Современное органическое вещество

Одним из путей познания природы и происхождения органического вещества в отложениях древних геологических эпох является изучение этого вещества, захороненного в современных осадках, исследование про­цессов его образования, распада и трансформации по мере погружения.

Первичными источниками ОВ в осадках могут быть животные или растения или и те, и другие. Часть этого материала переносится в области седиментации реками, волнами или течениями, часть остается на месте своего образования. Органическое вещество может состоять как из растительных или животных остатков, так и из продуктов жизнедеятельности организмов. Нефтегазоносные отложения в подавляющем большинстве случаев тесно связаны с осадками, образовавшимися в морской обстановке, в связи с чем приверженцы теорий органического происхождения нефти утверждают, что нефть и газ образуются в морских отложениях. Следовательно, наибольшее значение для нефтегазообразования имеет ОВ морей и океанов, частично принесенное в морской бассейн реками с континентов. Однако и эти наземные углеводороды, и органическое вещество в конце концов могут явиться источником нефти и газа.

Морские организмы [29], которые рассматриваются в качестве возможного исходного материала для нефти и газа, в основном подразделяются на 1) растительные, включая бактерии, водоросли и жгутиковые; 2) животные, включая различные группы фораминифер, радиолярий и других простейших, губки, кораллы, черви, брахиоподы, моллюски, ежи и, наконец, позвоночные.

Свардруп и др. [30] считают наиболее благоприятными условиями, обеспечивающими значительное накопление органического вещества в морской среде, следующие:

1) обильное поступление органического материала;

2) относительно быстрое накопление неорганического материала, в особенности тонкозернистого;

3) наименьший приток кислорода к водам, контактирующим с осадком.

Максимальное развитие такие условия получают в замкнутых бассейнах, заливах, лагунах и т.п., где существует застойная обстановка и практически исключается жизнь животных и растений [30].

По-видимому, основное значение как источника ОВ имеют мельчайшие и даже микроскопические плавающие растительные и животные организмы. Большая часть этих организмов обитает вблизи поверхности воды, куда проникает солнечный свет. Растительные плавающие организмы получили название фитопланктон (по-гречески «планктон» значит «странствующий, а животные - зоопланктон. Неподвижные, ползающие и роющие донные морские организмы называются бентоническими («бентос» по-гречески означает «глубокое море»).

Органическая жизнь в море началась, когда изобилие необходимых для питания неорганических элементов ‑ углерода, водорода, кислорода, фосфора, азота, железа и многих других рассеянных элементов ‑ вместе с солнечным светом сделали возможным возникновение растений. Многие из этих растений были очень мелкими или даже микроскопического размера и впоследствии послужили пищей для морских животных, тоже очень мелких, но все же более крупных, чем растения, которыми они питались. Эти крошечные животные в свою очередь стали пищей для более крупных животных. Отмирание растительных и животных организмов и их распад привели к частичному возвращению некоторых составляющих их элементов в морскую воду в виде различных химических соединений. Лишь незначительная часть органического вещества, находящегося на различных стадиях разложения, захороняется и сохраняется в отлагающихся осадках. Распад и разложение организмов происходят при участии бактерий, деятельность которых, видимо, является одним из основных средств превращения производных углеводородов с гетероэлементами в углеводороды нефтяного ряда. Многие, если не все, животные и растительные организмы в процессе своего жизненного цикла и сами вырабатывают УВ, как естественные продукты их жизнедеятельности [31].

Основная масса ОВ морей и океанов находится либо в растворенном, либо в коллоидальном состоянии. Остальная часть заключена в растениях и животных, главным образом в микроскопических или полумикроскопических организмах, находящихся во взвешенном состоянии или в виде свободно плавающего планктона в водах, пронизанных солнечным светом. Очень трудно количественно оценить объем органического вещества, образующегося в море, вследствие огромного числа различных факторов, влияющих на этот процесс. Некоторые наблюдения свидетельствуют о том, что образование планктона в морской воде идет со скоростью порядка нескольких сот граммов углерода на 1 м ³ воды в год [32]. Около 12 млн. т (80 000 000 баррелей) углеводородного материала ежегодно образуется в океанах благодаря фотосинтезу [33]. Даже самая малая часть этого количества углеводородов, захороненная в осадочных породах, способна полностью обеспечить нефтью и газом не только все известные продуктивные отложения, но и все те, которые мы сможем открыть в будущем.

