Каустобиолиты

1. ВВЕДЕНИЕ

         Каустобиолиты – это горные горючие ископаемые, обогащенные органическим веществом (Потонье 1908г.) При этом под органическим веществом понимается вещество, сложенное органическими компонентами в форме мономеров или полимеров, которые прямо или косвенно возникли из живого вещества. Минеральные компоненты: раковины, кости, зубы не входят в его состав.  

     2. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ КАУСТОБИОЛИТОВ НЕФТЯНОГО РЯДА - ПРИРОДНЫХ БИТУМОВ 

2.1 Объем и содержание термина «битум»

       В природе существуют многочисленные проявления и промышленные скопления минеральных веществ, которые являются продуктами изменения непосредственно нефти или дальнейшего изменения ее производных, состоящих в основном из углерода и водорода. Это мальты, озокериты, асфальты, асфальтиты, кериты и другие вещества, получившие название природных битумов. Они могут быть растворимы и нерастворимы в органических растворителях, иметь жидкую, вязкую или твёрдую консистенцию, но обязательной чертой битумов является эпигенетичность по отношению к вмещающей породе, то есть - миграционная природа их скоплений.

     Термин  «битум» имеет древнее происхождение. В настоящее время он применяется  в трех несколько различных понятиях: генетическом, аналитическом и техническом. Генетическое понятие включает каустобиолиты нефтяного ряда (нафтиды) и их аналоги - нафтоиды .

     Аналитическое понятие включает все вещества, извлекаемые  из горных пород органическими растворителями. Эти вещества называются по Н.Б. Вассоевичу битумоидами (битумоподобными). Обязательным признаком битумоидов является растворимость, а генетическое отношение к породе может быть различным – сингенетичным или эпигенетичным.

      Различают три аналитических типа битумоидов: 1) битумоид А - извлекаемый из горной породы органическими растворителями без предварительной её обработки соляной кислотой; 2) битумоид В - извлекаемый обычно из углей в условиях высокого давления после предварительного извлечения битумоида А; 3) битумоид С – присутствующий в горной породе в связанном с ней состоянии и извлекаемый после предварительного удаления битумоида А

¹ Муратов В.Н. Геология каустобиолитов. – М.: Высшая школа, 1970.

и последующей  обработки породы соляной кислотой.

     Техническое понятие «битум» включает природные  асфальты, продукты переработки нефти, горючих сланцев, а также угля, торфа и древесины (дегти), которые используются в качестве технического сырья. Определяющими признаками здесь являются только технические свойства, позволяющие применять их с различными целями: для дорожного покрытия, гидроизоляции, приготовления лаков и др. Рекомендуемое название этих веществ - «технобитумы» . 

2.2 Условия образования битумов

       Образование природных битумов связано с различными процессами, которые проявляются обособленно или накладываются друг на друга. И.С. Гольдберг (1981) разделил эти процессы на три ряда: гипергенный (окислительный), фазово-миграционный и термально-метаморфический и составил генетическую классификацию природных битумов.

       Гипергенный (окислительный) ряд природных битумов. В зоне гипергенеза нефти подвергаются дегазации, воздействию инфильтрационных вод, которые содержат кислород и микроорганизмы. Изменение нефтей происходит вследствие вымывания воднорастворимых компонентов, окисления и биодеградации. Биодеградация - это преобразование нефтей микроорганизмами на границе раздела нефть - вода. Бактериальному разрушению подвергаются в первую очередь нормальные алканы средних и высших фракций нефтей. Известно более 30 родов и 100 видов бактерий, грибов и плесеней, развивающихся на нефти.   Углеводородокисляющие   бактерии   могут   существовать температуре 80-90 ^оС с минерализацией пластовых вод до 200 г/л.

     Все эти процессы сопровождаются постепенным  увеличением в нефтях доли смол и  асфальтенов, сернистых, кислородных  и азотистых соединений, повышением плотности, вязкости, а также - уменьшением  содержания алканов. В результате нефть меняет свои свойства и превращается в мальту и другие асфальтовые битумы (асфальты, асфальтиты), которые заполняют трещины и поровое пространство пород-коллекторов или образует кировые покровы на земной поверхности.

