Катагенез глубокозалегающих подземных вод

(ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ ГАЗОВО-ЖИДКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ)

Э. С. Сианисян, В. Н. Волков

«Литология полезных ископаемых», 1996, № 3, с.235-240.

Проблема катагенеза подземных вод осадочных бассейнов изучалась на основе исследования флюидных включений в минералах пород и жильных минералах.Газово-жидкие включения рассматриваются как реликты подземных вод. Сопоставление химических составов вод палеоморей, вакуольных вод и современных пластовых вод меловых карбонатных толщ дало возможность проследить эволюцию природных растворов в различных тектонических областях Предкавказья. Анализ результатов выполненных исследований позволил выделить основные источники и процессы катагенетического преобразования химического состава подземных вод.

Современная литогенетическая теория справедливо рассматривает подземные воды как важнейший фактор катагенеза. Не случайно на основе новейших литологических концепций вырабатываются наиболее обоснованные теории формирования глубоких вод осадочных бассейнов [Холодов, 1983; Махнач, 1989; Япаскурт, 1992; Соколов, Холодов, 1993 и др.].

Изучение различных форм существования подземных вод может также дать информацию о характере, направлениях, условиях, относительном времени протекания и масштабах отдельных процессов литогенеза, которую трудно, а зачастую невозможно, получить традиционными литологическими методами. Поэтому установление закономерностей гидрогеологической эволюции осадочных бассейнов является важным шагом к познанию всей системы: порода-вода-газ-органическое вещество.

Вместе с тем решение проблемы эволюции подземных вод осложняется тем, что большинство из существующих методов палеогидрогеологических реконструкций не учитывает различий в литолого-фациальном составе отложений и их влияния на состав флюидов.

МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Более достоверные данные о палеообъектах позволяет получить изучение газово-жидких включений в минералах осадочных пород [Мин­ский, 1975; Pagel, Poty, 1984; Щепеткин, Шугурова, 1988; Сианисян, 1990, 1994 и др.].

Флюидные включения встречаются во всех природных минералах, вопросы об их сохранности в связи с возможностью отражения условий палеосреды и состава маточных растворов рассматривалось во многих публикациях [Ермаков, 1972; Реддер, 1987; Прикладная ..., 1992 и др.].

Однако результаты этих исследований использовались в основном применительно к рудным, магматогенным минералам и искусственным кристаллам. Исследования включений осадочных бассейнов немногочисленны [Минский, 1975; Pagel, Poty, 1984; Щепеткин, Шугурова, 1988; При­кладная ..., 1992 и др.]. Это связано с трудностями изучения породообразующих систем осадочного происхождения. Сложности обусловлены тем, что в отличие от привычных монокристаллов, объектом исследования являются многокомпонентные гетерогенные системы, в которых нередко участвуют аллотигенные минералы. С целью получения кондиционной информации использовались в основном карбонатные породы (известняки и доломиты) на 96-98% состоящие из СаСО3 и CaMg(CO3)2 , а также ангидриты (92-95% CaSO4), либо гомогенные монофракции гетерогенных образований. Для достижения большей "чистоты" изучаемого образца зерна (фракция 0.5-0.25 мм) после дробления тщательно отбирались под бинокулярной лупой и промывались в бидистиллированной воде. Затем проба высушивалась в вакуумной сушилке при температуре 100-110°С, взвешивалась и исследовалась с помощью вакуумного декриптометра для установления температур вскрытия газово-жидких включений и их образования. Эти температуры сопоставлялись с температурами гомогенизации и полученными на основе других методов.

Размеры включений в зернах минералов осадочных пород незначительны - от долей до десятков микрон. Отмечаются и более мелкие вакуоли, диагностируемые лишь с помощью электронного микроскопа. Более крупные включения в карбонатных и сульфатных породах имеют в основном неправильную форму, часто уплощенные, обычно их размеры не превышают единиц микрон. В некоторых случаях наблюдается перемещение газового пузырька, которым, в случае не очень активного хаотического движения, можно управлять с помощью теплового источника. Это свидетельствует о наличии в составе вакуоли флюидной (водной) фазы.

Анализ включений большого количества образцов из осадочных комплексов пород различных областей Предкавказья, Донецкого бассейна, Припятской впадины и Прикаспия позволил выявить некоторые визуальные отличия между микрообъектами, содержащимися в кристаллических сингенетических зернах осадочных пород и трещинных минералах гидротермального генезиса.

