|
УДК 553.98.061.33:551.243.8 (470.51/54) |
|
|
|
© Коллектив авторов, 1991 |
Проявление углеводородной дегазации в разломных зонах западного склона Северного Урала
В.И. БАШИЛОВ, В.Ф. КУПРИН (Аэрогеология), Р. П. ГОТТИХ, Б. И. ПИСОЦКИЙ, Л.Ф. ЧЕРЕВИЧНАЯ (ВНИИгеоинформсистем)
Совместные аэрокосмогеологические и геохимические исследования выполнены для изучения проводимости отдельных участков земной коры для УВ-флюидов. Основанием для подобного комплексирования послужил факт приуроченности скоплений нефти и газа в ряде нефтегазоносных провинций к разломным зонам различных протяженности и глубины залегания.
Работы охватывали район западного склона Северного Урала, сложенного интенсивно дислоцированными породами палеозоя, от зоны Главного Уральского разлома на востоке до Главного Западно-Уральского разлома на западе, служащего границей складчатого сооружения Урала и Верхнепечорской впадины (рис. 1).
Космоаэрогеологические исследования и полевые работы наряду с детализацией общей тектонической структуры региона позволили уточнить плановое положение и конфигурацию наиболее крупных по протяженности и тектоническому значению разломов. Выявлено, что Главный Западно-Уральский разлом, отделяющий Печорскую синеклизу от Уральского складчатого сооружения, в междуречье Шугора и Илыча распадается на две части, между которыми расположена зона складчатости, состоящая из ряда вытянутых вдоль нее узких антиклинальных складок, осложненных мелкими надвигами, сместители которых на глубине, вероятно, сливаются с основными разломами. Выделен Шугорский разлом, ответвляющийся на юге от Главного Уральского, а севернее сливающийся с Главным Западно-Уральским. Установлено, что концы Вуктыльского разлома сочленяются с Западно-Уральским.
По грави- и магнитометрическим данным эти разломы уверенно прослеживаются на глубину до 20 км, а по материалам комплексной геофизической интерпретации их фрагменты, которые можно идентифицировать с выделенными нами структурами, достигают поверхности М, залегающей на глубинах от 38 до 40 км [2], что позволяет отнести эти разломы к категории глубинных. Все они имеют крутое (70-80°) падение на восток, которое на глубине около 10 км выполаживается до 60-65°. Приповерхностные их части осложнены мелкими надвигами.
Анализ геологического развития региона на протяжении палеозоя показал, что выделенные разломы конседиментационные и движения по ним оказали влияние на распределение фаций и мощностей различных горизонтов осадочного чехла. Подтверждением их конседиментационности служит и приуроченность к центральной части восточной ветви Главного Западно-Уральского разлома даек диабазов верхнедевонского - нижнекаменноугольного возраста.
Таким образом, можно полагать, что эти разрывные нарушения, по крайней мере, в течение палеозоя ограничивали крупные блоки земной коры, испытывающие вертикальные движения, на фоне которых действовали и горизонтальные тектонические силы, направленные с востока на запад. Результат их совместного проявления - образование современной структуры западного склона Урала.
Были проведены геологические маршруты вкрест простирания зон разломов, выделенные при дешифрировании космических и аэрофотоснимков с отбором проб из коренных обнажений по рекам Шугор, Подчерем, Илыч, Унья, а также в зоне Главного Западно-Уральского разлома по р. Сочь с интервалом в 100 м.
Описание разрезов показало, что в отдельных участках, приуроченных главным образом к крупным нарушениям, карбонатные и терригенные породы независимо от их возраста, помимо диагенетических и катагенных преобразований, подверглись воздействию вторичных процессов. Последние выразились, в первую очередь, в окремнении отложений с возникновением прожилков и линз халцедона от светло-серого до черного цвета, как секущих слоистость пород, так и развивающихся параллельно напластованию на границе смены фаций. В отдельных случаях окремнение сопровождалось привносом битуминозного вещества, фиксируемого под микроскопом в коломорфных агрегатах кремнезема. Более поздние процессы проявились в образовании трещин, выполненных следующими минеральными ассоциациями: кальцит + флюорит+битум (преимущественно в крупных разломных зонах), кальцит + битум, доломит + битум, кальцит + кварц + битум, кварц + битум, которые в свою очередь секутся прожилками крупнозернистого кальцита. Последние рассечены открытой трещиноватостью без минерального выполнения.
Однако далеко не все выделенные на космоаэрофотоснимках и при проведении маршрутов разломы были проводящими для различных флюидов. Иногда совершенно очевидные сбросовые, сдвиговые и надвиговые структуры в плоскостях сместителей не несут заметных вторичных изменений в породах, за исключением хлоритизации, брекчирования и милонитизации, тогда как отдельные зоны трещиноватости на крыльях складок трассируются сетью карбонатных и кварц-карбонатных прожилков, часто с битуминозным веществом.
Геохимические работы включали изучение газового состава проб, которое сопровождалось петрографическими исследованиями наиболее интересных образцов, отбор битумов и определение содержания металлов в них, измерение радиоактивности пород в обнажениях с последующим анализом особенностей распределения урана в шлифах.
Анализу газонасыщенности предшествовали методические работы по выбору способов извлечения газов из пород и выяснению основных температурных интервалов. Наличие растительного детрита в каменноугольно-триасовых отложениях сразу же исключило использование методики механической дегазации проб в связи с механо-химическими реакциями, протекающими в процессе их дробления и значительного увеличения за счет этого выхода УВ-газов.
Рассмотрение декриптограмм при нагревании пород от 20 до 600 °C (фракция 0,2-0,5 мм) показало, что для терригенных разностей максимальное выделение газов происходит при температурах 90-120, 150-250, 330-450 и 575 °С, для карбонатных -80,150,240, 320 и 500 °С.
Хроматографические исследования экстремумов позволили определить рабочий диапазон нагрева, который составил 150-250 °С для терригенных пород и 200-240 °С для карбонатных.
При выборе его мы исходили из того, что до 130 °С из
пород выделяются сорбированные газы, - природа которых и соотношение между
компонентами могут изменяться во времени в различные периоды тектонической
активизации территории. Экстремум в известняках при 500 °С обусловлен началом
разложения кальцита, а в песчаниках при 573 °С -
-переходом в кварце. Пик в области
400 °С соответствует выделению воды из серицита и хлорита. В выбранном
интервале температур происходит освобождение газовых компонентов, связанных в
виде, флюидных включений в минералах и находящихся в межгранулярном
пространстве пород, имеющих отношение как к участвовавшим в процессах
минералообразования системам, так и к наложенным на уже сформировавшиеся
породы. На выбор температурных интервалов при изучении газонасыщенности
оказывает влияние тот факт, что при нагревании выше 300 °С начинается
интенсивное разложение ОВ, приводящее к значительным искажениям результатов.
Для образцов, содержащих растительный детрит, было установлено температурное ограничение при их анализе (260 °С) и определены количества газов, которые могут обеспечить разложение углеродистого вещества гумусового ряда при содержании его в пробе от 1 до 10 % (максимум составляет 96*10-4 см3/кг СO2 и 185*10-4 см3/кг СН4).
Изучение состава выделившихся газов проводилось на хроматографах Цвет-500 с пламенно-ионизационным детектором и катарометром, позволяющими определять Н2, СО2, СН4 и его гомологи до С4Н10.
Концентрация водорода в карбонатах равна (0,4-8)*10-4 см3/кг, углекислого газа (5-130)*10-4 см3/кг и (2-90)*10-4 в терригенных разностях. Значительно большие колебания наблюдаются в содержании УВ - (3-1400)*10-4 см3/кг.
Рассмотрение положения проанализированных проб в соответствии со схемой отбора показало, что вариации в содержании водорода в них, несмотря на относительно незначительную величину, отражают приуроченность образцов к разрывным нарушениям. Повышенные концентрации УВ также отмечаются лишь в тех породах, которые развиты в зонах разломов, причем максимальные количества приходятся на отложения, дренируемые Главным Западно-Уральским и Шугорским разломами. Не все исследованные структуры, выделяющиеся по содержанию водорода, проявились в УВ-аномалиях, что свидетельствует о неповсеместной проводимости их для УВ-флюидов (рис. 2). Распределение СО2 не согласуется, за редким исключением, с содержанием водорода и УВ. Причем в зонах разломов, по которым происходила миграция восстановленных газов, отношение SУВ/СO2>10, в то время как в спокойных участках оно меньше единицы.
