ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2008, № 5, с. 522-540
УДК 551
БИОСФЕРА И ПРОБЛЕМЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ НЕФТИ
© 2008 г. В. Н. Холодов
Геологический институт РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 7; E-mail: kholodov@ginras.ru Поступила в редакцию 04.02.2008 г.
В статье рассматривается химический состав, строение и биомасса современной биосферы; особое внимание уделяется способности организмов к самовоспроизводству. Показано, что стратисфера или осадочная оболочка Земли содержит значительные следы "былых биосфер", что определяет возможность биогенного нефтеобразования. Рассматриваются доказательства биогенного образования нефти и на конкретных примерах доказываются отдельные положения осадочно-миграцион-ной теории происхождения нефти и газа.
Как известно, планета Земля имеет ярко выраженное концентрическое строение. Среди ее внешних оболочек (атмосфера, гидросфера и стратисфера) большая роль принадлежит биосфере - тонкой прерывистой оболочке, покрывающей поверхность твердого субстрата и играющей большую роль в развитии осадочного процесса.
Действительно, значение биосферы в геологических процессах трудно переоценить. Как показал в свое время В.И. Вернадский, растительная часть биосферы совершает огромную геохимическую работу: под действием солнечного света хлорофилл растений извлекает из окружающей среды углекислоту, при участии почвенных растворов создает избыточную массу растительного материала и выделяет кислород.
Этот механизм начал "работать" много миллиардов лет тому назад и по-существу создал кислородную атмосферу Земли. С позиций геохимика, изучающего осадочный процесс, это означает, что биосфера лежит в основе всех окислительных реакций; при ее участии в зоне гипергенеза формируются оксидные железные, марганцевые и редкометальные руды, огромные толщи красно-цветных отложений, коры выветривания и другие гидроксидные образования.
Следует также напомнить, что соединения углерода обладают резко восстановительными свойствами и при значительной концентрации создают соответствующую обстановку; в ней многие металлы приобретают низшие формы валентности, осуществляются процессы биогенной и абиогенной сульфатредукции, образуется сероводород и существенно меняется весь геохимический облик осадков.
Необходимо подчеркнуть, что наряду с эндогенной углекислотой огромную роль играет био-
генная углекислота - продукт окисления биогенного углерода. Растворенная в морской воде углекислота активно влияет на карбонатное равновесие и способствует накоплению огромных толщ карбонатов, слагающих значительную часть стратисферы.
С помощью биосферы формируются мощные толщи торфа, углей, черных сланцев и углеродсо-держащих глин, а также многие другие биогенные осадочные образования.
Поистине, все геохимическое разнообразие осадочной оболочки Земли создается под прямым влиянием биосферы.
СТРОЕНИЕ И СОСТАВ БИОСФЕРЫ
Строение современной биосферы на континентальном блоке Земли (149 х 106 км2) и в пределах Мирового океана (361 х 106 км2) было показано в работах Я.В. Самойлова, В.И. Вернадского, А.П. Виноградова, Н.М. Страхова, В.А. Успенского, А.П. Лисицына, Е.А. Романкевича, А.Б. Ронова, А.В. Лапо и др.
На континентах строение биосферы относительно просто: она слагает приповерхностную "пленку", распространенную преимущественно в гумидных зонах (100 х 106 км2). Здесь эта оболочка Земли имеет 3-х ярусное строение (рис. 1а). Верхний ярус слагают лиственные и хвойные деревья, средний - кустарники, нижний - травы и почвы. В пределах растительной биосферной "пленки" обитают птицы и животные, а также разнообразный микромир - грибы, лишайники, микробы и бактерии.
Существенно иное строение биосфера имеет в пределах аридных (34 х 106 км2) и ледовых зон (15 х 106 км2). Здесь почти полностью редуцируется растительная "пленка", и распространение
растительность - Сз5Н12024 торф - Сз5Ню014 бурый уголь- С35Н25О6.5
^ ОпОп°п°п° п0п0п0п0п0п°п0п0п000пип°п°п"о°0 Гумидная зона
планктон - (СН2О)106(]ЧН3)16 Н3Р04
Аридная и ледовая зона
а
Ш1
2
Ч\\х///1 3 |°гР 4
^6
V V „
V у| 7
Ш
9
10
Рис. 1. Строение современной биосферы на континентах (а) и в океанах (б).
1 - деревья; 2 - кустарники; 3 - травы; 4 - почвы; 5 - торфяники; 6 - животные и микромир - лишайники, бактерии и водоросли.; 7 - ледники; 8 - планктон и его распределение на площади акваторий; 9 - бентос; 10 - водная масса и нектон.
8
получают наиболее устойчивые виды животных, птиц и микроорганизмов.
На фоне гумидной, аридной и, отчасти, ледовой зон континентов хаотично разбросаны концентраторы жизни человека - города, села, деревни, фермы с их сельскохозяйственными угодьями (пастбища и пашни).
В океаническом секторе Земли "пленка" жизни раздваивается и приобретает сложные формы, отображенные на рис. 16. Приповерхностная часть представлена скоплениями фито- и зоопланктона. Планктогенные формы жизни распространены в океане крайне неравномерно. В глубоких, халистатических, областях содержание планктона ничтожно, но оно неуклонно увеличивается к берегу, достигая максимума в прибрежных зонах.
