Preview

Литосфера

Расширенный поиск

Глубинный цикл углеводородов

https://doi.org/10.24930/1681-9004-2021-21-3-289-305

Полный текст:

Аннотация

Объект исследования. Проведены эксперименты, моделирующие трансформацию сложных углеводородных систем при экстремальных термобарических условиях. Полученные результаты сопоставлены с геологическими наблюдениями на Урале, Камчатке и в других регионах.

Материал и методы. Материалом для исследований стали модельная углеводородная система, сходная по составу с природным газоконденсатом, и система, состоящая из смеси предельных углеводородов и различных железосодержащих минералов, обогащенных 57Fe. В экспериментах были использованы два типа установок высокого давления: ячейка с алмазными наковальнями и камера высокого давления типа Тороид. Эксперименты проводились при давлении до 8.8 ГПа в температурном диапазоне 593–1600 К.

Результаты. Эксперименты показали, что углеводородные системы, погружаемые в составе субдукционного слэба, могут сохранять свою стабильность до глубины 50 км. При дальнейшем погружении при контакте углеводородного флюида с окружающими железосодержащими минералами образуются гидриды и карбиды железа. При реакции карбидов железа с водой в темобарических условиях астеносферы образуется водно-углеводородный флюид. Геологические наблюдения, такие как находки метана в оливинах из не затронутых серпентинизацией ультрамафитах, наличие полициклических ароматических и тяжелых насыщенных углеводородов в офиолитовых аллохтонах и ультрамафитах, выдавленных из палеосубдукционой зоны Урала хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными.

Выводы. Полученные экспериментальные результаты и приведенные геологические наблюдения позволили предложить концепцию глубинного углеводородного цикла. При контакте углеводородных систем, погружаемых в составе субдукционного слэба, с железосодержащими минералами образуются гидриды и карбиды железа. Карбиды железа, переносимые в астеносфере конвективными потоками, могут реагировать с водородом, содержащимся в гидроксильной группе некоторых минералов, или с водой, имеющейся в астеносфере, и образовывать водно-углеводородный флюид. В дальнейшем мантийный флюид может мигрировать по глубинным разломам в земную кору и образовывать, как правило, многопластовые нефтегазовые залежи в горных породах любого литологического состава, генезиса и возраста. В астеносфере существуют и другие доноры углерода, которые могут служить источником глубинных углеводородов, также участвующих в глубинном углеводородном цикле, являясь дополнительной подпиткой общего восходящего потока водно-углеводородного флюида. По всей видимости, глубинный цикл углеводородов является составной частью более общего глубинного цикла углерода.

Об авторах

В. Г. Кучеров
РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина; Королевский Технологический институт KTH
Россия

119991, Москва, Ленинский просп., 65-1

Стокгольм 10044б, Швеция



К. С. Иванов
Институт геологии и геохимии УрО РАН
Россия

620016, г. Екатеринбург, ул. Акад. Вонсовсого, 15



А. Ю. Серовайский
РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
Россия

119991, Москва, Ленинский просп., 65-1



Список литературы

1. Варфоломеев С., Карпов Г., Синал Г.А., Ломакин С., Николаев Е. (2011) Самая молодая нефть Земли. Докл. АН, 438(3), 345-347.

2. Виноградова Т., Пунанова С. (2017) Нафтиды Восточной Камчатки и Калифорнийского бассейна Гуйамас. Фундаментальный базис инновационных технологий нефтяной и газовой промышленности, 3(18), 40-41.

3. Гаврилов С. В., Харитонов А. Л. (2014) О возможной локализации мантийных каналов абиогенных углеводородов, выносимых в кору из мантии Земли у зон субдукции. Глубинная нефть, 2(8), 1266-1275.

4. Геннадиев А., Пиковский Ю.И, Флоровская В.Н., Алексеева Т.А., Козин И.С., Оглоблина А.И., Раменская М.Е., Теплицкая Т.А., Шурубор Е.И. (1996) Геохимия полициклических ароматических углеводородов в горных породах и почвах. М.: Изд-во МГУ, 192 с.

5. Горшков А., Селивестров В., Байков А., Аникин Л., Сивцов А., Дунин-Барковский Р. (1995) Кристаллохимия и генезис карбонадо из меланократовых базальтоидов вулкана Авача на Камчатке. Геология рудн. месторождений, 37(1), 54-66.

6. Добрецов Н., Лазарева Е., Жмодик С., Брянская А., Морозова В., Тикунова Н., Пельтек С., Карпов Г.А., Таран О.П., Огородникова О.Л. (2015) Геологические, гидрогеохимические и микробиологические особенности Нефтяной площадки кальдеры Узон (Камчатка). Геология и геофизика, 56(1-2), 56-88.

