CC BY
43
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФОРМИРОВАНИИ СКОПЛЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ В ЗОНАХ РАЗУПЛОТНЕНИЯ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ КОРЫ
А.Н.Дмитриевский (ИПНГ РАН), И.Е.Баланюк, Л.Ш.Донгарян (Институт океанологии РАН),
А.В.Каракин (ВНИИгеосистем), Ю.А.Повещенко (Институт прикладной математики РАН)
Одним из важнейших достижений в науках о Земле явилось открытие тектонической расслоенно-сти земной коры — горизонтальных перемещений основных оболочек литосферы и верхней мантии*.
Результаты исследований глубинного строения земной коры последних лет подтверждают, что кора обладает сложной слоистой структурой и представляет собой “слоеный пирог", составленный из чередующихся жестких, сейсмически прозрачных и непрозрачных, податливых слоев. По комплексу геофизических данных податливые слои (волноводы) отождествляются с трещиновато-пористыми, насыщенными флюидами зонами. Объем этих флюидов достаточно велик и по некоторым данным [3] соизмерим с объемом вод Мирового океана. Такое количество воды значительно изменяет все геологические процессы в коре. Естественно, что наибольшее влияние флюиды оказывают в трещиноватых и сильнопроницаемых зонах, к которым относятся коровые волноводы.
Анализ магнитотеллурических данных, сейсмических разрезов и
результатов исследований глубоких и сверхглубоких скважин показывает, что кора разделена многочисленными трещиноватыми слоями, которые уходят до глубины ~25 км, образуя сложную слоистую систему [4].
Одним из важнейших достижений явилось заключение о том, что с глубиной меняется лишь режим разрушения, а сам факт разрушения прослеживается вплоть до низов коры. Когда сила кулоновского трения достигает предела прочности, тогда разрушение по магистральным разломам невозможно, среда становится охрупченной и деформации осуществляются в режиме катакла-стического течения. В этой среде и возникают волноводы, которые отождествляются с зоной неустойчивого разрушения. Однако эта схема является статической, поскольку не объясняет динамику коровых волноводов. В целях усовершенствования этой схемы была предложена динамическая автоколебательная модель коровых волноводов.
Из анализа лабораторных экспериментов следует, что трещиноватая среда коровых волноводов не
может выдерживать достаточно долго массу вышележащих слоев. Точно так же не существует абсолютно непроницаемых пород. Поэтому волноводы должны были бы за достаточно короткое время отжаться (а вода отфильтроваться наверх) и исчезнуть. Сам факт их наличия в течение длительного времени означает, что действует некий механизм, периодически возобновляющий их существование. В указанной модели предложен механизм автоколебаний, который выполняет эту функцию. В коре всегда существуют тектонические напряжения, которые создают в ней сдвиговые деформации. Эти деформации приводят к дилатансион-ному расширению (т.е. к увеличению объема трещин) в зоне корового волновода, что сопровождается резким уменьшением в ней порово-го давления (т.е. своего рода достигается вакуумный эффект). В результате происходит нагнетание флюидов в коровый волновод. Этот эффект известен давно и называется иногда тектоническим нагнетанием (рис.1).
* “Подвижные вещества могут перемещаться не только по порам, но и по трещинам и разломам, возникшим вследствие колебательных движений горообразовательных процессов. Под действием изгибающих усилий в отдельных пластах в толще горных пород образуются многочисленные трещины, облегчающие передвижение нефти и газа” [1].
Увеличение объема флюидов в волноводе приводит к его разжижению и релаксации в нем тектонических напряжений. В результате наступает следующая фаза — консолидация волновода с отжатием флюидов наверх. Эта фаза завершает цикл автоколебаний, который затем периодически повторяется.
На достаточно больших глубинах в крупных трещиноватых зонах (в волноводах, глубинных и лист-рических разломах) основу движения флюидов в верхней коре составляют вынужденные и автоколебательные движения. В верхних слоях коры трещиноватые зоны образуют более мелкие структуры вплоть до отдельных микроскопических трещин. Аналогично пространственной возникает временная иерархия процессов — от времени образования осадочных бассейнов до акустических и сейсмических явлений. Их объединяет одно обстоятельство — все они в той или иной степени участвуют в процессе формирования месторождений полезных ископаемых.