Максимальное содержание УВ приходится именно на те участки обнажений, где отложения пронизаны сетью трещин, выполненных кварц-карбонатным, кварцевым и карбонатным материалом. Апикальные зоны их, как показали петрографические исследования, часто сложены друзами кварца, которые к центру сменяются кальцитом, внутри которого также отмечаются бипирамидальные кристаллики кварца, характеризующиеся сильным блеском граней, часто имеющие скелетное строение. Размер кристаллов от нескольких миллиметров от 1,5 см, окраска дымчатая различной интенсивности, при этом максимум ее приурочен к пирамидам роста положительного ромбоэдра, где вследствие ритмичного изменения интенсивности окраски, обусловленной наличием битуминозного вещества, в отдельных зонах роста отмечается отчетливая зональность кристаллов. На друзах кальцита и кварца, в открытых трещинках пород, в интерстициях между зернами иногда отмечаются присыпки черного битума типа асфальта-асфальтита.
В кальците и особенно в кварце обнаружены микроскопические первичные включения с жидкими УВ и пузырьком газоконденсата, иногда с твердой битуминозной фазой, битумоидами с различной плотностью, а также однофазовые, представленные метаном в сверхкритическом состоянии. Здесь же отмечаются и первично-вторичные включения с УВ и битуминозным веществом, приуроченные к трещинкам между зонами роста кристаллов. Наличие вакуолей с переменными соотношениями жидких и газообразных УВ часто в пределах одной зоны роста или одной залеченной трещины свидетельствует о гетерогенном состоянии флюидов в момент их поступления на данный уровень разреза.
Изучение газового состава вещества из кварц- карбонатных и кварцевых прожилков показало, что основными компонентами, насыщающими породы, являются газы включений (табл. 1). Они состоят преимущественно из УВ (содержание СО2 менее 10 % от суммы газов), а количество последних может достигать 0,7 см3/кг при отсутствии или «следовом» количестве воды, что подтверждается химическими масс-спектрометрическими анализами, выполненными И.М. Своренем в 1988 г.
В отличие от описанных образований в кальцитах из трещин более поздней генерации отмечаются преимущественно газо-жидкие включения с водно-солевыми растворами. Именно они и обусловили повышенное содержание двуокиси углерода в породах на отдельных участках обнажений. Формирование кальцита в данном случае происходило за счет гидрокарбонатных метеорных или пластовых вод при выщелачивании и переотложении карбонатного материала.
Концентрация водорода в отложениях, несмотря на приуроченность максимальных значений в них к разломам, не зависит от флюидопроводимости последних, а определяется, по-видимому, образованием этого газа за счет механо-химических реакций в ослабленных зонах, насыщенных водной составляющей с последующей фиксацией его в породах.
Кварц-карбонатные и кварцевые прожилки с включениями УВ описаны для Карпат, Крыма, Кавказа, Туркмении, Румынии, провинции Альберта, штатов Нью-Йорк, Индиана и др. [1]. Отличительная черта этих флюидных систем - относительно низкие температуры (90-260 °С) их поступления в породные комплексы на изучаемых уровнях разреза и достаточно высокие давления (35-40 МПа). При этом если формирование карбонатов в прожилках обусловлено в первую очередь окислением УВ, то присутствие своеобразных кварцевых выделений, называемых херкимерскими или мармарошскими алмазами, связано с мобилизацией кремнезема восстановленными флюидами из вмещающегося породного субстрата. Часть кремнезема может переноситься, по-видимому, и в виде кремнийорганических соединений. Такое широкое распространение подобных кремнистых образований преимущественно в нефтегазоносных провинциях мира свидетельствует о проявлении глобальной дегазации глубинных зон. И поэтому их идентификация может служить одним из признаков нефтегазоносности недр, а фазовое состояние и количественные соотношения между УВ и высокомолекулярными соединениями во включениях указывать на тип залежи.
Поскольку наряду с кальцитом и кварцем в прожилках присутствует то или иное количество битумов, надо полагать, что образование их связано с распадом флюидов при изменении термодинамических условий фильтрации по зонам разрывных нарушений. Подтверждением этого процесса служит и гетерогенное состояние вещества в вакуолях. В зависимости от изменений р и T, с одной стороны, и количеством растворенных в газе различных компонентов, с другой, на определенном уровне разреза из системы будут выделяться углеродистые вещества определенных состава и свойств, фиксирующиеся в новообразованных минералах или образующие собственную твердую либо жидкую фазу. При этом количество «выпавшего» битума во многом будет определяться режимом «работы» разломных зон. Более открытые из них приведут к резкому спаду давления во флюиде, что будет способствовать значительному высаживанию углеродистых веществ, в отличие от зон сжатия и сдвиговых деформаций. Это обстоятельство определяет не только количество, но и геохимическую, в частности микроэлементную, специализацию битумов, обусловленную реальностью переноса металлов восстановленными флюидами [2, 3, 4]. Эти выводы также подтверждаются и экспериментальными работами, выполненными Л.К. Прайсом с соавторами [5].
