РОЛЬ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА В ЕСТЕСТВЕННОЙ ИСТОРИИ НЕФТИ В СВЕТЕ ИДЕЙ АКАДЕМИКА В. И. ВЕРНАДСКОГО
Н. Б. Вассоевич
Научная общественность нашей Родины и многих других стран отмечает 12 марта 1963 г. столетие со дня рождения выдающегося русского ученого-мыслителя, классика естествознания Владимира Ивановича Вернадского. Трудно переоценить его огромные заслуги перед мировой и, особенно, отечественной наукой. В.И. Вернадский был исследователем с необычайно широким кругозором и исключительной прозорливостью. Он высказал и развил ряд гениальных идей, явился основоположником новых научных направлений и положил начало такой важной области знания как геохимия. В.И. Вернадский первый понял все значение живого вещества в истории верхних оболочек Земли - литосферы, гидросферы и тропосферы - и блестяще показал исключительно многогранную роль биоса в различных геологических процессах.
В.И. Вернадский является общепризнанным отцом биогеохимии - учения о геохимии биосферы и о ее влиянии на внешние сферы нашей планеты. Он начал заниматься живым веществом еще до 1919 г. и уделял вопросам биохимии большое внимание до последних лет, когда работал над капитальным трудом «Химическое строение биосферы и ее окружения». Эту монографию он считал в те годы своей «главной книгой» [8, стр. 39]. К сожалению, замысел гениального ученого остался незавершенным - 5 января 1945 г. В.И. Вернадский скончался.
Значение биохимии для нефтяной геологии огромно: без нее немыслимо познание всей истории нефти. В небольшой статье трудно осветить все стороны этой проблемы, и мы сможем остановиться только на некоторых из них.
В.И. Вернадский неоднократно отмечал, что «в геохимии на каждом шагу приходится сталкиваться с явлениями жизни. Здесь организмы в виде своих совокупностей - живых веществ - являются одним из главных действующих факторов» [7, стр. 18]. Вслед за В. Пфеффером он делил все организмы «на две резко различные группы: на живое вещество первого порядка - автотрофные организмы, которые в своем питании независимы от других организмов, и живое вещество второго порядка - гетеротрофные и миксотрофные организмы» [7, стр. 64]. Большая часть автотрофных организмов является мощным аккумулятором солнечной энергии. Они превращают ее в химическую энергию органических и металл-органических соединений, используемую затем как самими автотрофами, так и гетеротрофными организмами. Вместе с органическим веществом в осадках захороняется и заключенная в нем энергия.
Оценивая всю массу современного живого вещества на Земле в n*1013 т, В.И. Вернадский подчеркивал, что главную роль играет не само количество живого вещества, составляющее весьма небольшую долю всей массы биосферы, а необычайно широкая распространенность, или, как он говорил, «повсюдность» организмов, их исключительная биохимическая активность, способность приводить в различные формы движения огромные массы многих химических элементов, рассеивать и концентрировать их.
«На земной поверхности, - писал В.И. Вернадский, - нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. И чем более мы изучаем химические явления биосферы, тем более мы убеждаемся, что на ней нет случаев, где бы они были независимы от жизни. И так длилось в течение всей геологической истории» [7, стр.21].
Одним из геологических следствий длительного существования жизни на Земле В.И. Вернадский считал образование всех каустобиолитов. В отношении нефти он впервые четко сформулировал эту мысль в парижском (1924 г.) издании книги «Геохимия» [14, стр.249] (В переводе на русский язык этот труд вышел в 1927 г. под названием «Очерки геохимии» [4]. Следующим, 3-м изданием было немецкое (1930 г.), переработанное автором. Оно было переведено и в качестве 4-го (2-го русского) издания вышло в свет в 1934 г. [5]; 5-ое издание было японским, а 6-ое снова русским (в «Избр. соч.», 5.1, 1954).).
Автором гипотезы об органическом происхождении нефти В.И. Вернадский считал М.В. Ломоносова. Излагая его высказывания об образовании «оной бурой и черной маслянистой материи», выгоняемой «подземным жаром из приготовляющихся каменных углей» и о «рождении жидких разного сорта горючих», В.И. Вернадский писал в 1900 г.: «Я не знаю ни одной теории XVIII столетия, которая могла бы быть поставлена наряду с этими воззрениями Ломоносова» [3, стр. 26].