7. Ефимов А.А. (1984) Габбро-гипербазитовые комплексы Урала и проблема офиолитов. М.: Наука, 232 с.

8. Жариков В.А. (1976) Основы физико-химической петрологии. М.: МГУ, 420 с.

9. Заварицкий А.Н. (1925) Выделение газа из скважин в дунитовом массиве на Урале. Вестн. Геол. Ком. (4), 75 с.

10. Золоев К.К., Штейнберг Д.С., Чащухин И.С., Шмаина М.Я., Медведева Т.Н., Глебова З.М. (1985) Альпинотипные гипербазиты Урала. Свердловск: ИГГ УНЦ АН СССР, 66 с.

11. Зубков В.С. (2009) Гипотезы происхождения тяжелых углеводородов и битумов в разновозрастных офиолитах. Литосфера, (1), 70-80.

12. Иванов К.С. (1998) Основные черты геологической истории (1.6–0.2 млрд лет) и строения Урала. Дисс. … докт. геол.-мин.наук. Екатеринбург: ИГ УрО РАН, 252 с.

13. Иванов К.С. (2001) Оценка палеоскоростей субдукции и коллизии при формировании Урала. Докл. АН, 377(2), 231-235.

14. Иванов К.С. (2013) К вопросу об алмазоносности ультрабазитов Урала. Урал. геол. журн., 5(95), 32-36.

15. Иванов К.С., Волченко Ю., Коротеев В. (2007) Природа платиноносного пояса Урала и его хромит-платиново- метальных месторождений. Докл. АН, 417(3), 369-373.

16. Карпов И.К., Зубков В.С., Степанов А.Н., Бычинский В.А., Артименко М.В. (1998) Термобарический критерий метастабильного состояния углеводородов в земной коре и верхней мантии. Геология и геофизика, 39(11), 1518-1528.

17. Кропоткин П.Н., Шахварстова К.А. (1959) Твердые битумы, нефть и горючие газы в интрузиях гипербазитов, в траппах и вулканических трубках. Проблемы миграции нефти и формирования нефтяных и газовых скоплений. 151-164.

18. Кулаков И.Ю., Добрецов Н.Л., Бушенкова Н.А., Яковлев А.В. (2011) Форма слэбов в зонах субдукции под Курило-Камчатской и Алеутской дугами по данным региональной томографии. Геология и геофизика, 52(6), 830-851.

19. Кутыев Ф.Ш., Кутыева Г.В. (1975) Алмазы в базальтоидах Камчатки. Докл. АН СССР, 221(1), 183-186.

20. Кучеров В.Г. (2005) Экспериментальные исследования теплофизических свойств и фазового поведения сложных углеводородных систем при высоком давлении. Дисс. … докт. физ.-мат. наук. М.: МИТХТ, 211 с.

21. Кучеров В.Г., Дмитриевский А.Н., Иванов К.С., Серовайский А.Ю. (2020) Глубинный цикл углеводородов – от субдукции к мантийному апвеллингу. Докл. АН, 492(1), 61-65.

22. Кучеров В.Г., Колесников А.Ю., Дюжева Т.И., Куликова Л.Ф., Николаев Н.Н., Сазанова О.А., Бражкин В.В. (2010) Синтез сложных углеводородных систем при термобарических параметрах, соответствующих условиям верхней мантии. Докл. АН, 433(3), 361-364.

23. Лукин А.Е., Пиковский Ю.И. (2004) Новые данные об изотопном составе гидротермальной нефти (кальдера Узон на Камчатке). Докл. АН, 398(1), 90-93.

24. Мархинин Е. К. (1985) Вулканизм. М.: Мысль, 288 с.

25. Муслимов Р.Х., Постников А.В., Плотникова И.Н. (2005) К вопросу о роли эндогенного фактора в формировании и распределении нефтегазоносности осадочных бассейнов (на примере Татарстана). Георесурсы, 1(16), 37-39.

26. Подклетнов Н.Е. (1985) Вулканическое органическое вещество. М.: Наука, 128 с.

27. Родкин М.В. (2005) Теории происхождения нефти: тезис–антитезис–синтез. Химия и жизнь-XXI век, (6), 24-27.

28. Рыльков С.А., Рыбалка А.В., Иванов К.С. (2013) Глубинное строение и металлогения Урала: сопоставление глубинной структуры Южного, Среднего и Полярного Урала. Литосфера, (1), 3-16.

29. Силаев В.И., Карпов Г.А., Ракин В.И., Аникин Л.П., Васильев Е.А., Филиппов В.Н., Петровский В.А. (2015) Алмазы в продуктах трещинного Толбачинского извержения 2012–2013, Камчатка. Вестн. Перм. университета. Геология, 1(26), 6-27.

30. Симонов В.А., Чащухин И.С., Ковязин С.В. (1988) Закономерности распределения газов в хромитах и ультрабазитах Кемпирсайского месторождения. Формационное расчленение, генезис и металлогения ультрабазитов. Свердловск: ИГГ УрО АН, 89-100.

31. Сокол А.Г., Томиленко А.А., Бульбак Т.А., Соболев Н.В. (2017) Синтез углеводородов при конверсии СО2 флюида водородом: экспериментальное моделирование при 7.8 ГПа и 1350℃. Докл. АН, 477(6), 699-703.

32. Сорохтин Н.О., Лобковский Л.И., Семилетов И.П. (2018) Глубинный цикл углерода и формирование абиогенных углеводородов. Изв. Томск. политехн. университета, 329(8).

33. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А., Федынский В.В. (1974) Динамика литосферных плит и происхождение месторождений нефти. Докл. АН СССР, 214(6), 1407-1410.

34. Харитонов Т.В. (2006) Анализ библиографии по алмазоносности Урала. Минеральное сырье Урала, 4(8), 29-35.

35. Чащухин И.С., Вотяков С.Л., Панкрушина Е.А. (2020) Первая находка метана в оливине из незатронутых серпентинизацией ультрамафитов. Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН, 17, 543-546.

36. Штейнберг Д.С., Лагутина М.В. (1984) Углерод в ультрабазитах и базитах. М.: Наука, 110 с.

37. Юркова Р.М. (2003) Источники углеводородных флюидов связанных с серпентинизацией улътрабазитов. Генезис нефти и газа, М.: ГЕОС, 398-400.

38. Юркова Р.М., Воронин Б.И. (2010) Роль геодинамической пары островная дуга–желоб в формировании и размещении углеводородных флюидов и месторождений. Актуальные проблемы нефти и газа, 1(1).

39. Ague J.J. (2014) Deep carbon: Subduction goes organic, Nature, Geosci., 7(12), 860-861.

40. Brault M., Simoneit B.R.T. (1990) Mild hydrothermal alteration of immature organic matter in sediments from the Bransfield Strait, Antarctica. Appl. Geochem., 5(1-2), 149-158.

41. Clifton C., Walters C., Simoneit B. (1990) Hydrothermal petroleums from Yellowstone National Park, Wyoming, USA. Appl. Geochem., 5(1-2), 169-191.

42. Dubrovinsky L.S., Saxena S.K. (1999) Emissivity measurements on some metals and oxides using multiwavelength spectral radiometry. High Temper.-High Press., 31(4), 393-399.

43. Frost D.J., McCammon C.A. (2008) The redox state of Earth’s mantle, Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 36(1), 389-420.

44. Glodny J., Bingen B., Austrheim H., Molina J.F., Rusin A. (2002) Precise eclogitization ages deduced from Rb/Sr mineral systematics: the Maksyutov complex, Southern Urals, Russia. Geochim. Cosmochim. Acta, 66(7), 1221-1235.

45. Kelemen P.B., Manning C.E. (2015) Reevaluating carbon fluxes in subduction zones, what goes down, mostly comes up. Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS 112(30), 3997-4006.

46. Kenney J.F., Kutcherov V.A., Bendeliani N.A., Alekseev V.A. (2002) The evolution of multicomponent systems at high pressures: VI. The thermodynamic stability of the hydrogen- carbon system: The genesis of hydrocarbons and the origin of petroleum. PNAS, 99, 10976-10981.

47. Kolesnikov A., Kutcherov V.G., Goncharov A.F. (2009) Methane-derived hydrocarbons produced under uppermantle conditions. Nat. Geosci., 2(8), 566-570.

48. Kolesnikov A.Y., Saul J.M., Kutcherov V.G. (2017) Chemistry of Hydrocarbons Under Extreme Thermobaric Conditions. Chem. Select., 2(4), 1336-1352.

49. Kupenko I., Dubrovinsky L., Dubrovinskaya N., Mc- Cammon C., Glazyrin K., Bykova E., Ballaran T.B., Sinmyo R., Chumakov A.I., Potapkin V., Kantor A., Ruffer R., Hanfland M., Crichton W., Merlini M. (2012) Portable double-sided laser-heating system for Mossbauer spectroscopy and X-ray diffraction experiments at synchrotron facilities with diamond anvil cells. Rev. Sci. Instrum., 83(12).

50. Mann P., Gahagan L., Gordon M.B. (2003) Tectonic setting of the world’s giant oil and gas fields, 15-105.

51. Manning C.E. (2014) Geochemistry: A piece of the deep carbon puzzle. Nat. Geosci., 7(5), 333-334.

52. Mao H.K., XuJ., Bell P.M. (1986) Calibration of the ruby pressure gauge to 800 kbar under quasi-hydrostatic conditions. J. Geophys. Res. B, 91, 4673-4676.

53. Mukhina E., Kolesnikov A., Kutcherov V. (2017) The lower pT limit of deep hydrocarbon synthesis by CaCO3 aqueous reduction. Sci. Rep., 7(1), 5749.

54. Plank T., Langmuir C.H. (1998) The chemical composition of subducting sediment and its consequences for the crust and mantle. Chem. Geol., 145(3–4), 325-394.

55. Pollack H.N., Chapman D.S. (1977) On the regional variation of heat flow, geotherms, and lithospheric thickness. Tectonophysics, 38, 279-296.

56. Prescher C., McCammon C., Dubrovinsky L. (2012) MossA: a program for analyzing energy-domain Mossbauer spectra from conventional and synchrotron sources. J. Appl. Crystallogr., 45, 329-331.

57. Serovaiskii A., Dubrovinsky L., Kutcherov V. (2020a) Stability of a Petroleum-Like Hydrocarbon Mixture at Thermobaric Conditions That Correspond to Depths of 50 km. Minerals, 10(4), 355.

58. Serovaiskii A.Y., Kolesnikov A.Y., Kutcherov V.G. (2019а) Formation of Iron Hydride and Iron Carbide from Hydrocarbon Systems at Ultra-High Thermobaric Conditions. Geochem. Int., 57(9), 1008-1014.

59. Serovaiskii A., Kolesnikov A., Mukhina E., Kutcherov V. (2017) The photochemical reaction of hydrocarbons under extreme thermobaric conditions. J. Phys. Conf. Ser., 950(4), 1-6.

60. Serovaiskii A., Kutcherov V. (2020б) Formation of complex hydrocarbon systems from methane at the upper mantle thermobaric conditions. Sci. Rep., 10(1), 4559.

61. Serovaiskii A., Mukhina E., Dubrovinsky L., Chernoutsan A., Kudryavtsev D., McCammon C., Aprilis G., Kupenko I., Chumakov A., Hanfland M., Kutcherov V. (2019б) Fate of Hydrocarbons in Iron-Bearing Mineral Environments during Subduction. Minerals, 9(11), 1-10.

62. Sonin V.M., Bul’bak T.A., Zhimulev E.I., Tomilenko A.A., Chepurov A.I., Pokhilenko N.P. (2014) Synthesis of heavy hydrocarbons under P-T conditions of the Earth’s upper mantle. Dokl. Earth Sci., 454(1), 32-36.

63. Spanu L., Donadio D., Hohl D., Schwegler E., Galli G. (2011) Stability of hydrocarbons at deep Earth pressures and temperatures. Proc. Nat. Acad. Sci., 108(17), 6843-6846.

64. Sverjensky D.A., Stagno V., Huang F. (2014) Important role for organic carbon in subduction-zone fluids in the deep carbon cycle. Nat. Geosci., 7(12), 909-913.

65. Sugisaki R., Mimura K. (1994) Mantle hydrocarbons: Abiotic or biotic? Geochim. Cosmochim. Acta, 58(11), 2527-2542.

66. Trots D.M., Kurnosov A., Ballaran T.B., Tkachev S., Zhuravlev K., Prakapenka V., Berkowski M., Frost D.J. (2013) The Sm:YAG primary fluorescence pressure scale. J. Geophys. Res. Solid Earth, 118(11), 5805-5813.

67. Weston R.J., Woolhouse A.D. (1987) Organic geochemistry of the sedimentary basins of New Zealand part IV. A biomarker study of the petroleum seepage and some well core bitumens from the geothermal region of Ngawha Springs. Appl. Geochem., 2(3), 305-319.

68. Yamanaka T., Ishibashi J., Hashimoto J. (2000) Organic geochemistry of hydrothermal petroleum generated in the submarine Wakamiko caldera, southern Kyushu, Japan. Organic Geochem., 31(11), 1117-1132.

69. Yang J.S., Bai W.J., Fang Q.S., Meng F.C., Chen S.Y., Zhang Z.M., Rong H. (2007) Discovery of diamond and an unusual mineral group from the podiform chromite ore, Polar Ural (In Chinese). Chin. Geol., 34(5), 950-953.


Для цитирования:


Кучеров В.Г., Иванов К.С., Серовайский А.Ю. Глубинный цикл углеводородов. Литосфера. 2021;21(3):289-305. https://doi.org/10.24930/1681-9004-2021-21-3-289-305

For citation:


Kutcherov V.G., Ivanov K.S., Serovaiskii A.Yu. Deep hydrocarbon cycle. LITHOSPHERE (Russia). 2021;21(3):289-305. (In Russ.) https://doi.org/10.24930/1681-9004-2021-21-3-289-305

Просмотров: 43


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1681-9004 (Print)
ISSN 2500-302X (Online)