|
УДК 553.98 |
© И.В. Высоцкий, В.И. Высоцкий, 1990 |
Дефлюидизация Земли и нефтегазоносность недр
Отклик на статью К.Б. Аширова “Бесплодная гипотеза — расточительная практика” // Геология нефти и газа.— 1989.— № 12.— С. 41—45.
И.В. ВЫСОЦКИЙ (МГУ), В.И. ВЫСОЦКИЙ (ВНИИзарубежгеология)
Основой современной концепции минерального (неорганического) происхождения нефти и газа является утверждение, что их источником служат жидкие и газовые УВ, заключенные в продуктах дефлюидизации мантии и кристаллическо-метаморфической коры. Предполагается, что внедряющийся по разломам в стратисферу флюид представляет собой высокотемпературную смесь воды (пара), газов (СО2, Н2, H2S, SO2, N2), а также жидких и газообразных УВ, которая при подъеме распадается с образованием скоплений нефти и УВ-газа [3, 4].
Хотя дефлюидизация мантии и кристаллическо-метаморфической коры представляет собой в историческом плане неизбежный процесс, интенсивность и области его проявления в фанерозойское время оцениваются по-разному. Так, например, В. И. Виноградов [3], анализируя изотопный состав, распределение и кругооборот О2, Н2, S2, С, Аr и Не, приходит к выводу, что дегазация Земли в основном закончилась на самых ранних этапах существования планеты. В настоящее время дегазация мантии, по его мнению, не обнаруживается или имеет небольшие масштабы. Другие исследователи (В.Б. Порфирьев, Н.А. Кудрявцев, Г.Н. Доленко и др.) видят в нефтегазопроявлениях и скоплениях нефти и газа одно из основных доказательств непрерывно происходящей в течение фанерозойского времени дефлюидизации мантии и кристаллическо-метаморфической коры огромных масштабов.
П.Н. Кропоткин и Б.М. Валяев [4] считают, что следует различать низко- и высокотемпературную дегазацию Земли. Последняя, связанная с интрузиями и вулканизмом, приводит к разложению УВ с образованием СО2 и Н2О. Низкотемпературная дегазация связана с глубинными разломами и рифтовыми зонами, где разогретая мантия приближена к подошве стратисферы, а флюид не окисляется в процессе подъема. Это обеспечивает сохранность УВ и формирование их скоплений. П.Н. Кропоткин [4] представляет многозалежное месторождение нефти и газа как расположенные внутри контура “трубы” дегазации, куда нефть и газ проникли по разломам кристаллического фундамента из мантии. К.А. Аникиев [2] в своих пластово-барических моделях газовых месторождений также изображает их в виде “столбов”, внутри которых находятся газовые залежи, образовавшиеся в результате миграции перегретого метана из мантии.
Мантия, как источник УВ, не поддается непосредственному изучению. Указанием на мантийное происхождение УВ-газов может служить наличие в них компонентов, мантийное происхождение которых достоверно установлено. Такими компонентами являются гелий и, в меньшей степени, водород. По изотопному составу выделяется гелий мантийного происхождения ( 3Не/4Не=n· 10-5), атмосферного (1,4 • 10-6) и корового (n • 10-8).
Заметная примесь мантийного гелия установлена в газах Тункинской котловины Забайкалья (260– 890· 10-8), в южносахалинских и курильских источниках (200–1200· 10-8), в некоторых источниках Горного Кавказа и Закавказья (600–800·10-8) и вулканических газах Камчатки (1200 • 10-8) [2], а также в гидротермах Исландии. Что касается Восточно-Европейской, Восточно-Сибирской и Северо-Американской докембрийских, а также молодых Западно-Сибирской и Туранской платформ, то примесь мантийного гелия в газах здесь весьма незначительна, и даже сомнительна.
В.П. Якуцени [3] считает, что древние платформы практически непроницаемы для мантийного гелия, в то же время рифтовые зоны, отдельные разломы, зоны интенсивных прогибаний несут в составе газов его примесь. Это подтверждается значительным содержанием гелия (до 10 %) в некоторых источниках Восточно-Африканской зоны рифтов. Однако эти явные проявления мантийного и корового гелия находятся за пределами НГБ.
