены в космосе, значит процессы синтеза органических веществ из неорганики в природе имеют место быть!

Теория вторая. Круговорот углерода в природе.

Группой ученых из Института проблем нефти и газа РАН (ИПНГ РАН) под руководством доктора геолого-минералогических наук Азария Баренбаума была разработана еще одна теория происхождения нефти и газа. Согласно их концепции, залежи углеводородов могут возникать не за миллионы лет, а за десятилетия. При этом одновременно подвергается сомнению теория парникового эффекта, поскольку основным тезисом утверждается, что уровень двуокиси углерода в атмосфере может саморегулироваться, а значит неуправляемого накопления углекислоты в атмосфере не происходит.

Теория российских ученых предполагает, что нефтегазообразование – это процесс не столько геологический, сколько климатический. Он связан с круговоротом воды и углерода на Земле. Поступающий с дождевыми водами углерод, захваченный из атмосферы в форме гидрокарбоната в условиях земной коры восстанавливается до углеводородов, из которых уже в геологических структурах-ловушках формируются нефтегазовые скопления. По оценкам российских ученых до 90% нефтегазовых скоплений на глубинам от 1 до 10 километров появляются благодаря описанной им теории, и только 10% запасов формируются из органических остатков, как это предполагалось классической теорией.

И еще один важный вывод российских ученых-геологов заключается в том, что благодаря активному участию в образовании нефти и газа климатического круговорота, пополнение залежей ископаемых углеводородов происходит не за многие сотни тысяч и миллионы лет, а всего лишь за несколько десятилетий. А второй вывод заключается в том, что умеренное извлечение нефти и газа из залежей не должно сильно влиять на потенциальную нефтегазоносность региона. Но это верно при условии, что углеводороды будут потребляться в пределах того же региона, что и их добыча. То есть тепловые электростанции, работающие на углеводородах, компенсируют добычу нефти и газа ее образованием.

Цена на нефть зависит не только от ее запасов и политики, но и от популярности той или иной теории ее происхождения. Новые открытия позволяют предположить, что слухи об истощении нефтяных резервов сильно преувеличены.

Прогнозы изменения цен на нефть колеблются в очень широких пределах. Одни предсказывают их стабильный рост, другие – не менее устойчивое падение. Причина такого разнобоя во многом связана с тем, что до сих пор нет общепринятого понимания, как нефть образуется, а значит, мы не знаем, есть ли вообще дно у нефтяной бочки. Последние открытия позволяют предположить, что нефть будет с человеком всегда.

Сделать такой оптимистический вывод позволяют открытия канадских и российских ученых: вполне возможно, нефть обязана своим возникновением подземному океану. Речь идет не о привычных нам залежах минеральных вод, а о всепланетной грандиозной оболочке, в которой циркулирует перегретая вода и пар. Именно существование такой оболочки объясняет и движение тектонических плит, извержение вулканов и... появление нефти.

Вода в алмазе

Недавно стало известно о результатах исследования одного бразильского алмаза, который был найден еще в 2008 году близ города Жуина в Бразилии. Внутри этого невзрачного камня были найдены включения минералов. Ученые, в отличие от торговцев бриллиантами, очень любят такие камни – включения содержат уникальную информацию о процессе формирования алмазов. И вот в бразильском камне нашли следы рингвудита, крайне редкого минерала, который встречается в метеоритах (его также удалось синтезировать в лабораторных условиях). Рингвудит – родственник широко распространенного на земле оливина, но для создания рингвудита нужна вода. И не просто вода – а вода при высокой температуре и давлении.

Современная наука может только по косвенным признакам судить о том, что происходит на больших глубинах. Самая глубокая в мире скважина, пробуренная на Кольском полуострове России, лишь немного глубже отметки 12 км от поверхности земли. Находки вроде алмаза из Жуина позволяют заглянуть гораздо глубже. Алмазы образовались во время гигантских вулканических взрывов, в эпоху молодости нашей планеты, и кимберлитовые трубки, в которых алмазы залегают, – это следы тех катаклизмов. Пузырьки в алмазах – это контейнеры из прошлого, из больших глубин.