Количество включений, как правило, значительно больше в гидротермальных минералах тектонических трещин. Здесь наряду с мелкими вакуолями, составляющими доли и единицы микро, по зонам роста и спайности, а также непосредственно в теле кристаллов встречаются включения размером до нескольких сот микрон. Кристаллические зерна известняков и доломитов насыщены преимущественно газово-жидкими включениями, размеры которых редко превышают единицы микрон, в ангидритах обнаружены включения больших размеров. Оптические микроскопы не всегда позволяют в деталях рассмотреть морфологию вакуолей, однако, наблюдения с помощью сканирующего микроскопа свиде­тельствуют о том, что они в основном объемные, изометрические.

По форме включения минералов гидротермального генезиса более разнообразны. Отмечены микровакуоли изометрической, неправильной формы, объемные и уплощенные, в форме отрицательного кристалла и др. В кристаллических зернах пород мелкие включения преимуществен­но округлой формы.

По составу большинство изученных включе­ний преимущественно двухфазовые, газово-жидкие. Однако, поскольку исследовались образцы нефтегазоносных бассейнов нередко встречаются включения углеводородов. По составу и форме они чрезвычайно разнообразны, их классификация приведена нами ранее [Сианисян, 1980]. Сле­дует отметить, что минералы литогенетических трещин, возникших в процессе преобразования осадочных комплексов пород, содержат, как правило, газово-жидкие включения по размерам, морфологии, флюидонасыщенности, соотношению фаз близкие к вакуолям, находящимся в зернах пород. Температуры декрипитации и газового состава этих включений идентичны, что свидетельствует об их единой природе образования преимущественно в период максимального тер­мобарического напряжения.

Исследование состава флюидов включений минералов осадочных пород производилось с целью оценки палеогидрогеохимических условий развития, а также освещения проблемы формирования химического состава глубокозалегающих горизонтов. Анализы выполнялись методом тройной водной вытяжки с использованием декрипитационного метода вскрытия включений, обоснованного Д.Н. Хитаровым [1968], Н.И. Савельевой и Г.Б. Наумовым [1980] и др. Зерна образца (0.5-0.25 мм) отсортировывались под бинокулярной лупой, навеска составляла 40-60 г. Нагрев производился до температур на 20-30°С превышающих температуры вакуумной декрипитации. В случае изучения прозрачных минералов полнота декрипитации включений контролировалась путем просмотра зерен под микроскопом. Вытяжка производилась строго в течение 20 минут.

Состав включений сопоставлялся с составом современных подземных вод. Из огромного количества определений (более 1000) отбирались наиболее надежные данные. Последнее достигалось учетом условий отбора, характеристик притока, сведений об изменениях в пробах. Использовалась информация, полученная в результате многолетних работ по контролю гидрогеохимического опробования в Северо-Кавказском научно-исследовательском проектном институте нефти. Отдельные пробы пластовых вод отбирались авторами во время летних экспедиций непосредственно из скважин. Сравнение проводилось отдельно для трех регионов Восточного Предкавказья (Терско-Каспийский прогиб, платформенная часть, моноклиналь северного склона Кавказа), которые характеризуются своеобразием геологической истории и термобарического режима. Подавляющие большинство изученных включений карбонатных и терригенных пород являются катагенетическими и образовались в максимально жестких для каждого из регионов термобарических условиях. В качестве показателей этих условий использовались значения максимальных палеоглубин, установленных по хронотектоническим диаграммам.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Сложность интерпретации корреляционных полей (рис. 1) заключалась в том, что часто интервалы отбора образцов пород не совпадали с глубинами отбора пластовых вод. В этих случаях выбирались анализы вод, характеризующие наиболее близко расположенные в пространстве интервалы опробования. Анализ расположения фигуративных точек на рис. 1 показывает, что в пределах Терско-Каспийского прогиба (см. рис. 1а) значение общей минерализации пластовых вод и флюидов включений верхнемеловых отложений близки.

Вместе с тем проявляются отличия. Так, корреляционное поле пластовых вод подтверждает ранее установленную закономерность уменьшения минерализации с глубиной [Волков, 1986J, которая обусловлена тем, что в менее погруженных структурах Терско-Касиийского прогиба опресняющее влияние отжимающихся вод проявляется слабее, чем в глубоких объектах. Поля фигуративных точек вод включений, напротив, свидетельствуют о тенденции роста степени минерализации с глубиной, причем, начиная с палеоглубин порядка 5.5 км интенсивность возрастания мине­рализации заметно усиливается (см. рис. 1), что, видимо, следует связывать с влиянием галогенной юрской толщи и проявлением восходящих потоков по разломам. Это положение подтверждается данными, характеризующими повышенную минерализацию вакуольных вод в приразломных зонах (Гудермесская, Ястребиная структуры). В пределах наиболее приподнятых антиклинальных зон фиксируются положительные гидрохимические аномалии и для пластовых вод верхнего мела (Малгобек-Горское, Хаян-Кортсое, Карабулак-Ачалукское).

