CC BY
16
УДК 550.4:552.578.3:551.762.3(470.11) DOI 10.19110/1994-5655-2018-3-83-88
ГЕОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЮРСКИХ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ (ОБН. БОЛЬШОЙ ВОСИМ, ЯРЕНГСКИЙ СЛАНЦЕ-НОСНЫЙ РАЙОН, АРХАНГЕЛЬСКАЯ ОБЛ. РФ)
Д.А. БУШНЕВ, Н.С. БУРДЕЛЬНАЯ, С.В. ЛЫЮРОВ
Институт геологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар boushnev@geo.komisc.ru
Исследованы геологические и геохимические особенности пород в южной части Яренгского сланценосного района. Согласно результатам микропалеонтологических исследований и изучения аммонитов, отложения относятся к средневолжскому подъярусу верхней юры. В статье дана характеристика органического вещества горючесланцевой толщи, а также данные по распределению полициклических биомаркеров. Показано, что исходное органическое вещество представлено как остатками морского фитопланктона, так и терри-генной примесью.
Ключевые слова: юрские сланценосные отложения, горючие сланцы, микрофауна, фораминиферы, битумоид, биомаркеры
D.A.BUSHNEV, N.S.BURDELNAYA, S.V.LYYUROV. OF THE JURASSIC OIL SHALES (BOLSHOI VOSIM RIVER OUTCROP, YARENGSK SHALE-BEARING AREA, ARKHANGELSK REGION, RUSSIAN FEDERATION)
Geological and geochemical features at the observation point in the Yarengsk oil shale region in its southern part were investigated. According to the results of the micropaleontological studies and the study of ammonites, the deposits belong to the Middle Volgian substage of the Upper Jurassic. The paper presents the bulk characteristics of the organic matter of the investigated oil shale sequence, as well as data on the distribution of polycyclic biomarkers. The share of oil shales in the section is small. The organic matter has a very low degree of maturity because hopanes have mostly PP configuration and aPP steranes are absent. The distribution of regular aaa 20R steranes predominate at the expense of hydrocarbons of composition C27 and C29, with the latter more. The original organic matter is represented by both marine phytoplankton residues and terrigenous impurities.
Keywords: Jurassic oil shale deposits, oil shales, microfauna, foraminifera, bitumen, biomarkers
Верхнеюрские горючие сланцы (ГС) на европейском Северо-Востоке известны достаточно давно. История их исследования опубликована [1-6]. В рассматриваемом Чим-Лоптюгском сланцевом участке Яренгского сланценосного района большинство естественных разрезов распространены в бассейнах рек Чим и Лоптюга. На закрытых территориях пробурено большое количество скважин. Примечательно, что горючие сланцы Чим-Лоптюги обладают самым высоким качеством органического вещества (ОВ) среди всех ГС европейского Севера России. Сланценосная толща содержит не менее двух пластов ГС, удовлетворяющих требованиям промышленности по мощности и качеству. Площади с наибольшей сланцеплотностью, пригодные для добычи ГС открытым способом, на значительной части оказались сильно подвержены размы-
ву р.Лоптюги и ее притоков. Сланценосная толща подразделяется на две пачки - темноцветную (верхняя часть) и сероцветную (нижняя часть), которая иногда подстилается пестроцветной. Промышленные ресурсы ГС оцениваются не менее 2.2 млрд. т при теплоте сгорания свыше 7.5 МДж/кг (1800 ккал/кг).
Рассматриваемое нами обнажение (Большой Восим №3) представляет собой выход на дневную поверхность сланценосной толщи мощностью 7,5 м, выполненной переслаиванием глин, керогенсодер-жащих мергелей и горючих сланцев (рис. 1). В глинистых отложениях встречается довольно многочисленная фауна аммонитов, двустворок и, как правило, в виде отпечатков неудовлетворительной сохранности, целых и обломков ростров белемнитов. Последние в горючих сланцах, как правило, от-
Рис. 1. Точка наблюдения р. Большой Восим №3.
