книги / Нефтегазовое дело. Полный курс
.pdfВ почве имеется значительное количество неживого органического вещества: разлож ивш иеся растительны е остатки — 200 млрд т, скоп ления торфа — 500 млрд т и почвенный гумус. П римерно за 1000 л ет в почве за счет отмираю щ их продуктов ф отосинтеза и образования гу мусовых веществ связы вается масса углерода, соизмерим ая с массой этого элемента в атм осфере.
Главной формой нахож дения углерода в земной коре является Ск. Главным резервуаром углерода служ и т осадочная толщ а земной коры (стратисфера).
Карбонатообразование и ф отосинтез — это два генеральны х про цесса в глобальной деятельности живого вещ ества на протяж ении пос ледних 3 млрд лет. Соотнош ение С к и С явл яется важ ны м показате лем «лимита роста» живого вещ ества на разны х этапах геологической истории. Это соотнош ение закономерно уменьш алось на протяж ении последних полутора м и лли ард ов лет. В толщ е осадков п ротерозоя ( 1500—570 млн лет) отношение Ск :С равно 18, в осадочной толще палео зоя (570—400 млн лет) — 11, в осадках мезозоя (235— 66 млн лет) — 5,2, кайнозоя — 2,9. В озрастание органики во взвесях, выносимых рекам и с древней суши, свидетельствует о прогрессирую щ ем увеличении про дуктивности ф отосинтезирую щ их организмов и усилении роли расти тельности Мировой суш и в глобальной ф иксации углерода С 0 2.
В осадочных породах углерод п р и су тств у ет в виде карбонатов (до 80 %) и органического вещ ества (до 20 %) и находится как в рассеян ной форме, так и в концентрированной, вклю чая залеж и горючих по лезных ископаемых. В гидросф ере более 90 % углерода представлено в карбонатной форме, около 9 % — в виде растворенного органического вещества. Углерод найден в м етеоритах, обнаруж ен в кометах и в а т мосферах других планет в ф орм е СО., и в виде органических соедине ний CH, CN, CS., и более сложных.
3.2.ОСНОВНЫ Е ЦИКЛЫ УГЛЕРОДА НА ЗЕМ ЛЕ
3.2.1.О бщ ий гл о б ал ьн ы й ц и кл у г л е р о д а
Углеводороды, как и все горючие полезные ископаемые, яв ляются продуктом взаимодействия геосфер. Вся история их формирова ния и разруш ения является частью общего глобального цикла углерода. Углерод наиболее ярко отраж ает связь биосферы с глубинными частями
Земли. Н епрерывное поступление углерода в атм осф еру балансируется его непрерывным удалением Из атм осф еры в гидросферу и осадоЧНуЮ оболочку планеты. Углерод — один из элементов, образую щ их Нсивое вещ ество Земли. Х ранители углерода — ж и вая биомасса, гумус, Карбо натные осадочные породы, горючие полезные ископаемые и др.
На рис. 3.2 схематично представлена последовательная эволюция органического вещ ества (ОВ) хак в рассеянной, так и в концентриро ванной ф орм е от момента его возникновения в ж ивом вещ естве, захо ронения и преобразования в диагенезе, затем трансф орм ации в катаге незе до конечных продуктов преобразования ОВ — граф ита и метана.
МАЛЫЙ ЦИКЛ |
БОЛЬШОЙ ЦИКЛ |
(лн»~тыс. .чет) |
(мл» лет) |
Рис. 3.2. Малый и большой глобальные циклы органического углерода на Земле
М алый глобальный цикл продолжительностью от нескольких суток до нескольких ты сяч лет происходит в биосфере. Этот цикл ещ е называ ют биотическим круговоротом вещ ества, потому что он происходит при участии ж ивы х организмов: растений, ж ивотных, микроорганизмов.
Этот цикл явл яется поставщ иком углерода д л я большого глобаль ного ц и к л а п р о д о л ж и тел ьн о стью м ногие м и ллионы л е т (рис. 3.3). Н еотъемлемы м элементом этого цикла явл яется неф те- и газообразо вание. При условии длительного и устойчивого погруж ения осадочных пород углеводороды являю тся продуктом пром еж уточной стадии гло бального углеродного цикла.
