Кероген — это твердое, нерастворимое органическое вещество в осадочных породах . Он состоит из различных органических материалов, включая мертвые растения, водоросли и другие микроорганизмы, которые были сжаты и нагреты геологическими процессами. По оценкам, весь кероген на Земле содержит 10 16 тонн углерода. Это делает его самым распространенным источником органических соединений на Земле, превышающим общее органическое содержание живой материи в 10 000 раз. [1]
Тип керогена, присутствующего в конкретной горной породе, зависит от типа органического материала, который изначально присутствовал. Кероген можно классифицировать по следующим источникам происхождения: озерный (например, водорослевый ), морской (например, планктонный ) и наземный (например, пыльца и споры ). Тип керогена также зависит от степени нагрева и давления, которым он подвергался, и продолжительности геологических процессов. В результате сложная смесь органических соединений находится в осадочных породах, служа предшественником для образования углеводородов, таких как нефть и газ. Короче говоря, кероген представляет собой окаменевшее органическое вещество, которое было захоронено и подвергалось воздействию высоких температур и давлений в течение миллионов лет, что привело к различным химическим реакциям и превращениям.
Кероген нерастворим в обычных органических растворителях и не имеет определенной химической формулы . При нагревании кероген частично превращается в жидкие и газообразные углеводороды. Из керогена образуются нефть и природный газ . [2] Название «кероген» было введено шотландским химиком-органиком Александром Крамом Брауном в 1906 году, [3] [4] [5] [6] происходит от греческого слова «восковое рождение» (греч. κηρός «воск» и -gen, γένεση «рождение»).
Увеличение добычи углеводородов из сланца побудило возродить исследования состава, структуры и свойств керогена. Во многих исследованиях были зафиксированы резкие и систематические изменения в составе керогена в диапазоне термической зрелости, относящейся к нефтегазовой промышленности. Анализы керогена обычно проводятся на образцах, подготовленных путем кислотной деминерализации с критической точкой сушки , которая изолирует кероген от матрицы породы без изменения ее химического состава или микроструктуры. [7]
Кероген образуется во время осадочного диагенеза из деградации живой материи. Исходное органическое вещество может включать озерные и морские водоросли , а также планктон и наземные растения высшего порядка. Во время диагенеза крупные биополимеры , например, из белков , липидов и углеводов в исходном органическом веществе, частично или полностью разлагаются. Этот процесс распада можно рассматривать как обратный фотосинтезу . [8] Эти полученные единицы затем могут поликонденсироваться с образованием геополимеров . Образование геополимеров таким образом объясняет большую молекулярную массу и разнообразный химический состав, связанный с керогеном. Наименьшие единицы - это фульвокислоты , средние единицы - это гуминовые кислоты , а самые крупные единицы - это гумины . Эта полимеризация обычно происходит наряду с образованием и/или седиментацией одного или нескольких минеральных компонентов, что приводит к образованию осадочной породы, такой как горючий сланец .
Когда кероген одновременно откладывается с геологическим материалом, последующее осаждение и прогрессирующее захоронение или перекрывание обеспечивают повышенное давление и температуру из-за литостатических и геотермальных градиентов в земной коре. Результирующие изменения температур и давлений захоронения приводят к дальнейшим изменениям в составе керогена, включая потерю водорода , кислорода , азота , серы и связанных с ними функциональных групп , а также последующую изомеризацию и ароматизацию. Такие изменения указывают на состояние термической зрелости керогена. Ароматизация позволяет молекулярным слоям укладываться в пласты, что, в свою очередь, приводит к изменениям в физических характеристиках керогена, таких как увеличение молекулярной плотности, отражательной способности витринита и окраски спор (от желтого до оранжевого, коричневого и черного с увеличением глубины/термической зрелости).
