О ПРОИСХОЖДЕНИИ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ

За долгое время может произойти лишь то, что наиболее вероятно. Эрнест Каан

Проблема происхождения горючих ископаемых непосредствен­но связана с нерешенными до настоящего времени глобальными воп­росами происхождения нашей планеты в целом, в том числе ее по­лезных ископаемых, а также возникновения жизни на Земле. Она всегда привлекала и продолжает привлекать глубокий интерес мно­гих ведущих химиков, геологов, биологов, астрономов, физиков, эко­логов, философов и других представителей различных наук во всех странах мира. Естественно, раскрытие сокровеннейших тайн при­роды, связанных с химической эволюцией Земли с момента ее за­рождения до сегодняшних дней, позволило бы вести целенаправлен­ный, следовательно, более эффективный поиск полезных ископае­мых и рационально использовать их на благо всего человечества. Можно надеяться, что в результате начатых ныне интенсивных хи­мических исследований будут раскрыты в ближайшем будущем мно­гие из важнейших тайн Вселенной. Тем самым принятые на воору­жение современные гипотезы о происхождении горючих ископаемых, в том числе нефти и природного газа, превратятся в весьма полез­ные для практики научно обоснованные теории, обладающие высо­кой прогнозирующей способностью.

Основы геохимии

Геохимия -наука, изучающая химический состав Земли, распро­страненность в ней химических элементов, закономерности распре­деления их в различных геосферах, законы поведения, сочетания и

миграции (концентрации и рассеяния) элементов в природных про­цессах. Она является одной из теоретических основ поисков полез­ных ископаемых.

По современным космическим представлениям Земля как пла­нета образовалась около 4,7 млрд лет назад из рассеянного в прото-солнечной системе газопылевого вещества. В результате дифферен­циации вещества Земли под действием ее гравитационного поля и разогрева ее недр (за счет тепла ядерных превращений) возникли и затем развились различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочки - геосферы: ядро (в центре), мантия, кора (литосфера), гидросфера, атмосфера и маг­нитосфера.

Первичная гидросфера (океан) образовалась путем конденсации паров мантийного материала и представляла собой кислый раствор из НС1, HF, H₃B0₃, Si0₂. В воде были растворены сернистый ангид­рид, метан и углекислота.

Первичная атмосфера в основном состояла из углекислоты, к которой были подмешаны пары воды, аммиак, метан и в малых ко­личествах инертные газы.

Ландшафт первых сухопутных участков земли был типично вул­канический с крупными кратерами от бомбардировки метеоритами. Большие плоские пространства были покрыты вулканическими ко­нусами. Обширные площади между вулканами занимал сравнитель­но неглубокий океан, в котором в виде островов поднимались цепи вулканических конусов. Климатические пояса, подобные современ­ным, отсутствовали. Отсутствовал также в атмосфере озонный пояс. Первыми составными частями земной коры были лавы и массы рых­лого материка вулканического пепла. За счет выветривания этого материала возникли механические осадки.

Решающее влияние на эволюцию всех сфер Земли, прежде все­го на биосферу, оказали зарождение и последующее интенсивное развитие фотосинтеза зеленых растений, затем возникновение жи­вых организмов. Развитие фотосинтеза приводило к выделению боль­ших количеств свободного кислорода в гидросфере, затем в атмос­фере и накоплению массы живого вещества сначала в океане, потом и на суше. Поглощаемый фотосинтезом углекислый газ постепенно убывал в атмосфере Земли. Аммиак и метан практически полнос­тью исчезли из атмосферы в результате окисления. Земная атмо­сфера приобретала качественно новый, близкий к современному азот-

но-кислородный состав с небольшим количеством углекислого газа. Подобные процессы с изменением химического состава происходи­ли как в морской воде, так и горных породах Земли. В морской воде в результате ускорения окислительных процессов кислоты превра­тились в соли металлов (хлориды, сульфаты натрия, калия, кальция и т.д.). С изменением рН морской воды менялись формы осаждения многих металлов (Fe, Mn, Си и др.). В кислородной среде они начали осаждаться преимущественно в высших стадиях окисления. Возрос­шая масса живого вещества приводила к накоплению органическо­го вещества в осадочных породах. Формировались морская, затем наземные флора и фауна. Происходил не только количественный рост биомассы, но и усложнение ее качественного состава. Эволюциони­ровали новые виды организмов, использующие для построения внут­реннего и внешнего скелета некоторые минеральные вещества, та­кие, как Si0₂, CaC0₃, MgC0₃ и др. В планетарном масштабе фотосин­тез - это мощный процесс, вовлекающий в кругооборот огромные массы вещества Земли. С химической точки зрения, фотосинтез пред­ставляет собой окислительно-восстановительную реакцию превра­щения зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганиз­мами (ферментами и др.) лучистой энергии Солнца в энергию хими­ческих связей органических веществ:

тСО, + пН,0-------- ^v-r ---- >С_т (Н₂0)„ + _т0₂.

