БИТУМООБРАЗОВАНИЕ В ПРЕСНОВОДНЫХ ОСАДКАХ
В. В. Вебер, А. И. Горская
Приуроченность большинства нефтяных месторождений к отложениям морских или лагунных фаций до недавнего времени являлось одним из главных доказательств необходимости соленоводной среды для обеспечения процесса образования нефти.
По этому поводу показательны высказывания на симпозиуме Американской ассоциации нефтяных геологов по вопросу нефтеносности континентальных осадков [8]. Эти высказывания сводились к тому, что или нефть мигрирует в континентальные отложения из смежных морских формаций [8, стр. 1652, 1658], или сами континентальные осадки представлены отложениями соленых озер [8, стр. 1661, 1671] или солоноватоводных эстуариев [8, стр. 1701].
Правда, некоторые американские геологи имели и противоположные точки зрения, согласно которым отрицание возможности образования нефти в неморских осадках квалифицировалось в качестве одного из «геологических предрассудков» [7].
После открытия нефти в мезо-кайнозойских впадинах в центральной части Азии количество нефтяных месторождений, приуроченных к континентальным отложениям, значительно возросло. Ряд исследователей [9, 1, 6 и др.] более конкретно допускал в этих случаях генетическую связь нефти именно с пресноводными фациями осадков. Изучение битумов неогеновых отложений одной из седиментационных впадин центральной части Азии [2] указало, что такая возможность образования нефти в пресноводных, частично красноцветных отложениях вполне реальна.
В свете этих данных и соображений возник вопрос: в какой мере обстановки пресноводной среды водоема и осадка могли вообще оказаться благоприятными (или, наоборот, неблагоприятными) для накопления исходного (для нефти) органического материала и его превращения в нефтяном направлении. Для решения поставленного вопроса, естественно было в первую очередь обратиться к изучению условий битумообразования в современных пресноводных осадках.
Исследование донных осадков оз. Севан показало, что они содержат известные количества битумов и углеводородов [4]. Об аналогичных углеводородах, обнаруженных в осадках пресных озер, сообщали и американские исследователи [10, 11 и др.].
Для выяснения направленности процесса битумообразования на более глубоких стадиях превращения органического вещества осадка исследование было распространено на лежащие ниже слои тех же пресноводных отложений оз. Севан. С этой целью сотрудники лаборатории генезиса нефти ВНИГНИ А.В. Симсон и Н.М. Куприянова совместно с экспедицией Института водных проблем Академии Наук Армянской ССР отобрали в Севане три колонки современных осадков, поднятые грунтовой трубкой.
Результаты комплексного исследования керна этих колонок опубликованы [3]. В настоящей статье мы подводим итоги той части исследования, которая непосредственно связана с вопросами битумообразования в пресноводных осадках. В данном отношении полнее изучена колонка станции 46 длиною 4,5 м. Керн ее разделен на семь интервалов (называемых «образцами»), в каждом из них дополнительно выделяются верхняя (в), средняя (с) и нижняя (и) части. Нумерация образцов ведется сверху вниз. Их взаимное расположение видно на разрезе колонки (см. рисунок).
Изучению направленности изменения органического вещества способствовал однородный литологический состав осадков. На всем протяжении колонки они представлены преимущественно алевритовыми отложениями (табл. 1).
Лишь в верхней части колонки содержание глинистой фракции в среднем увеличивается до 27%. Более детально изменения в соотношениях между песчаной 00,1 мм), алевритовой (0,1-0,01 мм) и глинистой (<0,01 мм) фракциями показаны на рисунке.
На значительном протяжении колонки выдерживается восстановительная среда осадка, благоприятная для восстановления органического вещества. На это указывает устойчиво отрицательный окислительно-восстановительный потенциал осадков (Eh=-130, -200 мв) в верхней части колонки и отрицательный (или близкий к отрицательному) в нижней ее части. Исключением является интервал обр. 4 с положительными величинами Eh, достигающими в среднем +160 мв. Активная же реакция всегда щелочная: рН = 7,5-8,8.
