Геохимия нафтидов (часть 1)



жүктеу 1.81 Mb.
бет1/9
Дата20.04.2019
өлшемі1.81 Mb.
түріУчебное пособие
  1   2   3   4   5   6   7   8   9

Геохимия нафтидов (часть 1)

сб, 10/01/2009 - 00:09 — tugarova

О статье: 

Учебное пособие. Краткий курс лекций "Геохимия нафтидов"

Автор: 

Супруненко Олег Иванович

Тугарова Марина Александровна

УДК


ББК 26.30

С89


  

Рецензент: д-р геол.-минерал. наук В. И. Петрова (ВНИИОкеангеология)

 

 

 



Печатается по постановлению

Редакционно-издательского совета

геологического факультета

С.-Петербургского государственного университета

 

 



 

 

 



Супруненко О. И., Тугарова М.А.

С89         Геохимия нафтидов: Учеб. пособие. - СПб.: Изд-во С.-

Петерб. ун-та. 2002. - 00с.

 

В учебном пособии рассматриваются вопросы геохимии нефти и газа. В него включены разделы, посвященные основам органической геохимии соединений нефтей и газов, проблемам накопления и преобразования органического вещества в  литогенезе, прикладным вопросам геохимических методов поиска месторождений углеводородов.



Пособие соответствует программе курса «Геохимия нафтидов» и предназначено для студентов геологических факультетов, обучающихся по специальностям «нефтяная геология», «литология», «геохимия».

 

ББК 26.30



ВВЕДЕНИЕ

 

Геохимия - наука о распределении (концентрации и рассеянии) и процессах миграции химических элементов и их соединений в земной коре. Геохимия нафтидов (или геохимия нефти и газа как важнейших представителей нафтидов) - одно из направлений в развитии представлений о химизме Земли. Ее возникновение стало возможным благодаря работам, с одной стороны, геохимиков, отмечавших громадную геологическую роль живого вещества (например, В. И. Вер-надского, Г. И. Стадникова, А. Д. Добрянского, В. А. Соколова,  В. А. Успенского, О. А. Радченко, Н. Б. Вассоевича) и, с другой, - химиками. В. В. Марковниковым, Д. И. Менделеевым,  Н. Д. Зелинским были созданы первые обобщающие труды по химии нефти и руководства по ее переработке.



«Геохимия нефти - раздел нефтяной геологии, обнимающий вопросы химического изучения тех сторон состава нефти и связанных с ней природных образований, которые представяют интерес для решения задач геологии нефти» (Геологический словарь, 1978, с. 152). Уже из данного определения вытекает, что главная задача этого направления в геологии - применение широкого комплекса знаний для решения прикладных задач нефтяной геологии - поисков и разведки углеводородного сырья.

Для поисков любых полезных ископаемых первоочередными являются вопросы об их происхождении,  условиях дальнейшего изменения и нахождения в недрах. Особенностью формирования месторождений углеводородов является, во-первых, их многостадийность - от живого вещества до углеводородов залежей, во-вторых, постоянное приспособление углеводородов к новым условиям недр (геохимическим, термобарическим и т.д.) и, в-третьих, высокая миграционная способность углеводородов, формирующих залежь. А. Ф. Добрянским еще в 1948 г. была высказана замечательная мысль: «...в каждый данный момент нефть представляет собой только временный этап по пути превращения...Основным положением геохимии нефти является положение, согласно которому ни в какой стадии жизни нефти мы не имеем окончательно установившейся системы» (с. 9).

Таким образом, для изучения геохимии нафтидов необходим широкий спектр знаний по смежным направлениям - органической геохимии, геохимии биосферы, химии горючих полезных ископаемых, литологии и др.

