Хемофоссилии в составе битумоидов и их использование при диагностике нефтематеринских толщ

Введение

Хемофоссилии являются биологическими индикаторами, способными нести информацию о типах организмов, из которых было образовано органическое вещество, заключенное в осадках. Следовательно, они могут быть использованы для характеристики, корреляции и восстановления условий осадконакопления так же, как и макро- и микрофоссилии.
Сравнение исходных биогенных молекул и молекул, найденных в материнских породах или нефтях, может дать ценную информацию о том, что было пережито молекулой во время отложения осадка и последующие химические реакции при катагенезе.
Обычно хемофоссилии используются:
а) в качестве корреляционных параметров;
б) для реконструкции условий осадконакопления;
в) для выяснения химических трансформаций, происходящих при диагенезе и катагенезе;
г) для обнаружения загрязнения морских или пресноводных современных осадков посторонним материалом.
Качество информации, обеспечиваемой хемофоссилиями при установлении условий осадконакопления, зависит от трех факторов:
1) степени сохранности, позволяющей или не позволяющей связать хемофоссилии с биохимической молекулой-предшественником;
2) распространения биохимического предшественника в современном царстве;
3) допущения, что это распространение сравнимо с распространением в древних организмах.


1. Хемофоссилии как индикаторы геологических обстановок

Хемофоссилии (biological markers) – это молекулы, которые были синтезированы растениями или животными и попали в осадок малоизмененными. Их углеродная структура (или каркас) сформировалась в живых организмах и отличается достаточно высокой устойчивостью, что позволяет узнавать их в нефти или органическом веществе древних осадков. Типичными хемофоссилиями являются порфирины, пристан, фитан, стераны, каротаны и пентациклические тритерпаны (рис. 1).
От состава хемофоссилий зависит тип керогена (II, III и I или III) в исследуемой породе.
а) Морское органическое вещество: фитопланктон играет основную раль, зоопланктон встречается в подчиненном количестве, иногда значительная доля приходится на бентосные водоросли. Основные биогенные молекулы:
- н-алканы и н-жирные кислоты со средним молекулярным весом С12-С20, с частым преобладанием н-алканов С15 и С17, синтезированных водорослями и, возможно, также образованных в результате декарбоксилирования С16- и С18- кислот;
- изопреноиды С15-С20;
- многочисленные стероиды и некоторые каротиноиды;
- повсемостно встречающиеся тритерпеноиды, в частности гопанового ряда.
б) Континентальное ОВ обычно представлено остатками высших растений в дельтовых и других в основном сформированных на континенте осадках или торфиниках, иногда на претерпевших значительной деградации. Биогенные УВ включают нечетные высокомолекулярные н-алканы (С25-С33), некоторые трициклические дитерпены в циклоалкановой и преимущественно в ароматической фракции и некоторые широко распространенные гопаны. Однако, циклические соединения играют лишь подчиненную роль. При наличии стеранов ситостан и стигмастан С29 преобладают над холестаном С27. Содержание изопреноидов умеренное; среди них преобладает пристан.
в) Микробное ОВ встречается в большом количестве в некоторых озерных обстановках, где растительный материал сильно разложился во время перемежающихся периодов субаэральной микробиальной активности и затапливания водой. ОВ насыщено липидами, которые могут быть либо остатками разложившегося, либо переработанного или синтезированного микроорганизмами растительного материала. В биогемных углеводородах доминируют длинноцепочечные н-, изо-(2-метил)- и антеизо-(3-метил)алканы, иногда до С40 или С50, обычно без преобладание каких-либо из них. Изопреноиды и циклические УВ редки, за исключением гопанов, синтезированных прокариотами.
Хемофоссилии свидетельствуют об участии определенных видов органических веществ независимо от того, являются ли они автохтонными или нет. Например, ОВ наземного происхождения может содержаться в осадке, отложившемся в морской обстановке. В частности, можно установить континентальное ОВ в отложениях дельт, морских солоноватоводных или неморских обстановок; микробная биомасса, образовавшаяся на остатках наземных растений, также может быть идентифицирована в различных типах осадков: морских, озерных или лагунных.
В морских условиях седиментации из хлорофилла образуются комплексы порфиринов с ванадилом (V=O), в континентальных – только с никелем, т.к. никелевые порфирины не могут образоваться при сероводородном заражении придонных вод.
Следовательно, наличие в битумоиде ванадилпорфиринов свидетельствует о морских условиях седиментации и наиболее вероятно керогене типа II.
Наличие в битумоиде никелевых порфиринов свидетельствует об отсутствии сероводородного заражения придонных вод в бассейне седиментации.


Рис

. 1. Сравнение битумоидов из прослоев глин, богатых органикой (2-5% органического углерода), и глин, бедных органикой (0,5% органического углерода) из нижнемеловых отложений.

