» » Гидрогеологические процессы в осадочных бассейнах на разных стадиях литогенеза

Гидрогеологические процессы в осадочных бассейнах на разных стадиях литогенеза

Характерной особенностью формирования всех осадочных бассейнов различных литогеодинамических обстановок является захоронение в стадию седиментогенеза вместе с осадками огромных количеств воды как в виде свободных жидких (гравитационных) вод, заполняющих поры между твердыми минеральными частицами (минералами и их ассоциациями), так и в виде физически и химически связанных, заключенных в твердых минералах. Химический состав свободных подземных вод, захоронявшихся с осадками (седиментогенных вод), определяется, очевидно, прежде всего составом придонных вод бассейнов осадконакопления. Так, например, с осадками морских водоемов захороняются соленые воды сульфатно-хлоридного магниево-натриевого состава с минерализацией обычно 20—35 г/кг; с соленосными галититовыми толщами — рассолы сульфатно-хлоридного магниево-натриевого состава с минерализацией 200—300 г/кг; с озерными осадками в областях гумидного климата — пресные (0,3—1 г/кг) воды гидрокарбонатного магниево-кальциевого состава и т. д.
В ходе прогрессивного литогенеза — при преобладании нисходящих тектонических движений и формировании чехла осадочных бассейнов — захороняющиеся и погружающиеся на глубину водонасыщенные породы постоянно стремятся достигнуть гравитационного и физико-химического равновесия, приспосабливаясь к новым р—Т-условиям. При этом в первую очередь под тяжестью вышележащих пород (горного давления) происходит частичное обезвоживание отложений, связанное сих уплотнением (усадкой), приводящее к уменьшению пористости и отжиму к поверхности земли свободных жидких подвижных вод, захороненных с осадками. Одновременно в бассейнах по мере накопления и погружения осадочных толщ на глубину, начиная с раннего диагенеза и вплоть до метагенеза, происходят сложные и разнообразные преобразования состава горных пород, включающие в себя взаимосвязанные изменения твердых, жидких и газообразных минералов.
Особое значение при этом имеют процессы разложения органического вещества (OB), в основном микробиальные в зоне диагенеза и химические термальные в зонах катагенеза, с которыми связано образование различных летучих соединений (углеводородные газы и конденсаты, нефть, вода, углекислый газ, сероводород, аммиак, азот, бром, йод и др.), поступающих в первую очередь в подземные воды осадочных бассейнов, В зонах катагенеза в преобразовании OB помимо тепловой энергии возможна определенная роль механо-химических процессов. Важно отметить, что выявлена достаточно четкая зональность процессов преобразования OB и нефтегазообразования в осадочных бассейнах, соответствующая определенным зонам (стадиям) литогенеза и находящаяся в строгой зависимости от глубины погружения осадочных толщ в бассейнах с учетом характерных для них значений геотермического градиента.
В зоне диагенеза значительная часть захороненного OB теряется в процессах биодеградации, гидролиза, прямого окисления и др. На стадии позднего диагенеза в верхних частях разреза формирующихся осадочных бассейнов фоновое содержание OB в глинистых породах около 1—1,5, а в отдельных слоях глин достигает 5—20 % (доманикиты, углистые сланцы и др.). Количество летучих соединений, выделяющихся при разложении OB, зависит от многих факторов: состава органики и количества ее в породах, глубины погружения пород, геотермического градиента и др. Суммарный выход летучих компонентов на стадии катагенеза — около 60—70 %. При этом из вещества сапропелевого типа выделяется, %: нефти 21—23, метана 2—2,8; гомологов метана 5,5—6; углекислого газа 21—24; воды 3,5—4; сероводорода 2—3; аммиака 1—1,3; азота 1,1; а из вещества гумусового типа — нефти 0,5—0,8; метана 8—11; гомологов метана 2,5—4; углекислого газа 27—31; воды 8—10; сероводорода 2—2,5; аммиака 1—1,2; азота 0,9—1. Причем масштабы этих процессов весьма существенны. Так, например, глинистая толща мощностью всего 100 м с содержанием органики сапропелевого типа 1 % при погружении се на глубину 3—5 км при среднем геотермическом градиенте (3 °С/100 м) способна продуцировать на площади 1 км2, тыс. т: нефти — около 440, метана — 100, углекислого газа — 140, сероводорода — 35, воды — 20. Все эти процессы приводят к образованию в осадочных бассейнах огромных количеств жидких (нефть) и особенно газообразных углеводородов (в основном метан), оказывающих большое влияние на функционирование в бассейнах гидрогеодинамических систем, на ионно-солевой и в особенности газовый состав подземных вод. В зоне катагенеза в составе растворенных газов обычно преобладает метан (и его гомологи). Газонасыщенность подземных вод с углеводородным составом растворенных газов колеблется при этом часто от 1—1,5 до 8—9 м3 газа на 1 м3 пластовой воды. Суммарное количество углеводородных газов, растворенных в подземных водах осадочных бассейнов Земли (без акваторий) до глубин 10 км, оценивается десятками пентакубометров (около 34*10в15 м3), что многократно превышает скопления свободных углеводородных газов и нефти в осадочных бассейнах.
