» » Каустобиолиты - природные горючие ископаемые

Каустобиолиты - природные горючие ископаемые

06.08.2016

С древнейших времен люди использовали в повседневной жизни природные вещества, способные гореть, Ho только в XIX веке немецкий палеоботаник Г. Потонье, изучая отпечатки древних растений в углистых отложениях и горючих сланцах, дал этим породам общее определение - «каустобиолиты», что означает «горючие камни биогенного происхождения».
В 1908 г. он выделил три группы каустобиолитов:
- гумиты, образовавшиеся из остатков высших, преимущественно болотных растений (бурый уголь, каменный уголь);
- сапропелиты, образовавшиеся в результате захоронения на дне водоемов низших организмов, в основном планктонных водорослей (кероген горючих сланцев, богхед);
- липтобиолиты - угли, обогащенные наиболее стойкими к разложению компонентами растительного вещества - восками, ископаемыми смолами и др. Представителями этой группы являются также янтарь и тасманит.
Встречаются также и смешанные типы каустобиолитов, например, липто-сапропелиты (кеннель), сапрогумиты и т.д.
В 1948 г. В.А. Клубов предложил классификацию каустобиолитов, в основу которой положил элементный состав каустобиолитов. Он исходил из того, что все каустобиолиты имеют сопоставимый элементный состав и что преобразованию каустобиолитов сопутствуют изменения в соотношениях С:Н и С:(О + N + S). Кроме этого, им было предложено выделить четвертый класс каустобиолитов - нефтяные битумы, к которым он отнес горючие природные газы, нефти и все природные продукты ее преобразования.
В дальнейшем общепринятым стало каустобиолиты подразделять на два основных ряда:
- каустобиолиты угольного ряда - сапропеля, торф, бурые угли, каменные угли, антрацит.
- каустобиолиты нефтяного (битумного) ряда - углеводородные газы, нефти, мальты, асфальты, озокериты и другие природные битумы.
Положение каустобиолитов среди горных пород показано на рис. 2.1.
Каустобиолиты - природные горючие ископаемые

Наиболее полная классификация каустобиолитов, в основу которой положен генетический принцип - геологические условия образования горючих ископаемых, была предложена в 1961 г. В.А. Успенским и О.А. Радченко (рис. 2.2).
Предложенная В.А. Успенским и О.А. Радченко классификация представляет собой блок-диаграмму, состоящую из двух ветвей, которые соответствуют различным генетическим типам каустобиолитов. Левая ветвь представляет собой образование и последующие изменения горючих ископаемых угольного ряда, правая ветвь - каустобиолитов нефтяного (битумного) ряда. В основании левой ветви показаны исходные продукты образования каустобиолитов: высшие растения и низшие организмы. На основании расположены блоки, торцевая часть которых характеризует геохимические и фациальные условия преобразования органического вещества. Крайняя левая ветвь показывает, что в зоне субаэрального выветривания образуются выветреловые угли. Стрелки, направленные от правого блока угольной ветви к нефтяной, указывают на генетические связи каустобиолитов нефтяного (битумного) ряда с морскими и пресно-водными сапропелями, минеральными осадками, обогащенными органическим веществом отложений озер и морских водоемов. Каустобиолиты угольного и нефтяного ряда образуются в основном из остатков живых организмов. Однако имеются некоторые отличия в составе исходного органического вещества: каустобиолиты угольного ряда образуются в основном из остатков высших растений, а исходным биологическим продуктом образования нефти являются в основном остатки низших водных растений и бактерий. Образование каустобиолитов как угольного, так и нефтяного ряда связаны с одними и те же процессами диагенеза и катагенеза. Тем не менее, состав исходного органического вещества, а также особенности формирования их скоплений существенно отличаются друг от друга. Так, например, большая часть углей образуется не в морских условиях, в то время как большинство известных нефтематеринских пород - это морские отложения. Соответственно исходное органическое вещество для каустобиолитов угольного и нефтяного ряда будут различными. Каустобиолиты угольного ряда образуются «in-situ» -то есть на месте образования исходного органического вещества в виде твердой и сравнительно чистой органической массы. Нефть и газ мигрируют из нефтегазоматеринских толщ в коллекторы, и уже там образуют скопления.
Каустобиолиты - природные горючие ископаемые

Ряд каустобиолитов угольного ряда начинается с практически неизмененного растительного вещества - сапропелей и сапропелитов (о них мы говорили выше), а также торфа. Для образования торфа необходимо накопление и сохранение большого количества остатков высших растений, причем очень важную роль здесь играют климат и тектоника. Понятно, что скорость роста растений во многом зависит от температурных условий и влажности, однако в тропических условиях торф и торфообразные залежи встречаются крайне редко из-за того, что в тропических болотах происходит ускоренное гниение растительных остатков и торф не образуется. В благоприятных условиях процессы преобразования органического вещества происходят в кислой среде. Благодаря нисходящим тектоническим движениям скорость накопления растительных остатков увеличивается и органические остатки, находящиеся в стоячей воде перекрываются органическими остатками и минеральным обломочным материалом, образовавшимися позднее. Этому процессу сопутствует возникновение анаэробной среды, и окислительная обстановка постепенно сменяется на восстановительную. Активно развивающиеся микроорганизмы разлагают целлюлозу, а в анаэробных условиях - и лигнин. Следует особо отметить, что если в торфе еще присутствует целлюлоза, то в бурых углях ее уже нет.
Микроорганизмы играют активную роль в процессе образования торфа. На это указывает наличие в глубокопогруженных торфяных залежах углеводов, аминокислот, аминосахаров и некоторых липидных компонентов, образование которых связывается с деятельностью микроорганизмов.
Важнейшим компонентом торфа являются гуминовые вещества - вещества хорошо растворимые в основных растворителях, например, водном растворе гидроокиси калия или натрия. В процессе гумификации растительного вещества с помощью микроорганизмов происходит модификация углеродной структуры молекул, изменение состава гетероатомных групп и т.д.
Процессы углефикации торфа приводят к образованию бурых углей, которые подразделяются на гумусовые и сапропелевые.
Главным компонентом гумусовых бурых углей является вещество, образующееся в результате гумификации древесных тканей и состоит из мацералов группы гуминита.
Сапропелевые (гумусово-сапропелевые) угли образуются из тонкозернистых органических илов, образующихся в мелководных водоемах: озерах, прудах и лагунах. Они, как правило, не проходят через стадию торфообразования и связаны с диагенетическими изменениями осадков, обогащенных высокими концентрациями органического вещества, преобразующегося в восстановительной обстановке.
Давайте посмотрим структурное строение органической массы бурого угля (рис. 2.3).
Каустобиолиты - природные горючие ископаемые

По мере увеличения интенсивности катагенегического преобразования бурых углей происходит образование каменных углей. Главными компонентами углей высоких марок являются лейптинит (или по-другому - экзинит), витринит и интертинит. Наиболее распространены в углях твердые, богатые углеродом и хрупкие частицы витринита. Этот мацерал широко используется в геохимических исследованиях (об этом мы расскажем ниже).
На рис. 2.4 показаны главные микроскопические характеристики каустобиолитов угольного ряда и содержание углерода в витрините (схема из International Handbook of Coal Petrology, 1972 со значительными сокращениями).
Каустобиолиты - природные горючие ископаемые

Более детально преобразование каустобиолитов угольного ряда представлено в табл. 2.1.
Давайте еще раз внимательно посмотрим структурную молекулу бурого угля (см. рис. 2.3) и сравним ее со структурой углей разной степени углефикации (рис. 2.5).
Таким образом, в составе углей, как мы уже убедились, присутствуют углеводороды. На этом основана технологическая схема переработки углей в моторные топлива.
Впервые возможность синтеза жидкого топлива из каменного угля была доказана немецкими учеными Фишером и Тропшем еще в 1923 г. Уже очень скоро в Германии были созданы первые промышленные установки по производству бензина из угля Рурского бассейна. К началу 30-х годов прошлого столетия производство синтетического бензина в Германии достигло нескольких миллионов тонн в год.
Сегодня переработка угля в жидкое топливо достаточно широко развита в мире. Так, ЮАР перерабатывает около 47 млн т угля в год и получает 7 млн т жидкого топлива, получая прибыль в сотни миллионов долларов.
Каустобиолиты - природные горючие ископаемые

Высокотехнологичные установки синтезируют моторное топливо в США. В Китае в стадии реализации находятся восемь проектов, предназначенных для полной замены традиционных видов топлива. Широко внедряются подобные проекты в Нигерии, Катаре, Малайзии, Японии, Индии и многих других странах. Имеются также технологии получения газа из угля, сланцев и торфа. В России из каустобиолитов угольного ряда в начале 60-х годов прошлого века получали около 35 млрд м газа в год.
В настоящее время в России разработаны технологии переработки угля и получения из него жидких и газообразных углеводородов. Однако относительное «изобилие» нефти и недогруженность нефтеперерабатывающих заводов не позволяют провести широкомасштабную реализацию этих проектов.
А теперь, прежде чем мы перейдем к изучению каустобиолитов нефтяного ряда, давайте посмотрим на результаты процессов, которые идут в природе и приводят к образованию углеводородов даже в современной почве (рис. 2.6).
Каустобиолиты - природные горючие ископаемые

Уже на первых стадиях образования торфа в нем присутствуют нормальные алканы (метановые углеводороды нормального строения), распределение которых имеет отчетливый максимум содержания н-алкана C27H56. В соответствии с генетической классификацией В.А. Успенского и О.А, Радченко преобразование каустобиолитов угольного ряда происходит постепенно в процессе метаморфизма от торфа до бурого угля, затем до каменных углей и т,д. В соответствии с этим, и образование и преобразование углеводородов должно сопровождаться количественными и качественными изменениями в сторону образования более устойчивых легких компонентов.
Мы еще подробно расскажем, какими способами определяются стадии преобразования органического вещества, в том числе с помощью отражательной способности витринита. На рис. 2.7 и 2.8 показано, как меняется характер распределения алканов норамального строения в торфе и углях на различных стадиях утлефикации (метаморфизма) и относительное распределение нормальных алканов в углях различных стадий утлефикации и связь между составом алканов и величиной отражательной способности витринита.
Каустобиолиты - природные горючие ископаемые

Правая ветвь диаграммы В.А. Успенского (см, рис. 2.2) представляет собой схему образования и последующего изменения каустобиолитов нефтяного (битумного) ряда.
В основании нижнего правого блока расположены нефть и продукты ее изменения в результате различных процессов: слева миграционных - газы и легкие нефти, справа - продукты, образующиеся в результате выветривания легких парафинистых нефтей (вещества группы озокерита).
На блоках, расположенных выше, показан переход от метановых нефтей к нафтеновым, а затем к нафтеново-ароматическим. Это происходит в результате гипергенных процессов, при которых происходит обогащение нефтей тяжелыми смолистыми компонентами и постепенное преобразование их в мальты, асфальты, а потом в асфальтиты и кериты.
Каустобиолиты - природные горючие ископаемые

Основная роль преобразования каустобиолитов нефтяного ряда обусловлена метаморфическими процессами. В этой части обе ветви каустобиолитов угольного и нефтяного (битумного) ряда постепенно сближаются, так как в процессе метаморфизма происходит общий для каустобиолитов процесс карбонизации горючих ископаемых. Поэтому керитам по степени метаморфизма соответствуют каменные угли, а антраксолитам и шунгитам - антрациты.
Из всего огромного перечня каустобиолитов битумного (нефтяного) ряда, представленного на генетической схеме В.А. Успенского, внимание геологов-нефтяников устремлено на поиски и разведку скоплений нефти, горючего природного газа, газовых конденсатов, газовых гидратов, а также продуктов природного преобразования нефтей (тяжелых нефтей и битумов).
Основой для образования каустобиолитов нефтяного, битумного ряда, так же, как и каустобиолитов угольного ряда, является органическое вещество пород.