Для платформенной части Восточного Предкавказья различие в минерализации пластовых и "законсервированных" флюидов гораздо существеннее (см. рис. 16). В большинстве случаев степень солености пластовых вод на 10-60 г/л превышает минерализацию вод включений. Данный факт свидетельствует о региональных масштабах процесса концентрирования вод с момента образования включений.


Источником увеличения минерализации являлись здесь седиментогенные рассолы верхнеюрских отложений, о чем свидетельствуют повсеместно высокие (более 3.3) значения бромхлорного отношения подземных вод. В пределах площадей Архангельская, Бортовая, Журавская (см. 1, 2, 3 на рис. 16) минерализация вод включений выше, чем пластовых. Эти структуры находятся в Восточно-Ставропольской впадине наиболее погруженной части платформенного борта. В этой зоне, также как и Терско-Каспийском прогибе, устанавливаются гидрогеохимические и гидродинамические признаки, свидетельствующие о поступлении вод из майкопских отложений в мезозойские [Бурштар, Бизнигаев, 1969; Волков, 1986]. В отличие от Терско-Каспийского прогиба, в момент консервации включений пластовые воды Восточно-Ставропольской впадины имели большую минерализацию, а опреснение вследствие нисходящих перетоков с течением времени усиливалось.

В пределах моноклинали северного склона Кавказа происходит увеличение минерализации обоих видов вод с погружением пород (см. рис. 1в). Закономерность увеличения палеоминерализации с палеоглубиной проявляется более отчетливо, чем в других зонах. Это явление связано с влиянием титонской соленосной толщи. Обращает внимание то, что включения образцов, отобранных ниже галогенной толщи отложений верхней юры, характеризуются меньшей минерализацией, чем флюиды включений, расположенные в непосредственной близости от нее (см. рис. 1в).

Многими исследованиями убедительно доказано, что воды мезозойских отложений преимущественно седиментационного генезиса [Никаноров и др., 1975, 1983; Волков, 1986 и др.]. Для установления характера, направлений и масштабов процессов метаморфизации важна информация о степени солености мезозойских палеоморей.

Палеогидрогеологическая обстановка бассейнов седиментации может быть восстановлена в общих чертах по литолого-фациальным особенностям пород, а роль влияния различных гидрогеологических режимов оценена на основе историко-геологических критериев и анализов современной гидрогеохимической обстановки [Крымов, 1965; Никаноров и др., 1975; Деревягин, Седлецкий, 1977; Холодов, 1983; Волков, Сианисян, 1994 и др.]  Данные о предполагаемой солености мезозойских палеоморей представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Величины минерализации мезозойских палеоморей,

флюидов включений и пластовых вод, г/л

Возраст отложений Предполагаемая минерализация палеоморей Минерализация вод
включений пластовых
Верхний мел до 30-40 17-68 20-87
Альб до 30-40 28-79 25-130
Апт до 30-40 43-80 30-140
Неоком до 30-40 53-125 32-310
Верхняя юра 35-350 64-345 65-410
Нижняя и средняя юра до 30-50 55-76 40-198
Триас до 90-50 54-81 30-196

Рис. 2. Схема гидрогеологической эволюции Предкавказья.

К1 - воды нижнемеловых отложений; К2 - воды верх­немеловых отложений; 1 - перенос солей от эвапоритовых отложений верхней юры; 2 - поступление вод из майкопских отложений; 3 - проявление современ­ной инфильтрации; 4 - процессы, приводящие к уда­лению сульфатов и магния; 5 - процессы, приводящие к накоплению кальция.

Вместе с тем совершенно очевидно, что в различных тектонических зонах формирование химического состава происходило по-разному. Определяющими факторами здесь были литологический состав отложений, характер и интенсивность тектонических движений, определивших условия нарушения первичной седиментационной зональности, в том числе и возможность внедрения вод инфильтрационного генезиса.

На рисунке 2 представлена схема гидрогеологической эволюции мезозойских отложений. На ней с учетом хронологической последовательности отражены ведущие факторы и процессы, сформировавшие современную зональность подземных вод.

