Кайнозой - новая жизнь, 65 млн.. лет до нашего времени.

В зоне аэрации часть пор заполнена воздухом и водой. Воды зоны аэрации разделяются на верховодку и грунтовые воды. В зоне насыщения, за исключением пор, занятых углеводородами, пустоты заняты водой. Мощность зоны насыщения изменяется в широких пределах и может достигать 11-12 км. На этой глубине температура воды приближается к критической и вода переходит в надкритическое парообразное состояние. В зоне насыщения распространены преимущественно напорные воды. В коллекторах, ограниченных сверху и снизу флюидоупором, распространены воды, имеющие гидростатические напоры.

В криолитозоне - зоне мерзлоты - условия залегания вод имеют свои особенности. Мерзлые породы, являющиеся водоупорами, при оттаивании нередко превращаются в водопроницаемые.

Вода имеет ведущее значение в жизни нефти. В воде из органических остатков она образуется, среди подземных вод преобразуется и созревает. С водой она и перемещается. Вода – это гигант, который несет на своих плечах карлика – нефть. При бурении и эксплуатации нефтяных скважн расходуются гигантские количества воды, которые в процессе использования необратимо загрязняются.

1.5. Атмосфера

Атмосфера - воздушное покрывало Земли - это самая подвижная ее оболочка. Постоянство ее состава, в течение по крайней мере фанерозоя (последние 500 млн лет) и по всей планете в целом, связано отнюдь не с ее устойчивостью, а со значительной скоростью протекающих в ней процессов, восстанавливающих ее исходный равновесный состав. Состав атмосферы приведен в табл. 5.

Ежегодно вынос из атмосферы различных техногенных новообразований достигает 700-2000 млн. т/год. Особую роль играет содержание в атмосфере CO₂, увеличение которого связывают со сжиганием органических веществ (например, мазута на ТЭЦ). Одни считают, что оно вызовет увеличение ее содержания в атмосфере, что и приведет к парниковому эффекту и глобальному потеплению. Другие обещают похолодание. Однако современное содержание углекислоты в атмосфере - 0,04% - соответствует предельно минимальной ее концентрациии, при которой она может быть поглощаема растениями. Растительная жизнь находится в условиях сильного углекислотного голода. Поэтому даже возможные локальные повышения ее содержания в атмосфере будут компенсированы увеличением биомассы: сжигание угля, нефти и газа возвращает через атмосферу в биомассу некогда погребенный там углерод. Таким образом, сжигание мертвой биомассы (уголь, нефть, газ, дрова) возвращает ее в живое вещество. Следовательно, никакого вреда от сжигания теплоносителей биосфера не получает, а напротив, объем биомассы от этого только увеличивается.

Атмосфера присутствует также под водой и под землей. Это углекислота в минеральной воде, углеводороды газовых месторождений и гелиевые струи из мантии, газы, растворенные в воде в совсем иных, чем в атмосфере, соотношениях. Подземные «атмосферы» не имеют возможности перемешиваться и поэтому по составу неоднородны.

Газовая фаза в литосфере занимает до 50% объема горной породы. Газовые компоненты, так же как и пары воды, могут находиться в свободном, адсорбированном и растворенном состоянии. Свободные газы заполняют поровое пространство породы, не занятое водой. Растворенные газы в поровой влаге представлены преимущественно углекислым газом, углеводородами, кислородом, азотом и др. Эти газы попадают сюда из атмосферы. Они активизируют выщелачивание и химические процессы в горных породах. Нахождение паров воды предполагается в горных породах на больших глубинах в условиях высоких температур и давлений. Там, как полагают, вода находится в надкритическом состоянии – то есть нет различия между жидким и парообразным состоянием. Такая вода весьма агрессивна, ее растворяющая способность очень велика. При переходах из жидкого в газообразное состояние растворы, рассолы и пары воды меняют объемы и удельный вес горных пород, в них происходят различныее изменения физических и химических свойств. Однако, многие вопросы в этой области еще недостаточно изучены.

Адсорбированные газы удерживются на поверхности минеральных частиц силами молекулярного притяжения и образуют на них полимолекулярные пленки. Адсорбирующая способность минералов зависит от их минерального состава (возрастая от кварца к слюдам и далее - кальциту, глинистым минералам), дисперсности, влажности, температуры, давления, содержания органических веществ.

1.8. Биосфера

Биосферой называется область существования живого вещества. Область взаимодействия литосферы и атмосферы, и всю гидросферу пронизывает живое вещество. В то же время живое вещество, это всего лишь тонкая фрагментарная в основном поверхностная пленка. Его масса относительно ничтожна - всего лишь одна миллиардная часть массы Земли. Это оболочка планеты, уникальная во всем космосе, отличается фантастической активностью своих процессов.

