Вуглеводневе дихання Землі

У світі щорічно видобувають понад три мільярди тонн нафти і приблизно півтора трильйона кубічних метрів природного газу. Але з надр на поверхню надходить вуглеводнів багато більше. У той час, як вчені скрупульозно підраховують залишене в надрах природне пальне, наша планета, виявляється, буквально викидає його на вітер. Вона безперервно видихає в атмосферу крізь земну кору величезну кількість настільки цінної зараз сировини. Колосальні масштаби цього процесу стали відомі лише недавно завдяки зробленим під керівництвом академіка А. В. Сидоренко відкриттів вчених, які і ввели нове в науці поняття «вуглеводневе дихання» Землі.

До недавнього часу вважали, що значні втрати планетою вуглеводнів відбуваються лише в зонах їх скупчення. Були давно відомі виходи горючих газів і нафти на земну поверхню. Так, знаменитий храм вогнепоклонників поблизу Баку був заснований якраз на місці, де палаючі газові струмені виривалися з надр. Народжуване ними надзвичайне видовище запам’ятав і згадав потім у своїй книзі «Ходіння за три моря» Афанасій Нікітін. «Бака, де вогонь горить незгасимий» — записав мандрівник.

Пізніше на таких ділянках стали зводити вже споруди більш прозові, але зате і більш корисні — нафтові вишки. Коли в позаминулому столітті стала зароджуватися нафтова промисловість, відкриті виходи газів були надійним орієнтиром для пошуку нафтових покладів і розвідувального буріння. Не тільки на Апшероні, але і в інших районах світу таким чином були відкриті родовища нафти. Однак Золотий Вік нафтової геології тривав недовго. Виявилося, що поклади, які зарилися в осадову товщу, не завжди так явно про себе заявляють. Часто вони не видають своєї присутності ніякими видимими проявами на поверхні. У той же час з’ясувалося, що нафтогазові поклади постійно виділяють гази, дегазують, як кажуть нафтовики. Через це над ними утворюються «ореоли розсіювання» — німб з газоподібних і легких рідких вуглеводнів.

Мігруючи через гірські породи на далекі відстані, гази можуть добиратися до верхніх підгрунтових шарів і там накопичуватися. Так виникла ідея – досліджуючи газовміст порід, відшукувати по слідах невидимих газових потоків глибоко залягаючі скупчення вуглеводнів. Цей принцип ліг в основу прямих геохімічних методів пошуку нафти і газу, які зародилися і вперше у світовій практиці були випробувані в Азербайджані в тридцятих роках минулого ХХ століття. Зараз ці методи міцно увійшли в арсенал геологорозвідників.

Однак, як тепер стає ясним, вуглеводневі газові потоки існують і просуваються до поверхні не тільки там, де є родовища. Вони можуть народжуватися багато глибше і всюди, доводять автори нової теорії, де у земної кори є верхній чохол — осадова товща. З’явилися прямі докази того, що цей процес носить планетарний характер. Це явище і отримало назву «вуглеводневе дихання» Землі.

На користь висновків про глобальність цього явища говорить, наприклад, встановлена зараз надзвичайна велика кількість вуглеводнів в підземній гідросфері. Вода, очевидно, перехоплює потоки газів, що йдуть знизу. За останніми розрахунками вчених, в осадовій товщі планети зосереджено 10¹⁶—10¹⁸ кубометрів розчинених вуглеводневих газів. Особливо висока їх концентрація в підземних водах нафтогазових басейнів. Це в сотні разів перевищує відомі на сьогодні в світі промислові запаси вуглеводневої сировини – нафти і газу. До речі, вже всерйоз обговорюється проблема практичного використання наявних в підземних водах розчинених вуглеводнів цих, по суті справи, ще абсолютно не зворушених і практично невичерпних ресурсів цінної сировини. Справді, заманливо: кожен нафтогазовий поклад зможе прожити як би двічі. Після того, як запаси «традиційних» нафти або газу в ній будуть вичерпані, можна буде приступити до видобутку «вуглеводневої води».

Один кубометр пластових вод, наприклад, Індоло-Кубанського басейну містить вісім кубометрів розчиненого газу. Особливо важливо, що «вторинну продукцію» родовищ можна використовувати не тільки для задоволення енергоспоживань, але і в якості сировини для хімічної промисловості, як звичайні нафта і газ. А якщо врахувати, що в пластових водах знаходяться й інші цінні речовини — мало не всі елементи таблиці Менделєєва, то експлуатація «газованих» родовищ може виявитися надзвичайно вигідним з усіх точок зору підприємством. Світова практика має, правда поки незначний, досвід вилучення розчинених підземних вуглеводнів. Але в Японії вже зараз 30 відсотків природного газу видобувають з підземних вод.

Стетоскоп для надр

Зрозуміло, не всі вуглеводні, що беруть участь в «диханні» планети, вдасться витягувати і пускати в справу. Їх концентрація в газових потоках, що просочуються на поверхню, як правило, дуже мала. Навряд чи тому знайдуть застосування тим вуглеводням, якими, як з’ясувалося, «дихає» навіть Великий Кавказ. Цю цікаву обставину також встановили зараз співробітники лабораторії природних газів.

«Гірські вуглеводні»? Звучить поки ще більш незвично, ніж «Чорноморський метан». І як взагалі можна виявити їх присутність в горах, де повітря, за висловом Лермонтова, «чисте, як поцілунок дитини»?

Зробити це непросто. Використовуй експедиція, яка вирушила в гори за вуглеводнями,— розповідає Ф. Дадашев,— традиційні методи газової зйомки, довелося б Кавказ неабияк перекопати — зазвичай газообмін атмосфери і земної кори вивчається за зразками породи, що витягується з невеликих глибин. Щоб скласти найбільш повну картину, керн доводиться відбирати в багатьох місцях. Але на цей раз в руках вчених був новий прилад — лазерний газоаналізатор «шукач».

«Шукач» дивно чуйний: він вловлює найслабші газові потоки і визначає присутність в атмосфері навіть самих мікроскопічних доз газів.

Подібно приставленому до грудей стетоскопу, за допомогою якого лікарі прослуховують дихання пацієнта, лазер вивчав «видихи» Великого Кавказу прямо з поверхні. Робиться це так. Невелику ділянку землі накривають ковпаком, на кілька хвилин герметизуючи її від навколишнього простору. Ця обережність необхідна, щоб випадково в газовому потоці не опинилися вуглеводні «чужі», з боку, адже вони можуть бути продуктом посиленого дихання не тільки надр, а й промислових установок, автомобілів. Випробовували «шукач» і в режимі безперервної роботи, коли він видавав результати обстеження на ходу, у міру руху машини, на якій був встановлений.

Так було виявлено, що гірські хребти тихо куряться вуглеводневими газами. І, що примітно, тут їх просочується відносно більше, ніж, скажімо, в Курінській западині, де вже розробляються нафтогазові родовища. Вчені пов’язують цю обставину з тим, що Великий Кавказ знаходиться в зоні підвищеної сейсмічності, він розбитий глибокими розломами, поцяткований численними тріщинами, по яких і відбувається посилене виділення газів — дегазація надр. Це ще один факт, що підкріплює теорію існування у планети глибинного «вуглеводневого дихання», теорію, яка змушує тепер абсолютно по-новому поглянути на багато обставин в геологічній історії планети, в тому числі і формування покладів нафти і газу. Це означає, і їх пошук.

Поштовхом до появи цієї теорії послужили дивовижні знахідки, зроблені геологами на Кольському півострові в древніх формаціях Балтійського кристалічного щита. Його складають породи, що утворилися ще в докембрії 2-3 мільярди років тому, коли, як вважається, життя на планеті тільки робило перші кроки. І ось у складі цих найдавніших порід були виявлені вуглеводневі гази, а також інші речовини органічного походження, причому в кількостях, що вразили уяву вчених. Значить, напрошувався висновок, вже в ті віддалені часи планета, мабуть, володіла багатим рослинним покривом і на ній існували умови для утворення первинних нафти і газу.

До сих пір припускали, що в докембрійські часи, хоча і могло відбуватися накопичення органічного матеріалу, але вкрай бідно, тільки за рахунок морських планктонних організмів. «Часом нафти» тому називають значно пізніші епохи — палеозою і наступні за ним мезозою і кайнозою. У цей період, 500-600 мільйонів років тому, коли на планеті буяла рослинність, почалося, на широко поширену думку, інтенсивне накопичення вуглеводнів. Тепер це уявлення доводиться переглядати, відсунувши час народження нафти на багато років. Вона могла з’явитися на Землі ще 2-3 мільярди років тому. Саме тоді і почало формуватися у нашої планети «вуглеводневе дихання».

Подальші дослідження вчених зробили припущення фактом: на поверхні земної кори і в її верхніх частинах, починаючи з найдавніших етапів, були широко поширені біогенні процеси, пов’язані з життєдіяльністю живих організмів. Це сприяло накопиченню ще в докембрійські часи в первинних опадах помітних кількостей органічних речовин. А це означає, що вже тоді могло початися утворення твердих, рідких і газоподібних вуглеводнів, що було нерозривно пов’язано з розвитком гірських порід, в яких концентрувалася органічна маса. Зараз припускають, що «виробництво» цих самих ранніх нафти і газу могло відбуватися за такою технологією: тектонічні процеси, подібно гігантським міксерам, перемішували гірські породи. З земної поверхні вони переміщалися на великі глибини, де піддавалися впливу дуже високих температур і тисків. Це призводило до незворотних змін порід – так, з осадових вони могли перетворитися на кристалічні. З таких порід складений, зокрема, Балтійський кристалічний щит на Кольському півострові.

У загальному котлі земних глибин разом з гірською масою переплавлялися, зазнавали змін і укладені в ній залишки органічних речовин. З них утворювалися графіт, метан та інші вуглеводні. Опинившись в складі тепер вже не пухких, а надзвичайно щільних порід, ці речовини як би консервувалися в них. Метан, найбільш хімічно стійкий газ, потрапивши, як в капкан, в кристалічну решітку мінералів, що перетворилися в практично непроникні, ставав їх вічним бранцем. Але при руйнуванні, дробленні гірських порід, що відбувалися під час різного роду тектонічних явищ, газ виривався на свободу. Цей процес і породив глибинну дегазацію надр – їх «вуглеводневе дихання», що почалося багато мільйонів років тому і триває понині.

Деякі вчені вважають, що ця дегазація первинних вуглеводнів внесла істотну лепту у формування нафтових і газових родовищ в пухких чохлах континентів. Тому, на їхню думку, є реальна надія, що на великих глибинах, в нижніх поверхах осадової товщі існують значні скупчення цінної сировини, що ще чекають своєї години.

«Вуглеводневе дихання» дає про себе знати тільки там, де існує осадова товща — стратисфера, як називають її геологи. А вона є на планеті майже всюди, займає 75 відсотків поверхні земної кори. Це наочно показує, наскільки глобальний процес вуглеводневої дегазації надр. Але товщина стратисфери в різних зонах сильно коливається. На суші в районах древніх платформ потужність осадової оболонки найчастіше один-чотири кілометри, а в районах гірських складчастих областей значно більше. У глибоких западинах товщина цих порід досягає 10-12 кілометрів. У Південно-Каспійській западині, найглибшій у світі, потужність осадового чохла за сейсмічними даними становить 20-25 кілометрів. Ось чому ця зона, що займає величезну територію – від сурамського перевалу на Заході і до Копетдагу на сході – представляє особливий інтерес для геохіміків.

На території западини розташовуються численні нафтові і газові родовища Азербайджану, Західної Туркменії, а також морські поклади Південного Каспію. Але, як вважають, ще багато нафти і газу приховано на глибинах, мало доступних поки сучасному бурінню. Тому «вуглеводневе дихання» вчені розглядають як депешу з глибин з важливими відомостями про вміст земних надр, на підставі яких можна складати плани глибокого розвідувального буріння.

Земля видихає вуглеводні нерівномірно. Це пов’язано не тільки з відмінностями в розміщенні стратисфери, а й з іншими особливостями в будові надр. У зонах сейсмічно активних викид вуглеводнів відбувається інтенсивніше. Цікаво, що «вуглеводневе дихання», за спостереженнями Азербайджанських геохіміків, схильне навіть добовим коливанням. Вночі це дихання у планети помітно слабшає, немов вона занурюється в сон. Схоже, що в цей час Земля навіть робить щось, що нагадує вдих, повертаючи в своє лоно деяку частину викинутих днем газів. Лазерний «шукач» зафіксував, що вночі вуглеводневі потоки частково змінюють напрямок і спрямовуються з атмосфери в грунт.

Нафтопереробка в атмосфері

Виходить, Земля, подібно живій істоті, може робити не тільки «видихи», а й «вдихи». Природа цього явища залишається поки загадковою для вчених, проте вже вимальовується деяка перспектива його практичного використання, правда «на перший погляд досить фантастична», як обережно зауважив Ф. Дадашев, розповідаючи про виношувані ідеї.

