Геология и геохимия. Геология и геохимия нефти и газа. Прозорова. Учебное пособие по дисциплине Геология и геохимия нефти и газа

• Название: Учебное пособие по дисциплине Геология и геохимия нефти и газа
• Анкор: Геология и геохимия
• Дата: 10.05.2023
• Размер: 6.77 Mb.
• Имя файла: Геология и геохимия нефти и газа. Прозорова.doc
• Тип: Учебное пособие; #1120901
• страница: 10 из 25

5.1 Круговорот углерода в природе, его энергетические

источники и значение для образования нефти и газа

Вместе с другими элементами и веществами углерод участвует в круговороте - повторяющихся процессах перемещения и превращения на Земле, которые имеют циклический характер. Огромные миграционные потоки углерода охватывают на нисходящей и восходящей ветви круговорота все сферы Земли от атмосферы до верхней мантии и обратно. Часть соединений углерода выходит из круговорота и при определённых условиях образует скопления, нефти, газа и твердых горючих ископаемых. Согласно органической теории происхождения нефти и газа образование УВ происходит на седиментационном цикле нисходящей ветви круговорота углерода. Образуются они за счет ОВ, формирующегося на биогенном цикле. Согласно неорганическим концепциям нефть и углеводородные газы, наоборот образуются на восходящей ветви круговорота.

В связи с этим вопрос круговорота углерода имеет большое значение для понимания процессов образования нефти и газа.

Главными движущими силами миграции углерода является геохимическая деятельность живого вещества в биосфере и глубинная геотектоническая (геодинамическая) активность Земли.

В круговороте углерода выделяются следующие циклы: биогенный, седиментационный, метаморфический, магматический и денудационный.

Биогенный или жизненный циклпротекает в биосфере (рис. 9). Движение углерода в ней происходит в основном в окисленной форме в виде углекислого газа посредством фотосинтеза. В результате углерод биосферы расходуется на образование биологической продукции, представленной ОВ. Другая часть углекислого газа поглощается гидросферой и идет на образование карбонатов.

В биосферу поступает большое количество метана из зоны катагенеза осадочных пород и более глубоких зон литосферы. Образуется метан и в биосфере при разложении ОВ. Однако он быстро окисляется, пополняя запасы углекислого газа: СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

Седиментационный цикл. Часть биологической продукции биосферы поступает в осадочные бассейны (ОБ), где фоссилизируется, минерализуется и идет на образование карбонатных пород. Под фоссилизацией понимаются все диагенетические процессы, ведущие к преобразованию и сохранению ОВ в осадке.


Рисунок – 9. Круговорот углерода в биосфере Земли

(по Г.В. Войткевичу, В.А. Вронскому, 1996)
Таким образом, в результате седиментогенеза ОВ преобразуется и выходит из биогенного цикла в органической и неорганической форме. Органическая форма представлена в осадках и осадочных породах рассеянным и концентрированным ОВ, а неорганическая форма - карбонатами. Концентрированные формы ОВ – это залежи каустобиолитов, как угольного, так и битумного генетического ряда.

В областях восходящих тектонических движений карбонаты и преобразованное ОВ поступают в зону гипергенеза, а в областях нисходящих движений – в зону регионального метаморфизма.

Денудационный цикл. В зоне гипергенеза при денудационных процессах ОВ окисляется, а карбонаты растворяются. В обоих случаях продуктом превращения является углекислый газ, который поступает в биосферу.

Метаморфический цикл. В этом цикле ОВ превращается в углекислый газ и графит. Карбонатные породы под действием высоких температур разлагаются с образованием углекислого газа: СаСО₃^t → СаО + СО₂. Из очагов метаморфизма углекислый газ вновь попадает в биосферу. Часть карбонатов и ОВ в зонах субдукции поступает в мантию Земли.

Магматический цикл. Углерод, прошедший предыдущие циклы круговорота, испытывает в мантии различные превращения и в виде «газового дыхания» недр вновь возвращается в земную кору и биосферу. Восходящий глубинный поток углерода представлен окисью углерода, углекислым газом, метаном и его гомологами, спиртами. Определенная часть этих компонентов имеет глубинное ювенильное происхождение.

5.2 Исходное органическое вещество осадочных пород
Живое вещество поглощает химические элементы из биосферы избирательно. Из 70 химических элементов, входящих в состав растительных и животных организмов выделяются четыре: кислород, углерод, водород и азот, то есть те же элементы, которые входят в компонентный состав нефтей.