Объектом исследования геохимии нафтидов служат каустобиолиты нефтяного ряда (нефти, ее природные дериваты нефти, их аналоги возгонного происхождения), а также сингенетичные породам разности органического вещества (ОВ), знание природы которых необходимо для понимания генезиса нефти. Задачей является изучение путей преобразования ОВ, дающего начало нефти, путей аккумуляции рассеянных углеводородов в залежи и путей последующих превращений нефти под воздействием различных геологических факторов. Специфика геохимических исследований - подчиненность химических средств решения задачи геологическому аспекту этой задачи. С практической точки зрения, геохимия нафтидов - разработка и использование комплекса геохимических методов для поисков и разведки месторождений нефти и газа.

 

 

Раздел 1. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО БИОСФЕРЫ



 

Как было отмечено в введении, геохимия нефти и газа включает, помимо собственно химизма нефти и газа, изучение вопросов геохимии биосферы,  геохимии отдельных элементов (прежде всего углерода) и органических углеводородных соединений.

В данном разделе в краткой форме рассматриваются вопросы геохимии биосферы, геохимии углерода, а также состав исходного для формирования углеводородов живого вещества биосферы.

 

1.1. Биомасса и биопродуктивность

 

Биосфера - обширная и сложная по составу земная оболочка с постоянным и устойчивым распространением в ней тех или иных форм жизни. В состав биосферы входят смежные участки воздушной, водной и каменной оболочек Земли, причем особенно насыщены жизнью граничные зоны этих оболочек - верхний почвенный слой литосферы и верхний слой гидросферы.



Живое вещество образует основу биосферы, хотя масса организмов сравнительно невелика: по разным оценкам она составляет от 1011 до 1013 т (для сравнения масса гидросферы около 1018 т).

Среди живых организмов выделяются две основные группы: автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные обеспечивают свое существование за счет элементов неорганической среды, получая их из атмосферы и гидросферы. Главные представители автотрофов - фотосинтезирующие растения. Гетеротрофные организмы преимущественно используют готовые ОВ, синтезированные автотрофами. К ним относятся животные и некоторые сапрофитные растения, неспособные к фотосинтезу. Так как автотрофные организмы являются пищей для гетеротрофных, в общем балансе первых должно быть на порядок больше, чем вторых. При этом соотношение между ними определяется не столько биомассой, сколько их биопродукцией - скоростью размножения организмов. По О. П. Добродееву, биомасса океана обновляется за 33 дня, а фитомасса суши (подавляющая часть биомассы суши) - за 14 лет, т. е. биопродукция моря почти на два порядка превосходит биопродукцию суши.

Биомасса, или масса живых организмов, оценивается для всей биосферы через органический углерод (Сорг) в 53,5·1010 т, а годовая биологическая продукция  - в 6,5·1010 т. Отсюда средний коэффициент биологической продуктивности (отношение биопродукции к биомассе) составляет 0,12. Годовая биологическая продукция углеводородов находится в интервале 107-108 т (через Сорг), т. е. 0,015-0,15 % от биопродуктивности.

По данным В. А. Успенского (1970), суммарная годовая продукция живого вещества по отношению к массе осадочной оболочки составляет около 0,003 %. Но суммарная продукция живого вещества за все время существования биосферы примерно в 30 раз превосходит современную суммарную массу осадочных пород. Как считает В.С.Вышемирский (1986), эти цифры выглядят еще более впечатляющими. По его подсчетам масса биологической продукции за всю историю Земли превышает массу стратисферы примерно в 100-150 раз. Это убедительно подтверждает одно из фундаментальных заключений В. И. Вернадского о значительном влиянии живого вещества на неживую природу, прежде всего на осадочную оболочку планеты: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы... И чем более мы изучаем химические явления биосферы, тем более мы убеждаемся, что на ней нет случаев, где бы они не были независимы от жизни» (В.И.Вернадский, 1960, с. 21). Одним из геологических следствий длительного существования жизни на Земле В. И. Вернадский считал образование каустобиолитов.

Значения биомассы и биопродукции значительно варьируют для разных областей биосферы (табл. 1). Наиболее контрастно выглядит сравнение значений биомассы и биопродуктивности для почвенного горизонта - педосферы и  Мирового океана. По плотности биомассы почва превосходит глубоководные зоны океана в десятки тысяч раз. В биомассе океана преобладают гетеротрофные организмы. Биологическая продуктивность при этом в океане выше: в 1,7 раза  для автотрофных  и почти в 3 раза для гетеротрофных организмов.

