CC BY
53
РАЦИОНАЛЬНОЕ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЕ
РЕКОНСТРУКЦИЯ ТЕРМОТЕКТОНИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ ОСАДОЧНЫХ БАССЕЙНОВ С ПОМОЩЬЮ ДАТИРОВАНИЯ ДЕТРИТОВЫХ АПАТИТОВ МЕТОДОМ (U-TH)/HE
Ф.Р. Абдуллин1, Н.В. Павлинова2
'Universidad Nacional Autónoma de México, Instituto de Geología
2Инженерный факультет Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198
Рассматривается использование детритового апатита в качестве естественного термохронометра при помощи датирования по системе (U-Th)/He и его применение для термотектонических реконструкций осадочных бассейнов и прогноза нефтегазоносности.
Ключевые слова: термохронолонгия, осадочный бассейн, (U-Th)/He, зона частичной задержки гелия, апатит, циркон, титанит, палеотемпература.
Введение. С конца XX в. подавляющее число геологов придерживается оса-дочно-миграционной теории нефтегазообразования, связанной с процессом устойчивого погружениия бассейна. Длительное прогибание территории и быстрое накопление мощной толщи отложений является причиной диа- и катагенеза, в процессе которого под действием повышения температуры и давления происходит биохимическое превращение рассеянного органического вещества (РОВ) в керо-ген — главный источник углеводородов (УВ).
В настоящее время, по мнению многих исследователей, одним из главных агентов, под действием которого происходит возникновение нефтегазопроизводя-щих толщ, является температура [1—4; 12; 15; 18; 19].
Температурные условия оказывают огромное влияние на степень преобразования РОВ, фазовое состояние УВ и их миграционные свойства, поэтому данные о палеотермических обстановках недр позволяют судить о характере процессов образования и скопления нефти и газа в осадочных толщах [1—3; 15].
Эмпирически обосновано, что для образования значительных скоплений нефти в осадочных бассейнах необходимо наличие геотермического градиента величиной 25—50 °С/км и выше; высокий темп осадконакопления (40—80 м/млн лет); скорость нагрева горных пород должна находиться в интервале 1—10 °С/млн лет [3; 12]. По опубликованным в литературе сведениям, главная фаза нефтеобразова-
ния (ГФН) расположена в интервале температур 60—140 ± 20 °С, в то время как генерация газообразных УВ осуществляется в более широком диапазоне температур, характеризующем этапы начиная с седиментогенеза до метаморфизма. Однако главной фазой газообразования (ГФГ) принято считать температуры от 140 ± 20 до 240 ± 20 °C [1—4; 12; 15].
При поисково-разведочных работах (ПРР) для оценки перспектив нефтегазо-носности осадочных бассейнов широко применяются различные термохронологические исследования. В настоящее время наряду с традиционными методами (например, определение величины отражательной способность витринита) стали использовать радиоизотопное датирование по системе (U-Th)/He, которое позволяет не только констатировать палеотемпературы, но и проследить их изменение в геологическом времени. Применяя данный метод, можно получить подробную картину термотектонической эволюции нефтегазоносных бассейнов и тем самым избежать серьезных рисков при ПРР [4; 12].
Датирование детритового апатита методом (U-Th)/He. Метод датирования с помощью системы (U-Th)/He (или датирование по гелию) основан на естественном образовании атомов гелия в результате распада радиоактивных изотопов урана и тория. Иными словами, материнские изотопы 238U, 235U и 232Th распадаются
238 207 206
на дочерние изотопы 238Pb, 2°'Pb и Pb соответственно, освобождая при каждой реакции атомы 4He (а-частицы), электроны (в-частицы) и энергию. Атомы гелия, произведенные таким образом, задерживаются в кристаллической решетке минералов, поэтому, зная содержание задержанного He и концентрации U и Th, можно определить возраст минерала. Задержка He в минералах может быть только при относительно низкотемпературных условиях. Например, в апатитах при температуре больше 40 °C атомы He начинают освобождаться из кристаллической решетки за счет диффузии [5; 6; 9].
