CC BY
46
ГИДРОГЕННО-МИНЕРАЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ЗОНЫ КАТАГЕНЕЗА СЕВЕРНЫХ РАЙОНОВ ЗАПАДНО-СИБИРСКОГО МЕГАБАССЕЙНА
Дмитрий Анатольевич Новиков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект академика Коптюга, 3, заведующий Лабораторией гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири, тел. (383)363-80-36, e-mail: NovikovDA@ipgg.nsc.ru
Впервые проведено компьютерное физико-химическое моделирование равновесий в системе «вода-порода» для основных структур северных районов Западно-Сибирского мегабассейна. Установлены закономерности вертикальной литогидрогеохимической зональности в зоне катагенеза и выявлены её контролирующие факторы. Впервые выявлены равновесные составы подземных вод и параметры геохимической среды, являющиеся необходимым условием для формирования тех или иных минеральных новообразований.
Ключевые слова: система «вода-порода», литогидрогеохимическая зональность, гидрогенно-минеральный комплекс.
HYDROGENIC-MINERAL COMPLEXES OF THE CATAGENESIS ZONE IN THE NORTHERN WEST SIBERIAN MEGABASIN
Dmitry A. Novikov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (IPGG SB RAS), Acad. Koptyug av., 3, 630090, Novosibirsk, Head of Laboratory of hydrogeology of sedimentary basins of Siberia, tel. (383) 363-80-36, e-mail: NovikovDA@ipgg.nsc.ru
For the first time a computer physicochemical simulation of equilibriums in the "water-rock" system for the basic structures of the northern West Siberian megabasin was carried out. The patterns of vertical lithohydrogeochemical zoning in the catagenesis zone and its controlling factors were established. For the first time the equilibrium compositions of groundwaters and parameters of the geochemical media were identified, which are a prerequisite for various mineral new formations.
Key words: «water-rock» system, lithohydrogeochemical zoning, hydrogenic-mineral complex.
Применительно к осадочным бассейнам наиболее острой является проблема выявления природы и механизмов диагенетического и катагенетического преобразования погружающихся осадков. Долгое время эта проблема решалась чисто литологическими методами, но физико-химический механизм таких преобразований так и остался не раскрытым, поскольку эти исследования проводились в отрыве от состава подземных вод.
Уже более 30-ти лет назад в научной Сибирской гидрогеохимической школе, под руководством С.Л. Шварцева обоснован принцип равновесно-неравно-весного состояния системы вода-порода, который означает, что все природные воды всегда неравновесны с одними минералами (эндогенными),
которые они непрерывно растворяют, но в то же время они всегда равновесны с какими-то вторичными минералами, которые они постоянно формируют. Равновесно-неравновесное состояние системы вода-порода отражает ее внутренне противоречивый характер, определяющий ее способность к самопроизвольному, непрерывному, геологически длительному развитию с образованием принципиально новых вторичных минералов и геохимических типов воды, которые в совокупности следует именовать гидрогенноминеральными комплексами [1-5].
В рамках настоящей работы нами изучено равновесие подземных вод нефтегазоносных отложений с минералами вмещающих пород в северных районах Западно-Сибирского мегабассейна и выявлены гидрогеохимические и термодинамические условия гидрослюдизации. Установлено, что, несмотря на невысокую соленость исследуемых вод (до 67 г/дм ) и очень длительное взаимодействие их с горными породами (десятки, а возможно и сотни миллионов лет), равновесия с первичными (эндогенными) минералами альбитом, анортитом, микроклином практически не наблюдается. В то же время подземные воды равновесны с такими минералами как парагонит, маргарит, иллит, мусковит, Са-, Ка- и М^-монтмориллониты, реже с каолинитом и М^-хлоритом. Для нанесения данных по составу подземных вод нами использовались диаграммы из работ Х. Хельгесона, М. Бин Баккара и Б. Фрица [6, 7].
Наиболее сильно эпигенетическими процессами затронуты юрские отложения, что проявляется в широком распространении в них структур приспособления и внедрения. Количество базального и порового цемента заметно снижается с глубиной (единичные случаи присутствия в юрских отложениях), а увеличивается количество порово-плёночного, плёночно-порового и плёночного типов. Состав цемента широко представлен глинистыми и карбонатными разновидностями. Так, например, в продуктивных отложениях тюменской свиты (средняя юра) Западно-Славинского месторождения доминирует каолинизация глинистого цемента, выщелачивание и перекристаллизация неустойчивых обломочных зерен в кварц и глинистые минералы (каолинит, в меньшей степени в гидрослюду) (рис. 1) [8].