Обращает на себя внимание следующая закономерность - чем более условия существования биоценозов тяготеют к морским, тем б?льшая роль в них принадлежит гетеротрофным организмам. Для образования горючих полезных ископаемых океан имеет несравненно большее значение, чем педосфера. В пределах почв не накапливается ни нефтематеринское, ни углематеринское ОВ. Лишь небольшая часть ОВ, поступающая из педосферы в океан и озера может принять участие в нефтегазообразовании. А в океане, главным образом на шельфе, накапливаются огромные массы ОВ, богатого липидными компонентами (гетеротрофы, водоросли и др.), которое может быть материнским для нефти и газа. В озерных обстановках накапливаются самые разнообразные ОВ, нередко весьма близкие к тем, которые характерны для шельфа.

Живое вещество практически состоит из четырех элементов (табл. 2). Кроме них в живом веществе присутствует очень широкий спектр и других химических элементов (Са, Na, K, F, S, Si, Cl, Mg, Al, Fe, Zn и т.д.). По убыванию  коэффициента биофильности (коэффициент биофильности - отношение кларка элемента в живом веществе, земной коре и других средах) ряд элементов выглядит следующим образом: углерод, азот, водород, кислород, сера, хлор, фосфор, бром, бор, кальций, калий, германий, мышьяк, магний, барий, рубидий, цинк, свинец, медь, молибден, марганец, кобальт.

Отношение содержания элемента в организме к его содержанию в среде обитания называют коэффициентом концентрирования данного элемента. Концентрирование организмами некоторых химических элементов достигает поразительно высокой степени. Например, наибольшая из известных в настоящее время величина коэффициента концентрирования наблюдается для ванадия (107).

Биогеохимические процессы весьма разнообразны. Важнейшие из них: фотосинтез, карбонатонакопление, углеобразование. Они в той или иной степени связаны с самым биофильным элементом - углеродом.

 

1.2. Углерод как основа органических соединений



и его круговорот в природе

 

Углерод (С)  - элемент IV группы периодической системы элементов; его порядковый номер (заряд ядра) 6, атомная масса 12,011. Особенность электронной структуры атомов элементов этой группы - число валентных электронов, равное 4, причем для углерода число валентных электронов равно числу валентных орбиталей. Углерод - тринадцатый по распространенности элемент. Атомный кларк углерода для Земли в целом составляет около 0,1 % (А. Бранлоу, 1984 г.). В земной коре массовая доля углерода уже несколько больше - 0,14% (А. Б. Ронов, А. А. Ярошевский, 1971 г.), а в осадочной оболочке - около 1,4 % (Успенский, 1970). Углерод в природе находится частично в составе органических соединений, число которых чрезвычайно велико, но в основном (по массе) в виде сравнительно небольшого числа (около 200) неорганических соединений и в свободных формах. В осадочных породах он содержится главным образом в составе карбонатных минералов и органических веществ (соответственно около 80 и приблизительно 20 %). Углерод - основная часть всех животных и растений, но по массе его в атмосфере в два раза больше, чем в живой материи. В атмосфере почти весь углерод находится в составе СО2. В гидросфере более 90 % углерода представлено в виде СО2 и ионов СО32-, НСО3-.



Химию органических соединений чаще всего определяют как химию соединений углерода. При этом следует отметить, что подобное определение не является следствием преобладания углерода даже в живой материи.  Еще в 1934 г. В. И. Вернадский в «Очерках геохимии» отмечал, что с геохимической точки зрения живое вещество можно рассматривать скорее как кислородное, богатое углеродом и значение углерода в живом веществе и организмах не объясняется его количеством, но есть функция его химических свойств, особого строения его атомов. Уникальность углерода выражается в следующих особенностях этого элемента:

- атомы С образуют прочные связи не только с другими атомами, но и между собой, при этом возникают цепи и кольца;

- углерод четырехвалентен, что позволяет образование не только неразветвленных, но и разветвленных цепей и колец, это приводит к возможности возникновения большого количества разнообразных структур;

- атомы С могут связываться между собой как простыми, так и двойными и тройными (кратными) связями, что дополнительно увеличивает число углеводородных соединений.