Неф тегазообразование — это сл о ж н ая совокупность протека& знтк
внедрах процессов, ход которых в природе не м ож ет быть наблюдае мым. Видны лиш ь ф иксированны е результаты этих процессов, запе-
чатленные в некотором пространстве осадочных пород. Естественным пространством, в котором осущ ествляю тся процессы неф тегазогенерации. является н е ф т е газо м а те р и н с к а я с в и т а (НГМ -свита).
Солнечная энергия
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
Поступление ювенильной магмы
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
Тепловая энергия Темли
Рис. 3.3. Схема большого круговорота вещества в пределах геосфер
Хозяйственная деятельность человека ускоряет биотический кру говорот углерода. Техногенная углекислота составляет примерно 2 • Ю10 т, что намного меньш е природны х поступлений. Однако дальнейш ая ин тенсификация этой деятельности м ож ет сопровож даться повышением концентрации диоксида углерода в атм осф ере до опасного уровня 0,07 %, при котором резко ухудш аю тся условия ды хания человека и животных.
3.2.2. |
К руговорот в е щ е с т в а и э н е р г и и в б и о с ф е р е |
|
Из всех земны х процессов лиш ь единственный не расходу |
ет. а накапливает солнечную энергию . Это ф о т о с и н т е з , создаю щ ий органическое вещество. В запасании и связы вании солнечной энергии заключается основная планетарная ф ункция живого вещ ества. В аж ней шей особенностью биосферы явл яется сущ ествование потоков энергии
ивещества.
Вэкосистемах перенос вещ ества и энергии осущ ествляется посред ством трофических (пищевых) цепей, за счет чего все химические элемен-
ты, из которых построены организмы, многократно используются в био сфере. Сущность биотического круговорота заклю чается в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и превращ ении ОВ при разлож ении вновь в неорганические соединения. Ж ивое вещество рождается, изменяется и умирает, обеспечивая тем са мым биогеохимический (биотический) круговорот вещ ества и энергии.
В аж нейш им элементом биосф еры является биогеоценоз (экосисте ма), как целостное образование, в котором организмы и неорганические ф акторы вы ступаю т компонентами в устойчивом состоянии. В основе каждого биогеоценоза л еж ат автотроф ны е организмы или продуцен т ы — это растения, которы е в процессе ф отосинтеза создаю т органи ческие соединения из просты х неорганических соединений. К проду центам относятся зелены е растения, сине-зелены е водоросли и фотосинтезирую щ ие бактерии.
Д алее в экосистеме энергия по пищевой (трофической) цепи передается консумен- т а м — гетеротроф ам , которы е питаются продуцентами. О тмерш ие организмы и рас тения разлагаю тся ред уц ен там и на мине ральны е вещ ества, которые в дальнейшем используется растениями для питания. Схе ма биохимического круговорота вещества и энергии в экосистеме приведена на рис. 3.4.
Энергия и вещ ество в п ределах экосис тем ы п ер ед ается с одного трофического уровня на другой. П ищ евая цепь — путь однонаправленного потока энергии, погло щ енной в процессе ф отосинтеза, через жи вые организмы в окруж аю щ ую среду в виде тепловой энергии. С каждого трофического
уровня на следую щ ий уровень передается только небольш ая часть энер гии. П ри каж дом очередном переходе больш ая часть энергии (до 90 %) теряется, переходя в тепло. К ром е того, при переходе с уровня на уро вень часть органического вещ ества исклю чается из круговорота и ухо дит в геологический запас. В резул ьтате происходит накопление орга нических вещ еств в осадочных породах.
Общее количество солнечной энергии, ежегодно поступающей на Зем лю, составляет прим ерно 2 ■1024 Д ж , аккум ули руется растениями — 1,9 ■1021 Дж . Е ж егодно р а зл а г а е т с я ф отох и м и чески м путем около 130 м лрд т воды и вы деляется в окруж аю щ ую среду 115 млрд т кисло-
рода. В биотическом круговороте кроме углерода участвую т азот, крем ний. кальций, фосфор, сера и многие другие вещ ества.