Условные обозначения: 1 - переслаивание горючих сланцев и керогеновых мергелей; 2 - горючий сланец; 3 - горючий сланец глинистый; 4 - битуминозная глина; 5 - глина алевритистая; 6 - глина известковистая; 7 - аммониты; 8 - белемниты; 9 -двустворки; 10 - точки отбора проб (а - микрофауна, б - органическая геохимия); 11 - содержание в % (а - НОП, б - Сорг); 12 - номер слоя. Pic.1. The observation point on the river Bolshoi Vosim No. 3.
Legend: 1 - Interbedding of oil shales and kerogen marls; 2 - Oil shale; 3 - Argillaceous oil shale; 4 -Bitumen clay; 5 - Aleuritic clay; 6 - Calcareous clay; 7 - Ammonites; 8 - Belemnites; 9 - Bivalves; 10 -Sampling points (a - microfauna, b - organic geochemistry); 11 - Content in % (a - ICR, b - Corg); 12 -Number of stratum.
сутствуют. По раковинам аммонитов сланценосные отложения относятся к средневолжским отложениям верхней юры (зона Dorsoplanites panderi [4-6]. Фораминиферы обычны в ГС, но по мере увеличения в породе доли органического вещества количество их снижается до минимума. Из фораминифер представлены фораминиферы зоны Lenticulina infa-volgaensis - Saracenaria pravoslavelvi, такие как Lenticulina biexcavata (Mjatl.), L. kaschurica (Mjatl.), L. or-natissima (Furs. еt Pol.), Astakolus. suprajrassica (Schwag.), Marginulina robusta (Reuss), Marginulinop-sis embaensis (Furs. еt Pol.), Citharina raricostata (Furs. еt Pol.) и другие [3-5]. Изучение палеотемпе-ратур бассейна по волжским фораминиферам Sa-racenaria pravoslavlevi показало среднее значение в 18-20°С [6].
Содержание органического углерода в породах из изученной части разреза лежит в интервале 4-16 % (см. таблицу). То есть породы разреза умеренно обогащены органическим веществом, а до уровня горючего сланца условно «дотягивает» только одна из изученных проб (43). Содержание хлороформенного битумоида А (ХБА) в породах невелико и составляет величину 0.05-0.5 %, при значениях рХБ в основном лежащих в интервале 13%, достигая 7 в единичном образце (таблица). В составе исследованных методом жидкостной хроматографии образцов битумоида фиксируется низкое содержание углеводородов (сумма алифатических и ароматических углеводородов), которое составляет 9-17 %, и значительное содержание смол, оно варьирует от 38 до 48 %. Всё это характерно для органического вещества пород, находящихся на начальных этапах катагенеза.
Геохимическая характеристика сланценосной
части разреза р. Большой Восим Geochemical characteristics of oil shale bearing deposits on the Bolshoi Vosim outcrop
Образец БВ-41-81 БВ-42-81 БВ-43-81 БВ-46-81
Литология Кероген-содержащий мергель Кероген-содержащий мергель Горючий сланец Горючий сланец
Битуминологическая характеристика
Сорг, % 3,36 6,5 16,19 12,5
ХБА, % 0,097 0,1 0,425 0,3
рХБ,% 2,9 1,1 2,6 2,5
Состав биомаркеров
С29 стераны 20S/S+R 0,29 0,26 0,26 0,29
С31 гопаны
aß22S/S+R 0,21 0,12 0,14 0,17
Гопаны С31, %:
aß22S+R 40 37 33 35
ßa22R 11 12 10 10
ßß22R 49 51 57 55
aaa20R стераны, %:
С27 35 37 33 34
С28 15 14 16 16
С29 50 49 51 50
Распределение н-алканов и изопреноидов, содержащихся в насыщенной фракции битумоида, было изучено методом хромато-масс-спектромет-рии путём построения масс-хроматограмм по иону с m/z 57. Молекулярно-массовое распределение нормальных алканов смещено на этих масс-хромато-граммах в низкомолекулярную область с максимумами на углеводородах состава С16-С17. Характерного преобладания четных, либо нечетных алканов в области невысоких молекулярных масс не наблюдается. Величина отношения Pr/Ph незначительно превышает 1. В области углеводородов более высокой молекулярной массы наблюдается доминирование нечетных н-алканов. Среди них выделяются пики состава С25, С27, С29, С31, С33, С35, С37 и С39. Обилие нечетных н-алканов в высокомолекулярной области является признаком привноса в бассейн седиментации остатков высшей растительности. Такой состав ациклических изопренои-дов в общем характерен и для других проявлений горючих сланцев Восточно-Европейской платформы [7, 8].
