Исследование процесса формирования каустобиолитов на стадии диагенеза

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Северо-Западная академия государственной службы

Исследование процесса формирования каустобиолитов на стадии диагенеза

Алесковский В. В.

Устойчивое развитие современного промышленного и сельскохозяйственного производства чрезвычайно трудно представить себе без использования нефти, газа, угля и других горючих ископаемых органического происхождения, объединенных под общим названием каустобиолиты.

Большинство каустобиолитов являются источником тепловой и электрической энергии, а продукты их переработки ценным химическим сырьем. Однако, несмотря на значительные успехи, достигнутые в области химии и технологии горючих ископаемых наши представления об их химической структуре и происхождении, остаются весьма туманными. Так, например, отсутствует научно обоснованная, достоверная и убедительная схема их диагенетической трансформации и так далее.

Настоящая работа представляет собой попытку рассмотреть с позиции системного подхода и неравновесной термодинамики основные, самые общие закономерности образования каустобиолитов на стадии диагенеза.

Анализ имеющихся данных в области исследования процессов формирования горючих ископаемых позволяет с большой долей достоверности предположить, что в результате развития биогеоценоза первоначально происходило накопление некоторого количества органоминеральных отложений, представляющих собой механическую смесь ингредиентов растительного, животного и микробного происхождения.

Произвольно ограничим какую-либо часть исследуемого объекта воображаемой поверхностью. Данная операция, в терминах системного подхода, обозначается как «отрыв системы». Условимся называть полученный макрообъем (Vsi) термодинамической системой или системой ингредиентов.

Следствием неоднородности, первоначально выделенной системы, является развитие в макрообъеме (Vsi) градиентов концентрации, температуры, окислительно-восстановительного потенциала, других параметров, а затем возникновение потоков вещества и энергии, связывающих отдельные части системы, то есть ингредиенты. Однако в отсутствии внешних воздействий в макрообъеме (Vsi) через определенный промежуток времени в соответствии со вторым законом термодинамики должно установиться динамическое равновесие.

Твердые ингредиенты могут быть различны по форме и геометрическим размерам. К макроингредиентам, по всей видимости, следует отнести отмершие организмы, их части, органы, скопления продуктов жизнедеятельности, обломки минеральных пород и другие элементы, имеющие макроскопические размеры. К микроингредиентам -- отдельные биологические клетки, мелкодисперсные частицы минеральных веществ и тому подобные элементы. Промежутки между твердыми ингредиентами могут быть заполнены газообразным либо жидким веществом, что в значительной мере облегчает процессы переноса.

Поскольку макросостояние системы ингредиентов определяется совокупность всех возможных микросостояний, реализующихся в заданном интервале энергий, представляется целесообразным разделить сложный объект (Vsi) на более простые, поддающиеся изучению составляющие: систему молекул или ингредиент и систему атомов или молекулу.

Под ингредиентом в дальнейшем подразумевается некоторый объем твердого вещества (Vsm), обособленный от внешней среды поверхностью раздела фаз. Отдельные элементы системы (Vsm) -- молекулы, соединены между собой с помощью водородных, донорно-акцепторных, мостиковых связей, вандер-ваальсовых сил, других видов межмолекулярного взаимодействия.

Последовательность атомов определенную в пространстве ковалентными, ионными или координационными связями будем далее рассматривать как систему атомов, занимающую объем (Vsa). Первоначально выделенный объем (Vsi) содержит множество микросистем (Vsa), отличающихся между собой составом, структурой и молекулярной массой. Это молекулы углеводов, белков, нуклеиновых кислот, липидов, гидрокидов и оксидов, молекулы других органических или минеральных соединений.

Количественное соотношение между удельными концентрациями систем атомов (Vsa) зависит от структуры биогеоценоза, где идет первоначальное накопление органо-минеральных отложений и колеблется в широких пределах. Последняя характеристика и детерминирует направление развития во времени системы ингредиентов (Vsi), задавая ее конечную структуру. Принято считать, что при формировании гумалитов ведущую роль играли углеводы клетчатки и ароматические соединения лигнина, входящие в состав высших растений, тогда как при формировании сапропелей ведущую роль играли липиды, а также белки - основные компоненты низших растений и микроорганизмов.

Важнейшей предпосылкой для формирования каустобиолитов служит наличие в системе ингредиентов (Vsi) на молекулярном уровне лабильных элементов, неустойчивых в локальных условиях биосферы. К их числу, прежде всего, следует отнести молекулы биополимеров, образующихся в живых организмах в результате протекания сильно неравновесных процессов и обладающих по этой причине избыточной внутренней энергией. Вследствие этого минимальное значение внутренней энергии системы ингредиентов (Vsi), если она близка либо находится в состоянии равновесия, лежит выше основного минимума, определяющего ее более устойчивое состояние.

