Откуда берётся нефть в предгорьях?

Километрах в семидесяти отсюда, у Сюкеева на Волге, из известняков сочится битум — густая чёрная нефть, потерявшая лёгкие части. О ней писали путешественники ещё в XVIII веке, а добывать пробовали в XIX. А в двухстах пятидесяти километрах восточнее, у Альметьевска, лежит Ромашкинское месторождение — одно из крупнейших в мире, из которого взяли больше трёх миллиардов тонн. Оба места лежат на древней равнине между Волгой и Уралом, на Татарском своде восточной части Русской платформы, а не в горах¹. Нефть вообще держится окраин гор: нефть Персидского залива лежит у подножия гор Загроса, нефть Альберты — у подножия Скалистых гор. Почему предгорья?

Нефть — это солнечный свет, отложенный в запас. Сотни миллионов лет назад в тёплых мелких морях жил планктон; умирая, он падал на дно, и там, где воды не хватало кислорода, органика не сгнивала, а копилась в чёрном иле. Ил засыпало новыми слоями, он уходил вглубь, и на глубине двух-четырёх километров, при 60–120 °C, за миллионы лет большие молекулы бывших клеток разваливались на мелкие — на углеводороды нефти. Нефть легче воды, она выжималась из ила вверх и шла по пористому песчанику, пока не упиралась в непроницаемую глину, изогнутую куполом. Там она и стоит.

Предгорья дают всё три вещи сразу. Под весом гор кора прогибается, и рядом с хребтом возникает глубокий прогиб, куда сносится всё, что горы теряют: слоёв набирается на километры, и чёрный ил оказывается на нужной глубине с нужной температурой. А сжатие, которое сложило горы, сминает и слои прогиба — в купола-ловушки. Под самими горами нефти нет: там слои смяты слишком сильно, прогреты слишком горячо, и всё, что могло стать нефтью, стало газом и улетело или превратилось в графит.

Татарстан к этому правилу подходит лишь отчасти. Материнские чёрные сланцы здесь позднедевонские, а Урал начал подниматься только в позднем карбоне, на десятки миллионов лет позже, и сильнее всего вместе с Предуральским прогибом рос в пермь¹. Поэтому татарстанская нефть родилась в глубоком море на платформе ещё до гор, а лежит в куполе Татарского свода, который сработал как ловушка. Урал добавил соседа: рядом с платформой прогнулся Предуральский прогиб, и там нефть тоже есть. Откуда пришла нефть в сам свод, издалека из прогиба или из ближних впадин платформы, геологи обсуждают до сих пор.

Что сделать. На берегу Волги у Сюкеева или у Печищ найдите в известняке тёмные, пахнущие битумом прожилки. Это нефть, которая дошла до поверхности и потеряла всё летучее. Ромашкино — та же нефть, но оставшаяся под крышкой на глубине 1,7 км.

Кухня. Три условия и одна кастрюля. Исходное вещество — органика планктона, водорослей и бактерий, погребённая без кислорода: в обычном море её съедают, в застойной впадине она копится, давая породу с 5–20 % органического углерода — нефтематеринскую. Тепло — от глубины: температура в земле растёт примерно на 30 °C на километр, и «окно нефти» 60–120 °C соответствует 2–4 км; выше — сырьё не доварилось, глубже — переварилось в газ. Время — миллионы лет: реакции медленные, и одно и то же вещество при 100 °C за десять миллионов лет даёт то, что при 150 °C — примерно за триста тысяч (по правилу удвоения скорости на каждые 10 °C). И ловушка: пористый пласт-коллектор (песчаник, трещиноватый известняк) под непроницаемой покрышкой (глина, соль), изогнутый так, чтобы всплывающей нефти было некуда деться.

1. ловушка: купол под глиной
2. нефть всплывает по песчанику
3. прогиб под весом гор
4. чёрный ил на глубине 2–4 км, 60–120 °C — кухня

Предположения, стоящие за картиной:

1. Нефть — продукт органики, а не глубин Земли; это подтверждают в ней «отпечатки» живого — молекулы, происходящие от хлорофилла.
2. Нефть мигрирует: где родилась и где лежит — разные места, часто за десятки километров.
3. Ловушка держит только при целой покрышке; трещина — и нефть уходит к поверхности, как у Сюкеева.

Предгорный прогиб. Гора давит на плиту, плита прогибается — как доска под гирей, — и рядом с хребтом образуется впадина глубиной в километры. Реки с гор заполняют её осадком быстрее, чем где-либо: слои набирают мощность, и то, что легло на дно моря, оказывается на нужной глубине через десятки миллионов лет, а не через сотни. Так возник Предуральский прогиб: он начал развиваться в позднем карбоне, а сильнее всего прогибался в пермь, когда Урал рос быстрее всего. Нефть в Предуралье есть: первую нефть региона дала в 1929 году скважина у Чусовских Городков в нижнепермских известняках, в 1932 году нефть нашли в рифах Ишимбая¹. Сжатие со стороны хребта добавляет складки. Иначе говоря, горы не рождают нефть, но подготавливают ей место: глубину, тепло, ловушки — всё в одной полосе. В Татарстане сланцы лежали ещё до гор, и ловушкой стал купол платформы.

Проверьте сами. Капните растительного масла в стакан воды с песком на дне и накройте плёнкой: масло всплывёт и соберётся под плёнкой, а если плёнка выгнута куполом — под куполом. Это и есть месторождение: коллектор, покрышка, ловушка.