Распределение полициклических биомаркеров изучено в составе алифатической фракции би-тумоида методом хромато-масс-спектрометрии (рис. 2). Основное внимание уделено изучению углеводородов с углеродным скелетом стерана (m/z 217) и гопана (m/z 191). Гопановые углеводороды в составе изученных нами фракций представлены aß, ßa и ßß диастереомерными формами. Данные о распределении гопановых углеводородов показаны на рис. 2 и в таблице. Из полученных нами данных следует, что пентациклические тритерпаны, содержащиеся в битумоиде исследуемых юрских отложений, более чем на 50% (углеводороды состава С31) состоят из ßß диастереомеров, т.е. представлены биогопанами [9]. Этот факт позволяет однозначно установить невысокую термическую зрелость исследуемого ОВ, соответствующую зоне протокатагенеза. Отметим, что доля ßß углеводородов падает в ряду С31, С30, С29 гопанов.
Ещё одно соотношение гопановых углеводородов, которое используется для определения термической зрелости, это коэффициент 22S/22S+R aß С31гомогопанов. Его значение в равновесии составляет 0.6 [9], а величина равновесия достигается в самом начале главной фазы нефтеобразования (МК1). Значения данного коэффициента в исследованных нами образцах битумоида - 0.12-0.21. То есть и значения этого отношения подтверждают вывод о весьма низком уровне зрелости ОВ.
Данные о распределении стерановых углеводородов традиционно используются и для установления термической зрелости ОВ, и для выяснения его природы. За определение катагенеза отвечают такие показатели, как отношение геостеранов, имеющих aßß конфигурацию к биологическим aaa формам, отношение 20S/20S+R изомеров [10]. Гео-стераны, имеющие aßß конфигурацию, нами не были обнаружены, а величина отношения 20S/20S+R
60
m/z = 191
РР С35
70
80
acta С27 20R
90
ТОО 1'10 мин 120
ааа С29 20R
m/z = 217
ааа С29 20S ааа С28 20R
65
70
75
Рис. 2. Масс-хроматограммы алифатической фракции битумоида БВ-43-81, построенные по 191 (гопаны) и 217 (стераны) фрагментарным ионам. Fig. 2. Mass-chromatograms of aliphatic bitumen fraction BV-43-81 by m/z 191 (hopanes) and m/z 217 (steranes).
для С29 стеранов составляет в исследуемых образцах величину 0.26-0.29. То есть результаты исследования стерановых углеводородов подтверждают вывод об отнесении ОВ сланцев к зоне протоката-генеза.
Соотношение регулярных стеранов состава С27:С28:С29 широко используется для получения данных об исходном ОВ и фациальных особенностей отложений [9, 10]. Если речь идёт о зрелом ОВ, то для получения численных данных об этом распределении в основном используется соотношение арр (20R+S) стеранов, которое определяется по площадям соответствующих пиков на масс-фрагментограмме по 218, иону, или, что предпочтительней по результатам анализа масс-фрагмен-тограмм М+' - 218, полученных методом GC-MS-MS. В нашем случае арр стераны конфигурации не идентифицируются. Поэтому нами рассчитано соотношение С27:С28:С29 стеранов по результатам определения ааа 20R стеранов на масс-фрагмен-тограмме по 217 осколочному иону. Содержание стеранов состава С29 в пробах Б. Восим превосходит содержание С27 и достигает 50% на сумму стеранов С27:С28:С29.Результаты исследования стерановых углеводородов находятся в согласии с обнаружением в составе алифатической фракции доминирующих н-алканов состава С27, С29, С31, С33, характерных для остатков терригенного органического вещества. Таким образом, можно заключить, что в данном местонахождении на формирование ОВ сланценосной толщи значительное влияние оказал привнос терригенного ОВ. При этом накопление первоначального осадка происходило в условиях восстановительной среды морского бассейна, о чём свидетельствуют низкая величина отношения Рг/РЬ|, а также геологические особенности пород.
