|
УДК 553.982:553.078 |
|
|
|
© И.С. ГОЛЬДБЕРГ, 1990 |
Нафтаметаллогенические провинции мира и генезис рудных концентраций в тяжелых нефтях и битумах
И.С. ГОЛЬДБЕРГ (ВНИГРИ)
Многие месторождения тяжелых нефтей и битумов обогащены V, Ni, Re, Mo, Se, U, Sb, As, Au, Cd и другими редкими и рассеянными элементами (РЭ), содержание которых может в десятки и более раз превышать их кларки и достигать уровня промышленных рудных концентраций, особенно в остаточных продуктах переработки. В некоторых странах (Канада, Венесуэла, США) из тяжелых нефтей и битумов извлекаются V, Ni, U и другие металлы.
Учитывая устойчивую тенденцию возрастания доли тяжелых нефтей и отчасти битумов, как в структуре запасов, так и в добыче и переработке, проблема комплексного освоения этого сырья и рационального использования всех сопутствующих полезных компонентов приобретает важное народнохозяйственное значение. Кроме того, многие металлы (V, Ni, Cd, As, Zn, Cr и др.) относятся к высокотоксичным соединениям, что требует проведения экологической экспертизы таких месторождений, а также мероприятий по деметаллизации продуктов их переработки.
В связи с разработкой проблемы металлогении нефтей и природных битумов проведено опробование на РЭ большой группы месторождений в различных НГП СССР (Волго-Уральской, Тимано-Печорской, Прикаспийской, Северо-Кавказско-Мангышлакской, Лено-Тунгусской и др.). Аналитические данные получены методами эмиссионного спектрального и флуоресцентного рентгенорадиометрического анализов (ВНИГРИ) и нейтронно-активационного анализа (ИЯФ АН КазССР). Кроме того, использован большой объем данных по микроэлементному составу нефтей и битумов, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе.
На основании выполненных расчетов концентрационных рядов РЭ по основным нефтегазоносным бассейнам СССР и многим бассейнам зарубежных стран (Канады, США, Венесуэлы, Ливии, Саудовской Аравии, Италии, Албании, ФРГ и др.) выделены типы и подтипы нафтаметаллогенических провинций (НМП), характеризующихся различными ассоциациями металлов и предельными величинами их концентрации. Типы НМП определялись по редким и рассеянным элементам, абсолютная величина концентраций которых составляет не менее 50 % от суммарного содержания металлов в нефтях и битумах; подтипы - по ассоциациям РЭ с устойчиво максимальными значениями коэффициентов концентрации (kK) - отношением содержания элемента в нефти (или битуме) к его кларку для осадочных пород. Среди изученных НГБ СССР и зарубежных стран по абсолютному содержанию РЭ в нефтях и битумах выделяются три основных типа НМП: I - ванадиевый и никелево-ванадиевый, II - никелевый и ванадиево-никелевый и III - цинковый (табл. 1).
Для первого типа провинций характерны наиболее высокие величины суммарной концентрации РЭ, среди которых по абсолютному содержанию преобладают V, Ni, Co, Cr, Мо и другие элементы, связанные с асфальтово-смолистыми фракциями. Содержание V в некоторых месторождениях тяжелых сернистых нефтей достигает (0,6-1,4)*10-1 %, Ni- (0,1-0,2)*10-1, а в твердых битумах (асфальты, асфальтиты) - более 4,5*10-1 и 0,5*10-1 соответственно, что позволяет рассматривать их как «месторождения в месторождении». В ассоциации с V и Ni в надкларковых концентрациях установлены Re, Mo, Se, As, Au, Sb, реже Cd, Hg, Ag. Коэффициенты концентрации этих элементов достигают следующих значений: 75-1000 (Re), 2,5-91 (Мо), 12-130 (Au), 1,5-20 (Sb), 2-12 (Cd), 2-10 (As). По устойчиво максимальным значениям kк выделяются три основные металлогенические ассоциации: Re-V- Ni-Мо, Мо-V-Ni и V-Ni. Две первые ассоциации элементов присущи нефтям и битумам Волго-Уральской, Западно-Канадской, Маракаибской, Восточно-Венесуэльской и другим наиболее богатым ванадиеносным провинциям мира.