В верхних частях разреза формирующихся осадочных бассейнов, до глубин 1—1,5 км (в зонах диагенеза и протокатагенеза), породы испытывают значительное уплотнение под действием горного давления. Общая пористость песчано-глинистых отложений падает с глубиной в этой части разреза в среднем с 40—60 до 15—30 %. Температура подземных вод здесь не превышает обычно 40—60 °С, а пластовое давление, как правило, соответствует гидростатическому и достигает 10—15 МПа. В результате разложения OB (в основном микробиального — в зоне диагенеза) происходит интенсивная генерация метана, а также углекислого газа. Вместе с тем в связи с преобладанием в разрезе слабоуплотненных водонасыщенных пород образующиеся углеводородные газы (так же, как и углекислый газ) полностью растворяются в подземных водах. Иными словами, количество генерируемых здесь углеводородных газов (метана и его гомологов) оказывается недостаточным для насыщения подземных вод и выделения газов в свободную фазу. Породы, обогащенные сапропелевым OB (доманикиты), в результате интенсивной генерации углеводородов в зоне протокатагенеза местами обезвоживаются с практически полным вытеснением воды газами и образованием довольно устойчивых органомонтмориллонитовых соединений.
В морских песчано-глинистых и терригенно-карбонатных толщах захороненные с осадками сульфатно-хлоридные магниево-натриевые воды с минерализацией обычно 25—35 г/кг в зоне диагенеза начинают преобразовываться в хлоридные кальциево-натриевые. Одним из основных процессов при этом является десульфатизация подземных вод за счет разлагающегося OB пород по активном участии микрофлоры (сульфат-восстанавливающих бактерий и др.). Эти процессы приводят к накоплению в водах метана, углекислого газа, сероводорода, кальция, аммония, йода, брома, цинка (до 0,2—0,5 мг/кг), меди (до 0,02—0,03 мг/кг), железа (до 0,2 мг/кг), марганца (до 0,5—1,0 мг/кг) и других компонентов. Углекислый газ в основном быстро расходуется при реакциях растворения и метасоматического замещения различных минералов, а сероводород активно участвует в формировании сульфидов (в основном пирита). При этом из раствора удаляются и карбонаты кальция, образуя карбонатный цемент в породах. Характерными аутигенными минералами в зоне диагенеза морских отложений являются также анкерит, сидерит, гидрооксиды железа, кварц. Важно отметить происходящие здесь процессы осернения OB в зоне диагенеза в карбонатных илах, где ввиду низкого содержания железа восстановленная сера соединяется с органическим веществом.
Все эти процессы (в том числе и десульфатизация) продолжаются и в ранние стадии катагенеза (протокатагенеза) при погружении морских толщ ка глубину до 1—1,5 км. Они сопровождаются, кроме того, растворением ряда нестойких минералов, и в первую очередь биотита, пироксена, амфиболов, кальциево-натриевых плагиоклазов и других, которые обычно метасоматичсски замещаются карбонатами, цеолитами и др. Продолжается здесь и разложение OB с выделением больших количеств метана, углекислого газа и других летучих. При этом в водах накапливаются йод, бром, кальций, цинк (до 0,1—0,3 мг/кг), медь (до 0,01 мг/кг), свинец (до 0,02—0,04 мг/кг), железо (до 50—150 мг/кг), марганец (до 0,1—0,6 мг/кг) и другие компоненты.
В галогенно-карбонатных толщах на стадиях диагенеза, частично раннего катагенеза (протокатагенеза) широко протекают десульфитизация захороненной с илами маточной рапы древних солеродных бассейнов, а также доломитизация карбонатных осадков. В результате этих процессов в основном уже на стадии диагенеза захороненные с осадками маточные рассолы преимущественно сульфатно-хлоридного натриево-магниевого состава с минерализацией до 250—350 г/кг преобразуются в хлоридные кальциево-натриевые и кальциевые, обогащенные бромом (до 3—5 г/кг), стронцием (до 2—6 г/кг), калием (до 10—15 г/кг), цинком (до 1—20 мг/кг и более), свинцом (до 1—5 мг/кг и более), железом (до 200—500 мг/кг и более) и другими компонентами.