Следствием особых химических свойств углерода можно считать устойчивость его органических природных соединений.

Изотопы углерода. Изотопы - атомы одного и того же химического элемента с разными массовыми числами. Различают изотопы радиоактивные и стабильные. Нуклеид - разновидность атомных ядер с определенным числом протонов и нейтронов. Углерод состоит из смеси двух изотопов 12С - 98,99 % и 13С - 1,11 %,  существуют следы 14С - 10-10 %. Первые два изопота стабильны, третий радиоактивен (табл. 3).

 

Максимальные концентрации изотопа 13С присущи веществам с кислородными связями углерода - карбонатам и СО2, минимальные - веществам, в которых развиты углерод-водородные связи. Главную роль в фракционировании изотопов при круговороте углерода в природе играет биофотосинтез. При усвоении углерода живым веществом связывается преимущественно 12С, поэтому живое вещество и его производные - ОВ осадков, уголь, нефть, метан - характеризуются относительно низкими содержаниями 13С по сравнению с источниками усваиваемого организмами углерода.



 

Таблица 3. Изотопия углерода

 


 

Нуклеид


Название изотопа

Протоны, Z

Нейтроны, N

Масс. число, A

126С

Углерод -12

6

6

12

136С

Углерод-13

6

7

13

146С

Углерод-14

6

8

14

 

Радиоуглерод - 14С - появляется в верхних слоях атмосферы при реакции нейтронов, образованных космическим излучением, с азотом по следующей схеме:

 

147N + 10n ? 146C + 11H.

 

Атомы 14С нестабильны и превращаются в 14N при ?-распаде. Радиоуглерод, соединяясь с кислородом, образует диоксид углерода 14СО2. Вместе с обычным диоксидом углерода (12СО2) последний участвует в фотосинтезе. Все живое имеет то же соотношение 14С/12С, что и атмосфера. После отмирания организмов радиоактивный распад приводит к уменьшению содержания 14С, постоянство 14С/12С нарушается. На этом и основана углеродная геохронология. Однако, поскольку период полураспада 14С сравнительно короткий (5730 лет), метод применим лишь для объектов моложе 70 тыс. лет.



Аллотропные формы углерода. Аллотропия - способность элемента существовать в двух или нескольких твердых формах. Аллотропы существуют примерно у половины химических элементов.

Графит - ? = 1,8277 г/см3, tпл = 3750 ?С, tкип = 4200 ?С - неметалл с атомной кристаллической решеткой (гексагональная), имеет слоистую структуру, поэтому легко расщепляется на слои, оставляя след на поверхности, темно-серый, мягкий, электрическая проводимость высокая (проводник), сублимируется при температуре выше 3800 ?С. Может быть искусственно получен из угля. Графит используется для изготовления электродов, плавильных тиглей, стержней для карандашей, как замедлитель в ядерных реакторах.

Алмаз - ? = 3,515 г/см3 - неметалл с атомной кристаллической решеткой (кубическая), прозрачные бесцветные или белые кристаллы с сильным преломляющим эффектом, имеет наибольшую твердость среди всех природных веществ, изолятор. Он может быть искусственно получен из графита (2000 ?С, 5300 МПа). Алмаз применяется при изготовлении режущего и бурового инструментов, а также как абразивный материал.

Карбин получен искусственно, состоит из полимерных линейных молекул, атомы углерода связаны чередующимися простыми и кратными связями.

Фуллерит - твердое вещество с молекулярной кристаллической решеткой, образованной молекулами С60 или С70, называемых фуллеренами. Основной элемент структуры фуллеренов - шестиугольник из атомов углерода. Фуллерит является полупроводником.