Подтверждение биогенной породы нефти В.И. Вернадский видел, прежде всего, в ее составе. Он подчеркивал, что нельзя объяснять происхождение нефти, опираясь только на генезис собственно углеводородов; нельзя забывать, что в состав нефтей входят в заметном количестве неуглеродные соединения, содержащие О, N, S. Из числа таких соединений внимание В.И. Вернадского привлекли азотистые и кислородные соединения [5, стр. 155 - 156], близкие к тем, которые широко распространены в животных и (или) растительных организмах (например, производные метил-хинолина, холестерина и др.). Присутствие фосфора в нефтях также расценивалось им как «доказательство биогенного происхождения нефтей» [5, стр. 157].
Возражая против возможности неорганического генезиса нефтей, В.И. Вернадский приводил в качестве важного довода их оптическую активность.
В отношении происхождения углеводородов В.И. Вернадский, имея в виду главным образом газообразные, допускал существование не только собственно биогенных (вадозных), но и фреатических и ювенильных. (В. И. Вернадский употреблял «следующие обозначения: вадозные - для элементов, минералов или процессов, происходящих в биосфере; фреатические - для соответствующих явлений стратисферы и верхней метаморфической геосферы; ювенильные - для геосфер, начиная с нижней метаморфической и ниже» [5, стр. 73].)
Так, в книге «Очерки геохимии» он писал «...углеводороды (главным образом метан), которые, несомненно, приходят из глубоких слоев земной коры, только отчасти ювенильного происхождения. Большая часть их массы образуется в вадозных областях: таковы газы болот (биохимический продукт). Другая создается в стратисфере, например газы, выделяющиеся в каменноугольных копях.
Но такое объяснение едва ли приложимо целиком к газовым струям углеводородов, огромная масса которых непрерывно сейчас выделяется бурением и в меньшем количестве извека выделяется в природных условиях.
Часть их в значительной мере генетически связана с нефтяными месторождениями. Это газовая фаза нефтей. Другая должна быть увязана с рассеянным органическим веществом осадочных пород, т.е. в значительной мере имеет сложное происхождение, выражаемое схемой:
морская жизнь -> морской ил -> осадочные породы -> газы.
Переход в газы должен происходить в процессах биохимического и безжизненного изменения в бескислородной среде.
...Но все же часть метана может быть связана с магматическими очагами и является составной частью глубоких подземных атмосфер состава Н2О - СH4» [5, стр. 171].
Проанализировав карбидную гипотезу образования нефти, В.И. Вернадский отверг ее. Он пришел к вполне определенному выводу, что генезис нефти «в общих чертах своих кажется ясным. Мы должны считать нефти фреатическими минералами, образующимися вне верхней части биосферы, но генетически связанными с живым веществом. Организмы, несомненно, являются исходным веществом нефтей, возможно участие анаэробных бактерий и при их синтезе. Нефти не могут содержать сколько-нибудь значительных количеств ювенильных углеводородов» [5, стр. 152 - 153].
Все достижения геологии и химии нефти и геохимии органического вещества последней четверти века полностью подтверждают справедливость положений, сформулированных нашим выдающимся биогеохимиком. В настоящее время доказана теснейшая связь между белковыми и, главным образом, между липидными и липоидными компонентами авто- и гетеротрофных организмов и тем битуминозным веществом, которое образуется за их счет сначала в самих осадках, затем в илах, претерпевающих диагенез и, наконец, в породах, подвергающихся катагенезу.
Соединения, дающие начало нефти, и прежде всего углеводороды, частично возникают еще в исходных организмах. Значительно большая часть их является продуктом метаболизма тех самых анаэробных бактерий, о которых упоминал. В.И. Вернадский. И еще большая масса уже собственно нефтяных углеводородов имеет фреатическое происхождение, т.е. образуется в результате катагенеза. На этой стадии литогенеза наиболее подвижная часть битуминозных компонентов (битумогенов - по В.А. Успенскому или синбитумоидов - по Н.Б. Вассоевичу) органического вещества пород, способная к миграции в газо- и (или) водорастворенном состоянии, настолько близка к нефти, что может именоваться микронефтью.
В.И. Вернадский не только признавал существование такой дисперсной нефти, но и подчеркивал, что общая ее масса превышает запасы собственно нефти в залежах. Так, в книге «Очерки геохимии» он писал: «Можно отметить два типа месторождений для больших скоплений нефти: 1) скопления в осадочных породах и 2) проникновение углеводородами битуминозных сланцев. Оба должны считаться частями единого явления. Нахождения в сланцах содержат наибольшие массы нефти» [4, стр. 161]. Во втором издании своей книги к этим словам он добавил: «Нельзя объяснять происхождение нефти, оставляя в стороне битуминозные сланцы. Углеводороды в них связаны с процессами коллоидального характера...» [5, стр. 154].