Процессы переноса (конвекция, диффузия) играли важнейшую роль в распределении величин минерализации. Различия в плотностях и концентрациях захоронившихся вод первоначально были определяющими параметрами этих процессов. При этом наиболее высокие градиенты плотностей растворов отмечались на границах верхнеюрских эвапоритов, явившихся впоследствии основными источниками увеличения минерализации вод в меловых отложениях. Вероятно, к началу палеогена подземные воды мезозоя гидрохимически представляли собой ореол рассеяния верхнеюрских солей и рассолов.

Отложения глинистой майкопской толщи надежно изолировали на большей части территории седиментогенные рассолы мезозоя. В процессе литогенеза глин (уплотнение, дегидратация) в них сформировалась область сверхвысоких поровых давлений, обеспечившая возможность нисходящих перетоков относительно опресненных вод в отложения верхнего и нижнего мела (Бурштар, Бизнигаев, 1969; Сианисян и др., 1987 и др.]. Этот процесс получил максимальное развитие в момент наибольшего погружения пород бассейна, особенно в районах Терско-Каспийского прогиба, где, судя по характеру распределения в разрезе пластовых давлений, продолжается и в настоящее время [Бурштар, Бизнигаев, 1969; Волков, 1986; Волков, Сианисян, 1994].

В пределах платформенной части Предкавказья следы нисходящих перетоков майкопских вод в отложения мезозоя фиксируются в пределах областей, примыкающих к Терско-Каспийскому прогибу, как правило, только в отложениях верхнего мела.


В период активизации тектонических движений на Кавказе, особенно во время роданской и валахской фаз складчатости, мезозойские породы были выведены на поверхность. В районах, прилегающих к областям раскрытого залегания на северных склонах Кавказа, начался инфильтрационный этап развития бассейна.

Наряду с процессами переноса от верхнеюрских и майкопских отложений, оказавших влияние на распределение солености, воды мезозоя претерпевали метаморфизацию химического состава.

Если принять за основу доминирующую и наиболее обоснованную гипотезу о постоянстве вод химического состав океана с палеозойского времени, то изменение химизма исходных талассогенных вод выразилось, главным образом, в потере сульфатов, магния и увеличении содержаний кальция. Сравнение состава пластовых "законсервированных" флюидов меловых отложений показало достаточно сильное сходство (табл. 2).

Вероятно, это объясняется тем, что по проис­хождению включения карбонатных и терригенных пород мелового возраста в основном катагенетические и образовались сравнительно недавно.

Включения в солях верхней юры изучены по просьбе авторов О.И. Петриченко и Г.А. Московским в образцах с реликтовой и диагенетической зональностью. Состав их резко отличается от подземных вод высокими концентрациями магния (15-47.4 г/л - включения, 0.18-4.62 г/л - пластовые воды).

Установленные факты свидетельствуют о том, что метаморфизация качественного состава пластовых вод наиболее интенсивно протекала на стадии диагенеза и раннего катагенеза, когда водный раствор морского происхождения поте­рял основное количество магния и сульфатов.

В связи с изложенным представляется логичным следующий путь преобразования состава исследуемых вод: сульфатно-хлоридные магниво-натриевые воды (стадия седиментогенеза) —> хлоридные натриевые воды (стадия диагенеза и раннего катагенеза) —> хлоридные кальциево-натриевые воды (стадия катагенеза).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Воды включений являются естественным объектом, изучение которого позволяет получать информацию о механизмах преобразования подземных вод в процессе литогенеза.

2. Изменение первичной седиментационной гидрохимической зональности мезозойских отложений Восточного Предкавказья происходило как в результате процессов переноса вещества, определивших распределение в пространстве минерализации вод, так и вследствие гетерогенных процессов геохимической миграции, обусловивших формирование преимущественно хлоридных кальцево-натриевых вод.

3.Основным источником увеличения минерализации мезозойских вод явились эвапоритовые отложения верхней юры и находящиеся в них рассолы. Процессы концентрирования доминировали в районах платформенной части Восточного Предкавказья, где в настоящее время воды меловых пород имеют минерализацию в 2-4 раза превышающую исходную, седиментогенную. В зонах глубокого погружения (Восточно-Ставропольская впадина, Терско-Каспийский прогиб) в меловых отложениях сформировалась зона относительно опресненных хлоридных натриевых вод, поступивших из вышезалегающей майкопской толщи.