Стройное учение о биосфере, как о единстве организмов и среды обитания, организованном как динамически равновесное природное тело, создано великим В.И. Вернадским.

По ведущим элементам средний состав живого вещества (табл.6) почти ничего общего не имеет как с Землей в целом, так и с составом литосферы, более половины которой составляет SiO₂ – кремнезем. Насыщенностью летучими элементами живое вещество ближе к составу атмосферы и гидросферы, а если искать аналоги живого вещества по химическому составу в космосе, то оно, будучи весьма далеким от среднего состава Земли, оказывается почти полным химическим аналогом комет.

Таблица 6.

Средний состав живого вещества (в вес.% на живой вес).

Особенно наглядны окислительно-восстановительные функции биосферы, создающие резко полярную смену химической обстановки, например окислительную среду кислородной атмосферы и восстановительную, создаваемую органическими соединениями на дне водного бассейна, производящими нефть. Разнообразие и активность реакций в биосфере отражается и обилием разнообразием живых организмов. Сейчас их на Земле около 2·10⁶ видов.

Живое вещество поглощает тепловую и световую энергию Солнца. Однако, лишь зеленые растения через фотосинтез вводят солнечную энергию в физико-химические процессы земной коры. Другие живые организмы, используя энергию Солнца, с помощью ферментов в миллионы раз ускоряют химические процессы. Именно бактерии осуществляют уникальный процесс разрушения в глину полевых шпатов - минералов, составляющих более половины земной коры. Через живые организмы, в основном через фотосинтез, солнечная энергия входит в физико-химические процессы земной коры. Через циклы осадконакопления, денудации - осадконакопления - метаморфизма, происходит «окаменение» солнечной энергии, через которую прошла практически вся масса земной коры, вся она проработана живым веществом, живой водой. Осадочные породы, образовавшиеся благодаря воде, аккумулируют солнечную энергию в себя. Нефть, газ и уголь - не что иное, как некогда сжиженная или окаменевшая сохраненная солнечная энергия. Это - овеществленные на Земле солнечные калории. Благодаря биосфере разрушение пород на поверхности Земли на три порядка быстрее, чем на безводной и безатмосферной Луне, и на 1,5-2 порядка быстрее, чем на покрытом льдом Марсе.

Невообразимо высокая интенсивность происходящих в биосфере процессов особенно поразительна, если учесть относительную ничтожность массы живого вещества - всего 2-3 трлн. т (2-3 ··10¹⁸ г) - в 10 млн. раз меньше массы земной коры и лишь одна миллиардная часть массы Земли. Именно живое вещество биосферы, занимая все большее место в истории Земли и играя в ней все более значительную роль, в большой степени создало осадочный слой земной коры в том виде, в каком мы его знаем.

1.9. Круговорот углерода на Земле

Начальным источником углерода в верхних геосферах является мантия. В результате ее дегазации в атмосферу и гидросферу попадает двуокись углерода (СО₂). Благодаря большой подвижности и хорошей растворимости в воде диоксид углерода занимает исключительное положение в геохимии углерода, являясь начальным и конечным звеном многочисленных его превращений. Однако процентное содержание углерода в различных частях земли резко различно (табл. 7).

Таблица 7

Распределение углерода в различных частях Земли (по В.А.Успенскому)

То есть концентрация углерода в осадочной оболочке в 36 раз больше средней по Земле, а в почвах и илах – в 100 раз больше. Это перераспределение - результат действия живого вещества, хотя в самой биомассе заключена лишь ничтожная часть общего углерода.

На Земле существуют две различные ветви круговорота углерода и два механизма его выхода из круговоротов биосферы – через неорганический углерод карбонатных минералов и через органическое вещество. Обе эти ветви имеют единый источник углерода – атмосферу и гидросферу. Далее по первой ветви происходит нейтрализация оснований угольной кислотой и образование солей кальция и магния. Выделение и растворение карбонатов происходят в природе неоднократно. Эта ветвь дает начало разнообразным карбонатным породам, и по количеству депонированного углерода в 6-7 раз превосходит другую ветвь (рис.1.10).

