По мнению большинства исследователей, влияние радиоактивных излучений на преобразование РОВ крайне незначительно. Максимальный вклад радиоактивности в преобразование ОВ пород при кларковом содержании радиоактивных элементов (РЭ) составляет не более 7 % [3].

Экспериментальные исследования действия радиации на ОВ [2, 5, 7] касались в основном анализа летучих компонентов новообразованных продуктов. Основными продуктами радиолиза были водород, углекислый газ, небольшое количество метана и других углеводородных газов. Изменение же твердого остатка ОВ, включающего новообразованные высокомолекулярные соединения, при этом не исследовалось. Однако подобные эксперименты позволили [3] получить константу радиологического распада, которая рекомендуется для оценки масштабов воздействия радиоактивных излучений на ОВ пород.

В последнее время внимание исследователей привлекает уникальный объект - битуминозные отложения баженовской свиты Западной Сибири. Такие особенности пород этой свиты, как аномально высокая радиоактивность, приуроченность выявленной нефтеносности к наиболее радиоактивной в региональном плане и по разрезу участкам [9], заставляют по-новому подойти к оценке роли радиоактивности в процессах преобразования ОВ.

В данной работе сделана попытка определить возможное влияние радиоактивности на процессы, связанные с нефтеобразованием в отложениях баженовской свиты.

Эта задача решалась двумя способами: 1) теоретической оценки поглощенной дозы радиации (ПДР) и степени ее воздействия на ОВ; 2) анализа ОВ с целью поиска различий в его преобразовании для сильно- и слаборадиоактивных пород.

Рассмотрим основные моменты первого способа. В общем ПДР каждого компонента будет зависеть от концентрации и способа распределения РЭ, возраста отложений, поглощающей способности, определяемой длиной свободного пробега частиц радиоактивного распада в данной среде (компоненте), общего объема. Отметим сразу, что для глин эта зависимость несколько упрощается по следующим соображениям. Минимальная длина свободного пробега в породе, например, для a-частиц 30-35 мкм, что намного больше среднего размера глинистых частиц (<1 мкм) и заключенного между ними порового пространства. Следовательно, практически все a-частицы будут участвовать в ионизации компонентов независимо от расположения радиоактивных источников. Далее принимаем, что компоненты (минералы, ОВ, поровая вода) в глинистой породе распределены равномерно. В результате получаем, что доля радиационной энергии, поглощенная отдельным компонентом, будет определяться только объемом и поглощающей способностью этого компонента:

где Vi, ni - объем и поглощающая способность i-ro компонента, к=1, 2, 3...

Учитывая конкретные содержания РЭ [9], возраст отложений, концентрацию ОВ пород баженовской свиты и полученное выражение, можно рассчитать ПДР для ОВ в результате прямого воздействия радиации. Доза будет варьировать в пределах (1...2,7) 10⁷ Дж/кг. Заметим, что эта доза будет минимальной по следующим причинам. Во-первых, она учитывает только прямое воздействие радиоактивного излучения и не учитывает часть энергии радиоактивного распада, которая может передаваться от минералов к ОВ на границе раздела фаз. Такой механизм передачи энергии установлен экспериментально [2, 3, 5]. Во-вторых, в случае неравномерного распределения ОВ в породе (в виде линз и прослоев) большая доля a-частиц будет гаситься в самом ОВ, которое в породах баженовской свиты является основным “сорбентом” урана. Следовательно, ПДР в этом случае будет больше, чем при равномерном распределении ОВ. Однако для оценки влияния радиации на преобразование ОВ будем исходить из минимальной дозы поглощения.

Наиболее подробно изученным считается радиолиз лишь отдельных органических соединений. В качестве примера рассмотрим радиолиз пропионовой кислоты, которая входит в состав жиров исходного ОВ современных осадков. В результате воздействия вычисленного количества радиационной энергии с учетом радиационного выхода [5] в новообразованных продуктах будет содержаться 1,5-3,5% водорода (в расчете на ОВ). Фактическое же количество водорода в битумоидах и газах пород баженовской свиты 0,9-1,4% [6]. Другой вариант оценки [3] - по константе радиолитического распада (К=6,2х10^-8 кг/Дж). При воздействии данного количества радиационной энергии на ОВ оно, судя по константе, изменится на 70-170 %.

Таким образом, теоретический расчет показывает, что первичное ОВ баженовской свиты могло полностью измениться в результате воздействия радиоактивного излучения пород.