Исходное ОВ, поступающее в осадки на седиментационном цикле круговорота углерода, образуется на континентах и в акваториях, то есть в океанах и морях. На континентах ОВ представлено в основном высшей растительностью, а в акваториях фито- и зоопланктоном, а также бентосом.

Биопродукция Земли состоит из органических и неорганических соединений. Неорганические соединения в основном представлены водой.

Органические соединения разделяются на биополимеры и биолипиды. Биополимеры представлены белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами и лигнином.

Лигнин – это биоорганическое высокополимерное соединение, которое состоит из фенил-пропениловых звеньев, типа С₆С₃, соединенных простыми эфирными связями. Лигнин образует каркасную или скелетную ткань высших растений и вызывает их одревеснение. Содержание лигнина в травах и мхах составляет от 8 до 20 %, в лиственных древесных породах достигает 20-30 %, а в хвойных породах - до 50 %.

К биолипидам относятся жиры или липиды, липоиды или жироподобные вещества и некоторые пигменты.

Пигменты – это окрашенные соединения, которые содержатся в живом веществе в небольшом количестве, но играют значительную роль в его существовании. С геохимических позиций интересны желтые пигменты - каротиноиды, зеленые – хлорофиллы, и красные гемоглобин. Эти пигменты сохраняют основные черты своей молекулярной структуры при преобразовании ОВ в процессе литогенеза и обнаруживаются в нефти. Таким образом, они представляют собой важные для геохимии нефти вещества - хемофоссилии, или бирмаркеры.

ОВ, продуцируемое в континентальных и экваториальных экологических системах Земли, имеет различный компонентный состав. Для биопродукции континентальных систем характерно резкое преобладание углеводов и лигнина, а для океанских систем преобладание белков, углеводов и повышенное содержание липидов и липоидов. При этом лигнин в составе ОВ морского происхождения отсутствует.

Различный состав первичного ОВ морского и континентального происхождения обусловливает соответственно и различия в составе ОВ, преобразованного в диагенезе. Позже, в катагенезе это сказывается на качестве и количестве генерируемых разными типами ОВ жидких и газообразных УВ.

5.3 Седиментогенез и диагенез органического вещества
Преобразование биологической продукции биосферы или исходного ОВ начинается в седиментогенезе и завершается в диагенезе.

Диагенез – это процесс преобразования осадка в осадочную породу в результате литостатического уплотнения и физико-химического выравнивания среды. В зависимости от скорости осадконакопления зона диагенеза охватывает диапазон глубин от нескольких десятков до 200-500 м от поверхности осадка. В этом диапазоне глубин температура изменяется от 0-5 до 15-30 °С. В диагенезе формируется состав ОВ, поступающего в зону катагенеза.

Подавляющая часть - 99,0-99,1 % ежегодной биопродукции Земли полностью минерализуется на путях транспортировки к областям седиментации, а также на аэробном этапе диагенеза.

Минерализация ОВ происходит в окислительных геохимических условиях. При этом образуется вода, углекислый газ и простые легко растворимы в воде вещества: сульфат-ионы (SО₄^2-), аммоний (NН₄⁺) и фосфат-ионы (РО₄^3-).

В восстановительных анаэробных условиях на стадии диагенеза одновременно с разложением исходного ОВ идут реакции синтеза, полимеризации и конденсации промежуточных продуктов его молекулярного распада. При этом ОВ сильно уменьшается в объеме и изменяется качественно.

В области континентальной седиментации анаэробные условия характерны для болот, озёр и речных долин. Здесь биологическая продукция, связанная как высшей растительностью, так и фито- и зоопланктоном накапливается среди минеральных осадков преимущественно в концентрированной форме.

В области морской седиментации анаэробные условия существуют в относительно закрытых заливах, эпиконтинентальных морях, на континентальных склонах и шельфах. Здесь исходное ОВ представлено в основном фитопланктоном и накапливается среди минеральных осадков преимущественно в рассеянной форме.

5.4 Состав преобразованного органического вещества
В областях морского осадконакопления, при преобладании восстановительных геохимических условий, формируется ОВ сапропелевого типа. Оно разделяется на следующие три фракции: битумоиды, сапропелевые кислоты и сапрогумины.

В областях континентального осадконакопления образуется ОВ гумусового типа, состоящее из четырех фракций: битумоидов, фульвовых кислот (ФК), гуминовых кислот (ГК) и гуминов.

Битумоиды представляют собой вещества, которые извлекаются из осадков и осадочных пород органическими растворителями. Иногда их называют геолипидами или битуминозными веществами (БВ). Состоят они из асфальтенов, смол и УВ масляной фракции. Главной фракцией являются асфальтены. Их количество составляет 60-70 %.

Фульвовые кислоты (ФК) - это высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты, растворимые в воде, минеральных кислотах, слабых растворах щелочей и органических растворителях. Воду они окрашивают в желтый или бурый цвет. Образуются ФК в результате полимеризации промежуточных продуктов разложения растительности. Их молекулярная структура состоит из алифатических и ароматических группировок, являющихся остатками углеводных и аминокислотных компонентов ОВ. Кислотная природа ФК обусловлена наличием карбоксильных и фенолгидроксильных функциональных групп. Молекулярный вес фульвокислот колеблется от 200 до 50'000.

Гуминовые кислоты (ГК) – это темноокрашенные высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты циклического строения. Они являются продуктом конденсации фульвокислот, которые можно рассматривать как незрелые ГК. Молекулярный вес ГК лежит в пределах от 1'000 до 100'000. Они очень слабо растворяются в воде и не растворяются в минеральных кислотах, но хорошо растворяются в слабых растворах щелочей. Основу ГК составляют разнообразные ароматические, гетероциклические и алифатические группировки, а также до 15 видов функциональных групп, среди которых выделяются кислые: карбоксильные (–СООН) и фенолгидроксильные (–ОН) группы.

ГК широко распространены в ОВ осадков и молодых осадочных пород континентального происхождения, торфах и бурых углях. В землистых разностях бурых углей их содержание достигает 80 и более %, а в блестящих разностях, по мере развития процесса углефикации их содержание снижается уже до 10 %. ГК составляют основу почвенного гумуса, и тем самым обуславливают плодородие почв.

ФК и ГК содержатся в морских осадках, куда они поступают с речным стоком.

Сапропелевые кислоты (сапрогуминовые кислоты) – это аналоги гуминовых кислот, образующиеся в морских осадках при преобразовании остатков планктона. В отличие от ГК, сапропелевые кислотыимеют в основном алициклическое строение, повышенное содержание водорода, а также - азота и летучих веществ.

Гумины и сапрогумины – это фракции соответственно ГК и сапрогуминовых кислот. Они нерастворимы в воде, водном растворе щелочей и минеральных кислот и занимают промежуточное положение между гуминовыми и сапрогуминовыми кислотами и нерастворимым ОВ. Это продукты конденсации соответственно ГК и сапрогуминовых кислот.

Таким образом, ОВ преобразуемое на разных подстадиях диагенеза отличается степенью конденсации и ароматизации молекулярных структур и, следовательно, насыщенностью их водородом, а также отличается количеством кислородсодержащих и других функциональных групп. Пути преобразования ОВ в процессе седиментогенеза и диагенеза показаны на рисунке 10.


Рисунок - 2. Пути преобразования органического вещества в процессе

седиментации и диагенеза (по В.И. Ермакову и др., 1990)
5.5 Генетические и геохимические типы

нерастворимого органического вещества
На подстадии протокатагенеза, которая развивается после диагенеза и предшествует катагенезу, происходит конденсация и укрупнение молекул гуминовых и сапрогуминовых кислот и веществ. В результате они переходят в новую форму ОВ – кероген или нерастворимое ОВ (НОВ).

Кероген – это нерастворимая в органических растворителях, кислотах и щелочах, фракция ОВ. Её доля в ОВ осадочных пород составляет 80-90 %. Другая часть ОВ осадочных пород приходится на битумоиды.

Рассеянные формы керогена или НОВ прочно связаны с минеральной частью породы и отделяются от неё методом обогащения. При этом последовательно используют соляную и плавиковую (фтористоводородную - НF кислоту). Концентрат керогена представляет собой порошок коричневого или черного цвета, напоминающий растворимый кофе.

Классификации НОВ. НОВ или кероген классифицируется по разным принципам: 1) по условиям седиментации; 2) по фациально-генетическим признакам; 3) в зависимости от вклада в состав ОВ различных исходных молекулярных структур живого вещества (ЖВ); 4) в зависимости от изменения атомных отношений водорода к углероду (Н/С) и кислорода к углероду (О/С) и другим принципам.

1. В классификации ОВ по условиям седиментации выделяется автохтонное и аллохтонное ОВ. Автохтонное ОВ образуется за счет биопродукции живого вещества той же среды, в которой формируется осадок, а аллохтонное ОВ формируется за счет биопродукции, поступающей в бассейн седиментации из другой среды. Например, в морских бассейнах аллохтонным является гумусовое ОВ, которое поступает с континентов с речным стоком и эоловыми выносами.

