геофлюиды, вода и нефть, генезис и миграция в земной коре

ГЛУБИННОСТЬ НЕФТИ И ВОЗМОЖНЫЕ ИСТОЧНИКИ ВЕЩЕСТВА ФЛЮИДОВ.
Готтих Р.П1., Писоцкий Б.И2.
ВНИИГеосистем, Москва, ИПНГ РАН, Москва, pisotskiy@list.ru
Глубинные углеводороды, глубинная нефть, глубинные флюиды. По нашему мнению эти
понятия в настоящее время достаточно размыты. Что имеется в виду, о чем идет речь? Это
УВ глубоких зон осадочных бассейнов, восстановленные флюидные системы,
формирующиеся в мантии и в последующем «впрыскивающиеся» по разломам в пределы
земной коры или это УВ возникающие при избыточном прогреве осадочных толщ за счет
глубокостоящих магматических очагов? Каковы термодинамические параметры флюидных
систем на тех или иных уровнях геологических разрезов, каков их состав? Или же достаточно
только признать восходящий характер миграции углеводородов для того, чтобы они
назывались глубинными? Ответ на эти вопросы и предопределит, надо полагать, комплекс
методов для прогноза и поиска УВ-скоплений в тех или иных регионах страны.
Из анализа строения и геодинамической истории развития осадочных депрессий в
земной коре и приуроченных к ним НГО и НГП следует, что формирование скоплений нефти и
газа в последних, по-видимому, проходит далеко по не сходным сценариям и определяется
комплексом причинно-следственных связей.
Обзор некоторых опубликованных материалов [1,2,4,10,11,12,13] показывает, что
представления об образовании скоплений УВ, исходя из геодинамических концепций,
несмотря на некоторые отличия, в основном сводятся к следующему. По мнению одних
исследователей, главные пояса нефтегазоносности приурочены к пассивным окраинам
континентов – современным и древним (В.Е.Хаин и др.). Платформенные борта бассейнов
испытывали на начальных стадиях геодинамического развития эпизоды рифтинга и
сопутствующего апвелинга астеносферы, вызвавшие утонение континентальной коры. На
этапе рифтинга, в условиях растяжения и интенсивных нисходящих движений происходило
накопление осадочных толщ значительной мощности на фоне повышенного теплового
потока, что обеспечивало генерацию микронефти. Интенсивный прогрев осадочных
комплексов осуществлялся вследствие приближенного положения мантийного диапира,
нагретого до температуры свыше 1200оС. Горячие флюидные потоки, cостоящие из струй
паров воды, углекислого газа, водорода, гелия, метана, представляли собой как продукты
вещества мантии, так и газообразные продукты, генерируемые породами нижних слоев
осадочной толщи, находящимися в главной зоне газообразования, и газов метаморфических
пород. Данные флюиды, перемещающиеся снизу вверх по зонам дробления пород,
выступают и как элементы тепломассопереноса, так и как мощное средство извлечения
«зрелых» нефтяных УВ из нефтематеринских пород, перемещая их в коллекторские
горизонты и ловушки (Хаин В.Е., Соколов Б.А.).
На последующем этапе сжатия (коллизии) образуются надвиговые деформации уже в
пределах перикратонных погружений и возможно перераспределение углеводородов,
образовавшихся на первой стадии, опять же в условиях повышенного теплового потока, но
уже обусловленного сжимающими напряжениями. Дополнительным источником нефтяных УВ
могут служить те же обогащенные ОВ породы рифтогенной стадии, а также их орогенные
аналоги, вовлеченные в деформации. В зонах дислокаций, благодаря интенсивному
дроблению пород и генерации тепла в осадках с ОВ, имеет место преобразование
последнего в УВ. Силы горизонтального сжатия вызывают интенсивную трещиноватость,
раздробленность и рассланцевание механо-кластических пород со свойствами вторичных
коллекторов, а протяженные разломы, контролирующие надвиговые пластины, служат путями
миграции УВ в направлении платформы. Отмеченная пространственная совмещенность
покровно–складчатых структур с очагами землетрясений позволяет включить и
механохимический фактор в синтез углеводородов (Черский Н.В.,Царев В.П., Сизых В.И. и
др.). Протяженные разломы, контролирующие надвиговые пластины, служат путями миграции
УВ, которая облегчается в результате резкого снижения давления в зонах секущих разломов.
Создается контрастная обстановка с большим перепадом давления, что способствует
увеличению подвижности флюидов и миграции из областей повышенных давлений. То есть,
Всероссийская конференция по глубинному генезису нефти, 1-е Кудрявцевские чтения, Москва, ЦГЭ, 22-25 октября 2012
эмиграция УВ – не пассивное отжимание флюидов, а периодически взрывной процесс,
сопровождающийся выбросом струйчатых потоков сжатых газов в водонасыщенные
коллекторы (Грамберг И.С., Супруненко О.И.).
Другая группа исследователей (Сорохтин О.Г., Гаврилов В.П., Ушаков С.А и др.) считают
наиболее благоприятными обстановками для нефтегазообразования и нефтегазонакопления
– субдукционно-обдукционные и, в меньшей степени, рифтогенные. Субдукционнообдукционная модель характерна для зон субдукций, расположенных по окраинам
континентов, и коллизионных зон столкновения континентов при закрытии океанических
бассейнов. Затягивание осадков с большим количеством ОВ (аккреционные призмы) в зону
поглощения, где отмечаются жесткие термобарические условия (100-400 0С), способствует
быстрому (1-2млн. лет) превращению ОВ в рассеянную капельно-жидкую нефть и газ.
Последние мобилизуются и вовлекаются в общий глубинный водоминеральный поток
термальными водами, которые возникают при дегидратации океанической литосферы в зонах
субдукции. Считается, что обдукционный механизм (надвигание островной дуги или края
континента на пассивную окраину другого континента), более нефтеобильный и по
масштабам существенно превосходит субдукционный. Кроме того, указанные фазы эволюции
литосферы характеризуются максимальной раскрытостью недр, что создаёт благоприятные
условия для взаимного обмена флюидами поверхностных и глубинных сфер, на что указывал
в свое время Б.А.Соколов, разрабатывавший свою модель нефтегазообразования.
Таким образом, сравнительный анализ геодинамических обстановок формирования
бассейнов в составе глобальных поясов нефтегазоносности показывает, что они могут быть
подразделены на три группы: с преобладанием процессов растяжения и последующего в
ходе эволюции сжатия; с преобладанием сжатия – подтип межгорных впадин молодых
орогенов, а также преддуговых и междуговых бассейнов в поясе активных окраин. При этом,
наибольшая часть потенциальных ресурсов углеводородов, по мнению исследователей,
содержится в бассейнах растяжения, а максимальной их концентрацией на единицу площади
отличаются бассейны, претерпевшие в ходе эволюции изменение растяжения на сжатие. То
есть, процессы нефтеобразования обусловлены, в основном, мощностью осадочных толщ,
современной и палеотемпературой, необходимой для созревания ОВ.
Вместе с тем, практически все исследователи полагают, что для мобилизации
микронефти в скопления необходимо учитывать и эндогенный фактор, а именно воздействие
на породный субстрат глубинных флюидов, представляющих собой либо газовые эманации
высокостоящих астенолинз, либо эманации внедряющихся в консолидированную кору
магматических расплавов. В настоящее время вполне справедливо высказывание В.Е. Хаина
(2001): «..для правильной и более полной оценки нефтегазового потенциала отдельных
бассейнов в пределах выделенных геодинамических типов глобальных поясов необходим
учет ранее недооценивающихся факторов. В частности, эндогенного фактора (глубинный
магматизм, метаморфизм и повышенный термический режим на стадии рифтинга) при
формировании поясов; глубинных флюидов в процессе генерации УВ, значение латерального
стресса в образовании и развитии бассейнов: современного и палеотермического режимов,
скорости седиментации, что, несомненно, будет способствовать выявлению распределения в
них залежей УВ разного типа и их физического состояния» .
Краткие принципиальные сведения об основных геодинамических обстановках нефте- и
газообразования вряд ли у кого-нибудь вызывают сомнения. Вместе с тем во всех
приведенных материалах отсутствуют конкретные примеры по характеру дефлюидизации
недр с идентификацией источников флюидов. Заключения носят декларативный характер,
хотя известно, что любые флюидные системы (за исключением инертных газов) при их
миграции по трещинно-поровому пространству пород оставляют после себя следы этой
миграции в виде включений. К сожалению, в нашей стране в отличие от многочисленных
зарубежных исследований практически не используются методы термобарогеохимии.