Поэтому необходимо проверить данную теоретическую оценку на фактическом материале, т. е. путем анализа ОВ пород попытаться уловить ту разницу в изменении ОВ, которая определяется уровнем радиоактивности пород, по возможности не учитывая влияние других факторов. Для этого были привлечены новые методы получения геохимической информации об ОВ - ЭПР-спектроскопия и пиролиз пород в инертной среде, которые не требуют каких-либо предварительных подготовок проб к анализу, тем самым устраняется влияние химическою воздействия на ОВ. Основы применения данных методов изложены ранее |8. 10].

Всего было исследовано около 50 образцов баженовской свиты, имеющих широкий диапазон пластовых температур (Т_пл), концентраций ОВ (Сорг) и уровней радиоактивности в эквивалентах урана (Uэкв). Радиоактивность определялась на установке ДП-100 с регистрацией b-излучения счетчиком СТС-6. Методом ЭПР определялась концентрация парамагнитных центров (КПЦ) в расчете на Сорг, принимаемая в качестве показателя катагенетического преобразования ОВ [8].

На рис. 1 показаны зависимости этого параметра от Тпл (А) и от содержания Uэкв в ОВ (Б). Зависимость КПЦ от Тпл носит неоднозначный характер. Ожидаемого роста КПЦ с повышением Тпл не наблюдается, можно только отметить резкое различие в параметре для групп образцов с Тпл до 100 °С и выше. Зависимость КПЦ от уровня радиоактивности (Uэкв/ Сорг) более четкая и носит линейный характер. При изменении Uэкв/С_орг в 3 раза параметр КПЦ изменяется в 2,5 раза. Такой характер зависимости подтверждает масштабы воздействия радиации на ОВ баженовской свиты, вычисленные теоретически.

Методом пиролиза в инертной атмосфере были определены: количество УВ низкомолекулярной фракции (J₁), которые преимущественно имеют катагенетическое происхождение, и количество УВ, полученных в результате термической деструкции высокомолекулярной части ОВ (J₂), а также температуры их максимального выделения (Т₁, Т₂). Анализ пирограмм показал, что эти параметры зависят от Тпл и концентрации С_орг; возможно также воздействие литологического состава пород. Поэтому для определения влияния только радиоактивности сравнивались пирограммы образцов, имеющих одинаковую Тпл (один разрез), примерно равное содержание С_орг, единый литологический тип породы и контрастные содержания урана. Для этих образцов на рис. 2 приведены зависимости J₁/C_орг и J₂/Сорг от Uэкв/С_орг. Оказалось, что сильно радиоактивные породы содержат в составе ОВ больше УВ как катагенных, так и УВ высокомолекулярной части ОВ (керогена) по сравнению с менее радиоактивными. Несколько неожиданным, на первый взгляд, было увеличение J₂/С_орг для более радиоактивных пород. Очевидно, здесь мы имеем дело с новообразованием керогена. Причем, как показывают пирограммы образцов после экстракции, этот кероген также нерастворим. Новообразование керогена, но по другому механизму отмечает в своей работе и С.Г. Неручев [4].

Механизм новообразования высоко- и низкомолекулярных УВ известен в радиационной химии органических соединений [1, 2, 5]. Радиолиз последних сопровождается процессами деструкции исходного вещества. При этом возникают радикальные продукты различной молекулярной массы. Часть их рекомбинирует между собой, образуя более высокомолекулярные продукты (процесс сшивания), часть при взаимодействии с окружающей средой остается в виде низкомолекулярных продуктов.

Вероятно, подобные процессы происходят и в природных условиях. Роль температуры в этом случае будет заключаться, по-видимому, в сдвиге радиационно-химических реакций в сторону преобладания процессов деструкции над процессами сшивания. Иначе говоря, при более высокой температуре образовавшиеся под действием излучения радикалы будут более подвижными и чаще взаимодействовать с окружающей средой, оставаясь на низкомолекулярном уровне, соответственно меньшее их число будет рекомбинировать с возникновением высокомолекулярных компонентов.

Такое представление о характере протекания радиационно-термических реакций в естественных условиях подтверждается следующей особенностью зависимостей J₁/C_орг и J₂/C_орг от Uэкв/Сорг (см. рис. 2 ). Для образцов с контрастной радиоактивностью с t_пл равной 76-88 °С разница в содержании катагенных УВ (см. рис. 2, Б) небольшая (слабый наклон прямых). По мере роста t_пл эта разница увеличивается (наклон прямых возрастает) и становится максимальной для наибольшей Тпл = 130°С. Диаметрально противоположно ведет себя параметр J₂/C_opr. Для образцов с Т_пл ниже 100 °С разница в содержании УВ высокомолекулярной части ОВ значительная (наклон прямых наибольший), а для образцов с Т_пл выше 100°С эта разница меньше.