Якщо вже встановлено, що є зони, де надра посилено видихають гази, то, очевидно, можуть бути і ділянки, де відбувається їх більш інтенсивне засмоктування. Ці своєрідні канали (чи не застосовується тут слово «сміттєпровід»?) можна буде пристосувати для очищення повітряних басейнів промислових центрів. Але необхідно осягнути всі тонкощі роботи незвичайного «відкачувального» механізму, про який відомо ще дуже небагато. Бути може, і режим, пов’язаний з газовими викидами в атмосферу, треба побудувати так, щоб цей процес відбувався в нічний час, найбільш сприятливий для повернення газів в надра. Тут треба врахувати ще одну обставину – на поверхні земної кори особливо активно протікають біохімічні процеси за участю газів, включаючи і їх поглинання.

Тут існує потужний бактеріальний фільтр, який має величезний вплив на газообмін в системі «земна кора — атмосфера». До речі, бактерії здатні створювати метан не тільки у водному середовищі, як у згаданому озері Ківу, але і на суші. Наприклад, одне з найбільших у світі Уренгойське родовище природного газу в Західному Сибіру своїм народженням зобов’язане діяльності невидимих організмів. Навчитися управляти природними біохімічними процесами, в яких беруть участь гази, — бути може, ще один шлях у вирішенні так гостро посталої перед людством проблеми збереження біосфери.

– Звичайно, практичне використання «вуглеводневого дихання» для очищення навколишнього середовища, — ще раз підкреслює вчений,— це поки не більше, ніж «інформація до роздумів». Належить знайти відповіді на безліч питань.

Але на деякі з них вчені можуть відповісти виразно вже зараз. Наприклад, на таке: що відбувається з тими вуглеводнями, які Земля, видихнувши, не встигає забрати назад — а їх більшість, – яка їх подальша доля?

Ще до того, як стали вимальовуватися справжні масштаби втрати планетою вуглеводнів, були зроблені спроби теоретично підрахувати, скільки їх йде в повітря в районах інтенсивного нафтовидобутку. Такі розрахунки необхідні, щоб мати уявлення про можливі швидкості розпаду покладів, для підрахунку запасів вуглеводневої сировини. Азербайджанські вчені вважають, що з території країни за рік в атмосферу виділяється приблизно 40 тисяч тонн вуглеводневих газів. Якщо ж взяти всю Південно-Каспійську западину, то за четвертинний період, тобто за останній мільйон років, вона викинула на повітря за приблизними підрахунками 36 мільярдів тонн вуглеводнів, а за весь час існування — 2 трильйони.

Правда, тут існують розбіжності між дослідниками. Одні вважають, що дегазація западини почалася практично з моменту її виникнення в мезо-кайнозойську епоху і відбувалася весь час з приблизно рівною інтенсивністю, можливо, зниженою лише в початковій стадії. Інші вчені відстоюють думку, що газовиділення з западини почалися лише в останній період. І тому її втрати не могли перевищувати 300 мільярдів тонн. Але навіть при цьому варіанті, якщо врахувати газовиділення не тільки Південно-Каспійської западини, а всієї осадової товщі, і за незрівнянно більш тривалий термін існування «вуглеводневого дихання», то кількість газів, закинутих надрами в атмосферу, виразиться астрономічними цифрами. Маса повітряної оболонки планети становить 5.10¹⁵ тонн, і, збережися всі ці вуглеводні в її складі, їх концентрація тут доходила б до декількох відсотків.

Тим часом метан в атмосфері присутній лише у вигляді мікродомішок, що складають не більше 10^-4 відсотка. Куди ж зникають вуглеводні? Вони переробляються в атмосфері, яка виконує, по суті справи, функції гігантського нафтопереробного заводу, що використовує вуглеводні в якості сировини для виробництва вуглекислого газу і води. Справа в тому, що повітряна маса аж ніяк не є хімічно інертним середовищем, в ній здійснюються різні реакції. Під дією сонячного і космічного випромінювання відбувається іонізація – утворення з молекул кисню, азоту та інших компонентів атмосфери, надзвичайно реакційно-здатних атомів. Ці-то іонізовані молекули і атоми кисню, а також озону і сприяють постійному окисленню вуглеводнів у повітрі.

Причому озон настільки активний окислювач, що здатний «виробляти» з вуглеводневої сировини воду і вуглекислий газ навіть при звичайних температурах нижніх шарів повітря. Зрозуміло тому, що життя вуглеводнів в повітрі швидкоплинне, як у метеликів, що вилітають з кокона. Ті ж мікродомішки цих газів, що містяться в атмосфері,— очевидно, залишки ще не встиглих окислитися вуглеводнів.

Виникає питання: чи не порушать настільки добре налагоджену технологію «атмосферної переробки» зростаючі викиди газів вже безпосередньо з самої поверхні землі – від промислових установок, двигунів внутрішнього згоряння?

