УДК 553.98.041:550.4 |
ПРИМЕНЕНИЕ СТЕРАНОВ И ТРИТЕРПАНОВ В НЕФТЕПОИСКОВОЙ ГЕОЛОГИИ
Waples D.W., Machihara T. Application of sterane and triterpan biomarkers in petroleum exploration //Bulletin of Canadian Petroleum Geology. – 1990. – Vol. 38, N 3. – P. 357–380.
Углеводороды-биомаркеры ряда стеранов и тритерпанов являются достаточно информативным объектом при решении многих задач нефтегазопоисковой геохимии. Эти соединения, например, часто используются при определении фациально-генетического типа УВ, стадий зрелости нефтей и битумов, а также при геохимической корреляции нафтидов. Указанная группа насыщенных УВ не входит в состав живого вещества. Однако структура их молекул идентична соединениям типа тритерпаноидов, стероидов, стеролов и т. д., входящих в состав предшественников биомолекул.
Например, стераны происходят от стеролов, обычно распространенных в высших растениях и водорослях. Они практически отсутствуют в организмах примитивных прокариотов. Стеролы обычно имеют в своем составе 27, 28, 29, 30 атомов углерода. При диагенезе и катагенезе за счет гидрогенизации колец и потери кислородных групп они образуют ряд регулярных стеранов типа холестана, эргостана, ситостана и т. д. На первых этапах превращения в насыщенных УВ образуются так называемые
aaa-20R биологические эпимеры, имеющие сходную стереохимию с соединениями живых предшественников. С увеличением степени зрелости УВ, особенно в условиях солоновато-водных бассейнов, происходит направленная изомеризация стеранов в b-формы углерода 14 и 17, т. е. образуются эпимеры 14b (Н), 17b (Н).Среди стеранов отличают так называемые перегруппированные соединения, или диастераны, которые образуются преимущественно в глинистых осадках. Выделяют еще семейство 4-метилстеранов диностеранов, образующихся из водорослей динофлагеллатов. Для тритерпанов биологическими предшественниками являются тритерпеноиды бактерий. Большинство этих УВ имеет пентациклическое строение с содержанием в молекуле от 27 до 35 атомов углерода.
Имеются еще и две группы три- и тетрациклических терпанов состава
C21–C27. В семействе гопаноидов различают биогопаны (17b, 21b) и геогопаны (17a, 21b и 17b, 21a). Соединения с числом атомов С более 30 получили название гомогопанов. В зависимости от степени зрелости нафтидов эти УВ в боковых алкильных цепях могут иметь разное соотношение эпимеров 22S и 22R. Последний эпимер является непосредственно биологическим предшественником. В эту же группу входят соединения типа 17a-и 18 a-трисноргопанов (Тm и Ts), а также неогопаноиды – пентациклические соединения типа олеонана и гамма-церана.Соотношения отдельных биомаркеров часто используются как показатели термической зрелости органического вещества (ОВ) или нефтей в недрах. Например, в стеранах для этих целей применяют соотношение эпимеров
20S/(20S+20R). С увеличением зрелости возрастают концентрации эпимеров 20S до 55%, а 20R уменьшаются до 45%. Характерно, что это соотношение возрастает до 0,55 при R0=0,7...0,8 % и далее не увеличивается при значениях R0>0,8%.Изостераны образуются из
a-биологических стеранов. Поэтому отношение / часто используется как показатель зрелости. Однако в последнее время геохимическая информативность этого показателя ставится под сомнение. Набор показателей термической зрелости дают соотношения изомеров тритерпанов. Например, используются соотношения эпимеров 22S/22R+22S для гопанов 17a(Н) C35 или С32. Равновесие в этом соотношении наступает быстро при 22S = 55...60%, 22R = 40...45% и R0<=0,6%.Соотношение менее стабильного моретана (17
b, 21a ) к гопану (17a , 21b) может также служить показателем эволюции нафтидов, однако его возможности ограничены шкалой R0 до 0,6%. Соотношение Ts/Tm имеет более широкий катагенетический диапазон применения, наиболее эффективно для нафтидов близких фациально-генетических типов. Требует также осторожного применения соотношение трициклические/пентациклические терпаны. Часто различия в их концентрациях вызваны не эволюционными, а генетическими признаками.Стераны и гопаны используются также и как показатели фациально-генетического типа исходного ОВ. Первые из них являются в основном индикаторами фотосинтезирующей биомассы, а тритерпаны – показателями условий осадконакопления и диагенеза ОВ. Биологическая форма стеранов
5a, 14a, 17a – 20R состава С27, С28 и С29, их соотношения указывают на возможные биологические предшественники. Так, преобладание УВ С29 указывает, с одной стороны, на участие ОВ высшей растительности континентального генезиса, а с другой – свидетельствует о генетических связях ОВ с цианобактериями (сине-зеленые водоросли) отложений докембрия и низов палеозоя.Соотношение регулярных стеранов С
28/С29 может использоваться и как критерий, определяющий геологический возраст нафтидов. Например, это соотношение в материнских породах протерозоя и кембро-ордовика не превышает 0,3, тогда как в мелу и кайнозое оно возрастает от 0,9 до 1,3. Присутствие 4-метилстеранов типа диностеранов (С30) и 4-метилхолестанов (C28–С30) большинство исследователей связывают с морскими фациями и водорослевыми формами динофлагеллат. Диастераны, или перегруппированные стераны, рядом исследователей использовались как индикаторы глинистых фаций. Однако этот критерий позднее не стал однозначным, так как эти соединения находились в ОВ карбонатов и достаточно зрелых органоминеральных системах.Другими объектами, определяющими условия накопления и диагенеза ОВ, являются тритерпаны, в частности гопан (С
30) и адиантан (С29). Все эти соединения являются производными бактериальной деятельности в ОВ. В большинстве нафтидов соотношение С30/С29 составляет 2,0. Однако в высокобитуминозных карбонатах и в ОВ эвапоритов это соотношение равно 1,0 и менее. Разветвленные гопаны или гомогопаны состава C31–C35 чаще всего связываются с ОВ морских карбонатов и эвапоритов замкнутых бассейнов.Бисноргопан С
28 обычно встречается в малых концентрациях, которые значительно возрастают в ОВ осадков, формировавшихся в восстановительной обстановке. Указанные особенности распределения свойственны и трисноргопану. Гамма-церан обычно связывают с ОВ отложений и фаций озерных бассейнов повышенной солености. Олеонаны характерны для ОВ высших растений в прибрежно-дельтовых осадках.Процессы биодеградации нефтей, правда, не так эффективно, как алканы, также воздействуют на характер перераспределения стеранов и тритерпанов. Например, среди стеранов наиболее уязвимы их биосоединения (
14a , 17a, 20R) по сравнению с их изомерами типа (14b, 17b, 20S). В ряду стеранов по их стойкости к бактериальному разрушению соединения могут быть расположены в следующем порядке aa –20R > aa –20S > bb –20R = bb –20S > диастераны.В биодеградированных нефтях существенно снижается концентрация гомогопанов
C31–C35, возрастают содержания 25-норгопанов и трициклических терпанов. В целом разрушение гопанов происходит после деградации регулярных стеранов, но до перегруппированных стеранов. Последние подвергаются деструкции наряду с трициклическими терпанами и гамма-цераном на глубоких стадиях биодеградации нефтей.Значительная роль отводится стеранам и тритерпанам при осуществлении геохимических корреляций нафтидов по их составу. Такие исследования проводятся с целью диагностики материнских толщ в разрезе отложений. При общих геолого-геохимических оценках учитывается возможное влияние на состав нефтей или битумов процессов миграции, биодеградации и термической зрелости.
При корреляции наиболее информативными соединениями являются регулярные и перегруппированные стераны
(C31–С33). Среди них должны быть учтены такие необычные УВ, как 4-метил-стераны, 28,30-бисноргопан, 25,28,30-трисноргопан, гамма-церан, олеонаны и т. д. Для достижения более точных результатов корреляции необходим более широкий комплекс геолого-геохимических исследований, включая использование данных об УВ других классов и о физико-химических свойствах нафтидов.Референт А. В. Чахмахчев