Химики и геологи, специально занимающиеся нефтью, обычно признают неювенильное происхождение больших масс нефти и твердых продуктов, в ней содержащихся, так же как углеродистых газов, находящихся в очевидной с ними связи.
Необходимо сверх того здесь же подчеркнуть, что нефти не могут быть рассматриваемы только как углеводороды.
Углеводороды только преобладают в их составе. Они всегда содержат многие проценты, иногда десятки процентов соединений, заключающих О, N, S. Объяснение их генезиса не может опираться только на объяснение происхождения углеводородов. Это часто забывают.
Все же нельзя оставлять без внимания эти представления, ибо еще существуют последователи гипотезы о неорганическом генезисе нефти. Углеводороды должны в этом случае образовываться в глубоких частях планеты, расположенных глубоко за пределами земной коры. Нельзя отрицать такой возможности для углеводородов. Но при современном состоянии наших знаний и здесь можно делать лишь почти недоступные проверке предположения о физических и химических условиях, царящих в этих неизвестных областях нашей планеты. Однако в таком случае оказывается, что на земной поверхности и в областях, доступных точному научному изучению, нет ни малейших других признаков существования таких гипотетических реакций, кроме самих нефтей.
Отсутствие каких бы то ни было дальнейших следов подобных процессов было бы крайне невероятным, если на самом деле таково должно было бы быть происхождение больших скоплений нефти. Более глубокое изучение химического состава природных нефтей поднимает новые проблемы, приводящие к новым гипотезам, еще менее доступным проверке и еще менее вероятным.
Проще поэтому оставить в стороне эти сложные построения, аналогичные старым эпициклам астрономов, и попытаться понять историю нефти, оставаясь в пределах верхних оболочек земной коры, доступных нашему непосредственному изучению. В таком случае мы должны считать нефти минералами биохимического происхождения, подвергшимися сильному метаморфизму.
Мы возвращаемся в новом и более глубоком понимании к тому представлению о генезисе нефти, битумов и органогенных углеродистых минералов, которое в конце XVIII столетия ярко, красочно и глубоко создал Бюффон. В представлениях о жизни этого великого натуралиста — при всех совершенно ясных нам теперь ошибках и неполноте — остаются некоторые черты глубокого охвата природы, не потерявшие своего значения, как и дальше увидим, до сих пор.
Можно отметить два типа месторождений для больших скоплений нефти: 1) скопление в осадочных породах, 2) проникновение углеводородами битуминозных сланцев. Оба типа могут рассматриваться как части одного и того же явления. Нахождения в сланцах содержат наибольшие массы нефти. Это часто забывается. Нельзя объяснять происхождение нефти, оставляя в стороне битуминозные сланцы. Углеводороды в них связаны с процессами коллоидального характера, входить в рассмотрение которых я здесь не могу.
Нефти являются смесями различных органических соединений, в которых преобладают углеводороды. Их состав в течение долгого времени считался малоразнообразным, так как сотни анализов давали для нефтей разных местностей и очень различного геологического возраста почти одинаковые отношения между С и Н:
Однако в конце концов убедились, что химическое строение этих углеводородов может быть очень различно. Первая хорошо изученная нефть — пенсильванская — состояла почти исключительно из парафинов СnН2n+2 метана (СН4) до последнего еще жидкого парафина С18Н38 и даже дальше. Работы Ф. Бейльштейна и А. Курбатова, а вскоре В. В. Марковникова и его учеников показали, что в нефтях Апшеронского полуострова находятся углеводороды неизвестного строения, отличные от предельных и ароматических, которые Марковников назвал нафтенами. Их строение теперь выяснено. Это очень устойчивые соединения кольцевого строения с общей формулой СnН2n, В некоторых нефтях Калифорнии преобладают ароматические углеводороды, как, например, бензол С6Н6 и другие. Есть нефти, богатые соединениями СnH2n и СnH2n—r, близкие к асфальтам. Мы теперь знаем, что нефти состоят из смеси углеводородов, очень различных в зависимости от геологических условий их генезиса, их истории и от состава тех первичных органических тел, из которых они происходят и которые созданы определенными организмами.
Но в каждой нефти наряду с углеводородами существуют другие тела, долго остававшиеся без внимания. Лишь в XX в. американский химик Мабери указал на то, что во всякой нефти всегда есть азот. Нефти Баку и Калифорнии очень им богаты, но его нашли и в нефтях Пенсильвании, где раньше его найти не могли. Количество азотистых продуктов достигает в некоторых нефтях 10—20%. В нефтях Японии количество азота достигает 1,5%, в нефтях Калифорнии оно колеблется между 1,00—2,75%. Эти азотистые соединения везде тождественны. Они ясно связаны с разложением азотистых тел животных и растений, и они не могут происходить из земных глубин хотя бы потому, что разрушаются при высокой температуре. Человек разрушал и разрушает с расточительностью, свойственной невежеству, эти драгоценные продукты, не заботясь о будущем. Эти азотистые тела — производные метилхинолина. Это открытие имеет огромное значение для понимания генезиса нефтей.
Метилхинолины являются производными хинолина, в молекуле которого соединены ядро бензола и ядро пиридина. Можно рассматривать хинолин как нафталин, в котором одна из групп СН в положении а замещена атомом N. Для хинолина число однозамещенных производных равно 7.
Хинолину
отвечают семь метилхинолинов, в которых один из водородов хинолина замещен метальным радикалом — СНз.
Производные хинолина и метилхинолина играют большую роль в строении органических соединений живого вещества. Их можно получить с большой легкостью путем разложения различных органических веществ — животных и растительных. Хинолины составляют основу многих алкалоидов, и эти ядра, очень стойкие, чрезвычайно распространены в окружающем нас земном живом веществе. Образование алкалоидов в растениях считают связанным с белками.
Невозможно представить генезис этих азотистых тел в нефтях в огромных массах, в количестве многих сотен тысяч тонн, иначе как в связи с живым веществом. Эти продукты образуются при не слишком высоких температурах, но они достаточно устойчивы при температурах, несколько превышающих 100—150°. Они неизбежно должны были бы разрушиться при температурах образования углеводородов в присутствии металлических карбидов: СО2 или СО.