Обнаружение рингвудита подтвердило гипотезу, что на больших глубинах, под земной корой, есть вода, и ее больше, чем во всех океанах Земли. Но в алмазах находили не только рингвудит: российские ученые из Института геологии и минералогии Сибирского отделения РАН обнаружили в них следы нефти. Эти две столь разные находки возвращают нас к одному бесконечному геологическому спору.

Из чего получается нефть?

Этот вопрос возник еще в XIX веке, когда появились две конкурирующие теории: биогенного и абиогенного генезиса нефти. Согласно биогенной теории, нефть – это продукт останков древних биологических организмов, животных и растений. Абиогенная теория предполагает, что это результат химических реакций в недрах Земли.

С точки зрения биогенной теории процесс превращения биомассы в нефть продолжался миллионы лет. Микроскопические капельки нефти попадали в особые высокопроницаемые пласты и образовывали в них скопления. Этим объясняется, что подавляющее большинство месторождений нефти сосредоточено в осадочных горных породах, что нефть распространена очень широко, ну и химический состав нефти имеет много общего с химией живых организмов. Согласно этой теории происхождения нефти, ее поиски следует производить в осадочных породах и ее залежи конечны.

Абиогенная теория утверждает, что природа нефти – в химических процессах, связанных с постоянным выделением из недр планеты различных газов. Это пары воды, углекислый газ, сероводород, азот, водород и ряд других. Активным сторонником этой теории был Дмитрий Менделеев, который считал, что процесс происходит непрерывно, по всей планете, но только в отдельных местах возникали условия для накопления паров нефти и их консервации. В их пользу играют находки нефти в кристаллах и магматических породах и высокое содержание металлов в нефти. Эти наблюдения крайне трудно объяснить с биогенной точки зрения.

Включения нефти в кристаллы кварца – один из доводов сторонников абиогенного происхождения нефти

Практический вывод из абиогенной теории: перспективными для поиска нефти могут быть любые трещиноватые породы – даже кристаллические. Кроме этого, можно быть уверенными, что нефть не иссякнет совсем: она постоянно генерируется в недрах планеты, хотя и в количестве, много меньшем, чем мы потребляем.

Есть ли компромисс?

Даже между западниками и евразийцами в России больше общего, чем между сторонниками биогенной и абиогенной теории происхождения нефти. Научный спор превратился в религиозный диспут. При этом до самого последнего времени все практические действия по разработке нефтяных месторождений базировались только на постулатах одной из теорий, биогенной. Но сегодня растет запрос на более универсальную концепцию, которая могла бы полнее объяснить, что происходит в земной коре. И вот здесь самое время вспомнить одну теорию, которая сейчас переживает второе рождение, – о подземных океанах, точнее, о дренажной оболочке внутри Земли.

В свое время не одного геолога поставил в тупик простой арифметический подсчет. Мы знаем объем суши, возвышающейся над уровнем моря, – это примерно 130 млн куб. км. Мы также знаем примерное количество твердых частиц, смываемых в океаны всеми реками мира за год, – около 22 млрд тонн, что-то около 10 куб. км. Поскольку эрозия земной поверхности идет постоянно, примерно за 13 млн лет планета должна была бы стать плоской, едва возвышающейся над уровнем океана. Но Земля не смылась в море даже там, где уже миллиарды лет нет активного горообразования. Из этого был сделан вывод, что материки постоянно растут (что, кстати, подтверждается геодезическими наблюдениями). Что-то их заставляет всплывать из мантии.

В конце 60-х годов ХХ века Степан Григорьев выступил с теорией о том, что в глубинах планеты идет постоянная циркуляция перегретой воды. Чистая вода при 374°С при любом давлении переходит в пар. А вот для рассолов эта критическая точка значительно выше – например, для пятипроцентного раствора солей она равна уже 410°С. По мнению Григорьева, водные растворы под действием силы тяжести уходят в глубь планеты, где, испаряясь, движутся вновь вверх. Этот круговорот воды захватывает различные химические соединения. Вверх пары воды несут кремниевую кислоту, вниз – соединения магния, железа и кальция. Так кора становится легче, материки всплывают над мантией, затем новые породы мантии оказываются в зоне действия «дренажного слоя», и процесс продолжается.