					Атмосфера СО2 712
				92,5	90				110	55
Поверхностные воды Сорг.25 С неорг 700			15	Фитомасса многолетняя 700
			40		36					Фитомасса однолетняя		15
			Биомасса 3					54-50
				4										Опад
Глубинные воды Сорг 975 С неорг 36700
2-5	Почва 1500
				1					Торф
		Суша
	5
Запасы углеводородов (недра) >100
	Рис. 1.10 Схема основных резервуаров (109 т) и потоков углерода (109 т/год)

Содержание СО₂, определяющего кислотность морской воды, постоянно благодаря карбонатно-бикарбонатному буферу, который действует следующим образом: углекислый газ водорастворим, и в океанах его растворено около 140 трлн.т (против 2,6 трлн.т в атмосфере). При избытке СО₂ нерастворимый карбонат (СаСО₃) переходит в растворимый бикарбонат Са(НСО₃)₂. При недостатке СО₂ растворимый бикарбонат переходит в нерастворимый.

В результате метаморфизма и эрозии кабонатный углерод в виде СО₂ попадает в гидросферу и атмосферу и вновь включается в круговорот. Поэтому опасения, что атмосфера отравится углекислым газом от выбросов промышленных предприятий и спровоцирует парниковый эффект, не обоснован, потому что на Земле существуют океан и биосфера.

Другая ветвь превращений углеродных соединений начинается с ассимиляции СО₂ в результате фотосинтеза. При этом из окисленной формы углерод за счет энергии света переходит в восстановленную, запасая энергию. А вот все последующие превращения происходят с потерей энергии и уменьшением количества органического вещества. Процес происходит по двум возможным циклам – малому и большому (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Основные циклы органического углерода на Земле (по Вельте). Заимствовано из работы «Геология и геохимия», 2000)

На самых заключительных стадиях метаморфизма углерод переходит в инертную форму – графит.

В работе этого механизма необходимо участие кислорода, а весь свободный кислород планеты имеет биогенное происхождение. Поскольку он плохо растворим в воде, он попадаетет в атмосферу, в отличие от легкорастворимого углекислого газа. Его содержание уже на границе докембрия – кембрия увеличилось до значений, сопоставимых с современными.

Живые существа не только производят кислород, но и потребляют его. В биосфере проходит реакция n CO₂ + n H₂O ↔ (СН₂О) _n + n O₂. Слева направо реакция идет как фотосинтез, справа налево – как дыхание, питание, гниение, горение. Увеличение содержания кислорода в атмосфере (то есть смещение равновесия), как известно из курса химии, возможно только при удалении одного из продуктов реакции а именно – захоронения восстановленного, т.е. неокисленного органического вещества.

Возраст древнейших пород, в которых найден углерод заведомо органического происхождения (по соотношению изотопов ¹²С и ¹³С) - это возраст древнейших осадочных пород. Временем 3,4 млрд. лет датируются первичные микроорганизмы(?) – цианобактерии (сине-зеленые водоросли) - т. е. это время зарождения жизни и возникновения источника молекулярного кислорода. Примерно 2 млрд лет назад биосфера «вывернулась наизнанку» – вместо кислородных оазисов вокруг скоплений живых организмов появились анаэробные «карманы». Тогда же содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного (точка Пастера). Именно с этой пороговой концентрации энергетически выгодным для жизни становятся не реакции брожения, а реакции окисления. Начинается необратимое отравление (с точки зрения анаэробов) атмосферы кислородом. В течение протерозоя мир постепенно становится аэробным.

Роль жизни как планетного геологического фактора в наиболее последовательной форме раскрыл замечательный русский ученый, основоположник геохимии В.И. Вернадский. Он писал: «…Вещество биосферы благодаря им <космическим и солнечным лучам> проникнуто энергией; оно становится активным, собирает и рапределяет в биосфере полученную в форме излучений энергию, превращает ее в конце концов в энергию в земной среде свободную, способную производить работу... Жизнь является великим, постоянным и непрерывным нарушителем химической косности поверхности нашей планеты. Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы, хотя только часть его – зеленая, содержащая хлорофилл растительность, – непосредственно использует солнечный луч, создает через него фотосинтезом химические соединения, неустойчивые в термодинамическом поле биосферы при умирании организма или при выходе из него. С этой зеленой частью непосредственно и неразрывно связан весь остальной живой мир». Зеленые растения составляют основание трофической пирамиды “Дальнейшую переработку созданных ею химических соединений представляет все вещество животных и бесхлорофильных растений… Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли. Часть живого вещества не возвращается сразу же после гибели организма назад в биосферу, а захоранивается”. В результате «Мы имеем здесь дело с новым процессом – с медленным проникновением внутрь планеты лучистой энергии Солнца, достигшей его поверхности. Этим путем живое вещество меняет биосферу и земную кору… Вся земная кора целиком, на всю доступную нашему наблюдению глубину изменена этим путем… Скопления этих органических веществ являются очагами огромной потенциальной энергии, "погребенными лучами Солнца"…»

Таким образом, живое вещество, зародившись уже на заре истории Земли, создало кислородную атмосферу, что позволило стратегии жизни перейти от анаэробных форм, существующих за счет реакций восстановления, к значительно более эффективным, аэробным, существующим за счет реакций окисления. Улавливая, пропуская через себя, восстанавливая и концентрируя углерод, живое вещество планеты создает, таким образом концентрированные сгустки энергии в виде скоплений месторождений горючих ископаемых.