К тому же их неорганический генезис несовместим с геохимической историей азота. Азот представляет элемент, геохимическая история которого напоминает историю углерода, однако со значительными изменениями, зависящими от газообразной природы самородного азота, собирающегося в огромных массах на земной поверхности, причем огромная часть свободного азота, несомненно, вадозного происхождения.
Свободный азот, отвечающий угольной кислоте в геохимической истории углерода, является главным ювенильным минералом для этого элемента. Он устойчив во всех известных оболочках земной коры.
Возможно, что глубины ее содержат металлические нитриды. Сильвестрит — нитрид железа — образует иногда налеты на лавах Этны, это вторичный продукт, образованный действием азота воздуха на расплавленные лавы. А. Брен (1905) указывает в лавах нахождение нитридов железа как обычного тела и вероятное нахождение гипотетического нитрида кремния (мариньякита). Эти утверждения заслуживают внимания. Выделение вулканами хлористого и фтористого аммония несомненно. Лишь часть их может быть связана с разрушением азотистых остатков живого вещества, увлеченных лавой. Совсем нельзя связать с явлениями жизни выделения аммиака вместе с перегретыми парами воды (до 190°) в районе гейзеров из глубины не ниже 200 м, как, например, в Тоскане в Италии или в Сономе в Калифорнии. Эти газы магматического происхождения, выделяются одновременно с парами воды.
Аммиачные каолиновые алюмосиликаты, по-видимому, находятся в изоморфных подмесях минералов вулканических и массивных пород, и существование первичного азота в этих породах кажется очень вероятным.
Быть может, в них также находятся, как думал А. Готьё, цианистые и роданистые соединения. Но это всегда простые, часто бинарные соединения. Образование сложных соединений, аналогичных метилхинолиновым телам, никогда до сих пор не наблюдалось вне действия живого вещества. Лишь под его влиянием азот соединяется с углеродом, кислородом, водородом и серой.
Мы знаем еще другую силу, действующую в том же направлении, дающую более простые соединения азота и проявляющуюся в верхних газовых геосферах Земли. Это электрические разряды и ультрафиолетовые лучи. Под их влиянием образуются более простые соединения, как, например, аммиак и кислородные соединения азота. Однако эта последняя реакция в конце концов неразрывно связана с живым веществом, так как свободный кислород в основной своей массе есть продукт жизни.
Образование содержащихся в нефти производных метил-хинолинов вполне соответствует геохимической истории азота, такой, как мы ее сейчас знаем, в том случае, когда производные хинолинов являются неизменившимися в основной своей структуре соединениями, созданными организмами.
Хинолиновое ядро оставалось нетронутым во время метаморфизации посмертных остатков организмов и перешло в нефти.
Нахождение хинолинового ядра в нефтях является не только необъяснимым, но и противоречит наиболее установленным фактам геохимии азота, если возникновение производных хинолина связывать с магмами.
К тем же заключениям мы приходим при изучении других элементов нефтей — серы, кислорода и фосфора. Их соединения всегда находятся в различных количествах в нефти. Количество серы достигает, например, в нефтях Техаса и Луизианы 2,75%, в Чусовском месторождении еще больше — 4,5 — 5,49% S; часть ее содержится в виде растворенной свободной серы. Находящиеся в нефти соединения серы, среди которых преобладают производные тиофена
по-видимому, разнообразны, они недостаточно изучены. Тиофены и их производные по своим свойствам и реакциям чрезвычайно близки к свойствам и реакциям бензола и ароматических соединений. Это очень стойкие соединения, существование которых характерно и для таких органогенных минералов, как каменные угли, в биогенной основе которых никто сейчас не сомневается.
В этом частном случае мы опять сталкиваемся с общим явлением. Всюду в природе распространены тела с очень стойкими прочными ядрами кольцевого строения: соединения азота и серы нефтей, каолиновые алюмосиликаты, органические соединения каменного угля.
Происхождение серы нефтей, асфальтов и янтарей часто считают вторичным, думая, что они поглощают серу после своего образования, так как на них в этом направлении легко действует H2S, в природе столь распространенный. Однако это совершенно лишняя гипотеза, она не может быть приложима к каменным углям, содержащим, как мы видели, серу в виде аналогичных циклических соединений.
Количество кислорода в нефтях достигает 6%; трехпроцентное его содержание наиболее обычно. Изучение этих окисленных соединений, значительно превосходящих по своему количеству азотистые тела, было долго заброшено. Их долго считали вторичными продуктами, образовавшимися на поверхности Земли уже из готовой нефти под влиянием свободного кислорода атмосферы и вадозных вод. Это объяснение отчасти соответствует действительности. Едва ли, однако, сейчас можно сомневаться, что нефти содержат и первичные окисленные продукты в довольно значительном количестве.
Среди них видную роль — до нескольких процентов — играют так называемые нафтеновые кислоты (В. Марковников), кетоны (М. Тихвинский), жирные кислоты. Это соединения алициклические с прочными кольцами; среди них установлены соединения с пятичленными циклами (Н. Зелинский, А. Чичибабин). Группа этих тел только сейчас начинает серьезно исследоваться.
Большой интерес с точки зрения генезиса нефти представляет нахождение кислородных соединений, вращающих плоскость поляризации света. Таковыми являются производные холестерина (resp. фитостерина), присутствие которых, согласно гипотезе Маркуссона и Энглера, объясняет вращательную способность нефтей.
Холестерин — одноосновной алкоголь, строение которого недостаточно известно, играет важную роль в биологических процессах. Он образуется в растениях, собирается в телах высших животных, получающих его лишь отчасти с пищей. В желтке яйца количество его превосходит 2%, еще больше его в мозге человека (2,5%). Он находится в каждой животной ткани и жидкости. Его наблюдают и в почвах. Н. Д. Зелинскому удалось (1927—1928) путем простых реакций, исходя из холестерина получить смесь углеводородов, имевших свойства нефти. Эти опыты оправдывают основу гипотез Маркуссона и Энглера, хотя в нефтях холестерин не найден, но продукты его превращения вероятны. Однако оптически деятельными являются и другие кислородные соединения, как некоторые нафтеновые кислоты, также углеводороды.
