Смоляные ямы , иногда называемые асфальтовыми ямами , представляют собой крупные месторождения асфальта . Они образуются в присутствии нефти , которая образуется, когда разложившееся органическое вещество подвергается давлению под землей. Если эта сырая нефть просачивается вверх через трещины, каналы или пористые слои осадочных пород, она может скапливаться на поверхности. [1] Более легкие компоненты сырой нефти испаряются в атмосферу, оставляя после себя черный липкий асфальт. [1] Смоляные ямы часто раскапывают, потому что они содержат большие коллекции ископаемых. [1]
Смоляные ямы образуются над нефтяными запасами, и эти отложения часто встречаются в антиклинальных ловушках . Фактически, около 80 процентов нефти, обнаруженной на Земле, было обнаружено в антиклинальных ловушках. [2] Антиклинали представляют собой складки в стратиграфических слоях , в которых каждая половина складки падает от гребня. Такие структуры обычно развиваются над надвиговыми разломами или в тектонических регионах, где земля изгибается и складывается. Если структура над вогнутой вниз складкой (аркой) представляет собой непористую породу или водоупор , например, сланец , она считается антиклинальной ловушкой. [2] Рисунок в этом разделе представляет собой мультипликационную диаграмму поперечного сечения, которая показывает нефть, застрявшую в антиклинальной ловушке. Если в вышележащих слоях над нефтяным запасом есть разлом или трещина , нефть может мигрировать на поверхность. Это возможно за счет капиллярной каймы и потому, что нефть менее плотная, чем вода. [3]
Смоляные ямы — это лужи асфальта. Однако в начале своего формирования они не всегда были липкими и плотными. Лужи состояли из сырой нефти , которая возникла под поверхностью Земли. Сырая нефть представляет собой смесь гетероатомных соединений, углеводородов , металлов и неорганических соединений . [4] Гетероатомные соединения — это органические молекулы, которые содержат элементы, не являющиеся углеродом или водородом, в то время как углеводороды содержат только углерод и водород. [4] Сырая нефть менее вязкая , чем асфальт, поскольку содержит более высокий процент легких углеводородов. [5] Легкие углеводороды включают следующие алканы : метан , этан , пропан и бутан . [6] Эти молекулы имеют очень низкий молекулярный вес . Сырая нефть также может содержать некоторые неорганические примеси, такие как CO 2 , H 2 S, N 2 и O 2 . [6] На поверхности эти легкие молекулы могут испаряться из сырой нефти, оставляя после себя более тяжелые, липкие молекулы. Асфальт, или битум, обычно содержит углеводородные молекулярные цепи с 50+ атомами углерода. [5] Чем длиннее углеводородная цепь, тем более вязкой она становится, и температура кипения увеличивается. [5]
Испарение является важным процессом в образовании смоляных ям. Резервуар легкой сырой нефти на поверхности Земли может быть уменьшен на 75% от первоначального объема всего за несколько дней, образуя асфальт в качестве конечного продукта. Для средней сырой нефти объем может быть уменьшен на 40%. [7] Сырая нефть будет испаряться по-разному в зависимости от ее химического состава. [4] Средний состав образца битума по весу составляет 80,2% углерода, 7,5% водорода, 7,6% кислорода, 1,7% азота и 3,0% серы. [2]
Смоляные карьеры Ла-Бреа расположены в Лос-Анджелесе . Нефть, которую можно увидеть на поверхности, добывается из резервуара нефтяного месторождения Солт-Лейк-Сити и нефтяных песков в формациях Репетто и Пико . [8] Эти нефтяные месторождения образовались в эпоху миоцена, когда морские планктонные организмы скапливались в океаническом бассейне. [9] Со временем осадки погребли организмы на глубине от 300 до 1000 метров под поверхностью Земли, подвергая их высокому давлению. Этот процесс превратил органическое вещество в нефть. Разлом 6-й улицы, который пересекает нефтяное месторождение Солт-Лейк-Сити, является каналом, питающим смоляные карьеры Ла-Бреа. [8] Нефть со временем мигрировала на поверхность, захватывая и сохраняя животных и растения в течение последних 50 000 лет. [9]
Карпинтерия Тар-Питс расположена в парке Тар-Питс в Карпинтерии, Калифорния. Предполагается, что эти смоляные ямы образовались в плейстоцене. Во время раскопок было обнаружено 25 видов растений, а также 55 видов птиц и 26 видов млекопитающих. [10] Источники смолы все еще сочятся на поверхность через трещины в нижележащих стратиграфических слоях морского сланца. [10]
Асфальтовое озеро Бинагади находится в Азербайджане , или на Кавказе, регионе между Черным и Каспийским морями . Эта смоляная яма известна тем, что в ней сохранились головы и тела множества пещерных львов , млекопитающих, которые процветали в плейстоцене . [11] В асфальтовом озере Бинагади также был найден хорошо сохранившийся череп лошади. Его возраст оценивается в 96-120 тысяч лет. Он выставлен в Естественно-историческом музее Азербайджана в Баку , Азербайджан . [12]