В первом приближении газы вулканических извержений можно рассматривать как газы мантии. Более уверенно таковыми можно считать газы срединно-океанского хребта. Однако следует учесть, что состав и первых, и вторых не отражает состав лишь собственно глубинных газов, так как включает газы (и прежде всего метан), образующиеся в результате термической переработки пород кристаллическо-метаморфической коры и осадочного чехла. На состав газов влияет также их миграционная способность вступать в реакцию с горными породами.
Основными компонентами вулканических газов является СО2, Н2, SO2, H2S, N2, HCl. Их соотношение определяется температурой вулканических областей. Так, для температур до 200 °С характерно CO2>H2>SO2>N2; до 800 °С – SO2>H2S>CO2; до 1200 °С – HC1>SO2>CO2.
В газах некоторых вулканов преобладает Н2 или НСl. Содержание метана обычно не превышает 0,3 %, причем частота его встречаемости закономерно увеличивается с уменьшением концентрации.
В смеси Н2О, Н2, СО2, СО может происходить образование СН4 в результате восстановительных реакций, однако большое количество воды в газах смещает равновесие реакции, в результате чего образуется лишь незначительное количество метана. Это подтверждено и экспериментами. В пределах срединно-океанских хребтов прослежена четкая зональность в распределении газов разного состава. В области развития молодых платобазальтов вне активного вулканизма развиты азотные термы, в вулканической зоне – азотно-углекислые и углекислые, в наиболее активной современной вулканической зоне – водородные паро-гидротермальные. Водородные струи сопровождаются H2S и СО2, в незначительных количествах N2 и СН4 (обычно<1 %).
Во всех термах Исландии установлена примесь мантийного гелия; обогащение тяжелым изотопом 40Аr и метеоритный состав серы (d34S=0) подтверждают поступление газов из мантии [3]. Что касается водорода, то малое содержание в нем дейтерия, по мнению исследователей [3], указывает также на его мантийный генезис. Проявления водорода, как правило, строго локализованы, т. е. приурочены к современным вулканическим областям, сопровождают многие рудные месторождения интрузивного генезиса. Однако не исключается возможность образования водорода при высоких температурах за счет разложения H2S и воды, а также при метаморфизации базальтов.
Таким образом, для газов мантии метан и его гомологи не являются доминирующим или характерным компонентом, его количество не сопоставимо с количеством других компонентов природных газов. Метан осадочной оболочки Земли имеет три источника, различаемые по изотопному составу углерода: метан биохимического происхождения с d13С -50– -48,5 %, термокаталитического с d13С – 20 - –39 и метаморфического с d13С – 3,2 - –19,3 (Ф.А. Алексеев, Э.М. Галимов, Р.И. Готтих и др.).
При этом с повышением температуры среды нахождения в целом наблюдается утяжеление изотопного состава углерода метана. Метан метаморфического генезиса изучен как в поверхностных газопроявлениях, так и в скважинах, вскрывших метаморфические и кристаллические породы Кольского полуострова, Сибири, Дальнего Востока и т. д. Его генерация связана с высокотемпературным превращением ОВ, остаточного от бывших осадочных, ныне сильнометаморфизованных пород (А.В. Сидоренко, С.А. Сидоренко, 1976 г.). Следует учесть, что докембрийские породы более обогащены ОВ, чем фанерозойские (В.Е. Закруткин, 1982 г.). Характерно, что в закрытых порах кристаллических пород содержание метана значительно выше, чем в открытых (И.А. Петерсилье, 1956 г.; И.Ф. Линде, 1958 г.; Ф.М. Онохин, 1960 г.).
Выделение метана из метаморфических пород наблюдается при их нагревании в лабораторных условиях. При этом выход метана иногда превышает выход водорода и диоксида углерода. Однако основной потенциал метаморфических пород был реализован в процессе метаморфизации осадочных пород, т. е. до накопления осадочных толщ платформ, а поэтому метаморфогенный метан не может явиться источником скоплений УВ. На это указывает и отсутствие изотопного тяжелого метана в залежах газа. Можно предполагать, что в бассейнах с трапповыми внедрениями какая-то часть метана в залежах может иметь метаморфогенное происхождение.