Теория Григорьева долгое время вызывала иронию, главным образом потому, что никакая водопроницаемость в больших глубинах Земли не считалась возможной – слишком уж большие давления на глубине. Однако открытия Кольской сверхглубокой скважины заставили по-иному взглянуть на наши представления о природе недр. В частности, на глубине ниже 9 км скважина вскрыла высокопористые горные породы, насыщенные горячими рассолами. Температура там подбиралась уже к 200°С.

Новая теория

Таковы возможные кирпичики новой универсальной теории образования и накопления нефти: она может образовываться и из органического, и из неорганического исходного материала. А может вообще происходить сложный, многоступенчатый процесс. Например, сибирские ученые смогли синтезировать тяжелые углеводороды из смеси мрамора, воды и металлов при температуре 1500 градусов и давлении 50 тысяч атмосфер. Хотя не стоит забывать, что мрамор – это метаморфизованная осадочная порода, сформированная из останков скелетиков древних организмов.

Органические осадки, которые откладываются на дне океана, вместе с водой уходят в зонах субдукции под материки, где включается процесс постоянной водной циркуляции, о чем писал Григорьев. Как замечает канадец Грэм Пирсон, работающий в Альбертском университете Эдмонтона, это не те океаны, по которым можно плавать; но именно там в результате высокотемпературных реакций под большим давлением из оливина в присутствии воды сформировался рингвудит, который потом в результате извержения вулкана оказался в алмазной оболочке.

Дренажная оболочка, движение плит, новые открытия в области синтеза позволяют предположить, что нефть производится в недрах планеты постоянно и затем выносится в верхние слои земной коры, где и накапливается в течение сотен тысяч лет. Это напоминает ванну, в которую течет струя воды. Мы можем достаточно быстро вычерпать ванну, но вода потом опять набежит. Это, кстати, часто наблюдается на заброшенных месторождениях. Вопрос – в сроках. Однако, если внять точке зрения Менделеева, что топить печки нефтью – все равно что топить их ассигнациями и что лучше оставить нефть лишь для нужд нефтехимии, то может статься, что ее нам хватит на многие и многие тысячелетия. А новые подходы к поиску нефти могут обогатить нас новыми месторождениями даже в тех регионах Земли, где ранее мы и не ожидали их встретить.

Существуют две теории образования нефти, которые сегодня находят своих сторонников и противников среди ученых. Первая теория называется биогенной. Согласно ей, нефть образовывается из органических остатков растений и животных в течение миллионов лет. Впервые ее выдвинул выдающийся русский ученый М.В. Ломоносов.

Темп развития человеческой цивилизации сильно опережает темп образования нефти, поэтому ее можно отнести к природным ресурсам. Биогенная теория подразумевает, что нефть в скором будущем закончится. По прогнозам некоторых ученых, добывать «черное золото» человечество сможет еще не более 30 лет.

Другая теория более оптимистична и дает надежду крупным нефтяным компаниям. Она называется абиогенной. Ее основоположником стал Д.И. Менделеев. Во время одного из своих визитов в Баку он встретил знаменитого геолога Германа Абиха, который поделился c великим химиком своими мыслями насчет образования нефти.

Абиха заметил, что все крупные месторождения нефти находятся в непосредственной близости к трещинам и разломам в земной коре. Менделеев принял к сведению эту интересную информацию и создал свою теорию образования нефти. Согласно ей, поверхностные воды, проникающие через трещины вглубь земной коры, вступают в реакцию с металлами и их карбидами. В результате такой реакции образуются углеводороды, которые постепенно поднимаются по тем же трещинам в земной коре. Постепенно в толще земной коры появляется месторождение нефти. Этот процесс занимает менее 10 лет. Эта теория позволяет ученым утверждать, что запасов нефти хватит еще на долгие столетия.

Запасы нефти в месторождениях будут пополняться, если человек будет время от времени прекращать добычу. Сделать это в условиях постоянно растущего населения практически невозможно. Единственная надежда остается на неизведанные месторождения.

Сегодня ученые приводят все новые доказательства истинности абиогенной теории. Знаменитый ученый из Москвы показал, что при нагреве до 400 градусов любого углеводорода, в котором есть полинафтеновая составляющая, выделяется чистая нефть.

Искусственная нефть

В лабораторных условиях может быть получена искусственная нефть. Об этом было известно еще в прошлом веке. Почему же люди ищут нефть глубоко под землей, а не синтезируют ее? Все дело в огромной рыночной стоимости искусственной нефти. Производить ее очень невыгодно.

