Органическая геохимия керогена



Геофизическая аппаратура торый на порядок дешевле. Этот метод в его современной модификации прекрасно решает задачи изучения глубинного строения и является наиболее эффективным способом получения информации в обстановке ограниченного финансирования и крайне сложных поверхностных условий. МОВЗ опирается на уже имеющиеся профили ГСЗ с подготовкой на следующем этапе детальных комплексных глубинных исследований в пределах районов и представляет интерес для решения проблемы сейсмичности и поисков месторождений полезных ископаемых. Нами даны рекомендации по дальнейшему исследованию глубинного строения земной коры южных районов Республики Коми по сети профилей МОВЗ, расположенных в створе профилей

ГСЗ: Кварц, Кинешма—Воркута, Верхненильдино—Казым, Сев. Сось-ва—Ялуторовск, Красноленинский, Рубин-1. Учитывая сравнительно невысокую производительность полевых наблюдений МОВЗ, их большую трудоемкость, а также сложность геологического строения региона, такие исследования в дальнейшем должны быть многолетними, с использованием цифровых комплексов регистрации с предварительным пакетом обработки. Работы, проведенные различными типами сейсмических станций, уверенно показали насколько практичнее цифровые станции — значительно упрощаются полевые наблюдения, появляется возможность прямо на месте оценить качество сейсмической записи и провести предварительную обработку накопленных данных, ускоряется процесс камеральной обработки и т. п. Выполнение этих условий, несомненно, приведет к повышению эффективности исследований. Кроме того, исследования МОВЗ необходимо проводить в комплексе с гравиразведкой и магниторазведкой. Геофизическая лаборатория оснащена магниторазведочной и электроразведоч-ной наземной аппаратурой. Нами был выполнен большой объем работ, направленный на изучение строения осадочного чехла, и такие работы продолжают проводиться.

Только такой подход к глубинному исследованию в совокупности с имеющимися материалами создаст надежную основу для глубокой и более достоверной интерпретации результатов всех региональных геофизических съемок и сыграет значительную роль при решении различных вопросов геологии и геофизики.

В настоящий момент геофизические исследования ведутся нами в трех направлениях:

• 1.    Наблюдение за сейсмическим режимом Республики Коми и прилегающих территорий.

• 2.    Изучение глубинного строения Республики Коми с использованием комплекса геолого-геофизических данных (с применением метода обменных волн от землетрясений, электроразведки, магниторазведки, гравиразведки и т. д.).

• 3.    Исследование микросейсмичности крупных промышленных городов и наиболее опасных в сейсмическом отношении зон.

Перспективы дальнейших исследований тесно связаны с изучением строения земной коры и ее связи с верхней мантией, в которой следует искать источники энергии тектонических, магматических и метаморфических процессов. Исследования представляют как научный, так и практический интерес для тектонического районирования изучаемой территории, выявления глубинных разломов, к которым приурочены различные полезные ископаемые, выявления сейсмоактивных зон с целью прогнозирования возможных очагов землетрясения.

ОРГАНИЧЕСКАЯ ГЕОХИМИЯ КЕРОГЕНА

Д. г.-м. н.

Д. А. Бушнев

Кероген — это нерастворимое в органических растворителях и водных растворах щелочей органическое вещество осадочных пород, которое выделяется из них методом кислотной деминерализации. Происхождению, структуре, составу и механизмам накопления и преобразования посвящено огромное число работ. Крупные монографии, относящиеся к данному объекту выходили на границе 70—80 гг. прошлого века [12]. Недавно сотрудниками Новосибирского НЦ была выпущена монография, обобщающая результаты многогранных исследований керогена, выполненных российскими и зарубежными специалистами [1].

Несмотря на обилие публикаций, прямо или косвенно затрагивающих кероген, его химическая структура изучена явно недостаточно. Вместе с тем её изучение имеет весьма серьёзное значение как для развития теории нефтегазообразова-ния, так и для решения практических вопросов, например, оптимизации режима обогащения и переработки горючих сланцев.

Наши работы в области геохимии керогена были начаты в 1999 г., после моей защиты кандидатской диссертации, тема которой относилась к нефтяной геохимии. Первым объектом для исследования кероге-

на стали горючие сланцы средневолжского возраста Сысольского сланценосного района.