В настоящее время нет никаких прямых доказательств наличия в залежах газа мантийного метана, и тем более жидких УВ, впрочем нет и серьезных доказательств их присутствия в мантии в значительных количествах. Утверждение сторонников неорганического происхождения УВ, что из недр Земли они поступают в больших количествах, часто в сопровождении азота, гелия и водорода [3], в предполагаемом составе газов мантии не находит подтверждения. Такие частые спутники УВ-газов, как диоксид углерода, азот и сероводород, имеют также несколько источников образования. Для диоксида углерода – это биохимическое и термокаталитическое превращение рассеянного ОВ (РОВ), окисление УВ, гидролиз и метаморфизм карбонатных и кальцитосодержащих пород, а также мантии. Последний источник СО2, как было сказано ранее, более или менее достоверен лишь в исландской части срединно-океанского хребта, где его образование обязано региональному метаморфизму базальтов. Анализ изотопного состава углерода СО2 (Р.Г. Панкина, В.Л. Мехтиева, 1981 г.) показал связь концентрации СО2 в залежах с изотопным составом углерода. При небольших концентрациях СО2 (до 5 %) d13С типичен для углерода УВ (–17 - –25 °/оо), при высоких концентрациях (более 5 %) изотопный состав углерода (–0,6 - –7,6 °/0о) характерен для СО2, образующегося при термическом разложении карбонатов. Таким образом, основная масса диоксида углерода в УВ-газах обязана его генерации в осадочных породах.
Образование азота происходит при превращении РОВ пород, при метаморфизме осадочных пород, несомненно поступление его из глубинных зон. Некоторое количество азота захватывается из воздуха в процессе накопления осадков, однако, это не в состоянии обеспечить современную насыщенность азотом пластовых вод. Предполагается, что количество азота, выделяющегося при метаморфизме пород, почти на порядок больше органогенного. Однако современное содержание азота максимально в осадочных породах (до 1200 г/т) и уменьшается от метаморфических к магматическим (до 50 г/т).
Обращает на себя внимание приуроченность высоких концентраций азота в газах к красноцветным соленосным отложениям ряда бассейнов (Центрально-Европейский, Чу-Сарысуйский, Тюрингский), а также к периферии бассейнов (Западный, Пермский в США, Волго-Уральский). Эти особенности не могут быть объяснены вторжением азота из мантии. Следует признать, что основным его источником в природных газах являются термокатализ ОВ осадочных пород и их метаморфизация.
Появление H2S в природных газах, по наиболее распространенному мнению, связано с восстановлением углеводородами сульфатов пластовых вод. Сероводород вулканических газов тесно связан с сернистым ангидритом, который в чистом виде не встречается в природных газах. Очевидно, что H2S порожден процессами, протекающими в осадочных породах, и не связан с поступлением из мантии. Если допустить, что насыщение осадочных пород различными газами происходило в фанерозойское время преимущественно за счет миграции газов из мантии и кристаллическо-метаморфической коры, то, вероятно, степень их концентрации должна была бы быть максимальной для НГБ с минимальной мощностью осадочных пород и наоборот. Подобная закономерность не наблюдается. Обычно ресурсы природных газов пропорциональны мощности осадочных пород бассейна.
Поступление газов из фундамента в осадочную толщу должно было бы найти отражение в составе скоплений газа, залегающих вблизи фундамента. Фактические данные это не подтверждают. Так, крупнейшая залежь газа Панхэндл (Западный НГБ, США), заключенная в нижнепермских и пенсильванских карбонатных породах, залегающих на докембрийских гранитах, содержит УВ-газов 92,4 %, N2 – 7,5, СО2 – 0,1. Азот имеет атмосферное происхождение, так как залежь находится на небольшой глубине (430–1670 м). Крупное газовое месторождение Гомес (Пермский НГБ, США) содержит газ в ордовикских отложениях, залегающих на кристаллическом фундаменте, и в нем 95 % УВ-компонентов, N2 – 0,1, СО2 – 2,7. Крупнейшее газовое месторождение Хасси Р'Мель (Алжир) содержит в триасовых песчаниках газовую залежь, которая перекрыта соленосной толщей и отделена от докембрийского фундамента толщей кварцитов ордовика мощностью 400 м. Газ залежи содержит УВ-компонентов 95,1 %, N2 – 4,7 и СО2 – 0,2. Таких примеров можно привести много. Наконец, если бы действительно подошвенные части осадочного чехла платформ, например нижнепалеозойские, подверглись воздействию термальных глубинных (ювенильных) вод и различных газов, то это должно было бы найти отражение в степени изменения пород, минеральных новообразований и химии пластовых вод (вынос растворимых солей ювенильными водами, опреснение пластовых вод, высокая насыщенность кислыми газами и др.), чего фактически не наблюдается.