Зеркальным отражением планктогенной "пленки" является бентосная часть биосферы. Она представлена разнообразными придонными моллюсками и организмами-скавенжерами, питающимися растительными и животными остатками; плотность жизни в ней также возрастает по направлению к берегу. Между двумя океанскими
пленками биосферы обитает нектон, а также скопления бактерий, составляющие с организмами обеих "пленок" единые трофические цепи.
Геохимические подсчеты массы биосферы встречают множество препятствий. Главное из них - великое видовое разнообразие растений и животных. Биологи утверждают, что растительный и животный мир представлен двумя миллионами видов, существенно различающихся по строению и химическому составу.
В иерархической лестнице видов, родов, отрядов, классов и типов растений и животных чрезвычайно интенсивно меняются соотношения углерода, водорода, кислорода, азота и других компонентов. Средние, очень условные, формулы состава растений и их производных - торфа и угля, а также планктона, по данным С.М. Григорьева [1954], В.А. Успенского [1970], А.К. Редфилда [КеёйеШ й а1., 1963], приводены на рис. 1.
Очевидно, что общие подсчеты биомассы растений и животных в биосфере следует вести путем пересчета всего его сложного состава на органический углерод (Сорг). Такие подсчеты были выполнены многими исследователями, причем
для современной биосферы они расходятся довольно значительно. Так, В.И. Вернадский [1924] оценил общую массу биосферы в п х 1012 т; в 1927 г. он уточнил эту цифру до 5.1 х 1012 т. Позднее
B.А. Успенский [1956] оценил массу Сорг биосферы в 2 х 1012 т, Н.Б. Вассоевич [1973] уменьшил эту величину до 1.5 х 1012 т.
В целом, отбрасывая крайние значения цифр в этом ряду, можно считать, что масса современной биосферы приблизительно равна 2-3 х 1012 тонн
C.
орг
ВОСПРОИЗВОДСТВО КАК ГЛАВНОЕ СВОЙСТВО БИОСФЕРЫ
Общая масса современной биосферы незначительна по сравнению с массами других оболочек Земли. Между тем, масса органического углерода в слоистой осадочной оболочке Земли на много порядков превышает эту величину. В работе В.А. Успенского [1956] общая масса Сорг, рассеянного в осадочных и вулканогенно-осадочных отложениях оценивается величиной 1.2 х 1018 т. Позднее Н.Б. Вассоевич с соавторами [1973] определил массу органического углерода в стратисфере в 7.2 х 1015 т. Дж. Хант [ИаШ, 1972] увеличил эту цифру до 9.9 х 1015 т.
Наиболее современные, опирающиеся на огромный фактический материал, подсчеты А.Б. Ронова [1993] показали, что в стратисфере заключено 7 х х 1016-10 х 1016 т Сорг и около 7.24 х 1016 т углерода карбонатного. Очевидно, что так называемые "следы былых атмосфер" в слоистой оболочке Земли огромны; при их оценке следует иметь в виду, что все это остаточное органическое вещество, не реализованное в процессах окисления-восстановления. Можно предполагать, что реальная масса захороненной органики первоначально была значительно выше.
Несоответствие между объемом современной биосферы и геохимическими результатами ее деятельности получает свое объяснение, если учесть способность организмов к воспроизводству.
Физиологические особенности различных организмов позволяют выделить среди них две большие группы: автотрофов и гетеротрофов.
Автотрофные организмы для воспроизводства используют солнечную энергию, при помощи хлорофилла извлекают из атмосферы углекислоту, наращивают собственную массу за счет растворов почв и углекислоты и выделяют кислород. Их общую современную массу на Земле Н.М. Страхов [1960] и В.А. Успенский [1970] оценивают в 539.6 х 109 т.
Гетеротрофы используют биомассу автотрофов. В функциональном плане они совершают другой тип обмена вещества - поглощают кисло-
род и выделяют углекислоту. Их общая масса заметно уступает массе автотрофов, составляя 1.54 х 109 т. Возможно, что именно это несоответствие масс автотрофов и гетеротрофов является залогом формирования кислородной атмосферы Земли.
В процессе жизнедеятельности и в результате гибели и автотрофы, и гетеротрофы формируют огромное количество взвешенного в воде органического вещества. В конечном счете, оно осаждается на дно Мирового океана и растворяется в его водах. Любопытно, что количество растворенного в воде органического вещества достигает величины 1300 х 109 т, превосходя, таким образом, массы и автотрофов, и гетеротрофов.
Весьма интересные выводы позволяют сделать данные, приведенные в табл. 1. В ней, по сведениям В.А. Успенского [1970], сделана попытка сопоставить массы живого и растворенного органического вещества на континентах и в океанах. Нетрудно увидеть, что в целом живое вещество по весу находится в очень близких соотношениях в водной среде и на суше. Исключение составляет растворенная органика, которая накапливается в гидросфере.
Совершенно иную картину можно увидеть в табл. 2, где сделана попытка учесть годовую продукцию органического вещества на суше и в океане. В этом случае, благодаря высокой способности планктона к воспроизводству, годовая продукция органического вещества в океане
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.