В провинциях никелевого и ванадиево-никелевого типов концентрация Ni и особенно V как в легких, так и тяжелых нефтях и битумах существенно ниже, чем в провинциях первого типа. Средние величины содержаний Ni изменяются от 0,3*10-4 до 1,2*10-2 %, V -от 0,1*10-5 до 0,8*10-2, Zn - от 0,2*10-5 до 0,6*10-2. Концентрация других наиболее часто встречаемых в нефтях элементов (Rb, Cu, Со, Cr, Sn, Ga и др.), как правило, в десятки и сотни раз ниже кларка. По металлогеническим ассоциациям основных элементов выделяются четыре подтипа провинций: Se-Ni-V-Мо, Se-Ni, Ni-Mo, Ni-Zn. Преимущественно два первых подтипа (Лос-Анджелес, Грейт-Валли, Северо-Кавказская, Сахаро-Ливийская и др.) содержат отдельные месторождения тяжелых нефтей и битумов с надкларковыми концентрациями Se, Hg, Sb, Cd, Ag, Au, As. Максимальные значения kК этих элементов достигают: 30-500 (Hg), 5-80 (Se), 13-60 (Cd), 10-50 (Au), 2-10 (Sb) и т. д. Однако распределение большинства указанных элементов крайне неравномерно даже в пределах отдельных залежей, что может быть обусловлено их локальным привносом.
Наиболее обеднены как по суммарному содержанию металлов, так и по концентрации отдельных элементов нефти и битумы провинций цинкового типа. Преобладающими являются Zn, Pb, Cu, концентрирующиеся не только в остаточных, но и высококипящих фракциях нефти. Средние величины концентрации Zn лежат в пределах 0,2*10-4 -2,1*10-3 %, Ni - 0,8*10-5- 7,6 *10-4, V - 0,1-5- 4,8*10-4. Показательно, что даже в тяжелых нефтях и битумах этих провинций содержание V и Ni обычно не превышает n (10-3-10-4) % (тяжелые нефти севера Западно-Сибирского бассейна, асфальтовые битумы Лено-Тунгусского бассейна, месторождения жильных асфальтитов бассейна Уинта-Пайсенс и др.).
Причины, определяющие металлогеническую специализацию НГБ и уровни концентрации РЭ, связаны с источниками, путями накопления и формами нахождения РЭ в нефтях и битумах. До настоящего времени эти вопросы не решены однозначно. По существующим гипотезам признается как первичная природа РЭ, унаследованно переходящих из ОВ в нефть, так и возможность вторичного внедрения металлов или части из них (V, Re, U, Mo, Au, Cd, La, Sr и др.) в нефть в результате ее взаимодействия с минеральными компонентами пород и вод, а также при различных биохимических процессах. В этом плане интерес представляет сравнение ассоциаций РЭ, накапливающихся в нефтях и битумах и в породах, обогащенных сапропелевым ОВ (доманикиты, горючие сланцы), которые рассматриваются многими исследователями в качестве основных нефтепроизводящих толщ.
Анализ опубликованных данных по микроэлементному составу горючих сланцев и доманикитов различных бассейнов мира и результаты выполненных аналитических исследований показывают, что эти формации содержат сходную с установленной во многих нефтях и битумах ассоциацию РЭ (Re, Mo, Se, Cd, Bi, U, V, Ni, Ag, Au, As, Sb, Zn, Cu, Pb, Co и др.), сопутствующих сапропелевому ОВ, при значительно более высоких уровнях концентрации и масштабах накопления в них РЭ. Вместе с тем металлогеническая специализация нефтегазоносных бассейнов и характер распределения в исходных нефтях РЭ определяются не только типом нефтепроизводящих толщ и их металлоносностью, но и условиями нефте- и рудообразования, в частности: 1) градациями катагенеза, на которых происходила эмиграция нефти, 2) составом исходных битумоидов и нефтей, 3) особенностями кристаллохимических связей ОВ с минеральными компонентами нефтематеринских пород, влияющими на мобилизацию рудного вещества как в самих породах, так и в генерированных ими нефтях, 4) возможностью обогащения РЭ нефтей в обширных зонах инфильтрации.