4. Эволюция химического состава вод Восточного Предкавказья определялась доминированием тектонических движений отрицательного знака, последовательным погружением отложений, нарастанием температур и давлений. На этапах раннего литогенеза из седиментогенных вод были удалены сульфаты и магний. На стадии катагенеза с наибольшей интенсивностью проявились процессы, следствием которых явилось обогащение подземных вод ионами кальция.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Бурштар М.С., Бизнигаев Л.Д. Образование и размещение залежей нефти и газа в платформенных условиях. М.: Недра, 1969.344с.
  2. Волков В.Н. Исследование процессов формирования химического состава вод мезозойских отложений Вос­точного Предкавказья. Дис.... канд. геол.-минер, наук. М.:МГУ, 1986. 19с.
  3. Волков В.Н., Сианисян Э.С. Палеогидрогеохимические критерии формирования подземных вод мезозойских отложений Восточного Предкавказья // Гидрохимические материалы. 1994. Т. CXI. С. 46-51.
  4. Деревягин B.C., Седлецкий В.И. Верхнеюрские соленосные отложения Предкавказья //Литология и полез, ископаемые. 1977. № 4. С. 121-131.
  5. Ермаков Н.П. Геохимические системы включений в минералах. М.: Недра, 1972. 175 с.
  6. Крымов Б.В. К характеристике мощностей, литофаций и палеогеографической обстановки среднеюрских осадков на территории ЧИАССР // Геология и нефтегазоносность Восточного и Центрального Предкавка­зья. М.: Недра, 1965. С. 3-17.
  7. Никаноров A.M., Волобуев Г.П., Барцев О.Б. Палеогидрогеологические реконструкции нефтегазоносных
  8. бассейнов. М.: Недра, 1975. 192с.
  9. Никаноров A.M., Тарасов М.Г., Федоров Ю.А. Гидрохимия и формирование подземных вод и рассолов. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 243 с.
  10. Махнач А .А. Катагенез и подземные воды. Минск: Наука и техника, 1989. 335 с.
  11. Минский И.А. Формирование нефтеносных пород и миграция нефти. М.: Недра, 1975. 288 с.
  12. Прикладная термобарогеохимия /Под ред. Труфанова В.Н., Грановского А.Г., Грановской Н.В. и др. Рос­тов: РГУ, 1992. 172с.
  13. Реддер Э. Флюидные включения в минералах. М.: Мир, 1987. 558 с.
  14. Савельева Н.И., Наумов Г.Б. Особенности вскрытия флюидных включений для определения их состава методом водной вытяжки // Методы и аппаратура для исследования включений минералообразующих сред. М.: Недра, 1980. С. 109-117.
  15. Сианисян Э.С. Новая классификация углеводородосодержащих включений //Геологические исследования земной коры Белоруссии. Минск: Наука и техника, 1980. С. 42-45.
  16. Сианисян Э.С. Химическая эволюция подземных вод осадочных бассейнов на основе изучения газово-жидких включений //Докл. РАН. 1994. Т. 335. № 2. С. 210-213.
  17. Сианисян Э.С., Волков В.Н., Славянов К.В. Прогноз пластовых давлений в подсолевых отложениях западной части Терско-Каспийского прогиба // Деп. ВИНИТИ, 1987. Зак. 32792. № 8202-В87. 12 с.
  18. Сианисян Э.С., Степанов А.Н., Чичуа Б.К. Палеотемпературы и катагенез мезозойско-кайнозойских отложений Северо-Восточного Кавказа // Литология и по­лез, ископаемые. 1990. № 4. С. 100-109.
  19. Соколов Б.А., Холодов В.Н. Флюидогенез и флюидодинамика осадочных бассейнов - новое направление геологии // Отечеств, геология. 1993. № 11. С. 64-75.
  20. Хитаров Д.Н. Некоторые методические вопросы определения химического состава газово-жидких включений в минералах с помощью водных вытяжек // Минералогическая термометрия и барометрия. Т. 2. М.: Недра, 1968. С. 760-800.
  21. Холодов В.Н. Постседиментационные преобразования в элизионных бассейнах. М.: Наука, 1983. 150 с.
  22. Щепеткин Ю.В., Шугурова Н.А. Газовая среда вторичного минералообразования нефтегазоносных отложений мезозоя Западной Сибири // Геохимия сложнопостроенных месторождений нефти и газа. Тюмень. С. 116-126.
  23. Япаскурт О.В. Литогенез и полезные ископаемые миогеосинклиналей. М.: Недра, 1992. 224 с.
  24. Pagel М., Poty В. The evolution of composition temperature and pressure of sedimentary fluids over time: a fluid inclusion reconsruction // Thermal phenoman in sedimentory Ba­sins. Paris: Int. collag Berdeayx, 1984. P. 71-88.

Авторы: 

Тематические разделы: