Углеводородные газы в Хибинах
И. А. ПЕТЕРСИЛЬЕ
Хибинский массив нефелиновых сиенитов представляет сложное интрузивное тело (плутон) слоистого строения. Он расположен в центральной части Кольского полуострова и резко выделяется среди окружающей его болотистой равнины. Массив имеет овальную форму и представлен на поверхности подковообразной цепью гор (рис. 1).
С севера и юго-востока массив контактирует с породами архейского гнейсового комплекса, в котором наряду с магматизированными гнейсами встречаются амфиболиты, олигоклазовые граниты и их пегматиты. С юга и запада массив окружен толщей зеленокаменных пород и туфогенно-осадочных образований свиты Имандра-Варзуга, относящейся к протерозою.
Строение массива изучено недостаточно: ни одна скважина не прошла ниже нулевой абсолютной отметки. Неизвестна до сих пор мощность интрузивного тела, а также характер подстилающих его пород.
Слоистое строение Хибинского массива объясняется повторными послойными интрузиями. О порядке смены интрузий во взглядах различных исследователей имеются значительные расхождения.
Абсолютный возраст Хибинского массива (Л.В. Комлев и Э.К. Герлинг, 1940 г.), установленный по гелиевому методу (по лопариту), составляет около 300 млн. лет, следовательно, образование его относится к одной из ранних фаз герцинского тектогенеза.
В.Г. Хлопин возраст интрузии также по гелиевому методу устанавливает в 350-400 млн. лет.
Хибинский массив сложен изверженными горными породами, относящимися к группе нефелиновых сиенитов, которые, как известно, обладают наиболее резко выраженным щелочным характером. Это лейкократовые кристаллически-зернистые породы, состоящие из щелочного полевого шпата, нефелина и сравнительно небольшого количества щелочного пироксена или амфибола.
Периферические и центральные части массива слагаются крупнозернистыми нефелиновыми сиенитами - хибинитами и фойяитами, между которыми по кольцевым дугам располагается серия неравномерно-зернистых нефелиновых сиенитов и породы ийолит-уртитового ряда с апатито-нефелиновыми внедрениями (см. рис. 1).
В альбитовых жилах встречаются выделения графита, имеющего микрочешуйчатое строение.
Апатито-нефелиновые породы приурочены к висячему боку выхода ийолит-уртитовых пород и имеют согласное с ними залегание и падение к северо-востоку под углом 30°. Содержание апатита в апатито-нефелиновой породе увеличивается от подошвы рудного тела к его кровле.
В геологическом строении осадочно-вулканогенной свиты Имандра-Варзуга можно выделить две зоны - северную и южную.
В северной зоне, контактирующей со щелочным массивом, развиты преимущественно метадиабазы, метапорфириты и метамандельштейны.
Южная часть, отделяющаяся от северной линией тектонического разлома, представлена серией суперкрустальных образований, среди которых преобладают альбито-хлоритовые сланцы.
Вдоль южного контакта с гнейсами докембрия располагаются вытянутые в широтном направлении линзообразные пропластки известняков и доломитов с подчиненными им линзами графитизированных сланцев.
Переход от альбито-хлоритовых сланцев к графитизированным сланцам постепенный; последние часто сильно хлоритизированы.
В предшествовавший более чем двадцатилетний период разработки уникального Хибинского апатито-нефелинового месторождения никаких газопроявлений в горных выработках не было обнаружено.
В 1951 и 1954 гг. произошли вспышки горючих газов в выработках апатитовых рудников Юкспорского и им. Кирова.
Сотрудниками Юкспорской геологоразведочной партии, работниками Кольского филиала АН и комбината «Апатит» было отобрано и исследовано большое количество проб.
По сообщению Б.М. Мелентьева состав газа следующий: метан и его гомологи 81,4%, в том числе гомологи в пересчете на этан 5,2%, водород 13,9%, кислород 0,4%, азот и другие инертные газы 5.2%.