^{1 г} хлорофилл ^BV ' ^{л т} *■

Фотосинтез - единственный из всех типов химических реакций (термических, каталитических, ферментативных, радиационных и фотохимических), позволяющий при мягких термобарических пара­метрах биосферы осуществить невероятную, с точки зрения термо­динамики химическую реакцию, протекающую с увеличением сво­бодной энергии. Он обеспечивает прямо или косвенно доступной химической энергией все земные организмы и, как будет показано ниже, является источником образования горючих ископаемых. Об­ратный фотосинтезу процесс представляет собой знакомую всем нам химическую реакцию горения твердых, жидких и газообразных го­рючих ископаемых с выделением большого количества энергии. Следовательно, растительный и животный мир, а также органичес­кие горючие ископаемые Земли есть не что иное, как аккумулиро­ванная энергия Солнца! На современном этапе эволюции Земли ежегодно в результате фотосинтеза образуется 150 млрд т органи-

ческого вещества, усваивается 300 млрд т С0₂ и выделяется около 200 млрд т свободного кислорода. Благодаря только фотосинтезу в первичной атмосфере Земли появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для биологической деятельности. При ги­бели организма происходит обратный процесс- разложение органи­ческих веществ путем окисления, гниения и т.д. с образованием ис­ходных веществ фотосинтеза. Отсюда фотосинтез, как обратимую биофотохимическую реакцию, можно записать следующим образом:

жизнь

mCQ₂ + nH₂Ot )C_m(H₂Q)_n + _m0₂.

смерть

Этот процесс в биосфере Земли находится в состоянии динами­ческого равновесия, а участвующие в нем вещества - в постоянном кругообороте. Только небольшая часть продукта фотосинтеза (ме­нее 1%) выводится из кругооборота, преобразуясь в залежи горючих и негорючих ископаемых.

Жизнь на Земле является самым выдающимся процессом, погло­щающим самую живительную энергию Солнца и вводящим в дви­жение и круговорот практически все химические элементы. Про­странство Земли, где могут существовать живые организмы в лю­бых возможных концентрациях, - есть биосфера. Она включает в себя гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмос­феры (ниже озонного экрана). Выдающийся вклад в развитие геохи­мии и представлений о биосфере внес академик В.И. Вернадский.

В эволюции земной коры, в том числе в процессах седиментации и осадочного рудообразования, большую роль сыграли живые орга­низмы, способные концентрировать отдельные элементы биосферы. Эту способность В.И. Вернадский назвал концентрационной функ­цией. Так, в растениях концентрируются: кремний в 10³- 10⁵, фос­фор - в 10⁵, марганец - в 10³- 10⁴ раз больше, чем в морской воде. Многие металлы в клетках растений образуют комплексные соеди­нения (например, порфириновые) - содержание этих металлов дос­тигает величины в десятки и сотни тысяч раз больше, чем в окружа­ющей среде питания. Естественно, что после гибели растений и жи­вотных большая часть концентрированных ими элементов участво­вала в образовании полезных ископаемых.

Следует отметить, что эволюционные процессы в геосферах Зем­ли происходили не изолированно, а в теснейшей взаимосвязи. Одна-

ко о том, какие и как происходили эволюционные процессы за столь длительный и многомиллиардный период существования Земли, мож­но судить только по единственному «документу», выданному лишь литосфере. Изучением состава, строения и закономерностей обра­зования горных пород занимается наука литология.

В зависимости от условий происхождения горные породы под­разделяются на магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические породы образуются в результате застывания пер­воначально расплавленной магмы - они сложены преимущественно силикатными и алюмосиликатными минералами. Магматические породы являются либо рудами ценных металлов, либо используются в качестве поделочных камней, строительных материалов и т.д.

Метаморфические породы возникают в результате качественного изменения магматических и осадочных пород под воздействием вы­соких давлений и температур. Так, глины по мере погружения на глубину уплотняются и превращаются в глинистые сланцы, а квар­цевые пески и песчаники - в кварциты. Известняки превращаются в мраморы. В метаморфических породах содержатся многие ценные полезные ископаемые - железо, медь, свинец, цинк, золото, олово, вольфрам и др.

Глубина залегания осадочных пород Земли сильно варьирует от 2 - 3 км в платформенных областях (с плоским рельефом) и до 12 км в континентальных впадинах, отличаются пористостью и высокой проницаемостью для жидкостей и газов. Они отлагались в пласты в определенной хронологической последовательности, погребая ока­менелые остатки древних животных и растений. На основании этого выделяют геохронологические эры и периоды, характерные для раз­личных форм жизни (табл.2.1). Возраст горных пород для этой цели определяют радиологическими методами, основанными на изучении радиоактивного распада некоторых химических элементов (изото­пов урана, углерода, свинца, кальция и др.).

Осадочные породы в зависимости от происхождения подразде­ляются на обломочные, глинистые, химические и биохимические. Обломочные породы - продукты механического разрушения исход­ных пород (пески, песчаники). Глинистые породы, обладающие вы­сокой пластичностью и низкой водопроницаемостью, состоят в ос­новном из мельчайших минеральных частиц (с размерами 0,001-0,01 мм), окислов кремния (30 - 70% масс.) и алюминия (10 - 40% масс.), их главные компоненты - кремнезем и глинозем. Химичес-

Таблица 2.1

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: