Как образовалась нефть и есть ли она на других планетах?

Когда-нибудь задумывались, как именно возникла нефть? Споры на этот счет в геологическом сообществе не прекращались еще в прошлом столетии. Исследователи разделились на два лагеря: одни поддерживали теорию неорганического происхождения нефти, другие утверждали, что она имеет органическую природу. Сегодня, благодаря экспериментальным доказательствам, мы точно знаем, что нефть является биогенным продуктом. В ней были обнаружены биомаркеры — молекулы, унаследовавшие структуру органических соединений. Большинство геологов склоняются к мнению, что нефть образуется именно из органических веществ. Но возникает другой вопрос: откуда взялись столь огромные запасы нефти, которые сегодня составляют более 250 миллиардов тонн? Неужели они могут быть связаны с динозаврами? Давайте разберемся.

Нефть — это, как и все углеводороды, часть глобального круговорота углерода. Однако она играет роль консерванта, временно «выходя» из этого круговорота. В то время как углерод, образованный в процессе фотосинтеза растениями, постоянно перемещается между живыми организмами и различными слоями Земли, нефть сохраняется в глубинах, оставаясь вне этого процесса. Сначала углерод попадает в растения, затем через пищевые цепочки он перемещается от одного организма к другому, а затем снова выбрасывается в атмосферу в виде углекислого газа во время дыхания или разложения органических остатков.

Все органические вещества, при доступе кислорода, стремятся сгореть, и углерод превращается в диоксид углерода, хотя иногда он сохраняется в таких формах, как пламя костра, бензин или напалм. Чтобы органическое вещество не окислялось, оно должно либо обладать высокой устойчивостью, либо попасть в условия, где нет кислорода.

Когда органическое вещество оказывается в бескислородной среде, например, в недрах Земли, оно может трансформироваться в горючие ископаемые, но конкретная форма этого вещества зависит от его исходного состава. Так, из высших растений, таких как мхи, хвощи, папоротники и семенные растения, на болотах формируется торф, который затем превращается в уголь. В морских условиях остатки растительности, сжимающиеся под давлением в горных породах на глубинах 2-4 километра, становятся природным газом. Нефть же образуется только из остатков низших растений — фитопланктона, бактерий и, реже, зоопланктона.

Именно эти организмы, богатые липидами и жирами, по своей химической структуре близки к углеводородам нефти. Сегодня основными источниками органического материала для образования нефти являются диатомовые водоросли, динофлагелляты и цианобактерии (сине-зеленые водоросли), которые обитают в верхних слоях океанов и морей.

Одной из ключевых характеристик низших растений является их высокая биопродуктивность, то есть способность к быстрой генерации биомассы. Несмотря на то, что низшие растения составляют лишь 0,2% всей биомассы Земли, они обеспечивают 60% годового производства биомассы. При этом большая часть морской биомассы сосредоточена в верхнем освещенном слое воды — эуфотическом слое, и ее объем зависит от множества факторов, таких как содержание питательных веществ, газовый состав воды, температура и соленость.

После того как эти организмы погибают, их остатки оседают на дно. В процессе разложения в воде их белки и углеводы расщепляются до аминокислот и сахаров, начинается активное окисление, что разрушает молекулы. Поэтому для сохранности органического вещества предпочтительны мелководные бассейны. Ключевым фактором защиты от кислорода является размер минеральных частиц осадков, в которых сохраняется биомасса. Чем мельче эти частицы, тем лучше органика сохраняется.

Мелкие глинистые чешуйки увеличивают площадь поверхности, на которой органическое вещество может концентрироваться и удерживаться. В дальнейшем эти чешуйки сцементируются, а между ними остаются микроскопические поры, заполненные органическим материалом, что ограничивает доступ кислорода и предотвращает окисление. В песчаниках же, наоборот, большое количество пор способствует циркуляции воды, что приводит к окислению органических веществ до углекислого газа, из-за чего нефть в таких слоях не образуется.

Хотя в мировом океане органического вещества образуется больше, чем приносят обломки горных пород с суши, в осадках это вещество составляет в среднем менее 0,5%. Нефть формируется только в тех слоях осадочных пород, где во время образования существовали подходящие условия для жизни (глубина, количество пищи, освещенность и другие факторы). Кроме того, в этих слоях было минимальное количество минералов, что позволило органическим веществам избежать окисления.

Процесс образования нефти происходит на значительной глубине (2-4 км) и начинается только после того, как на этом уровне образуется новый осадок и температура превышает 60 °C. На этой стадии рыхлые морские отложения преобразуются в горные породы, что происходит в зоне диагенеза. Эта зона делится на две части: верхнюю, где царит окислительная среда с доступом кислорода, и нижнюю, в которой сохраняется анаэробная восстановительная среда.

Основными агентами разрушения органического вещества в этих зонах являются аэробные и анаэробные бактерии. Первые окисляют органику до углекислого газа, вторые — до метана, воды и водорода, который играет важную роль в дальнейших процессах. В процессе диагенеза даже наиболее стойкие липиды начинают изменяться. В результате органические вещества в материнской породе трансформируются в гумин, который позже превращается в кероген — нерастворимую часть органических соединений.

В геохимии горючих ископаемых выделяют три типа керогена, классифицируемые по соотношению водорода и кислорода к углероду. Нефть образуется из керогена с высоким содержанием водорода, к примеру, из керогенов I и II типов, образованных в основном или полностью из органического вещества низшей растительности.

Если в породе на момент попадания в зону нефтеобразования (температура 60-180 °C) содержание органического углерода превышает 0,2%, такая порода может сформировать нефть. В этой зоне происходят химические изменения керогена, выделяются растворимые органические вещества — масла, смолы и асфальтены. Их растворение в порах между минеральными частицами и керогеном приводит к образованию микронефти, которая по своему составу и свойствам наиболее близка к нефти, добываемой из земных недр. Микронефть, совместно с водой, начинает вырываться через трещины и перемещаться в верхние слои, где она накапливается и превращается в нефть.

Таким образом, очевидно, что нефть не образовалась из гигантских динозавров. Она возникла благодаря миллиардам мельчайших существ в верхних слоях океанов, которые смогли поглотить углекислый газ и, при благоприятных условиях, сохранить свои остатки в недрах Земли.

Интересно, что некоторые ученые предполагают возможность существования нефти не только на Земле, но и на других планетах и спутниках. К примеру, на Титане, спутнике Сатурна, обнаружены огромные озера и моря, заполненные углеводородами, в частности метаном и этаном. Хотя там отсутствуют условия, схожие с земными процессами нефтеобразования, такие находки подтверждают, что углеводороды могут формироваться и на небесных телах без участия живых организмов. Это открытие не только расширяет наши представления о происхождении углеводородов во Вселенной, но и заставляет задуматься о возможных источниках энергии за пределами Земли.