В дальнейшем газопроявления при проведении горных работ не отмечались.
Во второй половине 1955 г. и в 1956 г. по предложению геолого-географического отделения АН СССР институтами ВНИГНИ и МГРИ им. С. Орджоникидзе были проведены исследования газоносности Хибинского массива.
Исследованию подвергался газ в свободной фазе, а также газ, заключенный в открытых и закрытых порах горных пород. Кроме того, тщательно изучались битумы, содержащиеся в изверженных горных породах.
Для установления областей распространения горючих газов на площади Хибинского массива были проведены поверхностные геохимические исследования путем бурения скважин глубиной 1 - 1,5 м.
В комплекс проведенных поверхностных работ входило изучение микросодержаний горючего газа в подпочвенном воздухе и в газе, сорбированном подпочвенными отложениями, а также определение содержаний битума в этих отложениях путем люминесцентно-битуминологического анализа.
Исследования газа, находящегося в изверженных горных породах в свободной фазе, осуществлялись путем отбора проб газа из шпуров с последующим анализом на ТГ-5, хроматермографе, хроматермохимическом приборе и ВТИ. На указанной аппаратуре производился анализ углеводородных газов с чувствительностью до 0,001% и водорода с чувствительностью 0,01 %. Инертные газы исследовались на ртутном газоаналитическом приборе системы проф. В.А. Соколова в лаборатории ВНИГНИ.
Для изучения газа, находящегося в открытых и закрытых порах пород, образцы пород отбирались в герметичную стеклянную посуду. Извлечение газа из открытых пор производилось путем длительного прогрева образца породы, заключенного в стеклянную банку, в водяной бане при температуре воды 85-90° и эвакуации выделившегося газа в условиях вакуума. Затем образец помещался в вакуумную ступку и тщательно измельчался; высвободившийся в результате механического измельчения без подогрева газ также откачивался в условиях вакуума. Измельчение пород в вакуумной ступке, конечно, не могло быть вполне полным. Практически, по-видимому, извлекалось около 20% газа, находящегося в закрытых поpax.
Геохимическая съемка на поверхности была проведена к югу от Хибинского плутона на площади распространения отложений осадочно-вулканогенной свиты Имандра-Варзуга, гнейсо-гранитов архейского возраста и на самом Хибинском плутоне.
В результате проведенных поверхностных исследований установлено, что горючий газ, представленный метаном, распространен только в подпочвенных отложениях Хибинского массива, за его пределами он отсутствует.
Подпочвенным отложениям плутона также свойственно содержание, хотя и в небольших количествах, маслянистого битума, который за его пределами не встречается. Минимальное содержание битума в подпочвенных отложениях массива составляет 0,0000813%, максимальное 0,6225%.
Данные поверхностной съемки подтвердились также исследованиями газа, находящегося в закрытых порах пород.
Породы, слагающие осадочно-вулканогенную свиту, горючих газов в сколько-нибудь значительных количествах не содержат; изверженные породы плутона, наоборот, отличаются повышенным содержанием горючих газов.
Для изучения газов, насыщающих породы Хибинского массива, были предприняты исследования горных выработок апатито-нефелиновых рудников, а также осуществлялся отбор образцов горных пород из обнажений.
Исследованиям подвергался газ, находящийся в свободной фазе (заключенный в микротрещинах, секущих породы), а также газ, содержащийся в открытых и закрытых порах горных пород.
Изучение газов в свободной фазе в породах массива показало повсеместное наличие в них углеводородов. Газы заполняют трещины в породах и сообщающиеся системы пор.
Определения проницаемости 26 образцов пород Хибинского массива показали ее изменения от 0,045 до 0,44 миллидарси. Такая проницаемость исключает возможность образования скоплений газа, имеющих практическое значение, но обусловливает возможность прохождения газа через породу и скапливание его в небольших количествах в благоприятных для этого участках.
В контрольных шпурах проводились наблюдения за изменением содержания углеводородных газов в течение 2-3 месяцев (рис. 2).
Наблюдения показали, что по изменениям концентраций горючих газов контрольные шпуры можно разделить на три категории: в первой (два шпуpa) наблюдается рост содержания газа во времени, во второй (четыре шпура) - снижение до определенного уровня, который поддерживается затем длительное время, и в третьей (пять шпуров) - быстрое истощение.
Колебание содержания углеводородных газов в контрольных шпурах, представляющих собой области пониженных давлений, связано с характером микротрещиноватости горных пород и изменением радиусов их влияний во времени. Это, несомненно, свидетельствует о перемещении газа по микротрещинам и сообщающимся порам пород, хотя, по-видимому, оно носит ограниченный характер.
В горных выработках апатитового рудника им. С.М. Кирова, вскрывающих апатито-нефелиновое рудное тело и покрывающие его пойкилитовые нефелиновые сиениты (рисчорриты), выявлено низкое содержание углеводородов в газе, не превышающее обычно 0,01-0,001'%.
На этом фоне сравнительно низкого содержания газа отмечаются локальные участки повышенных газопроявлений с содержанием углеводородных газов до 16,7%. Одна из таких зон имеет размеры по простиранию пород около 130 м, вкрест простирания 60 м.
Углеводородная часть газа представлена преимущественно метаном, в значительно меньших количествах содержатся тяжелые газообразные углеводороды: этан, пропан и бутан.
Участки повышенных газопроявлений в рудном теле приурочены к сравнительно бедным апатитом линзовидно-полосчатым нефелино-апатитовым породам, содержащим значительное количество нефелина (46- 50%) и пироксена (10-11%). Область развития богатых пятнистых апатито-нефелиновых пород, расположенных в верхней части разреза месторождения, бедных нефелином (25%) и содержащих меньшее количество пироксенов, характеризуется минимальным содержанием углеводородных газов.
Обычно в отобранных пробах встречается водород, но в количествах, значительно меньших, чем углеводородные газы. Как правило, содержание водорода повышается при увеличении концентрации углеводородных газов. Максимальное содержание Н2 в пробах газа, отобранных из шпуров, составляет 0,5 %.
Проведенное опробование Юкспорского тоннеля, вскрывшего весь комплекс ийолит-уртитовых пород, подстилающих апатитовое рудное тело показало, что в области развития этих пород содержание углеводородных газов в свободной фазе значительно превышает наблюдавшееся в рудном теле. Максимальные концентрации углеводородных газов приурочены к уртитам.
Общий состав газа по данным шпурового опробования (в % объемн.) следующий:
|
O2 . . |
15-20,9 |
|
CO2 . |
0-1,97 |
|
CO . |
нет |
|
CH4 . |
0,00028-16,5 |
|
С2Н6 |
0,00022-1,40 |
|
C3H8 . |
0,00011-0,23 |
|
C4Н10 |
0-0,156 |
|
ИЗО-C4Н10 |
нет |
|
непредельных углеводородов нет |
|
|
Н2 . . |
0-0,5 |
|
N2 . . |
65,3-81 |
|
Не . . |
0,0011-0,0013 |
|
Аr . . |
0,96-0,98 |
|
(Ar*100*/(N2*1.18) |
1.03-1,08 |
До настоящего времени в газах магматического происхождения, о которых мы можем судить по газам, выделяемым действующими вулканами, а также газам, полученным при прокаливании изверженных горных пород, отмечалось присутствие метана, более тяжелые газообразные углеводороды отсутствовали. Поэтому факт наличия тяжелых газообразных предельных углеводородов в изверженных породах Хибин представляет значительный интерес.
Приведенные данные свидетельствуют также о том, что азот, фиксируемый в пробах, отобранных из шпуров, имеет, по-видимому, воздушное происхождение. Содержание гелия также незначительно отличается от концентраций его в воздухе.
Газы, заключенные в закрытых порах пород, содержат всю гамму газообразных предельных углеводородов: метан, этан, пропан, бутан и более тяжелые углеводороды, а также в незначительном количестве водород.
По содержанию углеводородных газов различные породы резко отличаются друг от друга.
Среднее содержание горючих газов в закрытых порах пород дано в таблице.
|
Порода |
Содержание горючих газов, см3 на 1 кг породы |
Содержание А12O3 в породе, % |
||
|
CH4 |
тяжелые углеводороды |
H2 |
||
|
Хибинский массив |
||||
|
Фойяиты |
0,703 |
0,004 |
0,90 |
20,6 |
|
Рисчорриты |
0,365 |
0,082 |
0,88 |
|
|
Пятнистые апатито-нефелиновые |
0,028 |
0 |
0,69 |
8,68 |
|
Линзовидно-полосчатые нефелино-апатитовые |
0,356 |
0,077 |
0,70 |
15,66 |
|
Уртиты |
2,289 |
0,202 |
0,81 |
28,55 |
|
Хибиниты трахитоидные |
1,813 |
0,134 |
0,08 |
22,14 |
|
Хибиниты гранитоидные |
1,569 |
0,05 |
Следы |
22,14 |
|
Осадочно-вулканогенная свита „Имандра-Варзуга" |
||||
|
Метадиабазы |
0,024 |
0 |
|
|
|
Хлоритовые сланцы |
0,033 |
0 |
- |
- |
|
Доломиты |
0,016 |
0 |
- |
- |
Как видно из приведенных данных, в пределах Хибинского массива минимальной газонасыщенностью характеризуются богатые апатитом пятнистые апатито-нефелиновые породы, максимальной - подстилающие рудное тело уртиты. Обращает на себя внимание зависимость между содержаниями углеводородных газов и окисью алюминия в породах. Наблюдается соответствие между содержанием углеводородных газов и их составом в закрытых порах пород и газом, находящимся в свободной фазе.
В составах газов различно увеличение содержания водорода в закрытых порах по сравнению с газом в свободной фазе, наблюдаемое в рудном теле и покрывающих его породах.
Породы осадочно-вулканогенной свиты Имандра-Варзуга практически углеводородных газов не содержат, полученные концентрации лежат в пределах погрешности аналитической аппаратуры.
Тщательные исследования образцов капельным методом дали возможность обнаружить в отдельных частях излома пород заметные скопления битума, заключенного в мелких трещинах и мельчайших порах, дающих на породе голубовато-белые и желтые пятна, что свидетельствует о наличии в породе маслянистого и осмоленного битума.
Хлороформенные экстракты и капиллярные вытяжки подтвердили, что во всех без исключения образцах изверженных пород содержится до 0,04% восстановленного битума.
Элементарный анализ битума экстрагированного из линзовидно-полосчатых апатито-нефелиновых пород показал, что в его составе содержится 12,35% Н2 и 77,71% С.
Большинство геологов связывают наличие нефти и углеводородного газа в изверженных породах с миграцией их из осадочных пород.
Положение Хибинского массива исключает возможность проникновения углеводородных газов в породы, слагающие его, из каких-либо осадочных формаций.
В щелочном расплаве имелись все условия для образования углеводородов.
Образование водорода могло происходить под действием водяного пара на соединения закисного железа по схеме
Эта реакция экзотермическая и обратимая, при понижении температуры она идет в сторону образования F3O4 и Н2. Таким образом, по мере движения магмы в верхние горизонты земной коры происходит все более интенсивное выделение водорода. Выделение водорода и других газов продолжается в течение всего процесса кристаллизации, количество выделяемого газа начинает постепенно падать ниже +500°.
Процесс выделения водорода происходит более интенсивно в присутствии катализаторов.
Образование углеводородных газов может происходить путем синтеза их из элементов. В 1897 г. было доказано, что метан может быть получен в качестве единственного продукта реакции непосредственным соединением углерода с водородом при температуре 1200°; в присутствии катализаторов эта реакция идет и при значительно более низких температурах. Возможны и другие пути образования углеводородов неорганическим путем. Катализатором при этих процессах может служить окись алюминия.
Приведенные факты свидетельствуют о том, что процессы образования нефти в природе многообразны (Прим. редакции. Приведенных фактов для подобного заключения недостаточно; вопрос об отношении описываемых И.А. Петерсилье газов к процессам нефтеобразования остается открытым.). Неправы те сторонники органической теории, которые полностью отрицают возможность неорганического происхождения нефти, так же как и сторонники магматического образования нефти, отрицающие возможность происхождения ее путем переработки органики в осадках.
К сожалению, мы еще обладаем слишком незначительным фактическим материалом для разработки основных вопросов возможности образования углеводородов неорганическим путем. Это объясняется не редкостью нахождения углеводородов в изверженных породах, а тем, что до настоящего времени их исследованиями почти не занимались.
Выводы
Проведенными исследованиями установлено следующее.
1. Породы Хибинского массива содержат углеводородные газы как в «свободной» фазе, так и в закрытых порах.
2. По своему составу горючие газы Хибин близки к газам газовых и отчасти газо-нефтяных залежей. Они содержат 85-95% метана и 5-15% тяжелых углеводородов.
3. Газ, находящийся в «свободной» фазе, в ограниченных масштабах передвигается в породах массива, скапливаясь в макроколичествах на участках, характеризующихся лучшими коллекторскими свойствами.
4. Существует постоянный (хотя и слабый) поток углеводородных газов из пород, слагающих Хибинский массив, в атмосферу. Этот поток улавливался поверхностной газовой съемкой, проведенной в зоне развития тектонических трещин, перекрытых моренными отложениями.
5. В составе горючей части газов отмечается наличие водорода концентрацией, обычно в 5-10 раз меньшей концентрации углеводородов. Водород находится совместно с углеводородными газами как в микротрещинах, так и в закрытых порах пород.
6. Породы Хибинского массива содержат восстановленный битум. Битум выполняет микротрещины и сообщающиеся системы пор.
7. Положение Хибинского массива исключает возможность проникновения углеводородных газов в породы, слагающие его, из каких-либо осадочных формаций.
Установленная зависимость содержания углеводородных газов от минералогического состава горных пород свидетельствует об их неорганическом происхождении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Елисеев Н.А., Ожинский И.С., Володин Е.Н. Геологическая карта Хибинских тундр. ГОНТИ НКТП, 1939.
2. Куплетский Б.М. Петрографический очерк Хибинских тундр. Сб. «Минералы Хибинских и Ловозерских тундр». Изд. АН СССР, 1937.
3. Хмелевская А.В. Глубинный водород и его роль в генезисе нефти. Изв. АН СССР, сер. геол., 84, 1947.
4. Чичибабин А.С. Основные начала органической химии, т. I. Госхимиздат, 1954.
5. Сautiеr A. Production de l'hydrogene dans les roches ignees. Action de la vareur d'lan sur les sels ferreux. Compt. rend., 1901, p. 189.
6. Chamberlin R.S. The gases in Rochk, 1908.
ВНИГНИ
Рис. 1. Схематическая геологическая карта Хибинских тундр.
1 - четвертичные отложения; 2 - жильные породы; 3-рисчорриты; 4 - апатито-нефелиновые породы; 5 - ийолит-уртиты; 6 - щелочные сиениты; 7 - трахитоидные хибиниты; 8 - гранитоидные хибиниты; 9- роговики; 10 - зеленокаменные породы свиты „Имандра-Варзуга"; 11 - фойяиты; 12 - архейские гнейсы.
Рис. 2. График изменения содержания углеводородных газов в контрольных шпурах.
Содержание суммы горючих газов: 1 - в шпуре № 87; 2- в шпуре № 321; 3- в шпуре № 207.