Тот факт, что нефть можно получить в лаборатории, подтверждает абиогенную теорию образования нефти, у которой в последнее время появилось много сторонников в разных странах.

Существуют в основном две теории происхождения нефти и газа - органическая (осадочно-миграционная) и неорганическая (абиогенная). Следует сразу отметить, что подавляющее большинство ученых и геологов-нефтяников, которые практически осуществляют поиски нефти и газа, стоят на позициях теории органического происхождения нефти. Однако отдельные ученые нашей страны отстаивают положения абиогенного генезиса нефти.

Основа теории неорганического происхождения нефти и газа была заложена в 1877 г. великим русским ученым Д. И. Менделеевым.

Д. И. Менделеев полагал, что углеводороды образуются глубоко в недрах Земли при взаимодействии карбидов тяжелых металлов с водой, поступающей с поверхности по разломам. Затем под давлением перегретого пара смесь этих углеводородов поднимается по тем же разломам в верхнюю часть земной коры. Здесь господствуют пониженные давления и значительно меньшие температуры, поэтому газообразные углеводороды конденсируются и образуют скопления.

Наиболее веские возражения против карбидной теории Д. И. Менделеева высказал И. М. Губкин. Во-первых, в земной коре отсутствуют разломы, проникающие в мантию и даже ядро на глубину 2900 км; во-вторых, не доказано, что в глубинных породах содержатся карбиды металлов.

Против неорганического происхождения углеводородов свидетельствуют также биологические и химические факторы. Таких аргументированных возражений много.

Н. Б. Вассоевич приводит веский довод в пользу биологического происхождения соединений углерода, содержащихся в древнейших породах. Он указывает, что в природе существуют два изотопа углерода - 12 С и 13 С, причем в живых организмах изотопа 13 С меньше, чем в минералах. Дефицит изотопа 13 С в нефти однозначно решает вопрос о ее связи с живой природой.

А. И. Кравцов полагает, что нефть могла образоваться из метана, но сам метан возник в результате не распада органического вещества животного происхождения, а синтеза из водорода и окиси или двуокиси углерода, поступающих из подкоровых глубин Земли по глубинным разломам, которые прослеживаются до мантии. Далее А. И. Кравцов приводит данные о том, что в течение всей истории Земли вулканическая активность в среднем равнялась современной, и дает следующий пример. За 83 млн. лет на поверхность только на Курильских островах было вынесено 9,0*10 19 т Н 2 , 2,7*10 11 т СО, 2,7*10 11 т СН 4 , 9,0*10 14 т СО 2 . Затем он высказывает положение, что молекулы метана способны полимеризоваться в тяжелые углеводороды при каталитическом действии силикатов, а также окислов железа и никеля, содержащихся в горных породах. По предположению этого же ученого, большая часть первоначальных скоплений углеводородов представлена главным образом метаном и его легкими гомологами - "сухим газом", постепенно переходящим в конденсат, состоящий из "жидкого газа"; последний затем превращается в легкие бензиновые нефти, которые в дальнейшем, при соответствующих термодинамических условиях, становятся все тяжелее и тяжелее, пока не превратятся в битумы. Отсюда делается вывод о том, что газовые и нефтяные регионы следует связывать не с осадочными бассейнами, а с зонами глубинных разломов, проникающих в мантию и способствующих выделению из нее газов.

Таковы современные представления одного из сторонников неорганического (абиогенного) происхождения нефти и газа.

Теория органического происхождения нефти успешно развивалась И. М. Губкиным. Согласно его воззрениям, исходным материалом для образования нефти являются жиры, воск и другие соединения, а углей - лигнин, клетчатка и др. В окислительной обстановке (при доступе кислорода) органическое вещество преобразуется в угли, а в восстановительной обстановке - в нефтяные углеводороды.