Естественно полагать, что непрерывная дегазация мантии должна находить свое отражение в степени газонасыщенности подземной гидросферы. Однако, как показал В.Н. Корценштейн [3], гидросфера недонасыщена газом, при этом наблюдается тенденция уменьшения степени газонасыщения с глубиной.
Весьма гипотетично и представление о внедрении в осадочную толщу бассейнов ювенильных вод. Так, Л. Гукало (1975 г.) отмечает, что как ювенильные, так и инфильтрационные воды не могут участвовать в формировании скоплений УВ в пермских, каменноугольных и девонских отложениях Днепровско-Донецкого НГБ рифтовой природы. Основанием для этого вывода служит изотопный состав водорода (Д/Н) и кислорода (18О/16О) различных типов вод, которые достаточно четко различают их по происхождению: морские, ювенильные и инфильтрационные. Изученные воды пермского, каменноугольного и девонского возрастов оказались морскими (метаморфизованными по солевому составу).
Изучение изотопных соотношений дейтерия в термальных и вулканических водах показало, что их состав обязан метеорным водам. В.И. Виноградов [4] считает, что в настоящее время неизвестны случаи нахождения термальных и вулканических вод с признаками мантийного происхождения. Далее, по этой же характеристике, термальные рассолы Красного моря оказались морского генезиса (X. Крейг, 1974 г.).
Независимость образования и существования скоплений нефти и газа от продуктов дефлюидизации мантии или кристаллически-метаморфической коры убедительно доказывается в бассейнах, разрез которых расчленен мощными эвапоритовыми толщами. Высокая герметичность соли, способность подошвы пласта улавливать огромные количества УВ-газов, выдерживать высокие пластовые давления флюидов общеизвестны. Соль в силу ее пластичности способна непрерывно герметизировать разрывные нарушения, которые поэтому не могут быть путями вертикальной миграции каких-либо флюидов. Соответственно соль является надежным экраном для любых поднимающихся флюидов, она способствует аккумуляции их в ловушках. С другой стороны, существование нефтяных и газовых залежей в надсолевых отложениях должно указывать на независимость их образования от дефлюидизации фундамента.
Известно свыше 70 НГБ, разрез которых расчленен эвапоритовыми толщами. В некоторых из них нефть и газ залегают как в над- , так и подсолевых этажах. Классическим примером независимости образования газовых и нефтяных залежей являются Трансильванский и Кохат-Потварский бассейны. В первом мощная толща (1500 м) каменной соли тортона надежно изолирует вышележащую газоносную пачку неогена от фундамента. Газоносная толща содержит 70 чисто газовых месторождений. По большей части залежи газа – метановые (99–99,6 %), однако здесь, на месторождении Терчешти, известны скопления газа с содержанием СО2 57 % (глубина 1144 м) и N2 85 % (1234 м), указывающих на генерацию этих газов в толще надсолевых осадочных отложений. В Кохат-Потваре в подошве осадочного комплекса залегает мощная соленосная толща позднепротерозойско-кембрийского возраста. Промышленная нефтеносность бассейна приурочена к отложениям миоцена, палеогена и юры.
Общеизвестны нефтяные и газовые месторождения в надсолевых толщах Прикаспийской впадины, Центрально-Европейского, Мексиканского залива, Кванза-Камерунского, Днепровско-Донецкого и других НГБ. В размещении нефтяных месторождений надсолевых толщ всех этих бассейнов нет каких-либо особенностей, которые давали бы основание полагать, что в соляных толщах существуют достаточно частые и обширные “окна”, обеспечивающие вертикальную миграцию УВ.