Термобарогеохимические исследования дают информацию о составе и термодинамических
параметрах флюидов, а изучение продуктов расслоения последних позволяет использовать
геохимические и изотопно-геохимические методы для идентификации источников вещества,
что в совокупности с геологическими материалами снимает массу проблем. Ведь в настоящее
время практически все исследования в области петрологии и рудной геологии включают в
Всероссийская конференция по глубинному генезису нефти, 1-е Кудрявцевские чтения, Москва, ЦГЭ, 22-25 октября 2012
себя изучение реликтов флюидов или расплавов. В определенной степени именно эти
вопросы хотелось бы обсудить с коллегами в рамках предстоящего совещания.
Кратко об источниках вещества так называемых глубинных флюидов вообще и нефти, в
частности. Здесь, как известно, существует широкий спектр мнений в различной степени
обоснованных. Так, в рамках термодинамического моделирования сначала Э.Б.Чекалюк, а
затем И.К.Карпов с коллегами доказали устойчивость многочисленных углеводородных
соединений в условиях верхней мантии Земли. Вопрос в том, имеют ли место
восстановленные флюиды в мантийных зонах в настоящее время и возможен ли их вывод в
верхние горизонты земной коры? Восстановленный характер дегазации Земли в начальные
стадии ее дифференциации в архейское время при формировании древней коры никто не
отрицает, как и не отменено правило Клиффорда в отношении алмазоносных кимберлитов.
Но интенсификация субдукционных процессов, начиная с раннего протерозоя, о чем
свидетельствует выплавление щелочных магм, приводила к окислению мантийного субстрата
во все большей степени, поскольку погружающиеся базальты уже характеризовались
высоким эффективным потенциалом кислорода.
Настоящие данные измерения летучести кислорода минеральных реакций шпинелевых
перидотитовых ксенолитов свидетельствуют о преобладании в литосфере и астеносфере
относительно высоких значений величин fO2, соответствующих значениям ∆logfO2 (FMQ) в
пределах от -2 до +1 [6 и ссылки в работе]. Исследования, связанные с влиянием давления на
диспропорционирование Fe2+ на Fe 0и Fe3+ (основного элемента, определяющего редокспотенциал систем) при твердофазных реакциях, позволяют, вместе с тем, предполагать
более низкие значения fO2 (<IW буферного равновесия), чем наблюдаемые в верхах мантии,
на глубинах от 200 до 300 км и ниже.
Стабильность тех или иных флюидных компонентов в разрезе верхней мантии Земли
также различна. Исследования по метасоматическому взаимодействию расплав-флюида с
мантийным материалом в свете экспериментальных данных по системе пиролит – СО 2 – Н2О
показали, что в области глубин порядка 240-180 км мантийный флюид представлен водным
карбонатно-силикатным надкритическим флюидом. На меньших глубинах (180-100 км)
возрастает роль воды в мантийной газовой фазе, так как амфибол в этой области неустойчив,
а активность углекислоты в равновесном паре, наоборот, снижается вследствие устойчивости
в этих зонах доломита и магнезита. На глубинах 80 км и выше главным компонентом
мантийной газовой фазы является, соответственно, СО2 [7 и ссылки в работе].
Таким образом, возможные потоки летучих компонентов из недр планеты в составе,
судя по всему горячего материала, фиксируемого сейсмотомографией и носящие изначально
восстановленный характер (СH4 + H2) в области литосферы с высокими значениями fO2 будут
окисляться с соответствующим увеличением концентрации воды и углекислоты на фронте
взаимодействия флюидов с литосферой. Дополнительные количества летучих поступают в
систему при вовлечении в процесс рассеянных в перидотитах апатита, флогопита, амфибола,
карбонатов образовавшихся в разноглубинных мантийных зонах при «растаскивании» в
мантии субдуцируемого в различное время материала. Восходящее же поступление горячего
материала с растворенными флюидными компонентами приводит к понижению температуры
солидуса мантийных пород и создания условий для плавления без изменения температуры и
давления (редокс-плавление). Те есть, непосредственных вывод гипотетических
восстановленных флюидов непосредственно их мантийных областей Земли весьма
проблематичен.
В настоящее время большинством исследователей признается главенствующая роль
магматическая активность планеты в дегазацию Земли, особенно в эпохи ее тектономагматической активизации, проявлявшиеся с определенной периодичностью. При этом
состав
и
соотношения
между
газовыми
компонентами,
выделяющимися
из
кристаллизующихся
расплавов
на
разных
уровнях
глубинности,
определяются
геодинамическими режимами выплавления магм и составом магм. В последнее время на
основе экспериментальных материалов (Taylor W.R., Green D.H., 1988; Kadik A.A., Pineau F.,
Litvin Y.A., 2007; Taylor W.R., Green D.H., 1988 et al.) [6 и ссылки в работе] вскрыта важная
особенность
окислительно-восстановительных
реакций
в
силикатных
расплавах,
заключающаяся в том, что в областях выплавления магм устойчивыми компонентами
Всероссийская конференция по глубинному генезису нефти, 1-е Кудрявцевские чтения, Москва, ЦГЭ, 22-25 октября 2012
расплавов оказываются окисленные формы углерода и водорода (OH-, H2O, CO-23, SiC, а при
низких значениях fO2 в магмах, также Н2, CH3, CH2, CH4).
Исходя из предложенной логики рассмотрения материалов о возможных источниках
флюидов в земной коре мы провели анализ обзорных работ Коваленко В.И., Наумова В.Б.,
Ярмолюка В.В. Дорофеевой В.А и др., выполненных за последние ~ 15 по изучению
флюидных компонентов базальтовых магм различных геодинамических обстановок.
Исследования состава летучих компонентов базальтов проводились на основе данных,
полученных при изучении расплавных включений в минералах и закалочных стеклах. Было
показано, что помимо разницы в составе флюидных компонентов базальты различных
геодинамических обстановок отличаются между собой и в геохимическом отношении,
наследуемого из источника плавления.
Каковы же термодинамические характеристики эндогенных флюидов и их фазовое
состояние в зависимости от глубины декомпрессии магматических очагов? Обобщение
данных по изучению флюидных включений, сингенетичных с расплавными, показало, что их
температуры (температуры гомогенизации включений) варьируют в широких пределах: от 201000С до 800 - 14000С с преобладанием значений ниже 5000С. В указанном диапазоне
температур давления флюидов составляют 1-13000 бар [9], причем реальные значения
давлений флюидов часто значительно превосходят величину не только гидростатической, но
и литостатической нагрузки. Естественно, что в таком большом диапазоне температур и
давлений состав флюидов не остается постоянным: при высоких температурах (выше 700 0С)
и высоких давлениях (более 4000 бар) преобладают преимущественно безводные (CO2, CH4,
N2, CO, H2S) флюиды. При температурах ниже 6000С и давлениях менее 4000 бар
(гиппабисальный уровень становления магматических очагов) преобладают гетерофазные
флюиды, представленные фазой высококонцентрированных растворов со значительным
содержанием хлоридов различных элементов и парогазовой фазой.
При миграции таких флюидов за пределы магматического очага наблюдаются разные
сценарии эволюции их фазового состояния и соотношений между компонентами, что
определяется изменением РТ-параметров, реакциями среди газовых составляющих и
окислительно-восстановительным состоянием вмещающей среды, задающей фугитивность
кислорода в самих флюидах.
В общем виде, по данным почти 6 тысяч определений состава газовой фазы включений
методом раман-спектроскопии выведен средний ее состав: CO2 =61.46; CH4 =19.23; N2=16.18;
H2S=2.17; CnHm=0.72; H2= 0.12; CO=0.12 (мол.%), а с учетом содержания воды: H2O-70.3, CO2
-21.4, CH4-6.3, N2-2.0, H2S-0.07 ( мол.%) [8,9].
Краткий обзор работ, указанных выше, сценарий эволюции магматогенных флюидов в
геологическом разрезе Юрубчено-Тохомского ареала нефте – и газонакопления на юге
Сибирской платформы и их роль в процессах нефтеобразования приведены в [3] и будут
рассмотрены на совещании. Приведенные материалы, однако, не свидетельствует о
повсеместной роли магматогенных флюидов в процессах нефте- и газообразовании. Все
зависит от конкретного региона и истории его развития. В последние годы опять возрос
интерес к так называемым элизионным или эксфильтрационным растворам, участвующим в
нефте- и рудогенезе. Концепции основываются, прежде всего, на историко-катагенетических
реконструкциях эволюции вещества осадочно-породных бассейнов в условиях перманентно
проявляющихся тектонических активизаций. Вопросы взаимодействия и идентификации
эксфильтрационных и элизионных процессов, как справедливо отметил В.Н. Холодов (2012), главная задача исследователей в будущем.
И, наконец, о времени нефтенакопления в истории Земли. В этом вопросе, как и в
вопросе об источниках и составе флюидов, также имеет место широкий разброс мнений.
Например Г.Н. Доленко, исходя из абиогенно-мантийного генезиса УВ считал, что
нефтегазоносные провинции образуют планетарные пояса, связанные с геосинклинальными
областями герцинского, киммерийского и альпийского геодинамических циклов развития коры
[4]. Некоторые исследователи полагают, что нефтеобразование имело место с позднего
протерозоя (шунгитовые толщи) и продолжается по настоящее время, или же процессы
нефтенакопления связаны только с неотектоническим этапом. Данные вопросы
целесообразно обсудить на нашем совещании.
Всероссийская конференция по глубинному генезису нефти, 1-е Кудрявцевские чтения, Москва, ЦГЭ, 22-25 октября 2012
К сожалению, для частичного снятия многих назревших вопросов, в настоящее время
крайне недостает качественного и доступного геофизического материала, в частности,
сейсмического, на региональных профилях при глубинных (до 40-50 км) зондированиях. Во
многом еще не разработаны вопросы геохимической специализации различных флюидных
систем, их трансформаций, причин инверсий редокс-потенциалов, пространственной и
временной эволюции магматических источников и т.п. Но совершенно ясно, что вопросы
нафтидогенеза для провинций и областей с различной историей геодинамического развития
должны решаться раздельно с учетом всех региональных особенностей.
Литература
1. Гаврилов В.П.Геодинамическая модель нефтегазообразования в литосфере и её следствия //
Геология нефти и газа.1998. №6.С.2-12.
2. Гаврилов В.П.Современные тенденции в геологии нефти и газа // Геология нефти и газа. 2005.
№4. С.3-8.
3. Готтих Р.П., Писоцкий Б.И., Галуев В.И., Каплан С.А. Глубинные структурно-тектонические
неоднородности земной коры и возможные процессы, связанные с нефтегазообразованием и
нефтегазонакоплением (геохимический аспект). // Отечественная геология. 2012. №2. С.3-14.
4. Доленко Г.Н. Происхождение нефти и газа и нефтегазонакопление в земной коре. Киев.
Наукова Думка, 1986. 135 С.
6. Кадик А.А. Режим летучести кислорода в верхней мантии как отражение химической
дифференциации планетарного вещества. //Геохимия. 2006. №1. С.63-79.
7. Когарко Л.Н. Роль глубинных флюидов в генезисе мантийных гетерогенностей и щелочного
магматизма // Геология и геофизика. 2005. Т.46. №12. С.1234-1245.
8. Миронова О.Ф. Летучие компоненты природных флюидов по данным изучения включений в
минералах: методы и результаты. // Геохимия. 2010. №1. С.89-97.
9. Наумов В.Б., Дорофеева В.А., Миронова О.Ф. Основные физико-химические параметры
природных минералообразующих флюидов. // Геохимия. 2009. №8. С.825-851.
10.Сизых В.И., Р.М.Семенов, В.И.Павленов. Глобальные закономерности пространственного
размещения месторождений нефти и газа. // Геология нефти и газа. 2002. №2.С. 14-20.
11. Хаин В.Е., Б.А.Соколов. Окраины континентов – главные нефтегазоносные зоны Земли. //
Советская геология. 1984. №7. С.49-60.
12. Хаин В.Е., Л.Э.Левин. Геодинамические типы глобальных поясов нефтегазоносности и их
особенности // Геология и геофизика. 2001. Т.42. № 11-12. С.1724-1738.
13. Шеин В.С.. Геология и нефтеносность России. Москва. ВНИГНИ. 2006. 776 с.
Всероссийская конференция по глубинному генезису нефти, 1-е Кудрявцевские чтения, Москва, ЦГЭ, 22-25 октября 2012