Важно отметить, что именно на стадии диагенеза из галогенных формаций происходит гравитационное струйное просачивание основной массы тяжелых (плотностью 1,2—1,4 г/см3) высококонцентрированных (до 350 г/кг и более) хлоридных рассолов в нижележащие отложения, где эти рассолы замещают свободные подземные воды более низкой минерализации. В зоне диагенеза галогенные отложения обладают высокими пористостью и проницаемостью и сквозь них могут легко просачиваться в подстилающие их формации разного типа тяжелые рассолы из придонных слоев солеродных бассейнов. Ho уже в раннем катагенезе при погружении галогенных формаций на глубину до первых сотен метров соляные породы сильно уплотняются, превращаясь в плотные, практически непроницаемые. При этом в межсолевых гидродинамически изолированных водоносных слоях возникают аномально высокие (относительно гидростатического) пластовые давления.
При дальнейшем последовательном погружении осадочных толщ на глубину от 1—1,5 до 4—6 км с температурами от 40—60 до 200—250 °С, характерными для среднего этапа катагенеза (мезокатагенеза), продолжаются, хотя и несколько менее интенсивно, чем в верхних частях разреза, процессы уплотнения пород под действием горного давления и отжим из них свободных подземных (преимущественно седиментогенных) вод к дневной поверхности. Пористость (общая) песчано-глинистых и карбонатно-терригенных пород в среднем падает на 5—20 %, Здесь же в зоне мезокатагенеза с ростом температуры начиная уже со 100 °C и более, главным образом в глинистых толщах, активно протекают процессы выделения в свободную фазу физически связанных вод, в том числе межплоскостных вод слоистых силикатов (группы монтмориллонита и др.). Особенно широко при этом происходит преобразование монтмориллонитов в гидрослюды (и в меньшей степени в хлориты). Гидрослюдизация монтмориллонитов даже рассматривается как своеобразное продолжение процессов отжатия вод из пород, начинающихся с простого их механического уплотнения под действием горного давления. Кроме того, в зоне мезокатагенеза происходят также процессы дегидратации гипса (в основном при температуре (40—220 °C) и опала (при 130 °С). В результате этих процессов в погружающиеся осадочные толщи в зоне катагенеза поступают огромные количества так называемых возрожденных (или катагенных) свободных жидких вод низкой минерализации. Общее их количество соизмеримо с массой захороненных седиментогенных вод и составляет, по некоторым оценкам [258 и др.], до 10—15 % от общего объема уплотняющихся глинистых отложений. Внедряющиеся в осадочный чехол катагенные низкоминерализованные воды вытесняют из коллекторов седиментогенные, частично смешиваются с ними, в результате чего минерализация седиментогенных хлоридных соленых вод и рассолов снижается. Ho все ото может быть реализовано лишь при наличии условий для миграции отжимаемых седиментогенных вод к земной поверхности по проницаемым пластам или по зонам разрывных дислокаций. Разгрузка этих вод наиболее активно проявляется в этапы тектонического растяжения, когда резко возрастает проницаемость трещин в зонах разломов.
Погружение осадочных толщ на глубины до 4—6 км в зону мезокатагенеза с температурами от 50—60 до 200—230 °С сопровождается активными процессами преобразования OB с выделением жидких (нефть) и газообразных углеводородов. К интервалу температур от 80—100 до 160—170 °С приурочена главная зона (фаза) нефтегазообразования, содержащая нефтяные, газоконденсатные, газовые, смешанные залежи. Формирование крупных месторождений нефти в этой зоне связывается часто с породами доманикового типа, обогащенными (более 5 вес. %) сапропелевым OB. Выделившиеся углеводороды сначала длительное время (до достижения температур около 100 °С) образуют устойчивые связи с органомонтмориллолитовыми соединениями, а затем (с дальнейшим повышением температур) начинается распад этих соединений с выбросом жидких и газообразных углеводородов в порово-трещинное пространство самой глинистой материнской породы или в смежные песчаные и другие коллекторы.
Глубже по разрезу в интервале температур от 160—170 до 250—260 °С, характерных для позднего мезокатагенеза — раннего апокатагенеза, на глубинах преимущественно до 8—10 км располагается главная зона (фаза) газообразования. В верхней се части помимо метана генерируется много низкокипящих нефтяных углеводородов, в связи с чем здесь формируются первичные газовые и газоконденсатные залежи, тогда как для нижней части характерны генерация сухого метана всеми типами OB и образование лишь газовых залежей. Нефтяные залежи, встречающиеся на этих глубинах, обычно рассматриваются как реликты залежей, возникшие ранее в этих осадочных толщах при прохождении ими главной фазы нефтегазообразования. Следует отметить также, что залежи углеводородов в пределах главных зон нефте- и газообразования при наличии в их разрезе галогенных формаций обогащены, как правило, сероводородом и углекислым газом.
