big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Первичные соединения углерода

Состояние наших знаний о первичных ювенильных углеродистых минералах довольно печальное. Нам недостает точных фактов, и невозможно изложить геохимию ювенильного углерода чисто эмпирически, не прибегая к более или менее обоснованным гипотезам.

Часть такого углеводорода, по-видимому, связана с малоизвестными и мало до сих пор понятными процессами, совершающимися в самых больших глубинах земной коры, под гранитной геосферой или у ее нижней границы, связывается с магмами.

Такое первичное, независимое от биосферы происхождение многократно еще недавно приписывалось крупнейшими исследователями нефтям и битумам, самым большим их скоплениям. Мне кажется, что факты решительно противоречат этому представлению. Но сторонники его еще есть. В конце XIX столетия неорганическое ювенильное происхождение нефтяных скоплений признавалось и энергично поддерживалось такими учеными, как М. Вертело, Г. Абих, Д. Менделеев, Г. Муассан; они придерживались этих взглядов до своей смерти, т. е. до конца первого десятилетия нашего столетия.

Несомненно, в условиях высокого давления и магматических масс возможно образование многих нефтяных углеводородов, но все, что мы знаем об условиях залегания, о химическом составе и о физических свойствах нефтей (в которых углеводороды только преобладают, но не целиком их составляют), их больших скоплений, решительно противоречит этому представлению об их генезисе хотя бы потому, что нефти состоят не только из углеводородов.

Конечно, не исключена возможность и ювенильного происхождения особых форм углеводородов, отличных от нефтей, ныне известных, например в области кристаллических пород, но пока таких сколько-нибудь установленных случаев нет.

Я вернусь к этому вопросу ниже. Здесь же остановлюсь на точно установленных фактах, касающихся первичных — независимых от биосферы — минералов углерода.

Необходимо при этом иметь в виду, что такие первичные ювенильные минералы углерода могут образовываться в разных верхних геосферах вплоть до биосферы в тех случаях, когда туда проникает магма. Как уже указано, в биосфере мы нигде пока с точностью не можем утверждать выхода пород магмосферы — гранитной геосферы, — хотя такой выход вполне допустим, но мы принимаем, что те же процессы идут и в гранитной геосфере, которая местами не должна лежать на суше далеко от земной поверхности. Ювенильные, первичные минералы углерода мы изучаем в биосфере в форме магматических минералов, связанных с изверженными породами, и переносим полученные этим путем представления в гранитную геосферу.

Эти первичные соединения отвечают углероду не всей планеты, но ее близким к поверхности геоида частям; они все образуются в пределах земной коры.

Такие первичные выделения углерода разделяются на две резко различные группы: окисленные тела и тела, лишенные кислорода. Окисленные тела могут, со своей стороны, быть разделены по кислороду на соединения, богатые и бедные им. К первой группе относятся: карбонаты, карбоносиликаты (как сперрит и другие), каолиновые силикаты с карбонатной группой в боковой цепи. Все они находятся в генетической связи с угольной кислотой. Угольная кислота при определенных условиях либо дает соли для первичных тел, главным образом кальциевые, либо образует продукты присоединения к алюмосиликатам: таковы, например, кальциевые канкриниты:

Существуют изверженные породы, богатые канкринитами, содержащие до 1,7% СО2 (=0,74% С). Изверженные породы с ювенильным кальцитом еще богаче углеродом — трахит из Бильбао содержит 7,69% СО2 (=2,09% С), фенит из Норвегии (по Бреггеру) —35,2% СО2 (=9,6% С).

Ко второй группе, бедных кислородом, относятся СО, CSO, НСНО (муравьиный альдегид), НСООН (муравьиная кислота). Это обычно тела, образующиеся при высоких температурах при восстановлении угольной кислоты в присутствии воды и сероводорода. Они не очень редки, но встречаются лишь в состоянии следов в ювенильных и фреатических газах. Несомненно, что тиоугольная кислота и производные муравьиной кислоты играют очень важную роль в химических явлениях земной коры.

Возможно, что окись углерода в значительной части независима в своем генезисе от углекислоты. Есть указания на возможность нахождения в земной коре карбонильных соединений железа и никеля. Между углеродистыми минералами, лишенными кислорода, наибольшее значение имеют углеводороды СН4, С2Н6 и т. д., металлические карбиды и самородные угле-роды.

Очевидно, что химические условия образования двух групп углеродистых минералов, окисленных и лишенных кислорода тел, несовместимы друг с другом. Их существование, быть может, является показателем их происхождения из различных глубин магмосферы.