Жизнедеятельность растений. Благодаря фотосинтезу морские растения способны создавать сложные органические вещества из неорганических соединений, растворенных в воде. Фотосинтез - это процесс поглощения хлорофиллом растительной ткани лучистой энергии солнца и производства углеродистых соединений из воды и углекислого газа. Реакция протекает по следующей формуле:

6СО₂ + 6Н₂О + энергия солнечного света → 6О₂ + С₆Н₁₂О₆.

Фотосинтез - эндотермическая реакция, т. е. реакция, идущая с поглощением тепла. Энергия солнечного света, заключенная в сложных органических продуктах этой реакции, становится источником энергии для жизни растений, а через эти растения - для жизни животных. Свободный кислород, образующийся при фотосинтезе, служит для дыхания как животных, так и растений моря. Углеводы, видимо частично, превращаются в углеводороды, если они захороняются в восстановительной, лишенной кислорода среде.

Глубина проникновения солнечного света определяет мощность слоя морской воды, в котором возмояша растительная жизнь и, следовательно, жизнь тех животных, для которых эти растения служат основной пищей. Эта глубина может быть различной в зависимости от степени замутненности воды. В чистой воде она составляет 75 м и больше. Подсчитано, что в прибрежных водах обитает по крайней мере в 50 раз больше растительных организмов, чем в водах открытого океана [34]. При этом наиболее обогащенными органическим веществом оказываются прибрежные воды, относительно удаленные от устьев рек.

Исходным материалом для нефти и газа, очевидно, являются главным образом морские водоросли [35]. Основную массу их составляют сине-зеленые водоросли, которые, кроме поглощения солнечного света для образования хлорофилла и других, еще неизученных веществ типа энзимов, ассимилируют также минеральные вещества, извлекая их из морской воды. Вследствие этого некоторые виды водорослей могут значительно различаться по своему химическому составу в зависимости от химического состава вод, в которых они произрастают. Водоросли, по-видимому, являются главным производителем карбоната кальция: один вид ‑ Halimeda ‑ образует арагонит, другой - Lithothamnium ‑ кальцит [36]. Оба эти вида водорослей особенно характерны для органогенных рифов.

Диатомовые водоросли, или диатомеи, представляют собой одноклеточные растения с кремнистой оболочкой. При отмирании эти водоросли образуют мощные толщи скоплений кремнистых оболочек, называемые диатомовой землей, и являются одной из важнейших водорослевых групп в общем органическом балансе моря. Некоторые геологи полагают, что именно диатомовые водоросли были основным поставщиком материнского материала для нефти [37]. Одним из важнейших продуктов жизнедеятельности диатомеи является растительное масло, капельки которого часто встречаются внутри их микроскопических панцирей [38]. Подсчитано, что от 5 до 50% объема диатомеи состоит из жировых (масляных) капелек [39], которые могут быть высвобождены из кремнистых панцирей при внедрении в илы пресной воды и последующем разрушении оболочки из-за возникновения разности давлений (осмотического давления) между наружной средой и внутренней полостью оболочки [40]. У колониальных водорослей Elaeophyton даже в стенках клеток содержатся огромные количества масла или маслоподобных веществ [41]. Это масло [жир] может рассматриваться в качестве среды, в которой хранится питательная энергия организмов, т.е. оно играет ту же роль, что и масла в семенах или орехах.

Обычно в морской воде наблюдается равновесие между разнообразными населяющими ее живыми организмами. Однако это равновесие не стабильно, оно постоянно изменяется в соответствии с изменениями морской обстановки - течений, волнения, прорывов родников, дождя, изменениями температуры и поступления питательных веществ. Время от времени, таким образом, условия становятся особенно благоприятными для развития какого-либо одного организма или группы организмов, которые начинают интенсивно размножаться и, следовательно, нарушают нормальный баланс. Такое резкое увеличение массы микроорганизмов называется цветением. Оно нередко распознается по изменению цвета воды, обычно окрашенной в голубые, красные или зеленые тона, а также по обилию организмов, выбрасываемых волнами на берег. Например, вдоль побережья Копалис-Бич в штате Вашингтон периодически в течение нескольких дней накапливаются огромные массы диатомовых водорослей Aulacondiscus [42].