Результаты рентгено-структурного анализа осадочных пород свидетельствуют о качественных и количественных минералогических изменениях в глинах/аргиллитах и в составе глинистого цемента песчаников/алевролитов. В песчаниках/алевролитах и глинах/аргиллитах с глубиной увеличивается доля гидрослюд и смешанно-слойных образований, содержания хлорита в целом также увеличиваются, но наибольшее количество хлорита в составе цемента характерно для пород неокомского комплекса.
Распределение и количественные расчёты по составу глинистой составляющей как в песчаниках/алевролитах, так и в глинах/аргиллитах свидетельствуют о процессах стадиального изменения пород. Интенсивность преобразования минералов увеличивается с глубиной и в тех и в других породах, но в глинах/аргиллитах на любой стадии количественные масштабы преобразования минералов выше. Однако, преобразование глинистых
минералов в зернистых породах идёт иным путём, нежели в глинах - путём синтеза, т. е. осаждением из раствора.
Рис. 1. Эпигенетические изменения пород-коллекторов тюменской свиты Западно-Славинского месторождения (по Кузьмину, Ивановой, Хайновской, 2011):
а - фрагмент снимка с одиночной открытой порой, окруженной остроугольными, иногда выщелоченными, реже частично регенерированными обломочными зёрнами кварца, отмечаются аргиллизированные обломочные зёрна, сложенные эпигенетическим каолинитом; б - фрагмент снимка с морфологией терригенного обломочного зерна хлорита магнезиально-железистого состава, а также плотными агрегатами порового эпигенетического каолинита; в - крупно-среднезернистый песчаник с открытой порой, окруженной регенерированными зёрнами и новообразованными кристаллами, в поре отмечаются эпигенетические глинистые минералы, представленные каолинитом, справа от поры отмечается терригенный обломок хлорита; г - фрагмент снимка с морфологией регенерированных обломочных зёрен кварца, а также аргиллизированным обломочным зерном, сложенным мелкозернистыми агрегатами каолинита с небольшой примесью гидрослюды и ангидрита; д - фрагмент снимка с морфологией аргиллизированного зерна, сложенного каолинитом; с зёрнами аргиллизитов связана остаточная вода, содержащаяся в многочисленных мелких порах, присутствующих между зёрнами и кристаллами каолинита; е - фрагмент снимка с микрозернистым строением аргиллизита, сложенного агрегатами каолинита и мелкими чешуйками гидрослюды
Анализ термодинамических диаграмм с нанесением точек активностей компонентов состава подземных вод показал, что данные точки локализуются в основном в полях устойчивости слюдистых (мусковит, парагонит, маргарит) и глинистых (каолинит, иллит, монтмориллонит) минералов. Ограниченное число точек попадает в поля устойчивости полевых шпатов, за исключением анортита. На диаграммах стабильности магниевых минералов наблюдается плотное, практически линейное расположение точек в поле Mg-хлорита, Mg-монтмориллонита и в меньшей степени каолинита. Все воды насыщены
относительно карбонатных минералов (кальцита и доломита). Воды современных морей и океанов равновесны со слюдистыми минералами различного состава, изученные седиментогенные воды частично унаследуют это, а частично находятся в равновесии с глинистыми минералами: в системах БьА1-Ка, БьА1-Са - с каолинитом и монтмориллонитами соответствующего состава, а в системе Б1-А1-К - с иллитом. Причем в системах БьА1-Ка и Б1-А1-К отчетливо наблюдается смещение точек состава вод более погруженных горизонтов в поле полевых шпатов (альбита и микроклина). Такая направленность процесса подтверждается и литологическими наблюдениями: с глубиной возрастает встречаемость и количество новообразованного альбита и иллита в песчано-алевритовых породах изучаемых отложений. Каолинит же, не являясь устойчивым минералом, в ходе позднего катагенеза и особенно метагенеза в конечном итоге преобразуется в другие глинистые и слюдистые минералы и практически не встречается в породах метаморфических фаций.
В результате физико-химических расчётов выявлены различия в составе подземных вод зоны катагенеза, равновесных с различными вторичными (каолинит, иллит, Mg-, Са- и Ка-монтмориллонит, Mg-хлорит, маргарит, парагонит, мусковит) и значительно реже с первичными алюмосиликатными минералами (альбит и мусковит). При этом не установлено подземных вод насыщенных по отношению к анортиту, что является закономерным для нефтегазоносной системы Западно-Сибирского мегабассейна.
Установлено, что основными контролирующими факторами при эволюционном развитии системы является рН среды и концентрация в растворе кремнезёма. На пути установления равновесия подземных вод с первичными алюмосиликатными минералами всегда выступает карбонатный барьер. Анализ изменения значений рН и содержаний Н43Ю4 в подземных водах, равновесных с последовательно расположенными минералами от глинистых к эндогенным алюмосиликатам, свидетельствуют о закономерном возрастании величин этих показателей и в общем виде подчиняется схеме эволюции системы вода-порода в зоне гипергенеза [9]. Установлено, что формирование широко распространённого каолинитового цемента протекает в около нейтральной среде (в среднем рН = 7,2) при концентрации кремнезема в растворе 15-20 мг/дм , а образование аутигенного иллита (гидрослюдизация) начинает проявляться при концентрациях кремнезема в растворе 25-40 мг/дм и рН среды около 7,3-7,4. Различные содержания катионов (К+, Ка+ и Mg2+) в составе подземных вод, равновесных с алюмосиликатными минералами являются следствием количественных и качественных вариаций их вхождения в кристаллическую структуру глинистых и слюдистых минералов, а также ионнообменными свойствами глин.
Таким образом, различия в составах подземных вод, равновесных с определёнными алюмосиликатами и карбонатами свидетельствуют о том, что минеральные новообразования формируются из раствора строго определённого химического состава в соответствующей геохимической среде. Решающее влияние на результат гидролиза силикатов оказывает содержание в пластовых водах соединений кремния. Более низкие концентрации Н43Ю4 приводят к
образованию иллита, более высокие к образованию хлоритов и проявления процессов вторичной альбитизации.
Неравновесность системы вода - первичные алюмосиликаты приводит к непрерывному геологически длительному процессу их растворения с образованием все новых и новых разнообразных вторичных минералов. При этом в воде концентрируются те химические элементы, которые не связываются минеральными фазами (хлор, натрий, иногда кальций, фтор и др.). Все это определяет целенаправленное изменение состава подземных вод.
Из вышесказанного следует, что термодинамический анализ вместе с детальными исследованиями геохимии подземных вод и литологии вмещающих их отложений показал, что взаимоотношения в системе алюмосиликаты -подземные воды являются довольно сложными и носят равновеснонеравновесный характер. Установлены равновесные составы вод, которые, при строго определенной рН среды и концентрации кремнезема служат источником для образования равновесных минеральных фаз, в том числе и иллита.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 10-0500442).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шварцев С. Л. О соотношении составов подземных вод и горных пород // Геология и геофизика, 1992, № 8, с. 16-50.
2. Шварцев С.Л. Взаимодействие воды с алюмосиликатными горными породами. Обзор // Геология и геофизика, 1991, №12, с. 16-50.
3. Шварцев С. Л. К проблеме самоорганизации геологической системы вода - порода // Геология и геофизика, 1995, № 4, с. 22-29.
4. Шварцев С.Л. Прогрессивная самоорганизация в системе вода-порода // Известия секции наук о Земле РАЕН, 2005, № 13, с. 139-152.
5. Шварцев С. Л. Взаимодействие в системе вода-порода как новая база для развития гидрогеологии // Тихоокеанская геология, 2008, том 27, № 6, с. 5-16.
6. Helgeson H.C. Thermodinamics of hydrothermal systems at elevated temperatures and pressures. // Amer.J.Sci., 1969, v.267, № 7, p. 729-804.
7. Ben Baccar M., Fritz B. Digenetic albitization of K-feldspar and plagioclase in sandstone reservoirs: thermodynamic and kinetic modeling. // Journal of sedimentary Petrology, 1993, v.63, № 6, November, p. 1100-1109.
8. Кузьмин Ю.А., Иванова Н.А., Хайновская Я.А. Влияние эпигенетических процессов на фильтрационно-емкостные свойства пород - коллекторов тюменской свиты Шаимского НГР. // Труды 14-ой научно-практической конференции «Пути реализации нефтегазового и рудного потенциала Ханты-Мансийского автономного округа - Югры», Т 1, Ханты-Мансийск, ИздатНаукаСервис. - 2011. С.281-286.
9. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. 2-е изд., исправл. и доп. М.: Недра, 1998, 366 с.
© Д.А. Новиков, 2012
