Материал: Технология глубокой переработки нефти и газа.

ческого вещества, усваивается 300 млрд т С 0 2 и выделяется около 200 млрд т свободного кислорода. Благодаря только фотосинтезу в первичной атмосфере Земли появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для биологической деятельности. При ги­ бели организма происходит обратный процесс - разложение органи­ ческих веществ путем окисления, гниения и т.д. с образованием ис­ ходных веществ фотосинтеза. Отсюда фотосинтез, как обратимую биофотохимическую реакцию, можно записать следующим образом:

Этот процесс в биосфере Земли находится в состоянии динами­ ческого равновесия, а участвующие в нем вещества - в постоянном кругообороте. Только небольшая часть продукта фотосинтеза (ме­ нее 1%) выводится из кругооборота, преобразуясь в залежи горючих

инегорючих ископаемых.

Жизнь на Земле является самым выдающимся процессом, погло­ щающим самую живительную энергию Солнца и вводящим в дви­ жение и круговорот практически все химические элементы. Про­ странство Земли, где могут существовать живые организмы в лю­ бых возможных концентрациях, - есть биосфера. Она включает в себя гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмос­ феры (ниже озонного экрана). Выдающийся вклад в развитие геохи­ мии и представлений о биосфере внес академик В.И. Вернадский.

В эволюции земной коры, в том числе в процессах седиментации

иосадочного рудообразования, большую роль сыграли живые орга­ низмы, способные концентрировать отдельные элементы биосферы. Эту способность В.И. Вернадский назвал концентрационной функ­ цией. Так, в растениях концентрируются: кремний в 103105, фос­ фор - в 105, марганец - в L03104 раз больше, чем в морской воде. Многие металлы в клетках растений образуют комплексные соеди­ нения (например, порфириновые) - содержание этих металлов дос­ тигает величины в десятки и сотни тысяч раз больше, чем в окружа­ ющей среде питания. Естественно, что после гибели растений и жи­ вотных большая часть концентрированных ими элементов участво­ вала в образовании полезных ископаемых.

Следует отметить, что эволюционные процессы в геосферах Зем­ ли происходили не изолированно, а в теснейшей взаимосвязи. Одна­

51

ко о том, какие и как происходили эволюционные процессы за столь длительный и многомиллиардный период существования Земли, мож­ но судить только по единственному «документу», выданному лишь литосфере. Изучением состава, строения и закономерностей обра­ зования горных пород занимается наука литология.

В зависимости от условий происхождения горные породы под­ разделяются на магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические породы образуются в результате застывания пер­ воначально расплавленной магмы - они сложены преимущественно силикатными и алюмосиликатными минералами. Магматические породы являются либо рудами ценных металлов, либо используются в качестве поделочных камней, строительных материалов и т.д.

Метаморфические породы возникают в результате качественного изменения магматических и осадочных пород под воздействием вы­ соких давлений и температур. Так, глины по мере погружения на глубину уплотняются и превращаются в глинистые сланцы, а квар­ цевые пески и песчаники - в кварциты. Известняки превращаются в мраморы. В метаморфических породах содержатся многие ценные полезные ископаемые - железо, медь, свинец, цинк, золото, олово, вольфрам и др.

Глубина залегания осадочных пород Земли сильно варьирует от 2 - 3 км в платформенных областях (с плоским рельефом) и до 12 км в континентальных впадинах, отличаются пористостью и высокой проницаемостью для жидкостей и газов. Они отлагались в пласты в определенной хронологической последовательности, погребая ока­ менелые остатки древних животных и растений. На основании этого выделяют геохронологические эры и периоды, характерные для раз­ личных форм жизни (табл.2.1). Возраст горных пород для этой цели определяют радиологическими методами, основанными на изучении радиоактивного распада некоторых химических элементов (изото­ пов урана, углерода, свинца, кальция и др.).

Осадочные породы в зависимости от происхождения подразде­ ляются на обломочные, глинистые, химические и биохимические. Обломочные породы - продукты механического разрушения исход­ ных пород (пески, песчаники). Глинистые породы, обладающие вы­ сокой пластичностью и низкой водопроницаемостью, состоят в ос­ новном из мельчайших минеральных частиц (с размерами 0,001— 0,01 мм), окислов кремния (30 - 70% масс.) и алюминия (10 - 40% масс.), их главные компоненты - кремнезем и глинозем. Химичес-