Многочисленные исследования и лабораторные эксперименты позволили определить зону частичной задержки гелия (ЗЧЗГ) (Helium Partial Retention Zone, HePRZ). ЗЧЗГ для апатитов находится в температурном интервале 40—70 °C [5; 6]. Это означает, что при температурах выше 70 °C атомы He освобождается из кристаллической решетки апатита, и в этом случае возраст минерала, определенный по гелию, будет стремиться к 0Ма (эффект «омоложения»), а при температурах меньше 40 °C практически все атомы He сохраняются в кристаллической решетке. Датирование апатитов по гелию можно описать следующим математическим уравнением (основное уравнение):
[4He] = 8 • [238U] • (eX238U ' t - 1) + + 7 • [235U] • (eX235U • t - 1) + 6 • [232Th] • (eX232Th • t - 1);3
где [4He], [238U], [235U] и [232Th] представляют собой замеренные концентрации соответствующих изотопов (причем, 235U = 238U • 137,88); t — время аккумуляции He или возраст по гелию и Я — постоянная радиоактивного распада (X238U = 1,551 • 10 ; A235U = = 9,849 • 10-10; X232Th = 4,948 • 10-11 лет-1).
Важным моментом в проведении такого анализа является сепарация акцессорных минералов, которая проводится стандартными методами с использованием вибрационного стола, электромагнитного сепаратора, тяжелых жидкостей и т.д.
Для радиоизотопного анализа по системе (U-Th)/He рекомендуется использовать идиоморфные кристаллы апатита, которые должны быть без трещин, без флюидных включений, приблизительно одного и того же цвета и размером более 50— 60 мкм [6]. Иными словами, процесс диффузии гелия и температура закрытия системы для апатита напрямую зависят от скорости охлаждения горных пород и размера кристаллов [5].
В настоящий момент вопрос о ЗЧЗГ для других акцессорных минералов все еще остается недостаточно изученным, хотя работами отдельных авторов установлено, что ЗЧЗГ для цирконов находится в температурном интервале между 130 и 200 °C [10], а у сфена (титанита) ЗЧЗГ находится в интервале 150—200 °C [6].
Для проведения и интерпретации результатов данного радиоизотопного анализа необходимо учитывать следующие фундаментальные законы литогенеза и нафтидогенеза.
1. Практически любой осадочный бассейн является своего рода «свалкой», которая принимает обломочный материал из различных источников сноса, поэтому в одних и тех же терригенных породах могут встречаться разные семейства одного и того же акцессорного минерала, которые отличаются по геохимическому составу (особенно элементы примеси и РЗЭ), морфологии кристаллов, цвету и т.д. Иначе говоря, акцессорные минералы, относительно устойчивые к физико-химическому выветриванию, сохраняют генетическую информацию своих материнских пород. Например, цирконы из терригенных пород могут сохранить информацию о возрасте кристаллизации своих первых материнских магматических пород до третьего и более цикла седиментогенеза.
2. Современный геотермический градиент в разных точках нашей планеты сильно варьирует в зависимости от тектонической обстановки, скорости осадко-накопления, петрографического и литологического состава горных пород и их теплопроводности, проявления магматизма, соленого диапиризма и т.д. Среднее значение геотермического градиента считается равным 25—33 °С/км [13].
3. Эмпирически считается, что в геологическом прошлом средний геотермический градиент был на порядок выше (палеогеотермический градиент). Каждые 50 Ма палеогеотермический градиент менялся на 20% относительно последней точки отсчета [3]. Другими словами, положение изотерм изменяется во времени (палеоизотермы).
4. Охлаждение осадочных горных пород в определенной зоне бассейна может быть результатом произошедших различных тектонических движений и/или эрозионных процессов.
5. Температура — один из факторов, контролирующих нафтидогенез, и влияющих на физико-химические характеристики и миграционные свойства УВ, которые, в свою очередь, могут положительным или отрицательным образом сказаться на процессе добычи (например, вязкость и плотность нефти) [3].
Комбинирование системы (U-Th)/He с трековым датированием. Существует традиционный и широко используемый метод в качестве термохронометра детритовых минералов, который в отечественной литературе называется как трековое датирование (Fission-Track Analysis, FTA) [12]. Комбинация вышеописанного метода (U-Th)/He с трековым датированием является очень привлекательной техникой для геологов-нефтяников. Трековое датирование в апатитах позволяет
охватить для исследований температурный интервал 60—120 °C (зона частичного отжига треков, ЗЧО), который близок к главной фазе нефтегенеза (ГФН) (60—140 ± ± 20 °C) [4; 12]. Преимуществом трекового датирования является то, что метод не требует специального масс-спектрометра. Анализ проводится с помощью электронного микроскопа. В последние годы некоторые авторы успешно работают над усовершенствованием метода трекового датирования [16], чтобы избежать проблем, связанных с необходимостью использовать искусственное облучение кристаллов. Было установлено, что трековое датирование можно проводить химическим способом в единичных кристаллах апатита напрямую (без предварительного облучения) с помощью LA-ICP-MS (Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry).
По предположению некоторых авторов [13; 19], ЗЧО титанитов и цирконов находятся в геотермических интервалах, соответственно, 265—310 °C и 210— 290 °C. Таким образом, вышеперечисленные радиоизотопные методы (датирование по гелию и трековое датирование) дополняют друг друга и позволяют охватить больший температурный интервал для термо-тектонических реконструкций осадочных бассейнов (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения ЗЧО и ЗЧЗГ в апатитах (Ap), цирконах (Zr) и титанитах (Ti) по отношению к ГФН и ГФГ [1 —3; 5—12; 15; 17]. Для сравнения, приводятся: индекс кристалличности иллита (Kibler index of illite «crystallinity»), который рассчитывается на дифрактограммах по ширине пика 10-А (001 отражение иллита) на 1/2 h [14]; I-M — процентное содержание иллита-мусковита в смешаннослойных иллит-смектитовых глинистых минералах (I/S) [13]; R° — отражательна
способность витринита
Выводы. В целом, к вопросу о термо-тектонической реконструкции осадочных бассейнов с помощью радиоизотопных методов необходимо отнестись с позиции четырехмерного или даже пятимерного моделирования (т.е. тектоническая эволюция осадочного бассейна и изменение изотермического рельефа в пространстве и в геологическом времени).
Учитывая все ранее изложенное, можно сказать, что радиоизотопные методы имеют следующие преимущества:
— методы могут быть применены для осадочных бассейнов со сложным тектоническим развитием;
— возможно применение метода для исследования термо-тектонической эволюции предполагаемых структурных ловушек;
— метод использует широко распространенные акцессорные минералы (апатит, циркон, титанит и т.д.) в терригенных осадочных породах (песчаники, алевролиты и т.д.);
— метод (U-Th)/He позволяет рассчитывать палеотемпературы (палеоизотер-мы) и время температурного воздействия на горные породы с точностью до ±5%;
— использование метода (U-Th)/He в комбинации с трековым датированием позволяет, во-первых, контролировать полученные одним из методов результаты и, во-вторых, охватить достаточно большой геотермический диапозон для термотектонических исследований (приблизительно от 40 до 310 °C и более);
— в отличие от других (кристалличность иллита, изучение смешанно-слой-ных смектит-иллитовых глинистых минералов и R°), радиоизотопные методы дают подробную информацию о термо-тектонической эволюции осадочных бассейнов, так как позволяют проследить изменение палеотемпературы в геологическом времени.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Tissot B.P., Welte D.H. Petroleum formation and occurrence. — New York: Springer-Verlag, 1984.
[2] Vassoevich N. V. Selected works. Geochemistry of organic matter and origin of petroleum. — M.: Nauka, 1986.
[3] Бурцев М.И. Поиск и разведка месторождений нефти и газа: Учебник. — М.: Изд-во РУДН, 2006. [Burtsev M.I. Poisk i razvedka mestorogdenij nefti i gaza: Uthebnik. — M.: Izd-vo RUDN, 2006.]
[4] Crowhurst P. V., Green P.F., and Kamp P.J.J. Appraisal of (U-Th)/He apatite thermochronology as a thermal history tool for hydrocarbon exploration: an example from the Taranaki Basin, New Zealand // AAPG Bull. 86 (10), 2002, 1801—1819.
[5] Farley K.A. Helium diffusion from apatite: general behavior as illustrated by Durango fluorapatite // J. Geophys. Res., 2000. 105:2903—14.
[6] Farley K.A. (U-Th)/He dating: techniques, calibrations, and applications. In Noble Gases in Geochemistry and Cosmochemistry // Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2002, 47:819—44. Chantilly, VA: Mineral. Soc. Am., Geochem. Soc.
[7] Fleischer R.L., Price P.B., and Walker R.M. Nuclear Tracks in Solids. Berkely // Univ. Calif. Press., 1975, 605 pp.
[8] Ketcham R.A., Donelick R.A., and Carlson W.D. Variability of apatite fission-track annealing kinetics. III. Extrapolation to geological time scales // Amer. Mineral. 1999, 84:1235—55.
[9] Reiners P. W., Brandon M.T. Using thermochronology to understand orogenic erosion // Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 2006, 34:419—66.
[10] Wolfe M.R., and Stockli D.F. Zircon (U-Th)/He thermochronometry in the KTB drill hole, Germany, and its implications for bulk He diffusion kinetics in zircon // Earth and Planetary Science Letters, 2010, 295:69—82.
[11] Coyle D.A., and Wagner G.A. Positioning the titanite fission-track partial annealing zone // Chemical Geology, 1998, 149:117—125.
[12] Соловьев А.В. Термальная история нефтегазоносных бассейнов: метод трекового датирования детритового апатита // Бурение и нефть. — 2009. — № 3. — С. 26—27. [Soloviev A.V. Termalnaja istorija neftegazovyh bassejnov // Burenie i neft — 2009. — № 3. — S. 26—27.]
[13] Collo G., Do Campo M., y Astini R.A. Caracterización mineralógica, microestructural e historia posdeposicional de la Formación La Aguadita, Sistema de Famatina, La Rioja, Argentina. Revista Mexicana de Ciencias Geológicas. Vol. 22, núm. 3, p. 283—297.
[14] Kübler B., and Jaboyedoff M. Illite crystallinity: concise review paper. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences-Series IIA-Earth and Plan. Sc., 2010, V. 331, issue 2, pp. 75—89.
[15] Quigley T.M., and Mackenzie A.S. The temperature of oil and gas formation in the subsurface // Nature, 1988, v. 333, pp. 549—552.
[16] Noriko Hasebe, Jocelyn Barbarand, Kym Jarvis, Andrew Carter, and Anthony J. Hurfor Apatite Fission-Track chronometry using laser ablation ICP-MS // Chemical Geology, 2004, v. 207, pp. 135—145.
[17] Wagner G.A., and Van den Haute P. Fission-track dating. Verlag, Stuttgart, 1992, 1—285.
[18] Бурцев М.И. Поиск и разведка месторождений нефти и газа: Учебник. — М.: Изд-во РУДН, 2006. [Burtsev M.I. Poisk i razvedka mestorogdenij nefti i gaza: Uthebnik. — M.: Izd-vo RUDN, 2006.]
[19] Карцев А.А., Лопатин Н.В., Соколов Б.А. и др. Торжество органической (осадочно-миг-рационной) теории нефтеобразования к концу ХХ в. // Геология нефти и газа. — 2001. — № 3. — С. 2—5. [Kartsev A.A., Lopatin N.V. i dr. Torgestvo organitheskoj teorii nefteobrazova-nija k kontsu XX v. // Geologija nefti I gaza. — 2001. — 3. — S. 2—5.]
THERMOTECTONIC HISTORY RECONSTRUCTION OF SEDIMENTARY BASINS USING (U-TH)/HE DATING OF DETRITAL APATITES
F.R. Abdullin1, N.V. Pavlinova2
'National Autonomous University of Mexico, Geological Institute 2People's Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198
This paper discusses the dating of detrital appatite with (U-Th)/He metod and its application for the thermotectonic history reconstruction of sedimentary basins and hydrocarbon exploration.
Key words: thermochronology, sedimentary basin, (U-Th)/He, helium partial retention zone, apatite, zircon, titanite, paleotemperature.