Круговорот (геохимический цикл) органического углерода. Теоретический анализ круговорота Сорг был выполнен В. А. Успенским еще в 1956 г. Данный обзор дается по работам этого автора (Успенский, 1970).

Поведение органического углерода в геохимических процессах весьма своеобразно. Например, карбонатный углерод может сохраняться в минеральном состоянии многие миллионы лет и, если даже многократно подвергается процессам растворения, перекристаллизации, переотложения и др., то все равно в основном остается карбонатным на протяжении продолжительных отрезков геологического времени. А органический углерод непрерывно меняет форму и место своего пребывания. Каждый атом органического углерода очень короткое время находится в составе живых организмов, потом возвращается в атмосферу и гидросферу в виде СО2 либо непосредственно из живых организмов, либо через разложение отмершего ОВ. Небольшая его часть (примерно 0,8 %) захороняется в осадках и проходит вместе с ними все стадии преобразования - от седиментации до гипергенеза пород и в конечном итоге тоже возвращается в атмосферу и гидросферу, но более длительным и сложным путем.

В. А. Успенский в круговороте органического углерода выделяет четыре геохимических цикла (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Схема круговорота органического углерода (Успенский, 1970)

 

Первый цикл, который он назвал «автотрофным», включает в себя следующие процессы. Во-первых, растительные организмы поглощают углекислый газ и атмосферы и с помощью солнечной энергии преобразуют ее в первичные углеводные формы. Во-вторых, процессы биосинтеза создают все необходимые составляющие растительного организма. И, в-третьих, часть синтезированного ОВ расходуется автотрофными организмами на дыхание. Первый процесс связан с поглощением СО2 из атмосферы, а второй - с возвращением СО2 в атмосферу. Расход Сорг на дыхание В. А. Успенский оценивал в 62,4%. Остальные 37,6 %, по его мнению, выпадают из автотрофного цикла и переходят в следующий  цикл - «гетеротрофный».



В автотрофном цикле создается вся масса ОВ и накапливается весь запас биохимической энергии. Таким образом, этот цикл имеет решающее значение для всех форм жизни на Земле. В нем ежегодно ассимилируется 1 % резерва СО2 атмосферы. Следовательно, его продолжительность составляет примерно 100 лет. Как полагал В. И. Вернадский, атмосфера и жизнь - категории тесно взаимосвязанные и постоянно воспроизводят друг друга.

Если бы круговорот углерода в автотрофном цикле был совершенным, т. е. если бы в атмосферу возвращалось столько же СО2, сколько потреблялось при фотосинтезе, то прочие циклы не могли бы существовать - на Земле не было бы никаких гетеротрофных организмов, не формировались бы месторождения полезных ископаемых. Однако, если бы масштабы фотосинтеза многократно возросли или углерод надолго задерживался бы в пределах автотрофного цикла, то весь резерв СО2 атмосферы был бы быстро израсходован. В геологических масштабах времени это произошло бы мгновенно.

В гетеротрофном цикле ОВ, созданное в автотрофном цикле, проходит через многочисленные и, как правило, многоступенчатые пищевые цепи. ОВ расходуется на энергетические нужды гетеротрофных организмов и создание их биомассы. При этом углерод частично высвобождается в виде СО2, возвращающейся в резерв атмосферы либо непосредственно, либо через гидросферу. Общая продолжительность гетеротрофного цикла примерно в 3 раза больше продолжительности автотрофного, поскольку в первый из второго выпадает лишь 1/3 углерода, ассимилированного в процессе фотосинтеза. Средняя продолжительность пребывания Сорг в гетеротрофных живых организмах оценивается в 8 лет.

Гетеротрофный цикл близок к совершенному. Если в него поступает 37,6 % первичной продукции Сорг автотрофных организмов, то из него выпадает только 0,8 % от этой продукции или 2,1 % от количества Сорг, поступающего в гетеротрофный цикл. Вот это маленькое несовершенство гетеротрофного цикла и обеспечивает накопление в осадочных толщах всех видов ОВ, включая горючие полезные ископаемые.