52

кие породы образуются в результате осаждения солей в высыхаю­ щих замкнутых водоемах (гипс, соль), а биохимические - за счет де­ ятельности и концентрации скелетов живых организмов биосферы, как, например, мел, известняк, торф, каменный уголь и др. Следует отметить, что продукты механического и химического разрушений горных пород не всегда остаются на месте первоначального их обра­ зования, а преимущественно переносятся водой, ветром, ледниками на большие расстояния и откладываются в морях, океанах и озерах. Например, установлено, что река Ж елтая в Китае каждую весну сплавляет в море 29 млн м3осадков в сутки! Если учесть количество

53

малых и больших рек на земном шаре, то нетрудно представить себе глобальные масштабы уноса в море поверхностного слоя суши за миллионы лет! Так, ученые подсчитали, что остров Великобритания понижается на 1 мм всего за 9 лет. Если поверхность острова будет разрушаться с такой же скоростью, то через миллион лет Великоб­ ритания исчезнет с лица Земли, затонув в море.

Осадочные породы первоначально состояли исключительно из неорганических веществ - глины и песка. Именно таков был состав Осадочного слоя в докембрийские периоды химической (неоргани­ ческой) эволюции Земли продолжительностью 4 млрд лет. Возник­ новение жизни существенно ускорило химическую эволюцию (орга­ ническую) Земли. Продолжительность последующих периодов с мо­ мента возникновения простейших примитивных организмов до ны­ нешней высокоорганизованной жизни составила всего около 570 млн лет. Так, в исторической последовательности, этап за этапом, на дне морей возникли осадки толщиной в сотни и тысячи метров. В резуль­ тате осадкообразования и происходивших тектонических процессов земная поверхность изменялась настолько, что исчезали моря и ока­ меневшие остатки растений и животных оказывались на суше. По­ явилась возможность по этим окаменелостям восстановить картины эволюции жизни на Земле, установить климатические условия био­ сферы в простые геологические эпохи и составить историческую гео­ графическую карту материалов и океанов.

2.2. Основы биогеохимии

Биогеохимия - раздел геохимии, изучающий химический состав живого вещества и геохимические процессы, протекающие в биос­ фере при участии живых организмов.

Основные химические элементы (биогенные), входящие в состав высушенных растений, это кислород (=44% масс.),углерод (=50% масс.), водород (=6% масс.), в малых количествах азот, сера, хлор, кальций, калий, натрий и так называемые микроэлементы (Al, Fe, Си, Mn, Zn, Мо, Со и др.), необходимые для обеспечения их нормаль­ ной жизнедеятельности. Содержание влаги составляет в среднем около 90% масс, в зеленой массе и = 60% масс, в древесине.

Живые организмы отличаются от неживых объектов обменом веществ, способных к размножению, росту, развитию, активной ре­

54

гуляции своего состава и функций, приспособляемостью к среде су» ществования, наследственностью, естественным отбором и т.п.

Изучением флоры различных геологических периодов установ­ лено, что живые организмы впервые появились в морях докембрия. Это были простейшие организмы - бактерии, одноклеточные водо­ росли, называемые планктоном, пассивно переносимые волнами и течениями.

На протяжении кембрия и ордовика биологическая эволюция происходила в пределах гидросферы: появились сине-зеленые, за­ тем бурые водоросли, достигающие громадных размеров, прикреп­ ляющиеся ко дну бассейна. Эволюция наземной растительности на­ чалась в силуре: появились сосудистые (мхи) и споровые растения, приспособленные извлекать воду с питательными веществами из почвы. В девоне возникли древние папоротники. В карбоновый пе­ риод наземная растительность достигла более высокого уровня эво­ люционного развития как в количественном отношении, так и по своему разнообразию. Данный период характеризуется исключи­ тельно пышным развитием флоры, которое происходило в теплых влажных районах, соответствующих тропическому климату.

Групповой химический состав растений. Все живые организмы состоят в основном из следующих четырех классов органических веществ: углеводов, липидов, белков и лигнина.

Углеводы - это обширный класс органических соединений с эм­ пирической формулой С„(Н20)т, образование которых связано с про­ цессом фотосинтеза. Углеводы в растениях находятся в виде моно­ сахаридов (глюкоза - С6Н 120 6), олигосахаридов (крахмал) и полиса­ харидов (целлюлоза - С6Н 10О5)п, где п > 10 000. Целлюлоза - основ­ ной строительный материал растительных тканей, выполняет в рас­ тениях опорные функции и придает им механическую прочность. По распространенности органических веществ на земном шаре она занимает первое место.

Липиды - органические вещества, предназначенные для созда­ ния энергетического резерва. К ним относятся жиры, воски, смолы.