Мы знаем теперь, что общая масса углеводородов микронефти, сохранившаяся в континентальном секторе стратисферы, составляет около 2,9*1013 т, из коих по-видимому, больше половины приходится на глинистые породы [2, стр. 18]. По другим данным, «внерезервуарной нефти» (т.е. нефти вне коллекторов) в осадочных породах в 2 раза больше [13]. Предельной цифрой геологических запасов нефти в том же континентальном секторе можно считать 1012 т [2, на стр. 29 в этой статье ошибочно указано n*1012 т].
Отношение общей массы углеводородов микронефти (в материковой и шельфовой частях стратисферы) к запасам нефти в коллекторах составляет примерно 30. Если учесть, что при определении содержания микронефти по условиям анализа теряются низкокипяшие углеводороды (с температурой кипения менее 200-250° С) и что во многих случаях в анализируемых породах сохранялась лишь остаточная микронефть, то первоначальную массу углеводородов микронефти можно оценить примерно в 5*1013 т.
Таким образом, утверждение В.И. Вернадского о том, что со «сланцами» (если понимать этот термин достаточно широко) связаны наибольшие массы нефти, надо признать совершенно правильным.
Легко убедиться в справедливости и другого указания гениального естествоиспытателя - об относительной ничтожности всех запасов каустобиолитов по сравнений) с общей массой углерода, входившего в состав живого вещества. Он писал: «...лишь часть вещества организмов собирается в виде каустобиолитов. Это только та часть, которая выходит из жизненного круговорота, какая-нибудь стотысячная или миллионная часть химических элементов, проходящих через живое вещество» [5, стр. 165].
Если мы ограничимся рассмотрением меньшей части каустобиолитов, а именно - только нефтями, и сравним приведенные выше для них цифры с данными о всей биомассе, продуцировавшейся организмами за все время существования биосферы (5*1019 т; на долю Сорг в этой массе приходится около 2*1018 т), и допустим, что запасы нефти в недрах (1012 т) представляют собой лишь сохранившуюся до наших дней одну десятую часть всей той нефти, которая вообще генерировалась в стратисфере, то общая масса этой нефти (ее углерода) составит не более двух миллионных (а вероятно гораздо меньше) от того углерода, который вовлекался в круговорот живым веществом.
В.И. Вернадский считал, что нефть образуется в материнских породах (сам он не употреблял этого термина) до ее миграции и что последняя «является в общем вторичным, генетически не основным явлением» [5, стр. 165]. Вместе с тем он отмечал, что в тех областях, где возникают благоприятные условия для образования «первичной нефти», там же «создаются в ближайшее же (геологически) время условия для дальнейших перемещений и разделений создавшейся смеси твердых, жидких и газообразных тел «первичной» нефти. Иногда эти условия разделений начинают вызывать отвечающие им перемещения вскоре же после образования нефти. Так создаются концентрации жидких, богатых углеводородами тел, подобно тому, как это наблюдается и для других жидкостей земной коры - для водных растворов».
«Эти процессы зависят от условий среды, от геологического строения, от тектонических движений, от свойств нефти и т. п. Они приводят к образованию нефтяных месторождений» [5, стр. 165].
Очень ценны указания В.И. Вернадского о безусловной реальности процесса, концентрации первичной рассеянной нефти. Еще в 1924 г. он подчеркивал, что «значение имеют и их (битумов и нефтей - Н.В.) выделения, сами по себе ничтожные, которые всюду непрерывно происходят вокруг нас, так как в земной коре существуют различные механизмы, позволяющие ничтожным рассеянным массам этих продуктов собираться и давать более значительные нахождения [4, стр. 175; курсив - Н.В.].
В целом концепция В.И. Вернадского о нефтеобразовании, относящаяся к началу, двадцатых годов и изложенная впервые в 1924 г. [14], очень близка к той гипотезе, которую развивал выдающийся советский геолог-нефтяник И.М. Губкин в своем труде «Учение о нефти», опубликованном на 8 лет позже. В.И. Вернадский допускал образование нефти не только в морских отложениях, но и в пресноводных, против чего долгое время возражал И.М. Губкин. В настоящее время установлено, что нефть может быть генетически связана с осадками водоемов самой различной солености.
