Эволюция биосферы и циклические процессы нефтенакопления в фанерозое

Вестник ДВО РАН. 2009. № 4

УДК681.515:621.6.033+681.518 Ю.М.ПОЛИЩУК, И.Г.ЯЩЕНКО

Эволюция биосферы и циклические процессы нефтенакопления в фанерозое

Установлена взаимосвязь между циклическими изменениями нефтенакопления и изменениями биоразнообразия морских животных в фанерозое на основе сравнения временных графиков выше указанных величин. Полученные взаимосвязи подтверждены корреляционными расчетами.

Ключевые слова: геосферы, трансгрессии Мирового океана, углерод-водородная оболочка, фанерозой, химический состав нефтей, цикличность нефтенакопления, эволюция биосферы.

Biosphere evolution and cyclic processes of oil accumulation in the Phanerozoic. Yu.M.POLISHCHUK,

I.G.YASHCHENKO (Institute of Petroleum Chemistry, SB RAS, Tomsk).

Relationship between biosphere evolution and changes of oil accumulation in the Phanerozoic is studied. Cyclical changes of species diversity of sea animals represent stages of biosphere evolution. Information about changes of sea animal biodiversity was taken from Sepkosky database. The database on oil chemistry was used as a source of information about oil accumulation processes. Relationship between cyclical changes of oil accumulation and changes of sea animal biodiversity in the Phanerozoic is revealed on the basis of comparison of temporal diagrams of the above mentioned quantities. The obtained relationships were verified by correlation calculations.

Key words: geospheres, transgression of world sea, CH-sphere masses, Phanerozoic, сhemical сomposition, cyclical changes of oil accumulation, biosphere evolution.

Исследованиями показано, что периоды роста и снижения запасов нефти в фанерозое согласуются с трансгрессиями и регрессиями Мирового океана и что цикличность нефтенакопления в осадочной оболочке Земли обусловлена становлением кислородной атмосферы и увеличением массы углерод-водородной (УВ) оболочки в стратисфере Земли [1, 4, 6]. Известно также, что изменение содержания кислорода в атмосфере в фанеро-зойский период в существенной мере определялось эволюционными процессами биосферы, в частности изменением биологического разнообразия [6]. Основная цель настоящей работы - исследование до сих пор не изучавшейся взаимосвязи циклических изменений объемов нефтенакопления с изменением биоразнообразия в фанерозое.

В качестве показателя палеобиоразнообразия использовали число родов морских животных, наиболее полная информация об изменении которых в истории Земли содержится в уникальной базе данных Дж.Сепкоски [3, 7]. Источником информации о накопленных запасах нефтей послужила глобальная база данных (БД) Института химии нефти СО РАН, включающая информацию о 18300 образцах нефти из основных нефтегазоносных бассейнов мира [5].

ПОЛИЩУК Юрий Михайлович - доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией, ЯЩЕНКО Ирина Германовна - кандидат геолого-минералогических наук, заведующая музеем (Институт химии нефти, Томск). E-mail: yuri@ipc.tsc.ru

Взаимосвязь изменений массы углерод-водородной оболочки и уровня Мирового океана

Как известно, Земля и ее оболочки - открытые системы, обменивающиеся друг с другом и с окружающей средой веществом и энергией. Иа рис. 1 отражены периоды максимального и минимального обогащения литосферы органическим веществом, обусловленные формированием УВ-оболочки, а также циклические изменения разведанных запасов нефти в зависимости от геологического возраста и уровней затопления суши в фа-нерозое [1, 4, 7]. Можно видеть, что изменения уровня Мирового океана, разведанных запасов нефти и процессов формирования УВ-оболочки обнаруживают цикличность, периоды которой соответствуют продолжительности галактического года (около 180 млн лет). Ритмы падения и роста рассматриваемых показателей отчетливо согласуются с коренными изменениями природной среды и палеоклимата в фанерозойский период. Так, снижение массы УВ-оболочки и понижения уровня Мирового океана совпадают с эпохами глобального похолодания в периоды венд-кембрий, силур-девон, пермь-триас и палеоген (см. рис. 1).