Ж иры - сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот с нормальной цепью и четным числом атомов углерода от С 16до С22 ■ Воски - смесь сложных эфиров высших монокарбоновых кислот с 23 - 24 атомами углерода и высших одноатомных спиртов нормаль­

ного строения с четным числом углеродных атомов в молекуле от 24

55

до 34. Они покрывают тончайшим слоем стебли, листья и оболочки спор растений, предохраняя их от внешних воздействий. -с.

Смолы - смесь циклических и ациклических терпенов и их кис­ лородных производных - спиртов, альдегидов, кислот и эфиров. Они выполняют защитную функцию в растениях и находятся в них в виде растворов в эфирных маслах, называемых бальзамами. Растения при повреждении обильно выделяют смоляные экстракты, быстро густе­ ющие на воздухе в результате испарения эфирных масел.

Белки - природные высокомолекулярные соединения, являю­ щиеся структурной основой всех живых организмов. К ним отно­ сятся ферменты - катализаторы многочисленных реакций в жи­ вых организмах, дыхательные пигменты, многие гормоны. Число встречающихся в природе белков крайне велико, их частью явля­ ются а-аминокислоты H2N - CH(R) - СООН, где R - углеводород­ ный радикал алифатического или ароматического ряда, либо ге­ тероциклический радикал, содержащий серу и азот. Различие в химическом строении белков обусловлено количеством и поряд­ ком чередования аминокислот в молекуле. Белковые молекуляр­ ные цепочки располагаются в пространстве в виде спирали или волокон. Главная особенность белков - способность самопроиз­ вольно формировать пространственную структуру, свойственную только данному виду растения, т.е. они обладают «памятью»: мак­ ромолекулы белков могут «записать», «запомнить» и передать «наследству» информацию. В этом состоит химический механизм самовоспроизведения.

Лигнин - это полимер ароматической природы, является по рас­ пространенности вторым после целлюлозы. Он построен из кисло­ родных производных фенилпропана, содержит гидроксильные (спир­ товые и фенольные) и карбонильные группы. Лигнин играет роль цементирующего вещества, склеивающего пучки целлюлозных во­ локон для придания устойчивости стеблям и стволам. Образование лигнина характерно только для сосудистых растений.

Кроме перечисленных выше органических веществ в растениях, особенно в высших, содержатся в малых количествах хиноны - био­ логически активные вещества (лекарства), каратиноиды - красите­ ли, хлорофиллы - ответственные за фотосинтез и порфирины - фер­ менты (комплексные металлоорганические соединения из микроэле­ ментов), регулирующие окислительно-восстановительные процессы в клетках.

56

По групповому химическому составу водная растительность су­ щественно отличается от высших наземных растений. У наземных растений главными составными частями являются целлюлоза (30 - 50% масс.) и лигнин (15 - 25% масс.). Водная растительность не со­ держит лигнина и состоит из белков (до 50% масс.), углеводов (до 40% масс.) и липидов (до 30% масс.).

2.3. Основные положения теорий органического происхождения твердых горючих ископаемых

Относительно механизма происхождения твердых горючих ис­ копаемых - твердых каустобиолитов - в настоящее время среди уче­ ных нет разногласий: практически все однозначно трактуют углеобразование как длительный био- и геохимический процесс глубо­ кого преобразования остатков древних растительных и животных организмов. В зависимости от состава исходного растительного ма­ териала (т.е. по генетическому признаку) твердые каустобиолиты классифицируют на гумусовые (иногда называют гумитовые), сап­ ропелитовые и смешанные угли. Исходным растительным матери­ алом для образования гумусовых углей являются разнообразные наземные, в основном высшие растения, богатые лигнином и цел­ люлозой, а для сапропелитовых углей - водная растительность (планктон, водоросли) и микроорганизмы, богатые жирами и бел­ ками. Смешанные угли представляют собой продукт превращения различной наземной и водной растительности и представителей животного мира.

Процессы углеобразования из исходных органических материа­ лов протекают последовательно в несколько стадий: торфяная (торфогенез), буроугольная (диагенез), каменноугольная (метагенез) и антрацитовая (табл. 2.2).

Первая стадия углеобразования - торфогенез представляет со­ бой длительный биохимический процесс преобразования раститель­ ного материала в торф при малом доступе воздуха или его отсут­ ствии, т.е. в анаэробных условиях. Такой процесс, названный гнило­ стным брожением, может происходить, когда растения целиком про­ питаны водой или погружены в нее (в торфяных болотах) или по­ крыты слоем земли. Торфяные болота и ныне занимают огромные

57