Современные представления об образовании нефти и газа
В последнее время сторонники противоположных по смыслу концепций образования нефти и газа стали относиться терпимее к своим оппонентам. Некоторые представители органической и неорганической концепций допускают возможность образования небольшого количества нефти и газа иным путем. Такую возможность допускал еще И.М. Губкин. Имеются и универсальные (полигенные) схемы нефтегазообразования, которые пытаются объединить органическую теорию и неорганические гипотезы. Так Ш.Ф. Мехтиев связал процессы нефтеобразования с очагами глубинного заложения и зонами глубинных разломов. По его представлениям исходными компонентами для образования нефти служат одновременно мантийное вещество в виде газопаровой смеси и рассеянное ОВ осадочных пород. Газопаровая смесь, поднимаясь по зонам глубинных разломов, ассимилирует рассеянное ОВ и образует большое количество «первичной нефти», которая концентрируется в осадочных породах. А.В. Кудельский и К.И. Лукашев, признают основным источником «первичной нефти» рассеянное ОВ, но допускают возможность участия в её образовании летучих смесей глубинного происхождения, содержащих углерод, водород и другие элементы и соединения, которые присущи нефти.
Новые идеи появились и в рамках органической теории нефтегазообразования. О.Г. Сорохтин, С.А. Ушаков, К.А. Клещев, В.П. Гаврилов, Х. Хедберг, Д. Вильсон связали образование нефти с тектоникой литосферных плит. По их мнению, генерация УВ происходит в зонах субдукции, обдукции и рифтов. Осадочные породы, затянутые в эти зоны подвергаются активному температурному и динамическому воздействию. При этом ОВ пород находится в течение короткого времени - 1-2 млн. лет под воздействием высоких температур, порядка 100-400 0С и высоких давлений. В результате происходит его термолиз и возгонка.
Теория тектоники литосферных плит, по мнению О.Г. Сорохтина (1979) и представлению В.П. Гаврилова (1998) определяет также возможность принципиально нового механизма миграции УВ из зон субдукций, коллизий и обдукций. Кроме того, образовавшиеся горячие флюиды снижают капиллярное взаимодействие нефти со стенками пор и создают хорошие условия для эмиграции нефти из нефтематеринских комплексов. Миграция УВ из поднадвиговых структур приводит к значительному увеличению ресурсов нефти и газа в краевых зонах платформ. На этих же основаниях В.П. Гаврилов отмечает, что новое представление об образовании УВ, которое он назвал «геодинамической моделью нефтегазообразования в литосфере» (1979, 1986) создает предпосылки для создания новых поисковых критериев и определения новых объектов для поиска нефти и газа.
Интересную идею о механизме генерации УВ высказали Н.В. Черский, В.П. Царев, С.В. Николаев (1979), Ю.А. Пецюха (1984), Н.Н. Соловьев и др. (1985;1986). Они связали реализацию нефтегазового потенциала осадочных пород с их динамометаморфизмом или тектонодинамическим возбуждением системы порода – рассеянное ОВ – флюид (вода, природный газ, жидкий битумоид), которое возникает при любых тектонических деформациях (упругих, пластических, разрывных) в напряженных зонах осадочно-породных бассейнов. Этому способствуют и периодические сейсмические вибрации. Например, в 1957 году, во время одного из крупнейших максимумов солнечной активности, в центральной и восточной частях Северного Кавказа произошло 271 землетрясение. При тектонодинамическом возбуждени механическая энергия преобразуется в тепловую и электрическую, что вызывает дилатацию (разуплотнение) породы и активизацию термокаталитических преобразований рассеянного ОВ. В свою очередь генерация УВ также вызывает выделение тепла и напряжение в породе, поскольку с генерацией нефти и газа связано увеличение межмолекулярных расстояний в подсистеме рассеянное ОВ-флюид.
Таким образом тектонодинамический эффект сравним с воздействием на нефтематеринские породы высоких температур. Однако он не зависит от глубинного теплового потока и может проявляться в верхних низкотемпературных горизонтах осадочного чехла. Значение динамокатагенетического фактора при преобразовании рассеянного ОВ оценено количественно А.Н. Резниковым [24, 25]. Его исследования показали, что значение этого фактора сравнимо с ролью геотермического режима недр.