Трансгрессии и регрессии Мирового океана, изменяющие площадь водной поверхности планеты и, следовательно, величину отражательной способности земной поверхности, существенно влияли на планетарные климатообразующие факторы. Эпохи максимального уменьшения уровня Мирового океана соответствуют периодам похолодания и наступления оледенений. Похолодание на планете приводило к уменьшению биопродуктивности растительности и глобальным вымираниям родов животных, что сопровождалось уменьшением массы УВ-оболочки и снижением интенсивности процессов нефтеобразования.

Рис. 1. Связь цикличности изменений массы УВ-оболочки, нефтенакопления и трансгрессий Мирового океана в фанерозое, по данным [5]

Эпохи глобального похолодания («глобальные геологические зимы»), для которых были характерны скудная растительность и слабая интенсивность увеличения массы УВ-оболочки (см. рис. 1), сменялись эпохами глобального потепления климата и буйного расцвета биосферы - «глобальным геологическим летом», сопровождаемым ростом массы УВ-оболочки и повышением интенсивности нефтеобразо-вания [4]. Изменения интенсивности процессов нефте-образования в истории Земли

Рис. 2. Распределение объемов запасов нефти и количества нефтега- отражены на рис. 1 цикличес-

зоносных бассейнов по стратиграфическим подразделениям кими изменениями объема раз-

веданных запасов нефти [1], коррелирующими с циклическими же изменениями массы УВ-оболочки.

Как другой показатель интенсивности процессов нефтеобразования может рассматриваться число нефтегазоносных бассейнов, на территории которых обнаруживаются залежи нефтей различного геологического возраста. В табл. 1 приведено распределение нефтегазоносных бассейнов (ИГБ) мира по стратиграфическим подразделениям фанерозоя на основе анализа информации о свойствах нефтей из БД Института химии нефти СО РАИ [5].

Как можно видеть на рис. 2, временные изменения количества ИГБ в разных стратиграфических подразделениях проявляют циклический характер с максимумами в ордовике, карбоне и меле, которые соответствуют максимумам массы УВ-оболочки (см. рис. 1). При этом график данных изменений достаточно хорошо согласуется с изменениями во времени запасов нефтей, что подтверждает достоверность информации в БД Института химии нефти и возможность ее использования для анализа взаимосвязи процесса нефте-накопления и этапов эволюции биосферы.

Таблица 1

Распределение нефтегазоносных бассейнов и месторождений по стратиграфическим подразделениям

Геологическая эра Стратиграфическая система Обозначение Общий объем выборки в БД Число месторождений Число бассейнов

Палеозой Кембрийская E 286 100 12

Ордовикская O 106 82 16

Силурийская S 58 49 11

Девонская D 1144 423 26

Каменноугольная C 2600 755 40

Пермская P 797 343 26

Мезозой Триасовая Tr 414 158 38

Юрская j 2822 802 60

Меловая K 3142 867 74

Кайнозой Палеогеновая Pg 1403 497 61

Неогеновая Ng1 1666 643 69

Анализ пространственного распределения фанерозойских нефтей по данным табл. 1 показал значительные географические различия в их размещении. Кайнозойские нефти располагаются в основном в северной Африке и южной Евразии, мезозойские - в Евразии, Америке и северной Африке, палеозойские - в Северной Америке и северной Евразии. В 28 НГБ (6% от общего их числа) нефти залегают одновременно во всех отложениях. Самые крупные из них - Амударьинский, Афгано-Таджикский, Баринас-Апуре (Южная Америка), Волго-Уральский, Грин-Ривер (Северная Америка), Западно-Сибирский, Карпатский, Лено-Тунгусский, Маракаибский (Южная Америка), Охотский, Персидского залива, Прикаспийский, Сахаро-Ливийский, Северо-Кавказский, Суэцкого залива, Таримский (Китай), Центрально-Европейский и Южно-Каспийский.

Взаимосвязь изменений биоразнообразия,

массы углерод-водородной оболочки и разведанных запасов нефти

«Глобальное лето» в рактеризуется максимальными эпохам максимальной скорости распада суперконтинентов [4]. Зоны распада континентов хорошо прогревались глубинным теплом, и здесь активно развивалась жизнь. Систематическая смена географического положения континентов ставила их в различные климатические условия и способствовала эволюции живых организмов. В связи с вышеизложенным представляет интерес изучение взаимосвязи изменений биологического разнообразия в фа-нерозое и циклических изменений массы УВ-оболочки как основного фактора нефтеобра-зования и разведанных запасов нефти как количественного показателя нефтенакопления.

По данным [2], число видов организмов в истории Земли в среднем оценивается в 400-500 млн. При этом считается, что в настоящее время на Земле могут существовать не менее 10-35 млн видов растений, животных и микроорганизмов, хотя научно описано около 1,8 млн видов. Ввиду отсутствия количественных оценок планетарного биоразнообразия в фанерозой-ской истории Земли в качестве

ордовике, карбоне и меле, как можно видеть на рис. 1, ха-значениями уровня Мирового океана, что соответствует

Рис. 3. Изменения родового разнообразия морских животных и массы углерод-водородной оболочки Земли

а ...

- ¿и«

О Каледонский Гсрцинский ЦИКЛ А Альпийский _

* 180 цикл /\\ ЦИКЛ 35 7

1 160 £

&

Е | 120 25 Ъ я

1 100 2*1

£ Л

1 80 151

10 £

О 40 Z £

20 - 5 I я

0 —ж— т 1 "* 1 1 1 1111 о 5

V сое Р С Р Тг 3 К Ре N8 а.

( фатнграфические системы

-А-Число вс я пнувших ролов

Ра желанные и шлекасмые ыпасм нефти, млн т

Рис. 4. Изменения родового разнообразия морских животных и объемов запасов нефти

показателя биоразнообразия для проведения анализа указанных взаимосвязей использовали число родов морских животных, изменения которого изучали по палеонтологической летописи морских животных, представленной в БД Дж.Сепкоски [3, 7].

На графиках (рис. 3 и 4) видны рост родового разнообразия морских животных в ордовике (появилось много новых классов животных, освоены новые места обитания) и карбоне, глубокий спад в силуре и триасе и вновь рост в меловой системе и кайнозое. Характер изменения общего количества родов морских животных (см. рис. 3) позволяет подразделить фанерозойскую историю морской биоты на отчетливые периоды с выраженным ростом количества родов в ордовикской, каменноугольной и меловой системах, совпадающие по времени с серединами геотектонических циклов (каледонским, герцинским и альпийским). Спады в численности родов морских животных (см. рис. 3) совпадают с переходными периодами на границах геотектонических циклов, а именно между байкальским и каледонским циклами в интервале времени венд-кембрий, между каледонским и герцинским циклами в интервале силур-девон и между герцинским и альпийским циклами в триасе.

Аналогичную закономерность проявляет и динамика вымирания морской биоты (рис. 4) с выраженными периодами крупных вымираний родов морских животных, совпадающими по времени с серединами геотектонических циклов. Такие периоды, во время которых происходили изменения направления развития биосферы, сопровождавшиеся вспышками видообразования, принято рассматривать как экологические катастрофы. Судя по графикам на рис. 3 и 4, такими катастрофическими периодами в полной мере являются ордовик, в котором наблюдаются всплеск родового разнообразия и массовое вымирание родов морских животных (ордовикская радиация), карбон и мел.

Известно, что в эти периоды фанерозоя происходили наиболее значительные изменения в биологическом разнообразии: в ордовике - экспансия водорослей и быстрое распространение беспозвоночных с твердым скелетом, в карбоне - экспансия наземной растительности, в юрском и меловом периодах - расцвет и экспансия теплолюбивых растений, заселение континентов животными. Тогда же осадочная оболочка Земли интенсивно обогащается мертвой органикой, следовательно, прогрессирует рост массы УВ-оболочки, наблюдающийся в ордовике, карбоне и меловой системе (см. рис. 3). Обращает на себя внимание временной ход изменения разведанных запасов нефти, который показывает, что их рост (рис. 4), как и увеличение массы УВ-оболочки, наблюдается в ордовике, карбоне и меле.

Таким образом, рассмотренные выше фанерозойские показатели изменения числа существовавших и вымерших родов морских животных, массы углерод-водородной оболочки, разведанных запасов нефти и количества нефтегазоносных бассейнов проявляют циклический характер с периодами роста в середине геотектонических циклов и падения на границах последних. Такая скоррелированность во времени изменений количественных показателей разнородных геосферно-биосферных процессов подтверждается высокими значениями коэффициентов парной корреляции (табл. 2). Заметим, что высокая степень

Таблица 2

Коэффициенты корреляции геосферно-биосферных показателей

Показатель Запасы нефти [1] Масса УВ-оболочки по [4, 6] Число родов морских животных [3, 7] Число вымерших родов морских животных [3, 7]

Масса УВ-оболочки по [4, 6] Число родов морских животных [3, 7] Число вымерших родов морских животных [3, 7] Число нефтегазоносных бассейнов 0,76 0,57 0,40 0,84 0,56 0,82 0,73 0,56 0,77 0,89

корреляции (0,73) изменений количества НГБ и запасов нефти является еще одним подтверждением репрезентативности информации БД Института химии нефти СО РАН, использованной нами в статистическом анализе.

Достаточно высокая корреляция (0,76) между изменениями объема разведанных запасов нефти как показателя нефтенакопления и массы УВ-оболочки как показателя нефте-образования является подтверждением установленной выше (путем сравнения графиков на рис. 3 и 4) взаимосвязи между этими процессами. Следовательно, хотя процессы не-фтеобразования и нефтенакопления разнесены во времени и пространстве, их циклические изменения обнаруживают достаточно высокую степень согласованности во времени. Этот факт может иметь следующее объяснение. Принято полагать, что из нефтематеринских отложений с органическим веществом биоты в зонах нефтеобразования нефть мигрирует в коллекторы в вертикальном и горизонтальном направлениях и накапливается в структурах с покрышками, препятствующими миграции. Статистически установленная скоррелированность циклических процессов нефтеобразования и нефтенакопления означает, что на протяжении длительных временных интервалов процессы накопления нефти в нефтегазоносных бассейнах в среднем преобладают над процессами ее миграции. Полученные в настоящей работе результаты не означают, что следует ставить знак равенства между процессами нефтеобразования и нефтенакопления. Мы говорим лишь о схожести характера их временных циклических изменений, обусловленных общими палеоклимати-ческими и геотектоническими факторами.

Сравнение графиков временных изменений массы УВ-оболочки и запасов нефти выявляет существенную деталь: если максимальные значения массы УВ-оболочки в разных циклах различаются незначительно, то для графика запасов нефти эти различия очень велики. Так, альпийский максимум отличается от герцинского для массы УВ-оболочки приблизительно на 25%, а для запасов нефти - приблизительно в 10 раз. Такое различие характера сравниваемых циклических процессов можно объяснить возрастающим влиянием миграции на процесс нефтенакопления с увеличением возраста нефтеносных отложений.

Высокий коэффициент корреляции (0,82) между числом существовавших и вымерших родов животных можно объяснить влиянием глобальных экологических катастрофических явлений в биосфере на структурную перестройку биоразнообразия в серединах геотектонических циклов. Как видно из рис. 3 и 4, рост интенсивности нефтеобразования и нефтенакопления в фанерозое, как и рост количества родов морских животных, наиболее отчетливо проявляется в периоды, совпадающие с серединами геотектонических циклов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вышемирский В.С., Конторович А.Э. Циклический характер нефтенакопления в истории Земли // Геология и геофизика. 1997. Т. 38, № 5. С. 907-918.

2. Лебедева Н.В., Дроздов Н.Н., Криволуцкий Д.А. Биологическое разнообразие. М.: ВЛАДОС, 2004. 432 с.

3. Марков А.В., Коротаев А.В. Динамика разнообразия фанерозойских морских животных соответствует модели гиперболического роста // Журн. общ. биологии. 2007. № 1. С. 1-12.

4. Молчанов В.И., Параев В.В. Переломные рубежи в истории развития земного вещества и определяющие их геобиологические факторы // Вестн. Отд-ния наук о Земле РАН. 2003. № 1 (21). - http: //www.scgis.ru/russian/ cp1251/h_dgggms/1-2003/scpub-1.pdf

5. Полищук Ю.М., Ященко И.Г. Физико-химические свойства нефтей: статистический анализ пространственных и временных изменений. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2004. 109 с.

6. Трофимук А. А., Молчанов В.И., Параев В.В. Биогенный кислород атмосферы - эквивалент углеводородной оболочки во взаимодействии внешних геосфер // Вестн. Отд-ния наук о Земле РАН. 2000. № 3 (13). - http://www. scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/3-2000/trophimuk.htm#begin

7. Sepkoski J.J. Limits to randomness in paleobiologic models: the case of Phanerozoic species diversity // Acta palaeontol. polon. 1994. Vol. 38, N 3/4. Р. 175-198.