Жизнь, которой в конечном счете обязана нефть своим существованием, во многом, но уже в других геолого-геохимических условиях, способствует последующему изменению нефти и ее уничтожению.
В своих трудах В.И. Вернадский неоднократно отмечал, что «в термодинамических и химических условиях земной коры все природные углеродистые соединения устойчивы, если защитить их от влияния жизни» [5, стр. 141], что живое вещество даже после смерти организмов оказывается в условиях стерильной среды во многом стабильным ( «Соединения, образующие живое вещество - белки, жиры, углеводы, остаются неприкосновенными и изменяются лишь крайне медленно, не утрачивая своего строения при условии изолированности от явлений жизни. Гниение и брожение в биосфере, изменение живого вещества после смерти суть биохимические явления» [5, стр. 141].) и что своим изменением и последующей минерализацией оно обязано главным образом той же жизни, преимущественно микроорганизмам.
Акад. Н.М. Страхов показал, какую огромную роль играют микроорганизмы в процессах диагенеза осадков, содержащих органическое вещество [9]. Эта стадия литогенеза имеет особо важное значение с формировании молодой микронефти. Следующая стадия в истории нефти - катагенез - является абиогенной, как это представлял себе и В.И. Вернадский. Но жизнь снова властно вмешивается в судьбу нефти на стадии гипергенеза. Наиболее убедительно это доказано В.А. Успенским и О.А. Радченко, показавшими очень большое значение микробов в изменении состава нефтей и других нафтидов в зоне гипергенеза [10]. Именно микрофлора, населяющая подземные воды, обусловливает деметанизацию нефтей, резкое снижение в их составе твердых парафинов, увеличение содержания кислорода, серы, азота и т. д.
Микроорганизмы при благоприятных для них условиях полностью минерализуют нефть. Уничтожая ее, они нередко за счет заключенной в ней энергии создают другие полезные ископаемые, например серу. Огромные запасы серы в кепроках соляных куполов Луизианы (США) возникли в конечном счете в результате восстановления сульфатов бактериями, питавшимися нефтью.
Изучая нефть как природный объект, мы на каждом шагу убеждаемся, что ее предыстория, история и послеистория самым теснейшим образом связана с явлениями жизни, с живым веществом, с биосферой. Могущество этого фактора, его огромное геологическое и планетарное значение лучше и раньше всех правильно оценил крунейший представитель мировой науки, выдающийся русский и советский ученый академик В. И. Вернадский.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вассоевич Н.В. Микронефть. Тр. ВНИГРИ, вып. 132. Гостоптехиздат,1959.
2. Вассоевич Н. Б. О происхождении нефти. Вестник МГУ, серия IV -Геология, № 3, 1962.
3. Вернадский В.И. О значении трудов М. В. Ломоносова в минералогии и геологии. Москва, 1900.
4. Вернадский В.И. Очерки геохимии. Госиздат, 1927.
5. Вернадский В.И. Очерки геохимии. ОНТИ, Горно-геолог. нефт. изд.,1934.
6. Вернадский В.И. Избранные сочинения, т. 1. Изд. АН СССР, 1954.
7. Вернадский В.И. Избранные сочинения, т. V (Биосфера I-II и другие произведения). Изд. АН СССР, 1960.
8. Личков Б.Л. Владимир Иванович Вернадский. Изд. МОИП, 1948.
9. Страхов Н.М. К познанию диагенеза. Сб. «Вопросы минералогии осадочных образований», кн. 3 и 4. Изд. Львовского университета, 1956.
10. Успенский В.А. и Радченко О.А. К вопросу генезиса типов нефтей. Тр. ВНИГРИ, нов. сер., вып. 19,Гостоптехиздат, 1947.
11. Успенский В.А. Баланс углерода в биосфере в связи с вопросом о распределении углерода в земной коре. Тр. ВНИГРИ, Гостоптехиздат, 1956.
12. Шубникова О.М. Академик В. И. Вернадский и профессор Я. В. Самойлов. Очерки по истории геологических знаний. Вып. 2. Изд. АН СССР, 1953.
13. Hunt I. M. Distribution of Hydrocarbons in Sedimentary Rocks. Geochimicaet Cosmochimica Acta. v. 22, No. 1,1991.
14. V e r n a d s k у La Geochimie Libr. F. Alcan, Paris, 1924.
ВНИГРИ