В пределах автотрофного и гетеротрофного циклов значительная часть углерода существует в составе живого вещества. Выпадающее из гетеротрофного цикла ОВ накапливается в осадках и вступает в метаморфический цикл. Начиная с этого цикла, ОВ находится в составе минерального осадка и претерпевает с ним все дальнейшие преобразования, соответствующие седиментационно-диагенетичес-ким и катагенетическим процессам. (Обратим особое внимание на то, что предложенное В. А. Успенским  название цикла - «метаморфический» - не следует отождествлять с общепринятым в геологии термином «метаморфизм».) На всех стадиях постседиментационного преобразования ОВ частично разрушается с образованием СО2, СН4 и других углеродсодержащих газов, которые сложным и нередко длительным путем возвращают Сорг в основном в виде СО2 в резерв атмосферы. Нелетучий Сорг, сохраняющийся во вмещающей породе даже при глубоком метаморфизме и поступающий затем в эрозионный цикл, составляет не менее 62 % от Сорг, поступившего в осадок. Так что из метаморфического цикла возвращается в атмосферу не более 38 % от Сорг, поступившего в этот цикл, или не более 0,3 % Сорг, ассимилированного в автотрофном цикле.

Продолжительность метаморфического цикла весьма велика. Она оценивалась В. А. Успенским в сотни миллионов - миллиардов лет, что совершенно несоизмеримо с рассмотренными выше циклами, связанными с живым веществом. Однако это лишь общая продолжительность, которая распространяется на небольшую часть Сорг. Его значительная часть высвобождается из захороненного ОВ и возвращается в резерв атмосферы и гидросферы, начиная с раннего диагенеза, а остальное переходит в «эрозионный» цикл вскоре после осадконакопления, пробыв в метаморфическом цикле короткое время.

Органический углерод поступает из метаморфического цикла в эрозионный, благодаря тектоническим движениям, перемещающим толщи пород из глубинных зон литосферы в область гипергенеза и эрозии. Здесь ОВ подвергается окислению, химическому и биохимическому преобразованиям, в результате чего часть Сорг возвращается в резерв СО2 атмосферы, а часть поступает в осадок, т. е. в метаморфический цикл. К эрозионному циклу В. А. Успенский относил и сжигание горючих ископаемых. Продолжительность эрозионного цикла оценивалась им в несколько миллионов - десятки миллионов лет.

Каждый из рассмотренных четырех циклов задает определенные различия в характере преобразуемого ОВ и, в частности, его углеводородной составляющей. В автотрофном цикле возникает очень малое количество углеводородов, в основном жидких и твердых, а в гетеротрофном - значительно большее, но преимущественно газообразных. Образование углеводородов широко развито только в пределах метаморфического цикла. Эрозионный цикл углерода - это регрессивный этап преобразования нефтяных углеводородов, проявляющийся в утяжелении нефтей, их переходе в битумы.

 

1.3. Состав и молекулярные структуры живого вещества

 

Главный источник нефтяных углеводородов - это органические соединения, присутствующие в рассеянном состоянии в осадочных породах субаквального, в основном морского, происхождения. Но прежде чем эти соединения образуют скопления нефти и газа, они должны пройти сложный путь от живой материи через геохимические превращения в осадках и породах до углеводородов нефтей и газов.



Прежде чем попасть в осадок, все живое вещество неизбежно проходит сложные пищевые цепи, подвергается бактериальному воздействию и в результате не только убывает количественно, но и перестраивается, что сопровождается существенными изменениями его химического состава.

Все живые существа состоят из относительно немногочисленных и простых молекулярных комплексов - строительных блоков, мало изменившихся за геологическое время. Они характеризуются различным содержанием углерода и водорода относительно кислорода, азота и серы. Основную массу вещества исходных живых организмов составляют, кроме воды, углеводы, белки, липиды и липоиды. Кроме того, присутствуют в незначительных количествах, но имеют существенное значение пигменты, лигнин, смолы.