Новые идеи в рамках биоорганической теории во многом связаны с изучением термодинамических аспектов генерации УВ. По мнению ряда ученых, образование тепловых аномалий в стратисфере может быть связано с движением нагретых флюидов из глубинных зон Земли, экзотермическим течением реакций образования углеводородов из рассеянного ОВ и другими процессами.
В последнее время в России довольно активно развивается флюидодинамическая модель нефтегазоносности Земли. Вначале она была сформулирована Б.А. Соколовым в рамках органической теории происхождения УВ. Согласно этой модели, их образование и формирование месторождений нефти и газа контролируется двумя противоположно направленными процессами: литогенезом и флюидогенезом (Б.А. Соколов, [19]). Литогенез заключается в закономерном изменении физических и химических свойств минералов, ОВ, флюидов и пустотного пространства осадков-пород при их погружении. Вначале они испытывают воздействие микроорганизмов, а затем повышающейся температуры и давления. В зоне катагенеза начинается дефлюидизация пород, которая заключается в потере ими летучих веществ: воды, газов и УВ. При этом из 1 м3 глин освобождается до 350 л воды, и образуются жидкие и газовые УВ. Эти компоненты объединяются понятиями «углеводородных растворов» или «флюидов» низкотемпературной литогенетической стадии образования УВ.
На больших глубинах углеводородные растворы сильно разогреваются, создают аномально высокие пластовые давления и начинают прорываться в вышележащие части разреза. За счёт конвективного механизма движения этих энергоемких растворов осадочные толщи дополнительно прогреваются, что в свою очередь усиливает процесс их дефлюидизации и соответственно – процесс реализации нефтегазового потенциала. Углеводородные потоки при вертикальной миграции пересекают на разных стратиграфических уровнях породы-коллекторы и насыщают их нефтью и газом, поэтому на всех уровнях стратисферы скопления УВ имеют связь с различными очагами нефтегазообразования (нефтегазогенерирующими породами). По статистическим данным, 90 % всех выявленных запасов УВ сосредоточено в глубинном интервале от 1 до 3 км, а очаги генерации располагаются на глубинах от 2 до 10 и более км.
Таким образом, глубинные флюиды являются интенсивными тепломассоносителями и движущей силой второй, флюидодинамической, стадии образования УВ и формирования их залежей. В целом же, данная модель представляет процесс формирования залежей как целостный и универсальный литофлюидальный процесс, который закономерно сопровождает развитие осадочно-породных бассейнов (ОПБ). Он разделяется на две стадии или фазы: литогенетическую, связанную со сравнительно медленным погружением и катагенезом минералов и ОВ осадочных пород и флюидодинамическую стадию, которая связана с мощным и энергичным прорывом углеводородных растворов вверх по разрезу. Вторая стадия приводит к быстрому формированию залежей УВ.
Изложенное показывает, что для реализации данной модели необходимо наличие в осадочном чехле большого количества вертикальных ослабленных зон и расслоенности стратисферы на проницаемые и непроницаемые горизонты. Значительная расслоенность разреза литосферы на чередующиеся зоны уплотнения и разуплотнения была выявлена геолого-геофизическими исследованиями, а широкое присутствие в земной коре активизированных разломов было обнаружено аэрокосмогеологическими исследованиями в последней четверти ХХ века. Они же показали, что все крупные месторождения УВ связаны с узлами пересечения различно ориентированных разломов и высокоградиентными зонами новейших тектонических движений. Связь месторождений с разломами земной коры выявил и В.П. Гаврилов (1975).