Важно отметить, что процессы, приводящие к образованию месторождений, являются существенно нелинейными. Если в них выделить обобщенные силы и потоки, то связывающие их кинетические коэффициенты не могут быть константами. В противном случае возвратно-поступательные движения не приведут к накоплению и концентрации различных веществ. Именно нелинейный характер большинства физико-химических и механических процессов приводит к направленному развитию геологических процессов и, в частности, к накоплению полезных ископаемых до формирования месторождений.
Формирование УВ-месторож-дений является сложным многофакторным процессом. Вполне возможно, что существуют разные источники образования месторождений. Кроме того, вполне вероятно наличие некоего режима движения флюидов, проявляющего двойственную физическую природу. Наблюдаемые явления этого процесса содержат элементы, которые можно
трактовать по-разному. Такой дуалистический механизм описывается моделью коровых волноводов.
В этой модели действуют два конкурирующих флюидодинамических процесса — компакция и дила-тансионное расширение. Их взаимодействие поддерживает волновод в состоянии динамического равновесия. Это равновесие проявляется в виде некоторого колебательного, или волнового, движения, в котором чередуются оба процесса. Волнообразные движения охватывают области континентальной коры размером порядка тысяч километров, т.е. размеров самих волноводов. Можно предположить, что периоды колебаний волновода находятся в пределах от тысяч до сотен тысяч лет. Однако техногенное воздействие на недра может существенно сократить время переходных вынужденных процессов в волноводах до сотен и десятков лет.
По степени интенсивности и масштабам действия — это один из самых действенных механизмов переноса флюидов в верхней коре за геологические промежутки времени. В самом деле, градиенты поро-вого давления в стадии компакции соизмеримы с градиентами геоста-тического давления. Не существует других природных процессов, в которых градиенты порового давления на больших расстояниях и за геологические масштабы времени по порядку значений были бы такими же. Например, при тепловой конвекции в пористых средах градиенты порового давления на два-три порядка меньше градиентов геостатического давления. Кроме того, зона действия тепловой конвекции очень мала и ограничена в основном окрестностью магматических интрузий и непосредственно районами действующих и потухших вулканов.
Периодически двигаясь вверх и вниз от волноводов и обратно к
Рис. 1. СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ВОЛНОВОДА
Залежи УВ: 1 — нефти, 2 — газа; стрелки — направления движения флюидов во время фазы компакиии над волноводом
ним, флюиды как бы промывают насыщенные углеводородами и минеральными веществами осадочные слои и создают предпосылки для образования как рудных тел, так и УВ-месторождений (см. рис. 1). При движении флюидов вверх из волноводов в фазе компакции они упираются в непроницаемые покрышки и создают аномально высокие пластовые давления (АВПД). Аналогично концентрации УВ происходят концентрация минералов и образование рудных месторождений. Существует много данных о том, что эти процессы происходят параллельно и даже иногда почти в одних и тех же местах. Флюиды могут мигрировать вдоль волноводов по латерали на большие расстояния порядка размеров самих волноводов. Предполагается, что этот механизм является одним из основных факторов, определяющих флюидодинамический режим континентальной коры на указанных расстояниях и за геологические масштабы времени.
Роль коровых волноводов в фильтрационных процессах различных геодинамических зон
Во-первых, сам факт существования волноводов вызывает периодические вертикальные движения флюидов вверх и вниз в выше- и нижележащие слои. Эти движения как бы “промывают” весь осадочный покров, увлекая за собой УВ. В итоге УВ, рассеянные первоначально по всему объему осадочного покрова, концентрируются в ограниченных зонах, образуя скопления.
Во-вторых волноводы обладают особыми реологическими свойствами. Вязкость их много меньше вязкости окружающих их пород. Когда в процессе субдукции надвигаемая плита “наезжает” на зону волновода, то условия субдуциро-вания резко улучшаются. Волновод играет роль “смазки” для трущихся друг о друга плит. В итоге поддви-гаемая плита имеет возможность продвинуться далеко вглубь в недра Земли. Это обстоятельство чрезвычайно важно как с точки зрения геодинамики зон субдукции, так и с позиций флюидного режима и миграции УВ.