1.10. Ноосфера

Созданное В.И. Вернадским учение о биосфере приобрело особое значение сейчас, когда человек, являющийся со всеми окружающими его процессами частью биосферы, выступает как активная геологическая сила, заметно меняющая Землю. Биосфера, изменяемая человеком, названа ноосферой от слова “ноос” - разум, ибо предполагается, что трансформация биосферы человечеством контролируется положительным созидательным разумом. Вопрос о характере реакций биосферы на деятельность человечества, возможность нарушения биосферы как саморегулирующейся системы, широко обсуждается не только в научной, но и в широкой печати. «Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Перед ним открываются все более и более широкие творческие возможности» (В.И. Вернадский).

Вся история человечества - история преобразования биосферы. И смысл концепции Вернадского заключается в том, что воздействовать на природу, изменять биосферу нужно сугубо рационально, думая не о сиюминутных выгодах, а о будущих последствиях. Говоря о человеке будущего, Вернадский называл его «homo sapiens faber» - человек разумный производящий. Высшее, по В.И. Вернадскому, достижение разума - научная мысль - является и главным фактором разумного преобразования биосферы. Науку будущего Вернадский представлял себе в виде целостного мировосприятия, осмысливая современность с позиций биосферного и ноосферного подхода и придя к новой идее о “государственном объединении усилий всего человечества”.

Статью «Несколько слов о ноосфере» В.И.Вернадский опубликовал в 1944 г., в разгар Великой Отечественной войны, а писал ее в самом начале войны, в самые тяжелые годы. «Сейчас мы переживаем новое геологическое эволюционное изменение в биосфере. Мы входим в ноосферу, - писал В.И. Вернадский, - мы вступаем в нее - в новый стихийный геологический процесс - в грозное время, в эпоху разрушительной мировой войны. Но важен для нас факт, что идеалы нашей демократии идут в унисон со стихийным геологическим процессом, а законы природы отвечают ноосфере. Можно смотреть поэтому на наше будущее уверенно. Оно в наших руках, мы его не выпустим (...)». В.И.Вернадский писал в 1942 г. «…Подготовлявшееся в течение тысячелетия новое состояние жизни на нашей планете, о котором мечтали утописты, станет реальностью, когда война, т.е. организованные убийства, когда голод и недоедание могут сравнительно быстро исчезнуть с нашей планеты».

Глава 2

Исходное вещество

осадочных горных пород

2.1. Минералы и горные породы

Земная кора состоит из горных пород устойчивых парагенетических ассоциаций минералов, возникающих в результате геологических процессов и образующих геологически самостоятельные тела в земной коре. Наука, изучающая горные породы, называется петрографией, и при описании вещественного состава пород говорят о его петрографии, или петрографическом составе. Составные части горных пород - минералы - это природные химические соединения, или элементы. Всего известно более 2000 естественных минералов, а сейчас существует примерно столько же искусственных. Некоторые из них встречаются в большом количестве и образуют горные породы и таких минералов всего 25. Их называют породообразующими – например кварц, кальцит, слюды, полевые шпаты. Другие встречаются редко, но важны потому, что являются рудами металлов – киноварь, магнетит, галенит, гематит. Некоторые ценны сами по себе – золото, платина, драгоценные камни.

Минералы встречаются:

- в виде кристаллов (например минерал кварц - SiO₂– оксид кремния – соединение двух наиболее распространенных в земной коре элементовобразует кристаллы, называемые горный хрусталь) различного размера – от долей миллиметра до метров;

- в скрытокристаллическом состоянии (например, если то же соединение SiO₂ образует столь мельчайшие кристаллики, что кристаллическое строение неразличимо, то минерал называется халцедон);

- в виде стекол, аморфных твердых гелей (например, аморфный SiO₂ называемый опалом).

Присутствие примесей окрашивает минералы, давая им новый облик и другое название. Тот же халцедон может выступать под именем сердолика (оранжевый), хризопраза (зеленый), оникса, сардоникса (полосатый), агата (концентрически-полосчатый).Кристаллический кварц, если он фиолетовый, называется аметист, если золотистый - раух-топаз.