Можно полагать, что в бассейнах с развитием доманикитов кремнисто-карбонатного состава, нефтеобразование в которых начинается на относительно низких градациях катагенеза (ПК3 - MK1), формируются нефти, обогащенные асфальтово-смолистыми компонентами, концентрирующими V, Ni, Mo, Co и др. Это предопределяет образование НМП ванадиевого и никелево-ванадиевого типов (Волго-Уральская, Тимано-Печорская, Адриатическая, Западно-Канадская и др.). Вероятно, чем больше в исходных нефтях асфальтово-смолистых компонентов, тем выше региональный уровень концентрации металлов. В этом отношении показательна региональная ванадиеносность, очевидно, изначально высокоциклических тяжелых каменноугольных нефтей Урало-Поволжья, источником которых могли явиться верхнефранско-турнейские кремнисто-карбонатные доманикиты Усть-Черемшанского и других некомпенсированных прогибов Камско-Кинельской системы.
При нефтеобразовании в жестких термобарических условиях микроэлементный состав исходных нефтей должен определяться в основном только теми металлами, которые концентрируются в легких фракциях (Pb, Cu, Zn и др.). Такая ассоциация характерна для нефтей глубокопогруженных впадин (север Западно-Сибирского бассейна, Вилюйская синеклиза, бассейн Уинта-Пайсенс и др.), краевых прогибов (Предуральского, Предверхоянского, Предальпийского и др.) и нефтей газоконденсатной природы (Предкарпатский, Южно-Мангышлакский прогибы и др.). Таким образом, по мере возрастания катагенеза нефтепроизводящих толщ происходит уменьшение в исходных нефтях РЭ, концентрирующихся в асфальтово-смолистых фракциях (V, Ni, Mo, Co, Cr, Sb, La, Се и др.), и увеличивается доля элементов, связанных с высококипящими фракциями (Pb, Zn, Cu, Hg, Se и др.). Этот вывод хорошо подтверждается данными по компонентному и микроэлементному составам битумоидов (табл. 2) из отложений кремнисто-карбонатного доманика Восточно-Европейской платформы, кремнисто-глинистых отложений баженовской свиты Среднего Приобья и кумской свиты Предкавказья, нефтеобразование в которых, по данным С.Г. Неручева, Е.А. Рогозиной, И.А. Зеличенко и др. [2], происходило на градациях катагенеза соответственно МК1 (на глубинах до 2 км), MK1 - МК2 (до 3 км) и к концу МК2 (4,4-4,8 км).
По максимальным значениям kк в битумоидах установлены те же ассоциации элементов, которые характерны для нефтей и битумов соответствующих НМП: V-Ni-Mo (Волго-Уральская), V-Ni (Среднеобская), Ni - V (Северо-Кавказская) .
На основании анализа процессов мобилизации рудных элементов и условий их концентрирования в тяжелых нефтях и битумах предложены генетические модели формирования этих металлосодержащих месторождений (табл. 3). Основным источником РЭ в месторождениях I типа является рудная составляющая ОВ нефтепроизводящих, преимущественно доманикитовых формаций. Расчеты, выполненные по баженовской свите и доманику, показывают, что в битумоиды из ОВ может переходить V 42-83 % и Ni 44-81 (в значительной части в виде порфириновых комплексов), Мо 0,5-18, Сu 10-5, Pb 4,5-11, Cr 0,7-4, Со 0,1-3 и т. д. Однако в нефть из битумоидов также переходят V и Ni 5-12 %, Мо 1,5-13, Cu 1,5-5 и примерно такой же процент других элементов; остальная часть, вероятно, выпадает в пластах совместно с асфальтово-смолистыми веществами. Поэтому только изначально тяжелые циклические высокосмолистые нефти могут быть значительно обогащены РЭ (V, Ni, Mo и др.). В остальных случаях накопление рудных концентраций происходит в процессе преобразования нефтей, в частности при окислительном превращении (тяжелые сернистые нефти, битумы) и фазовом фракционировании тяжелых нефтей (жильные битумы).