Как показали данные нейтронно-активационного анализа (табл. 2), содержание ряда элементов в углеродистом веществе, отобранном из Шугорского разлома, на один-полтора порядка превышает количество их в битумах из кварц-карбонатных прожилков зон трещиноватости. Кроме того, если для крупных разрывных нарушений характерно постоянное присутствие флюорита, то для более мелких разрывов - наличие следов таких элементов как Mo, Ag, Re, Sb, Hg.
Следует отметить повышенную радиоактивность пород в области влияния крупных разломов. Так, в пределах Шугорского разлома развиты каменноугольные тонкозернистые органогенные известняки, содержание урана в которых составляет 20*10-4 % (при отсутствии тория и калия), в то время как в карбонатах спокойных зон - (0,37-0,7)*10-4 %. Проведенные f-радиографические исследования показали, что уран в породах распределен равномерно, без какой-либо приуроченности к тем или иным форменным элементам, с фрагментарной сегрегацией в участках незначительной перекристаллизации. Можно полагать, что поступление металла по тектоническим нарушениям в бассейн седиментации происходило, вероятно, в составе газовых эманаций с последующим образованием уранил-иона и осаждением его с карбонатом кальция. Значительно более поздняя активизация привела к дроблению и перекристаллизации пород, выполнению трещин кальцитом, флюоритом и битуминозным веществом.
Таким образом, на основании выполненного комплекса исследований можно сделать заключение о том, что в пределах западного склона Урала крупные разломные зоны и зоны трещиноватости, трассирующие скрытые структуры глубокого заложения, могут быть проводящими для УВ-флюидов.
Дальнейшее проведение подобных работ позволит наряду с разработкой принципов геолого-геохимической интерпретации дешифрирования снимков построить карты флюидопроводимости разломов на значительной территории, оценить степень и дискретность их проницаемости. При наличии условий для аккумуляции и сохранности УВ эти участки должны рассматриваться в качестве первоочередных при поисках нефти и газа. В этом отношении наиболее перспективна западная часть зоны Главного Западно-Уральского разлома, где сложнодифференцированные нижнепермские и каменноугольные породы перекрываются пологозалегающими верхнепермскими глинистыми отложениями. При этом исходя из характеристики реликтов флюида (прежде всего незначительное содержание воды) данный район может быть наиболее благоприятен для поисков конденсатногазовых залежей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Возняк Д.К., Лазаренко Б.К., Павлишин В.И. Новый генетический тип кварца - скелетные кристаллы с включениями углеводородов // Региональная и генетическая минералогия.- 1978.- № 2,- С. 16-24.
2. Запорожцева И.В. Слоисто-блоковая модель земной коры и верхней мантии Северо-Востока СССР // Серия препринтов «Научные доклады».- КНЦ УрО АН СССР.- 1990,- Вып. 229.
3. Роль восстановленного флюида в миграции металлов /Ю.Н. Бурмистенко, Р.П. Готтих, Б.И. Писоцкий, А.И. Спиридонов // Докл. АН СССР,- 1988,- Т. 300,- № 3,- С. 682-684.
4. Слободской Р.М. Элементорганические соединения и некоторые проблемы эндогенной геологии // Геология и геофизика.- 1977,- № 5.- С. 52-65.
5. Price J.С., Wencer L.М„ Ging Т., Blount С.W. Solubility of crude oil in methane as a function of pressure and temperature // Org. Geochem.- 1983.- Vol. 4.- No 3/4,- Pp. 201-221.
Results of the combined space and geochemical surveys conducted to examine the conductivity of the individual parts of the earth crust for hydrocarbon fluids on the west flank of the Northern Urals are presented. It has been demonstrated that only those structures whose deposits are penetrated by the network of quartz-carbonate and quartz veins containing original inclusions with restored components can be manifested in hydrocarbon anomalies. The presence in minerals of vacuoles with variable liquid-to-gaseous hydrocarbon ratios often within a single zone of quartz or calcite crystal growth indicates a heterogeneous state of fluids at the moment of their concervation. Depending on changes in thermodynamic conditions in the system related to the fault zone behavior, on one hand, and the amount of homoloques dissolved in methane and higher molecular weight compounds, on the other hand, evolved at a certain level of the section will be carbonaceous materials of different composition being noted in newly formed minerals or forming their own solid or liquid phases. A wide development of such formations in various petroliferous basins of the world is one of the indications of the subsurface hydrocarbon potential, depending on the component relationship in the inclusions and their phase state.