Таким образом, исследование ОВ парод баженовской свиты методом пиролиза показывает, что процесс образования УВ может носить радиационно-термический характер.

Для того чтобы проверить оригинальны ли в этом смысле отложения баженовской свиты, примерно по той же схеме были изучены образцы из фроловской свиты Западной Сибири. Это обычные глины с кларковым содержанием ОВ и РЭ. Для этих образцов также была получена связь между радиоактивностью (U_экв) и параметром J₂/Сорг ( рис 3 ). Расчеты показывают, что доза радиации, поглощенная ОВ в результате прямого воздействия излучения, в 2-5 раз меньше для обычных глин по сравнению с глинами баженовской свиты. Однако если предположить, что хотя бы одна пятая радиационной энергии, поглощенная минеральной частью породы, передается ОВ, то эти дозы уравняются, т.е. в обычных глинах процесс преобразования ОВ будет идти преимущественно по принципу радиационного катализа, а для баженовских глин будет преобладать прямой характер радиационного воздействия.

Итак, подведем итоги. Теоретическая оценка и полученные экспериментальные результаты указывают на существенное влияние процессов радиолиза на преобразование ОВ в породах баженовской свиты. При соответствующих температурах (> 100 °С) эти изменения реализовывались преимущественно в виде процессов нефтеобразования. На это указывают данные пиролитических исследований, а также более общий факт - приуроченность нефтеносности баженовской свиты к районам с максимальной радиоактивностью и повышенной пластовой температурой отложений. В целом процесс преобразования ОВ в породах баженовской свиты будет носить радиационно-термический характер.

Теоретически не исключается возможность такого же влияния радиации на ОВ и для глин с кларковым содержанием ОВ и РЭ, только в этом случае предполагается преимущественно радиационно-термокаталитический механизм превращения ОВ.

Несмотря на некоторую гипотетичность сделанных выводов, можно привести ряд важных следствий, вытекающих из признания предполагаемого механизма образования УВ в осадочных породах.

С позиции радиационно-термического механизма изменения ОВ можно однозначно оценить роль фактора времени (чем древнее отложения, тем выше ПДР ОВ), влияние литологического типа пород (концентрация РЭ растет в ряду: песчаник - алевролит - глина), воздействие морфологических особенностей и способов распределения ОВ в юроде. В таком аспекте рассматривается энергетическая сторона процесса нефтегенерирования, становится понятным сравнительно низкотемпературное образование нефти (60-120 °С). В целом же вполне вероятно, что радиоактивность в зоне абиогенного (катагенетического) превращения ОВ является основным инициатором процесса нефтеобразования, особенно в осадочных бассейнах с умеренными температурными условиями залегания нефтемате-рннских пород.

1. Авдонина Е.Н., Несмеянов Ан.Н. Об образовании высокомолекулярных соединений при радиолизе углеводородов. - Докл. АН СССР, 1980, т. 250, № 2, с. 375-377.
2. Верещинский И.В., Пикаев А.К. Введение в радиационную химию. М., АНСССР. 1963.
3. Вовк И.Ф. Радиолиз подземных води его геохимическая роль. М., Недра, 1979.
4. Геохимические особенности процессов нефте- и газообразования в отложениях баженовской свиты Западно-Сибирской низменности/С.Г. Неручев, Е.А. Рогозина, И.А. Зеличенко, П.А. Трушков. - Изв. АН СССР. Сер. Геол., 1980, № 2, с. 5-16.
5. Действие радиации на органические материалы. Под ред. В.Л. Карпова. М., Атомиздат, 1965.
6. Нестеров И.И. Критерии прогнозов нефтегазоносности. - Труды ЗапСибНИГНИ, М., 1969, вып. 15, с. 110-111.
7. Соколов В.А. Миграция газа и нефти. М., АН СССР, 1956.
8. Тимофеев Г.И., Минеева И.Д., Грушевский В.П. Использование метода ЭПР для характеристики нерастворимого органического вещества пород. - Геология нефти и газа, 1977, № 2 , с. 68-71.
9. Уран, калий и торий в битуминозных породах баженовской свиты Западной Сибири/В.В. Хабаров, О.М. Нелепченко, Е.Н. Волков, О.В. Барташевич - Сов. геология, 1980. № 10, с. 94-105.
10. Barker Colin. Pyrolysis techniques for source-rock evaluation. - AAPG. Bull, 1974,November, vol. 58, no. 11, p. 2349-2361.

Значения КПЦ: 1 - крайние. 2 - средние