Озеро Пич-Лейк в Тринидаде и Тобаго — это большая чашеобразная впадина, заполненная битумом. Максимальная глубина озера составляет 250 футов, а площадь — 100 акров, что делает его крупнейшим месторождением твердого битума на Земле. [13] Озеро холодное и плотное у берегов, и у него есть верхний слой, по которому можно ходить. Под этой кожей асфальт непрерывно перемешивается. Озеро постепенно становится мягче и горячее около центра, где битум начинает пузыриться. Газ, выделяющийся в середине озера, в основном состоит из метана и большого количества углекислого газа. [14]
Озеро Пич-Лейк образовалось тысячи лет назад в результате тектонической активности. Движение вдоль разлома создало трещину, которая вошла в нефтегазоносный пласт глубоко в земной коре. Нефть и газ со временем просочились на поверхность Земли через трещину, образовав озеро Пич-Лейк. Из-за постоянного пополнения запасов нефти и газа в озере есть небольшое течение. Течение в основном незаметно, потому что верхний слой озера Пич-Лейк в основном твердый. [13]
Смоляные ямы характерны для их многочисленных ископаемых. Это происходит потому, что толстый, липкий асфальт загоняет животных в ловушку. [15] Как только животные ступают в смолу, они становятся обездвиженными и начинают немедленно тонуть, если асфальт достаточно теплый и липкий. Хищники, которые видят этих беспомощных животных, обычно продвигаются в смоляные ямы в надежде поймать свою следующую еду. В результате добыча обычно находится под хищником во время раскопок. [15]
Кости и твердые части животных хорошо сохранились, потому что они быстро захоронены после смерти организма. Под поверхностью твердые части покрыты асфальтом, и они защищены от климатических изменений, таких как дождь, ветер или снег, которые могут ускорить процессы выветривания. В асфальте также нет кислорода и воды, поэтому основные разлагающие организмы, такие как аэробные грибы и бактерии, отсутствуют. [ необходима цитата ]
В смоляных ямах Ла-Бреа с 1906 года было обнаружено более миллиона костей. Было идентифицировано 231 вид позвоночных, 234 вида беспозвоночных и 159 видов растений. [9] Наиболее часто встречающееся крупное млекопитающее, найденное в смоляных ямах Ла-Бреа, — это ужасный волк , один из самых известных доисторических хищников, живших в плейстоцене . [16] Также было много окаменелостей саблезубых кошек и койотов . [9] В ходе продолжающихся раскопок постоянно обнаруживаются дополнительные окаменелости. [9]
Жизнь была обнаружена в образце природного асфальта возрастом около 28 000 лет в битумных ямах Ла-Бреа . [17] Были обнаружены сотни новых видов бактерий, которые способны процветать в средах с небольшим количеством или без воды или воздуха. Они содержат специальные ферменты , которые могут расщеплять углеводороды и другие нефтепродукты. [17] Происхождение бактерий в этих природных асфальтовых ямах неизвестно, но считается, что они произошли от ранее существовавших почвенных микроорганизмов, которые пережили просачивание асфальта тысячи лет назад. Почвенным микроорганизмам пришлось адаптироваться и претерпеть генетические изменения, чтобы помочь выдержать суровую новую среду, что в конечном итоге привело к появлению новых видов бактерий. [17]
В одном исследовании преобладающие бактерии, обнаруженные в смоляных ямах Ла-Бреа, принадлежали к классу Gammaproteobacteria в порядке Chromatiales , более просто называемые пурпурными серными бактериями . [17] Пурпурные серные бактерии не используют воду в качестве своего восстановителя , поэтому кислород не вырабатывается во время дыхания . Вместо этого они используют серу в форме сульфидов в качестве своего восстановителя. Другие бактерии, обнаруженные в смоляных ямах, принадлежали к семейству Rubrobacteraceae . Эти бактерии известны как одни из самых устойчивых к радиации организмов на планете. [17]
Pitch Lake , еще одна асфальтовая яма в Тринидаде и Тобаго , также является средой обитания микробных сообществ архей и бактерий. Бактериальные микроорганизмы из отрядов Burkholderiales и Enterobacteriales были обнаружены живущими в микролитровых каплях воды, извлеченной из озера. [18] Сообщалось, что биомасса в озере Pitch Lake составляет до 10 7 клеток на грамм асфальта. [19] Многие из этих микробов выживают на сере, железе, метане или других углеводородах. [19] Текущие исследования проводятся в Pitch Lake, поскольку оно имитирует среду, обнаруженную на поверхности крупнейшего спутника Сатурна, Титана . Открытие экстремофилов в Pitch Lake дает представление о возможностях микробной жизни в углеводородных озерах, которые обнаружены на Титане. [19]
Смоляные ямы образуются в результате фракционирования сырой нефти на поверхности. Более легкие углеводороды сырой нефти, в том числе метан (CH 4 ), этан (C 2 H 6 ) и пропан (C 3 H 8 ), испаряются, оставляя более крупные углеводороды, которые составляют химический состав асфальта. Это вызывает беспокойство, поскольку метан, этан и пропан являются либо основными парниковыми газами , либо фотохимическими загрязнителями . [20] Смоляные ямы Ла-Бреа выбрасывают около 500 кг метана в день. [20] Выбросы самые высокие вдоль разлома 6th Street Fault, который является каналом, питающим смоляные ямы сырой нефтью из отложений под поверхностью Земли. [20] Было также обнаружено, что метан испаряется из близлежащей почвы, влияя на физиологию местных трав. Смоляные ямы Ла-Бреа имеют самый высокий поток природного газа, измеренный для любой наземной зоны просачивания в Соединенных Штатах. [20] В глобальном масштабе геологические выбросы CH 4 и C 2 H 6 от просачивания газа в осадочные породы оцениваются в 50-70 Тг/год и 2-4 Тг/год соответственно. Эти значения составляют примерно половину глобальных выбросов CH 4 и C 2 H 6 от антропогенного сжигания ископаемого топлива , которые составляют приблизительно 100-150 Тг CH 4 /год и 6-8 Тг C 2 H 6 /год. [20] Эти выбросы углеводородов могут способствовать биодеградации нефти и метаногенезу в смоляных ямах. [20]
При моделировании атмосферных парниковых газов следует учитывать естественные геологические источники метана и других углеводородов. Не все источники углеводородов в атмосфере являются результатом антропогенных выбросов. [20]
Углеводородное просачивание в городских или промышленных районах представляет геологическую опасность из-за взрывоопасной природы углеводородов. 24 марта 1985 года карман метанового газа прошел через небольшое отверстие между плитой пола и стенами фундамента универмага одежды Ross в Лос-Анджелесе , всего в миле к северу от La Brea Tar Pits. Этот метановый карман вызвал взрыв, в результате которого пострадало 21 человек. [21] Это событие повысило осведомленность о потенциальной опасности метановых карманов и углеводородного просачивания в этом районе. [21]
Смоляные ямы являются отличными консервантами, и они также способны предоставлять данные об изотопах углерода для деревьев, упавших в асфальт. Изучение данных об изотопах углерода в доисторических деревьях может раскрыть информацию о реакциях растений на различные количества углекислого газа в палеоатмосфере . [22] Образцы деревьев можжевельника из последнего ледникового периода были извлечены из смоляных ям Ла-Бреа, и они показали, что соотношение межклеточного и атмосферного CO 2 было одинаковым у ледниковых и современных деревьев. Поскольку количество углекислого газа во время последнего ледникового периода составляло от 180 до 200 ppm (409,8 ppm сегодня), [23] для фотосинтеза было доступно меньше углерода . Деревьям можжевельникам пришлось усилить поглощение CO 2 , чтобы выжить в условиях ограничения углерода. Вполне вероятно, что устьичная проводимость деревьев и потребность хлоропластов в CO 2 были выше в этот период, чтобы увеличить потребление ими углерода. [22] При переходе в следующий межледниковый период устьичная проводимость деревьев Juniperus и потребность хлоропластов в CO 2 снизились в результате более высоких температур и более высоких концентраций CO 2 в атмосфере. Эта реакция на колебания уровня углерода наблюдается у растений с течением времени. Например, повышенная устьичная проводимость наблюдается у современных растений C3, выращенных в условиях низкого содержания CO 2 . [22] Также предполагается, что более влажный климат во время последнего ледникового периода мог увеличить доступность азота для растений, что, следовательно, увеличило концентрацию азота в листьях. Это изменение могло увеличить фотосинтетические способности деревьев Juniperus . [22]
Тело женщины было извлечено из смоляных карьеров Ла-Бреа в 1914 году. Сохранились только череп и части скелета, и было установлено, что она умерла около 9000 лет назад. [24] На момент смерти ей было от 18 до 24 лет, и ее рост составлял 4 фута и 8-10 дюймов. [24] Это единственный зарегистрированный случай обнаружения человеческих останков в смоляных карьерах. [25]
На протяжении тысяч лет коренные американцы использовали смолу из смоляных карьеров Ла-Бреа в качестве клея и связующего вещества. [1] Они использовали ее в качестве водонепроницаемого уплотнителя для своих лодок и корзин. Когда европейцы прибыли в смоляные карьеры, они начали добывать и извлекать смолу для кровельного материала в близлежащих городах. [1]