Геохимия углеводородов изучает происхождение, распределение, миграцию и преобразование органического вещества в земной коре, ведущие к образованию нефти, природного газа и битумов. Основу предмета составляет анализ химического состава органических соединений, их взаимодействия с минералами, водными и газовыми фазами в различных термодинамических условиях. Особое внимание уделяется преобразованиям органического вещества (ОВ) в процессе седиментации, диагенеза, катагенеза и метагенеза.
Основным источником углеводородов является органическое вещество биогенного происхождения, формирующееся в результате накопления остатков живых организмов в осадках. Наиболее существенный вклад вносят фитопланктон, бактерии и детрит растительного происхождения. В процессе разложения под действием анаэробных микроорганизмов образуются биополимеры, липиды, белки, углеводы, которые постепенно превращаются в кероген — исходное вещество нефтегазового генерационного потенциала.
Химический состав керогена определяется типом исходного биоматериала и условиями осадконакопления. Различают три основных типа керогена:
Процесс формирования углеводородов протекает в несколько стадий.
Эти стадии сопровождаются постепенным уменьшением отношения H/C, увеличением степени ароматичности и снижением содержания кислорода и азота в органическом веществе.
Для определения степени преобразования органического вещества применяются геохимические индикаторы, основанные на изменении его элементного и изотопного состава.
Образовавшиеся углеводороды подчиняются процессам первичной и вторичной миграции.
Химические взаимодействия между мигрирующими углеводородами и минералами вмещающих пород (кварц, глины, карбонаты) влияют на состав нефти, изменяя её плотность, соотношение смолисто-асфальтеновых фракций и стабильность.
Процессы генерации углеводородов связаны с деструкцией макромолекулярных структур керогена, включающих функциональные группы — карбоксильные, гидроксильные, карбонильные. В условиях термокаталитического воздействия происходит их разрыв и рекомбинация с образованием углеводородных цепей и циклов. Ключевую роль играют каталитические реакции, обусловленные присутствием минеральных фаз (глинистые минералы, пирит, цеолиты), способствующих гидрогенизации и изомеризации.
Важным аспектом является распределение углеводородов по глубине и геотермическому градиенту. В верхних слоях (до 1,5 км) преобладают битумы и тяжёлые нефти, в интервале 1,5–3,5 км — жидкие нефти средней плотности, при более глубоких уровнях — газоконденсатные системы. Этот переход отражает последовательное термодинамическое равновесие углеводородных фаз.
Химический состав нефтей варьирует в зависимости от источника и стадии эволюции. Основные классы соединений:
Для природных газов характерно преобладание метана (до 98 %), однако присутствуют этан, пропан, бутаны, а также гелий, азот и диоксид углерода. Изотопный анализ газов позволяет различать биотический и абиотический генезис метана, а также термогенные и микробиальные процессы.
Современные методы анализа включают:
Комплексное применение этих методов позволяет моделировать термохимическую историю бассейнов, оценивать зрелость источниковых толщ и прогнозировать перспективные зоны нефтегазонакопления.
Развитие углеводородных систем в геологическом времени определяется сочетанием факторов — термобарических, тектонических, литологических и гидрогеохимических. Взаимодействие углеводородов с водами и минералами вызывает процессы окисления, дегидрогенизации, серо- и азотсодержащей ассимиляции, что ведёт к изменению химического состава нефти в ходе её «старения».
Особое значение имеют вторичные геохимические процессы — биодеградация, водно-нефтяное взаимодействие, десульфуризация. Они формируют тяжёлые деградированные нефти, битумы и асфальтиты, часто ассоциированные с поверхностными выходами.
Углеводороды являются не только источником энергетического и химического сырья, но и важным геохимическим индикатором процессов, происходящих в земной коре. Их распределение отражает закономерности органического круговорота, термодинамическое состояние литосферы и взаимодействие биосферы с геосферами. Изучение геохимии углеводородов позволяет реконструировать древние осадочные бассейны, оценивать тектоническую историю регионов и выявлять глубинные потоки вещества в планетарном масштабе.