Тот же принцип в других местах. Персидский залив — прогиб перед Загросом; Альберта — перед Скалистыми горами; Западная Сибирь — не прогиб, а огромная чаша между Уралом и Сибирской платформой, но кухня та же, и материнская порода там — баженовская свита, чёрный ил юрского моря. Уголь — та же история с растениями суши вместо планктона. А торф на болоте у тропы — первая ступень той же лестницы: органика, которую не съели.

Скорость варки. Разложение органики на углеводороды — набор химических реакций, и их скорость подчиняется уравнению Аррениуса:

$$k = A\,e^{-E_a/RT}$$

модель

где $E_a$ — энергия активации, $T$ — температура в кельвинах. Иначе говоря, скорость растёт с температурой экспоненциально, и во сколько раз — зависит от $E_a$. При 100 °C прибавка в 10 °C ускоряет реакцию вдвое при $E_a \approx 82$ кДж/моль, в два с половиной раза при 109 кДж/моль и в пять с лишним раз при 200 кДж/моль. Простое правило «вдвое на каждые 10 °C» (метод Лопатина¹), которое стоит за примером про 100 и 150 °C выше, отвечает первому значению (пять шагов по 10 °C от 100 до 150 °C дают $2^5 = 32$ раза); у реального вещества реакций много, и современные модели берут для них не одну $E_a$, а набор значений, подобранный под геологические данные². Из-за этой чувствительности за глубину и время нефть отвечает вместе, а не порознь: прогиб, где слой оказался на 3 км за 20 миллионов лет, даёт нефть; тот же слой на 1,5 км за 300 миллионов лет — не даст. При 10 °C на поверхности и 30 °C на километр это около 100 и 55 °C, и при $E_a = 200$ кДж/моль скорость реакции в первом случае выше в 7000 раз, а времени во втором всего в 15 раз больше. По этому уравнению и по измеренной истории погружения строят «модели бассейна», предсказывающие, в каком слое и когда нефть выварилась, а в каком — ещё нет³.

Ромашкино в числах. Открыто в 1948 году, нефть в девонских песчаниках на глубине около 1,7–1,8 км, залежь площадью тысячи квадратных километров; добыто больше трёх миллиардов тонн, и месторождение работает восьмой десяток лет. Материнская порода — доманик, чёрные кремнисто-глинистые сланцы девонского моря, названные по реке Доманик под Ухтой; в Татарстане та же толща лежит на глубине, и из неё в ромашкинские песчаники ушли миллиарды тонн углеводородов. А сюкеевские битумы у Волги — пермские, на 100 миллионов лет моложе и всего в сотнях метров от поверхности: та же нефть, но поднявшаяся по трещинам и выветренная.

Кто открыл. Что нефть — из живого, первым в России написал Ломоносов в 1763 году в «О слоях земных»: нефть, по его мысли, выгоняется подземным жаром из каменного угля и торфа, то есть из растений. Менделеев в 1877-м предложил обратное: нефть рождается в глубине из карбидов металлов и воды — неорганически. Спор решила химия XX века: в 1934 году Альфред Трейбс нашёл в нефти порфирины — обломки хлорофилла, — молекулы, которых в недрах без жизни быть не может. Кухню — окно температур, стадии, миграцию — описали в 1970-х французские и американские геохимики, и с тех пор разведка нефти считает бассейн как реактор³. В Татарстане разведку вели с 1930-х, а Ромашкино нашла скважина у Тимяшева в 1948 году, пробурённая на куполе, который геологи заметили ещё в 1934 году⁴.

Границы этого рассуждения.

• Не всякая нефть — в предгорьях. Западная Сибирь, Северное море, Мексиканский залив — не прогибы у гор, а чаши, рифты и дельты; прогиб — один из четырёх-пяти типов бассейнов.
• Окно нефти — ориентир. Границы 60 и 120 °C сдвигаются с типом органики и временем; из некоторых материнских пород нефть идёт уже при 50 °C.
• Миграция плохо предсказуема. Откуда именно пришла нефть в данную ловушку, часто известно лишь по «отпечаткам пальцев» — биомаркерам. Для Волго-Уральской провинции спорят, шла ли нефть издалека, из Предуральского прогиба, или недалеко, из впадин самой платформы; по сводке USGS 1983 года лучшие материнские породы лежат на платформе рядом с коллекторами, и это говорит в пользу короткой миграции⁴.
• Ромашкино — не вечное. Выработанность больше 85 %, и то, что качают сейчас, — остатки при помощи закачки воды.

О чём спорят. Откуда берётся «лишняя» нефть? По расчётам часть месторождений Татарстана отдала больше, чем должна была вместить материнская порода, и ряд геологов — от Кудрявцева в 1950-х до сегодняшних — считают, что залежи подпитываются из глубины, из фундамента, и что нефть частично неорганическая. Большинство отвечает, что запасы были недооценены, а подпитка — из соседних, не разведанных, слоёв доманика. Спор о глубинной нефти, начатый Менделеевым, жив в Татарстане до сих пор — потому что здесь есть что подсчитать⁵.

Открытый вопрос. Сколько нефти ещё выварится? Доманик в Татарстане и баженовская свита в Сибири содержат в разы больше углеводородов, чем ушло из них в ловушки, — но они заперты в самой плотной породе, и достать их можно только гидроразрывом, как сланцевую нефть в Америке. Годится ли американский способ для девонских сланцев Поволжья и что он сделает с водоносными слоями над ними, пока никто не показал.