pdf.php@id=6161.pdf
.pdfМ А Л Ы Й ЦИКЛ |
Б О Л Ь Ш О Й |
U И К Л |
(дни - ты с.лет) |
(м л н |
л е т ) |
Рис. 3.15. Основные циклы органического углерода на Земле (по Д. Вельте)
углерода для второго, глобального цикла, продолжительность которого — многие миллионы лет. Нефте- и газообразование — неотъемлемый элемент II цикла. Если преобразование углерода во втором цикле происходит на фоне длительного и устойчивого погружения, то УВ-флюиды — обязательный продукт промежу точной стадии глобального углеродного цикла.
----------- ГЛАВА 4 -----------
НЕФТЕГАЗОМАТЕРИНСКИЕ СВИТЫ И КОНЦЕПЦИИ НЕФТЕГАЗООБРАЗОВАНИЯ
4.1. ПОНЯТИЕ О НЕФТЕГАЗОМАТЕРИНСКОЙ СВИТЕ
Нефтегазообразование — сложная совокупность процессов, протекающих в недрах, т.е. эти процессы в природе наблюдаемы быть не могут. Видны лишь их фиксированные результаты, запе чатленные в некоторых естественных телах, как в пространстве, в котором эти процессы протекали. Естественным телом, где осу ществлялись (и при соответствующих условиях осуществляются и ныне) процессы нефтегазогенерации, является нефтегазомате ринская свита (НГМ-свита). Это понятие было введено в науку около 70 лет назад классиками геологии (Архангельский, 1927; Губкин, 1932; и др.). В ту пору методы органической геохимии только зарождались, и объекты, соответствующие этому поня тию, выделялись чисто геологическими методами, а главными их признаками были литологический состав и цвет. Такой первона чальный подход оказался верным, ибо содержал в себе и геологи ческую, и (в скрытом виде) геохимическую информацию, так как именно цвет является главной внешней геохимической характе ристикой любой осадочной породы и определяется, за редким исключением, соотношением концентрации ОВ и форм железа. В дальнейшем, на заре органической геохимии как науки, но уже при развитых химических методах исследования (40—45 лет назад), при обнаружении «повсюдности» УВ, т.е. при фиксации тех или иных их количеств в любой осадочной породе, понятие «нефтега зоматеринская свита» стало расплываться, терять свои очертания. Однако около 15 лет назад стало возможным вновь обратиться к этому понятию на новом уровне исследований. Значительность такого понятия непротиворечиво обосновывается с позиций уче ния о формациях как о парагенезах пород (по Н.С. Шатскому, Н.П. Хераскову и др.) в сочетании с иерархией (соподчинением) уровней организации вещества геологических объектов: атомы -» молекулы минералы -> породы формации -> парагенезис формаций -> субоболочки (геолинзы) -» оболочки (геосферы). В табл. 4.1 представлен иерархический принцип восходящей вет
172
ви онтогенеза УВ и их скоплений, место ГМ-свит на этой иерар хической лестнице. Атомному уровню отвечает дифференциация изотопов нефтегазообразующих элементов; молекулярному — образование радикалов, молекул УВ и родственных им веществ. «Минеральный» уровень в данном случае — само ОВ как поро дообразующий элемент более низкого уровня, входящий в объект более высокого уровня (породу); на этом уровне осуществляется обособление компонентов группового состава ОВ. На породном уровне реализуется отрыв от ОВ его подвижных компонентов, т.е. вступает в действие механизм эмиграции УВ и происходит образование микронефти. Превращение же микронефти в соб ственно нефть (макронефть), процессы миграции и аккумуляции нефти и газа происходят уже на формационном уровне, где осу ществляется дивергенция — подразделение формаций на нефте газогенерирующие (материнские) и нефтегазосодержащие (или потенциально нефтегазосодержащие, т.е. формации-резервуары). Пространственная совокупность НГМ-свит, находящихся в ГЗН, образует очаг нефтегазообразования (ОНГО), а пространственная совокупность нефтегазосодержащих горизонтов (залежей, место рождений) — зону нефтегазонакопления (ЗНГН). В свою очередь совокупность ОНГО и ЗНГН и образует нефтегазоносный бас сейн (НГБ) — объект субоболочечного (геолинзового) уровня, а совокупность НГБ соответствует так называемой УВ-сфере.
