|
УДК 556.314(470.4/.5) |
Генезис хлоркальциевых рассолов Предуралья
В.Г. ПОПОВ (Ин-т геологии БФ АН СССР)
Несмотря на известные достижения, целый ряд кардинальных теоретических вопросов в области нефтяной гидрогеологии и гидрогеохимии изучен еще недостаточно. К ним, в частности, относится дискуссионный вопрос о формировании состава хлоркальциевых (Сl-Na-Са, Сl-Са-Na) рассолов, часто играющих роль основных региональных гидрогеохимических критериев нефтегазоносности древних платформ.
Предуралье - крупный соленосный бассейн на востоке Русской плиты, где мощность пермской галогенной формации достигает многих сотен метров. Генетически связанные с нею хлоридные рассолы по условиям залегания подразделяются на под-, меж- и надсолевые. Среди них выделяется три основных геохимических типа: 1) Mg, Na-Mg (230-400 г/л); 2) Na (36-320 г/л) и 3) Na-Са, Са-Na (200-330 г/л).
Рассолы Cl-Mg состава наиболее полно изучены в Бузулукской и Соликамской впадинах, где они заполняют изолированные резервуары в пермских солях. Они содержат очень высокие концентрации Mg (до 74 г/л), Вr (1-5,3 г/л), К (13-42 г/л). Величина отношения rNa/rCl=0,12-0,6, Cl/Br=42...78, rSO4*100/rCl =l,5...3; содержание Са 0,5-8,2 г/л (0,4-5,6%). Среди водорастворенных газов метаново-азотного состава в небольших количествах (11-60 мг/л) присутствует H2S. Эти растворы являются слабоизмененной маточной рапой (галитовой, эпсомитовой и карналлитовой), соответствующей завершающим стадиям галогенеза [4].
К Сl-Na типу относятся рассолы надсолевых и в значительной степени подсолевых (ассельско-артинских и каменноугольных) отложений, залегающих в зоне весьма затрудненной циркуляции (до глубины 1-1,5 км). Отличительными чертами их являются: низкая метаморфизация (rNa/rCl=0,9...1), обедненность Вr (менее 0,2-0,3 г/л, С1/Вr до 3000-8000), высокая сульфатность (rSO4*100/rС1=1...10). Содержание К обычно низкое (менее 0,1 г/л), но в случае контакта с калийными солями может достигать n г/л. Газовый состав этих типичных инфильтрогенных рассолов выщелачивания,- сероводородно-азотный и сероводородно-углекисло-метаново-азотный.
Рассолы Cl-Na-Са, Сl-Са-Na представляют собой основной тип вод глубокозалегающих нефтеносных комплексов Предуралья. Они развиты в пределах всех структурно-тектонических элементов региона, образуя выдержанную в пространстве гидрогеохимическую зону, приуроченную к нижнекаменноугольным, девонским и рифейско-вендским осадочным образованиям, находящимся в обстановке застойного гидрогеодинамического режима. Мощность ее во впадинах фундамента, видимо, достигает 5-7 км и более.
Хлоркальциевые рассолы имеют высокую метаморфизацию (rNa/rCl=0,1...0,7, СаС12 до 50-85 %, или 100-150 г/л), низкую сульфатность (rSO4*100/rCl=0,02...0,7), азотно-углеводородный и углеводородный газовый состав. Они богаты Вr (до 2,2 г/л, Сl/Вr=70...160), К (до 2,4 г/л). Содержание Mg обычно 1-5 г/л (3-10 %).
Для объяснения генезиса Сl-Na-Са рассолов, как известно, был выдвинут ряд гипотез - эндогенная (ювенильная), инфильтрогенная и седиментогенная (литогенетическая). В Предуралье эндогенный фактор не может иметь регионального значения в формировании указанных рассолов. Об этом, в частности, говорят результаты исследования изотопного состава гелия флюидов осадочного чехла востока Русской плиты [3].
Достаточно широко развиты представления, согласно которым происхождение хлор-кальциевых рассолов обусловлено выщелачиванием каменной соли инфильтрогенными водами (или диффузией ионов Na и Cl из галогенных пермских пород) и последующими процессами катионного обмена между образующимися Cl-Na рассолами и терригенными породами палеозоя. Для выяснения роли названных процессов в накоплении в рассолах Са нами изучен состав поглощенного комплекса (ПК) песчаников и аргиллитов палеозоя и верхнего протерозоя (400 проб), залегающих в интервале глубин 50-4700 м. Использовались методические приемы, изложенные в работе [4].
Установлено, что с погружением осадков в зону катагенеза, сопровождающимся их уплотнением и литификацией, емкость ПК закономерно уменьшается. Если для неглубокозалегающих верхнепермских отложений она достигает 50-70 мг-экв/100 г, то для среднекаменноугольных (каширских, верейских) не превышает 20-25, нижнекаменноугольных (радаевских, бобриковских) 10-15, девонских, силурийских и рифейско-вендских 5-10 (рис. 1), причем емкость ПК аргиллитов существенно (до 5 раз) выше, чем песчаников. Особенно велики различия в поглотительных свойствах этих пород в зоне гипергенеза (до глубины 1-1,5 км), в зоне катагенеза они меньше. Снижение емкости ПК пород вызывается как структурными и минералогическими особенностями их глинистой фракции (преимущественно гидрослюды), так и физико-химическими особенностями зоны катагенеза (температура, давление, кислая среда и пр.), под влиянием которых происходит старение коллоидов и подавление обменно-адсорбционных процессов.
Состав адсорбированных породами катионов показан на рис. 2. В ПК палеозойских аргиллитов обычно преобладают Са и Mg (видимо, сингенетичных породе), rCa/rNa=0,9...12,1. ПК песчаников имеет более пестрый состав (Са-Na, Mg, К-Na и др.), что объясняется как палеогидрогеохимическими особенностями седиментогенеза, так и последующими процессами катионного обмена с рассолами. Коэффициент rCa/rNa варьирует от 0 до 3-5.
ПК глубокозалегающих (свыше 1,6-2,6 км) верхнепротерозойских отложений обладает рядом специфических особенностей. Аргиллиты совсем не содержат обменный Mg, но в них много (до 47-64 %) поглощенного К. Содержание Са и величина rCa/rNa колеблется соответственно в пределах 8,7-73,6 % и 0,1-2,8. В ПК большинства проб песчаников преобладают Са и Mg (83,8-92,2%), rCa/rNa=4,8...11,4.
Сопоставление состава катионов ПК пород и контактирующих с ними рассолов указывает на их существенные различия. Адсорбированные основания значительно более разнообразны, чем главные катионы рассолов. Не наблюдается зависимости степени их метаморфизации от концентрации поглощенного Са и общей емкости обмена. Среди подсолевых рассолов нет аналогов магниевому типу ПК, что свидетельствует явно не в пользу обменно-адсорбционной концепции происхождения хлоркальциевых рассолов.
С глубиной влияние катионно-обменных явлений на состав подземных вод неизбежно снижается, поскольку происходит не только десятикратное падение адсорбционной активности пород, но и одновременное увеличение (в 10-20 раз) минерализации вод. В этих условиях в Волго-Уральской области из ПК пород в рассолы потенциально может перейти катионов не более 200-500 мг-экв/л, что несравнимо меньше их концентрации в гидратированном состоянии (3000-5000 мг-экв/л). Количественная оценка метаморфизующего эффекта катионного обмена в глубоких комплексах региона показала, что накопленное количество Са не превысит 5 %, при этом величина rNa/rCl снизится от 1 до 0,96.
Таким образом, процессы катионного обмена в формировании хлоркальциевых рассолов играют подчиненную роль, тем более, если иметь в виду, что терригенные породы в палеозое развиты крайне ограниченно, а емкостные свойства ПК карбонатных осадков, которыми сложено 80- 90 % разреза, ничтожно малы.
Происхождение Сl-Na-Са рассолов Предуралья следует связывать с направленной эволюцией вод седиментационных бассейнов преимущественно позднего палеозоя в ходе галогенеза и последующих процессов метаморфизации солеродной рапы на стадиях диа- и эпигенеза. В существующих литолого-гидрогеохимических условиях региона среди этих процессов решающее значение принадлежит метасоматической доломитизации известняков, которая осуществлялась в режиме нисходящей миграции через них Cl-Mg маточных рассолов. Механизм этого процесса обоснован в [1], а его термодинамический и кинетический анализ дан в работе [2].
В Волго-Уральской области сквозьпластовая миграция магнийсодержащих рассолов из пермских палеобассейнов и отжатых из галогенных пород при их литификации через маломощные глинистые флюидоупоры карбона и девона имела региональный характер, тем более что проницаемость глин по отношению к рассолам значительно (до 10 раз) выше, чем для пресной воды. Вследствие исключительной обогащенности маточных рассолов Предуралья Mg и очень высоких значений отношения rMg/rCa (до 150 и более) процессы доломитизации карбонатных пород проявляются весьма интенсивно, что подтверждается данными литолого-фациального анализа последних.
Метасоматические (диа- и эпигенетические) доломиты развиты по всему разрезу палеозоя и верхнего протерозоя Предуралья. Наиболее широко они представлены в верхнедевонско-турнейском комплексе, визейском и московском ярусах карбона, верхнем карбоне и сакмарском ярусе нижней перми. Им свойственны явные черты вторичных изменений: замещение кальцита доломитом, сильная изменчивость степени доломитизации, ее селективный характер и др. Мощность доломитизированных пород в отдельных стратиграфических подразделениях палеозоя колеблется от нескольких до 140 м, а в бавлинской свите протерозоя достигает первых сотен метров. Общая мощность их в разрезах отдельных площадей изменяется от 150 до 400 м, т. е. на них приходится 5-27 % мощности палеозойской толщи.
Выполненные нами балансовые гидрогеохимические расчеты в системе рассол - карбонатная порода показали, что количества Са, высвобождающегося из известняков при метасоматических процессах, вполне достаточно для образования хлор-кальциевых рассолов существующего геохимического облика в осадочной толще региона.
Решающая роль жидкой фазы позднепалеозойского галогенеза как источника хлоркальциевых рассолов в целом подтверждается также и результатами определения их абсолютного возраста. Расчет отношения Не/Ar для рассолов из отложений девона и верхнего протерозоя определил их возраст от 200 до 500 млн. лет. Причем пластовые воды девона оказались, как правило, моложе вмещающих осадков (200-250 млн. лет, т. е. нижняя пермь). Встречающиеся в ряде случаев более высокие значения возраста рассолов относительно возраста девонских и протерозойских образований связаны, скорее всего, с диффузией Не из пород фундамента.
В нефтегазоносных бассейнах, содержащих галогенные формации, геохимические последствия процессов доломитизации заключаются не только в формировании вторичных доломитов и Na-Са рассолов. Как показали исследования [2], из карбонатных пород в раствор, наряду с Са, переходит Sr, а также Zn, Pb, Сu и другие элементы в количествах, достаточных для возникновения стратиформных рудных скоплений. Напротив, при межфазовом обмене Mg на Са из маточной рапы извлекается В, накапливающийся в метасоматических доломитах в виде слаборастворимых кальциевых боратов [4].
Не менее важно то, что в результате эпигенетической доломитизации происходит также и значительное увеличение пористости карбонатных пород (на 10-12 %), т. е. образование вторичных коллекторов нефти, газа и подземных вод.
Существенная роль в метаморфизации рассолов нередко отводится гидролитическим процессам, протекающим при взаимодействии захороняющейся маточной рапы с алюмосиликатными породами. Терригенные отложения палеозоя и докембрия Волго-Уральской области в ходе геологической истории под влиянием рассолов, действительно, претерпели определенные постседиментационные преобразования, в первую очередь разложение эндогенных алюмосиликатов, ведущее к появлению ряда аутигенных минералов (гидрослюд, каолинита, альбита, хлорита и др.). Вместе с тем, учитывая, как уже указывалось, ограниченную распространенность терригенных осадков в палеозойском комплексе исследуемой территории, нет оснований придавать этим процессам ведущее значение в формировании хлоркальциевых рассолов.
В заключение следует отметить, что изложенные представления о происхождении хлоркальциевых рассолов хорошо согласуются с современной геологической концепцией - тектоникой литосферных плит, в соответствии с которой основная миграция УВ происходит из недр орогенных систем в сопредельные прогибы и впадины. Она, в частности, объясняет приуроченность наиболее крупных нефтяных скоплений к краевой восточной части Русской плиты. Гидрогеологические данные свидетельствуют об относительно позднем времени формирования современных залежей нефти и газа региона. Заполнение УВ ловушек, расположенных на пути латеральной миграции, здесь произошло, судя по всему, в посленижнепермский период, в ходе заключительных фаз герцинского тектогенеза. В мезозойско-кайнозойскую эпоху застойный гидрогеодинамический режим в зоне хлоркальциевых рассолов способствовал сохранению нефтегазовых скоплений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Валяшко М.Г., Поливанова А.И., Жеребцова И.К. Экспериментальное исследование перемещения растворов разного удельного веса в пористых породах в связи с вертикальной гидрохимической зональностью // Геохимия.- 1963.- № 3.- С. 312-326.
2. Геохимический анализ способности подземных вод седиментационных бассейнов к образованию доломита / С.Р. Крайнев, Е.В. Добровольский, Л.И. Матвеева, Г.А. Соломин // Геохимия.- 1986.- № 9.- С. 1285-1302.
3. Поляк Б.Г., Толстихин И.Н., Якуцени В.П. Изотопный состав гелия и тепловой поток - геохимический и геофизический аспекты тектогенеза // Геотектоника.- 1979.- № 5.- С. 3-23.
4. Попов В.Г. Гидрогеохимия и гидрогеодинамика Предуралья.- М.: Наука.- 1985.
Рис. 1. Изменение емкости ПК песчаников (кривая 1) и аргиллитов (кривая 2) с глубиной.
Породы: 1- верхнепермские, 2 - среднекаменноугольные (каширские, верейские), 3 - нижнекаменноугольные (радаевские, бобриковские), 4 - девонские, 5 - силурийские, в - рифейско-вендские
Рис. 2. Катионный состав ПК пород.
Усл. обозн. см. на рис. 1.