ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ

В. М. Швец

В сб. Органическая геохимия вод и поисковая геохимия. М., "Наука".1982. 47-52

Региональные исследования, проведенные в различных районах СССР, позволили накопить и обобщить большой фактический материал по коли­чественному содержанию и составу органических веществ в различных ти­пах подземных вод [4]. По методике определения суммарного Сорг, раз­работанной во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогео­логии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО), изучено более 800 проб подземных вод [2]. Среднее содержание суммарного Сорг в различных типах подземных вод дано нами в табл.1.

Таблица 1

Среднее содержание Сорг в различных типах подземных вод

Типы Условия распространения Сорг мг/л
Грунтовые воды Области с гумидными условиями 35
Области с аридными условиями 25
Глубокие напорные воды Ненефтегазоносные про­винции Области стока 40
Области разгрузки 35
Нефтегазоносные провинции Вне нефте­газовых месторождений Области стока 55
Области разгрузки Минеральные ис­точники 74
Грязевые вул­каны 160
Нефтегазо­вые  место­рождения Газовые В контуре газо­носности 35
Нефтяные   Непродуктивные горизонты 60
За контуром 110
В контуре 375
Газоконденсатные В контуре 800

Из табл.1 следует, что грунтовые воды в меньшей степени обогащены органическим веществом (Сорг около 30 мг/л), чем глубокие воды ненефтегазоносных артезианских бассейнов (Сорг 35-40 мг/л). Следовательно, по мере фильтрации по водоносным пластам подземные воды обогащаются органическим веществом. Однако глубокие воды ненефтегазоносных провинций менее богаты органическим веществом, чем воды нефтегазоносных провинций. Особенно это различие заметно для вод областей разгрузки (Сорг 35 мг/л по сравнению с 55-75 мг/л). Этим доказывается, что накопление и распределение органичес­ких веществ в глубоких подземных водах нефтегазоносных бассейнов свя­зано не только с влиянием нефтяных залежей, но и с общим геохимическим процессом преобразования и накопления органического вещества в ус­ловиях нефтегазоносных бассейнов.

Среди вод нефтегазовых месторождений максимальным содержанием Сорг отличаются внутриконтурные воды газоконденсатных (800 мг/л) и нефтяных (375 мг/л) месторождений. Воды газовых залежей повышенным количеством Сорг не характеризуются (35 мг/л).

Существенное влияние на величину содержания водорастворенного органического вещества (ВРОВ) в подземных водах оказывает обогащенность пород рассеянным органичес­ким веществом (табл.2).

Отмеченная связь объясняется тем, что ВРОВ является одним из основных источников для водорастворенных органических веществ, переходящих из пород при повышенных температурах, при насыщении вод углекислотой и при других благоприятных условиях.

Таблица 2

Зависимость содержания ВРОВ от обогащенности пород органическими веществами

Возраст пород Сорг пород, % Сорг (нелетучие) подземных вод, мг/л
Неоген 0,9 14,4
Палеоген 0,9 8,3
Мел 0,5 4,2
Палеозой 0,3 2,6

Общее количество органических веществ в подземных водах соизмеримо с количеством Сорг во многих природных объектах и уступает лишь содержанию Сорг в осадочных породах. Так, если не считать максимальных содержаний органического вещества в приконтурных водах нефтегазовых месторождений, а принять за среднюю величину концентрации суммарного Сорг 50 мг/л, то количество органического углерода в подземных водах 5-километровой зоны стратисферы составит 2,5 . 1012 т (для сравнения приведем цифру общего содержания Сорг в водах Мирового океана, равную 2,0 .1012 т).

Качественный состав органических веществ подземных вод очень сложен. О нем можно судить по данным рис.1. В настоящее время не все приведенные на рисунке органические вещества определяются в подземных водах количественно. Некоторые из них обнаружены пока лишь качественно. Среди последних следует назвать некоторые гетероциклические соединения, углеводы, терпены, уроновые кислоты. Наиболее полно охарактеризованы с применением надежных методов анализа такие вещества, как летучие органические кислоты (муравьиная, уксусная и др.), фенолы, нафтеновые  кислоты, ароматические углеводороды (бензол и его гомологи). Значительно меньше данных по количественному содержанию в подземных водах имеется для гумусовых веществ (гуминовых кислот и фульвокислот), масел, смол, эфиров, спиртов, аминов, аминокислот, карбонильных соединений.

Ориентировочные содержания различных количественно определяемых органических веществ в подземных водах следующие (в мг/л):

Жирные кислоты n .10-1 - n . 103
Нафтеновые кислоты n .10-2 - n . 102
Битум (хлороформенный экстракт) n .10-1 - n . 102
Фенолы n .10-2 - n . 101
Бензол n .10-2 - n . 101
Толуол n .10-2 - n . 101
Аминокислоты (в пересчете на N) n .10-5 - n . 10-3
Амины (в пересчете на N) n .10-5 - n . 10-4
Спирты n .10-3 - n . 100
Карбонильные соединения (альдегиды, кетоны и др.) n .10-2 - n . 10-1
Сложные эфиры n .100 - n . 101

Как уже было показано в табл.1, наибольшее количество органического вещества содержится в водах нефтяных месторождений. Помимо количест­венной стороны, важнейшей особенностью этих вод является преобладание в их составе летучих органических кислот (рис.2). В суммарное Сорг вхо­дят органические вещества трех основных групп: 1) нелетучих, 2) летучих нейтральных и основных, 3) летучих кислот. Основную долю органического вещества (см. рис. 2) во всех водах вне нефтегазовых месторождений составляют летучие нейтральные и основные соединения, к которым отно­сятся летучие эфиры, летучие низкомолекулярные спирты (этиловый, ме­тиловый, пропиловый), углеводороды (терпены, бензол и другие аромати­ческие углеводороды), летучие амины и др.

Несмотря на резкую разницу в содержании суммарного Сорг в разных водах нефтегазовых месторождений (например, 35 мг/л в водах газовых месторождений и 800 мг/л в водах газоконденсатных месторождений), природа органического вещества этих вод, очевидно, одинакова. Об этом свидетельствуют практически одинаковые соотношения указанных групп органических веществ: нелетучих до 22%, летучих нейтральных и основных   20-32% и летучих кислых, т.е. органических кислот, 58-67%. Таким образом, оказалось справедливым предвидение В. И. Вернадского, который еще в 30-е годы писал, что специфический химический состав подземных вод нефтегазовых месторождений в настоящее время широко и успешно используется в нефтегазопоисковой практике [1,3].

Содержание и распределение органических веществ в подземных водах зависят от природных физико-географических и геолого-гидрогеологических условий. Концентрированию органических веществ в водах способствуют обогащенность пород органическим веществом, повышенные температуры и давления, затрудненный водообмен, восстановительная среда, наличие залежей нефти и газоконденсатов. Неоднозначное влияние оказывают минерализация, химический состав вод и величина рН.

В подземных водах происходят разнообразные физико-химические и биохимические процессы с участием растворенного органического вещества. Так, гидролиз жиров приводит к образованию глицерина и жирных кислот, гидролиз белков — к образованию аминокислот, гидролиз сложных эфиров - к образованию фенолов, спиртов, органических кислот и т.п. Образование углеводородов, особенно низших метановых, может происходить путем декарбоксилирования карбоновых кислот. Эксперименты по гидрогенизации различных органических кислот показали возможность образования метановых и нафтеновых углеводородов.

Рис. 1. Классификация органических веществ, содержащихся в подземных водах

Существенные и быстрые превращения органических веществ происходят при биохимических процессах. Геологическая деятельность микрофлоры в грунтовых водах и верхних частях горизонтов глубоких напор­ных вод (до глубины проникновения в них кислорода) выражается в аэробном разложении остатков наземной растительности - клетчатки, углеводов, белков. Например, при распаде белков образуются органичес­кие кислоты, аминокислоты, амины и др. При диссимиляции главнейших и наиболее доступных источников энергии — углеводов — микроорганиз­мы образуют разнообразные жирные кислоты (муравьиную, уксусную, пропионовую, масляную и др.) и спирты (этиловый, пропиловый и др.).

 

Рис. 2. Диаграммы изменения содержания разных групп органических веществ в подземных водах различных областей их формирования

I — нелетучие органические вещества; 2 — летучие нейтральные и основные ве­щества; 3 — летучие органические кислоты I—IV — воды: I— грунтовые, II— глубо­кие напорные областей стока вне нефтегазовых месторождений, IIIа— непродуктивных горизонтов нефтяных месторождений; IIIб — законтурные нефтяных месторождений, IIIв—  приконтурные нефтяных месторождений, IIIг — газоконденсатных месторожде­ний, IIIд — газовых месторождений; IV — глубокие напорные области разгрузки арте­зианских бассейнов

Таким образом, при разрушении бактериями белков, углеводов и клетчатки в качестве промежуточных продуктов неизменно образуются жирные кислоты, аминокислоты, спирты и другие органические соединения, находящиеся в подземных водах.

Присутствие жирных кислот (иногда в количествах до 3 г/л и более) в водах нефтегазовых месторождений может быть связано с анаэробным окислением углеводородов. Широкое распространение анаэробов в глубоких водах подтверждает возможность анаэробного распада углеводородов нефтегазовых залежей, рассеянных углеводородов пород и растворенных углеводородов подземных вод с образованием жирных кислот.

Сложные физико-химические и физические процессы протекают при взаимодействии подземных вод с породами и нефтями. Среди них следует назвать диффузионное и фильтрационное извлечение органических веществ из пород, сорбционные процессы, диализ, ионный обмен и др. Помимо конвекционно-диффузионного потока органических веществ от нефтегазовой залежи по пласту имеет место и молекулярная диффузия вверх и вниз по разрезу.

 В природной обстановке процессы формирования органической составляющей подземных вод гораздо сложнее, чем их удается воспроизводить в лабораторных условиях. В природе на ход тех или иных процессов одновременно влияют многочисленные и не всегда однонаправленные факторы. Поэтому органическое вещество подземных вод в целом находится в неустойчивом физико-химическом состоянии.

Дальнейшее развитие нового научного направления - органической гидрогеохимии требует внимания со стороны геологов, геохимиков, гидрогеологов, гидрохимиков, микробиологов, бальнеологов и других специалистов, так как теоретический и практический выход органической гидрогеохимии весьма разнообразен и может быть плодотворным в различных областях науки и на практике.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Барс Е.А., Коган С.С. Методическое руководство по исследованию органических веществ подземных вод нефтегазоносных областей, М.: Недра, 1973.
  2. Кирюхин В.К., Мелькановицкая С.Г., Швец В.М. Определение органических веществ в подземных водах нефтегазоносных областей, М.: Недра, 1973.
  3. Методы и направления исследований органических веществ подземных вод. - Труды ВСЕГИНГЕО, 1975, вып. 96.
  4. Швец В.М. Органические вещества подземных вод. М.: Недра, 1973.