В-третьих, наибольший интерес вызывает движение флюидов из
зоны субдукции (рис. 2). Отжимание флюидов вверх идет в режиме компакции многофазного (в частности, двухфазного) флюида. Режим компакции развивается на фоне медленных процессов, длящихся десятки миллионов лет, и характеризуется вязкими деформациями скелета. Между тем в зоне субдукции имеют место интенсивные сейсмические процессы. При сейсмическом сотрясении на короткое время открываются трещины, в окрестностях которых среда подвергается дилатанси-онному охрупчиванию. При этом происходят перераспределение по-рового давления и интенсивный переток флюидов. Эти быстрые процессы сопровождаются упругими деформациями скелета. Они резко ускоряют процесс концентрации и сегрегации флюидов и их подъем наверх. Образование и наполнение месторождений УВ в значительной степени связаны именно с быстрыми процессами.
На заключительном этапе развития бывшего осадочного бассейна, ставшего элементом зоны субдукции, начинается миграция флюидов из
Рис. 2. МЕХАНИЗМ ДВИЖЕНИЯ ФЛЮИДОВ В ЗОНЕ КОЛЛИЗИИ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ
На первом этапе образования осадочных бассейнов в пассивных окраинах континентов во флюидодинамическом режиме этих бассейнов доминирующую роль играют два явления — консолидация осадочного бассейна и автоколебания коровых волноводов. Консолидация охватывает зону до глубины ~ 10 км. В процессе консолидации флюиды устремляются вверх, частично унося с собой растворенные в них УВ. В нижней части осадочного бассейна на глубине от 10 до 20 км возникают коровые волноводы, которые охватывают не только осадочные породы, но и фундамент. Появление коровых волноводов приводит к некоторым геологическим следствиям.
Зона коллизии
1 — континентальная кора; 2 — мантийная часть литосферы; 3 — коровый волновод; 4 — осадки; 5 — залежи УВ
этой зоны вверх. Эта миграция длится десятки миллионов лет и состоит из нескольких взаимосвязанных процессов. Затянутые в зону субдукции осадки содержат значительное количество свободной и связанной воды, а также УВ. Количество свободной воды пополняется за счет дегидратации океанической коры и осадочных пород. Эти флюиды движутся в основном вдоль зоны субдукции по сообщающимся трещинам и разломам. Однако легкие фазы (УВ в газовой фазе) обладают высокой проникающей способностью и перемещаются не по наклонной плоскости зоны субдукции, а непосредственно вверх, образуя газоносные скопления в тыловой части островной дуги (см. рис. 2).
Влияние процессов фильтрации зон корового волновода на формирование залежей УВ
В качестве объекта исследования влияния флюидодинамического режима корового волновода на размещение в разрезе и по площади залежей нефти и газа рассмотрены нефтегазоносные бассейны, формирование скоплений УВ в которых связано с коллизией лито-сферных плит. Такие прогибы как Предверхоянский, Варандей-Адзь-винский, восточная и южная бортовые зоны Прикаспийской впадины развивались в сложных условиях конвергенции литосферных плит, и между ними есть явное сходство:
1) начальные стадии развития прогибов соответствуют пассивным окраинам континентов: ВосточноЕвропейской (Варандей-Адзьвинский и Кенкиякский прогибы, Каракуль-ско-Смушковская зона и Астраханский свод) и Восточно-Сибирской (Предверхоянский прогиб);
2) в рифее прогибы развивались как древние рифтовые зоны: Варандей-Адзьвинский и Предверхоянский прогибы, кряж Карпин-
ского, прошедшие авлакогеновую стадию формирования в условиях пассивных окраин;
3) бассейны прошли заключительную стадию своего развития в мезозое, когда на пассивные окраины континентов надвигались остро-водужные комплексы: Верхоянский, Пайхойский, Уральский, надвиги кряжа Карпинского.
Коллизионные события сопровождались интенсивным надвиго-образованием, формированием структурных планов прогибов (Хап-чагайский вал в Вилюйско-Пред-верхоянском регионе, валы Сорокина и Гамбурцева в Варандей-Адзьвинской зоне и Астраханский свод в бортовой зоне кряжа Карпинского). Эти события отмечались переформированием залежей УВ, характерной физико-химической зональностью, АВПД, повышенной трещиноватостью и разломной тектоникой, наличием зон с высокими значениями термодинамических параметров.