Новый объект потребовал лабораторной отработки новых методов химико-аналитических исследований. Прежде всего, метода пиролиза — основного для изучения молекулярной структуры фрагментов керогена. Следует отметить, что пиролиз я пробовал применять и ранее — например, при изучении родственных керогену асфальтенов нефти. Анализ опубликованных к тому времени результатов исследования различных керогенов мира свидетельствовал о том, что наиболее широко в геохимической практике используется метод пиролитической газовой хроматографии/хрома-то-масс-спектрометрии ( on-line ), как экспрессный и информативный, особенно при изучении низкомолекулярных фрагментов керогена, несколько реже применяется метод пиролиза керогена с промежуточным выделением и фракционированием продуктов пиролиза ( off-line ). Уже первые эксперименты, проведённые нами с образцами керогена, выделенного из керна 351 и 363 скважин Поингской площади [2], предоставленного к. г.-м. н. С. В. Лыюровым, показали высочайшую информативность метода пиролиза даже в самом его несложном варианте. Результаты исследований всего четырёх образцов позволили тогда установить наличие зависимости между составом продуктов пиролиза керогена и содержанием органического углерода в исходной породе.

Стало ясно, что дальнейшее совершенствование применяемого нами пиролитического метода, перевод его на количественную основу, позволит качественно детализировать информацию, извлекаемую из доступных для исследований проб. С этой целью нами были выполнены синтезы соединений, которые можно использовать для целей количественного анализа методом внутреннего стандарта. Теперь стало возможным не только исследовать относительные содержания низкомолекулярных продуктов пиролиза ке рогена, таких, как алкилтиофены, алкилбензолы и фенолы, но и получать количественные данные по образованию в ходе пиролиза таких соединений, как н-алканы/н-алкены-1, н-алкилбензолы, н-алкилтиофены.

Применительно к исследованию керогена средневолжских горючих сланцев, теперь уже на более широком материале обнажений Сысольского сланценосного района[4] и Кашпирского месторождения, это дало возможность получить и сопоставить с опубликованными, в частности по Кимериджской глинистой формации, зависимости между

составом низкомолекулярных алкилтиофенов пиролизата керогена, количественным выходом при пиролизе суммы н -алканов и н -алкенов- 1, а также суммами н -алкилбен-золов и н -алкилтиофенов. Именно исследования состава продуктов пиролиза керогена позволили установить, что изменение концентрации С_орг в породе связано со сменой механизмов накопления органического вещества. Так, рост С_орг в породе сопровождается снижением роли механизма селективного сохранения алгаенана и усилением консервации органического вещества, в том числе и углеводов, за счёт процесса раннедиагенетического осернения.

Исследования состава продуктов пиролиза керогена наиболее обогащённых Сорг средневолжских го рючих сланцев показали, что здесь содержится ряд битиофенов и фенилтиофенов, которые отсутствуют в других пиролизатах. Нами была предложена оригинальная схема формирования данных соединений [4]. В дальнейшем нами был выполнен синтез ряда компонентов рядов 2,2 —битиофена и 2-фенилтиофена, необходимых для повышения достоверности их определения в продуктах пиролиза керогена. Кроме того, нами выполнено моделирование фрагмента химической структуры керогена на примере вулканизированного серой полибутадиена, что позволило установить источник образования 2,2-битиофенов и 2-фенилтиофенов в продуктах пиролиза керогена [11]. Применение этих — впервые полученных нами результатов позволило получить в наше распоряжение диагностический признак присутствия полисеросвязанных н-алкильных структур в составе керогена.

Постепенно наш интерес к геохимии керогена средневолжских горючих сланцев стал перерастать в интерес к изучению углеродистых толщ в целом. В нашем распоряжении имелась небольшая коллекция керогена углеродистых толщ доманика, частично отобранная за время экспедиционных работ на р. Лыаёль в составе отряда Н. В. Беляевой. Результаты исследований доманикового керогена [3] подтвердили информативность отработанного в нашей лаборатории комплекса методов и в то же время выявили определённую ограниченность его применения к анализу выборок образцов, на формирование состава которых могли оказывать влияние различные постседиментационные факторы.

Другими углеродистыми толщами, кероген которых был подвергнут детальному изучению в нашей лаборатории, стали битуминозные сланцы K 1 a Ульяновской области [8] и углеродистый горизонт J 3 OX² " ³ [10]. Несмотря на то что объём исследований по этим толщам был несопоставимо меньше, чем для средневолжских горючих сланцев или отложений доманика, и здесь нам удалось построить относительно уверенную картину геохимических обстановок формирования отложений.

Катагенез — это естественный процесс термического преобразования органического вещества, происходящий при погружении горной по- роды. Именно катагенетические преобразования органического вещества осадочных пород приводят к формированию углеводородных флюидов, первичная и вторичная миграция которых ведёт к образованию скоплений нефти и газа в залежах. Моделирование катагенеза — это достаточно сложная исследовательская задача, традиционно решаемая в виде проведения гидротермального эксперимента. Основная сложность здесь не техническая, а интерпретационная. С разрешения д. г.-м. н. А. Ф. Кунца и при непосредственном участии аспиранта А. В. Терентьева нами была выполнена серия экспериментов по термическому воздействию на средневолжский горючий сланец в автоклаве. Результаты были опубликованы в виде двух статей [5, 6]. Здесь нами была предпринята попытка сведения баланса расходующихся на формирование термобитума структур керогена и его остаточных фрагментов. Результаты эксперимента говорили о неоднородности н-алкильных составляющих керогена, а это непосредственный выход на процесс неф-тегазообразования, на прогноз качественного состава УВ флюидов, генерируемых нефтематеринскими толщами в ходе катагенеза.

Неоднородность н -алкильных структур керогена Сысольского горючего сланца удалось подтвердить и при проведении эксперимента по термической деструкции в условиях проточного бензола при высоком давлении. Эксперимент осуществлялся на уникальной установке, созданной в Институте химии нефти СО РАН (г. Томск) с любезного разрешения зав. лабораторией углеводородов нефти д. х. н. А. К. Головко.

Термическая деструкция керогена приводит, и даже преимущественно, к газообразованию. При этом в литературе содержится крайне мало сведений об исследовании процесса гезообразования при пиролизе керогена. Мною, совместно с к. г.-м. н. С. Н. Шаниной, была проделана работа по изучению состава газов, образующихся при пиролизе керогена углеродистых толщ [7]. Для исследования привлекались коллекции средневолжских горючих сланцев и углеродистых пород доманика. Состав газов, образующихся при пиролизе, сопоставлялся с составом жидких продуктов пиролиза керогена, изученных ранее.

Это дало возможность диагностировать параллельное образование низкомолекулярных УВ состава С 1 -С 2 и н -алканов/ н -алкенов-1 состава С 11 -С 31 . Кроме того, сравнительный анализ выходов CO и CO 2 при пиролизе предварительно обработанного в автоклаве при различных температурах керогена дал возможность доказать независимое их образование, а значит, и возможность отнесения к различным структурам — предшественникам в матрице керогена. То есть, что очень важно для моделирования, мы получили возможность раздельного определения моно- и дикислородсодержащих групп геополимера.

Обобщая вышесказанное, можно констатировать, что нами, начиная с 1999 г., были получены новые результаты по геохимии керогена, которые относятся к региональному, методическому и общегеохимическому уровню. Перспективы дальнейших исследований видятся мне в нескольких основных ракурсах. Первое — это, конечно, продолжение региональных работ как по старым, уже изученным объектам, так и по новым, малоизученным углеродистым толщам. Второе — это развитие химико-аналитических методов исследования структуры керогена, прежде всего в области его хемодеструкции, надеюсь, что это даст возможность выявить новые структурные особенности геополимера изучаемых отложений. Задачами же более важными я считаю продолжение экспериментов по моделированию катагенеза керогена — это направление даст возможность расширить наш вклад в развитие теории нефте-газообразования. Кроме того, задачей, которая явно или неявно присутствовала с самого начала работ по геохимии керогена, является построение его формальной химической модели, которая отражала бы состав важнейших структурных фрагментов керогена и типы их химического связывания.

В 2002 и 2005 гг. работы по геохимии керогена, выполняемые в нашей лаборатории, поддерживались грантами РФФИ (02-05-65046а, 05-05-65018а), грантом для поддержки аспирантов РАН от фонда содействия отечественной науке (получатель Н. С. Бурдельная), сейчас продолжаются работы по гранту Президента РФ для поддержки молодых учёных — кандидатов наук

(МК-951.2007.5). Все эти проекты способствовали развитию материально-технической базы научных исследований, а также успешной подготовке и защите диссертаций.