Поки викиди «техногенних вуглеводнів», відповідає на питання Ф. Дадашев, незначні в порівнянні з природними, і атмосфера успішно справляється з додатковою роботою — їх вона також окисляє, перетворюючи у воду і вуглекислий газ. Однак висловлюються побоювання, що зростаюча забрудненість повітряного басейну, накопичення аерозолів в атмосфері, спостережуване зменшення озону — ці та інші фактори можуть в майбутньому негативним чином позначитися на утилізації біосферою вуглеводнів. Так що до «вуглеводневого дихання» починають уважно прислухатися не тільки геохіміки, геологи, а й екологи. До цього списку треба додати і сейсмологів.

Багато вчених схильні вбачати прямий зв’язок між дегазацією надр і землетрусами. Дослідження в цій галузі ведуться в Азербайджані, де намагаються визначити формулу взаємовідносин між «вуглеводневим диханням» і стихією надр. Будь-який землетрус готується в надрах поволі, протягом тривалого часу.

Розпізнати зародження цього процесу задовго до того, як він сам про себе заявить самим небажаним чином,— значить навчитися прогнозувати одне з найстрашніших стихійних лих. Бути може, одною з таких ранніх ознак катаклізму, що зароджується в надрах і виявиться «вуглеводневе дихання». Вже давно помічено, що з абсолютно, здавалося б, загадкових причин в деяких свердловинах раптом різко змінювався приплив нафти і газу. Не відразу звернули увагу на те, що через якийсь час надра в цих районах здригалися від землетрусу. Коли спробували пов’язати ці явища, то з’ясувалося, що напередодні катастрофічних зрушень в земній корі дихання планети в цій ділянці як би частішає, набуває імпульсно-вибуховий характер, а масштаби газових викидів у багато разів виростають. Різко змінюється хімічний і ізотопний склад газів, аж до того, що вони можуть втратити свій тип. Всі ці ознаки, вважають фахівці, можуть служити сигналом небезпеки, що наближається.

Дослідження, виконані в Інституті геології та науковому центрі «Геофізика» Академії наук Азербайджану, де розробляють методи і апаратуру для прогнозування землетрусів, показали, що формування газових аномалій починається задовго до землетрусу — приблизно за кілька місяців. В області вогнища утворюється велика кількість мікротріщин, що збільшує обсяг порід. Джерелом енергії, що створює тріщини, служать пружні напруги, що досягли поверхні. Подібні порушення динамічної рівноваги земної кори є заводним механізмом для газів. Їх рух вже не нагадує той тихий, безтурботний стан, в якому вони зазвичай роблять свій довгий шлях в породах. Зараз вони мчать, підхоплені «флюїдною хвилею» – вона виникає в результаті передачі енергії від атома до атома, від молекули до молекули. Докочуючись до поверхні, ці хвилі різко змінюють концентрацію газів на кордоні земна поверхня — атмосфера. Причому, як помічено, свого максимуму концентрація досягає безпосередньо перед початком землетрусу.

Таким чином, уважно вивчивши всі особливості дихання надр, можна буде заздалегідь ставити діагноз, і визначати майбутнє вогнище і час землетрусу. Ці методи вже намагаються здійснити на практиці. Причому в якості інформаторів про стан надр сподіваються використовувати різні гази – з тих, які присутні в диханні Землі. А гамма їх надзвичайно різноманітна. Планета постійно видихає вуглекислий газ, пари води, аміак, азот, водень, гелій, аргон та інші речовини.

Вуглеводнева дегазація – складова частина загального газового дихання Землі, одної з найважливіших ланок в життєдіяльності нашої планети. Вона зіграла особливу роль в її формуванні та еволюції. Зокрема, своєю будовою, наявністю оболонок, включаючи гідросферу і атмосферу, Земля зобов’язана саме газовому диханню, яке виникло вже тоді, коли з протопланетної хмари почала народжуватися наша майбутня планета.

Виділені з неї найбільш легкі і летючі речовини утворили первинну атмосферу, а більш важкі — першу земну твердь. З виникненням життя на Землі у планети з’явилося те, що можна назвати другим диханням. Воно зародилося, як тепер видається, раніше, ніж атмосфера Земної кулі стала приймати свій сучасний вигляд. І подібно до того, як світло далеких зірок розповідає про недоступні поки людині космічні далі, так «вуглеводневе дихання», що вибивається на поверхню несе інформацію про глибинні пласти, допомагає проникнути в таємниці минулого нашої планети.

Автор: І. Усейнова.