Новейшая тектоника и современные короткопериодические колебательные движения блоков земной коры, способствуют развитию пород-коллекторов, активизации процессов миграции флюидов, создают пути этой миграции, а также – условия для проявления геоиндикаторами глубокопогруженных потенциально нефтегазоносных тектонических элементов на земной поверхности (В.В. Доценко, [19]; В.В. Доценко, З.Х. Моллаев, Н. И. Ковалев, [20]; Ю.А. Стерленко, З.Х. Моллаев, В.В. Доценко, 1988). Короткопериодические волновые движения, определяются космическими причинами - лунно-солнечными приливами и периодическими изменениями солнечной активности, с которыми связаны изменения ротационного режима Земли и нарушения гравитационного поля. Установлено, что они ведут к периодичности сейсмической и вулканической деятельности, а также к периодичности проявления горных ударов (М.Н. Смирнова, 1968; И.М. Петухов, И.М. Батугина, 1999); смятию и срезанию обсадных колонн в глубоких скважинах; изменению забойных давлений и дебитов нефтяных скважин; вариациям скоростей распространения сейсмических волн (В.А. Ахияров, Ф.К. Салманов, С.К. Курсин, 1990). На этом основании короткопериодические движения несомненно влияют и на процессы миграции и аккумуляции УВ.
Интенсивная вертикальная миграция флюидов и расплавов имеет и структуроформирующее значение. Во взаимодействии с тектонодинамикой она способствует образованию антиклинальных зон, проявлению диапиризма и грязевого вулканизма, а с этими процессами тесно связано образование ловушек и формирование залежей УВ. Так, например, инъекционный характер образования Терской и Сунженской антиклинальных зон Терско-Каспийского прогиба, рассмотрен с разных позиций М.И. Жемеричко (1978; 1979), Н.В. Короновским и др. (1987), Б.А Соколовым и Н.Ш. Яндарбиевым (1999), В.В. Доценко (2000). С этими антиклинальными зонами связаны значительные зоны нефтегазонакопления Северного Кавказа. На их примере М.В. Багдасарова [19] разработала вариант модели формирования месторождений нефти и газа, связанный с напряженным флюидодинамическим режимом.
Флюидодинамическая модель формирования скоплений нефти и газа, с некоторыми дополнениями, активно используется, как сторонниками неорганической концепции, так и сторонниками полигенной концепции происхождения нефти и газа. Они считают, что энергоёмкие флюиды и расплавы, содержащие УВ, газы и металлы поступают в стратисферу по зонам глубинных разломов. При своем движении они дифференцируются, взаимодействуют с низкотемпературными флюидами и ОВ осадочных пород и формируют, при наличии ловушек, скопления газа и нефти; или же эти флюиды образуют скопления УВ самостоятельно в породах фундамента и на их контакте с осадочным чехлом. В настоящее время известно более 60 месторождений УВ в коре выветривания и во внутренней толще палеозойских пород Западной Сибири. Кроме того, на Земле открыты десятки крупных месторождений нефти в гранитных массивах.
Среди полигенных концепций выделяется модель А.А. Баренбаума (1996, [17-19]), которая тесно связывает образование нефти и газа с глобальным круговоротом углерода на Земле. По его предположению источником УВ являются процессы углеродной дегазации земной коры и мантии, которые захватили этот углерод ещё при образовании Земли. Запасы углерода постоянно пополняются из космоса. Небольшое количество углерода выпадает на Землю и в настоящее время, но основные его объемы периодически поступают в Солнечную систему с галактическими кометами, которые связаны со струйным истечением вещества из центра нашей Галактики. С периодами массированного поступления углерода совпадают все главные события фанерозоя (А.А. Баренбаум, Н.А. Ясаманов, 1995).
В глобальном цикле углерода выделяются две крупные ветви: нисходящая и восходящая и с каждой из них связано образование нефти и газа. На нисходящей ветви круговорота углерода УВ образуются согласно органической теории, а на восходящей ветви согласно неорганической (минеральной) гипотезе. Органический углерод, содержащийся в осадочных породах, в условиях интенсивного осадконакопления в рифтовых зонах и в зонах субдукции литосферных плит достигнув низов земной коры и верхней мантии, испытывает восстановление до метана и его ближайших гомологов, и снова включается в круговорот. Углеводородные растворы, поднимаясь к земной поверхности в составе энергоемких флюидных систем, способны вытеснять из экранированных пористых геологических структур (ловушек) воду и формировать собственные скопления.