Таким образом, рассматриваемая система (Vsi) находится в относительно устойчивом -- метастабильном состоянии, из которого может достаточно легко выйти под действием внешних факторов. Поэтому «основная цель» -- тенденция развития системы ингредиентов (Vsi), заключается в том, чтобы в процессе частичной либо полной перестройки структуры приобрести в локальных условиях биосферы устойчивое состояние. Под термином «локальные условия» в данном случае понимается совокупность множества физических, химических и биологических факторов окружающей среды, оказывающих систематическое воздействие на макрообъем (Vsi) извне. К ним можно отнести аэрацию, влажность, кислотность среды, температуру, давление, наличие органических и неорганических катализаторов и многое другое. Между численными значениями отдельных факторов внешней среды существует сложная функциональная зависимость, выражающаяся в обратной связи. Так биологическая активность среды зависит от температуры, значений pH и eH, концентрации кислорода и воды. В то же время сами значения pH и eH зависят от биологической активности среды.

Основное влияние на состояние системы ингредиентов (Vsi) оказывают: аэрация, влажность и биологическая активность среды. Эти три фактора непосредственно связаны с такими параметрами системы как температура, концентрация кислорода и воды.

При сильной аэрации и достаточно большой влажности происходит процесс тления. При умеренной аэрации и увлажненности среды образуются гуминовые кислоты (оторфление, гумификация, мумификация). И, наконец, сильное увлажнение, и недостаток кислорода способствуют развитию гниения. Однако почти всегда перечисленные процессы протекают одновременно. Какое конкретно направление диагенеза будет доминировать над остальными, зависит, во-первых, от количественного соотношения удельных концентраций микрокомпонентов (молекул) и, во-вторых, от вариации трех основных факторов, влияющих на макрообъем (Vsi) извне. В совокупности первое и второе выступают в качестве необходимости, которая выражает основную закономерную тенденцию развития системы ингредиентов. В роли случайности при этом выступают плотность, теплоемкость, объем, другие параметры системы (Vsi), а также значение pH и eH, давление, температура и другие, биотические и абиотические факторы окружающей среды, вариация значений которых порождает огромное разнообразие каустобиолитов.

Если воздействие, направленное из окружающей среды на систему ингредиентов находящуюся в метастабильном состоянии, оказывается достаточно сильным, то флуктуации структуры увеличиваются настолько, что в макрообъеме (Vsi) начинают протекать необратимые процессы и возникают макроскопические потоки. Включается механизм обратной связи, выявленный для сложных термодинамических систем И. Пригожиным. Благодаря этому система все больше и больше отклоняется от первоначального состояния.

Рассмотрим более подробно процессы, приводящие к динамическим изменениям внутренней структуры системы ингредиентов в аэробных условиях окружающей среды. Эти изменения связаны с протеканием двух сложных процессов: деструкции и структурирования, представляющих собой совокупность большого количества параллельных и последовательных реакций. каустобиолит диагенез аэрация

Что касается деструкции, то в естественных условиях она может протекать под действием света (фотодеструкция), тепла (термодеструкция), физических излучений энергии (радиационная деструкция), химических веществ различной природы (химическая деструкция), живых организмов (биодеструкция).

Наибольшее значение для генезиса каустобиолитов имеют процессы биологической и химической деструкции. Их можно подразделить на гидролитическую и окислительную деструкцию. Интенсивность биологической деструкции прямо пропорциональна биологической активности окружающей среды, то есть количеству живых организмов, в основном, микроорганизмов, содержащихся в единице объема рассматриваемой среды.

Процесс биологической деструкции на уровне системы атомов (Vsa) начинается с гидролитического расщепления гетероцепочных биологических полимеров. Реакция катализируется гидролазами, секретируемыми микроорганизмами. В результате образуется смесь мономеров и олигомеров различной молекулярной массы, которая активно подвергается биологическому окислению. Конечными продуктами биологической деструкции являются диоксид углерода, вода, а также низкомолекулярные соединения нейтрального и кислого характера. Последние катализируют реакцию химического гидролиза.

Одна, меньшая часть энергии, высвободившейся в процессе биологического окисления, используется для поддержания жизнедеятельности организмов, а другая большая часть в результате непрерывной ее диссипации попадает в окружающую среду. Рассеявшейся таким образом тепловой энергии, по всей видимости, достаточно для активации в локальных объемах (Vsa) автокаталитического радикально-цепного окисления. Такого рода химические реакции обыкновенно сопровождаются значительным тепловым эффектом.

Суммируя сказанное можно прийти к следующему заключению:

процесс деструкции исходных органоминеральных отложений является, необратим и неравновесным процессом;

данный процесс состоит из биологической и химической стадий;

каждая стадия включает в себя множество гидролитических и окислительных реакций.

Деструкция связана с разрушением значительного количества молекул (Vsa) по наиболее «слабым» химическим связям. В макромолекулах биополимеров происходит перераспределение электронной плотности, что приводит к краху системы межмолекулярных связей. Твердые ингредиенты (Vsm) теряют свою механическую прочность и постепенно начинают деградировать в бесструктурную массу.

В окружающую среду выделяются потоки вещества в виде газообразных и жидких продуктов деструкции и тепловой энергии, которая частично аккумулируется системой ингредиентов на уровне микрообъемов (Vsa). При этом в зависимости от параметров состояния системы ингредиентов, например плотности и массы, наблюдается ее локальный на уровне (Vsm), (Vsa) или общий на уровне (Vsi) разогрев. В таких условиях интенсифицируется структурирование, включающее группу реакций конденсации, полимеризации, поперечной сшивки молекул и так далее. Механизм процесса структурирования весьма сложен и в настоящее время еще недостаточно изучен. В результате структурирования на молекулярном уровне (Vsa) формируются новые термодинамически устойчивые соединения, в частности гуминовые (гумусовые) кислоты, стабилизирующие всю систему ингредиентов (Vsi).

Процессы деструкции и структурирования протекают в макрообъеме (Vsi) параллельно, конкурируя друг с другом. Иными словами, если структурный элемент системы ингредиентов, находящийся на любом уровне сложности, не успевает перейти в термодинамически устойчивое состояние, то он разрушается. В связи с этим характер превращений вещества в системе определяется соотношением скоростей деструкции и структурирования. Скорость деструкции значительно возрастает с увеличением концентрации кислорода и повышением температуры. При тлении в условиях сильной аэрации скорость деструкции значительно превышает скорость структурирования. В результате лишь самые устойчивые элементы системы ингредиентов, перестроив свою молекулярную структуру, не подвергаются полному разрушению. При этом система (Vsi) сильно уменьшается в объеме. Таким путем в природе образуются липтобиолиты, например, янтарь, фихтелит, копалы.

Умеренная аэрация среды создает условия для образования гуминовых (гумусовых) кислот. При оторфлении, гумификации, компостировании либо мумификации (образование мумие) скорости процессов деструкции и структурирования более «сбалансированы». Из системы ингредиентов удаляются наиболее лабильные элементы. Параллельно происходит процесс накопления новых молекулярных структур в виде гуминовых (гумусовых) кислот. Это термодинамически устойчивые соединения, в состав которых входит система полисопряжения (до трех конденсированных ароматических ядер). Делокализация электронов по цепи сопряжения сопровождается уменьшением внутренней энергии в объеме (Vsa). Общая энтропия системы ингредиентов, по всей видимости, также снижается вследствие образования в локальном объеме (Vsa) отдельных областей упорядоченности. Данный тип упорядоченности практически не требует постоянной энергетической подпитки из окружающей среды и может существовать в равновесных системах.

Несмотря на то, что деструкция и структурирование протекает параллельно, они, в то же время, являются последовательно-сопряженными процессами, причем, их отдельные стадии имеют автокаталитический или самосопряженный характер. Так, гидролитическое расщепление сопровождается выделением протона, ускоряющего данную реакцию. При радикально-цепном окислении одним из продуктов реакции является гидропероксид, который распадается с образованием свободных радикалов, инициирующих новые цепи. Можно также предположить, что в реакциях структурирования в качестве катализатора принимают участие молекулы с системой полисопряжения -- гуминовые (гумусовые) кислоты.

Процессы биологической и химической деструкции сопряжены между собой, а также с процессом структурирования за счет конечных продуктов и выделяемого тепла. Поэтому процесс формирование каустобиолитов на стадии диагенеза носит необратимый и неравновесный характер.

Очевидно, что скорость развития любого сопряженного или самосопряженного процесса незначительна в начальный период времени. Однако по мере накопления исходного вещества она возрастает, а затем снова уменьшается вследствие израсходования исходного продукта, то есть имеет колебательный характер. Аналогичным образом изменяется интенсивность диссипации системы ингредиентов. Благодаря этому, рассматриваемая система в конечном итоге переходит в стационарное или равновесное состояние. В макрообъеме (Vsi) постепенно затухают любые флуктуации, структура ингредиентов стабилизируется во времени, стадия диагенеза заканчивается.

Таким образом, развитие системы ингредиентов во времени обусловлено ее внутренней неустойчивостью и происходит под воздействием окружающей среды через ряд последовательно сменяющих друг друга состояний, характеризующихся различной интенсивностью энергетической диссипации, за счет деструкции и структурирования вещества, аккумуляции и рассеивания энергии к асимптотически устойчивому или равновесному состоянию и структурной организации, обладающей новыми свойствами.

Размещено на Allbest.ru