Как создаются новые науки при решении сложных междисциплинарных проблем на примере Биосферной концепции нефтегазообразования
Доклад ведущего научного сотрудника Лаборатории газонефтеконденсатоотдачи пластов Института проблем нефти и газа РАН, кандидата физико-математических наук Азария Александровича Баренбаума «Решение междисциплинарных проблем на примере Биосферной концепции нефтегазообразования» на заседании секции «Дегазация Земли» Московского общества испытателей природы 20 февраля 2018 года в ИА REGNUM.
Введение
Так случилось, что последние 40 лет мне пришлось заниматься решением междисциплинарных проблем на стыке астрономии и геологии. Решение этих проблем потребовало привлечения знаний широкого круга наук: астрофизики, астрономии, геологии, геофизики, геохимии, планетологии и пр. Так что теперь, по своему опыту, могу сказать, что существуют некие общие правила решения междисциплинарных проблем. С этими правилами и хочу вас познакомить.
Прошу рассматривать моё сообщение как естественное стремление поделиться своим опытом решения междисциплинарных проблем на примере проблемы происхождения нефти и газа, поставленной более 200 лет назад. На сегодня я считаю эту проблему принципиально решенной, что удалось сделать с позиций новой науки — биосферной концепции нефтегазообразования.
Преамбулой доклада хочу взять слова Владимира Ивановича Вернадского, на которого буду часто ссылаться. Вот эти слова:
«Мы специализируемся не на науках, а на проблемах. Эти проблемы не укладываются в рамки одной определенной, развитой области Науки».
Что касается первой части этой фразы, то с ней все, наверное, согласны. Второе утверждение В.И. Вернадского требует пояснения. Суть его в том, что если проблема охватывает области знания, очень далекие по истории развития, системам понятий, методам исследований и так далее, то, как правило, решение таких проблем необходимо приводит к рождению новой науки.
Как создаются новые науки — именно об этом я хочу рассказать на примере биосферной концепции нефтегазообразования.
Первые два раздела моего выступления методологические, а дальше рассматриваются практические вопросы.
* * *
О двух способах построения научного знания
Вряд ли кто станет спорить, что в современной науке основным способом построения научного знания является гипотеза. Гипотезой я называю некоторое предположение, у которого отсутствует область определения, то есть не определены условия и границы его применения. Поясню свою мысль. Допустим, вам нужно объяснить какое-то явление или факт. Вы строите гипотезу или другими словами модель, с позиции которой пытаетесь это явление объяснить.
Обычно, особенно на первых порах, один и тот же факт или явление можно объяснить по-разному. В результате возникает не одна, а сразу несколько идей — гипотез. Вопрос состоит в том, какую из них выбрать?
В этом случае критерием правильности идеи служит её предсказательная сила: чем больше гипотеза предсказывает проверяемых следствий, тем больше шансов у неё оказаться правильной. Если такая лидирующая гипотеза находится, она потом, хотя и не сразу, берётся за основу построения соответствующей науки.
Этот путь хорош, когда надо объяснить какое-то одно явление, причем не очень сложное. Но часто бывает так, что фактов много, а гипотезы, которая могла бы охватить всё их многообразие, нет. В этих случаях применим подход, который был предложен Аристотелем, а затем развит Фрэнсисом Бэконом (1561−1626) и Исааком Ньютоном (1643−1727). Хорошо известно высказывание Ньютона: «Я гипотез не измышляю». Далее речь пойдет как раз об этом подходе.
Джеймс Торнхилл. Исаак Ньютон. 1712
Суть этого подхода состоит в том, что вы не строите гипотез, а делаете и проверяете некие утверждения. Делаются они следующим образом. Из всего многообразия фактов вы выбираете их некоторую часть — «генеральную совокупность». Далее предлагается обобщающее правило, которое Ньютон называл Принципом, и требуете, чтобы этот Принцип охватил всю совокупность фактов целиком.
В отличие от гипотезы, критерием правильности которой выступает её предсказательная сила, главным для Принципа является его полнота. Либо Принцип «чохом» объясняет все факты, на которых построен, либо он ошибочен. И тогда нужно построить новый Принцип, ограничив число фактов в его предметной области, либо перейти к другим фактам и другим идеям.