Таким образом, в модели нефтегазообразования и нефтегазонакопления А.А. Баренбаума органическая и неорганическая концепции образуют тесно связанную систему, в основе которой лежат представления о двух стадиях (фазах) единого процесса круговорота углерода через биосферу Земли.
Близкие представления о круговороте углерода развивает В.П. Гаврилов (1998). При этом он подчёркивает, что с геодинамических позиций вопрос о происхождении нефти теряет смысл, ибо углерод, как и другие элементы, составляющие нефть, присутствовали в разное время и в космосе и в живых организмах и в мантии Земли. Однако здесь же, В.П. Гаврилов отмечает, что условия для образования нефти и газа создаются только при появлении биосферы, которая является движущей силой круговорота углерода. Следует отметить, что другим, не менее важным источником энергии круговорота углерода, является эндогенная энергия Земли.
Недавно Ю.Р. Каграманов и А.Е. Егикян (2000) предложили к обсуждению оригинальную космическую гипотезу происхождения нефти, основанную на астрофизических данных. Согласно этой гипотезе, жидкие УВ периодически поступали в диспергированном виде на Землю. Происходило это при столкновении Солнечной системы с межзвездными облаками и микроглобулами. Осаждающиеся УВ насыщали породы с высокими фильтрационно-емкостными свойствами и, прежде всего, песчаные, а также – эродированные участки карбонатных массивов и рифов. Длительное нахождение Земли в плотной среде молекулярного облака вызывало значительное снижение солнечной постоянной и приводило к процессу оледенения на Земле с последующим уменьшением водного бассейна и увеличением поверхности континентов и островов, кора выветривания которых поглощала УВ. Закономерная связь распределения скоплений битумов и нефти на Земле с 19 крупными ледниковыми периодами авторами прослежена.
В современной, типично неорганической гипотезе А.А. Маракушева [19] предполагается, что главный вклад в дегазацию Земли дает её ядро, а не продукты радиоактивного распада химических элементов, генерируемых в силикатных оболочках. Земля образовалась по его представлению в результате аккреции (гравитационного захвата) ледяного водно-водородного (кометного) вещества, а не из дегазированного железокаменного вещества космической пыли и метеоритов. Протопланетная стадия развития Земли обеспечила накопление в её жидком ядре огромной массы водорода, гелия и других флюидов, которые определили активное состояние Земли на протяжении 4,6 млрд. лет. Дегазация происходит импульсивно и определяет катастрофические рубежи в геологической истории Земли, которые фиксируются горизонтами чёрных сланцев в её осадочной оболочке. В исходящих из ядра водородных флюидных потоках происходят реакции диспропорционирования компонентов. В результате они эволюционируют с образованием воды, свободного углерода и углеводородов: Н2 + СО = С + Н2О, 3Н2 + СО = СН4 + Н2О и других веществ. В эти процессы вплетается миграция сероводорода и рудных металлов из жидкого ядра, которые определяют металлогеническое значение флюидных потоков и порождаемых ими магматических систем.
И.И. Чебаненко и другие (2000) развивают «осадочно-неорганическую теорию формирования нефтяных и газовых месторождений», которая основана на представлениях, что нефтяные УВ формируются в верхних частях земной коры, где глубинный водород, а не готовые нефтяные УВ, соединяется с седиментогенным углеродом. В соответствии с этим, наиболее перспективными для выявления месторождений нефти и газа являются зоны глубинных разломов, проникающие в толщу осадочных формаций.