Итак, НГМ-свита — элементарный объект формационного уровня. И.О. Брод более 40 лет назад определял НГМ-свиту как
|
|
Таблица 4.1 |
|
Иерархический принцип онтогенеза (по Т.К. Баженовой) |
|||
Уровни организации вещества |
Соответствующие уровням |
||
геологических объектов |
тела и (или) явления |
||
Оболочечный (геосферный) |
УВ-сфера |
||
Субоболочечный (геолинзовый) |
НГБ (нефтегазоносный бассейн) |
||
Парагезенов формаций |
ОНГО {очаг |
ЗНГН (зона |
|
нефтегазообразования) |
нефтегазонакопления) |
||
|
|||
|
НГМ-свиты |
нефтегазосодержащие |
|
Формационный |
|
формации |
|
|
образование макронефти |
||
Породный |
образование макронефти |
||
первичная миграция (эмиграция) |
|||
|
|||
Минеральный |
формирование состава и свойств ОВ в целом |
||
Молекулярный |
образование УВ-радикалов и молекул |
||
|
дифференциация изотопов |
Атомный |
биогенного углерода |
|
173
формацию (Брод, Еременко, 1957). Поскольку всякая геологиче ская формация представляет собой парагенетическую ассоциа цию пород, постольку НГМ-свите (формации) можно дать сле дующее определение: НГМ-свита — парагенетическая ассоциация обогащенных автохтонным ОВ пород, рождающая в процесселитогене тической эволюции углеводороды, способные к аккумуляции.
Наряду с термином «нефтегазоматеринская свита» в лите ратуре нередко встречается термин «нефтематеринская свита» (НМ-свита). При этом имеется в виду, что данная свита может генерировать в жидкие и газообразные УВ; также используется термин «газоматеринская свита» (ГМ-свита), где способны ге нерироваться преимущественно газообразные УВ. Более общее понятие «нефтегазоматеринская свита» заменяется понятиями «потенциально нефтегазоматеринская свита», «нефтегазопроиз водящая свита», «нефтегазопроизводившая свита». Иногда они употребляются как синонимы, а иногда — как альтернативные друг другу. На самом же деле эти термины выражают понятия, характеризующие последовательные этапы эволюции рассматри ваемого природного объекта нефтегазоматеринской свиты.
Термин «потенциально нефтегазоматеринская свита» (ПНГМсвита) отвечает этапу начального существования объекта от седиментогенеза до раннего протокатагенеза включительно, когда генерационные свойства объекта только сложились и готовы к реализации. Однако в геологии известно немало случаев, когда нефтегазоматеринский потенциал объектов так и остался нереа лизованным вследствие недостаточной зрелости. Примером та ких потенциально НГМ-свит, очень богатых ОВ, могут служить диктионемовые сланцы нижнего ордовика и кукерские сланцы среднего ордовика Эстонии. Термин «нефтегазопроизводящая свита» характеризует этап реализации потенциала (от конца про токатагенеза до начала апокатагенеза), при этом форма термина свидетельствует о том, что генерация УВ происходит и в настоя щее время. Это, как правило, имеет место в областях современ ного погружения на континентальных окраинах и в некоторых молодых кайнозойских бассейнах континентов, где НГМ-свиты находятся в зоне максимальных за их историю температур (май копская свита олигоцена-миоцена некоторых районов Пред кавказья, формация Монтерей верхнего миоцена Калифорнии). Термин «нефтегазопроизводившая свита» прежде всего предпо лагает генерацию УВ только в геологическом прошлом. Одна ко этот термин имеет двоякое значение. Во-первых, он может означать прекращение генерации УВ на каком-то этапе эволю ции НГМ-свиты (вследствие восходящих движений, снижения теплового потока и др.), когда генерационный потенциал еще
174
не исчерпан. Примером таких объектов могут служить доманиковая формация Русской плиты, НГМ-свиты венда НепскоБотуобинской антеклизы и куонамская свита нижнего-среднего кембрия Анабарской антеклизы Сибирской платформы. Второе значение рассматриваемого термина — практически полная реа лизация НГМ-свитой своего потенциала (глубокий апокатагенез вплоть до метагенеза). Примером таких объектов являются НГМсвиты силура и девона Предуральского прогиба (прежде всего его складчатого борта), а также НГМ-свиты рифея-венда и нижнего кембрия северо-запада Сибирской платформы. Для каждого кон кретного объекта выделение НГМ проводится с учетом уровня катагенетической зрелости. Так, конкретная свита, находящая ся в данный момент в термобарических условиях, отвечающих МК5, будет являться нефтепроизводившей и газопроизводящей, т.е. уже отдавшей жидкие УВ и в настоящий момент генерирую щая только газ.
Литологический спектр пород, слагающих НГМ-свиты, доста точно широк. Напомним, что при прочих равных условиях для сохранности ОВ в седиментогенезе и аэробном диагенезе, т.е. для его фоссилизации, наиболее благоприятны осадки пелитовой размерности; к тому же глинистые минералы, являясь хороши ми сорбентами, адсорбируют растворенное ОВ из вод бассейна в процессе седиментации. В связи с этим в общем случае в фаци альном профиле осадочных пород — от конгломератов до глин (аргиллитов) —■и глинисто-карбонатных пород обогащенность автохтонным ОВ находится в прямой зависимости от количества глинистой примеси. В то же время в ряду карбонатные -> глини стые карбонаты -> мергели —>карбонатные аргиллиты последние члены по концентрации ОВ не уступают чисто глинистым по родам, а нередко превосходят их (рис. 4.1). Для «чистых» кар бонатов и их глинистых разностей, т.е. для первых членов ряда, статистически характерны малые концентрации ОВ, но и здесь они иногда бывают повышены и в глинистых разностях дости гают нескольких процентов. Для этих пород существенную роль играет петрографический тип карбонатной составляющей, опре деляемый фациальной принадлежностью породы: при прочих равных условиях наивысшие концентрации ОВ приурочены к хемогенным и фитогенным (водорослевым) разностям карбонатов, тогда как органогенные (зоогенные), обломочные и оолитовые разности карбонатных пород содержат, как правило, ничтожные количества автохтонного ОВ.
Минералогия карбонатной составляющей пород в принципе нейтральна к обогащению ОВ, т.е. она может быть как кальцитовой (известковой), так и доломитовой, а также смешанной. В
175
Рис. 4.1. Связь нерастворимо го остатка породы (НОП) с со держанием Сорг в карбонатных и карбонатно-глинистых по родах Сибирской платформы. Содержание Сорг: 1 — менее 0,1; 2 — 0,1—0,5; 3 — более 0,5; 4 — граптолитовые сланцы (по
Т.К. Баженовой)
*1 92 *3 +#
силикатном ряду осадочных пород обогащенными сапропелевым альгогенным и (или) зоогенным планктонным ОВ, ответствен ным за образование жидких УВ, бывают, как правило, лишь гли нистые породы (глины, аргиллиты), а также сильно глинистые алевролиты.
В песчаных, а тем более в грубых породах содержание сапро пелевого ОВ обычно ничтожно (менее п-0,01%). Однако песча ные породы верхнего палеозоя и мезокайнозоя, т.е. генетически связанные с эпохами, когда высшая растительность завоевала континенты, нередко бывают обогащенными гумусовым ОВ в детритной форме 1—2% на породу. В случае песчано-алевритовых пород нижнего палеозоя—допалеозоя обогащение их ОВ связа но с детритом донных бурых водорослей {Laminantes, Vendotenia). Примером формации, сложенной подобными породами, могут служить ламинаритовые слои котлинского горизонта V2 Русской плиты. Такие породы в палеозое—допалеозое встречаются редко. Бурые водоросли (Phaeophita) обладают крайне низким содержа нием липидов (1—3%), и их геохимическое поведение близко к таковому гумусового ОВ.
Формации, сложенные вышеописанными разностями песчаноалевритистых пород, могут рассматриваться лишь как газомате ринские свиты (ГМ-свиты).
Обогащенными сапропелевыми ОВ нередко бывают и крем нистые породы, в особенности их глинистые разности (глини стые силициты). Источником ОВ в них являются планктонные
176
водоросли с кремневым скелетом (диатомеи и их предки). Такие породы слагают, например, пиленгскую свиту миоцена Сахали на, часто встречаются в баженовской свите (J3) Западной Сиби ри, доманиковой свите (D3) Русской плиты, куонамской свите Cj-2 Сибирской платформы и в других формациях. В ряду эвапоритовых пород слабое обогащение ОВ встречается иногда в глинистых разностях ангидритов.