Этот подход работает тем лучше, чем больше разных фактов в процессе решения проблемы вы включаете в генеральную совокупность. Опыт показывает, что проблемы возникают всегда там, где в генеральной совокупности отсутствует какой-то принципиально важный элемент, без которого Принцип не может быть замкнут.
Это общая идеология. А теперь рассмотрим, как методологически решаются проблемы. И из каких стадий их решение состоит.
* * *
Основные стадии решения проблем
Можно выделить четыре обязательных стадии решения любой проблемы:
1. Осознание сути проблемы. Решение любой проблемы начинается с анализа имеющихся подходов и способов её решения. Целью анализа является выявление факторов, которые ранее не принимались во внимание, но должны быть учтены.
2. Формулировка решающего правила — Принципа. Это новая постановка задачи исследований, при которых неучтенным факторам отводится важная роль в решении проблемы.
3. Формализации проблемы. Это стадия построения теоретической модели. Френсис Бэкон говорил, что «в каждой науке столько науки, сколько в ней математики». Если у вас нет математической модели, которую потом можно как-то обсуждать и исследовать, то дальше гипотезы вы не продвинетесь.
4. Математическое моделирование. Это конечный этап исследования. Целью его является подтверждение Принципа. На этой стадии вы изучаете модель, на её основе теоретически объясняйте проблемные факты, и тем самым доказываете правильность своего решения проблемы.
Эффективность данного подхода проиллюстрируем на примере разработки Биосферной концепции нефтегазообразования — новой науки, которая позволяет принципиально решить проблему происхождения нефти и газа.
* * *
Новая постановка проблемы нефтегазообразования
Я не знаю, как и когда возникла бы эта наука в другой стране, в другое время, но в нашей стране она родилась именно так. Как вы знаете, в начале 1990-х годов Советский Союз перестал существовать. В результате ряд месторождений нефти и газа, находившихся до того в длительной эксплуатации, в течение несколько лет, пока решались вопросы собственности, не разрабатывались. На таких месторождениях, причем совершенно случайно и неожиданно, обнаружились неординарные явления, связанные с пополнением запасов углеводородов.
Первыми, кто правильно понял суть явления, были сотрудники Московского государственного университета: Борис Александрович Соколов (1930−2004), заведующий Кафедрой геологии и геохимии горючих ископаемых Геологического факультета МГУ, и сотрудник той же кафедры Антонина Николаевна Гусева (1918−2014). В 1993 году они выдвинули новую для нефтегазовой геологии революционную идею (см. «Месторождения нефти и газа не клады, а неиссякаемые источники»), заявив:
«Нефть и газ — это возобновляемые природные ископаемые и их освоение должно строиться исходя из научно обоснованного баланса объёмов генерации углеводородов и возможности отбора в процессе эксплуатации месторождений».
Тем самым, нефть и газ впервые были отнесены к неуничтожимым полезным ископаемым нашей планеты, пополняемым при эксплуатации месторождений. Более десяти лет эта идея остро дискутировалась на всех крупных конференциях и совещаниях, проходивших в нашей стране. Надо ли говорить, что она сразу же была встречена геологами-нефтяниками в штыки. Сначала говорили, что такого не может быть. Потом, что это объяснение ошибочно и вызвано неверным подсчетом запасов. Однако проблема в том-то и заключается, что новая нефтегазовая парадигма оказалась правильной.
Это было доказано в начале 2000-х годов на основе Биосферной концепции нефтегазообразования, которая адекватно объяснила образование на нашей планете нефти и газа с учетом хозяйственной деятельности людей. В создании Биосферной концепции можно выделить четыре стадии.
Стадия 1. Это осознание необходимости учета при образовании нефти и газа геохимического круговорота углерода. Ранее этот фактор в нефтегазовой геологии не принимали во внимание вообще. Благодаря Биосферной концепции, сегодня не подлежит сомнению, что без учета круговорота углерода в биосфере проблему происхождения нефти и газа на Земле не только нельзя адекватно решить, но и даже правильно поставить.
Стадия 2. Это новая постановка проблемы образования углеводородов, обеспечивающая баланс углерода (и не только) в круговороте через земную поверхность. Очевидно, что наряду с геологическими процессами необходимо учитывать и современные масштабы добычи и потребления нефти, газа и угля. После сжигания этих топлив входящий в их состав углерод превращается в СО2, поступает в атмосферу и вновь вовлекается в происходящий на Земле круговорот углерода.
Стадия 3. Разработка теоретической модели, способной учесть хозяйственную деятельность людей. Модель правильнее назвать феноменологической, поскольку приходится принять во внимание много других важных процессов и факторов, о которых скажу далее.
Стадия 4. Современная стадия, на которой в лабораторных условиях экспериментально воспроизведён естественный физико-химический механизм образования всех видов углеводородов из воды и углекислого газа. Заложен фундамент стратегии экологизации и технологической модернизации нефтегазовой отрасли на основе явления восстановления углеводородных месторождений и перспективы ускорения данных процессов, а также освоения экологически чистых природоподобных технологий получения синтетических углеводородов и водорода на основе энерговыгодных реакций.
* * *
Биосферная концепции как междисциплинарное направление в науке
Теперь конкретно о задачах, которые потребовалось решить при создании Биосферной концепции нефтегазообразования.
Что касается первой стадии — осознания сути проблемы, то следует иметь в виду, что за последние 100 лет проблема происхождения нефти и газа решалась в остром споре сторонников органической и неорганической гипотез образования углеводородов. Согласно «органикам», углеводороды образуются из останков отмерших организмов, погружающихся в осадочный чехол земной коры в процессах осадконакопления. Тогда как, следуя «неорганикам», углеводороды синтезируются в глубоких недрах Земли, откуда они поднимаются к поверхности, где и формируют скопления нефти и газа.
Тем самым, органики считают, что необходимые для образования нефти и газа вещества поступают в земную кору «сверху», а неорганики — «снизу». В результате разные специализирующиеся в газонефтяной геологии научные школы одни и те же факты объясняют по-разному. Если такое происходит, то следуя выводам известного историографа науки Томаса Куна (1922−1996), это означает, что наука, способная адекватно объяснить образование на нашей планете нефти и газа до сих пор отсутствует. Газонефтяная геология этой наукой не является.
Далее я буду доказывать «Принцип», что Биосферная концепция — это как раз та самая новая Наука, которая на современном уровне знания вполне адекватно решает проблему происхождения углеводородов. Принципиальной особенностью этой науки является то, что наряду с нефтегазообразованием в недрах она принимает во внимание происходящий на Земле круговорот вещества по В.И. Вернадскому.
Хотя я в первую очередь буду говорить об углероде, но все это будет также относиться к воде и кислороду, участвующим в круговороте.
На Рис. 1 схематично показано, как в начале 90-х годов геологи, а сегодня климатологи и биологи, представляют себе геохимический круговорот углерода на Земле. Это схема Виктора Петровича Гаврилова (1935−2016).
Рис. 1. Круговорот углерода на Земле по В.П. Гаврилову (1986)
Считается, что быстрый круговорот углерода в биосфере происходит лишь над земной поверхностью. Характерное время этого цикла ~103 лет. При этом малая часть углерода из биосферы поступает под земную поверхность, где участвует в двух литосферных циклах. Первый «быстрый» цикл литосферного круговорота — это обычные геологические процессы осадконакопления со скоростью порядка ~106 лет. С ним связывают образование нефти и газа «органики». Есть также «медленный» литосферный цикл — субдукция литосферных плит, в котором содержащее углерод вещество может погружаться глубоко в мантию Земли. Характерное время цикла ~109 лет. В принципе этот цикл может включать и момент образования Земли. Этим циклом объясняют образование нефти и газа уже «неорганики».
Первым, кто обратил внимание, что в этой системе что-то не так, был Георгий Иванович Войтов (1926−2003). В 1986 году он подсчитал количество углерода, которое погружается под земную поверхность, и количество углерода, которое поступает в атмосферу при дегазации недр. У него получилось, что вниз опускается ~3×1014 г углерода в год, который на две трети состоит из карбонатов и на одну треть — из биогенных останков. А на поверхность выносятся ~(1−5)x1015 г углерода в виде СН4 и ~1×1015 г в виде СО2.
Тем самым, под земную поверхность поступает окисленный углерод, а наверх поднимается преимущественно восстановленный. Поскольку оценки Г.И. Войтова были ориентировочными, то в те годы им не придали большого значения.
Ситуация радикально изменилась в начале 1990-х годов, когда проблемой круговорота углерода занялись климатологи в связи с Киотским протоколом. Климатологи начали считать баланс углерода в биосфере. При этом нисходящую ветвь круговорота углерода они не принимали во внимание (не умели считать). Зато точно учитывали сколько углерода в качестве топлив — в виде нефти, газа и угля — человечество сегодня ежегодно потребляет.
Но что такое потребление углеродных топлив? Согласно схеме круговорота на Рис. 2, это означает, что вследствие деятельности людей в восходящую ветвь круговорота добавляется углерод в виде нефти, газа и угля. Сжигая их на поверхности, человек превращает входящий в их состав углерод в СО2, который также включается в круговорот. Поэтому к природной эмиссии газов (Н2О, СО2, СН4 и др.) добавляется их техногенная или, как принято говорить, антропогенная составляющая, главными в которой являются углекислый газ (СО2) и метан (СН4). В результате, из недр на поверхность суммарно поступает ~1016 г углерода в год. При этом дисбаланс между восходящей и нисходящей ветвями круговорота углерода через земную поверхность возрастает приблизительно до 30 раз.
Очевидно, что углерод, который сжигается и попадает в атмосферу, должен потом из нее выводиться. Расчеты климатологов однако показывают, что около трети поступающего в атмосферу СО2 не удается теоретически «удалить» из атмосферы с помощью известных физических механизмов, таких как растворение в водах Мирового океана и поглощение растительностью, даже при самых оптимистичных предложениях. Так что Киотский протокол был принят «с дырой» в балансе углерода около 30%. На это обстоятельство первыми указали академик Кирилл Яковлевич Кондратьев (1920−2006) и доктор физико-математических наук Владимир Федорович Крапивин.
Проблему баланса углерода принципиально решила Биосферная концепция. В схему круговорота углерода были внесены три важных изменения (Рис. 2).
Рис. 2. Схема круговорота углерода в Биосферной концепции
Изменение 1. Биосферный цикл круговорота углерода опущен под земную поверхность. Теперь этот цикл охватывает как надземную, так и подземную части биосферы. Известно, что массы живого вещества над и под земной поверхностью соизмеримы. Это нововведение позволяет уровнять общие потоки углерода (пока без учета соотношения окисленных и восстановленных форм) на нисходящей и восходящей ветви круговорота (белые вертикальные стрелки).
Изменение 2. Введено понятие «геохимического барьера». Дело в том, что под земную поверхность поступает окисленный углерод — карбонаты и органическое вещество (CHО), а наверх поступает углерод преимущественно восстановленный. Поэтому под поверхностью должен существовать физико-химический механизм, эффективно превращающий окисленный углерод (СО2) в восстановленные углеводороды.
Подчеркнем, что в Биосферной концепции нет подразделения углерода на «биогенный» и «абиогенный». Есть только один углерод, который, участвуя при круговороте в химических реакциях восстановления-окисления, меняет «хозяина» и изотопный состав. Попавший в живые организмы — «биогенный» углерод, облегчается, а не попавший — «абиогенный», утяжеляется.
Изменение 3: Схема круговорота (Рис. 2) сможет работать только в случае, если система открыта, и в неё поступает вещество и энергия извне. В Биосферной концепции источником углерода в биосфере, согласно В.И. Вернадскому, является поступление углерода на Землю из космоса. Этот экзогенный источник показан на слайде фигурной стрелкой в левом верхнем углу.
Все три изменения схемы отражают предварительно решенные три крупные естественнонаучные проблемы, причем решенные согласованно. По важности и научной значимости каждая из этих проблем нисколько не уступает решению самой проблемы происхождения нефти и газа. Они условно названы проблемами «источника», «стока» и «обмена».
1. Проблема «источника» заключается в ответе на вопрос, откуда на земной поверхности берется подвижный углерод, вода, да и сама биосфера.
2. Проблема «стока» объясняет, каким образом надземный углерод быстро и глубоко переносится под земную поверхность.
3. Проблема «обмена» состоит в объяснении механизма, за счет которого поступающий с поверхности окисленный углерод в породах земной коры быстро восстанавливается до углеводородов, превращаясь в нефть и газ.
Приступим теперь к решению этих проблем в Биосферной концепции.
Продолжение следует…
Азарий Баренбаум