Минералы могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Иногда они представляют собой твердые растворы. Некоторые из наиболее распространенных, относящихся к семейству алюмосиликатов, образуют такие большие и сложные молекулы, начиненные разнообразными примесями, что не имеют постоянного химического состава. Некоторые минералы образуются в глубоких недрах Земли в условиях высоких давлений и температур: оливин (хризолит), пироксен. Попадая на земную поверхность, они разлагаются, поглощают кислород, воду, формируют более рыхлые кристаллические структуры и преобразуются в другие минералы, устойчивые в условиях земной поверхности. Конечным продуктом таких процессов являются разнообразные глинистые минералы, непрочные механически, но чрезвычайно устойчивые химически. Другая группа минералов - стабильных в условиях земной поверхности, при низких давлениях и температурах - окислы и гидроокислы (кварц, лимонит).

Важнейшим свойством минералов является их твердость - способность сопротивляться механическому воздействию более твердого вещества. Именно твердостью определяются абразивные свойства разбуриваемых горных пород.

Нефть – жидкие горные породы, сложенные разнообразными минералами – углеводородами. Природный газ метан - газообразный минерал, а природная вода - жидкий минерал.

Минералами сложены горные породы, которые могут состоять почти из одного минерала – быть мономинеральными (например, горная порода известняк более, чем на 90% состоит из минерала кальцита СаСО₃), или полиминеральными – например, гранит обычно состоит из кварца, полевых шпатов и слюды. Кроме того в нем присутствуют в незначительных количествах многие другие минералы. Нередко гранит содержит редкие земли и золото.

Условия образования горных пород, определяющие их облик, называют фациальными (от лат. фацио - облик, лицо) условиями, то есть фация – это однородный по составу комплекс горных пород, образовавшийся в сходных условиях.

Геологические процессы, в результате которых образуются горные породы, сводятся к трем группам, в результате чего получается три генетических класса пород.

- кристаллизация природных силикатных расплавов (магмы), поступающих из недр Земли, в результате чего возникают магматические горные породы, которые застывают и раскристаллизовываются при температуре 300 -1200⁰ и давлении 30-40 тыс. атм. в мантии, либо 10-15 тыс. атм. в гранитном слое и вплоть до 1 атм. на поверхности. Застывание длится от часов до тысяч лет, а сохраняются магматические породы миллиарды лет;

- разрушение ранее существовавших горных пород в поверхностных условиях, их транспортировка и отложение продуктов разрушения, отсюда получаются осадочные горные породы, которые образуются на поверхности суши при температурах -50 - +50^○ и давлении 1 атмосфера, или в водных бассейнах при температуре 0 - +30^○ и давлении тысячи атмосфер. Время их формирования - годы - тысячелетия. Время существования достигает,обычно, сотен миллионов лет. Сохраняют они свой осадочныйоблик до глубин 10 км при температуре до 200^○ и давлениях до 10 тыс. атм. При более высоких значениях давлений и температуры они переходят в породы метаморфические, или переплавляются в магматические;

- преобразование пород любого происхождения вследствие изменения физико-химических условий, в результате чего возникают метаморфические горные породы. Они образуются при температурах от 100 до 1300^○ при давлении не выше 10 - 15 тыс. атм. При более высоких давлениях и температуре они превращаются в породы магматические. Процесс их формирования, сводящийся к перекристаллизации, длится тысячи и миллионы лет, а сформировавшись они могут существовать миллиарды лет.

В 1995 г. был выделен еще один тип пород, названный коптогенным (от греч. копта - удар). Они образуются от соударения небесных тел. В момент соударения температура за тысячные доли секунды возрастает до 30000^○. Давление составляет миллионы атмосфер. То есть на доли секунды вещество оказывается в более сложных условиях, чем в центре Земли. В момент соударения, когда скорости тел могут составлять до 70 км/сек., энергия, выделяющаяся при взрыве, в сотни тысяч раз превышает энергию водородной бомбы, как было при образовании кратера Жаманшин в Казахстане, диаметр которого всего лишь 6 км, а известны ударные кратеры диаметром до сотни километров.

Отдельные минералы связаны между собой благодаря поверхностным и объемным силам. Поверхностные силы возникают на поверхности тел за счет недокомпенсации сил притяжения внутри минеральных зерен. Чем ближе друг к другу минеральные зерна, тем полнее реализуются поверхностные силы (в магматических и метаморфических породах).

При относительно большом удалении зерен относительно друг друга, межминеральные связи становятся цементационными (в большинстве осадочных пород), водноколлоидными (в глинах), а в рыхлых осадочных породах (например, в песках) структурные связи между минеральными зернами обусловлены трением.

2.2. Магматические горные породы

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: