|
УДК 550.36:551.73/.78 |
Цикличный характер изменения современных и палеотемператур в фанерозое
С. П. МАКСИМОВ, М. И. ЛОДЖЕВСКАЯ |ВНИГНИ|
Достоверный прогноз нефтегазоносности больших глубин, обоснование нижнего предела распространения в осадочном чехле промышленных залежей УВ и их фазового состояния в значительной степени связаны с изучением теплового режима нефтегазоносных территорий в различные эпохи их геотектонического развития. Исследования в области термической истории Земли показали, что поток тепла изменялся во времени. Было также установлено существование корреляционной связи величин теплового потока с возрастом активного периода складчатости [4, 6, 8]. Однако, как происходило это изменение - увеличивался тепловой поток от более древних эпох к более молодым или уменьшалась тепловая активность во времени, однозначного ответа пока нет. Согласно одним моделям, Земля была максимально разогрета в период ее образования (4,5 млрд, лет назад), следовательно, в последующие эпохи могло происходить снижение тепловой активности, согласно другим - тектоно-тепловая активность увеличивалась во времени. Последняя точка зрения подтверждается также энергетическим балансом Земли. Оказалось, что приход тепловой энергии за счет различных внутренних процессов значительно превосходит расход потенциальной внутренней энергии, что говорит либо о накоплении энергии в той или иной форме внутри Земли и периодической реализации ее в процессе эволюции, либо о существовании «энергоемкого» процесса, который мы не учитываем при подсчете расхода тепловой энергии [6, 8].
К настоящему времени накоплен обширный фактический материал по замерам современных и расчету палеотемператур в крупных и более дробных стратиграфических подразделениях фанерозоя и венда, отвечающих мегациклам и циклам осадкообразования [1-12]. В обобщенном виде эти данные представлены на рисунке. Графики I-IV соответствуют пяти мегациклам; вендскому, раннепалеозойскому, средне-позднепалеозойскому, мезозойскому и кайнозойскому. В пределах каждого мегацикла условными обозначениями показаны величины современных и палеотемператур, характеризующие циклы осадкообразования: вендский, кембрийский, ордовикский, силурийский и т. д. Каждое значение современных и палеотемператур привязано к современной глубине залегания того или иного стратиграфического подразделения. В фактическом материале учитывались лишь данные о тепловом режиме осадочных образований, не затронутых метаморфизмом.
Анализ современных температур в отложениях фанерозоя и венда показал, что в отложениях всех пяти мегациклов намечается неуклонное их увеличение с глубиной. Иной характер изменения у палеотемпературы. В породах первых трех мегациклов - вендских - раннепалеозойских и среднепозднепалеозойских - отмечаются значительные колебания палеотемператур и отсутствие какой-либо корреляционной связи между современными и палеотемпературами с глубиной залегания пород. Например, для вендских - нижнекембрийских отложений Сибирской платформы разрыв между современными и палеотемпературами на глубине 3 км составляет 60 °С, на глубине 4 км - 125 °С, на глубине 5 км - 90 °С. Та же закономерность отмечается в девонских (Волго-Уральская НГП, Пермский НГБ), а также в нижнесреднекаменноугольных и нижнепермских отложениях, где разрыв между современными и палеотемпературами достигает соответственно 100, 110 и 75 °С. Лишь на глубинах 5-6 км происходит сближение указанных значений, особенно в тех районах, где тектоническая активность проявлялась в неоген-четвертичное время (Днепровско-Донецкий грабен). Значительные колебания палеотемператур в раннепалеозойском и средне-позднепалеозойском мегациклах свидетельствуют о широком распространении инверсионных этапов развития в отдельных нефтегазоносных регионах, следствием чего явилось выведение сильно прогретых осадочных толщ на меньший гипсометрический уровень. В отложениях мезозойского мегацикла с глубиной значения как современных, так и палеотемператур неуклонно возрастают, а в некоторых случаях при унаследованном развитии регионов на глубинах 5 км и более происходит сближение их значений (Западно-Сибирская НГП, Амударьинская ГНП и др.).
Еще более отчетливо совпадение значений современных и палеотемператур отмечается в отложениях кайнозойского мегацикла, особенно в неогеновых в интервале глубин от 2 до 7,5 км. По всей вероятности, современные температуры неогеновых отложений наиболее близки к палеотемпературам и их можно считать максимальными (при условии близких тепловых потоков других геотектонических эпох) в периоды тектоно-магматической и тепловой активности.
Изменение значений температур с глубиной носит криволинейный характер. Низкую прогретость прогибов, выполненных кайнозойскими (и в первую очередь миоценовыми) отложениями, на больших глубинах можно объяснить ограниченностью времени и высокими скоростями осадконакопления, сопровождавшегося повышенным тепловым потоком, который, однако, не проник в верхнюю часть разреза по разным причинам. В некоторых регионах в отдельные века неогенового периода скорость осадконакопления достигала 400 (северная часть впадины Галф Кост), 500 (межгорные впадины Калифорнии) и 700 м/млн. лет (Южно-Каспийская впадина и Предкарпатский прогиб). В этих бассейнах, где кайнозойские глинистые образования большой мощности содержат неотжатые флюиды с высокими термоизолирующими свойствами, температуры характеризуются пониженными значениями.
На рисунке представлены данные об изменении максимальных палео- (кривая А) и современных (кривая Б) температур в отложениях фанерозоя и венда. Кривые носят цикличный характер. Вендский мегацикл характеризуется повышенными значениями палеотемператур (до 230 °С), раннепалеозойский - максимумом в кембрии (220 °С) и минимумом в силуре (175 °С), средне-позднепалеозойский и мезозойский - примерно равными максимальными значениями палеотемператур (нижний карбон - 230 °С, юра - 235 °С) и близкой конфигурацией кривой (в начале мегацикла температуры минимальные, к середине происходит нарастание и затем к концу мегацикла- снижение палеотемператур). По характеру распределения палеотемператур палеогеновый цикл осадкообразования относится скорее к мезозойскому и завершает его.
Приведенные данные по изменению максимальных температур в отложениях фанерозоя и венда позволяют прийти к заключению об отсутствии резких колебаний максимальных значений палеотемператур от вендского, раннепалеозойского и средне-позднепалеозойского мегациклов к мезозойскому. Несколько повышенными температурами характеризуется лишь кайнозойский мегацикл в объеме неогенового цикла осадконакопления.
Кривая изменения максимальных современных температур также имеет цикличный характер, однако перепады значений их больше, чем максимальных палеотемператур. Обращает на себя внимание разрыв в значениях современных и палеотемператур в венде- нижнем кембрии (на 50 °С), девоне (на 35 °С), нижней перми (на 75 °С) и мелу (на 40 °С). В последних двух комплексах, завершающих крупный мегацикл осадкообразования, значительное снижение современных температур, по всей вероятности, можно объяснить снижением тепловой активности на завершающем этапе мегацикла. Четкая корреляционная связь между повышенными современными и палеотемпературами и временем осадконакопления не прослеживается. Из рассмотренных данных следует еще один очень важный вывод об отсутствии принципиальной разницы в тепловом поле палеозойских и мезозойских отложений, слагающих древние и молодые платформы. По всей вероятности, прогрев осадочного чехла осуществлялся импульсивно и действовал кратковременно (не более 25-50 млн. лет) [5], т. е. влияние фактора геологического времени на значения температур было ограниченным.
Отставание значений современных температур от палеотемператур в вендском и раннекембрийском цикле (Сибирская платформа) связано, возможно, с четвертичным оледенением, которое привело к понижению теплового режима в интервале глубин 1-6 км на 55-60 °С, а на глубинах 6-7 км - на 10-18°С [10].
Разрыв между современными и палеотемпературами в раннепермском, девонском и меловом циклах осадконакопления, возможно, связан с особенностями теплопроводящих свойств пород: коэффициент теплопроводности соли (нижнепермские отложения) и известняков (девон, мел) в 5 и 2,5 раза больше коэффициента теплопроводности пелитовых разностей.
Рассмотренные выше тенденции изменения современных и палеотемператур в отложениях фанерозоя отражают общий термический режим осадочного чехла, обусловленный преимущественно эндогенными факторами: тепловой энергией, выделяемой при распаде радиоактивных элементов, гравитационной, образующейся при дифференциации подкорового вещества, что приводит к активизации тектоно-магматических процессов и сопровождающих их повышенных тепловых потоков [6, 8].
При конкретном рассмотрении отдельных районов наряду с общими особое значение приобретают частные закономерности изменения современных и палеотемператур, имеющие локальный характер.
Нами было прослежено изменение современных и палеотемператур с глубиной в шести нефтегазоносных прогибах, мощность осадочного чехла которых достигает 16-20 км и более. Днепровский грабен, межкупольная зона Прикаспийской впадины, шельфовая часть бассейна Мексиканского залива характеризуются преимущественно терригенным разрезом, Месопотамский - преобладанием карбонатных пород, прогибы Анадарко и Восточно-Манычский - смешанным литологическим составом с преобладанием терригенных разностей.
Прогиб Анадарко и Днепровский грабен характеризуются четырьмя региональными перерывами, Прикаспийская впадина - пятью, Восточно-Манычский - тремя, Месопотамский прогиб и шельф Мексиканского залива - двумя перерывами, которые по-разному проявляются в соотношении современных и палеотемператур. В прогибе Анадарко перерывы в осадконакоплении не отразились на характере изменения палеотемпературной кривой. По всей вероятности, максимальный тепловой поток, сопровождавший интенсивное прогибание в позднекаменноугольное (пенсильванское) и пермское время, снивелировал различия в палеотемпературном режиме нижнепалеозойских отложений. В распределении современных температур этого прогиба намечается иная картина: до глубин 4,5 км они резко отстают от палеотемператур (на 75-100°С), с глубин 5 км намечается сближение, а в интервале глубин 6-9 км - совпадение значений современных и палеотемператур, которые в этом интервале глубин составляют 175-220 °С [11]. Подобная картина сближения современных и палеотемператур на глубинах более 5 км намечается также в Днепровском грабене и Прикаспийской впадине. Следует, однако, отметить, что в Днепровском грабене нет резкого различия между значениями современных и палеотемператур и на меньших глубинах. В прогнутых участках распространения соли (Распашновский купол) современные температуры могут значительно (на 60-100 °С) отличаться от палеотемператур. По кривой распределения палеотемператур в Днепровско-Донецком грабене фиксируются два региональных перерыва: первый - на границе нижнего и верхнего карбона и второй-на границе верхнего карбона и нижней перми. По всей вероятности, прогибание в кайнозойское время хоть и сопровождалось дополнительным подтоком тепла с больших глубин, но его было недостаточно для выравнивания различных температурных режимов нижнего, среднего карбона и нижней перми. Возможно также, что кривая изменения как палео-, так и современных температур контролируется наличием соленосных отложений девонского и нижнепермского возраста.
В межкупольной зоне Прикаспийской впадины в изменении палеотемператур намечаются два перелома, соответствующие региональным перерывам осадконакопления между верхним триасом и нижней юрой и верхней пермью и нижним триасом. Сопоставление современных и максимальных палеотемператур показывает, что на глубинах 1-2 км разница составляет 60 °С, а на глубинах 2-3, 3-4, 4-5 и 5-6 км - соответственно 55, 45, 40 и 20 °С. На глубинах более 6 км различие будет, по всей вероятности, снивелировано [7].
Скачок в изменении палеотемператур намечается между меловым и палеогеновым комплексами Месопотамского прогиба, что отвечает региональному перерыву осадконакопления. Современные температуры, замеренные в карбонатных отложениях мела и низах палеогена, часто значительно ниже палеотемператур в верхней части палеогеновой толщи, представленной терригенными отложениями. Остывание отложений мела и низов палеогена связано, возможно, с высокими термопроводящими свойствами карбонатных и соленосных пород, преобладающих в рассматриваемом прогибе. Перерыв в осадконакоплении между палеогеном и неогеном по соотношению современных и палеотемператур не проявился.
В Восточно-Манычском прогибе перелом палеотемператур зафиксирован на границе между средним и нижним триасом и верхней пермью. На этом же уровне происходит сближение значений современных и палеотемператур, разница между которыми всего 15-20° С.
В шельфовой части мегабассейна Мексиканского залива в распределении современных и палеотемператур с глубиной наблюдаются резкие различия температур в отложениях шельфа Луизианы и Техаса. Так, на глубине 6 км современная температура в Техасе достигает 240 °С, а в Луизиане - 175 °С, палеотемпература же на глубине 4,5 км соответственно 175 и 150 °С. Повышенные тепловые потоки Техасской шельфовой части бассейна, возможно, связаны с сокращенным разрезом неогена и значительной активизацией этого участка в неоген-четвертичное время.
Значения палеотемператур шельфа Луизианы изменяются не по прямолинейному закону, а синусоидально, как было показано Л.А. Польстер, Ю.А. Висковским и др. [9] для нефтегазоносных бассейнов с кайнозойским осадочным заполнением. На кривой можно выделить три участка. Первый - до глубины 3 км, характеризуется резким наклоном и отвечает геотермическому градиенту выше среднего. Второй - близкий к прямолинейному, где, возможно, осуществлялся переход смешаннослойных глинистых минералов в гидрослюду (глубина до 4,5 км, температура 130 °С). Третий участок кривой характеризуется повышенным палеогеотермическим градиентом. Пониженные значения палео- и современных температур не имеют однозначной интерпретации: в последние годы было установлено, что переход монтмориллонита в гидрослюду (зона, отвечающая среднему отрезку кривой изменения температуры) сопровождается выделением тепла и осуществляется при более высоких температурах (до 200°С), чем предполагалось ранее.
Близкой по конфигурации и значениям является кривая изменения современных температур. Интервал глубин более 6 км определяется большим разбросом точек, что может быть следствием влияния локальных факторов, таких как выделение тепла при дегидратации и гидратации солей, глинистых минералов, разложение и коалинизация минералов и горных пород, их серицитизация и окварцевание, метасоматоз и метаморфизм, сопровождающихся энергетическим эффектом и усиливающихся в молодых областях с неуравновешенной гидротермодинамической системой [12]. В этих условиях катагенетическое изменение РОВ сводится к термическому разложению. В ходе деструкции возникает обилие различных форм карбонатных кислот и газовых компонентов, главным образом СН4, СO2, Н2, NH3, отвечающих температурам более 160-200 °С, которые, в свою очередь, растворяясь в водах, делают ее агрессивным химическим реагентом, участвующим в многочисленных реакциях с выделением тепла.
В шести рассмотренных прогибах можно выделить комплексы-доминанты, различающиеся геотермической характеристикой, обусловленной литологическим составом пород и связанной с особенностями геотектонического развития прогибов. Комплексы-доминанты, представленные карбонатными отложениями (мел - палеоген Месопотамского прогиба), отличаются пониженными значениями температур по сравнению с перекрывающими их неогеновыми отложениями терригенного состава. Триасовые - верхнепермские отложения (комплекс-доминанта межкупольной зоны Прикаспийской впадины), а также нижне-среднекаменноугольные отложения (комплекс-доминанта Днепровско-Донецкого грабена) характеризуются несколько более повышенными по сравнению с вышележащими отложениями значениями температур.
Терригенный комплекс-доминанта нижне-верхнекаменноугольного возраста в прогибе Анадарко отличается пониженными по сравнению с нижележащими силур-девонскими и кембро- ордовикскими карбонатными отложениями значениями температур. Вышележащие пермские отложения характеризуются минимальными значениями, что, по всей вероятности, связано с ослабленным тепловым потоком в последующие (после герцинского) эпохи геотектонического развития.
Таким образом, рассмотренные выше данные по соотношению современных и палеотемператур в мегациклах и циклах осадкообразования и изменению значений температур с глубиной позволяют прийти к следующим основным выводам.
1. Палеотемпературы венда, палеозоя, мезозоя и кайнозоя не имеют принципиальных различий, что, возможно, определяет сходство палеотермического режима на больших глубинах древних и молодых платформ и в меньшей степени подвижных поясов и эпиплатформенных орогенов.
2. Сближение современных и палеотемператур в областях глубокого прогибания с палеозойским и мезозойским осадочным выполнением, а в регионах с кайнозойским осадочным выполнением по всему разрезу дает основание предположить увеличение глубинного предела промышленной нефте- и газоносности не только на молодых платформах и в подвижных поясах, но и на древних платформах.