Утверждение некоторых исследователей, что в Прикаспийской впадине надсолевые отложения не достигли стадии литогенеза, необходимой для генерации жидких УВ, основано на изучении пород в пределах известных месторождений, однако при этом выпали из рассмотрения наиболее погруженные отложения в межкупольных зонах, где высокая теплопроводность соли обеспечивает повышенный прогрев надсолевых отложений. Генерация УВ в надсолевых отложениях НГБ Мексиканского залива доказана многочисленными исследованиями американских геологов (Дж. Хант, 1982 г.).
Надсолевые и подсолевые толщи образуют как бы самостоятельные, наложенные друг на друга суббассейны. Генерация УВ и формирование в них залежей происходит независимо друг от друга и от фундамента. Последний в некоторых НГБ изолируется от вышезалегающей нефтегазосодержащей толщи мощными траппами. Так, например, в Камбейском НГБ траппы мощностью свыше 1100 м позднемелового возраста надежно отделяют вышележащую продуктивную толщу кайнозойского возраста от докембрийского фундамента.
Некоторые исследователи (К.А. Аникиев, Б.М. Валяев, [3]) рассматривают АВПД как результат вторжения (пульсационного, по К.А. Аникиеву) сильно сжатого и перегретого мантийного флюида в стратосферу. Однако такое представление не может объяснить достоверно установленную связь АВПД с мощными толщами глин, или лишенных коллекторов, или с плохими коллекторами, а также возникновение АВПД в породах, перекрытых толщами с высокой скоростью накопления осадков. Естественно было бы также ожидать огромное устойчивое пластовое давление под такими флюидоупорами, как соль, что, однако, не имеет места. Высказывается мнение (П.Н. Кропоткин, Б.М. Валяев и др., 1980 г.), что грязевые вулканы представляют пример вторжения мантийных флюидов в стратисферу. Однако А.А. Алиева и А.Я. Кабуловой [3] показали, что природные газы грязевых вулканов Азербайджана и Юго-Западной Туркмении по изотопному составу гелия (3Не/4Не= 16,4 - 30,0· 10-8) формировались в стратисфере.
Совершенно очевидно, что в настоящее время дегазация фундамента осадочных бассейнов незначительна и не может существенно влиять на формирование скоплений нефти и газа. Это в значительной степени относится к масштабам генерации газов в кристаллическо-метаморфическом фундаменте.
Осадочные породы НГБ надежно укрыты от мантийных процессов кристаллическо-метаморфической корой. Последняя испытала в свое время воздействие мантийных процессов и превратилась в жесткую, почти непроницаемую покрышку. В настоящее время дефлюидизация мантии происходит на уровне диффузии; эффузивные процессы имеют строго локальное распространение и развиты за пределами НГБ. Совершенно очевидно, что никаких “труб” дегазации мантии, внутри которых якобы, по П.Н. Кропоткину, находятся нефтяные меторождения, в стратисфере не существует. В УВ-газах СО2, N2, H2S являются парагенетическими спутниками, а не инородными образованиями, вторгшимися в залежи из фундамента.
В целом неорганический природный синтез УВ разработан слабо и не выходит за пределы расчетов возможных реакций на уровне малоизвестных термобарических условий верхней мантии, а также лабораторных экспериментов. Гипотеза неорганического происхождения нефти и газа не в состоянии объяснить закономерности размещения более 45 тыс. выявленных нефтяных и газовых месторождений, вертикальную зональность в распределении УВ-скоплений разного фазового состояния, связь со временем образования структурных форм залежей катагенезом пород, мощностью пород бассейна и т. д. Эта гипотеза лишена важнейших признаков теории: научного обоснования и практики, проверенной системой прогнозирования нефтегазоносности недр.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Independence is being proved regarding the formation of the accumulations of hydrocarbon gases and oil on mantle defluidization suggested by the supporters of mineral hypothesis of hydrocarbon origin. Chemical and isotopic compositions of hydrokarbon gases contained in these accumulations may indicate to their generation in sedimentary rocks without involving mantle gases. In subsalt deposits of petroliferous basins, the concentration of gases of mantle origin is not observed. The mantle is overlapped by hermetic crystalline-metamorphic crust within which mantle defluidization is manifested only in zones of individual faults, through rifts, mid-oceanic ridges, i. e. beyond the petroliferous basins. At the place of the latter, mantle defluidization occurs only by diffusion.