Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Хемофоссилии (биомаркеры) в составе нефтей и рассеянного органического вещества 13
Глава 2. ЭУ- и архебактериальные сообщества на разгрузках и в разрезах осадочных пород 2 9
2.1. Реконструкция микробиальных сообществ по хемофоссилиям 29
2.2. Предпосылки проникновение микроорганизмов на большие глубины в недра Земли 3 8
Глава 3. Участие архе- и эубактерий в генезисе углеводородных скоплений и формировании вертикальной зональности состава нефтей 5 6
Глава 4. Роль бактерий в формировании скоплений углеводородов с изотопно-легким по 813с и по 5d метаном 88
4.1. Изотопно легкий метан в традиционных трактовках его биохимического генезиса 88
4.2. Модели формирования природных скоплений углеводородов с изотопно-легким (513С / 5D) метаном 93
Заключение:
Основные научные результаты и выводы 104
Литература 10
- Реконструкция микробиальных сообществ по хемофоссилиям
- Предпосылки проникновение микроорганизмов на большие глубины в недра Земли
- Изотопно легкий метан в традиционных трактовках его биохимического генезиса
- Модели формирования природных скоплений углеводородов с изотопно-легким (513С / 5D) метаном
Введение к работе
Актуальность работы. Исследования деятельности бактерий1 в процессах преобразования органического вещества (ОВ) насчитывают более столетия, их роль учитывалась и в построениях И.М.Губкина. В послевоенное время большое внимание было уделено развитию микробиологических методов при прогнозе и поисках нефтегазовых месторождений (Г. А.Могилевскнй, М.В.Иванов, С.И.Кузнецов и др.). В последней четверти прошлого столетия получили развитие экологические аспекты микробиологических исследований, связанных как с 'ликвидацией поверхностных загрязнений нефтью, так и с влиянием на условия разработки (окисление нефти и др.) при использовании интенсивного заводнения 'залежей. На основании многолетних теоретических разработок Института микробиологии РАН и других коллективов начато внедрение в практику ряда методов интенсификации добычи, основанных на эффектах микробиальной деятельности вблизи водонефтяных контактов (Д.А.Каушанский, Т.Н.Назина и др.).
В последние четверть века открытие необычных сообществ организмов на дне океана, связанных с «черными курильщиками» и «холодными» разгрузками углеводородов, обозначило первое обширное проявление глубинной биосферы. Изучение архебактериальных сообществ, процессов анаэробного бактериального окисления метана (А.ЮЛейн и др.), открытие проявлений бактериальной деятельности в глубоких скважинах, пробуренных в различных геологических условиях (от докембрийских щитов до зон субдукции) принесли новые подтверждения грандиозных масштабов распространения и деятельности подземной биосферы. Обозначился глобальный характер бактериальной трансформации и переработки бактериями потоков катагенетических и более глубинных газов (Г.А.Заварзин, А.А.Оборин и др.).
Новые открытия показали, что бактериальная деятельность интенсивнее и многоплановее. Она связана не только с переработкой ОВ, генерацией за его счет биохимического изотопно легкого метана, с биодеградацией существующих (сформировавшихся ранее приповерхностных, на глубинах 0,5-1,5 км) скоплений углеводородов, но столь же эффективно бактериальной переработке и трансформации должны подвергаться углеводородные й углеводородно-водные флюиды на этапе миграции и формирования скоплений углеводородов. В этом направлении до настоящего времени специальные исследования, в сущности, не проводились, хотя их актуальность и большая теоретическая и практическая значимость несомненны. С учетом новых открытий следует ожидать, что при бактериалы-.ой трансформации углеводо-родно-водных флюидов, формирующих скопления углеводородов, в состав последних могут привноситься и соединения, относимые к хемофоссилиям (биомаркерам), источник которых в прежних построениях связывался, в основном, с органическим веществом. В связи с этим возникают новые задачи диагностики хемофоссилий бактериально-флюидного генезиса и оценки их индикаторной значимости при прогнозе и поисках скоплений углеводородов.