Импульсные флюидные процессы рассматривались на примере Предверхоянского прогиба. Комплексные исследования истории формирования Предверхоянского прогиба показывают, что в течение протерозойского, ранне- и позднепалеозойского периодов вдоль восточной окраины Сибирского континента формировалась обширная седиментационная призма толщиной 15-20 км. Начиная с юры к пассивной окраине Сибирского континента начинают примыкать Омолонский и Чукотский континенты. На дивергентных границах плит создаются избыточные давления, усиливается прогибание краевых участков окраины Сибирского континента, и уже в позднем мелу происходит окончательное формирование Предверхоянского прогиба с одновременным накоплением мощной терригенно-угле-носной формации.
Процесс надвигообразования сопровождался интенсивным выжиманием поровых вод и УВ из большей части осадочного клина, оказавшегося к этому времени в зоне коллизии плит. Процесс этот усиливался поступлением воды из более глубоких частей зоны коллизии — из корового волновода с глубин 10-15 км. Горячие воды, двигаясь вдоль напластований осадочных пород, должны были приводить к очень интенсивному вымыванию УВ и их миграции из зоны коллизии в сторону Предверхоянского прогиба и Вилюйской сине-клизы. Подтверждением миграции УВ из Предверхоянской зоны коллизии и зоны корового волновода является физико-химическая зональность распределения УВ. Указанная зональность прослеживается от под-надвиговых зон Предверхоянского прогиба к бортовым частям Вилюйской синеклизы.
Именно эту ситуацию мы и наблюдаем в Предверхоянском прогибе, когда под надвигами Верхоянской складчатой системы фиксируются чисто газовые залежи (Ба-даранское, Китчанское, Усть-Вилюй-ское месторождения и др.), а по мере приближения к фронтальной части все больше увеличивается доля тяжелых нефтей вплоть до битуминозных образований.
Особенность рассматриваемой Варандей-Адзьвинской зоны состоит в том, что в ее формировании большую роль играла древняя риф-товая зона, которая была заложена в рифее на пассивной окраине, принадлежащей к Европейскому континенту. Именно с этой древней риф-товой зоной связано образование значительных месторождений нефти и газа, окончательное формирование которых произошло на заключительной стадии развития прогиба в результате надвигания ост-роводужного Пайхойского комплекса.
Древний рифт образует сильнопроницаемую вертикальную зону, которая служит проводящим каналом для всех флюидов и углеводородных в частности. Механизм прокачивания флюидов через этот прогиб связан с автоколебаниями коро-вых волноводов. Именно здесь медленные процессы, происходящие в волноводе, трансформируются в импульсные движения флюидов. Наиболее вероятной причиной возникновения импульсов являются сейсмические сотрясения, которые образуют кластеры в пористой среде.
Проведенный количественный анализ массо- и флюидообмена в пределах Варандей-Адзьвинской структурной зоны показал, что миграция и аккумуляция нефти на изученной территории органично связаны с флюидным режимом и термодинамическими условиями корового волновода, расположенного на глубине —10-15 км. Некоторые закономерности увеличения с глубиной современных температур (без значительного разброса значений), а также уменьшение градиента начального пластового давления до гидростатического свидетельствуют о возможности перетока флюидов из корового волновода в импульсном режиме на большей части территории валов Сорокина и Гамбурцева. Нижнепермская и кынов-ско-саргаевская покрышки на этой части территории из-за их сильной тектонической нарушенности не могут сохранить энергию флюидов.
Вертикальная миграция флюидов по тектоническим нарушениям прослежена также по изменению минерализации, плотности и составу пластовых вод нефтяных месторождений. Наряду с закономерным увеличением минерализации со стратиграфической и гипсометрической глубиной (от 25 до 200 г/л) в нижнедевонском и силурийском комплексах на Осовейской, Медынской и Северо-Сарембойской структурах
отмечается сильное разбавление пластовых вод до 50-100 г/л.
Однако, учитывая преобладание в нижнем комплексе карбонатных пород, из которых отжатие пресных вод вряд ли возможно, а также специфику в поведении некоторых показателей (например, йода), можно предположить и иной механизм разбавления рассолов пресными водами, связанный с ко-ровыми волноводами. Другими словами, из зоны с высокими значениями температуры и давления (т.е. из зоны волновода) возможны прорывы по тектоническим нарушениям парообразных струй, способствующих резкому уменьшению минерализации пластовых вод.
В некоторых пробах пластовых вод отмечается высокое содержание йода — 151 мл/л (верхнедевонские отложения — Лабоганское месторождение). Такие высокие значения йода в отдельных частях разреза Варандей-Адзьвинской структурной зоны могут свидетельствовать о превалирующей роли конвективного массопереноса из зоны волновода в виде вертикальных потоков суб- и надкритических флюидов по зонам разломов до уровня экранирования, а затем в результате их трансформации в субгоризонтальные — в виде смешанного конвективно-диффузионного массобмена.
При изучении флюидообменных процессов необходимо учитывать данные о физико-химических свойствах и составе нефтей, их изменении по стратиграфическому разрезу. Плотность, содержание серы, смол и асфальтенов не меняются от нижней перми до триаса. В нижнем девоне и силуре плотность нефти, содержание серы уменьшаются, возрастает содержание твердых парафинов. В триасе и верхней перми наблюдается потеря легких фракций (3-7 %), между тем как в перми, девоне и силуре эти фракции составляют 16-17 %.
Таким образом, анализ формирования и размещения залежей нефти в Варандей-Адзьвинской структурной зоне на основе изучения флюидодинамических и геохимических критериев показал, что в северной и центральной зонах вала Сорокина и на валу Гамбурцева возможен сквозной перенос флюидов в импульсном режиме из нижних комплексов (й1-0) в верхние. При этом предполагается, что нижние комплексы подпитываются непосредственно из волновода.
Повышенное пластовое давление нижних комплексов, специфика состава вод и нефтей, насыщающих эти комплексы, возможно, связаны с вторжением этих флюидов из глу-бокопогруженных зон с высокими значениями температур и давлений в ордовикских и частично силурийских отложениях.
Особенность восточной бортовой зоны Прикаспия состоит в том, что в ее формировании большую роль играла Уральская складчатая система. Именно с этой древней зоной коллизии литосферных плит связано образование значительных месторождений нефти и газа. Древняя зона субдукции образует сильнопроницаемую разломную зону, активизирующуюся при коллизии [4]. Эта зона служит проводящим каналом для всех флюидов и углеводородных в частности.
В восточной части Прикаспийской впадины нефтяные скопления широко распространены там, где отмечаются более высокие значения геотермического поля и Ка (> 2) по сравнению с таковыми северной части, поэтому можно предположить, что восточная часть впадины благоприятна для формирования нефтей. Предположительно здесь наблюдается не растворение нефти в газе, а обратная картина — растворение газа в нефти (газовый фактор на месторождении Кен-кияк достигает 900 м3/м3).
На месторождении Жанажол зафиксированы элементы фильтрации. В индивидуальном УВ-составе этого месторождения пик приходится на соединения С19-С24 (50 %), С11-С18 (27,6 %), С25-С35 (22,4 %), т.е. нефти менее катагенетически
преобразованные, чем на Карачага-накском месторождении.
Изложенные материалы свидетельствуют о том, что большинство залежей УВ подсолевого комплекса имеют аллохтонный источник, который, по-видимому, располагается на
глубине, превышающей 7 км, в зонах трещиноватости верхней коры — коровом волноводе (см. рис. 1).
Образование и развитие гигантского Астраханского месторождения связано с движением флюидов по разломам, трассирующим надвиги кряжа Карпинского. Источником всех движений является горизонтальное напряжение в коре и литосфере, которое создается в результате глобальных геодинамических процессов, определяемых конвективными движениями в мантии [2].
Характер флюидного режима в глубоких разломах зависит от последовательно чередующихся в них процессов дилатансии и компакции. Расчеты показали, что при сдвиге в режиме дилатансии в разломе возникают такие отрицательные давления, которые создают мощный эффект нагнетания флюидов (Дмитриевский А.Н., Баланюк И.Е., Каракин А.В. и др., 2002).
В результате автоколебательных процессов в этих разломных зонах флюиды из разломов устремляются в окружающий массив пород. Сами массивы горных пород, образующие тела надвигов, являются малопроницаемыми. Однако в них есть проводящие ослабленные зоны, по которым происходит движение флюидов. В случае многофазного (в настоящей модели двухфазного) флюида эти движения являются достаточно сложными и претерпевают несколько стадий развития.
Первая стадия соответствует обычной фильтрации многофазного флюида, которая во многом аналогична движению однофазного флюида. Затем происходит пробой газовой фазой и наступает стадия реверсионных автоколебаний, обусловленных метастабильным состоянием слоистых пачек. Именно накопление газа в неустойчивых слоистых флюидоупорах и создает условия для образования месторождений-гигантов.
Рис. 3. МОДЕЛЬ ПРОДВИЖЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ УВ-ФЛЮИДОВ ПО ЗОНАМ ПОВЫШЕННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЧЕРЕЗ КАРАКУЛЬСКО-СМУШКОВСКУЮ НАДВИГОВУЮ ЗОНУ И АСТРАХАНСКИЙ СВОД
Каракульско-Смушковская ЗЮЗ надвиговая зона
Астраханский свод
всв
2-Долгожданная 1-Волочковская
1-Егинская II-Краснохудукская 2-Смушковская 4-Висаковская 1-Степновская 1-Пионерская 5-Астраханская З-Заволжская
Pik
■
R(?)-PZi
А
А — геологический профиль; Б — сетка аппроксимации по геологическому профилю; В — рассчитанные программой “ТЕКОН” скопления УВ: 1 — промышленные, 2 — перспективные
Разведанный среднедевонский комплекс Астраханского свода находится на глубине — 6,5 км, в то время как метастабильные слои располагаются несколько глубже, на глубине — 7,0-7,5 км. Они играют роль накопителя газа, который поступает в Астраханский массив. Термодинамические условия состояния УВ на этих глубинах соответствуют таковым неустойчивого состояния газоконденсата, поэтому УВ в этих пачках могут находиться в состоянии чистого конденсата.
В результате тектонических подвижек и изменения термобарических условий при миграции газоконденсат испытывает различные фазовые переходы с выделением легкоподвижной газовой фазы и жидких УВ. Косвенным свидетельством такого фазового перехода
может служить обнаружение нефтяной залежи (скв. 2 Володарская) на Астраханском массиве и предполагаемая залежь в среднем девоне (скв. 0-2).
По мнению авторов данной статьи, такой мощный механизм различных конкурирующих авто-волновых режимов движений флюидов может привести к формированию многих месторождений-гигантов, например таких как Астраханское газоконденсатное (рис. 3).
Предложенная концепция движения флюидов и образования УВ-месторождений основана на ав-товолновых процессах в коровых волноводах.
Следствием восходящих движений флюидов из зоны корового волновода являются проявления грязевого вулканизма, возникнове-
ние АВПД, фазовое распределение УВ, некоторые особенности развития соляной тектоники и многие другие явления.
Литература
1. Брод И.О., Еременко Н.А. Основы геологии нефти и газа. — М.: Гостоп-техиздат,1957.
2. Гулиев И.С., Павленкова Н.И., Раджабов М.М. Зона регионального разуплотнения в осадочном чехле ЮжноКаспийской впадины // Литология и полезные ископаемые. — 1988. - № 5. -С. 14-18.
3. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. — М.: Недра,1996.
4. Хаин В.Е. Глобальная геодинамика на пороге нового века // Геотектоника. — 2002. — № 4. — С. 3-13.
© Коллектив авторов, 2003
An unique mechanism of mass crust waveguide and fluid change associated with fractured zones of the Earth’s crust is presented in the article. Dynamic equilibrium existing in fractured zone — crust waveguides — originate as a result of combination of alternate action of compaction and delantation mechanisms. Results of numeric calculations of HC fluids movement regime from fractured zone along East and South edges of Pre-Caspian depression, Ti-mano-Pechora, Verkhneyannnye etc. are presented.