Углеводы и родственные им соединения. Углеводы - природные органические соединения, полимеры моносахаридов, являющиеся полиоксиальдегидами или кетонами. Общая формула Сm(H2O)n.  К более сложным полимерам глюкозы относятся крахмал и целлюлоза. Последняя состоит из нескольких тысяч соединенных вместе фрагментов глюкозы.

Другой полисахарид - хитин, образующий твердый защитный покров у беспозвоночных, содержит азот, слагает панцирь и конечности раков и крабов, а также раковины моллюсков.

Еще один углевод - лигнин, был изобретен природой для придания прочности и устойчивости клеточной стенке растений. Растительные ткани, состоящие только из целлюлозы, - мягкие, с большим количеством Н2О и менее прочные, чем ткань с лигнином. Лигнин - это полифенол (в структуре лигнина 10 бензольных колец). Он более устойчив к гниению и воздействию бактерий по сравнению с целлюлозой. Из лигнина в недрах в основном образуются гумусовые угли.

Другая группа соединений - танины - также содержат ароматические структуры. Они широко распространены в высших растениях, присутствуют в коре дуба и тсуги, в незрелой хурме и сливах, в водорослях, грибах и чернильных орешках. Основу всех таннинов составляют полиоксифенолы или их производные.



Белки - высокомолекулярные полимеры аминокислот. Это сложные вещества, в состав которых входят углерод, кислород, азот, сера и фосфор. На их долю приходится более 50 % сухого веса животных. Большинство белков сложено из остатков 20 аминокислот. Среди них 3 (тирозин, фенилаланин и триптофан) содержат в своей молекулярной структуре ароматические кольца. Комбинация белков с молекулами других типов дает большинство важнейших соединений, обеспечивающих процессы метаболизма: цитохромы, гемоглобины, ферменты, бактериальные токсины и антитела. К белкам относятся также структурные биокомпоненты губок и кораллов. По белковым матрицам строятся карбонатные раковины.

В природных условиях белки легко разрушаются, поэтому в неживой природе вместо высокополимерных соединений белка встречаются обычно их мономерные структурные единицы - аминокислоты. Содержание аминокислот в современных морских осадках составляет примерно 0,5 мг/л. Наиболее устойчивы нейтральные аминокислоты, например b-аланин.

Основная масса аминокислот разлагается на стадии раннего диагенеза. Разлагаясь, аминокислоты могут образовывать углеводороды. Этот процесс включает реакции декарбоксилирования и восстановительного дезаминирования. (-СООН - карбоксильная группа; -NH2 - аминогруппа). В результате подобных процессов могут возникнуть почти все низшие парафины нефтей. При разложении аминокислот образуется СО2, а также NН3, который, вступая в различные реакции, переходит в аммонийные и другие азотистые соединения.

Липидно-липоидные компоненты (от греческого «жир») - группа соединений, в которую входят жирные кислоты, жиры, масла, воски, фосфолипиды, гликолипиды, стероиды и некоторые витамины. Липиды не имеют общих структурных особенностей, но их различают по растворимости. Это природные соединения, нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях - эфире, хлороформе или бензоле.

Липиды, эфирные масла и растительные пигменты более близки по составу к нефти, чем белки и углеводы. К липидам относятся животные жиры и растительные масла. Они представляют собой сложные эфиры (глицериды) - соединения жирных кислот с глицерином. Животные жиры при комнатной температуре - твердые вещества, образованные жирными кислотами с насыщенной парафиновой цепью, тогда как растительные масла в основном сложены ненасыщенными олефиновыми цепочками. В последние годы при болезнях сердца рекомендуют растительные масла вместо животных, так как считается, что это приводит к уменьшению накопления твердого жира в артериях.

Среди жирных кислот наиболее распространены пальмитиновая (С15Н31СООН) и олеиновая (С17Н33СООН). Пальмитиновая кислота особенно широко распространена в жирах морских организмов. Олеиновая кислота составляет более 75 % жирных кислот в маслах различных фруктов и семян, а также в оливковом и миндальном.