За последние четверть века были открыты значительные ресурсы изотопно легкого по углероду и водороду метана в месторождениях газа и газогидратов. По изотопно-
1 Здесь и далее вместо микробиологически строгих названий таксонов «прокариоты и прокариотический» ис
пользуется более традиционные названия «бактерии и бактериальные». В тех случаях, когда называются
дробные таксоны, вместо названия «археия используется «архебактерии», а вместо названия «бактерии» в со
временном таксономическом смысле - «эубж/перии». -
геохимическим критериям такой метан по генезису рассматривается в качестве биохимического (бактериального) - генерированного за счет рассеянного в породах ОВ, но геохимические интерпретации неоднозначны и нередко вступают в противоречие с геологическими построениями. Необходим анализ возникшей коллизии и поиск путей ее преодоления. Таков круг обозначившихся новых вопросов и проблем, связанных с пониманием роли бактериальной деятельности в процессах формирования нефтяных и газовых (включая газогидраты) скоплений.
Цель работы. Основная цель работы состояла в выявлении роли бактериальной деятельности и ее последствий при трансформации углеводородно-водных флюидов, участвующих в процессах формирования скоплений углеводородов. Задачи исследований:
обоснование бактериальной природы изопреноидных хемофоссилий в составе нефтей;
обоснование вертикальной зональности состава хемофоссилий в нефтях, связанное с различными бактериальными сообществами, участвующими в генезисе хемофоссилий; построение моделей микробиальной деятельности на различных глубинах в недрах осадочных бассейнов;
обоснование изотопных особенностей и участия бактерий в генезисе двух типов экстремально изотопно легкого метана.
Научная новизна. Обоснованы новые представления о бактериальной природе двух групп хемофоссилий в составе нефтей. На этой основе построена модель вертикальной зональности состава бактериальных хемофоссилий в нефтях. Выделены два типа экстремально изотопно легкого метана, обоснованы механизмы их бактериального генезиса и реальная роль в формировании нефтегазовых месторождений с изотопно легким метаном. Выявлены индикаторы бактериальных трансформаций углеводородно-водных флюидов, участвующих в формировании нефтегазовых скоплений.
Практическая значимость. Полученные результаты о природе изопреноидных хемофоссилий, их вертикальной зональности в скоплениях углеводородов могут использоваться для уточнения вопросов формирования нефтегазовых месторождений, прогнозе и поисках скоплений углеводородов. Изотопно-геохимические индикаторы бактериальных трансформаций могут использоваться при оценке природы и ресурсов изотопно легкого метана в газовых месторождениях и, особенно, в газогидратах, в которых изотопно легкий метан доминирует.
В работе защищаются следующие положения: 1. Изопреиоидные соединения в составе нефтей не только наследуются из органического вещества высших организмов, по в значительной мере имеют бактериальный генезис, при этом один из важных этапов обогащения нефтей линейными изо-преиоидными соединениями связан с деятельностью архсбактериальных сообществ. 2. На базе представлений о бактериальном генезисе изопреноидных хемофоссилий и питательной (трофической) роли углеводородно-водных флюидов построена новая модель вертикальной зональности состава изопреноидных хемофоссилий в формирующихся скоплениях углеводородов.
3. Генезис двух групп экстремально изотопно легкого метана связан с деятельностью
различных бактериальных сообществ на различных питательных субстратах в
приповерхностных обстановках, отличающихся по геолого-фациальным и окислптельно-
восстановіггедьньїм условиям. ~"
Фактическая^основа работы, методика исследований. На основании обобщения опубликованных данных выполнен_анализ распространения хемофоссилий1 (бирмаркеров) в неф-тях, битумах, углеводородйых'разгрузках с переоценкой их природы. Для диагностики хемофоссилий бактериальной природьгв рассеянных битумах, органическом веществе пород и в нефтяных залежах использовались также рез)щьтаты.изучения,изотопного состава их углерода и водорода. С помощью схем",' геохимических карт" с изолиниями концентраций и графиков выявлялись корреляции концентрации изопреноидных1 хемофоссилий с глубиной, с температурами в пластах, и с расстоянием от водонефтяных контактов в пределах пластов.