Месторождения органофильного типа связаны преимущественно с ванадиевыми и никелево-ванадиевыми НМП, где они имеют широкое распространение в пределах целых областей и зон нефте- и битумонакопления, что определяет возможность выявления значительных ресурсов рудных элементов, главным образом V и Ni. К примеру, выполненные на основании данных [3, 4] расчеты показывают, что только в месторождениях битумов Канадского асфальтового пояса (Атабаска, Пис-Ривер и др.) содержится V 36 млн. т и Ni 17 при прогнозных ресурсах V в рудных месторождениях зарубежных стран 56 млн. т [1].
Второй генетический тип месторождений характеризуется значительно большим разнообразием рудных элементов, из которых в промышленных концентрациях наряду с V и Ni встречаются Mo, U, Se, Hg, Ge, Sc и др. (см. табл. 3). Вероятно, источники рудного вещества - массивы основных и ультраосновных пород (V, Ni, Cr), угленосные отложения (Ge, Ga, U, Mo, Se, и др.), расположенные в областях питания пресных или слабоминерализованных инфильтрационных вод, при взаимодействии которых с нефтями и битумами образуются вторичные концентрации на сорбционных и восстановительно-сероводородных барьерах (месторождения промышленно ванадиеносных тяжелых нефтей Маракаибского бассейна, пояса Ориноко Восточно-Венесуэльского бассейна, некоторые месторождения германиеносных битумов Прикаспийского и Лено-Анабарского бассейнов и др.). С процессами магматической и гидротермальной деятельности связано образование вторичных рудных концентраций (V, Mo, U, Hg и др.) в месторождениях твердых битумов, особенно в пределах складчатых областей (Уральской, Апеннинской, Андийской и др.). К этому подтипу относится ряд промышленных месторождений V и U.
Таким образом, установленные закономерности распространения и содержания РЭ в НМП разных типов, а также условия накопления рудных элементов в тяжелых нефтях и битумах позволяют достаточно обоснованно прогнозировать эти месторождения на региональном и зональном уровнях. На территории СССР основные ресурсы нефтяного (и битумного) V и Ni связываются с месторождениями Волго-Уральской провинции, относимыми нами к органофильному типу. Из них наибольший промышленный интерес в настоящее время могут представлять ванадиево-нефтяные месторождения раннекаменноугольного возраста Мелекесской и Татарской НГО и никелево-ванадиево-асфальтитовые месторождения Пилюгинской зоны битумонакопления, характеризующиеся высокой концентрацией металлов. При этом необходимо учитывать, что в процессе глубокой переработки нефтей и битумов можно получать нефтяные коксы с содержанием V выше, чем в рудных железованадиевых концентратах. Кроме того, эти коксы обогащены Cr, Fe, Zn, Mo, иногда Re и Au.
К другим перспективным НМП относятся Тимано-Печорская, Прикаспийская, Сурхан-Вахшская, Лено-Анабарская, где наряду с V практический интерес могут представлять, особенно в битумных месторождениях, Ni, Sb, Ge, Re, Sc и др. В дальнейшем необходимо проведение детального опробования на РЭ месторождений тяжелых нефтей и битумов в выявленных наиболее перспективных зонах НМП.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Борисенко Л.Ф. Основные провинции ванадия за рубежом и состояние его сырьевой базы // В кн.: Редкие элементы в геологии. - М.: Наука. - 1982.- С. 93-104.
2. Нефтегазообразование в отложениях доманикового типа / С.Г. Неручев, Е.А. Рагозина, И.А. Зеличенко и др. - Л.: Недра.- 1986.
3. Jacobs F.S., Bachelor F.V., Filby R.H. Trace elements in Alberta oil sand bitumen components // Characterization huiles lourdess et residius petrol. Sump, int., Lion, 25-27 YI. - 1984.- p. 173-178.
4. Moshier S.E. Waples D.W. Quantative evalution of lower cretaceus Mannvill Group as source rock for Alberta oil sands - Bull. AAPG.- 1985.- v. 69. n 2.- p. 162-172.
Three main naphtametallogenic provinces have been identified. The first type is characterized by the highest values for the total concentration of rare and dispersed elements in oils among with predominant in absolute content are V or V and Ni; in the values of their concentration - Re, V, Ni, Mo. In the second type of the provinces dominating in content are Ni or Ni and V, with a concentration of these elements being lower than clarke. In the third type of the provinces oils and bitumens are poore both in the total content of metals and the concentration of individual elements. These pecularities are determined by: a type of oil-yielding strata and their metal content, crystallochemical relationships between organic matter and the mineral components of source rocks, catagenesis stages at which oil emigration has occured, and composition of primary bitumoids. The processes leading to the concentration of ore elements in heavy oils and bitumens are considered.
Таблица 1 Типы нафтаметаллогенических провинций
|
Типы провинций |
Доминирующие РЭ (по абсолютной концентрации) |
Металлогенические ассоциации (в порядке убывания значения kк) |
Основные провинции; в скобках – возраст отложений, содержащих металлоносные нефти и/или битумы |
|
|
основные |
второстепенные |
|||
|
Ванадиевый и никелево-ванадиевый |
V; V, Ni |
Re, V, Ni, Mo |
Zn, Pb, Cu, Au, As, Sb, Se, Co, Cr |
Волга-Уральская (D3; C1;
С2; P), Сурхан-Вахшская |
|
Mo, V, Ni |
Se, As, Au, Sb, Zn, Co, Cr |
Маракаибская |
||
|
V, Ni |
Mo, Zn, Sb, Au, Ag, As, Sb, Hg, Cd, Co, Cr |
Тимано-Печорская (D3; С-Р; Т), Прикаспийская (С; P1; T; J2-K1), Месопотамская (J3; К; N) и др. |
||
|
Никелевый и ванадиево-никелевый |
Ni, V |
Se, Ni, V, Mo |
Hg, Cd, Zn, Co, Cr, Ga |
Лос-Анджелес (N1-N2), Грейт-Валли (N1- N2), Санта-Мария (N1-N2) |
|
Ni |
Ni, Mo |
Zn, Pb, Cu, V, Au, Ag, As, Cr, Co, Sn |
Южно-Каспийская (N1-N2), Амударьинская (J2-К), Южно-Мангышлакская (Р-Т; J1- J2) |
|
|
Никелевый и ванадиево-никелевый |
Ni, Ni, V |
Se, Ni |
V, Zn, Cd, Sb, Hg, As, Au, Ag, Cu, Co, Cr |
Сахаро-Ливийская (К2;
|
|
Ni |
Ni, Zn |
Pb, Cu, V, Cr, Sn |
Северо-Приуральская (J2;
К1), Балтийская |
|
|
Цинковый |
Zn |
Zn, Pb |
Ni, Cu, Co, V, Cr, Mo |
Северо-Западно-Сибирская (К1-К2), Уинта-Пайсенс (С2-С3, Т) |
|
Zn, Pb, Cu |
Ni, Sn, Mo, Cr, V, Co |
Лено-Тунгусская |
||
, Адриатическая (N1)
и др.
, Лено-Вилюйская (Р2;
Т, J1-J3), Камбейская 
Таблица 2 Концентрация элементов в битумоидах из отложений доманикового типа
|
Возраст, свита |
Состав битумоидов, % |
Содержание микроэлементов, г/т |
||||||||||||
|
Масла |
Смолы бензольные |
Смолы спиртобензольные |
Асфальтены |
V |
Ni |
Мо |
Сг |
Со |
Ti |
Zr |
Zn |
Сu |
Pb |
|
|
D3, доманиковая |
20,6 |
27,9 |
20,8 |
30,7 |
1410 |
435 |
2,2 |
5,8 |
0,4 |
14,2 |
11,0 |
- |
7,3 |
0,2 |
|
J3, баженовская |
53,8 |
21,8 |
10,4 |
13,9 |
230 |
130 |
0,7 |
0,6 |
0,02 |
2,3 |
0,3 |
4,6 |
23 |
0,3 |
|
Р2, кумская |
63,2 |
17,7 |
12,3 |
5,9 |
9,5 |
12,5 |
0,1 |
0,5 |
0,02 |
0,8 |
0,05 |
10,5 |
|
0,6 |
=0,1-0.5
= ( 1,2-2,5)*10-1 %
>4*10-2
-концентрация V в асфальтово-смолистых веществах
нефти и битумов, 
-
концентрации