В верхней части (180 см) колонки содержание органического углерода в осадках относительно постоянное и повышенное, в среднем 3,8%. Далее оно постепенно падает, уменьшаясь в нижней части колонки в среднем до 0,5%.
От общего содержания органического вещества (Сорг = 1,82) не более 10-15% приходится на растворимую в органических растворителях, так называемую «битумную» часть органического вещества. Для решения вопросов нефтеносности именно эти битумные его компоненты представляют наибольший интерес.
Битумы осадков станции 46 исследованы в лаборатории ВНИГРИ А. И. Горской. Битум извлекался бензолом из спирто-бензольного экстракта с предварительным декальцинированием осадка. Изучался, следовательно, суммарный битум А + С.
Количество материала позволило вести исследование битума осадков через каждые 25-30 см разреза колонки. Поэтому изменения характеристик битума можно было показать на рисунке весьма детально.
На рисунке нанесены: V - кривая содержания битума (сумма бензольной и спиртобензольной его частей) в сухом весе осадка; VI – кривая содержания в битуме бензольной его части; VIII - кривая изменения битумного коэффициента, т. е. содержания углерода бензольной части битума в общем органическом углероде; IX - кривая содержания углерода в бензольной части битума (по данным элементарного анализа); X, XI - кривые содержания углеводородов в бензольной части битума и в органическом веществе осадка; XII - кривые компонентного состава битума. По этим показателям характеристики битума испытывают довольно резкие изменения. Последние зависят не только от различной направленности процесса преобразования органического вещества, но и от неоднородного состава исходного органического материала. На очевидные изменения исходного органического материала указывает произведенный Н.И. Фокиной микроанализ органических остатков. По данным этого анализа в верхней части колонки (интервал образцов 1-3) выделяются три горизонта, обогащенные остатками диатомовых водорослей: в верхнем из них доминируют планкто-бентические диатомовые, в среднем - диатомовые бентоса и в нижнем диатомовые планктона (табл. 2). Эти изменения состава диатомовой флоры отчасти могли отразиться на характере битума.
Так, в частности, переход от среднего горизонта Б к нижнему В сопровождается снижением степени восстановленности битума: в нем уменьшается содержание углерода и водорода и содержание масел, соответственно увеличивается количество более кислых компонентов битума, уменьшается величина битумного коэффициента и т. д.
Но в пределах каждого из трех горизонтов, когда состав диатомовых остается постоянным, изменение характеристик битума указывает на явные черты его восстановления. Книзу, т. е. но мере превращения органического вещества происходит закономерное увеличение: углерода от 66,8 до 70,4% в горизонте А, от 67,8 до 72,9% в горизонте Б и от 68,3 до 69,6% в горизонте В; водорода от 10,1 до 10,5% в горизонте А и от 9,6 до 11,1 % в горизонте Б; масел от 13,2 до 14,0-14,5% в горизонте Б. Соответственно содержание неуглеводородных компонентов (О+N) в том же направлении уменьшается (табл. 2).
Не менее характерно увеличение количественного содержания бензольной части битума и верху колонки, от 0,52% в обр. 1/в до 1,28% в обр. 2/в с параллельным возрастанием битумного коэффициента от 10,4 до 18,9%. Возможно, здесь происходит не только восстановление, но и новообразование битума.
Ниже рассматриваемых горизонтов, обогащенных диатомовыми водорослями, выделяется интервал обр. 4. Как уже упоминалось, он отличается от остального разреза колонки окислительными условиями осадка. Именно здесь бензольная часть битума содержала значительную примесь серной кислоты. В пересчете без серы, потерянной при отмывке серной кислоты, элементарный состав бензольной части битума может быть выражен в следующем виде: С=59,5%, Н=9,9%, S=1,4%, О+N=29,2%. В полном соответствии с окислительными условиями среды это - наиболее кислый битум по всей колонке.
Еще ниже, в интервале образцов 5 и 6 среда осадка снова восстановительная, но состав исходного органического материала перестает быть преимущественно диатомовым. Среди органических остатков преобладают пылинки злаков, спикулы губок, скорлупки же диатомовых водорослей (планктических) встречаются реже. По изменению состава исходного органического материала нижняя часть колонки должна быть выделена, таким образом, в самостоятельный горизонт Д.
В этих новых условиях, несмотря даже на повышение книзу величин Еh осадка, признаки восстановления битума весьма отчетливые: от обр. 5 к обр. 6 увеличивается битумный коэффициент, возрастает содержание углерода и водорода в битуме, повышается содержание масел, уменьшается содержание асфальтенов (табл. 2). Наблюдаются те же соотношения, что и в горизонтах А, Б, В.
Каждый раз, следовательно, как состав исходного органического материала и прочие показатели состояния осадка являются однородными, а среда осадка восстановительной, битумы в низах соответствующего горизонта относительно более восстановлены, чем в верхней его части. В целом это указывает на общий процесс восстановления битума.
О том же свидетельствует непосредственное сравнение характеристик битума в верхней (обр. 1) и нижней (обр. 6) частях колонки. Богатые жировым веществом диатомовые водоросли уже не свойственны исходному органическому материалу, величины Eh осадка возросли, тем не менее показатели элементарного и компонентного состава характеризуют битум в нижней части колонки как более восстановленный по сравнению с битумом в верхней части колонки.
О восстановлении органического вещества в процессе преобразования можно судить и по изменению содержания гуминовых веществ в общей органической массе осадка. Это содержание мы выражаем процентным отношением углерода гуминовых веществ к общему органическому углероду осадка и называем «гуминовым коэффициентом». Его величина закономерно уменьшается в направлении к низу колонки, от 24,7% н обр. 1/в до 12,0% в обр. 6 (кривая VII на рисунке).
Еще показательнее изменение содержания углеводородов. Углеводороды были выделены омылением масляной части битума с последующим хроматографированием неомыляемых (табл. 3).
В верхней части колонки содержание углеводородов в бензольной части битума вначале несколько уменьшается, от 1,7% в обр. 1 /в + с до 1,2% в обр. 2/в. Ниже это содержание углеводородов в битуме обнаруживает устойчивое увеличение, до 4,4% в объединенной пробе образцов 5 и 6.
Особенно интересны соотношения начиная с обр. 2/н и ниже. В указанной части колонки увеличениесодержания углеводородов в битуме происходит на общем фоне увеличения их содержания и в органическом веществе осадка. Этому соответствует увеличение содержания битума в органическом вещество (кривые XI и VIII на рисунке почти подобны), увеличение содержания масел в битуме и т. д. При таких соотношениях наблюдаемое увеличение содержания углеводородов (считая на битум) в нижней части колонки, очевидно, связано с общим процессом преобразования органического вещества осадка. Можно высказать предположение о намечающихся здесь явлениях новообразования углеводородов.
В значительной части (в среднем на 83,6%) углеводороды колонки станции 46 представлены нафтеново-метановой фракцией, на долю ароматической фракции приходится соответственно 16,4%. Элементарный состав углеводородов нафтеново-метановой фракции, изученный в объединенных пробах двух станций (станции 46 и 31), оказался весьма постоянным (табл. 4).
Элементарный состав углеводородов ароматической фракции не мог быть определен из-за малого количества материала. По данным исследования ультрафиолетового спектра, во фракции присутствуют фенантреновые углеводороды и допускается наличие нафталиновых углеводородов.
В связи с изменением состава исходного органического материала содержание битума в сухом весе осадка, начиная с обр. 2/в и далее книзу постепенно уменьшается. Соответственно, несмотря на увеличение относительного содержания углеводородов в битуме, их абсолютное содержание в осадке тоже уменьшается: от 0,016% в обр. 2/в до 0,0018% в образцах 5 и 6.
С точки зрения возможностей нефтеобразования наблюдаемые тенденции к увеличению содержания углеводородов в битуме по мере преобразования органического вещества интересны как указания на направленность процесса, повышенные же концентрации углеводородов в осадке не менее важны с количественной стороны вопроса. Имеющийся фактический материал по верхним горизонтам колонки позволяет говорить, что такие повышенные концентрации (до 0,016% в обр. 2/в) для пресноводных осадков вполне реальны.
С более значительными концентрациями углеводородов в осадке (до 0,03%) мы встретились при изучении двух образцов глинисто-алевритовых отложений из другой взятой в Севане колонки (станция 31). По стратиграфическому положению они соответствуют верхним горизонтам (А - Б) разреза колонки станции 46. В обоих образцах, а также в аналогичном образце 2/в станции 46 повышенные концентрации углеводородов в осадке (0,016-0,03%) обусловлены параллельным весьма высоким содержанием в нем бензольной части битума (1,1-1,6%). Этому соответствуют значительные содержания в осадке органического углерода (4,2-4,8%) и повышенные величины битумного коэффициента (17,8-21,4%).
При столь высоком содержании битума данные осадки по праву могли бы быть названы «битуминозными» при условии, если бы битум находился на более высокой ступени преобразования. Здесь же относительно низкие содержания в битуме углерода и водорода свидетельствуют о начальных стадиях этого процесса. Как весьма «молодой», битум содержит еще мало углеводородов.
В последнем отношении диатомовые осадки Севана отличаются от аналогичных, отвечающих той же фазе развития и обогащенных органическим веществом тоже диатомовой природы, но морского происхождения современных илов Каспия, битумы которых содержат в не-сколько раз больше, в среднем 13,4% углеводородов [5, табл. 15, фация сублиторали]. Впрочем, эти различия могут и не иметь принципиального значения.
А.И. Горской были исследованы также два интервала колонки современных осадков, взятой в центральной части оз. Гусиного (Забайкалье): обр. 1 с глубины 265-270 см (серая глина с редкой галькой) и обр. 2 с глубины 410-420 см (серая глина с примесью алевритового материала) (Образцы отобраны Тарбагатайской партией Бурято-Монгольского геологического управления.). Результаты анализа их битумов и углеводородов для сравнения приведены в табл. 2 и 3. Величины гуминового коэффициента повышенные: 56,5% для обр. 1 и 39,0% для обр. 2; содержание в битуме бензольной его части низкое (51,3- 62,7%); соответственно можно думать, что органическое вещество осадка здесь скорее окисляется, чем восстанавливается. Но содержание углеводородов в битуме (8,5-15,6%) по сравнению с осадками Севана увеличено в 2-4 раза. Возможно, такое повышенное содержание углеводородов в битумах оз. Гусиного является относительным, связанным с потерей продуктов окисления битума или их переходом в нерастворимое состояние. В результате происходит остаточное накопление более восстановленных компонентов битума, в том числе углеводородов.
Аналогичные повышенные концентрации углеводородов в битуме (16,7-17,2%) (Имеется в виду первая фракция углеводородов, отмытая n-гептаном. Вторая (бензольная) фракция менее надежна.) указывают Свейн и Прокопович [11] для донных осадков оз. Верхнего - крупнейшего пресного озера Сев. Америки. Содержание же битума в этих осадках, представленных красно-бурыми и палево-бурыми глинами «диатомовой биофации», относительно низкое, в среднем 0,03%.
Таким образом, как и в морских фациях, условия битумообразования в пресноводных осадках в зависимости от режима бассейна, его глубины и т. д. могут быть различными. В бассейнах типа оз. Севан пресноводные отложения за менее типичными исключениями характеризуются восстановительной средой, благоприятной для процесса восстановления органического вещества. Достаточно интенсивным было в Севане и накопление в осадках органического материала. В этих условиях по мере преобразования органического вещества осадков намечается определенная тенденция к восстановлению битума и в связи с этим к накоплению в нем углеводородов. Правда, указанные тенденции далеко не столь отчетливы, как в случае морских осадков, например, отложений древнего Каспия, исследованных нами ранее [4]. Частично на это может влиять ограниченная длина севанских колонок и непостоянный здесь состав исходного органического материала осадков.
Тем не менее, исследование севанских колонок представляет несомненный интерес. Оно заставляет считаться с возможностью превращения органического вещества осадка в сторону нефти в условиях не только морских и лагунных фаций, где этот процесс более типичен, но и фаций пресноводных бассейнов.
Однако скорость и интенсивность процесса в тех и других фациях, по-видимому, различны. По имеющимся данным в обстановке соленоводных фаций они выше, чем в пресноводных. И эти различия в эффективности явления при прочих равных условиях могли повлиять на более обычное образование нефти в отложениях соленоводных фаций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексейчик С.К. К возможности образования нефти в континентальных отложениях. Нефт. хоз., № 12, 1946.
2. Вебер В.В. К возможности образования нефти в осадках континентальных формаций. Геология нефти и газа,1962, № 2.
3. Вебер В.В. Изучение процесса битумообразования в современных осадках озера Севан (в связи с проблемой нефтеносности пресноводных фаций). Результаты комплексных исследований по Севанской проблеме, т. II (русловые процессы).Изд. АН Армян. ССР, Ереван, 1962.
4. Вебер В.В., Горская А. И. и Глебовская Е. А. Битумообразование в четвертичных осадках и генезис нефти. Гостоптехиздат, 1960.
5. Горская А.И. Изучение органического вещества современных морских осадков. Сб. «Накопление и преобразование органического вещества в современных морских осадках», Гостоптехиздат, 1956.
6. Саидов М.Н., Багирян Г.В.и Мосякин П. Ф. О генетической связи нефти в Центральной Азии с озерно-континентальными отложениями. Сб. авторефератов научных работ, законченных в 1957 г., Гостоптехиздат, 1958.
7. Noble E.В. Geological Masks and Prejudices. Bull. Amer. Assoc. Petrol. GeoL, vol. 34, pp. 1109-1117, 1954.
8. Oil and Gas in Continental Beds(Symposium). Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol., vol. 38, No. 8, pp. 1645-1713, 1954.
9. Pan С.Н. Non - Marine Origin of Petroleum in Nortn Shensi and the Cretaceous of Szechuan, China. Bull. Amer.Assoc. Petrol. Geol., vol. 25, No. 11,pp. 2058-2068, 1941.
10. Smith P.V. Studies of Origin of Petroleum. Occurrence of Hydrocarbonsin Recent Sediments. Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol., vol. 38, No. 3, pp. 377-404, 1954.
11. Swain F.M. & Prokopoviсh N. Stratigraphy of Upper Part of Sediments of Silver Bay Area, Lake Superior. Bull. Geol. Soc. America, vol. 68,No. 5, pp. 527-542, 1957.
ВНИГНИ, ВНИГРИ
Таблица 1 Гранулометрический состав отложений
|
Фракция, % |
Средний диаметр зерен, мм |
Коэффициент сортировки, j |
Коэффициент симметричности, j |
||
|
> 0.1 мм |
0,1 - 0.01 мм |
< 0,01 мм |
|||
|
6,6 |
85,5 |
7,9 |
0,036 |
0,6 |
0,12 |
Изменение количественных и качественных характеристик битумов современных пресноводных осадков, по разрезам двух колонок в нисходящей последовательности
|
Образец |
Битум в сухом весе осадка, % |
Бензольная часть в битуме, % |
Битумный коэффициент, % |
Элементарный состав бензольной части битума |
Компонентный состав бензольной части битума, % |
|||||||
|
С, % |
Н, % |
O+N, % |
S, % |
с/н |
масла |
смолы бензольные |
смолы спирто-бензольные |
асфальтены и асфальтогеновые кислоты |
||||
|
Оз. Севан, станция 46 (Армения) |
||||||||||||
|
Горизонт А, обогащенный планкто-бентичоскими диатомовыми |
||||||||||||
|
1/в |
0,62 |
83,9 |
10,4 |
66,8 |
10,1 |
21,7 |
1,4 |
6,6 |
16,6 |
12,1 |
15,2 |
56,1 |
|
1/с |
0,72 |
81,9 |
9,1 |
70,4 |
10,5 |
18,1 |
1,0 |
6,7 |
||||
|
Горизонт Б, обогащенный диатомовыми бентоса |
||||||||||||
|
1/н |
0,61 |
95,1 |
16,2 |
67,8 |
9,6 |
19,9 |
2,7 |
7,1 |
13,2 |
9,7 |
13,2 |
63,9 |
|
2/в |
1,46 |
87,6 |
18,9 |
70,6 |
10,5 |
17,8 |
1,1 |
6,7 |
14,5 |
15,0 |
13,7 |
56,8 |
|
2/с |
0,87 |
86,2 |
11,6 |
72,9 |
11,1 |
15,3 |
0,7 |
6,6 |
14,0 |
14,5 |
24,0 |
47,5 |
|
Горизонт В, обогащенный диатомовыми планктона |
||||||||||||
|
2/н |
0,29 |
86,2 |
5,0 |
68,3 |
10,4 |
19,7 |
1,6 |
6,6 |
9.6 |
17,1 |
26,5 |
46,8 |
|
3/в |
0,26 |
92,3 |
11,3 |
69,6 |
10,0 |
17,9 |
2,5 |
6,9 |
14,0* |
15,1 |
11,8 |
59,1 |
|
Горизонт Г, где среда осадка окислительная |
||||||||||||
|
4 |
0,065 |
52,5 |
3,6 |
59,5 |
9,9 |
29,2 |
1,4 |
6,1 |
|
- |
|
- |
|
Горизонт Д, где диатомовых мало |
||||||||||||
|
5 |
0,074 |
70,4 |
4,7 |
67,1 |
9,9 |
19,4 |
2,6 |
6,8 |
26,3 |
14,8 |
8,2 |
50,7 |
|
6 |
0,033 |
87,8 |
8,0 |
70,2 |
10,5 |
16,5 |
2,8 |
6,7 |
27,8 |
17,7 |
10,7 |
43,8 |
|
Оз. Гусиное (Забайкалье) |
||||||||||||
|
1 |
0,16 |
51,3 |
3,4 |
76,7 |
9,6 |
13,0 |
0,8 |
8,0 |
36,1 |
28,0 |
11,0 |
24,9 |
|
2 |
0,22 |
62,7 |
4,8 |
72,3 |
9,0 |
17,8 |
0,9 |
8,0 |
25,8 |
33,8 |
14,1 |
26,3 |
* Компонентный анализ произведен в объединенной пробе с битумом нижележащего образца 3/н, занимающего переходное положение к следующему вниз горизонту Г.
Таблица 3 Содержание углеводородов в современных пресноводных осадках
|
Образец |
Интервал колонки, см |
Содержание углеводородов, % |
||
|
в бензольной части битума |
в органическом веществе |
в сухом весе осадка |
||
|
Оз. Севан, станция 46 |
||||
|
1/в+с |
0-75 |
1,66 |
0,13 |
0,0093 |
|
1/н |
75-100 |
1,45 |
0,19 |
0,0084 |
|
2/в |
115-130 |
1,22 |
0,18 |
0,0156 |
|
2/с |
130-155 |
1,50 |
0,13 |
0,0113 |
|
2/н |
155-180 |
2,00 |
0,08 |
0,0050 |
|
3 |
185-240 |
2,56 |
0,16 |
0,0041 |
|
5+6 |
290-400 |
4,43 |
0,20 |
0,0018 |
|
Оз. Гусиное |
||||
|
1 |
265-270 |
15,6 |
0,38 |
0,0130 |
|
2 |
410-420 |
8,5 |
0,32 |
0,0120 |
Таблица 4 Элементарный состав углеводородов нафтеново-метановой фракции
|
Станция |
C, % |
Н, % |
С/Н |
Гомологический ряд |
|
46 |
86,15 |
13,87 |
6,21 |
|
|
31 |
86,11 |
13,88 |
6,20 |
|
Рисунок Схема изменения геохимических характеристик осадков по разрезу колонки станции 46, Севан.
Примечание. Все аналитические данные привязаны к подошве интервала соответствующего образца. I -рН; II - Eh, мв; III - Fe**/Fe***; IV - Сорг, %; V - битум в сухом весе осадка, %; VI - бензольная часть в битуме, %; VII - гуминовый коэффициент; VIII - битумный коэффициент; IX - углерод в битуме, %; X- углеводороды в битуме, %; XI - углеводороды в органическом веществе, %; XII - компонентный состав битума, %: 1' -масла, 2' -смолы бензольные, 3' -смолы спирто-бензольные; 4' -асфальтены.