     Другая  линия, дающая начало группе киров (мальтам, асфальтам, асфальтитам) связана с легкими малосмолистыми метановыми, нафтеновыми и нафтеново-метановыми нефтями, которые после излияния на поверхность, подверглись выветриванию и окислению под действием кислорода воздуха и образовали залежи битумов вокруг выходов нефтеносных пластов.

     При дальнейшем интенсивном химическом и бактериальном окислении асфальтовых  битумов (мальт, асфальтов, асфальтитов), а также парафиновых битумов (озокеритов, гатчетитов), которые образуются при  физической дифференциации нефтей, формируется группа оксибитумов - глубоковыветрелых разностей битумов (оксикеритов, гуминокеритов, озокеритов хорсанов, элатеритов). Полная биодеградация озокеритов завершается образованием альгаритов, которые теряют характерные признаки исходного вещества.

     В результате окислительных процессов  во многих регионах мира сформировалось огромное количество поверхностных  нефтепроявлений, а также промышленных скоплений природных битумов. Эти  нефтепроявления дали в свое время  основание для проведения нефтепоисковых работ.

     Фазово-миграционный ряд природных  битумов. Битумы этого ряда образуются при дифференциации УВ в процессе их перемещения по порам и трещинам в связи с изменением термобарических условий и нарушением равновесного состояния в коллоидной системе нефти.

        Если из нефти происходит выделение лёгких фракций и газа, которые обладают меньшей вязкостью и лучшей миграционной способностью, то высокомолекулярные смолисто-асфальтеновые компоненты, находящиеся в ней в виде коллоидного раствора, теряют подвижность, осаждаются в пустотном пространстве коллектора и образуют залежи высоковязких битумов – мальт. Мальты далее могут трансформироваться в асфальты и асфальтиты.

     При миграции и аналогичной фазовой  дифференциации тяжелых газоконденсатов и высокопарафинистых нефтей образуется группа парафиновых битумов или парафинитов, которые разделяются на озокериты и гатчетиты.

     В процессе восходящей миграции, вследствие адсорбции породами смолисто-асфальтеновых  веществ и ароматических УВ, происходит фильтрация нефтей. С понижением температуры до 40 ^оС адсорбция возрастает. Данные А.Г. Милешиной показывают, что нефти в результате миграции и адсорбции могут терять до 48-53  % тяжелых компонентов от их исходного количества.

     Асфальтены  не растворимы в алканах, поэтому  если в залежь смолистой нефти поступает газ или легкие алкановые УВ, то в этом случае происходит нарушение равновесное состояние в коллоидной системе нефти и осаждение асфальтовых веществ. Этот процесс называется деасфальтизацией нефти. Выпавшие в осадок асфальтовые вещества образуют скопления мальты, асфальта, асфальтита или керита, в зависимости от степени смолистости нефти и термобарических условий.

     Термально-метаморфический  ряд природных  битумов. Этот ряд формируется в результате различных процессов: при пиролизе твердых битумов в условиях контактового метаморфизма с образованием природных нефтяных коксов и высших антраксолитов; при метаморфической деструкции нефтяных УВ в гидротермальных системах с образованием керитов и низших антраксолитов; при деструкции ОВ в условиях контактового метаморфизма, когда образуются пиронафтоиды, а также - при динамометаморфизме с образованием нафтоидов - продуктов выжимания битуминозных веществ из пород при интенсивных тектонических  напряжениях.

     В процессах контактового метаморфизма и динамометаморфизма участвуют в качестве исходного материала горючие сланцы, угли и доманикоидные породы. (Доманикиты - это породы с большим содержанием ОВ, от 8 до 20 %). При этом образуется сложный спектр битумов, среди которых В.А. Успенский и другие, а также И.С. Гольдберг выделяют альфа-, бета- и гамма-нафтоиды.

     Альфа-нафтоиды подобны дегтю и образуются из сапропелевых горючих сланцев. Они, при эволюции в зонах гипергенеза и катагенеза, могут дать битумы, аналогичные нефтяному ряду от мальт до антраксолитов.

     Бета-нафтоиды возникают в результате сепарации  продуктов возгона парафиновых  и олефиновых веществ в процессе гидротермального воздействия на исходное ОВ. При этом образуются озокеритоподобные рафинированные продукты – парафиниты (хризматиты, гатчетиты) и олефиниты. Олефиниты являются полимеризатами непредельных УВ. Для бета-нафтоидов характерна температура плавления, не превышающая 100 ⁰С.

