Почему углеводороды светятся в ультрафиолете?

Фото из ТомскНИПИнеть

Недавно меня об этом спросили студенты. Я уже привык, что за годы преподавания меня нельзя поставить в тупик никаким вопросом, а тут это случилось - вот как-то никогда не задумывалсь почему они светятся.

Сам процесс свечения называется "люминесценциией".

Углеводороды (как и некоторые другие вещества) под воздействием УФ-излучения поглощают энергию, которая вызывает в них переход электронов на более высокие энергетические уровни с последующим излучением квантов света в видимой части спектра.

При этом часть энергии рассеивается за счёт безызлучательных процессов - колебательная релаксация, тепловое рассеяние и др.

Что светится:

Ароматические УВ обладают наибольшей способностью к люминесценции, но светятся преимущественно в УФ-диапазоне
Полициклические ароматические соединения (ПАУ) и смолисто-асфальтеновые компоненты обеспечивают свечение в видимой области
Порфирины характеризуются излучением в красной части спектра
Нафтеновые и метановые УВ, как правило, не люминесцируют

Теперь давайте разделим два вида анализа:

1. Анализ фотографий керна в УФ-свете

Здесь надо понимать, что углеводороды в керне содержат в себе целый набор разных соединений (грубо говоря - от газа до битумов) и этот "коктейль" на разных объектах разный (так я недавно узнал, что нефть с некоторых месторождений РФ стоит больше 200$ за баррель).

Кроме этого, сам процесс фотографирования предусматривает:

использование разных типов ультрафиолетовых ламп (на моем опыте в одной лаборатории выдают 3 типа свечения)
разных фильтров для фотоаппарата (да и некоторые фотоаппараты видят часть УФ-спектра - а именно в нем светятся ароматические УВ)
плюс цветопередача

То есть то что мы видим на фотографии это не именно те цвета, которыми светятся УВ на самом деле.

В свое время обсуждал вопрос типизации флюида от цвета свечения в ультрафиолете по фотографиям колонки керна: цвет очень сильно зависит от состояния самого керна (срок хранения, условия хранения, воздействия температур и т.д.) и типизировать по всем скважинам достоверно не получится.

На моей практике - то что я сам видел:

нефть светится голубым, зеленым и бежевыми цветами
газ не светится (по крайней мере в ачимовке и покуре)
проникший фильтрат бурового раствора может светиться голубим
карбонаты могут святиться голубим, красным и желтым
битумы Восточной Сибири не светятся (в этом случае, битум - это то что не течет, но что такое битум на самом деле - вопрос)
свечения в бажене я не видел (но это было давно, может сейчас керн другой стал, давно с ним не работаю), но там тоже не битум, а кероген с битумом
со временем свечение керна исчезает - исторический керн не светится в УФ-свете

2. Люминесцентно-битуминозный анализа (например, шлама)

Люминесцентно-битуминологический анализ (ЛБА) – это полуколичественный метод определения содержания в горной породе битуминозных веществ, основанный на зависимости, существующей между количеством и составом битуминозных веществ и цветом и интенсивностью их люминесценции.

Сам не занимался, только видел результаты. Поэтому информация из методички):

основная часть нефтей: метановые, нафтеновые УВ не
люминесцируют в видимой части спектра
для высших нафтенов (пять, шесть и более циклов в молекуле) можно ожидать свечения в сине-фиолетовой части спектра
ароматические УВ способны люминесцировать, но главным образом в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, и лишь
наличие в составе нефтей и битумов полициклической конденсированной ароматики может быть причиной слабого свечения в фиолетовой части спектра
кислородные и сернистые соединения нефтей и битумов либо не обладают способностью люминесцировать, либо их люминесценция приходится на УФ диапазон
сложные азотосодержащие структуры нефти и битумов люминесцируют по всему видимому диапазону спектра, в частности, можно отметить, что порфирины светятся в красном диапазоне и близких к нему цветах
также люминесцируют в видимой части спектра смолисто-асфальтеновые компоненты - именно они обеспечивают основную долю люминесценции нефтей и природных битумов

Вывод

Таким образом, углеводороды светятся в УФ-свете из-за перехода электронов на высокие энергетические уровни с последующим излучением части энергии в видимом диапазоне. Интенсивность и цвет свечения зависят от их молекулярной структуры (ароматические кольца, смолы, порфирины), условий хранения образца и параметров съёмки, что затрудняет однозначную интерпретацию результатов для фотографий полноразмерного керна.