Заключение
Представлена геолого-геохимическая характеристика пород разреза средне-волжской сланценосной толщи, вскрытой в обнажении р.Большой Восим (Архангельская область). Обнажение относится к Яренгскому сланце-носному району. Обнаружение в породах фораминифер зоны Lenticulina infavolgaen-sis - Saracen aria pravoslavelvi и аммонитов, соответствующих зоне Dorsoplanitespanderi, позволяет отнести исследуемые отложения средневолж-скому подъярусу поздней юры. В разрезе фиксируются повышенные содержания органического углерода, при малой доле в разрезе собственно горючих сланцев. Исследования молекулярного состава углеводородов биомаркеров позволили сделать вывод о крайне низкой степени зрелости ОВ, соответствующей середине протокатагенеза. Об этом факте свидетельствуют распределение гопановых углеводородов с доминирующими рр диастереомерами, а также отсутствие арр стеранов. В состав ОВ горючих сланцев внесли свой вклад как ОВ морского фитопланктона, так и ОВ терригенного происхождения. На это указывает распределение ааа 20R стеранов, в составе которых доминируют углеводороды состава С27 и С29, а также распределение н-алканов и изопре-ноидов.
Использовано оборудование ЦКП «Геонаука».
Работа выполнена в соответствии с темой НИР «Геология, условия формирования и неф-тегазоносность осадочных комплексов Северо-Востока европейской части России, органическая геохимия нефтей и доманикитов» ГР № AAAA-A17-117121270033-6.
Работа поддержана темой УрО РАН «Перспективные рудные районы севера Урала, Пай-Хоя и Тимана». № проекта 18-5-5-57. Номер госрегистрации АААА-А17-117121140076-3.
Литература
1. Зытнер И.Я., Зинченко ВА. Ресурсы горючих сланцев Коми АССР // Литология и ру-догенез осадочных толщ европейского Северо-Востока СССР. Сыктывкар: Коми кн. изд-во, 1982. С. 46-51. (Тр. IX геол. конф. Коми АССР. Кн. 3).
2. Капитанов В.М., Павлов А.М., Лыюров С.В. Яренгский сланценосный район // Горючие сланцы европейского Севера СССР. Сыктывкар, 1989. С. 63-82.
3. Лыюров С.В. Юрские отложения севера Русской плиты. Екатеринбург: УрО РАН, 1996. 139 с.
4. Анисимов ЮА., Васильева Л.Ф., Дедеев ВА., Капитанов В.М. и др. Прогноз сланценосно-сти Европейского Севера СССР. Сыктывкар, 1981. 36 с. (Сер. препринтов сообщений «Научные рекомендации - народному хозяйству»/ Коми фил. АН СССР. Вып. 29).
5. Чирва С.П.,Месежников М.С., Яковлева С.П. Верхнеюрские отложения Сысольского и Яренгского сланценосных районов Русской платформы // Изв. АН СССР. Сер. геол., 1988. №4. С.38-50.
6. Ветошкина О.С., Лыюров С.В., Бушнев ДА. Углерод-кислородная изотопия верхнеюрских фораминифер Saracenaria pravoslavlevi как показатель условий седиментации // Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН. Сыктывкар, 2013. №10. С. 7-11.