Выполнено обобщение и проведена интерпретация изотопно-геохимических данных по газам с метаном разного генезиса в скоплениях и разгрузках углеводородов. Было собрано более тысячи анализов химического и изотопного состава газов по российским и зарубежным регионам, включая данные по изотопному составу водорода и углерода в метане. Эти данные были обработаны с помощью программы Statistica 6 по двадцати параметрам: 8|3С, 3D, содержание тяжелых углеводородов, глубина залегания, содержание СОг и другим. Двойныедиаграммы в координатах 5|3С / 8D метана стали основой разделения углеводородных газов по генезису.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 112 страницах, включая 33 рисунка.
Реконструкция микробиальных сообществ по хемофоссилиям
Параллельно с этими исследованиями М.Уитикаром и М.Шозллем, В.Е.Ерохиным и др. выполнено широкое изучение изотопного состава водорода и углерода в углеводородных газах. Одним из результатов этих исследований был вывод о том, что экстремальные значения изотопного состава углеводородов по водороду и углероду связаны с деятельностью разнородных бактериальных сообществ.
Последнее десятилетие ознаменовалось значительными открытиями в микробиологии. Для изучения бактерий в нефтяных залежах наиболее актуальными были два новых положения: 1 — способность бактерий к активной жизнедеятельности при температурах более 100 С, и 2 — разделение всего мира бактерий на две неродственные группы архебактерий и эубактерий, резко различающимися в том числе и синтезируемыми ими липидами, а следовательно и теми хемофоссилиями, которые могут от них оставаться. Эти построения позволяют по новому интерпретировать большой объем накопившихся данных о хемофоссилиях из нефтяных месторождений.
В представленной работе развиваются идеи о роли бактериальной деятельности в трансформации углеводородных флюидов, основываясь на данных по изотопному составу углерода и водорода в углеводородных газах с одной стороны, и по изотопному составу углерода в различных изопреноидных хемофоссилиях, с другой. Полученные выводы позволили построить целостную и многоаспектную картину жизнедеятельности бактерий в залежах, заражения залежей бактериями и последовательной смены бактериальных сообществ в процессе исчерпания пищевых ресурсов. Ценность подобного исследования для поисков и разведки нефтяных и газовых месторождений в том, что особое внимание в ней уделено не окисляющим нефть микроорганизмам, а бактериям, продуцирующим липиды в процессе формирования залежей. Для микробиологии эта работа может предложить методику предварительного поиска еще неизвестных глубинных микроорганизмов для культивирования по оставляемым ими непосредственно в углеводородных залежах липидным следам. Об актуальности тематики исследований.
Исследования деятельности бактерий в процессах преобразования органического вещества (ОВ) насчитывают более столетия, их роль учитывалась и в построениях И.М.Губкина. В послевоенное время большое внимание было уделено развитию микробиологических методов при прогнозе и поисках нефтегазовых месторождений (М.В.Иванов, Г.А.Могилевский С.И.Кузнецов, и др.). В последней четверти прошлого столетия получили развитие экологические аспекты микробиологических исследований, связанных как с ликвидацией поверхностных загрязнений нефтью, так и с влиянием на условия разработки (окисление нефти и др.) при использовании интенсивного заводнения залежей. На основании многолетних теоретических разработок Института микробиологии РАН и других коллективов начато внедрение в практику ряда методов интенсификации добычи, основанных на эффектах микробиальной деятельности вблизи водонефтяных контактов (Д.А.Каушанский, Т.Н.Назина и др.).
В последние четверть века открытие необычных сообществ организмов на дне океана, связанных с «черными курильщиками» и «холодными» разгрузками углеводородов, обозначило первое обширное проявление глубинной биосферы. Изучение архебактериальных сообществ, процессов анаэробного бактериального окисления метана, открытие проявлений бактериальной деятельности в глубоких скважинах, пробуренных в различных геологических условиях (от докембрийских щитов до зон субдукции) - принесли новые подтверждения грандиозных масштабов распространения и деятельности подземной биосферы. Обозначился глобальный характер бактериальной трансформации, переработки бактериями потоков катагенетических и более глубинных газов (Г.А.Заварзин, А.А.Оборин и др.).
Новые открытия показали, что бактериальная деятельность интенсивнее и многоплановее, связана не только с переработкой ОВ, генерацией за его счет биохимического изотопно легкого метана, с биодеградацией существующих (сформировавшихся ранее приповерхностных, на глубинах 0,5-1,5 км) скоплений углеводородов. Столь же эффективно бактериальной переработке, трансформации должны подвергаться углеводородные и углеводородно-водные флюиды на этапе формирования скоплений углеводородов. В этом направлении до настоящего времени исследования, в сущности, не проводились, хотя их актуальность и большая теоретическая и практическая значимость несомненны. С учетом новых открытий следует ожидать, что при бактериальной трансформации углеводородно-водных флюидов, формирующих скопления углеводородов, в состав последних могут привноситься и соединения, относимые к хемофоссилиям (биомаркерам), источник которых в прежних построениях связывался, в основном, с органическим веществом. Возникают новые задачи диагностики хемофоссилий бактериально-флюидного генезиса, оценки их индикаторной значимости при прогнозе и поисках скоплений углеводородов.
Возросла важность изучения бактериальной деятельности в подземных резервуарах углеводородных месторождений и в связи с внедрением в практику разработки месторождений закачки газов. Особенно важно изучение архебактерий, жизнедеятельность которых неразрывно связанна с переработкой и генерацией метана, углекислоты, водорода и окиси углерода. Закачки газов в месторождения должны вызывать активизацию жизнедеятельности таких бактерий.
За последние четверть века были открыты гигантские ресурсы изотопно легкого по углероду и водороду метана в месторождениях газа и газогидратов. По изотопно-геохимическим критериям такой метан по генезису рассматривается в качестве биохимического (бактериального) - генерированного за счет рассеянного в породах ОВ, но геохимические интерпретации неоднозначны и нередко вступают в противоречие с геологическими построениями. Необходим анализ возникшей коллизии и поиск путей ее преодоления. Таков круг обозначившихся новых вопросов и проблем, связанных с пониманием роли бактериальной деятельности в процессах формирования нефтяных и газовых (включая газогидраты) скоплений.
Предпосылки проникновение микроорганизмов на большие глубины в недра Земли
Адаптации к сверхдлительному периоду анабиоза отличительная особенность архебактерии. Глубокий (длительностью миллионы лет) анабиоз предопределяет особую (сверхустойчивую) конформацию генетического материала (ДНК). Архебактерии от эубактерий отличает присутствие между генами "бессмысленных" участков, ответственных за плотную упаковку линейной молекулы ДНК. У эукариот упаковку осуществляют специальные белки с основными свойствами (гистоны). У транспортных и рибосомных РНК стабилизирующую роль играют ионы магния. Архебактерии аналогичным образом могут использовать неорганические компоненты и для стабилизации ДНК. Это может создавать своеобразную "минерализацию" генома, и позволяет ему пережить без разрушения длительный период в условиях повышенных температур. Помимо этого термостабильность ДНК архебактерии обеспечивается суперспирализацией, которая достигается действием специфического фермента - обратной гиразы. Значительной термостабильностью отличаются также рибосомальный аппарат и цитоплазматические мембраны, в которых преобладают насыщенные жирные кислоты. Мембраны гипертермофильных архебактерии в отличии от эубактерий, вместо жирных кислот содержат специфические липиды представляющие собой углеводородсодержащие бифитаниловые эфиры.
В последовательностях нуклеотидов у архебактерии (корархеоты) и эукариот проявляются значительные черты сходства. По современным представлениям ядро эукариот происходит от захваченной эубактерией архебактериальной клетки. При этом не удавалось объяснить причину, по которой бактерии были вынуждены заимствовать геном архебактерии. Представляется, что из-за образа жизни с возможными погружениями в длительный анабиоз архебактерии выработали механизмы «архивации» генома в минерализованные протохромосомы, которые не требовались зубактериям. В дальнейшем такая «архивация» послужила преадаптацией для значительного увеличения объема генома и появления многоклеточности, при которой каждая клетка имеет полный набор генов, но работает в ней лишь малая их часть, а все остальные гены «заархивированы».
Реконструкция донного сообщества эу- и архебактерий по основным особенностям биоэнергетики бактерий и по липоидным фоссилиям из различных битумоидных фракций.
Комплекс (танатоценоз) хемофоссилий, выделенный из органического вещества горных пород и нефтяных залежей, традиционно разделяют на две части, которые соответствовали двум предполагаемым исходным биоценозам. Одна часть комплекса аллохтоная, ведущая свое начало от органического вещества, принесенного с суши - наземных трав деревьев и кустарников. В эту часть обычно относят: 1) нормальные алканы с более чем 23 атомами углерода (особенно если у них имеется преобладание «нечетных» молекул над «четными»); 2) олеаны, лупаны; 3) трициклические терпаны (хейлатаны) с 19 и 20 атомами, иногда тетрациклические терпаны; 4) гомологи циклопентана; 5) пристан, поскольку предполагается, что во время переноса фитан наземной растительности должен в окислительной среде потерять концевой атом углерода и преобразоваться в пристан. Другая (оставшаяся) часть комплекса автохтонная, происходящая от морских донных и плавающих растений, животных и бактерий. К этой части обычно относят: 1) нормальные алканы с менее чем 23 атомами углерода; 2) гопаны, гаммацераны (для морских обстановок повышенной солености), диностераны; 3) хейлатаны с 23-25 атомами углерода; 4) гомологи циклогексана; 5) фитан, Т-образные изопренаны. Когда анализ производится без определения изотопного состава индивидуальных соединений и только по одной битуминоидной фракции достигнуть более дробного разделения по исходным биоценозам действительно невозможно.
Данные по комплексному параллельному изучению свободных углеводородов, S-связанных углеводородов и углеводородов, связанных простой эфирной связью, показали неожиданно большое различие между этими тремя битумоидными фракциями, взятыми из одной породы.
Обобщенный характер отличий десульфированной полярной фракции от фракции свободных углеводородов из одних и тех же образцов заключается в следующем: 1) доля н-алканов относительно цепочечных и полициклических изопреноидов в десульфированной полярной фракции меньше; 2) отношение нечетных к четным алканам во фракции связанной с S, как правило, близко к 1 даже тогда, когда это отношение для «свободной» фракции достигает 8 и более (рис.9); 3) Отношение пентакисгомогопана (C3s) к другим гомогопанам в десульфированной фракции всегда бывает очень высоким, а в «свободной» фракции пентакисгомогопан может практически отсутствовать; 4) отношение тритерпанов к стеранам во фракции связанной с S обычно выше; 5) обогащенность регулярных стеранов гомологами состава С27 (холестанами) относительно гомологов С28 и С2э выше, в десульфированной фракции; 6) концентрация фитана во фракции связанной с S всегда много выше чем пристана, хотя в «свободной» фракции их соотношение может быть обратным. Эти эффекты объясняются избирательным воздействием реакций сульфирования в диагенезе на исходно однородное вещество [Дахнова и др., 2000]. Однако данные по изотопному составу показывают, что в каждую из фракций поступали вещества разной природы. Гомогопаны из фракции связанной с S по 513С на 3-5Vo легче, чем гомогопаны из «свободной» фракции. Такая картина легче объясняется, если допустить, что десульфированная фракция дополнялась веществами, синтезируемыми сульфат восстанавливающими бактериями на «третьей фазе» переработке органического вещества в осадке [Schouten, et al,1997].
Четыре первых перечисленных отличия вполне типичны для веществ синтезируемых сульфатредуцирующими эубактериями. Для сульфатредуцирующих эубактерий характерно: 1) присутствие в мембранах бактериогопантетролов - прямых предшественников пентакисгомогопана; 2) меньшая доля н-алканов относительно других углеводородов (изоалканов, гопаноидов), чем это соотношение у высших организмов; 3) отношение нечетных к четным алканам у сульфатредуцирующих эубактерий близко к 1. Холестан С2т, может синтезироваться характерными для верхов зоны сульфатредукции метан окисляющими эубактериями [Маргелис, 1983] .
Изотопно легкий метан в традиционных трактовках его биохимического генезиса
Влияние пластовых температур залегания нефти на распределение биомаркеров было изучено в Салымском нефтяном месторождении [Гордадзе, 2002] . Особенность нефтей из Салымского месторождения баженовской свиты заключается в вариациях пластовых температур, изменяющихся в пределах месторождения от 90 С до 138 С (диапазон температур - 48 С). Имеются данные анализов хроматомасс-спектрометрии (ГХМС) по двум профилям с юга на север и с востока на запад (более 25 скважин). Эти анализы относятся к распределению углеводородных биомаркеров в нефтях одного и того же генезиса и пласта, но залегающих при разных пластовых температурах.
На основании этих данных было выявлено, что при пластовых температурах 98-116С углеводородные показатели практически не изменяются, а при температурах превышающих 120 С происходят заметные изменения. Изменения не касаются регулярных стеранов С27-2э (отношения С27/С29, С28/С29) Не изменяется и коэффициент термической зрелости (КзР) , поскольку эпимерные превращения, протекающие довольно легко, в данном случае достигают равновесия. Равновесные концентрации достигают и эпимеры гопанов - 22S/22R близко к 60/40. Не реагирует на повышение температуры и отношение адиантан/гопан (Гээ/Гзо-тритерпаны) [Гордадзе и др., 2000].
Показатели, реагирующие на изменение пластовой температуры, приведены на рисунке 20. В первую очередь бросается в глаза изменение в соотношениях гопанов и стеранов (гопан С3о/стеран С25) До того как стало известно о синтезе биомаркеров бактериями в нефтяных резервуарах, подобные резкие изменения в соотношениях этих соединений пытались объяснить термическим распадом гопана, но в данном случае температуры для превращения гопана в секо-8,14-гопан явно недостаточны. Более вероятным является смещение соотношения из-за новообразование гопана из бактериогопантетрола синтезированного термофильными нефтезалежными бактериями в относительно низкотемпературных участках и отсутствие этих бактерий и, следовательно, и преобладания гопана в более высокотемпературных участках.
Заметным изменением является также увеличение хейлатанов (трициклических терпанов) относительно пентациклических терпанов 1.5
Соотношения содержаний углеводородных соединений из нефтей Салымсково месторождения в отложениях баженовской свиты. а-нефти из пластов с температурой 98-116 С (до 120); б-нефти из пластов с температурой 120-138С (выше 120) составлено по данным Г.Н. Гордадзе [2002]. (гопанов). Традиционно указанные изменения объясняют термической деструкцией, но в свете обнаружения трициклических терпанов в архебактерях Methanosphaera stadmanae [Jones and Holzer, 1991] хейлатаны могут быть и новообразованием, синтезированным архебактериями. Хотя хейлатаны широко используются в геохимии, организм продуцент этих соединений до сих пор не выяснен. Эти и другие косвенные данные указывают, что вероятнее всего организмом продуцентом хейлатанов в нефтях должны быть архебактерии. Три остальных соотношения показанных на рисунке 2 0 хорошо объясняются абиогенными температурными эффектами: отношение 17-метил,18а(Н)-22,29,30 триснорметилгопан (Ts) / 18-метил,17а(Н)-22,29,30 триснорметилгопан (Тт) — перегруппировкой метильных радикалов в сторону термодинамического равновесия, а отношение адамантаны Ci2 / прегнаны C2i-22 - разложением асфальтенов, обогащающее нефти дополнительными количествами адамантанов.
Полностью изолированные нефтяные залежи являются и полностью безжизненными. Для того чтобы в залежи могло существовать бактериальное сообщество, необходим приток веществ, образующих смесь с термодинамически неравновесным составом. Не имеющие ни оттока, ни притока веществ, нефтяные залежи не представляют питательной ценности для развития в них нефтяных бактерий. Возможны три варианта открытости резервуара месторождения для притока дополнительных веществ: 1 - поступление глубинного флюида и газа из нижележащих пород; 2 - поступление вод содержащих соединения элементов с переменной валентностью (окислы серы, железа или марганца) из латерально залегающих пород; 3 поступление поверхностных вод с растворенным кислородом (см.рис. 17) . Жизнедеятельность, в том числе и бактериальная, нуждается в потоке вещества - притоке энергонесущих компонентов и стоке продуктов их переработки. Обобщенно для подземных местообитаний можно выделить два типа питания и соответствующие им два типа бактериального сообщества. Эу-архебактериальное сообщество развивается при поступлении окислителей. Окисляя нефтяные углеводороды, эубактерии выделяют ряд низкомолекулярных веществ — смесь летучих жирных кислот, спиртов, водорода и углекислоты. Эта смесь, в свою очередь, потребляется архебактериями, которые редуцируют ее до метана и воды (см. рис. 17) . Поступление смеси низкомолекулярных веществ вместе с углеводородоводным флюидом позволяет развиваться автономному архебактериальному сообществу [Чудецкий, 1998] . Архебактерии подземной биосферы питаются при этом низкомолекулярными веществами подобными перечисленным выше, но источником этих соединений являются химически неравновесные углеводородно-водные флюиды. Как уже было сказано, А.А.Оборин с соавторами называет такое бактериальное сообщество нафтидогенерирующим углекисло-водородным бактериальным фильтром [Оборин, Рубинштейн, 1998, Оборин и др. 2000] . Жизнедеятельность такого сообщества должна зависеть от поступления неравновесных углеродно-водородно-кислородных соединений с флюидами.
И.М.Михайлов на основании закономерностей вертикального распределения нефтей в Тимано-Печерской провинции предложил модель генерации углеводородов из биомассы бактерий в верхних этажах зоны затрудненного водообмена [Михайлов, 1998] (рис. 21). Предложенный им механизм требует значительного опускания залежей со сформировавшейся бактериальной биомассой. Предлагаемая ниже модель смены бактериальных сообществ с глубиной легче согласуется с геологической ситуацией в большинстве районов распространения многопластовых месторождений, поскольку не предполагает сильных вертикальных перемещений залежей после их формирования (см.рис. 21 крайняя правая колонка).
Модели формирования природных скоплений углеводородов с изотопно-легким (513С / 5D) метаном
Следует еще раз остановиться на трудностях использования моделей смешения для объяснения формирования скоплений углеводородов, более или менее крупных, метан которых является изотопно-легким. Наиболее интенсивная биохимическая генерация изотопно-легкого метана из биоорганического вещества теоретически происходит в приповерхностной зоне диагенеза. Но в этой зоне нет благоприятных условий для аккумуляции тех порций изотопно-легкого метана, которые могли бы участвовать в постулируемых процессах смешения. В тех же случаях, когда процессы бактериального потребления метана опережают его генерацию, его остаток испытывает не изотопное облегчение, а изотопное утяжеление. Однако в природных условиях образование скоплений углеводородов с метаном такого изотопного состава не происходит.