2. В классификации ОВ по фациально-генетическим признакам выделяется: сапропелевое, гумусовое, смешанное (сапропелево-гумусовое или гумусово-сапропелевое) и липтобиолитовое ОВ.

Сапропелевое ОВ образуется в областях морской седиментации и связано с преобразованием бактериями фито- и зоопланктона, а также бентоса. Молекулярные структуры ОВ этого типа возникают, главным образом, за счет липидов и аминокислот.

Гумусовое ОВ генетически связано с высшими растениями. Образуется оно в основном за счет углеводов и лигнина.

Липтобиолитовое ОВ как и гумусовое связано с высшими растениями, но образовано оно геохимически устойчивыми веществами высших растений – восками, смолами, кутикулой и пробковой тканью. Липтобиолитовое ОВ сильно отличается по химическому составу от остальной части гумусового ОВ и лежит ближе к сапропелевому ОВ. Однако оно мало распространено в природе и выделяется среди концентрированных форм ОВ.

3. В классификации ОВ в зависимости от вклада в его состав различных исходных биохимических структур ЖВ, Н.Б. Вассоевич и др. выделили алиновый и арконовый типы. Алиновое ОВ в этой классификации соответствует сапропелевому типу, а арконовое ОВ - гумусовому типу.

При этом алиновое ОВ делится на два подтипа: алфиновый и амикагиновый.

В основе алфинового ОВ лежат липиды, поэтому оно характеризуется наличием длинных алифатических цепей. ОВ этого подтипа характерно для горючих сланцев.

В основе амикагинового или алцинового ОВ лежат углеводно-аминокислотные комплексы. Это фитопланктонное ОВ, подвергшееся бактериальной переработке. Оно характерно для материковых окраин.

В основе арконового или аренового ОВ, находятся лигнино-целлюлозные молекулярные структуры высших растений, потому оно состоит в основном из конденсированных аренов.

4. В геохимической классификации ОВ зависимости от изменения атомных отношений водорода к углероду (Н/С) и кислорода к углероду (О/С) выделяется три геохимических типа керогена: I, II и III. Эта геохимическая классификация составлена Б. Тиссо, Д. Вельте (1981). Она широко используется зарубежом, а в последнее время и в России.

Кероген I типа имеет очень высокое содержание водорода, отношение Н/С достигает 1,8, и низкое содержание кислорода, отношение О/С менее 0,1. Кероген I типа сопоставим с алфиновым ОВ.

Кероген II типа имеет достаточно высокое содержание водорода и повышенное содержание кислорода. Он широко распространен среди нефтепроизводящих пород и сопоставим с амикагиновым ОВ.

Кероген III типа содержит мало водорода, отношение Н/С менее 1,0, и много кислорода, отношение О/С лежит в пределах 0,2-0,3. Кероген этого типа накапливается преимущественно в осадках прибрежно-морских и озёрных бассейнов, вблизи от источников сноса терригенного материала и сопоставим с гумусовым или арконовым ОВ.

5.6 Концентрации органического вещества

в осадочных породах разных формаций
По степени концентрации ОВ осадочных пород подразделяется на три группы: концентрированное (КОВ), полуконцентрированное (ПКОВ) и рассеянное (РОВ).

КОВ содержит более 50 % ОВ. К этой группе относятся угли, торф и некоторые горючие сланцы.

ПКОВ содержит от 20 до 50 % ОВ. Это – горючие и углистые сланцы.

РОВ в начале мезокатагенеза содержит менее 20 % ОВ или менее 15 % С_орг.

О.К. Баженова и др. (2004) за границу между РОВ и КОВ принимают содержание С_орг = 2,5 %. Эта величина в четыре раза выше среднего содержания органического углерода в стратисфере, установленного В.А. Успенским и подтвержденного Н.Б. Вассоевичем (0,58 %).

В. Тиссо, Д. Вельте (1978), Дж. Хант (1979), Б. Томас (1983) и другие содержание С_орг в осадочных породах характеризуют следующим образом, в процентах: до 0,5 – ничтожное, 0,5-1,0 – низкое, 1,0-1,5 – среднее, 1,5-2,0 – высокое, 2-4 очень высокое и более 4,0 – превосходное.

По данным Н.Б. Вассоевича, Н.Н. Корниловой и В.В. Чернышева среднее содержание органического углерода в процентах от массы породы составляет: в ископаемых углях – 67, горючих сланцах – 16,5, доманикитах и баженитах – 6, глинах – 0,9, алевролитах – 0,45, песчаниках и известняках - 0,2, солях, сульфатах - 0,1. Среднее содержание С_орг в стратисфере - 0,58 %.
5.7 Формы нахождения органического вещества,