Рис. 2 Основные источники органического вещества в палеоцеи-эоценовых отло­жениях бассейна Юинта, Юта.

Примером может служить озерная формация Грин-Ривер в бассейне Юинта, Юта. Образцы, отобранные на сопоставимых уровнях погружения, характеризуются усилением изменений с возрастом, которые условно интерпретируются как результат усиливающейся микробиальной деградации (рис. 2).
В верхних (а) пластах (эквивалент пластов Маогэни) присутствуют различные водорослевые липиды (нормальные алканы и С15 и С17, b-каротан, липиды высших наземных растений (н-алканы С27—С33) и стераны С28, С29) и, возможно, липиды высших животных (стераны С23 из желчных кислот).
В средней и нижней частях формации Грин-Ривер водорослевые липиды (С16 и С17 и каротан) вначале (б) деградированы, затем (в) количество нечетных н-алканов С27—С33, произошедших из высших растений, также уменьшается и начинают появляться изо- и антеизоалканы микробиального происхождения.

2. Хемофоссилии как индикаторы диагенеза

В отдельных случаях с помощью хемофоссилий может быть получена информация о физико-химических условиях, преобладающих в свежеотложившихся осадках: восстановительная гидрогенизационная обстановка, кислотные условия и т. д.

Распределения, характеризующиеся сильным преобладанием четных н-алканов, менее часты (~1:10), чем распределения с преобладанием нечетных. Это явление часто касается всех н-алканов от С16 до С30. Живые организмы обычно не синтезируют четных н-алканов, однако, кислоты и спирты с четным числом углеродных атомов являются важными составляющими жиров и растительных восков. В нормальной обстановке окисление спиртов до кислот и затем декарбоксилирование последних при­водят к генерированию нечетных н-алканов. В сильно восстановительных гидрогенизационных обстановках восстановление спиртов или кислот при­водит к образованию четных н-алканов. Аналогичным образом фитол С20, представляющий боковую цепь хлорофилла, может трансформироваться двумя различными путями. В нормальной или окислительной обстановке окисление до фитановой кислоты С20 и последующее декарбоксилирование приводят к образованию пристана С19. В сильно восстановительной обста­новке восстановление приводит к образованию фитана С20. Действительно, даже преобладание нормальных алканов почти всегда ассо­циируется с преобладанием фитана над пристаном.
Генетическое значение отношения Pr/Ph следующее: в нефтях, образованных из OВ морского генезиса, в восстанови­тельной обстановке, преобладает фитан, в то время как в нефтях из OВ континентальных отложений и в окислительной фациальной обстановке - пристан. Следует отметить, что генетическая информация, полученная по этому соотношению (Pr/Ph), наиболее достоверна для равно­весных (устоявшихся) залежей. В тектонически активных зонах, где возможны газовые и газоконденсатные подтоки, повышен­ные значения отношений Pr/Ph могут рассматриваться как след­ствие движения переноса жидких УВ в газовых растворах, указы­вая на наличие дизъюнктивных нарушений в пределах залежи.
Показательными корреляционными параметрами являются «индексы созревания»: отношения Pr/н-С17 и Ph/н-C18. Они значительно выше в незрелых нефтях и конденсатах. Такая закономерность была установлена при исследовании нефтей и конденсатов, образовавшихся из OB сапропелевого и гумусового типов. Тенденция изменения «индексов созревания» используется при геохимических реконструкциях как показатель зрелости нефтей и конденсатов, а также для установления различных типов исходного керогена. Для этого применяют график Дж. Коннона и А.М. Кассоу (рис. 3).


Рис. 3. Определение «степени зрелости» нефтей, типа исходного керогена по соотношениям Pr/н-C17 и Ph/н-С18

Соотношения соединений бензиновой фракции нефти (НК - 150 °С), хотя и несут генетическую информацию, но в большей мере зависят от катагенетических, миграционных факторов, а также условий отбора и хранения проб. Примеры использования соотношений низкомолекулярных соединений:
• Σ алканов/Σ нафтенов С6, С7, C8; при значениях > 1,5 источ­ником нефти (конденсата) могли быть липиды высших растений (континентальное исходное 0В), ≤ 1,0 — морское исходное 0В;
• Σ циклопентанов/Σ циклогексанов С7, C8; при значениях 0,7—1,0 источником нефти (конденсата) было преимущественно 0В морского происхождения, ≤ 0,5-0,2 — континентального;
• этилбензол/Σ ксилолов; ≥ 0,3 источником нефти (конденсата) были преимущественно морские отложения, ≤0,1 — континентальные.
Примеры распределения н-алканов и изопреноидов в сильно восстанови­тельной палеообстановке представлены на рис