Таким образом, вполне вероятно образование экстремально изотопно легкого по 812С или 5D метана при бактериальном преобразовании (трансформации) как органического вещества осадков, так и потоков глубинных флюидов, то есть своего рода конвергенез. Однако допустить существенное участие образовавшегося таким способом метана в формировании крупных промышленных скоплений с изотопно легким метаном при смешении с термогенным или глубинным метаном трудно. Сколь либо крупных скоплений углеводородов с экстремально изотопно легким метаном ни по 813С, ни по 5D не обнаружено. Следовательно в реальных геологических условиях отсутствуют источники экстремально изотопно легкого метана для процессов и моделей смешения.
В предлагаемой нами модели, образование обоих типов экстремально изотопно легкого метана может происходить и за счет бактериального преобразования (трансформации) локализованных потоков глубинных углеводородных флюидов нефтяного ряда. При образовании экстремально изотопно легкого (по 513С) метана первого типа в океанических осадках, окислительная, за счет S042 , трансформация углеводородных флюидов в аноксидных условиях происходит с образованием С02 или НС03 (СаС03) , что приводит к крайнему облегчению изотопного состава углерода в параллельно образующемся СН4. При этом сульфа тредукция происходит с участием углеводородных флюидов, ацетата, метана и водорода; карбона тредукция с участием Н2 имеет ряд ограничений. При образовании же экстремально изотопно легкого (по 5D) метана второго типа в мелководных пресноводных бассейнах суши, трансформация состава углеводородных флюидов сопровождается процессами образования гомологов метана и Н2. Бактериальные трансформации с участием Нг приводят к образованию метана с экстремально изотопно легким составом водорода; изотопный состав углерода метана остается почти неизменным, поскольку фракционирование с образованием больших количеств С02 или НС03 (карбонатов) не происходит. Роль архебактерий оказывается различной в океанических (сульфатредукция) и континентальных условиях (см.рис.32). В первом случае совместно с сульфатредукторами архебактерий участвуют в процессах утилизации метана в роли метанотрофов. Во втором случае велика их роль в новообразовании метана и с их активностью связаны процессы экстремального облегчения изотопного состава водорода (5D) в метане. Модель бактериальной трансформации потоков углеводородных флюидов согласуется с данными, свидетельствующими о миграционной природе изотопно легкого метана в приповерхностных горизонтах для ряда нефтегазовых месторождений Северного моря, Мексиканского залива и других регионов. В недавно опубликованной работе (Валяев, Титков, Чудецкий, 2002) мы уже рассматривали противоречивость данных экспериментальных исследований по бактериальной генерации метана на различных субстратах. Как оказывается, недостаточно рассматривать процессы генерации и «модификации» углеводородов только в рамках преобразования органического вещества осадочных отложений в процессах диагенеза и катагенеза. В новейших работах идеи полигенеза используются уже не только при поисках источников углеводородов для формирования газовых, но и нефтегазовых [Дмитриевский, 2003] месторождений. Вовлечение в рассмотрение глубинных процессов генерации углеводородов и последующей трансформации вторгающихся в осадочный разрез углеводородных флюидов позволяет достичь согласия в интерпретации изотопно геохимических данных с геологическими. В приповерхностных условиях участие бактериальных сообществ в трансформационных процессах способно обеспечить те высокие степени изотопного фракционирования углерода и водорода, при которых за счет различных источников формируются два типа экстремально изотопно легкого либо по 513С, либо по 5D метана.
Таким образом, тот или иной ответ на вопрос о генезисе изотопно-легкого метана может резко сказаться на оценке перспектив нефтегазоносности и в выборе методик поисков. Изучение всей глубины перерождения облика мигрирующих углеводородов в котором принимают участие сообщества зу- и архебактерий важно как для поисков, так и для оценки источников углеводородов, сформировавших залежи на разных уровнях в осадочном разрезе.
