Биосферная концепция нефтегазообразования и новая научная картина мира

regnum picture 1529760123938039 bigКак 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».

Владимир Вернадский. 1934

Владимир Вернадский. 1934

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

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».

Антонина Гусева

Иллюстрация: Oilmsu.ru

Антонина Гусева

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)

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

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

Категория: Эко энергетика
Опубликовано 24.06.2018 12:01
Просмотров: 239