3. Отсутствие четкой корреляционной связи между геологическим временем и современными и палеотемпературами, а также предположение об импульсивном, кратковременном прогреве на разных этапах геологической истории ставят под сомнение компенсирующее влияние фактора времени на процессы нефтегазообразования, что позволит по-новому подойти к определению времени образования нефтяных и газовых скоплений, объяснению преимущественной газоносности глубоких недр древних бассейнов и т. д.
4. В глубоких частях прогибов, как и в регионально приподнятых участках, по соотношению современных и палеотемператур можно зафиксировать региональные перерывы в осадконакоплении, однако установить их длительность и масштабность затруднительно из-за недостатка геологических и геотермических данных, а также неоднозначности интерпретации геологических процессов. Фиксирование региональных перерывов при изучении соотношения современных и палеотемператур, возможно, определяется не длительностью и степенью размыва отложений, а интенсивностью тектонической активности (в частности, амплитудой прогибания отдельных участков бассейна в последующие за перерывами эпохи, особенно в неоген- четвертичное время).
5. Комплексы-доминанты, с которыми связаны максимальные запасы УВ, имеют разнообразную термическую характеристику, что обусловлено их неоднородным литологическим составом, особенностями истории геотектонического развития и т. д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Восанчук С.С., Григорчук К.Г., Старинский В.А. Современное тепловое поле и катагенетическая зональность отложений карбона ДДВ. - Геология нефти и газа, 1982, № 5, с. 36-41.
2. Геотермические условия осадочного чехла нефтегазоносных бассейнов. - Труды ВНИГРИ. Л., 1975, вып. 369, с. 1-117.
3. Катагенез и нефтегазоносность / Г.М. Парпарова, С.Г. Неручев, А.В. Жукова и др. Л., Недра, 1981.
4. Максимов С.П., Добрида Э.Д. Цикличность геотектонического режима пород и ее влияние на условия генерации и миграции УВ в палеозойских отложениях Урало-Поволжья. - Геология нефти и газа, 1980, № 10, с. 17-23.
5. Палеогеотермия и нефтегазоносность / И.И. Аммосов, Н.П. Гречишников, В.И. Горшков и др. М., Наука, 1982.
6. Поляк Б.Г., Кропоткин П.Н., Макаренко Ф.А. Геоэнергетика и эволюция Земли.- В кн.: Энергетика геологических и геофизических процессов. М., 1972, с. 7-26.
7. Прогноз палеотемператур и степени катагенетической преобразованности органического вещества подсолевых отложений Прикаспийской впадины / О.К. Навроцкий, Г.П. Былинкин, И.В. Орешкин и др.- Геология нефти и газа, 1982, № 4, с. 28-32.
8. Тепловое поле Европы. Под ред. В. Чермака, Л. Рибаха. М, Мир, 1982.
9. Термобарические условия формирования залежей нефти и газа на больших глубинах в областях кайнозойского прогибания / Л.А. Польстер, Ю.А. Висковский, Л.Г. Шустова и др. - Геология нефти и газа, 1981, № 3, с. 44-47.
10. Юрин Г.А. Температурный режим недр Сибирской платформы.- Геология нефти и газа, 1982, № 9, с. 12-16.
11. Mс Nally R., Chevron's N. I. Ledbetter Producting from record depth. - Petr. Eng., 1978, vol. 50, No. 3, p. 104-108.
12. Hunt J. M. Petroleum Geochemistry and Geology. San Francisco, W. H. Freeman and Company, 1979.
Поступила 25/V 1984 г.
Рисунок Цикличный характер изменения современных и палеотемператур в отложениях фанерозоя и венда.
а - изменение с глубиной значений современных и палеотемператур; б - изменение максимальных палеотемператур (А) и современных (Б) в циклах и мегациклах осадкообразования. Мегациклы осадкообразования: I+II - вендский+раннепалеозойский. III - средне-позднепалеозойский, IV- мезозойский. V - кайнозойский. Значения палеотемператур - белые значки, современных температур - черные