За геологический период с момента появления ж и зн и на Зем ле уг лерод атмосферы, гидросф еры и литосф еры неоднократно прош ел че рез живые организмы. В течение примерно 4 лет растения усваиваю т столько углерода, сколько его содерж ится в атм осфере. С ледователь но, за это время обновляется углеродны й состав атмосферы . Ц икл обо рота углерода в почве длится около 400 лет. Однако биотический цикл углерода не замкнут: этот элем ент вы ходит из этого цикла и на дли тельное время переходит в больш ой глобальный цикл.
Принципиальная схема круговорота углерода в природе приведена на рис. 3.5. Углекислый газ из атм осф еры в процессе фотосинтеза пре вращается в органическое вещ ество растений. Органическое вещ ество в результате дыхания организмов, их разлож ения и других процессов пре образуется, вы деляется в атм осф еру, гидросферу и запасается в осад ках. Часть углерода на длительны й срок выходит из биотического круго ворота «в геологию» в виде торф а, сапропелей, гумуса. В водных систе мах огромное количество углерода консервируется в виде карбонатов.
I I Свет
V
Рис. 3.5. Схема круговорота углерода
3 .2.3. |
Ф о то с и н т е з как о с н о в н о й п р о ц е с с |
|
о б р а з о в а н и я о р га н и ч е с к о го в е щ е с тв а |
П ервоисточником энергии в природе является Солнце, но его
энергию могут усваивать только ф отосинтетики, а все остальны е орга низмы могут получать эту энергию лиш ь опосредованно.
К лю чевы е процессы, определяю щ ие разницу м еж ду ж ивой и неж и вой природой, происходят на клеточном уровне. Н епременны м услови ем ж изни является связь ж ивой клетки с окруж аю щ ей средой. Обмен вещ еств (метаболизм) — это ф ундам ентальное свойство ж ивы х орга низмов. Энергия не зарож д ается внутри самих клеток — она поступает извне. Реш аю щ ую роль в трансф орм ации и переносе энергии внутри растительной и ж ивой клетки играет движ ение электронов.
К л е т к а — основная единица ж и зн и , которая непреры вно работа ет для поддерж ан и я своей структуры , а потому н уж д ается в постоян ном притоке свободной энергии. Р астен и я и ж и вы е организм ы пред ставляю т собой незам кнуты е системы : к аж д ая ж и вая клетка непре ры вно пополняет свои энергетические запасы . В селенная наполнена энергией, но для растений и ж и вы х организмов подходят лиш ь немно гие ее виды. Основной источник энергии д л я больш инства биологичес ких процессов на наш ей планете — это солнечны й свет. Технологи чески эта задача р еш ается непросто, поскольку ж и вая клетка должна использовать энергию при довольно низкой тем п ературе в разбавлен ной водной среде.
В ходе эволюции сф орм ировались соверш енны е м олекулярны е ме ханизмы : КП Д клеточной энергетики намного вы ш е, чем у любых ин
женерны х устройств.
Фо т о с и н т е з — важ нейш ая составная часть ж изни растений. В от личие от ж ивотны х, которые использую т готовые органические веще ства, растения создаю т их сами, и спользуя просты е неорганические
соединения и солнечную энергию. И з м олекул СО., строятся углерод ные цепи углеводов и всех необходимых для ж изни органических ве ществ. И сточником водорода для этих соединений является вода. Со здание м олекул органических соединений из СО., и Н 90 соверш ается в слож нейш ем биологическом аппарате зеленого листа растений, назы ваемом аппаратом фотосинтеза.
В результате ф отосинтеза в зелены х ли стьях растений с помощью энергии света из углекислого газа и воды образую тся энергетически богатые углеводы и вы деляется кислород.
Суммарная схема реакции ф отосинтеза м ож ет быть представлена следующей формулой:
6 С 0 2 + 6 Н ,0 + h V —^ Сбн 120 (. + 6 0 2.
Эта реакция является обратной по отношению к реакции окисления глюкозы — источника энергии в клетках растений и животных. Д алее глюкоза используется в реакц и и полим еризации до целлю лозы как структурного элем ента растений, а такж е в реакции синтеза других органических соединений в клетках растений. Ф отосинтез не м ож ет проходить без наличия хлороф илла, который связы вает воедино час тицы неживой и живой природы с электромагнитным излучением и при этом сам не изм еняется в ходе фотохимического процесса.