У растений жиры сосредоточены преимущественно в семенах, плодах и спорах, у животных - в подкожных и мышечных тканях, а также в желудке. В активных тканях - мозг, печень, почки - состав жиров более сложный по составу (в частности, фосфолипидный).

Воски растительного и животного происхождения - это смесь сложных высокомолекулярных эфиров, спиртов и жирных кислот.

Еще одна группа представителей жиров - стеролы, т. е. твердые спирты. Наиболее известен из них холестерин.

Установлено, что при разложении жирных кислот под действием тепла неизбежно образуются углеводороды. В простейшем случае R-СООН (R - углеводородный радикал) переходит при нагревании в углеводороды RН с выделением СО2, т. е. идет декарбоксилирование жирных кислот. Однако это только частный случай, так как в то же время протекают и другие реакции, сопровождающие образование как легких, так и тяжелых углеводородов. Поскольку в осадочных породах встречаются преимущественно жирные кислоты с С1418, то их распад приводит к образованию, с одной стороны, легких (С513) и газообразных (С14), а с другой - высокомолекулярных (С1418) и более тяжелых углеводородов.

Интересно отметить, что при декарбоксилировании жирных кислот по кетонному механизму (СО - кетогруппа), сопровождающемуся расщеплением димерных кислот, из димеров кислот с четным числом атомов углерода получаются парафиновые углеводороды с удвоенным, но нечетным числом атомов углерода в результате потери одного карбоксила. Установлено, что в молодых осадочных образованиях преобладают парафиновые углеводороды с нечетным числом атомов, в то время как для нефтей отношение парафинов с четным к парафинам с нечетным числом атомов обычно близко к единице.

Смолы примыкают к липоидам. Растительная смола в основном состоит из ненасыщенных циклических кислот, которые полимеризуются на воздухе с образованием жесткого слоя. Смолы являются предшественниками резинита, одного из минералов угля.

Эфирные масла обладают летучестью и образуют в дистилляте маслянистый слой. К ним относятся гвоздичное, коричное, розовое, апельсиновое, эвкалиптовое масла. Для выработки 1 фунта розового масла необходимо утилизировать 8 т лепестков роз.

В составе эфирных масел присутствуют углеводороды, кетоны, альдегиды, кислоты, сложные эфиры и органические щелочи. В большинстве эфирных масел 1 атом О приходится на 10 и более атомов С, т. е. они близки по составу к углеводородам. Обычно они содержат циклические структуры с 6 атомами С.

Растительные и животные пигменты. Наиболее распространенным растительным пигментом является хлорофилл, в структуре которого четыре пиррольных кольца, образующих порфириновую структуру. С кольцами связаны и различные углеродные звенья, в том числе и длинная фитольная цепь.

В почвах и пищеварительном тракте животных хлорофилл гидролизуется с выделением фитола - длинноцепочечного спирта С20Н39ОН. Далее фитол может восстанавливаться до фитана или окисляться и декарбоксилироваться с образованием пристана. Оба соединения относятся к хемофоссилиям - молекулярным структурам, которые создаются растениями и животными и через ОВ осадка и породы переходят в формируемые ими углеводороды, претерпевая незначительные изменения до достижения зон высоких температур.

Пигментом животного происхождения является гемин, содержащийся в крови животных и содержащий ту же структуру порфиринового кольца, что и хлорофилл.

 

Таблица 4. Средний химический состав (%) основных компонентов живой материи

(по Дж. Ханту, 1982)

 


Компоненты

C

H

S

N

O

Углеводы

44

6

-

-

50

Лигнин

63

5

0,1

0,3

31,6

Белки

53

7

1

17

22

Липиды

76

12

-

-

12

Нефть

85

13

1

0,5

0,5

 

Средний состав живого вещества. Как видно из табл. 4, ближе всего к нефти по своему составу липиды. Таким образом, липиды и липоиды вместе с дериватами некоторых других компонентов органических остатков дают начало геолипидам битумоидной фракции осадочных пород, которая, в свою очередь, содержит ряд углеводородов, типичных для нефтей.

 




Достарыңызбен бөлісу:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет