функционирование зон естественного углеводородного синтеза

C http://ai-malyshev.narod.ru/PDF/Ref2.pdf, http://ai-malyshev.narod.ru/PDF/Malyshev_Ref3.pdf
- Малышев Александр Иванович

Рассмотрим образование и функционирование зон естественного углеводородного синтеза на примере субаэральных условий Земли. Будем считать, что эндогенные летучие, перемещающиеся к поверхности Земли в ходе дегазационных процессов, находятся в тепловом равновесии с вмещающими породами, т.е. перемещение летучих происходит по линии геотермического градиента. Ради определенности будем считать, что температура пород вблизи поверхности составляет 5°С, а геотермический градиент составляет 0.03 град./м.

Для перехода от общего флюидного давления к вероятной глубине воспользуемся данными (Наумов и др., 1997) о 5-кратном (в среднем) превышении флюидного давления над его литостатическим эквивалентом (для перемещения флюидного потока требуется повышенный градиент давления, наиболее высокий в случае перемещения флюида путем молекулярной диффузии).

Образование зон естественного углеводородного синтеза связано с выпадением в конденсат из состава газовой смеси сначала сероводорода, а затем диоксида углерода. Область зон образования сероводородного конденсата связана с критической температурой сероводорода –100.4°С.
Dдвижущийся по линии геотермического градиента флюид входит в зону конденсации сероводорода на вероятной глубине 3.2 км. В точке входа остаточное парциальное давление паров воды составляет всего 0.024% от общего флюидного давления, паров диоксида серы –0.63% , поэтому в составе газовой фазы флюида доминирует диоксид углерода, водород и сероводород. Hа входе в область сероводородной отгонки его содержание в газовой фазе скачкообразно уменьшается до уровня остаточного парциального давления, составляющего 2.06% от общего флюидного давления, тогда как весь избыток сбрасывается в конденсат с образованием на пути газового потока области зон сероводородной отгонки. В этой области при фильтрации газообразного диоксида углерода сквозь сероводородный конденсат происходит образование углеводородного сырья с одновременным выделением воды и самородной серы:

4H2S(ж) + CO2(г) = CH4(г) + 2H2O(ж) + 4S(ромб);
7H2S(ж) + 2CO2(г) = C2H6(г) + 4H2O(ж) + 7S(ромб);
10H2S(ж) + 3CO2(г) = C3H8(г) + 6H2O(ж) + 10S(ромб) и так далее.

Направленность этих химических реакций определяется принципом Ле Шателье–Брауна: в условиях повышенного давления флюидной смеси равновесие реакций смещается в сторону уменьшения объема газообразных соединений. Этот же эффект дает выпадение в осадок образующейся самородной серы.

Образующиеся в зоне сероводородного конденсата тяжелые простейшие углеводороды, начиная с бутана и бутилена, формируют углеводородный конденсат. Так как критические давления этих соединений относительно невелики, то их остаточные парциальные давления имеют очень низкий уровень. Повышенные температура и общее флюидное давление способствуют дальнейшим реакциям полимеризации углеводородов с образованием более тяжелых соединений. Более легкие углеводороды, такие как метан, этан, этилен, пропан и пропилен, имея более низкие критические температуры, полностью остаются в газообразном состоянии. Фильтруясь через конденсат более тяжелых углеводородов, они частично поглощаются в ходе реакций полимеризации.

Оставшаяся часть продолжает эволюцию в составе газовой фазы флюида.

Однако пропан и пропилен недалеко уходят по трассе эволюции флюида от места их первичного образования в зоне сероводородной отгонки. Пропан достигает критической температуры 96.67°С сразу после зоны сероводородной отгонки на глубине 3.00 км, a из-за его низкого критического давления в конденсат сбрасывается все количество пропана, превышающее равновесный уровень парциального давления 0.36% от общего флюидного давления в данной точке. Чуть дальше по трассе флюида на вероятной глубине 2.9 км расположена зона отгонки пропилена, имеющего чуть более низкую критическую температуру и в конденсат сбрасывается избыточный пропилен, превышающий уровень парциального давления пропиленовых паров в 1.16%. В этих зонах отгонки, как и в зоне сброса сероводорода, протекают реакции полимеризации углеводородов, в которые частично вовлекаются в фильтрующиеся сквозь конденсат легкие углеводородные соединения.

Еще одна зона естественного углеводородного синтеза связана с конденсацией диоксида углерода. Kритическая температура диоксида углерода (30.85ºС) достигается на вероятной глубине около 860 м. При входе в эту зону остаточные газы эндогенного флюида состоят в основном из CO2, H2 и в меньшей степени из легких летучих углеводородов. Уровень давления остаточных паров воды в точке входа составляет 0.004% от общего флюидного давления, давление остаточных паров SO2 –0.4%, H2S – 1.9%. На входе в зону, давление паров CO2 скачкообразно уменьшается до предельно возможного критического уровня, соответствующего в данной точке 6.2% от общего флюидного давления. Весь избыток диоксида углерода сбрасывается в конденсат, сквозь который происходит фильтрация водорода, сопровождающаяся образованием воды и углеводородов:

4H2(г) + CO2(ж) = CH4(г) + 2H2O(ж); 7H2(г) + 2CO2(ж) = C2H6(г) + 4H2O(ж);
10H2 (г) + 3CO2(ж) = C3H8(ж) + 6H2O(ж) и так далее.

Pавновесие реакций в условиях повышенного давления флюидной смеси смещается в сторону уменьшения объема газообразных соединений, т.е. в сторону образования углеводородов. Образование углеводородов происходит и при фильтрации сквозь конденсат диоксида углерода остаточного газообразного сероводорода, но поскольку его содержание в остаточных газах не превышает 2%, то общее количество образующейся при этом серы невелико. Легкие углеводороды, фильтруясь сквозь углеводородный конденсат, частично поглощаются за счет реакций образования более сложных углеводородных соединений.

В случае, когда температура флюидного потока превышает температуру вмещающих пород (газо-гидротермальнaя деятельность), возможно образование зон абиогенного синтеза по периферии флюидного потока по мере снижения его температуры до значений 100.4°С и 30.85°С. В субаэральных условиях эти зоны на поверхность не выходят, исходя из критических давлений сероводорода и диоксида углерода (9.010 и 7.378 МПа соответственно) при условии 5-кратного превышения флюидным давлением его литостатического давления сброс этих соединений в конденсат на соответствующих изотермических поверхностях может происходить лишь на глубинах более 65 и 53 м соответственно.

B субмаринных условиях перекрывающая водная толща обеспечивает дополнительное гидростатическое давление и принудительное охлаждение как самого потока флюидов, так и придонных пород, разогреваемых гидротермами. Давление перекрывающей водной толщи обеспечивает возможность конденсации сероводорода и диоксида углерода непосредственно в
придонных породах, а резкое снижение температуры флюидного потока в придонных породах обусловливает практическую реализацию этой возможности - мы имеем дело с геохимической температурной ловушкой. Как и в случае рудообразования, эффективность той ловушки возрастает с увеличением давления. C увеличением мощности перекрывающей водной толщи конденсация H2O, H2S и CO2 в придонных породах протекает более контрастно с увеличением доли конденсации на изотермах критических температур этих веществ.

Kонденсация сероводорода и диоксида серы возможна и в самой водной толще, однако в этом случае образование зон естественного углеводородного синтеза маловероятно из-за реакций взаимодействия образующегося конденсата с водой.

3оны естественного углеводородного синтеза наиболее эффективны в придонных породах глубоководных гидротерм океана, где они контролируются изотермальными поверхностями соответствующих критических температуp.

Bозникновение предбиологических состояний, зарождение и функционирование зон абиогенного углеводородного синтеза дают все необходимое для зарождения жизни. В свою очередь зоны абиогенного углеводородного синтеза жестко фиксируются определенными PT-условиями образования сероводородного и углекислотного конденсатов. Однако на различных телах Солнечной системы эти условия реализуются различным образом. Bсе планеты с размерами от нескольких сотен километров, в своей эволюции проходят или проходили стадию развития дегазационных процессов. Закономерным следствием планетарной дегазации является формирование зон естественного углеродного синтеза, в которых вследствие проявления геохимической активности конденсатов сероводорода и диоксида серы активно протекают процессы образования и самоорганизации сложных углеводородных соединений и которые являются вероятной средой для зарождения и последующей эволюции саморазвивающихся систем, т.е. своеобразной “жизни”на углеводородной основе.

Среди разнообразных вариантов зарождения этой “жизни” можно выделить две группы. Для первой характерно зарождение и последующее развитие жизни в конденсированных средах (каменной, ледовой, водной и водно-ледовой), что свойственнo всем небольшим планетам. Исключение составляют лишь небесные тела, перегретые относительно условий формирования зон естественного углеводородного синтеза (Венера и Меркурий –солнечная радиация; Ио –разогрев под воздействием сил приливного трения). Второю группу представляют планеты-гиганты, для которых имеются исключительные условия для зарождения и быстрой эволюции углеводородной “жизни”в газовой среде.

Земля, с одной стороны, попадает в группу вариантов зарождения “жизни” в конденсированных средах, а с другой, по условиям воздействия солнечной радиации близка к “перегретым ” планетам –Венере и Меркурию (в случае исчезновения биосферы океан вскипит). Bысокие значения поверхностной температуры и термического градиента обусловили максимально близкое к поверхности залегание зон естественного углеводородного синтеза, а большая гравитация обеспечила достаточный уровень давления для эффективного функционирования зон естественного углеводородного синтеза.

Последующий вынос протожизни флюидными струями из этих зон в породах дна океана или с малых глубин под поверхностью материков привел к отрыву протожизни от первоначального источника энергии. А это обусловило адаптацию первичной жизни к существованию за счет энергии солнечного света. Дальнейшая эволюция жизни на Земле привела к существенному разветвлению и усложнению цепей питания, однако в основе их по-прежнему лежит энергия солнечного света и химических реакций

Ф.А. Перре - “газ – это активный агент, и магма является его переносчиком”, магма является идеальным проводником для диффузионного перемещения газообразных соединений. Диффузионное перемещение газообразных соединений в сплошных средах -любая природная система для газообразных соединений открытaя система. Под газообразными соединениями в условиях сплошных сред понимаются такие молекулярные образования, которые не создают устойчивых молекулярных связей ни между собой, ни с вмещающими молекулярными структурами. Отсутствие этих связей создает благоприятные условия для диффузионного перемещения таких соединений в сплошных средах, включая кристаллические структуры. Само диффузионное перемещение осуществляется путем миграции комплексийных (по М.А. Кривоглазу) дефектов, в которых n примесных атомов расположено на (n + 1) или (n – 1) узлах решетки.

Mожно провести аналогию между диффузионным потоком газообразных соединений в магме и электрическим током в металлах – и в том, и в другом случае как только на концах проводников появляется разность потенциалов (электрических или концентрационных), так сразу по проводнику начинает течь ток. При этом в обоих случаях выделяется тепло.

Диффузионное перемещение в сплошных средах газообразных соединений ведет к увеличению тепловых колебаний и способствует разрушению кристаллических решеток, т.е. сопровождается процессами плавления, нe кристаллизации. Обособление и перемещение газов в виде самостоятельной фазы, напротив, ведет к стабилизации и росту кристаллических структур. Отсюда следует связь степени кристалличности вулканических пород с режимом поведения летучих при их извержении.
Диффузионные потоки газообразных соединений есть и проявление планетарных процессов гравитационной дифференциации, являющихся мощным источником энергии, и проявление рециклингового процесса в зоне субдукции в случае тектоники плит. Именно этим обусловлена мощь вулканических извержений. Как только мы признаем возможность диффузионного перемещения газовых потоков, так сразу мы должны учитывать возможность переноса этими потоками энергии из глубин Земли к ее поверхности. Эта энергия лежит в основе магмообразования и последующей динамической активности магматических систем и именно этот источник определяет развитие планетарной эволюции. Как только мы признаем возможность диффузионного перемещения газов в сплошных средах (что с физической точки зрения бесспорно), так сразу обязаны учитывать возможность переноса кремнезема парами воды в составе летучих соединений. Реакции образования этих соединений в зависимости от плотности пара выглядят следующим образом:

SiO2 + 2H2O = Si(OH)4 при плотности пара до 0.05 г/см3,
2SiO2 + 3H2O = (HO)3SiOSi(OH)3 – вплоть до 0.45 г/см3,
SiO2 + H2O = OSi(OH)2 – свыше 0.65 г/см3.

C ростом концентрации водяного пара эффективность переноса кремнезема возрастает. Газовый массоперенос представляет собой более эффективный механизм для эволюции вещественного состава магм по сравнению с гравитационной дифференциацией вещества в магматической камере и этот же механизм газового массопереноса может обеспечить планетарное перераспределение вещества с образованием континентальной земной коры.

Возникновение предбиологических состояний и зарождение жизни. Все планеты Солнечной системы в своей эволюции проходят стадию дегазационных процессов. Закономерным следствием планетарной дегазации является формирование зон естественного углеводородного синтеза, в которых протекают процессы образования и самоорганизации сложных углеводородных соединений и которые являются вероятной средой для зарождения вирусоподобных саморазвивающихся систем “жизни” на углеводородной основе.

Расчет возможного положения зон естественного углеводородного синтеза показывает, что зарождение жизни на Земле представляет частный случай из многочисленных вариантов зарождения и последующего развития углеводородной “жизни”, свойственных другим телам Солнечной системы и Вселенной