Современные факты и аргументы гипотезы глубинного неорганического происхождения нефти изложены в работе В.С. Зубкова, В.А. Бычинского, И.К. Карпова и А.Н. Степанова (2000). Их балансовые и термодинамические расчеты развивают представления Э.Б. Чекалюка (1967) о возможности существования в верхней мантии тяжелых УВ, которые в равновесных условиях и при избытке углерода сменяются в земной коре метаном и ближайшими его гомологами. В.С. Зубков и другие предложили несколько возможных моделей прохождения нисходящих и восходящих потоков УВ через энергетический барьер, в результате которого могут сформироваться крупные газовые месторождения в зонах глубинных разломов кристаллического фундамента и осадочного чехла. В других случаях возможно накопление тяжелых и сверхтяжелых нефтей, наподобие месторождений нижнего течения р. Ориноко (Венесуэла) и бассейна р. Атабаска (Канада). Реализация различных моделей зависит от того, в какой фазе развития находятся те или иные тектонические структуры: платформы, рифты, зоны спрединга, кольцевые структуры и другие. Данные исследователи предлагают не противопоставлять представления об органическом и неорганическом происхождении нефти и газа, а выявлять критерии происхождения УВ. Это необходимо для правильного выбора методики поисков различных по генезису углеводородов, среди которых могут быть и смешанные.
Изложенное показывает, что вопрос происхождения нефти и газа остается дискуссионным и в начале ХХI века. В то же время он становится особенно актуальным, что связано с возрастающими потребностями общества в нефти и газе и ограниченностью их запасов и ресурсов. Ресурсы нефти могут быть практически исчерпаны к концу ХХI столетия. Снижение добычи нефти может начаться уже в 2020 году, а природного газа – в 2030 (Д. Эдварс, 1997). Это вызывает необходимость дальнейшего развития теоретических и прикладных направлений геологии и геохимии нефти и газа.
С моделями происхождения УВ прямо связаны представления о процессах и скоростях формирования их залежей, а также – представления о новых объектах и технологиях поисков нефти и газа. Например, А.А. Баренбаум (1999), изучив соотношение запасов и прогнозных ресурсов УВ на Земле, которые по В.П. Гаврилову (1986) составляют примерно (1-3) ∙ 1019 г со скоростью циркуляции углерода в биосфере равной 7 ∙ 1016 г/год (А.А. Баренбаум, 1996), пришел к выводу, что образование газовых месторождений в определённых геологических условиях вполне возможно за 1000 лет. Поэтому многие крупные высокопродуктивные месторождения будут, вероятно, не только «возобновляемыми», но и «неиссякаемыми» источниками УВ. О значительной скорости формирования залежей нефти, иногда сопоставимой с её потерями при добыче высказывались В.П. Гаврилов (2000), Б.А. Соколов (1995), Б.А. Соколов и А.Н. Гусева (1994), Ю.И. Коробов, Л.Д. Малюшко [19], В.И. Корчагин (1999), Р.Х. Муслимов и др. [17] и другие. С этими представлениями увязываются, появляющиеся в настоящее время сведения о молодом – кайнозойском возрасте скоплений нефти и газа в древних нефтегазоносных комплексах (Р.П. Готтих, Б.И. Писоцкий, [19]; Д.К. Нургалиев, Н.Г. Нургалиева, [18]; Ю.И. Пиковский, [19] и др.).
Классические представления об интенсивности формирования залежей нефти и газа, основанные на органической теории говорят о другом. В.И. Ларин (1995; 1998) отмечает, что процесс формирования залежей нефти и газа протекает очень длительно, от нескольких миллионов лет до нескольких десятков и более миллионов лет. Расчеты И.В. Высоцкого показывают, что продолжительность генерации жидких УВ в зависимости от толщины и скорости накопления пород «генетической зоны» колеблется от 20 до 100 млн. лет. Скорость формирования скоплений жидких УВ варьирует от нескольких сотен тысяч кубических метров до нескольких миллионов кубических метров за 1 млн. лет, то есть до нескольких первых десятков кубических метров за 1 год. Эти данные рассчитаны для бассейнов платформенных областей. В складчатых областях, где все геологические процессы протекают примерно в 4-6 раз быстрее, продолжительность генерации УВ уменьшается, а скорость генерации и формирования скоплений УВ увеличивается (В.В. Высоцкий, 1996). Таким образом, большая часть залежей нефти, заключённая в кайнозойских отложениях геосинклинальных областей формировалась на протяжении примерно 3 млн. лет со средней скоростью 25 т/год. Крупные и уникальные месторождения формировались здесь со скоростью до 700 т/год [21].