Лишь в 1922 г. установили присутствие фосфора в нефтях Калифорнии в гораздо больших количествах (0,01% Р), чем в природных водах. Характер соединений, в которые он входит, еще точно неизвестен, но присутствие фосфора важно как новое доказательство биогенного происхождения нефтей.
Оптические свойства нефтей дают новый довод, подтверждающий невозможность для них неорганического генезиса. Этот довод, по-видимому, неопровержим и ярко указывает на их биогенное происхождение.
Все искусственно полученные углеводороды, не связанные, генетически с продуктами жизни, оптически недеятельны. Таковы же те углеводороды, образование которых в тех или иных случаях доказано или возможно в земных процессах, вне биосферы и ее органогенных тел.
Можно сейчас с большой уверенностью утверждать, что все такие тела всегда и неизбежно оптически недеятельны. Известна, как это доказал Л. Пастер, лишь одна среда, создающая, в природе значительные молекулы соединений углерода в своеобразном их выявлении, которое было названо Л. Пастером диссимметрией. Это жизнь и ее проявление в биосфере — живое вещество.
Диссимметрия — левизна-правизна — одно из основных проявлений жизни. Симметрия природного явления — одно из самых основных его свойств. Пастер был в этой области одним из долго непонятых предтечей. Другой знаменитый французский исследователь, Пьер Кюри, пошел было по его следам и углубил понимание диссимметрии и симметрии, но смерть прервала его работы в самом начале. Кюри был не только первоклассным физиком и экспериментатором, натуралистом с большим обобщающим умом, это был глубокий математик. Он перенес принципы симметрии в область всех физических явлений; из кристаллографии, где она царила, начал создавать учение о симметрии физических явлений. Он выяснил ее первостепенное логическое и эмпирическое значение и связал понятие симметрии с другим основным научным понятием, значение которого нам кажется несомненным, — с понятием о протяженности. Он выявил таким путем тесную связь симметрии с пространством, в нашем современном представлении — с пространством-временем.
Широкий охват понятия симметрии Кюри позволил углубить представление о диссимметрии, введенное Пастером как характерное проявление живых организмов в окружающем их мире. Пастер связал с симметрией те проявления правизны-левизны, которые давным-давно обращали на себя внимание биологов, и в диссимметрии указал их геометрическое проявление. Правизна-левизна в такой установке связана с энантиоморфными определенной структуры проявлениями симметрии кристаллов. Но диссимметрия резко отличается от кристаллографических энантиоморфных явлений тем, что равенство правых и левых проявлений здесь отсутствует. Такая диссимметрия характерна для явлений жизни, и она может, по принципу Кюри, происходить — вызываться только такой причиной, для которой свойственна такая же диссимметрия. Я не могу здесь касаться этого явления, могу лишь обратить внимание на его значение. Я касался этого в другом месте.
Но необходимо подчеркнуть здесь значение диссимметрии, которое впервые позволяет научно охватить правизну и левизну, столь важные в явлениях жизни, и связать их с принципом симметрии, ибо диссимметрия позволяет бесповоротно решить вопрос о генезисе нефти, о ее связи с явлениями жизни.
Живое вещество состоит из химических молекул, обладающих энантиоморфным строением в диссимметрическом его проявлении, и оно может являться началом образования новых энантиоморфных тел того же диссимметрического строения.
Умирая, в остатках своего вещества, в соединениях своего тела живые организмы оставляют диссимметрические структуры, которые иначе отсутствуют в земной коре, а вероятно, и на всей нашей планете. Можно сейчас выставить, не встречая ни одного противоречащего случая и с огромной вероятностью реального их отсутствия, положение, что в земной коре только жизнь и материальные продукты ее разрушения могут обладать диссимметрией, т. е. возможностью проявлений правизны и левизны, их неравенством.
Для живого вещества это его свойство проявляется и в другом явлении, отличающем его столь же резко от косных тел земной коры, как диссимметрия состава тел, строящих организм. Это смена поколений в живом организме, размножение, непрерывное создание диссимметричных тел.
Мы знаем, что живое вещество существует миллионы лет без перерыва, что в природных явлениях не существует самопроизвольного его зарождения.
Принцип «Omne vivum e vivo» вполне и целиком входит в рамки обоснованного П. Кюри эмпирического обобщения: диссимметрия может быть вызвана только такой же диссимметрией.
Жизнь отсутствует в земных глубинах, там, где искали генезиса нефтей. Чтобы объяснить в них образование энантиоморфных строений, подобных нефтям, необходимо допустить в этих глубинах существование такой же диссимметричной среды.
Наши современные научные знания не дают на это никаких указаний. Оставаясь на почве точного знания, следует признать, что явление оптической деятельности углеродистого минерала при неравенстве правых и левых ее проявлений неизбежно приводит к живому веществу, к единственной физической среде, в которой диссимметрия существует, — для молекулярных строений, содержащих атомы углерода. Совершенно непонятно, что так долго пренебрегали оптической деятельностью нефтей и что при создании многочисленных теорий их генезиса ее не принимали во внимание.
Французский физик Био открыл в 1835 г. оптическую деятельность нефти неизвестного происхождения. Этому открытию он не придал значения и упомянул о нефти между прочим среди многих других тел в своей работе, в которой он систематически экспериментально устанавливал присутствие или отсутствие оптического вращения плоскости поляризации в ряде природных и искусственных соединений.
Это важное наблюдение было совершенно забыто.
Правда, образец нефти Био был неизвестного происхождения и, как мы знаем теперь, необычных свойств (левое вращение); к тому же в 1833 г. академик Э.-Ленц, изучая специально с этой целью бакинскую нефть, пришел к отрицательному заключению.