Крупные «масляные пятна» образуются в августе и сентябре вдоль западного побережья Японии в результате массового размножения диатомеи Rhizoslenia. В сентябре - декабре эти же водоросли сплошным ковром покрывают Азовское море, придавая ему темно-коричневый цвет, гладкую поверхность и запах типичного болота. Одно из следствий цветения - распространение время от времени в морской воде отравляющих веществ, приводящее к гибели огромного количества рыбы. Мертвая рыба опускается на дно или выбрасывается волнами на берег [43]. Дважды в год цветение планктона в районе залива Уолфиш-Бей, западное побережье Африки, приводит к массовому отравлению рыбы ядовитым веществом, выделяемым этим планктоном. Отмирающая органическая ткань осаждается на дне, образуя в анаэробных условиях сапропель ¹ [44]. Студенистые скопления диатомеи, удерживающихся на поверхности благодаря многочисленным

¹От греческого слова «сапрос» - гнилой.

пузырькам кислорода - продуктам фотосинтеза, - образуют плавучие островки (mare sporco) в Адриатическом море. Плавающих масс иногда бывает столь много, что они рвут рыболовные сети [45].

Таким образом, в морских водорослях и современном явлении их цветения скрыт тот механизм, посредством которого накапливаются огромные количества вещества, обогащенного углеродом и водородом, в том числе и нефтяными УВ. Хотя нельзя еще точно решить, что именно является основным поставщиком исходного материала для нефти - сами водоросли или продукты их цветения, - несомненно, что мы имеем дело с одним из наиболее вероятных и широко распространенных потенциально нефтематеринских материалов из всех, какие нам известны в настоящее время.

Жизнедеятельность животных. Частично в результате опытов Энглера по перегонке жира американской сельди¹, но главным образом вследствие известной связи нефти и газа с отложениями, содержащими ископаемые организмы, последние, в особенности микроорганизмы, уже давно рассматривались в качестве возможного источника нефти. Приуроченность залежей нефти к известнякам, глинистым сланцам или песчаникам, обогащенным ископаемыми остатками, позволяет предполагать, что по крайней мере какая-то доля мягких частей животных организмов после своего разложения и изменения превратилась в нефть и газ, а скелеты этих организмов сохранились в виде окаменелых остатков. В пользу этого предположения говорят как сами окаменелости, нередко заполненные нефтью или нефте-подобными жидкостями [46], так и присутствие УВ почти во всех живых организмах (см. также стр. 476 и 477: органическое вещество неморского происхождения. - А.Ф.). Животное население современных морей обильно и многообразно, поэтому УВ и растворимое ОВ, производимые только современным животным миром моря, вполне достаточны для обеспечения всего исходного органического материала для нефти и газа.

Сортирующая и транспортирующая деятельность волн и течений может привести к образованию огромных скоплений панцирей и скелетов очень далеко от мест обитания самих животных. Следовательно, порода, состоящая в основном из окаменелых скелетов и панцирей, вовсе не должна быть источником ОВ, как можно было бы предполагать вначале, поскольку эти скелеты и оболочки могли накопиться значительно позже того, как разложилась живая ткань. Масса незащищенной протоплазмы, в силу каких-то причин удаленной из панцирей, плавает повсюду в современных морях, так что большая часть этих панцирей, сохранившихся в породах, по-видимому, уже была пустой ко времени их отложения [47].

Силлиман [48] в своей очень интересной статье, опубликованной в 1846 г., показал, что органическое вещество современных известковых кораллов составляет от 4 до 8% их общей массы. Он отметил также, что при разложении кораллов должны образовываться жирные воскоподобные остатки, растворимые в эфире, но нерастворимые в спирте. Позднее Кларк и Уилер [49] подтвердили это наблюдение, показав, что содержание ОВ в оболочках морских организмов варьирует в пределах 2-10% для всех беспозвоночных. В оболочках многих редко встречающихся беспозвоночных содержится до 40-45% ОВ. Бергман и Лестер [50] изучили химический состав этого вещества и установили, что оно содержит стеролы, цетиловый спирт, углеводороды с низкой точкой кипения и небольшое количество кетонов. Выход растворимых в эфире восков составил 0,3-0,5% по весу от общей массы коралла или около 10% веса ОВ. Органический материал глубоко пронизывает всю структуру коралла. Таким образом, рифовые постройки представляют собой огромные хранилища потенциального материнского вещества для нефти и газа.

¹Рыба, водящаяся в водах вдоль Атлантического побережья США и используемая для производства рыбьего жира и удобрений.