Первичным восстановителем в ф отосинтезе является вода, которая в световой фазе ф отосинтеза разлагается в хлорофилл-белковом ком плексе, находящ емся в возбуж денном состоянии, до м олекулярного кислорода О., с образованием протонов 4Н + и электронов 4е:
2 Н .,0 -» 4 Н ’ + 0 ,Т +4е.
Вэтой же световой ф азе синтезируется А Т Ф (аденозинтриф осфат).
Втемповой фазе в присутствии А ТФ при участии ф ерм ентов из диоксида углерода и водорода образуется глюкоза:
Получившиеся в процессе фотосинтеза углеводы используются далее как исходный материал для синтеза других органических соединений.
Движение вещ ества через клетки и организмы легко изм еряется и определяется потребностью в пищ е, воде, воздухе и удалении отходов жизнедеятельности. Д виж ение энергии практически неощутимо. На клеточном уровне поток вещ ества и поток энергии согласованно взаи модействуют в сложной сети хим ических реакций, которая составляет клеточный обмен веществ.
Фото си н тети чееки й а п п а р а т — это сам онастраиваю щ аяся био логическая структура, возникаю щ ая в белково-липидны х мембранах зеленого листа в результате подстройки друг к другу всех участников фотосинтеза: молекул акцепторов (окислителей) и доноров (восстано вителей) электрона, ф ерм ентов, источников энергии (АТФ), а такж е за счет экранирования реакционны х центров.
Процесс запасания солнечной энергии растен иям и происходит на атомно-молекулярном уровне. В нем участвую т десятки видов молекул,
расположенных в строгом порядке и четко вы полняю щ их свои ф ун к ции. Наиболее важными составными частям и ф отосинтезирую щ его ап парата являются: светособираю щ ая антенна; ф отохим ический реакц и -
онный центр; цепь транспорта электронов; механизм сопряж ения транс порта с трансмембранным переносом протонов и синтезом АТФ .
В листьях зеленых растений все названные компоненты фотосин тезирующего аппарата строго упорядоченно расположены в мембранах особых внутриклеточных частиц — т илакоидов.
Процесс фотосинтеза начинается с того, что в молекулах пигмента квант света (фотон) возбуждает один из электронов. М олекулы пигмента работают не в одиночку: сотни таких частиц организованы в светособи рающие антенны. Фотон исчезает, а его энергия переводит электрон молекулы пигмента на более высокую орбиталь. Возбужденный элект рон приобретает восстановительную мощность (потенциал) около 1 В.
Возбужденный электрон передается по цепочке м олекул-трансф ор маторов, отдавая на каждом шагу часть своей энергии на работу по пе реносу протонов через мембрану. К ак только электрон доходит до мо лекулы-акцептора, он утрачивает оставшуюся часть неизрасходован ной полученной энергии, которая переходит в кол еб ан и я легких атомных групп белка-акцептора. Смещение расстояний, которое при этом происходит у колеблющихся ядер, составляет около 1 нм. Поте рявший энергию электрон возвращ ается к молекуле пигмента. Возбуж денный электрон живет всего 5 наносекунд (5 • 10~9 с). Если за это время его энергия не переходит дальше по цепи молекул-трансформаторов, она испускается в виде флуоресценции.
Энергия, добытая из внешнего источника, запасается в виде высо коэнергетических связей. В частности, часть энергии аккум улируется в форме мембранного потенциала, с помощью которого в результате ступенчатого окисления глюкозы образуется АТФ. В дальнейш ем АТФ, как посредник для передачи химической энергии, охотно отдает свои фосфатные группы либо молекулам воды, либо другим молекулам . Кроме того, энергия накапливается в молекулах ещ е одного энергоем кого вещества — NADPH — и используется для синтеза сахаров.
В клетках животных и растений непрерывно происходит образова ние АТФ как в темноте, так и в на свету, а такж е его гидролиз. Реакция гидролиза АТФ до аденозиндифосфата (АДФ) в клетках протекает как ферментативная экзотермическая реакция
АТФ + Н20 -> АДФ + Н3Р 0 4 +40 кД ж /м оль.