На вращение нефти обратили внимание уже в XX столетии. Почти одновременно (около 1900 г.), может быть одновременно, Л. А. Чугаев в Москве и П. П. Вальден в Риге, обратили внимание на имевшиеся литературные данные об этом вращении, первый — на указания технической литературы о вращении продуктов нефти — вазелиновых масел, что он экспериментально проверил; второй вспомнил о значении открытия Био для выяснения генезиса нефти попутно в нескольких строчках статьи о развитии стереохимии. Но только в 1904 г. эти забытые и полузабытые факты вошли в жизнь. В январе на заседании Общества испытателей природы в Москве в связи с новой теорией залегания нефти, выдвинутой оригинальным и талантливым натуралистом А. П. Ивановым (1865—1933), возник спор о генезисе нефти, выяснивший это явление. Л. А. Чугаев широко и глубоко охватил вопрос о диссимметрии продуктов жизни в связи с генезисом нефти, а присутствовавший на заседании М. А. Ракузин решил проверить экспериментально это явление и на образцах бакинской, грозненской, североамериканской нефти и продуктов их обработки вскоре доказал правое оптическое вращение нефти в изученных им случаях. Очень долгое время все попадавшиеся нефти давали правое вращение, и лишь несколько лет после исследований П. И. Вальдена нашли несколько нефтей, имеющих левое вращение, но гораздо более слабое, чем то, которое было изучено Био. Факт остается прочно установленным: нефти — тела, обладающие оптически деятельным строением с резким различием правого и левого антиподов. Резко в природе преобладают правые нефти. Такого характера соединения углерода создаются только в биосфере и только живым веществом. Все минералы углерода, не имеющие биохимического генезиса, оптически инертны.
Сейчас возможно утверждать, что это явление свойственно не только нефтям, но и всем остаткам тела организмов. Разные соединения с ярко выраженной диссимметрией в них всегда могут быть открыты.
Вещество биосферы неоднородно физически; живые организмы и органогенные углеродистые твердые и жидкие минералы образуют диссимметрическую среду, включенную в косное вещество, ее лишенное.
Диссимметрия углей и гумусовых веществ почв вытекает из кристаллографических исследований Л. Руайе, не сделавшего, правда, этого вывода.
Руайе точно установил диссимметричность нефти в новом ее проявлении: в присутствии нефти фигуры вытравления на кристаллах, обладающих центром и плоскостями симметрии (на кальците), являются энантиоморфными — правыми в изученных случаях.
То же самое Руайе доказал для гумуса почв и для торфяников.
Огромная область, едва затронутая научной работой, открывается перед нами.
Химическое изучение нефтей приводит, таким образом, к заключению о биогенном их происхождении и о том, что ювенильные углеводороды не могут играть в них большой роли. К тому же выводу приводит изучение их биологами и геологами.
Нефти не являются вадозными минералами. Они не образуются в результате выветривания в присутствии кислорода. Это фреатические или глубокие вадозные минералы, причем-температура их образования не очень высока. Но их исходное вещество не может происходить из глубоких областей земной коры, его нужно искать в биосфере — в живом веществе, при особых условиях.
Еще много остается неясного в понимании генезиса нефти, но все же уже многое начинает выясняться, и мы стоим на верном пути.
Мы видели, во-первых, что нефти — это не только углеводороды; они заключают помимо углеводородов другие, сложные органические соединения, несущие в своем строении ясный отпечаток своего биогенного происхождения. К сожалению, до сих пор нет совершенно анализов, рационально поставленных, состава нефтей: какое количество углеводородов находится в нефтях? Это число, по-видимому, меняющееся. Можно пока его только прикидывать. Среднее число, вероятно, заключается где-то между 75—95%?
Нефти, во-вторых, образуются в биосфере. Они являются продуктами метаморфизма разложившихся и разлагающихся (биохимически) остатков растений и животных.
Сам метаморфизм, весьма вероятно, является биохимическим (может быть, радиохимическим); обычные размеры биосферы (нижняя граница) должны быть раздвинуты.
Но где начинается генезис нефтей на земной поверхности, в своем начале, которое должно выявляться в виде определенных биоценозов или скоплений детритного материала, остатков мертвых организмов?
Их долгое время не знали, делали лишь более или менее вероятные предположения, которым сами авторы часто не придавали большого значения. Можно найти в истории естествознания много таких теорий, часто приближавшихся к современным утверждениям науки, например высказанные в 1850—1860 гг.
известными геологами — американцем И. С. Ньюбери и русско-немецким исследователем Г. Абихом.
Лишь в нашем веке сумели открыть среди сложности природы те ежедневные явления, долго казавшиеся незначительными, которые в действительности порождают грандиозное явление генезиса нефтей.
Понадобилась для понимания их тяжелая и углубленная работа. Образовались новые науки: болотоведение, экология растений, лимнология; изучение торфов и илов приняло новое направление. Созданы новые большие отрасли знания — химии углей и нефтей, минералогия углерода и каустобиолитов — со своими методами работы и проблемами.
Выявилось положение нефтей среди других органогенных углеродистых соединений и необходимость одновременного их изучения как результата геохимической работы жизни.
Только теперь, с выявлением геохимии и ее во многом своеобразной отрасли — биогеохимии, — значение этого хода научной мысли получает рациональное основание.
Для выяснения генезиса нефти необходимо изучить органогенные продукты гибели определенных организмов и биохимические процессы их изменения другими определенными организмами как в биосфере, так и при переходе этих явлений биосферы в следующую земную оболочку — стратисферу.
Образование нефтей — одно из проявлений огромной важности процесса передачи энергии Солнца через живое вещество в глубокие слои планеты.
Можно сейчас выделить здесь несколько разных химических процессов такой передачи, одним из которых является генезис нефти. Во-первых, это будет создание рассеянного органогенного вещества, во-вторых, создание соединений с преобладанием углеводородов (нефти), богатых углеводородами (битумы) или бедных углеводородами (угли) и почти чистого углерода (графиты).
Надо различать два случая накопления исходного для образования нефти вещества в биосфере: с одной стороны, в тех случаях, когда отмершие организмы собираются в местах, где жили организмы, а с другой стороны, в местах, куда сносились остатки их жизни.
