Углеводородное дыхание Земли
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В мире ежегодно добывают свыше трех миллиардов тонн нефти и примерно полтора триллиона кубических метров природного газа. Но из недр на поверхность поступает углеводородов много больше. В то время, как ученые скрупулезно подсчитывают оставшееся в недрах природное горючее, наша планета, оказывается, буквально выбрасывает его на ветер. Она непрерывно выдыхает в атмосферу сквозь земную кору огромное количество столь ценимого сейчас сырья. Колоссальные масштабы этого процесса стали известны лишь недавно благодаря сделанным под руководством академика А. В. Сидоренко открытиям ученых, которые и ввели новое в науке понятие «углеводородное дыхание» Земли.
До недавнего времени полагали, что значительные потери планетой углеводородов происходят лишь в зонах их скопления. Были давно известны выходы горючих газов и нефти на земную поверхность. Так, знаменитый храм огнепоклонников близ Баку был основан как раз на месте, где горящие газовые струи вырывались из недр. Рождаемое ими необычайное зрелище запомнил и упомянул потом в своей книге «Хождение за три моря» Афанасий Никитин. «Бака, где огнь горит неугасимый»,— записал путешественник.
Позже на таких участках стали возводить уже сооружения более прозаические, но зато и более полезные — нефтяные вышки. Когда в позапрошлом столетии стала зарождаться нефтяная промышленность, открытые выходы газов были надежным ориентиром для поиска нефтяных залежей и разведочного бурения. Не только на Апшероне, но и в других районах мира таким образом были открыты месторождения нефти. Однако золотой век нефтяной геологии длился недолго. Обнаружилось, что залежи, зарывшиеся в осадочную толщу, не всегда так явно о себе заявляют. Часто они не выдают своего присутствия никакими видимыми проявлениями на поверхности. В то же время выяснилось, что нефтегазовые залежи постоянно выделяют газы, дегазируют, как говорят нефтяники. Из-за этого над ними образуются «ореолы рассеяния» — нимб из газообразных и легких жидких углеводородов.
Мигрируя через горные породы на дальние расстояния, газы могут добираться до верхних подпочвенных слоев и там скапливаться. Так возникла идея — исследуя газосодержание пород, отыскивать по следам невидимых газовых потоков глубоко залегающие скопления углеводородов. Этот принцип лег в основу прямых геохимических методов поиска нефти и газа, которые зародились и впервые в мировой практике были опробованы в Азербайджане в тридцатых годах прошлого ХХ века. Сейчас эти методы прочно вошли в арсенал геологоразведчиков.
Однако, как теперь становится ясным, углеводородные газовые потоки существуют и продвигаются к поверхности не только там, где имеются месторождения. Они могут рождаться много глубже и повсюду, доказывают авторы новой теории, где у земной коры имеется верхний чехол — осадочная толща. Появились прямые доказательства того, что этот процесс носит планетарный характер. Это явление и получило название «углеводородное дыхание» Земли.
В пользу выводов о глобальности этого явления говорит, например, установленное сейчас необычайное обилие углеводородов в подземной гидросфере. Вода, очевидно, перехватывает идущие снизу потоки газов. По последним расчетам ученых, в осадочной толще планеты сосредоточено 1016—1018 кубометров растворенных углеводородных газов. Особенно высока их концентрация в подземных водах нефтегазовых бассейнов. Это в сотни раз превышает известные на сегодня в мире промышленные запасы углеводородного сырья — нефти и газа. Кстати, уже всерьез обсуждается проблема практического использования находящихся в подземных водах растворенных углеводородов этих, по сути дела, еще совершенно не тронутых и практически неисчерпаемых ресурсов ценного сырья. В самом деле, заманчиво: каждая нефтегазовая залежь сможет прожить как бы дважды. После того, как запасы «традиционных» нефти или газа в ней будут исчерпаны, можно будет приступить к добыче «углеводородной воды».
Один кубометр пластовых вод, к примеру, Индоло-Кубанского бассейна содержит восемь кубометров растворенного газа. Особенно важно, что «вторичную продукцию» месторождений можно использовать не только для удовлетворения энергопотребностей, но и в качестве сырья для химической промышленности, как обычные нефть и газ. А если учесть, что в пластовых водах находятся и другие ценные вещества — чуть ли не все элементы таблицы Менделеева, то эксплуатация «газированных» месторождений может оказаться чрезвычайно выгодным со всех точек зрения предприятием. Мировая практика имеет, правда пока незначительный, опыт извлечения растворенных подземных углеводородов. Но в Японии уже сейчас 30 процентов природного газа добывают из подземных вод.
Стетоскоп для недр
Разумеется, нё все углеводороды, что участвуют в «дыхании» планеты, удастся извлекать и пускать в дело. Их концентрация в газовых потоках, просачивающихся на поверхность, как правило, очень мала. Вряд ли поэтому найдут применение тем углеводородам, которыми, как выяснилось, «дышит» даже Большой Кавказ. Это интересное обстоятельство также установили сейчас сотрудники лаборатории природных газов.
«Горные углеводороды»? Звучит пока еще более непривычно, чем «черноморский метан». И как вообще можно обнаружить их присутствие в горах, где воздух, по выражению Лермонтова, «чист, как поцелуй ребенка»?
Сделать это непросто. Используй экспедиция, которая отправилась в горы за углеводородами,— рассказывает Ф. Дадашев,— традиционные методы газовой съемки, пришлось бы Кавказ изрядно перекопать — обычно газообмен атмосферы и земной коры изучается по образцам породы, извлекаемым с небольших глубин. Чтобы составить наиболее полную картину, керн приходится отбирать во многих местах. Но на этот раз в руках ученых был новый прибор — лазерный газоанализатор «Искатель».
«Искатель» удивительно чуток: он улавливает самые слабые газовые потоки и определяет присутствие в атмосфере даже самых микроскопических доз газов.
Подобно приставленному к груди стетоскопу, с помощью которого врачи прослушивают дыхание пациента, лазер изучал «выдохи» Большого Кавказа прямо с поверхности. Делается это так. Небольшой участок земли накрывают колпаком, на несколько минут герметизируя его от окружающего пространства. Эта предосторожность необходима, чтобы случайно в газовом потоке не оказались углеводороды «чужие», со стороны, ведь они могут быть продуктом усиленного дыхания не только недр, но и промышленных установок, автомобилей. Испытывали «Искатель» и в режиме непрерывной работы, когда он выдавал результаты обследования на ходу, по мере движения машины, на которой был установлен.
Так было обнаружено, что горные хребты тихо курятся углеводородными газами. И, что примечательно, здесь их просачивается относительно больше, чем, скажем, в Куринской впадине, где уже разрабатываются нефтегазовые месторождения. Ученые связывают это обстоятельство с тем, что Большой Кавказ находится в зоне повышенной сейсмичности, он разбит глубокими разломами, испещрен многочисленными трещинами, по которым и происходит усиленное выделение газов — дегазация недр. Это еще один факт, подкрепляющий теорию существования у планеты глубинного «углеводородного дыхания», теорию, которая заставляет теперь совершенно по-новому взглянуть на многие обстоятельства в геологической истории планеты, в том числе и формирование залежей нефти и газа. Это значит, и их поиска.
Толчком к появлению этой теории послужили удивительные находки, сделанные геологами на Кольском полуострове в древних формациях Балтийского кристаллического щита. Его слагают породы, образовавшиеся еще в докембрии 2—3 миллиарда лет назад, когда, как считается, жизнь на планете только делала первые шаги. И вот в составе этих древнейших пород были обнаружены углеводородные газы, а также другие вещества органического происхождения, причем в количествах, поразивших воображение ученых. Значит, напрашивался вывод, уже в те отдаленные времена планета, по-видимому, обладала богатым растительным покровом и на ней существовали условия для образования первичных нефти и газа.
До сих пор предполагали, что в докембрийские времена, хотя и могло происходить накопление органического материала, но крайне скудно, только за счет морских планктонных организмов. «Временем нефти» поэтому называют значительно более поздние эпохи — палеозой и следующие за ним мезозой и кайнозой. В этот период, 500—600 миллионов лет назад, когда на планете буйствовала растительность, началось, по широко распространенному мнению, интенсивное накопление углеводородов. Теперь это представление приходится пересматривать, отодвинув время рождения нефти на много лет. Она могла появиться на Земле еще 2—3 миллиарда лет назад. Именно тогда и начало формироваться у нашей планеты «углеводородное дыхание».
Дальнейшие исследования ученых сделали предположения фактом: на поверхности земной коры и в ее верхних частях, начиная с самых древнейших этапов, были широко распространены биогенные процессы, связанные с жизнедеятельностью живых организмов. Это способствовало накоплению еще в докембрийские времена в первичных осадках заметных количеств органических веществ. А это значит, что уже тогда могло начаться образование твердых, жидких и газообразных углеводородов, что было неразрывно связано с развитием горных пород, в которых концентрировалась органическая масса. Сейчас предполагают, что «производство» этих самых ранних нефти и газа могло происходить по такой технологии: тектонические процессы, подобно гигантским миксерам, перемешивали горные породы. С земной поверхности они перемещались на большие глубины, где подвергались воздействию очень высоких температур и давлений. Это приводило к необратимым изменениям пород — так, из осадочных они могли превратиться в кристаллические. Из таких пород сложен, в частности, Балтийский кристаллический щит на Кольском полуострове.
В общем котле земных глубин вместе с горной массой переплавлялись, претерпевали изменения и заключенные в ней остатки органических веществ. Из них образовывались графит, метан и другие углеводороды. Оказавшись в составе теперь уже не рыхлых, а чрезвычайно плотных пород, эти вещества как бы консервировались в них. Метан, наиболее химически устойчивый газ, попав, как в капкан, в кристаллическую решетку минералов, превратившихся в практически непроницаемые, становился их вечным пленником. Но при разрушении, дроблении горных пород, происходивших во время различного рода тектонических явлений, газ вырывался на свободу. Этот процесс и породил глубинную дегазацию недр — их «углеводородное дыхание», начавшееся много миллионов лет назад и продолжающееся поныне.
Некоторые ученые считают, что эта дегазация первичных углеводородов внесла существенную лепту в формирование нефтяных и газовых месторождений в рыхлых чехлах континентов. Поэтому, по их мнению, есть реальная надежда, что на больших глубинах, в нижних этажах осадочной толщи существуют значительные скопления ценного сырья, еще ждущие своего часа.
«Углеводородное дыхание» дает о себе знать только там, где существует осадочная толща — стратисфера, как называют ее геологи. А она имеется на планете почти всюду, занимает 75 процентов поверхности земной коры. Это наглядно показывает, насколько глобален процесс углеводородной дегазации недр. Но толщина стратисферы в различных зонах сильно колеблется. На суше в районах древних платформ мощность осадочной оболочки чаще всего один—четыре километра, а в районах горных складчатых областей значительно больше. В глубоких впадинах толщина этих пород достигает 10—12 километров. В Южно-Каспийской впадине, самой глубокой в мире, мощность осадочного чехла по сейсмическим данным составляет 20—25 километров. Вот почему эта зона, занимающая огромную территорию — от Сурамского перевала на западе и до Копетдага на востоке — представляет особый интерес для геохимиков.
На территории впадины располагаются многочисленные нефтяные и газовые месторождения Азербайджана, Западной Туркмении, а также морские залежи Южного Каспия. Но, как считают, еще много нефти и газа скрыто на глубинах, мало доступных пока современному бурению. Поэтому «углеводородное дыхание» ученые рассматривают как депешу из глубин с важными сведениями о содержимом земных недр, на основании которых можно составлять планы глубокого разведочного бурения.
Земля выдыхает углеводороды неравномерно. Это связано не только с различиями в размещении стратисферы, но и с другими особенностями в строении недр. В зонах сейсмически активных выброс углеводородов происходит интенсивнее. Любопытно, что «углеводородное дыхание», по наблюдениям азербайджанских геохимиков, подвержено даже суточным колебаниям. Ночью это дыхание у планеты заметно слабеет, словно она погружается в сон. Похоже, что в это время Земля даже совершает что-то, напоминающее вдох, возвращая в свое лоно некоторую часть исторгнутых днем газов. Лазерный «Искатель» зафиксировал, что ночью углеводородные потоки частично меняют направление и устремляются из атмосферы в почву.
Нефтепереработка в атмосфере
Выходит, Земля, подобно живому существу, может делать не только «выдохи», но и «вдохи». Природа этого явления остается пока загадочной для ученых, однако уже вырисовывается некоторая перспектива его практического использования, правда, «на первый взгляд довольно фантастическая», как осторожно заметил Ф. Дадашев, рассказывая о вынашиваемой идее.
Если уже установлено, что есть зоны, где недра усиленно выдыхают газы, то, очевидно, могут быть и участки, где происходит их более интенсивное засасывание. Эти своеобразные каналы (не применимо ли здесь слово «мусоропровод»?) можно будет приспособить для очистки воздушных бассейнов промышленных центров. Но необходимо постичь все тонкости работы необычного «откачивающего» механизма, о котором известно еще очень немного. Быть может, и режим, предприятий, связанных с газовыми выбросами в атмосферу, надо построить так, чтобы этот процесс происходил в ночное время, наиболее благоприятное для возврата газов в недра. Тут надо учесть еще одно обстоятельство — на поверхности земной коры особенно активно протекают биохимические процессы с участием газов, включая и их поглощение.
Здесь существует мощный бактериальный фильтр, который оказывает огромное влияние на газообмен в системе «земная кора — атмосфера». Кстати, бактерии способны создавать метан не только в водной среде, как в упомянутом озере Киву, но и на суше. К примеру, одно из самых крупных в мире Уренгойское месторождение природного газа в Западной Сибири своим рождением обязано деятельности невидимых организмов. Научиться управлять естественными биохимическими процессами, в которых участвуют газы, — быть может, еще один путь в решении так остро вставшей перед человечеством проблемы сохранения биосферы.
— Конечно, практическое использование «углеводородного дыхания» для очистки окружающей среды,— еще раз подчеркивает ученый,— это пока не больше, чем «информация к размышлению». Предстоит найти ответы на множество вопросов.
Но на некоторые из них ученые могут ответить определенно уже сейчас. Например, на такой: что происходит с теми углеводородами, которые Земля, выдохнув, не успевает забрать назад,— а их большинство,— какова их дальнейшая судьба?
Еще до того, как стали вырисовываться истинные масштабы утраты планетой углеводородов, были произведены попытки теоретически подсчитать, сколько их уходит в воздух в районах интенсивной нефтедобычи. Такие расчеты необходимы, чтобы иметь представление о возможных скоростях распада залежей, для подсчета запасов углеводородного сырья. Азербайджанские ученые полагают, что с территории страны за год в атмосферу выделяется примерно 40 тысяч тонн углеводородных газов. Если же взять всю Южно-Каспийскую впадину, то за четвертичный период, то есть за последний миллион лет, она выбросила на воздух по приблизительным подсчетам 36 миллиардов тонн углеводородов, а за все время существования — 2 триллиона.
Правда, здесь существуют разногласия между исследователями. Одни считают, что дегазация впадины началась практически с момента ее возникновения в мезо-кайнозойскую эпоху и происходила все время с примерно равной интенсивностью, возможно, пониженной лишь в начальной стадии. Другие ученые отстаивают мнение, что газовыделения из впадины начались лишь в последний период. И поэтому ее потери не могли превышать 300 миллиардов тонн. Но даже при этом варианте, если учесть газовыделения не только Южно-Каспийской впадины, а всей осадочной толщи, и за несоизмеримо более длительный срок существования «углеводородного дыхания», то количество газов, заброшенных недрами в атмосферу, выразится астрономическими цифрами. Масса воздушной оболочки планеты составляет 5.1015 тонн, и, сохранись все эти углеводороды в ее составе, их концентрация здесь доходила бы до нескольких процентов.
Между тем метан в атмосфере присутствует лишь в виде микропримесей, составляющих не более 10-4 процента. Куда же исчезают углеводороды? Они перерабатываются в атмосфере, которая выполняет, по сути дела, функции гигантского нефтеперерабатывающего завода, использующего углеводороды в качестве сырья для производства углекислого газа и воды. Дело в том, что воздушная масса отнюдь не является химически инертной средой, в ней осуществляются различные реакции. Под действием солнечного и космического излучения происходит ионизация — образование из молекул кислорода, азота и других компонентов атмосферы, чрезвычайно реакционно-способных атомов. Эти-то ионизированные молекулы и атомы кислорода, а также озона и способствуют постоянному окислению углеводородов в воздухе.
Причем озон настолько активный окислитель, что способен «вырабатывать» из углеводородного сырья воду и углекислый газ даже при обычных температурах нижних слоев воздуха. Понятно поэтому, что жизнь углеводородов в воздухе скоротечна, как у мотыльков, вылетающих из кокона. Те же микропримеси этих газов, что содержатся в атмосфере,— очевидно, остатки еще не успевших окислиться углеводородов.
Возникает вопрос: не нарушат ли столь хорошо налаженную технологию «атмосферной переработки» растущие выбросы газов уже непосредственно с самой поверхности земли — от промышленных установок, двигателей внутреннего сгорания?
Пока выбросы «техногенных углеводородов», отвечает на вопрос Ф. Дадашев, незначительны в сравнении с естественными, и атмосфера успешно справляется с дополнительной работой — их она также окисляет, превращая в воду и углекислый газ. Однако высказываются опасения, что растущая загрязненность воздушного бассейна, накопление аэрозолей в атмосфере, наблюдаемое уменьшение озона — эти и другие факторы могут в будущем отрицательным образом сказаться на утилизации биосферой углеводородов. Так что к «углеводородному дыханию» начинают внимательно прислушиваться не только геохимики, геологи, но и экологи. К этому списку надо добавить и сейсмологов.
Многие ученые склонны усматривать прямую связь между дегазацией недр и землетрясениями. Исследования в этой области ведутся в Азербайджане, где пытаются определить формулу взаимоотношений между «углеводородным дыханием» и стихией недр. Любое землетрясение готовится в недрах исподволь, в течение длительного времени.
Распознать зарождение этого процесса задолго до того, как он сам о себе заявит самым нежелательным образом,— значит научиться прогнозировать одно из самых страшных стихийных бедствий. Быть может, одним из таких ранних признаков зарождающегося катаклизма в недрах и окажется «углеводородное дыхание». Уже давно замечено, что по совершенно, казалось бы, загадочным причинам в некоторых скважинах вдруг резко менялся приток нефти и газа. Не сразу обратили внимание на то, что спустя какое-то время недра в этих районах содрогались от землетрясения. Когда попытались связать эти явления, то выяснилось, что в преддверии катастрофических сдвигов в земной коре дыхание планеты в этом участке как бы учащается, приобретает импульсно-взрывной характер, а масштабы газовых выбросов во много раз вырастают. Резко меняется химический и изотопный состав газов, вплоть до того, что они могут утратить свой тип. Все эти признаки, считают специалисты, могут служить сигналом приближающейся опасности.
Исследования, выполненные в Институте геологии и научном центре «Геофизика» Академии наук Азербайджана, где разрабатывают методы и аппаратуру для прогнозирования землетрясений, показали, что формирование газовых аномалий начинается задолго до землетрясения — примерно за несколько месяцев. В области очага образуется большое количество микротрещин, что увеличивает объем пород. Источником энергии, создающей трещины, служат упругие напряжения, достигшие поверхности. Подобные нарушения динамического равновесия земной коры являются заводным механизмом для газов. Их движение уже не напоминает то тихое, безмятежное состояние, в котором они обычно совершают свой долгий путь в породах. Сейчас они мчатся, подхваченные «флюидной волной» — она возникает в результате передачи энергии от атома к атому, от молекулы к молекуле. Докатываясь до поверхности, эти волны резко меняют концентрацию газов на границе земная поверхность — атмосфера. Причем, как замечено, своего максимума концентрация достигает непосредственно перед началом землетрясения.
Таким образом, внимательно изучив все особенности дыхания недр, можно будет заранее ставить диагноз, и определять будущий очаг и время землетрясения. Эти методы уже пытаются осуществить на практике. Причем в качестве информаторов о состоянии недр надеются использовать различные газы — из тех, которые присутствуют в дыхании Земли. А гамма их чрезвычайно разнообразна. Планета постоянно выдыхает углекислый газ, пары воды, аммиак, азот, водород, гелий, аргон и другие вещества.
Углеводородная дегазация — составная часть общего газового дыхания Земли, одного из важнейших звеньев в жизнедеятельности нашей планеты. Оно сыграло особую роль в ее формировании и эволюции. В частности, своим строением, наличием оболочек, включая гидросферу и атмосферу, Земля обязана именно газовому дыханию, которое возникло уже тогда, когда из протопланетного облака начала рождаться наша будущая планета.
Выделившиеся из него наиболее легкие и летучие вещества образовали первичную атмосферу, а более тяжелые — первую земную твердь. С возникновением жизни на Земле у планеты появилось то, что можно назвать вторым дыханием. Оно зародилось, как теперь представляется, раньше, чем атмосфера земного шара стала принимать свой современный облик. И подобно тому, как свет далеких звезд рассказывает о недоступных пока человеку космических далях, так выбивающееся на поверхность «углеводородное дыхание» несет информацию о глубинных пластах, помогает проникнуть в тайны прошлого нашей планеты.
Автор: И. Усейнова.