Эта реакция является главным источником энергии д л я протекания всех биохимических реакций, которые идут против градиента термо динамического потенциала. Развитие представлений в области энерге тики живых систем важно не только для понимания механизм а появ-
32 . Основные циклы углерода на Земле
ления месторождений углеводородов, но и понимания человеком свое го места во Вселенной.
Из приведенной реакции ф отосинтеза видно, что связы вание 1 г уг лерода в органическое вещ ество сопровождается выделением 2,7 г кис лорода в результате расщ епления молекул воды. За всю историю ф ото синтеза в осадочной оболочке Зем ли накоплено около 15 • 101Г) т органи ческого углерода (С ). Следовательно, за это ж е время при фотосинтезе выделилось 40 Ю 1Г>т кислорода. И з этого количества 1,2 ■1015 т кисло рода содержится в атм осф ере, а остальное количество израсходовано на процессы окисления. П родуктивность растительности Мировой суш и по выделению кислорода составляет 165 млрд т/год. Ф отосинтез в оке ане поставляет в атм осф еру кислорода до 130 млрд т/го д (при продук ции Сорг до 60 млрд т/год). Суммарное вы деление кислорода ф отосин тетиками суши и океана составляет около 300 *109 т/год.
В настоящее врем я в процессе ф отосинтеза растительностью на суше и ф отосинтетиками в океане на протяж ении года расщ еп ляется около 0,2* 1012 т воды и в органическом вещ естве связы вается при м ер но 0,035 *1012 т водорода.
Живое вещ ество состоит преим ущ ественно из углерода, кислоро да и водорода. Свободный м олекулярны й кислород явл яется продук том жизненных процессов. Э лем ентарны е процессы, происходящ ие в живой природе, по сущ еству, те ж е самы е, что и в неживой. Это — п е ренос электронов, протонов, атом но-м олекулярны х частиц. И тут и там происходит поглощение и отраж ен и е света, воздействие грави тац и онного, магнитного и электрического полей. Ж и зн ь начинается с эл ек тронов и атомов, в которы х реали зую тся процессы возбуж дения и в за имодействия. В ходе эволю ции элем енты простейш ей ж изни просты х материальных объектов услож нились до соверш енства, залож енного в Человеке.
3.2.4.О р ган и ч еск о е в е щ е с тв о в о с а д о ч н ы х п о р о д ах
Органическое вещ ество (ОВ) явл яется обязательной состав ляющей практически всех осадочных образований. Среднее содерж а ние (кларк) некарбонатного или органического углерода С орг в осадоч ных породах составляет около 0,6 %, что соответствует 15 к г/м 3.
Присутствие органического углерода С свойственно всем осадкам: его содержание колеблется по стратиграф ическом у разрезу, достигая максимума в кайнозое, при этом в глинистых породах содерж ание Сорг в четыре раза больше, чем в песчаны х породах. Н апример, в пределах
Русской платф орм ы отмечено следую щ ее возрастание содерж ания С от протерозойских пород к кайнозойским: PR — 0,18 %; PZ — 0,34 %; (MZ + KZ) — 0,64%. Для глин соответственно больше: 0,35%; 0,70 %, 0,94%
Р асп р едел ен и е О Б в осадочны х породах крайне неравном ерное: вы деляю тся две группы: рассеянное ОВ и концентрированное ОВ. Гра ница м еж ду ними проведена условно по содерж анию органического уг лерода 2,5 %, что в четы ре раза вы ш е кларка. В глинисто-карбонатных породах содерж ание Сорг > 5 %, то есть на порядок превы ш ает кларк, в горючих сланцах концентрация С колеблется в пределах 15— 25 %.
На рис. 3.6 приведено распределение в осадках масс рассеянного С()рг начиная с отлож ений верхней юры. М аксимальная масса С отмечена для отлож ений K v причем для континентов и акваторий характер рас пределения сходен.
Массы Cüpr Ю'-'т
Рис. 3.6. Распределение рассеянного органического углерода в осадках кон тинентов и океанов
Ф орма нахож дения и м орфология ОВ в осадочных породах также различны . В ы деляю тся следую щ ие ф ормы ОВ:
• морфологически оф ормленны й растительны й детрит;