7. Бушнев ДА, Лыюров С.В. Органическая геохимия юрских отложений Сысольского сланценосного района (Республика Коми) // Геохимия. 2002. №2. С.220-227.
8. Бушнев ДА, Бурдельная Н.С. Органическое вещество и условия накопления кашпир-ских горючих сланцев // Геохимия. 2008. № 10. С.1037-1050.
9. Peters K.E., Walters C.C., Moldowan J.M. The biomarker guide: Biomarkers and Isotopes in Petroleum Exploration and Earth History. 2nd Ed. Cambridge University Press, Cambridge 2005. 1155 p.
10. Петров АлА. Углеводороды нефти. М.: Наука, 1984. 264 с.
References
1. Zytner I.Y., Zinchenko VA. Resursy goryuchih slancev Komi ASSR // Litologiya i rudogenez osadochnyh tolshch Evropejskogo Severo-Vostoka SSSR [Resources of oil shales of the Komi ASSR // Lithology and ore genesis of sedimentary strata of the European NorthEast of the USSR]. Syktyvkar: Komi Book Publ., 1982. P. 46-51. (Proc. of IX Geol. Conf. of Komi ASSR. Book 3).
2. Kapitanov V.M., Pavlov A.M., Lyyurov S.V. Yarengskij slancenosnyj rajon. // Goryuchie slancy evropejskogo Severa SSSR [Yarengsk shale-bearing area // Oil shales of the European North of the USSR]. Syktyvkar, 1989. P. 63-82.
3. Lyyurov S.V. Yurskie otlozheniya severa Russkoj plity [Jurassic deposits of the north of the Russian plate]. Ekaterinburg: Ural Branch, RAS, 1996. 139 p.
4. Anisimov Yu.A., Vasilyeva L.F., Dedeev V.A., Kapitanov V.M. et al. Prognoz slancenosnosti Evropejskogo Severa SSSR [Forecast of shale value of the European North of the USSR. Syktyvkar: Komi Brach, USSR Ac. Sci., 1981. 36 p. (Series of preprints "Scientific recommendations for national economy". Issue 29).
5. Chirva S.P., Mesezhnikov M.S., Yakovleva S.P. Verhney urskie otlozheniya Sysol'skogo i Ya-rengskogo slancenosnyh rajonov Russkoj plat-formy [Upper Jurassic deposits of Sysola and Yarengsk shale-bearing areas of the Russian platform] // Proc. of the USSR Ac. Sci. Series Geology, 1988. №4. P. 38-50.
6. Vetoshkina O.S., Lyyurov S.V., Bushnev DA. Uglerod-kislorodnaya izotopiya verhneyurskih foraminifer Saracenaria pravoslavlevi kak po-kazatel' uslovij sedimentacii [Carbon-oxygen isotopy of the Upper Jurassic foraminifers Saracenaria pravoslavlevi as an indicator of sedimentation conditions// Bull. of Inst. of Geology. Syktyvkar, 2013. №10. P. 7-11.
7. Bushnev DA, Lyyurov S.V. Organicheskaya geokhimiya Yurskikh otlozhenii Sysolskogo slancenosnogo raiona (Respublika Komi) [Organic geochemistry of Jurassic sedimentary deposits in the Sysola shale-bearing area (Komi Republic)] // Geochemistry Intern., 2002. № 2. P. 220-227.
8. Bushnev DA, Burdelnaya N.S. Organicheskoe veschestvo i usloviya nakopleniya Kashpirs-kikh goryuchikh slantsev [Organic matter and deposition conditions of the Kashpir Oil Shales] // Geochemistry Intern., 2008. № 10. P. 1037-1050.
9. Peters K.E., Walters C.C., Moldowan J.M. The biomarker guide: Biomarkers and isotopes in Petroleum Exploration and Earth History. 2nd Ed. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2005. 1155 p.
10. Petrov A.A. Uglevodorody nefti [Petroleum hydrocarbons]. Moscow: Nauka, 1984. 212 p.
Статья поступила в редакцию 20.04.2018.