Случаи первого рода установлены для пресных и солоноватых озерных бассейнов или таких участков рек, где скопляются остатки отмерших организмов (дельты) или где речные образования обладают очень медленным течением. Но такие скопления могут временами образовываться при специальных условиях и в морях, по-видимому опресненных. Так, для нефтей Северного Кавказа и Керченского полуострова возможно образование их в связи с таким своеобразным явлением, как мощное развитие донной и иловой воды за счет основной морской воды, которое до сих пор идет в Черное море в связи с выделением сероводорода и которое имело место, по А. Д. Архангельскому, в чокракское и караганское время (миоцен), и в олигоцене в майкопской свите в солоноватом бассейне, здесь существовавшем.
Аналогичные условия образования нефти из диатомовых планктонов, которое принимается для калифорнийской нефти и указывается как возможное для Бакинского района. Это явления, которые могут быть связаны с цветением моря, например с тем явлением, которое сейчас наблюдается в Адриатическом мелком и малосоленом море — mare sporco.
Прямые определения минеральных масел в морском и в океаническом иле, как надо было думать и раньше, дали отрицательные результаты.
Сейчас можно отметить только в общих чертах, где начинается нефтеобразование в биосфере. Но путь дальнейшей работы ясен.
Это могло быть выяснено только после того, как происходящие вокруг нас — кажущиеся мелкими и неважными — процессы разложения и гниения организмов стали сами по себе предметом тщательного научного изучения и когда в основных чертах была выяснена отчасти этим путем картина образования природных ископаемых углей. Если мы возьмем процесс в целом, то нефти и угли являются разными членами единого природного процесса: во-первых, разрушения отмерших организмов под водой вне доступа свободного кислорода и, во-вторых, образования больших концентраций таких разрушений.
Основное значение имело медленно создавшееся убеждение, что получаемые в результате такого разложения углеродистые минералы должны были бы быть различны не только в зависимости от внешних условий разложения, но и от химического состава тех организмов, которые дали им начало.
В этом отношении огромное влияние имели работы конца XIX и начала XX вв. французского палеофитолога Б. Рено, работа которого не была понята современниками, и его ученика Ш. Бертрана. Они выяснили образование богхедов, битуминозных углей и доказали отличие их от других углей как в отношении организмов — одноклеточных водорослей и мелких животных, которые им дают начало, так и в отношении их химического состава и строения. Они ясно видели связь этого процесса с образованием углеводородов.
Другой, немецкий палеофитолог Г. Потонье, обратившись к наблюдению современной природы и современных процессов разрушения отмерших организмов под водой, выявил их разнообразие, их зависимость от вида организмов. Одновременно он указал, что в отложениях ила пресных вод накапливаются продукты — сапропели и сапропелиты, которые резко отличны от природных углей, образованы в значительной мере животными организмами и планктонами, богаты углеводородами. Каменные угли, связанные с древесной растительностью, не могут образоваться в результате их изменения.
Необходимо иметь в виду, что эти замершие массы жизни, раньше чем в них начнутся процессы метаморфизма, еще в биосфере переполнены жизнью — бактериальной, может быть, грибной. По Ваксману, в них больше 30% по весу живых бактерий.
Г. Потонье и другие исследователи создали классификацию природных продуктов распадения остатков организмов, каустобиолитов, как их называют. Оставляя все частности, не имеющие значения для нашей цели, можно отметить три резко отличных типа такого изменения: 1) продукты разложения одноклеточных водорослей и микроскопически мелких животных — получаются богатые углеводородами битуминозные сланцы, богхеды и т. д.; 2) продукты разложения болотной зеленой моховой и травянистой растительности — получаются торфы; 3) продукты, распадения лесной, древесной, болотной растительности — создаются каменные угли.
Несомненно, во всех этих случаях может идти речь только о преобладающем процессе. Изучение современных процессов водовместилищ и измененных остатков дает возможность восстанавливать картину былого во всех, нередко мелких, подробностях.
В общем выясняется, что все эти органогенные углеродистые тела, когда идет вопрос об их скоплениях, выделяются в определенных участках земной коры — в тех, где есть концентрация жизни, в береговой концентрации жизни, на границе моря и суши прежде всего и во много меньшей по мощности степени в озерных пресных, может быть, солоноватых отложениях.
Значение береговых концентраций обусловливает как возможность их образования в отдельных случаях в морской среде, так и связь их с орогеническими процессами, которыми определяется характер береговых очертаний.
Эта концентрация живого определяется главным процессом терригенного распада суши, ее размыва реками и метеорными родами, морским прибоем, и сноса огромного количества питательного вещества для живых организмов в удобно усвояемой ими форме.
Эти места, в тех случаях когда размыв суши дает много питательных веществ и есть удобные условия для подводного сохранения и гниения органических веществ, и являются местом биосферного зарождения как нефти, так и других углеродистых органогенных минералов.
Процессы распадения, дающие торф, смолистые угли, нефти или каменные угли, идут в водной бескислородной или бедной кислородом среде. Они начинаются в биосфере или близких к ней участках (верхняя стратисфера).
Начинает выясняться, что процесс образования этих минералов биохимический; огромную роль в создании природных углистых соединений играет анаэробная жизнь — бактерии, которые проникают в земную кору глубже, чем мы до сих пор думали; они доходят до областей, лежащих далеко за кислородной поверхностью, за корой выветривания, в области ровной неизменной температуры, превышающей среднюю температуру воздуха. Эти забытые наблюдения Ф. Штапфа (1879) нашли в последнее время (ноябрь 1926 г.) неожиданное подтверждение благодаря открытию Е. Бастин и Н. Ушинского живых бактерий в нефтеносных пластовых водах на глубине больше километра в Северной Америке и на Апшеронском полуострове у Каспийского моря, близ Баку.
Область биосферы необходимо раздвинуть далеко вглубь, далеко за кислородную поверхность. Надо принимать во внимание анаэробную жизнь, может быть, гораздо более широко развитую в глубинных пластовых водах, чем это мы сейчас думаем.
Еще другое явление заставляет, мне кажется, приходить к тому же заключению — к распространению микрофлоры в глубину в латентном состоянии.
Остатки организмов, которые превратятся в конце концов в нефть, перемещаясь в глубину на километр и глубже, благодаря геологическим смещениям еще долго могут находиться в области жизни и подвергаться биохимическим изменениям.
Их остатки попадают в эти глубины обычно в результате геологических смещений, например, когда стоячие воды, скопившие разлагающееся живое вещество, покрываются осадками и этим путем или под влиянием движений земной коры переходят в более глубокие ее области — за пределы коры выветривания. Разрезы торфяников и сапропелей совершенно ясно показывают, что химическое изменение идет уже в низших глубоких их слоях, которые уплотняются и переходят в торфы или сапропелиты (битуминозные сланцы), содержат химически измененные продукты жизни.
Образование конечных продуктов происходит в геологически ничтожное время при существовании благоприятных условий. Признаки такого быстрого образования — нахождение раковин, тела которых превратились в нефть, или валунов каменного угля в промежуточных прослойках тех же каменноугольных залежей — представляли сперва затруднения для исследователей. Они становятся непонятными, если признать биохимическое происхождение всех этих тел, участие в процессах их образования анаэробных бактерий.
Мы сейчас находимся лишь в начале микробиологического изучения образования каустобиолитов; в ближайшее время, очевидно, наши знания уточнятся и станут более ясными и четкими. Но уже сейчас неизбежность (признания участия анаэробов ставит ясные границы той области, в которой может идти процесс нефтеобразования.
Он не может выходить за пределы существования жизни. Температура едва ли много превышает 60—70°, и, вероятно, она была еще ниже. Более высокая температура должна вообще приводить к образованию газообразных продуктов и к исчезновению в, данном месте углеродистых соединений. Едва ли таким образом, принимая во внимание термический градиент земной коры, образование нефти могло происходить глубже 1,5 км, вероятнее всего, оно происходило в пределах сотни, немногих сотен метров. Огромное значение должно было иметь давление в пределах десятков атмосфер.
Биохимическое разложение остатков организмов должно идти и, как мы знаем, идет для разных организмов очень различно. Организмы, разбросанные среди других, им чуждых, организмов, дают при разложении свои — для данного вида и для данного его химического состава — характерные продукты. Получение различных каустобиолитов связано со значительным преобладанием организмов определенного химического состава. Нефть, каменный уголь, торф, битуминозный сланец зарождаются в своих соединениях еще в организмах. Мы видим здесь проявление чрезвычайно часто забываемого явления — большого химического разнообразия состава живых организмов.
Для образования нефтей и других каустобиолитов должно быть выполнено основное условие: образование на земной поверхности больших скоплений организмов определенного химического состава и создание определенных условий, благоприятных для их подводного разложения.
Все, что мы знаем сейчас об отложениях каустобиолитов, указывает, что их образование шло в огромном большинстве случаев там, где жили те организмы, из которых образовались нефть или каменный уголь. Переместились в огромном большинстве случаев не сами организмы, но места их обитания.
Это верно и для жидких продуктов, таких, как нефть. Большинство значительных месторождений нефти отвечает местам ее зарождения и создания. Так называемая «миграция» нефти благодаря ее легкой подвижности является в общем вторичным, генетически не основным явлением. Она может играть роль для их перемещения — создания вместилищ нефтей после их образования, их разностей, но не для создания самих нефтей.
Этому не противоречит и то, что нефть тесно связана в своем нахождении с дислокациями земной коры и сосредоточивается в областях, тектонически нарушенных. В таких же областях главным образом сосредоточиваются и залежи каменных углей. Это связано не с подвижностью нефти, а с нахождением в этих областях благоприятных условий (благоприятный режим поверхностных и пластовых вод) для создания каустобиолитов и для сохранения остатков организмов.
В таких областях, подверженных тектоническим движениям (например, в связи с геосинклинальными перемещениями или по краям этих областей), появляются благоприятные условия для создания пресноводных и соленых бассейнов у границ морских бассейнов и их опускания, благодаря чему достигается сгущение жизни и образование мощных пластов каустобиолитов.
Но в этих же условиях создаются в ближайшее же (геологически) время условия для дальнейших перемещений и разделений создавшейся смеси твердых, жидких и газообразных тел «первичной» нефти. Иногда эти условия разделений начинают вызывать отвечающие им перемещения вскоре же после образования нефти. Так создаются концентрации жидких, богатых углеводородами тел, подобно тому как это наблюдается и для других жидкостей земной коры — для водных растворов.
Эти процессы зависят от условий среды, от геологического строения, от тектонических движений, от свойств нефти и т. п. Они приводят к образованию нефтяных месторождений.
Я не буду здесь касаться этого важного отдела геологии, в котором много еще неясного, но в котором ясно, что он может быть и, очевидно, будет научно закономерно охвачен.
Для моей цели важно только отметить, что все эти явления имеют место после образования нефти, этого определенного каустобиолита, генезис которого теснейшим образом связан с живым веществом. Ясно видна уже здесь та огромная геологическая сила, какую это вещество представляет.
Но, как мы увидим, мощность ее влияния идет гораздо дальше, ибо лишь часть вещества организмов собирается в виде каустобиолитов. Это только та часть, которая выходит из жизненного круговорота, какая-нибудь стотысячная или миллионная часть химических элементов, проходящих через живое вещество. Вся остальная масса элементов удерживается живым веществом в круговороте, в поле своего действия.
Эта ничтожная часть представляется, однако, нам в окружающей нас природе в огромных массах нефтей или каменных углей, в сотнях миллионов тонн углерода. Она может создавать эти массы только в исключительных геологических условиях, в таких, которые позволяют ей геологически быстро выходить из поля действия живого веще с т в а, т. е. из биосферы, в частности из коры выветривания. Такие условия существуют только в областях больших тектонических нарушений. Получаются ли при этом нефть или уголь, определяется прежде всего характером того скопления живого вещества (организмов), которое образовалось в биосфере на суше и которое выведено затем геологическими причинами из верхней области биосферы.
Нефти и угли могут образоваться только в определенных типах сгущений жизни биосферы, только в одном их типе — в пресноводных (реже солоноватых и соленых) сгущениях суши.
Химический характер (состав) организмов сгущений определяет генезис того или другого из этих минеральных образований.
В результате этого процесса образуются не только физически различные продукты: твердые каменные угли и жидкие нефти, но и химически разные их смеси.
Сейчас химия каменных углей делает быстрые успехи, и перед нашими глазами открывается картина, резко отличная от той, которая только что была указана для химии нефти. Углеводороды играют в ней малозаметную роль, на первое место выступают более сложные гумусовые кислородно-водородные производные углерода. Для этих гумусовых составных частей только в последние годы начинает выясняться химическая структура. Шрадер и Фишер выдвинули значение в ней группы лигнинов, главной составной части древесины, сохраняющейся в углях при его образовании в общем незыблемым.
Лигнинов много; это тела, формулы которых точно и определенно не могут быть даны, но основная структура которых может считаться в первом приближении установленной.
Состав лигнинов выражается (Фукс, Стадников) числами:
Характерным для них является основное ядро ароматического характера; в нем преобладает конифериновый комплекс. Химическая функция лигнина неясная: тело очень стойкое, инертное. В нем всегда находятся метаксильные группы (СН3О) (до 13,03%), объясняющие образование древесного спирта при перегонке дерева. По-видимому, число метаксильных групп в каменном угле карбона меньше, чем в олигоценовом (Ф. Розендаль).
Количество лигниновых ядер в каменных углях меняется, как оно меняется и в растениях.
За исключением водорослей (и неизученных микроскопических растений), лигнин находится во всех растениях. В торфяных мхах его содержание колеблется между 9—13%, в древесине 20—30%. Это, очевидно, одно из самых распространенных по массе в биосфере тел, создаваемых жизнью.
В углях количество его производных тоже колеблется, очевидно, прежде всего в зависимости от состава организмов, давших ему начало. Им бедны антрациты, битуминозные угли, очень богаты коксующиеся угли.
В процессе метаморфизма с ходом времени производные лигнина в углях конденсируются, обогащаются углеродом.
Важно его преобладание над производными клетчатки в углеродистых минералах, происшедших из растительного живого вещества.
Здесь в масштабе земной коры проявляется тот же процесс, который характерен для созданного метаболизмом тела организмов. И там и здесь наблюдается создание соединений с устойчивым кольцеобразным ядром в строении молекул.
Если бы наши знания химии организмов, разных их видов, были хотя бы столь же значительны, как знание химии нефтей и каменных углей, мы бы, несомненно, в ней могли бы различать типы организмов, столь же резко химически отличающихся друг от друга, как нефти или каменные угли.
К сожалению, только в настоящее время направляется внимание на эти области биологии.
Развитие наших представлений о генезисе каустобиолитов еще не закончено, и указанные здесь основные черты его далеко не общепризнаны. Но изучение истории мысли в этой области приводит к тем же выводам, как и непосредственное изучение фактов, что позволяет с большей уверенностью ожидать подтверждения правильности здесь изложенных толкований.
Решительный толчок научной мысли дали работы Б. Рено и Ш. Бертрана, которые доказали различное биогенное происхождение различных природных углей. Влияние этих исследований на последующие обширные работы многочисленных исследователей, занимавшихся этими для всей цивилизации столь важными веществами, было очень велико.
Работа поколениями шла разрозненно; в отдельных каменноугольных бассейнах детально выяснялась их частная история; обобщений не делалось; с современной природой явление обычна не сравнивалось.
Если биогенное происхождение нефтей впервые в общей концепции было охвачено мыслью Бюффона к середине XVIII в., а вошло в жизнь лишь в конце XIX в., — для углей уже в XVI в.. В. Кордус (1544) и Б. Клейн (1592) ясно понимали их происхождение — древесное. К концу XVIII в. это стало общим местом; через Геттона (1785) и связанный с ним синтез истории Земли оно вошло в сознание геологов. Палеофитологи в начале XIX в. (Штернберг, Броньяр и др.) положили точные основы нашему современному пониманию.
Это современное понимание не основывается, однако, только на данных палеофитологии. Его корни находятся и в химическом и в геологическом исследовании углей.
По-видимому, современные идеи впервые в более или менее ясной форме сложились в работах бельгийских геологов к середине XIX в. Их выразил бельгийский горный инженер А. Бриар, все время работавший в копях бассейна своей страны, развивая идеи А. Буги (1855). Но его работа не обратила на себя внимания и поэтому не могла оказать влияние на науку.
Лишь значительно позже американские ученые Л. Ортон и С. Ньюбери подошли к представлениям, мало отличающимся от наших современных.
Среди этих геологов и палеофитологов много было крупных исследователей. Я не могу их всех перечислять, но упомяну лишь о работах Г. Фильоля, Гранд Эри и М. Д. Залесского. Всё они ярко осветились основным открытием Б. Рено и Ш. Бертрана.
Образование каменных углей имеет связь с болотами, с большими скоплениями растений, свойственными странам с сырым климатом, в устьях и дельтах больших рек, в равнинах их бассейнов, на берегах континентов и островов, в низинах областей приливов и отливов. Это все большие сгущения жизни, где масса органической материи, находящейся в состоянии медленного разложения, огромна. Возможно, что это самые большие сгущения жизни, нам вообще известные на суше.
Болотная, травяная и моховая растительность не может дать начала нефтям и каменным углям. Для лигнитов и каменного угля исходными являются болотистые леса субтропических низменностей или болотистых равнин бассейнов современных рек различных климатических областей. Быть может, при благоприятных геологических условиях болотистые таксодиевые леса Флориды могли бы через долгие тысячелетия дать пласты каменного угля. Даже теперешнее богатство лесов в Америке отчасти связано с этими таксодиевыми лесами, дающими на гектар массы древесины, неведомые для лесов наших широт. Возможными источниками залежей каменного угля могли бы явиться (если бы этому не препятствовал человек) и другие болотистые леса типа Дисмальского болота в штатах Виргиния и Северная Каролина или прибрежий озер, подобных Верхнему Кламату в Орегоне. Другое физико-географическое явление должно быть принято во внимание — скопление жизни в бассейнах великих рек, находящихся в девственном состоянии. Амазонка, Ориноко, Замбези, также Обь и Иртыш с их притоками являют собой такие примеры с лесами их берегов, с большими заливными долинами и болотами. Эти реки с их водой, богатой растворенными органическими веществами и растительными остатками, с тихим движением их вод, с озерами, через которые они медленно протекают, с их устьями и дельтами дают нам представление о первичном зарождении каменноугольного бассейна. «Васюганское море» Оби простирается на несколько тысяч квадратных километров. Есть еще большие области низко лежащих прибрежных полос как на суше, так и на островах, области разливов в тропических и подтропических зонах, покрытые огромными болотистыми лесами.