Как и породы, формации бывают и моно- и полипородными. Минералы могут быть породообразующими и акцессорными; так же как и породы, их можно рассматривать как формациообразующие и как акцессорные. Для НГМ-свит важно, чтобы обо гащенные ОВ породы были формациообразующими, а не акцес сорными.
Остается выяснить, какая степень обогащения породы ОВ необходима и достаточна для того, чтобы считать ее элементом НГМ-свиты. Неотъемлемым свойством такой породы должна быть способность рождать и отдавать УВ, в том числе и жидкие (микронефть). Практика многолетних исследований показала, что нижним пределом концентрации Сорг в породе, с которого начинается отдача УВ (в случае сапропелевого и (или) существен но сапропелевого ОВ), является значение 0,1% на породу — при средних градациях катагенеза. Данное уточнение необходимо, так как концентрации ОВ (Сорг) в породах в процессе катагене за уменьшается за счет генерации и удаления летучих углеводо родных и неуглеводородных продуктов. Однако масштаб сниже ния не так значителен, но все же ощутим: в наиболее липидных сапропелитах концентрация Сорг от начала до конца катагенеза снижается в 3—4 раза (подробнее см. разд. 4.2).
В отличие от минеральных составляющих породы ОВ являет ся настолько значимым, настолько «агрессивным», что уже при содержании в породах Сорг > 0,1 вес.% оно оказывает влияние на свойства пород, и прежде всего на наиболее визуально значи мое — цвет, а также на всю их «геохимическую жизнь». В целях (и с позиций) изучения нефтематеринских свойств все породы поделены на следующие группы по концентрациям в них Сорг (по восходящей, вес.%): 1) породы со сверхрассеянной формой ОВ (Сорг < 0,1); 2) субдоманикоидные (0,1-0,5); 3) доманикоидные (0,5—5,0); 4) доманикитные (5,0—25,0). Эти три термина образованы по названию доманиковой формации (D3) Русской плиты, одной из наиболее широко распространенных на терри тории России и наиболее рано описанных. Последнюю, пятую группу пород составляют собственно сапропелита, где Сорг > 25% на породу, т.е. ОВ по объему заведомо превышает 50% и является преобладающим породообразующим элементом (табл. 4.2). О ко
177
личественном «барьере» между первой и второй группами пород говорилось выше. На рубеже субдоманикоидных и доманикоидных пород (0,5%) статистически также отмечается смена свойств и особенностей пород: как правило, сероцветные породы пере ходят в темноцветные (коричневые и черные). Такое изменение цветовой гаммы пород присуще подстадиям мезо- и апокатагенеза. В протокатагенезе цвет пород, обогащенных ОВ, в значи тельной мере определяется биоценотическим составом исходного ОВ. Так, в случае планктонных водорослей порода при любых концентрациях Сорг имеет желтоватый или светло-коричневый цвет. В самом ОВ уже не встречаются диагенетически окислен ные разности, распознаваемые углепетрографическими методами (оксисорбоколлоальгинит).
Таблица 4.2
Разделение пород на группы по содержанию органического вещества (Сорп вес.%) сапропелевого типа (Систематика, 1994)
Граница доманикоидов и доманикитов проходит при Сорг = = 5 вес.%. Это значение выбрано не только потому, что оно удобно как «половинное» в десятичной системе исчисления, но и потому, что, во-первых, близко к медианному и среднеариф метическому значениям Сорг в стратотипических разрезах доманиковой формации D3 (по сотням аналитических определений), во-вторых, характер статистического распределения Сорг в этих разрезах обнаруживает две совокупности пород с «провалом»
178
5 вес.%, т.е. доманиковая формация состоит из доманикитов (Сорг > 5-22%, с модой 7-9%) и из доманикоидов (Сорг = 0 ,5 5 %, с модой 0 ,8 - 1 ,5%). Субдоманикоиды (Сорг = 0,1—0,5%) крайне редки, породы со сверхрассеянной формой не встречаются.
Итак, к нефтегазоматеринским (точнее, к микронефтегазоматеринским, т.е. отдающим микронефть) по критерию концен трации Сорг относятся породы всех вышеперечисленных групп, кроме первой (со сверхрассеянной формой ОВ). В этих породах (с концентрацией Сорг < 0 ,1% на породу) степень битуминизации ОВ (р, %) не снижается во второй половине мезокатагенеза, т.е. практически не зависит от степени преобразованности, в отличие от более обогащенных пород, что свидетельствует об отсутствии способности отдавать подвижные компоненты породами первой группы. Более того, в конце мезокатагенеза и в апокатагенезе кон центрации битумоидов в породах с различным содержанием Сорг выравниваются и не превышают обычных значений (п 0 ,0 0 1 %); при этом для субдоманикоидных и более богатых пород такие концентрации характеризуют остаточные битумоиды, а в породах со сверхрассеянной формой ОВ они являются исходными. Те же пределы концентраций Сорг характеризуют и формации в целом (т.е. НГМ-свиты) с соответствующими названиями; для форма ций концентрации рассчитываются как средневзвешанные для слагающих их типов пород (при недостатке информации при ходится довольствоваться среднеарифметическими значениями Сорг). Таким образом, к нефтегазоматеринским относятся форма ции субдоманикоидные, доманикоидные, доманикитные и фор мации сапропелитов. В каждом из типов этих формаций типы пород по концентрации могут варьировать в широких пределах.
В породах практически бескарбонатных и низкокарбонатных (в глинистых и глинистоалевритовых) за нижний концентраци онный предел Сорг необходимо принимать величину несколько большую — не 0 ,1 , а 0,2% на породу. Последнее связанно с тем, что в силикатных породах значительно выше изначальное содер жание минеральных окислителей, прежде всего окисного железа, поэтому и ОВ в них более окислено в анаэробном диагенезе и при прочих равных условиях нефтематеринский потенциал его ниже.
Необходимо еще раз подчеркнуть, что вышеприведенная классификация пород (и формаций) по признаку концентрации Сорг и все вышеохарактеризованные их свойства относятся ис ключительно к объектам, содержащим сапропелевое и(или) су щественно сапропелевое ОВ, биоценотически представленное планктонными водорослями (альгинит) и(или) зоосоставляющей (хитинит), иногда с небольшой примесью бентосных водорослей
179
(псевдовитринит). Такие объекты характеризуют осадочный до кембрий (без зоосоставляющей), нижний и большую часть сред него палеозоя, т.е. представляют НГМ-свиты, сформированные в эпохи, когда не существовало высшей наземной флоры и нака пливающееся в бассейнах ОВ было гарантировано от примесей, аллохтонных по отношению к самому бассейну. Подобные НГМсвиты наиболее характерны для бассейнов древних платформ и их краевых частей. В верхнем палеозое, мезозое и особенно в кайнозое чисто сапропелитовые формации более редки, особен но в морских фациях. В кайнозое часто встречаются сапропели товые доманикоидные и доманикитные формации озерного ге незиса аридных зон, например формация Грин Ривер Северной Америки.
Несмотря на то что на протяжении всей геологической исто рии в целом в субаквальных условиях обитали, а стало быть, и посмертно захоронялись в осадках представители всех типов рас тительного и животного царств, состав фоссилизированного ОВ осадочных пород чаще всего формировался за счет ограниченно го числа групп организмов. Более того, в породах доманикоидных и доманикитных формаций состав ископаемых организмов, как правило, специфичен и систематически ограничен. Даже в присутствии нескольких типов и классов организмов констатиру ется чрезвычайно бедный их родовой и видовой состав. Класси ческий, предельный вариант — ОВ кукерского горючего сланца 0 2 (кукерсита) Русской плиты. Электронно-микроскопические исследования показали, что оно полностью состоит из остатков планктонных синезеленых водорослей (Gloeocapsamorpha).
НГМ-свиты позднего палеозоя, мезозоя и кайнозоя накапли вались во времена, когда континенты были уже основательно заселены высшей растительностью, в том числе и в значитель ной степени древесной с большей биологической массой, плохо поддающейся окислению даже в зоне аэрации. Это не могло не приводить к ощутимому сносу растительного детрита в бассейны седиментации. Следствием этого, естественно, явилось то обсто ятельство, что на огромных пространствах бассейнов в осадках захоронялось смешанное ОВ. И только на участках акваторий, значительно удаленных от источников сноса, а также в озерных котловинах аридных зон могли накапливаться чистые сапропелиты. В упомянутые эпохи накопление ОВ в существенно большей степени зависело от климатических условий, нежели в более ран ние эпохи палеозоя—допалеозоя.
Можно даже утверждать, что сама климатическая зональность с заселением континентов растительностью приобрела более чет кое выражение. Следствием сноса континентального раститель
180