     Гамма-нафтоиды или кёртизиты - это органические минералы, состоящие преимущественно из поликонденсированных аренов. Они встречаются в сульфидно-ртутных месторождениях в виде кристаллов или кристаллических агрегатов желтого, оранжевого и синевато-зеленого цвета. Их плотность 1,2-1,3 г/см³, элементный состав: углерод 93,1-93,9 %, водород 5,5-6,1 %, температура плавления 300^оС. Кёртизиты относятся к продуктам пиролиза ОВ под воздействием интрузий и гидротерм. Они не имеют аналогов среди нафтидов.

     Для всех нафтоидов характерны жильные  формы залегания, а также небольшие  включения.

     Таким образом, жидкие и газоконденсатные УВ системы образуют при воздействии  разных факторов в различных условиях широкий спектр природных битумов, которые различаются по своим свойствам, составу и условиям залегания. Для природных битумов также характерно то, что одинаковые их классы образуются в разных геолого-геохимических условиях. Например, мальты, асфальты и асфальтиты образуются при гипергенных и фазово-миграционных процессах, а кериты при фазово-миграционных и термально-метаморфических процессах.

3.  ХАРАКТЕРИСТИКА КАУСТОБИОЛИТОВ БИТУМНОГО РЯДА

         Нефть - вязкая жидкость черного или темно-коричневого цвета иногда,

² Иванова Г.Н., Столбова Н.Ф. Практикум по петрографии осадочных пород. - Томск: Изд. ТПИ, 1992. 

при солнечном  свете, с зеленовато-желтым оттенком, реже почти бесцветная, жирная на ощупь, способная к перемещению в  недрах.

        Нефть образуется в зоне катагенеза в результате преобразования рассеянного ОВ. Последующая миграция нефти в природных резервуарах и аккумуляция в ловушках способствует формированию ее залежей. В химическом отношении нефть - сложная смесь алкановых (от 0 до 93 %), циклановых (от 1 до 80 %) и ареновых (от 3 до 35 %) УВ и гетероатомных (серо-, кислород- и азотсодержащих) органических соединений. Содержание углерода составляет 82-87 %, водорода 11-14 %, кислорода, серы и азота в сумме - 1-2 %, но может достигать 8 %. Эти гетероэлементы, а также некоторые металлы (ванадий, никель, железо и др.) и неметаллы (фосфор) содержатся в основном в смолисто-асфальтеновых веществах, представляющих собой высокомолекулярные конденсированные циклические структуры с боковыми УВ цепями и гетероатомами. Молекулярная масса смол колеблется в пределах от 500-2000, а асфальтенов – от 1000 до 10000 Содержание смол и асфальтенов составляет от 0 до 10 %. В гипергенно измененных нефтях содержание смолисто-асфальтеновых веществ может достигать 20-40 %. Из нефтей выделено и определено более 800 индивидуальных углеводородных и не углеводородных соединений и порядка 50 микроэлементов. В нефтях присутствуют реликтовые молекулярные структуры (хемофоссилии) - УВ и гетероатомные соединения, близкие по структуре углеводородного скелета к биологическим веществам или их фрагментам. Под действием катагенетических и гипергенных факторов, а также в результате миграционных процессов состав и свойства нефти меняется. Нефть почти всегда содержит в пластовых условиях растворённый газ, количество которого может достигать значений 600-750 м³ газа на тонну нефти. В физическом отношении нефть - это коллоидно-дисперсная система. Ее плотность колеблется в пределах от 0,72 до 1,05 г/см³ (обычно 0,82-0,90). Начало кипения 35-100 ^оС и выше, температура застывания колеблется от плюс 23 до минус 60 ^оС. По температурам кипения нефть содержит фракции, выкипающие в интервале температур от 35 до 600 ^оС. При увеличении содержания парафинов температура застывания нефти повышается, а при увеличении содержания смол - понижается. Нефть хорошо растворима в органических растворителях и практически не растворима в воде при нормальных условиях. Её растворимость в воде возрастает, начиная с температуры 100-110 ⁰С и при повышении давления.

     Асфальтовые битумы - группа природных битумов, в составе которых преобладают асфальтово-смолистые вещества или их наиболее карбонизированные компоненты (карбены, карбоиды). К ним относятся классы мальт, асфальтов, асфальтитов, керитов, антраксолитов, оксикеритов и гуминокеритов.