Сейчас в Индии и в области островов Голландской Индии мы имеем примеры таких явлений. Каменноугольные слои серии Coal Measures Англии, которые составляют ее основное богатство, являются метаморфизованными остатками таких лесов дельт больших рек.
И каменные угли и лигниты, как и нефти и смолистые сланцы, являются продуктами изменений, идущих вне зеленой поверхности — в анаэробной среде. По-видимому, здесь прежде всего действуют водные растворы. На это указывают наблюдения Тэйлора, обратившего внимание на различие покрывающих месторождения углей пород. Когда их покрывают слои, дающие кислую среду, образуются торфы, когда среда богата Са, Al, Si, — лигниты, а когда богата Na, Al, Si (щелочная среда), — каменные угли. Это первое крупное обобщение, подвергающееся сейчас проверке.
Иначе идет образование богхедов, битуминозных сланцев нефтей. Оно тоже начинается в озерах и в других стоячих водоемах, в неглубоких пресных или солоноватых, богатых живым веществом, прибрежных, богатых жизнью частях моря. Это живое вещество очень отлично от того, которое господствует в водовместилищах, где происходит зарождение торфов или каменных углей. Это организмы планктона, одноклеточные водоросли, мелкие животные, споры. Они собираются благодаря взрывам размножения, подобным «цветениям» наших озер и прудов, цветениям морей, когда под влиянием «волн: жизни» и чрезвычайной геохимической энергии этих организмов поверхность водовместилищ в течение короткого времени покрывается мириадами организмов, десятками, сотнями тысяч тонн одноклеточных, обыкновенно одного вида водорослей и других протофитов. Известны десятки видов различных организмов, дающих в наше время при различных условиях такие «цветения» водных поверхностей.
Богатый растительный планктон этих стоячих вод вызывает невероятный расцвет животной водной жизни. Такие «волны жизни» исчезают так же быстро, как и появляются. Организмы умирают, не будучи употребленными в пищу другими, их остатки собираются на дне — их вещество выходит в значительной части из цикла жизни. Это сапропели, богатые маслянистыми к азотистыми телами, неразрывно связанные с нефтями. И в настоящее время сапропели собираются в тысячах озер северного» полушария, связанных в своем генезисе с историей последнего ледникового покрова, в тысячах озер Западной Сибири, всюду,, где условия жизни благоприятствуют расцвету этих организмов.
В черных реках тропиков иногда с почти стоячими водами часто бывают условия, очень благоприятствующие медленному разложению умерших организмов, ибо эти воды, богатые растворимыми органическими веществами, бедны аэробными микробами (подобно торфу). Органическое вещество их лишь медленно превращается в газообразные продукты, но они накапливают остатки жизни, принесенные со стороны. Иногда остатки животных не играют здесь большой роли; воды содержат споры, принесенные ветром, грибы, являющиеся концентраторами азота.
Эти два различных процесса разложения живого вещества не всегда отделены друг от друга. Наоборот, они почти всегда идут одновременно. Если преобладают организмы, богатые производными лигнина, мы имеем условия, благоприятные для образования каменного угля, если же преобладают организмы сапропелей, то условия благоприятны для образования битумов и нефтей. Их скопления образуются в тех случаях, когда процессы идут в большом масштабе. Но нельзя оставить без внимания их выделения, сами по себе ничтожные, которые всюду непрерывно происходят вокруг нас, так как в земной коре существуют различные механизмы, позволяющие ничтожным рассеянным массам этих продуктов собираться и давать более значительные нахождения. Это главным образом процессы, идущие вне биосферы, стратисфере, когда органогенные остатки жизни выходят из пределов земной поверхности.
Это процесс медленного, вначале биохимического, метаморфизма, дающий в геологическое время в конце концов чистый углерод и окись углерода. Но раньше чем перейти к этому конечному состоянию, каменные угли и битумы имеют очень длинную историю, существуют миллионы лет, находясь всегда в состоянии медленных превращений. Геологи, изучавшие большие месторождения нефти, мало-помалу пришли к аналогичным взглядам. Два больших научных учреждения — Геологическая съемка США (Geological Survey) в Вашингтоне и Геологический комитет в нашей стране — после работы, длившейся десятки лет, и углубленного независимого изучения самых больших нахождений нефти пришли к началу XX в. к почти одинаковым, заключениям относительно их генезиса. Нефти, несомненно, являются осадочными, фреатическими, водными (в значительной части пресноводного генезиса, но обычно связанного с жизнью моря) минералами; они находятся в определенных геологических формациях песчаников, песков, известняков или глин. Их большие скопления — миллионы тонн — известны начиная с силура до плиоцена. Во всех их месторождениях находят либо породы, богатые остатками организмов, сапропелевые породы, либо какие-либо другие указания относительно прошлого существования больших «сгущений жизни», давших им начало. В условиях своего современного залегания нефти нередко перенесены геологическими процессами далеко от мест этих когда-то былых сгущений.
Таким образом, если самый механизм процесса недостаточно известен и если образование нефтяных нахождений со многих точек зрения еще спорно, главный факт все же установлен: нефти происходят из определенных живых организмов, из живого вещества — определенного химического состава, определяющего химическую структуру нефтей. Это фреатические тела, генезис которых имеет свое начало на земной поверхности. Нефти — не ювенильные минералы.
—Источник—
Вернадский, В.И. Биосфера/ В.И. Вернадский. – М.: Мысль, 1967.– 374 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