В последние годы проблемой происхождения нефти успешно занимаются многие ученые. Особый интерес представляет теория Н. Б. Вассоевича об осадочно-миграционном ее образовании. По мнению автора этой теории, нефть образуется в осадочных породах в виде равномерно рассеянного битуминозного вещества, которое именуется им микронефтью, из планктона, содержащего жировые вещества. Общее содержание рассеянных углеводородов в континентальном секторе стратисферы составляет примерно (70÷80) 10 12 м. В дальнейшем по мере увеличения глубины залегания материнских осадочных толщ происходит "созревание" микронефти. Основными факторами, стимулирующими этот процесс, являются температура, время ее воздействия и давление. Главная фаза нефтеобразования характеризуется температурным диапазоном 60-150°С и давлением от 15 до 45 МПа. Такие условия обычно наблюдаются на глубине 1500-5000 м. В период главной фазы не только образуются жидкие углеводороды, но и создаются условия их эмиграции из нефтематеринских пород.

По И. О. Броду и Н. Б. Вассоевичу, нефтегазоносные области представляют собой депрессии в земной коре, которые принято называть осадочно-породными бассейнами. Эти бассейны формировались в течение миллионов и десятков миллионов лет. Н. Б. Вассоевич и другие ученые указывают, что площади таких впадин достигают многих тысяч и даже сотен тысяч квадратных километров, а объемы заполняющих их пород составляют от n10 3 до n10 6 км 3 . Вот такие бассейны и являются родиной нефти.

Попутно с нефтеобразованием происходит процесс генерации углеводородных газов.

Разведочные работы, осуществляемые в осадочных бассейнах на материках, ежегодно обеспечивают прирост запасов нефти и газа. Нефть и газ таятся на дне морей, в осадочных бассейнах, развитых почти повсеместно в зоне шельфа (и континентального склона) вокруг материков.

Подводя итоги обсуждения вопроса о происхождении нефти и газа, следует подчеркнуть, что основным источником их образования является углеродистое вещество, захороненное в осадочных горных породах. В настоящее время по этому вопросу накоплен большой, убедительный и тщательно проверенный фактический и экспериментальный материал.

Таким образом, теория органического, или осадочно-миграционного, происхождения нефти и газа является наиболее приемлемой. При прогнозах нефтегазоносности недр и при осуществлении поисков нефти и газа геологи обычно руководствуются изложенной выше теорией.

Сегодня большинство ученых считает, что нефть имеет биогенное происхождение. Иначе говоря, нефть образовалась из продуктов распада мелких организмов животных и растений (планктона), живших миллионы лет назад. Старейшие месторождения нефти были образованы 600 млн. лет назад.

В то время большая часть Земли была покрыта водой. Живые организмы после смерти опускались на дно древних морей и заливов и покрывались илом, песком и слоями последующих отложений. Эти отложения постепенно уплотнялись, обезвоживались и опускались все ниже. При этом давление и температура в этих отложениях увеличивались. Под воздействием анаэробных бактерий (то есть бактерий, способных жить без доступа кислорода), из органического вещества стали образовываться углеводороды, собиравшиеся в маленькие маслянистые капельки. К сожалению, ученые пока не могут точно ответить на вопрос, какие именно процессы в органических отложениях привели к образованию нефти.

Важно понимать, что углеводороды не лежали под землей в виде озер нефти. Они были смешаны с водой и песком, которые постепенно просачивались сквозь пористые слои песчаников и известняков вместе с пузырьками газа. Часто смесь продвигалась сквозь породы под воздействием высокого давления. Нефть и газ просачивались в пустоты между частицами осадочных пород, как вода проходит в губку. Рано или поздно на пути нефти и газа попадался слой породы, сквозь который они не могли просочиться, - непроницаемой породы, не имевшей пор или трещин, - и таким образом, они оказывались в геологической "ловушке".

Пока шел процесс образования нефти, Земля тоже менялась. Происходили движения земной коры, разломы и соединения массивов. Эти процессы формировали различные типы нефтяных геологических "ловушек".

Мы знаем, что состав нефти, найденной в разных точках земного шара, сильно различается. Это объясняют разницей в реакциях, происходивших при образовании нефти или разными видами растений и животных, из организмов которых она формировалась.

Запасы нефти исчисляются сотнями миллиардов тонн, и распространена она повсеместно, на суше и на море. То, что лежало на поверхности, давно использовано, и теперь нефть добывают с глубин 2-4 и более километров. Но еще глубже ее еще больше, просто оттуда добывать ее пока экономически невыгодно, то есть дорого.

А знаете ли вы...

Первым догадку о происхождении нефти из органического вещества высказал русский ученый Михайло Васильевич Ломоносов в своем труде «О слоях земных» (1763)