Таблица 1. Состав газовой фазы включений в кварце и кальците из кварц-карбонатных прожилков (механическая дегазация)
|
Номер п. п. |
Содержание, 10-4 см3/КГ |
||||||||
|
CO2 |
CH4 |
С2Н6 |
С2Н4 |
С3Н8 |
С3Н6 |
i-C4H10 |
n-С4Н10 |
H2 |
|
|
1 |
3,0 |
703 |
67,8 |
0,4 |
3,4 |
1,0 |
0,5 |
0,3 |
1,2 |
|
2 |
7,0 |
4321 |
22,0 |
0,2 |
6,9 |
0,2 |
0,8 |
0,6 |
1,7 |
|
3 |
4,8 |
2342 |
800,5 |
0,3 |
40,2 |
0,1 |
0,9 |
0,7 |
2,1 |
|
4 |
12,4 |
3054 |
70,5 |
0,4 |
11,6 |
0,2 |
0,5 |
0,3 |
2,0 |
|
5 |
12,4 |
3684 |
51,8 |
0,9 |
25,2 |
0,6 |
1,2 |
1,1 |
1,6 |
|
6 |
47,0 |
6992 |
19,7 |
7,8 |
13,5 |
0,1 |
0,1 |
0,9 |
1,5 |
|
7 |
28,0 |
1376 |
468,5 |
7,5 |
76,1 |
1,6 |
0,7 |
0,5 |
1,8 |
|
8 |
28,1 |
4120 |
20,0 |
15,4 |
19,2 |
0,5 |
0,1 |
0,1 |
2,2 |
|
9 |
39,0 |
3770 |
26,3 |
7,2 |
21,5 |
2,6 |
1,7 |
1,0 |
1,9 |
|
10 |
12,0 |
207 |
41,4 |
7,2 |
5,7 |
0,8 |
0,2 |
0,2 |
1,3 |
|
11 |
28,0 |
1453 |
266,4 |
2,3 |
16,4 |
0,4 |
0,2 |
0,2 |
1,2 |
|
12 |
3,9 |
2130 |
153,0 |
0,2 |
84,0 |
0,2 |
0,3 |
0,3 |
1.4 |
|
13 |
9,7 |
1974 |
63,0 |
0,6 |
50,9 |
0,2 |
9,6 |
8,3 |
1,5 |
|
14 |
5,7 |
4121 |
45,4 |
0,2 |
13,0 |
0,1 |
0,3 |
0,2 |
1,2 |
|
15 |
10,8 |
>9000 |
1233 |
4,2 |
140,4 |
2,3 |
3,2 |
1,9 |
1,7 |
Таблица 2. Содержание металлов в битумах, выделенных из кварц-карбонатных прожилков
|
Место отбора битума |
Концентрация, n*10-4 % |
Присутствие элементов |
||||||||
|
La |
Се |
Sm |
Hf |
U |
Th |
Сr |
Sc |
Со |
||
|
Зоны трещиноватости по р. Сочь |
0,2 |
0,6 |
0,2 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,8 |
0,1 |
0,6 |
Hg, Sb, Mo, Re |
|
То же, по рекам Щугор, Подчерем |
0,8 |
1,0 |
0,3 |
0,8 |
0,6 |
0,5 |
5,4 |
0,5 |
5,1 |
Ag |
|
Щугорский разлом |
25 |
74 |
18 |
10 |
55 |
14 |
5500 |
10 |
25 |
F |
Рис. 1. Схема расположения разломов западного склона Северного Урала.
1- разломы (цифры в кружках): 1 - Главный Западно-Уральский, 2- Шугорский, 3 - Главный Уральский, 4 - Вуктыльский; 2 - точки (а - з) аномального суммарного содержания УВ-газов в породах; 3- Печорская синеклиза; 4 - Западно-Уральская структурная зона; 5 - Центрально-Уральское поднятие
Рис. 2. Вариации содержания суммы УВ-газов в породах по профилям:
I-I’- р. Подчерем; II-II’-р. Илыч; IIa-IIa’- геологический разрез по р. Илыч; 1 - известняки; 2 - песчаники; 3 - аргиллиты; 4 - разрывные нарушения; а, в, д, ж, е - см. на рис. 1