В процессе термического созревания кероген распадается в реакциях высокотемпературного пиролиза с образованием продуктов с более низкой молекулярной массой, включая битум, нефть и газ. Степень термического созревания контролирует природу продукта, при этом более низкие термические зрелости дают в основном битум/нефть, а более высокие термические зрелости дают газ. Эти образующиеся виды частично вытесняются из богатой керогеном исходной породы и в некоторых случаях могут загружаться в породу-коллектор. Кероген приобретает дополнительное значение в нетрадиционных ресурсах , особенно в сланце. В этих образованиях нефть и газ добываются непосредственно из богатой керогеном исходной породы (т. е. исходная порода также является породой-коллектором). Обнаружено, что большая часть пористости в этих сланцах находится внутри керогена, а не между минеральными зернами, как это происходит в обычных породах-коллекторах. [9] [10] Таким образом, кероген контролирует большую часть хранения и транспортировки нефти и газа в сланце. [9]
Другой возможный метод образования заключается в том, что содержащие ванабин организмы отщепляют ядро от соединений на основе хлорина, таких как магний в хлорофилле, и заменяют его своим ванадиевым центром, чтобы прикрепить и собрать энергию с помощью светособирающих комплексов . Предполагается, что бактерии, содержащиеся в отходах червей, Rhodopseudomonas palustris , делают это во время своего фотоавтотрофного режима метаболизма. Со временем колонии светособирающих бактерий затвердевают, образуя кероген [ требуется ссылка ] .
Кероген представляет собой сложную смесь органических химических соединений , которые составляют наиболее распространенную фракцию органического вещества в осадочных породах . [12] Поскольку кероген представляет собой смесь органических материалов, он не определяется единой химической формулой. Его химический состав существенно различается между осадочными образованиями и даже внутри них. Например, кероген из месторождения сланцевой нефти Грин- Ривер в западной части Северной Америки содержит элементы в пропорциях углерод 215 : водород 330 : кислород 12 : азот 5 : сера 1. [13]
Кероген нерастворим в обычных органических растворителях отчасти из-за высокой молекулярной массы его компонентов. Растворимая часть известна как битум . При нагревании до нужных температур в земной коре ( нефтяное окно около 50–150 °C , газовое окно около 150–200 °C, оба в зависимости от того, насколько быстро нагревается исходная порода) некоторые типы керогена выделяют сырую нефть или природный газ , которые в совокупности известны как углеводороды ( ископаемое топливо ). Когда такие керогены присутствуют в высокой концентрации в породах, таких как богатые органикой глинистыми породами сланцы , они образуют возможные исходные породы . Сланцы, которые богаты керогеном, но не были нагреты до необходимой температуры для генерации углеводородов, вместо этого могут образовывать залежи горючего сланца .
Химический состав керогена анализировался несколькими формами спектроскопии твердого тела. Эти эксперименты обычно измеряют видообразование (связующую среду) различных типов атомов в керогене. Одним из методов является спектроскопия ЯМР 13 C , которая измеряет видообразование углерода. Эксперименты ЯМР показали, что углерод в керогене может варьироваться от почти полностью алифатического ( гибридизованного sp 3 ) до почти полностью ароматического ( гибридизованного sp 2 ), причем керогены с более высокой термической зрелостью обычно имеют более высокое содержание ароматического углерода. [14] Другой метод - спектроскопия Рамана . Рамановское рассеяние характерно и может использоваться для определения определенных колебательных мод и симметрий молекулярных связей. Рамановские спектры первого порядка керогена включают два основных пика; [15] так называемая полоса G («графитовая»), приписываемая вибрационным модам в плоскости хорошо упорядоченного углерода sp 2 и так называемая полоса D («неупорядоченная») от симметричных вибрационных мод углерода sp 2 , связанных с дефектами решетки и разрывами. Показано, что относительное спектральное положение (рамановский сдвиг) и интенсивность этих видов углерода коррелируют с термической зрелостью, [16] [17] [18] [19] [20] [21] с керогенами более высокой термической зрелости, имеющими более высокое содержание графитовых/упорядоченных ароматических углеродов. Дополнительные и последовательные результаты были получены с помощью инфракрасной (ИК) спектроскопии , которая показывает, что кероген имеет более высокую долю ароматического углерода и более короткие длины алифатических цепей при более высоких термических зрелостях. [22] [23] Эти результаты можно объяснить преимущественным удалением алифатических углеродов путем реакций крекинга во время пиролиза, где крекинг обычно происходит на слабых связях C–C бета к ароматическим кольцам и приводит к замене длинной алифатической цепи метильной группой. При более высоких зрелостях, когда все лабильные алифатические углероды уже удалены — другими словами, когда у керогена не осталось потенциала нефтегенерации — дальнейшее увеличение ароматичности может происходить из-за преобразования алифатических связей (таких как алициклические кольца) в ароматические связи.
ИК-спектроскопия чувствительна к связям углерод-кислород, таким как хиноны , кетоны и сложные эфиры , поэтому этот метод также можно использовать для исследования кислородных составов. Обнаружено, что содержание кислорода в керогене уменьшается во время термического созревания (что также было обнаружено с помощью элементного анализа), при этом наблюдается относительно небольшое изменение в кислородных составах. [22] Аналогичным образом, серные составы можно исследовать с помощью спектроскопии рентгеновского поглощения вблизи краевой структуры (XANES), которая чувствительна к серосодержащим функциональным группам, таким как сульфиды , тиофены и сульфоксиды . Содержание серы в керогене обычно уменьшается с термической зрелостью, а серные составы включают смесь сульфидов и тиофенов при низких термических зрелостях и дополнительно обогащаются тиофенами при высоких зрелостях. [24] [25]
В целом, изменения в составе керогена с точки зрения химии гетероатомов происходят преимущественно при низких термических зрелостях (битумные и нефтяные окна), тогда как изменения с точки зрения химии углерода происходят преимущественно при высоких термических зрелостях (нефтяные и газовые окна).
Микроструктура керогена также меняется во время термического созревания, как было установлено с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), показывающей наличие обильных внутренних поровых сетей в решетке термически зрелого керогена. [9] [26] Анализ с помощью газовой сорбции показал, что внутренняя удельная площадь поверхности керогена увеличивается на порядок (~ от 40 до 400 м 2 /г) во время термического созревания. [27] [28] Исследования рентгеновской и нейтронной дифракции изучили расстояние между атомами углерода в керогене, выявив во время термического созревания сокращение расстояний углерод-углерод в ковалентно связанных углеродах (связанное с переходом от преимущественно алифатических к преимущественно ароматическим связям), но удлинение расстояний углерод-углерод в углеродах при большем разделении связей (связанное с образованием пористости, размещенной в керогене). [29] Эта эволюция объясняется образованием пор, содержащих кероген, которые остаются после того, как сегменты молекулы керогена растрескиваются во время термического созревания.
Эти изменения в составе и микроструктуре приводят к изменениям свойств керогена. Например, скелетная плотность керогена увеличивается примерно с 1,1 г/мл при низкой термической зрелости до 1,7 г/мл при высокой термической зрелости. [30] [31] [32] Эта эволюция согласуется с изменением углеродной структуры от преимущественно алифатической (похожей на воск, плотность < 1 г/мл) до преимущественно ароматической (похожей на графит, плотность > 2 г/мл) с увеличением термической зрелости.
Дополнительные исследования изучили пространственную неоднородность керогена в малых масштабах длины. Отдельные частицы керогена, возникающие из разных источников, идентифицируются и определяются как разные мацералы . Это изменение исходного материала может привести к изменениям в составе между различными частицами керогена, что приводит к пространственной неоднородности в составе керогена в микронном масштабе длины. Неоднородность между частицами керогена может также возникать из-за локальных изменений в катализе реакций пиролиза из-за природы минералов, окружающих разные частицы. Измерения, выполненные с помощью атомно-силовой микроскопии в сочетании с инфракрасной спектроскопией (AFM-IR) и коррелированные с органической петрографией, проанализировали эволюцию химического состава и механических свойств отдельных мацералов керогена с термическим созреванием в наномасштабе. [33] Эти результаты показывают, что все мацералы уменьшают содержание кислорода и увеличивают ароматичность (уменьшение алифатичности) во время термического созревания, но некоторые мацералы претерпевают большие изменения, в то время как другие мацералы претерпевают относительно небольшие изменения. Кроме того, мацералы, которые богаты ароматическим углеродом, механически жестче, чем мацералы, которые богаты алифатическим углеродом, как и ожидалось, поскольку высокоароматические формы углерода (например, графит) жестче, чем высокоалифатические формы углерода (например, воск).
Лабильный кероген распадается с образованием в основном жидких углеводородов (т. е. нефти ), тугоплавкий кероген распадается с образованием в основном газообразных углеводородов, а инертный кероген не образует углеводородов, а образует графит .
В органической петрографии различные компоненты керогена могут быть идентифицированы с помощью микроскопического исследования и классифицируются как мацералы . Эта классификация была первоначально разработана для угля (осадочная порода, богатая органическим веществом земного происхождения), но теперь применяется для изучения других осадочных отложений, богатых керогеном.
Диаграмма Ван Кревелена является одним из методов классификации керогена по «типам», где керогены образуют отдельные группы, когда сравниваются соотношения водорода к углероду и кислорода к углероду. [34]
Керогены типа I характеризуются высокими начальными отношениями водорода к углероду (H/C) и низкими начальными отношениями кислорода к углероду (O/C). Этот кероген богат липидным материалом и обычно, но не всегда, из водорослевого органического вещества в озерных (пресноводных) средах. По массе породы, содержащие кероген типа I, дают наибольшее количество углеводородов при пиролизе . Следовательно, с теоретической точки зрения, сланцы, содержащие кероген типа I, являются наиболее перспективными месторождениями с точки зрения традиционной реторты нефти. [35]
Керогены типа II характеризуются промежуточными начальными отношениями H/C и промежуточными начальными отношениями O/C. Кероген типа II в основном образуется из морских органических материалов, которые откладываются в восстановительных осадочных средах. Содержание серы в керогене типа II обычно выше, чем в других типах керогена, и сера в значительных количествах содержится в связанном битуме. Хотя пиролиз керогена типа II дает меньше нефти, чем тип I, полученного количества все еще достаточно для того, чтобы осадочные отложения, содержащие тип II, были нефтематеринскими породами.
Похож на тип II, но с высоким содержанием серы.
Керогены типа III характеризуются низкими начальными отношениями H/C и высокими начальными отношениями O/C. Керогены типа III образуются из наземного растительного материала, в частности из исходных соединений, включая целлюлозу , лигнин (неуглеводный полимер, образованный из фенилпропановых единиц, который связывает нити целлюлозы вместе); терпены и фенолы . Уголь представляет собой богатую органикой осадочную породу, состоящую преимущественно из этого типа керогена. По массе керогены типа III дают самый низкий выход нефти из основных типов керогенов.
Кероген типа IV состоит в основном из инертных органических веществ в форме полициклических ароматических углеводородов . Они не имеют потенциала для производства углеводородов. [37]
Диаграмма справа показывает цикл органического углерода с потоком керогена (черные сплошные линии) и потоком биосферного углерода (зеленые сплошные линии), показывая как фиксацию атмосферного CO 2 наземной и морской первичной продуктивностью . Объединенный поток переработанного керогена и биосферного углерода в океанические отложения составляет общее захоронение органического углерода , поступающего в эндогенный керогеновый пул. [38] [39]
Углеродистые хондритовые метеориты содержат керогеноподобные компоненты. [40] Считается, что такой материал сформировал планеты земной группы . Керогенные материалы были обнаружены также в межзвездных облаках и пыли вокруг звезд . [41]
Марсоход Curiosity обнаружил органические отложения, похожие на кероген, в образцах аргиллита в кратере Гейла на Марсе , используя измененную технику бурения. Присутствие бензола и пропана также указывает на возможное присутствие керогеноподобных материалов, из которых получаются углеводороды. [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50]
{{cite book}}
: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Хельгесон, Х.К. и др. (2009). «Химическая и термодинамическая модель образования нефти в углеводородных материнских породах». Geochim. Cosmochim. Acta. 73 , 594–695. [1]
Маракушев С.А.; Белоногова О.В. (2021), «Неорганическое происхождение углеродного вещества нефтематеринских пород». Георесурсы = Георесурсы. 23 , 164–176. [2]