Это логическое заключение казалось наиболее простым и вызвало многочисленные гипотезы. История этих идей показывает, что все эти гипотезы и все с ними связанные представления слишком просты и что природное явление более сложно.

Можно было предположить, что в глубинах, бедных кислородом, образуются углеводороды, и что в магмах, более близких к поверхности, образуется угольный ангидрид. Образование углеводородов объясняли действием воды при высокой температуре на металлические карбиды. Опыты показали, что углеводороды действительно образуются при подобных условиях. В то же самое время по аналогии с метеоритами часто допускают существование металлических карбидов в земных глубинах. Нахождение нефтей считали проявлением их разложения.

Более глубокое изучение этих явлений совершенно разрушило это слишком простое построение и выявило новые проблемы в области ювенильного углерода, его первичных соединений.

Оказалось, что все ювенильные минералы углерода, богатые кислородом, могут быть в конце концов отнесены к СО2, так как карбонаты разлагаются при температуре магматической геосферы и даже, вероятно, глубоких областей метаморфической геосферы. Алюмосиликаты, содержащие углерод (канкриниты, скаполиты и др.) являются вторичными ювенильными и фреатическими продуктами. Они образуются при действии углекислоты на каолиновые, ранее существовавшие алюмосиликаты, главным образом, вероятно, на полевые шпаты, при высоких температурах. Карбонато-силикаты очень редки и охватывают ничтожное число атомов углерода.

В глубоких фреатических и ювенильных геосферах угольный ангидрид очень стоек и, по-видимому, очень обилен. Но в этих частях земной коры нет условий для его синтеза, за исключением диссоциации ранее образовавшихся карбонатов.

Мы знаем, что в глубоких слоях земной коры нет свободного кислорода. Находимые в приходящих оттуда газах минеральных источников и газовых струй его небольшие количества, вероятно, другого происхождения. Вместе с тем известны многочисленные вадозные и фреатические химические процессы, дающие угольную кислоту, часто связанную с разложением карбонатов. Очень рассеянные углистые, богатые углеродом или состоящие из чистого углерода, тела окисляются в присутствии свободного кислорода, давая СО2, но этот процесс идет лишь в верхних фреатических и вадозных областях. Эти соединения, достигнув более глубоких слоев, лишенных свободного кислорода, в жидких или вязких магмах растворяются и вновь выкристаллизовываются в виде графита или алмаза или, быть может, испаряются в форме углеводородов.

Угольная кислота, выделяющаяся в огромных количествах во время вулканических извержений и в потухших вулканических областях, происходит, по крайней мере частью, не путем ювенильного синтеза, но вследствие разложения раньше образовавшихся карбонатов благодаря высокой температуре глубоких слоев земной коры и плавления метаморфических и вадозных пород. Эти породы, среди которых находятся известняки, мало-помалу расплавляются, спускаясь в глубокие слои. Аналогичные явления наблюдаются при захвате пород, содержащих углерод и карбонаты, магмами, поднимающимися в более высокие геосферы.

Угольная кислота вулканов и терм, несомненно, ювенильная в том смысле, что она происходит из ювенильных областей (глубоких слоев коры или магматических очагов). Но ее конечное происхождение в сущности вадозное или фреатическое, как это доказал Р. Делькескамп для терм. Угольная кислота устойчива в самых глубоких областях земной коры, но не всегда она является в них продуктом магматических реакций. Можно видеть подтверждение этого явления в том, что массы вулканической угольной кислоты сравнимы по величине с массами угольной кислоты, которые получились бы распадением вадозных или фреатических карбонатов.

Количество угольной кислоты такого «ювенильного» происхождения, достигающей земной поверхности, огромно. И Буссенго в 1833 г. первый отметил важность этого явления для равновесия угольной кислоты в атмосфере.

Углекислота часто является господствующей по объему, но не по весу, в составе вулканических газов, иногда наблюдается почти в чистом состоянии. Так, Ф. Фуке нашел в газах Санторина 95,37% СО2, Ш. Сент-Клер Девиль в моффетах на о. Панареа (Липарские острова)—97,1%. Углекислота преобладает в вулканических газах древних замерших вулканических областей, где ее выделение является последней стадией бывших извержений. В газовых эманациях действующих вулканов она часто играет лишь очень второстепенную роль. В третичных — потухших — вулканических областях, например в Европе в Эйфеле, в Оверне, в Рёне, в Фогельсберге, в Сицилии, в Италии, также на Кавказе, газовые испарения угольной кислоты происходят со времени третичной эпохи непрерывно в течение миллионов лет.

Тот же факт известен для других континентов, например в Азии, Северной Америке, Новой Зеландии. Буссенго рассчитал, что количество СО2, выделяемое Котопахи в течение одного года, более 109 м3, следовательно, больше угольной кислоты, ежегодно выделявшейся процессами жизни и заводами Парижа его времени (70—80 лет назад, 3∙106 м3).

Углекислые испарения и струи в области древних третичных вулканов дают ежегодно несравнимо большие ее количества. Общее количество такой углекислоты в биосфере, вероятно,, того же порядка, как количество угольной кислоты гидросферы и атмосферы.

Не меньшее количество ее дают термы, сосредоточенные в числе десятков тысяч в областях биосферы, отражающих орогенические движения.

Газовые струи, азотные и метановые, не связанные с новыми или геологически недавними вулканическими явлениями, всегда ее содержат, но, по-видимому, она никогда не бывает там господствующим компонентом.

К сожалению, вопрос этот требует еще проверки, но, по-видимому, в этих областях никогда не бывает углекислых струй и испарений, где преобладала бы угольная кислота.

Такие случаи в каменноугольных и нефтяных месторождениях, при бурении на нефть или в каменноугольных или буро-угольных копях, все наблюдались в современных или в геологически недавних вулканических областях.

Существование в этих областях ювенильной углекислоты проявляется и в многочисленных других явлениях. Так, множество жильных месторождений, связанных с геологически древними и геологически новыми тектоническими движениями, на каждом шагу указывают на участие магматической углекислоты при их образовании. Часть той углекислоты сохранилась и до сих пор в мельчайших микроскопических порах жильных минералов и минералах тела жил.

То же явление проявляется и сейчас в древних и новых массивных породах, в частности в гранитных породах. В этой рассеянной форме сосредоточены огромные количества углекислоты.

Обычно особенно кварц гранитных пород содержит углекислоту в виде микроскопических включений в жидком или газообразном состоянии в количестве, например, вполне объясняющем выделение угольной кислоты термами для некоторых областей Западной Германии, как это показал Ласпейрес. Он вычислил, что 1 км3 гранита Рейнских провинций содержит в этой форме 9∙1011 л газообразной СО2. Из его расчетов следует, что общее количество угольной кислоты (жидкой) в гранитах больше, чем в атмосфере.

Выделение угольной кислоты в вулканических областях, части терм и при разложении гранитов находится в очевидной связи с магматической угольной кислотой. Часть этой углекислоты, несомненно, фреатического или вадозного происхождения, получается при расплаве магмой карбонатов, главным образом, известняков (СаСО3) и доломитов (CaMgC2O6).

Вся ли угольная кислота такого происхождения? По-видимому, это не так.

Изучение вулканических газов доказывает, что ювенильное образование их СО2 очень вероятно; однако очевидно, что это синтез, очень ограниченный по размерам, могущий объяснить относительно малую часть магматической угольной кислоты.

Исследования А. Готье, Т. Чемберлена, К. Гюттнера, А. Брена, А. Дея, Е. Шефферда, Т. Джаггара, Ф. Аллена газов вулканов и горных пород, так же как лабораторные опыты, доказывают, что углекислота может вновь образоваться при условиях, имеющихся налицо при генезисе магматических газов. Эти газы в общем могут быть сравнимы с газами, выделяющимися при нагревании или плавлении изверженных пород в пустоте или в атмосфере, лишенной кислорода и паров воды. Выделяющиеся при этом газы, являясь отчасти продуктами новых химических реакций во время опытов, не заключались раньше в породах, так как часть их образуется во время опыта при взаимодействии воды и соединений железа, входящих в состав породы. Однако так как расплавление пород, осваивающихся подымающейся лавой, происходит при всяком вулканическом извержении, те же газы должны выделяться и в вулканах.

Следует отметить следующие газы, встречающиеся в большом количестве в вулканических извержениях: Н2О, Н2, СН4, СО2, СО, муравьиная кислота и CSO. Кроме того, не нужно забывать, что вода, выделяемая при плавлении и нагревании горных пород, и часть воды магм происходят благодаря распадению соединений — алюмосиликатов и силикатов тех же резорбируемых пород.

Углекислота, выделяющаяся в магматических и вулканических газах, может создаваться и разлагаться в ряде разнообразных равновесных реакций, некоторые из которых экспериментально исследованы.

Вот некоторые из более исследованных:

 

Мы видим, что СО2 постоянно разлагается и вновь образуется во время этих реакций, причем тела, давшие ей начало, могут также воссоздаваться при ее разложении.

Возможно, что СО, СН4 (и другие углеводороды), выделяющиеся в вулканических газах, являются продуктами разложении угольной кислоты, кислород же, который в ней содержался, мог быть захвачен соединениями железа. А. Готье думал, что СО происходит вследствие восстановления СО2 солями закиси железа (реакция, действительно идущая при этих условиях). К. Гюттнер объяснял происхождение СО действием Н2 на СО2 реакция несомненная при этих условиях. Но возможно, что СО является продуктом реакции, также исследованной более подробно А. Готье:

Это обратимая реакция, в которой участвует свободный водород, находящийся в достаточных количествах в магмах и в изверженных породах. При действии воды и угольной кислоты в глубинах земной коры могут образоваться значительные массы СО, неизбежно превращающиеся на земной поверхности в присутствии свободного кислорода в СО2, как то показал Т. Джаггар. Как известно, СО в атмосфере находится в ничтожных количествах, так или иначе не накапливается.

Однако произведенное в этом аспекте изучение этих сложных равновесий не дало никаких указаний на ювенильную углекислоту, если только таким указанием не является превращение СО, могущей давать СО2 под влиянием паров воды при температуре 1200 и 1250°. Первичным ювенильным минералом можно сейчас признать чистый углерод (графит), дающий СО и СО2 в качестве вторичных ювениль-ных же продуктов.

Графит, проходя через СО, превращается в СО2, но количество СО2, образовавшееся таким путем, не может быть достаточно для объяснения наблюдаемых явлений.

Возможно, что это одна из реакций поглощения кислорода в наиболее глубоких слоях земной коры.

Мы до сих пор оставались в области достоверных фактов. Мы видим, что СО, СО2, СН4, могут образовываться в условиях земных глубин за счет других ювенильных тел, присутствие которых несомненно (С, СО2, Н2О, соединения железа).

Есть, правда, менее несомненные факты, указывающие, что условия реакции в действительности более сложны. Высказывались не раз гипотезы о вероятном существовании в глубинах земной коры больших количеств первичных углеродистых тел, ювенильных металлических карбидов и СО, могущих дать начало при определенных условиях большим количествам углеводородов. Думали и продолжают думать, что в природе идут химические реакции, аналогичные изучаемым в наших лабораториях, например:

или возможным теоретическим реакциям:

Иногда допускают, что первичные металлические карбиды и СО находятся под силикатовой оболочкой — в металлическом земном ядре. Усматривали признаки их существования в больших скоплениях углеводородов (нефтей), всюду наблюдаемых в очевидной связи с орогеническими движениями и с тектоническим строением земной коры. Однако эти движения и связанное с ним строение земной коры являются для планеты поверхностными явлениями; в верхних оболочках сосредоточена и вода. Проникновение ее в металлическое ядро, если оно существует, гипотетично, и опоры ему нельзя искать в геологических явлениях, имеющих место на расстоянии тысяч километров от этого ядра — совсем в другой физической среде.

Есть, однако, факты, доказывающие, что металлические карбиды когениты, а может быть и другие, действительно выпадают в некоторых изверженных породах при условиях, не противоречащих образованию углеводородов под влиянием горячей воды. К сожалению, эти нахождения до сих пор ближе изучены только в базальтах острова Диско и других островов западной Гренландии.

Карбиды железа, содержащие никель, находятся здесь в явной связи с металлическим железом, и их содержание значительно больше, чем в метеоритах. Углерод этих базальтов без достаточных оснований объясняли особыми явлениями — захватом расплавленным базальтом при его поднятии на земную поверхность нижележащих масс каменного угля.

Однако те же карбиды находят в других месторождениях земного самородного железа, и очень возможно, что более тщательное изучение этих минералов выяснит их повсеместное существование в глубинных базальтах (базальтовых покровах).

Но даже и в этом случае образование углеводородов из металлических карбидов не может иметь большого значения в истории больших скоплений нефти. Геология и химия нефти сделали за последние годы большие успехи; явление в общих чертах своих кажется ясным. Мы должны считать нефти фреатическими минералами, образующимися вне верхней части биосферы, но генетически связанными с живым веществом. Организмы, несомненно, являются исходным веществом нефтей, возможно участие анаэробных бактерий и при их синтезе. Нефти не могут содержать сколько-нибудь значительных количеств ювенильных углеводородов.

Раньше чем перейти к генезису нефтей, я хочу сказать еще несколько слов об ювенильной окиси углерода. Действительно возможно, что эта окись существует без какой-либо генетической связи с СО2, так как следующая реакция, изученная А. Брэди:

которая обратима, как все другие подобные реакции, указывает на возможность образования СО при действии воды на метан. Окись углерода, несомненно, очень устойчива при высоких температурах и должна собираться, не разлагаясь, в глубоких частях коры.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.