Пластовые давления подземных вод в зоне мезокатагенеза и раннего апокатагенеза довольно часто превышают условные гидростатические давления. В значительной мере это обусловлено неравномерностью уплотнения осадочных пород в связи с неоднородностью их первичных (заложенных при седиментации) состава и структуры. Неравномерность уплотнения приводит к образованию гидродинамических изолированных участков (линз, блоков) горных пород, в которых вследствие различных факторов, например расширения воды при повышении температуры, уменьшения порового пространства, проявления упругих сил пластовых флюидов и при отсутствии условий для оттока флюидов, создаются сверхгидростатические (или аномально высокие) пластовые давления подземных вод, иногда достигающие (и даже превышающие) геостатические. Особенно часто сверхгидростатические давления наблюдаются в нижней части зоны мезокатагенеза и в зоне апокатагенеза.
Процессы регионального уплотнения осадочных толщ при их погружении приводят не только к общему уменьшению их пористости и проницаемости, образованию сверхгидростатических давлений пластовых вод (до геостатических и более), но и к преобразованию поровых коллекторов в трещинные. Порово-трещинно-пластовые скопления свободных подземных вод в зоне мезокатагенеза при достижении температур около 180—200 °С сменяются трещинно-пластовыми. Нужно также отмстить, что в зонах мезо- и апокатагенеза процессы гравитационного уплотнения и уменьшения первичной пористости местами сопровождаются процессами образования вторичных коллекторов (возникновение трещиноватости при гидроразрывах в результате сверхгидростатических давлений, выщелачивание карбонатного цемента, проявление глубинного карста и др.).
Подземные воды в зоне мезокатагенеза и раннего апокатагенеза в морских терригенных, терригенно-карбонатных и карбонатных формациях (при отсутствии влияния галогенных формаций) преобразуются преимущественно в хлоридные кальциево-натриевые с минерализацией 20—40 г/кг. В галогенных формациях (так же как и в подстилающих их формациях разного типа) содержатся хлоридные кальциево-натриевые и кальциевые рассолы, при этом минерализация рассолов находится обычно в пределах 270—350, а в подстилающих — 100—270 г/кг. В составе во-дорастворенных газов большей частью преобладает метан, реже сероводород (во взаимосвязи с галогенными формациями) или углекислый газ (при интенсивном внедрении в чехол осадочных бассейнов углекислого газа термометаморфического генезиса из фундамента).
Преобразования состава седиментогенных хлоридных соленых вод и рассолов в зоне мезокатагенеза (и раннего апокатагенеза) в основном сводятся к следующему: 1) некоторое уменьшение их минерализации при смешении с низкоминерализованными возрожденными водами; 2) повышение концентрации в них металлов, что связано с интенсификацией здесь при высоких температурах процессов разложения различных обломочных минералов (полевых шпатов, пироксенов, амфиболитов и др.). Особенно четко это проявлено в подсолевых рассолах, залегающих в терригенных формациях (в них содержание цинка достигает 100—200, свинца 10—30, меди 1—5 мг/кг и т. д.); 3) резкое увеличение газона-сыщенности (в основном метаном) хлоридных соленых вод и слабых рассолов (до 100—140 г/кг) с возрастанием глубины их залегания (начиная обычно с 4—5 км) и соответственным ростом температуры и давления. Особо высокой газонасыщенностью (до 10—30 м’/м3 и более) на глубине 4—5 км обладают подземные воды на участках с развитием сверхгидростатических давлений. В главной зоне газообразования на глубине 5—8 км и более региональная газонасыщенность подземных вод в связи с широкими проявлениями здесь сверхгидростатических давлений может достигать 20—40 м3/м3 и более. Дегазация этих вод возможна только при резком уменьшении давления путем, например, раскрытия гидродинамически изолированного блока при тектоническом растяжении или вертикальной восходящей миграции газонасыщенных вод.
В нижних частях разреза осадочных бассейнов с мощностью чехла до 12—15 км и более — глубже главной зоны газообразования — на стадиях позднего апокатагенеза (и, вероятно, метагенеза), где температура достигает 300—350 °С и более, гравитационное уплотнение пород приводит к дальнейшему уменьшению их первичной пористости и снижению фильтрационных свойств. Например, в песчано-глинистых толщах общая пористость падает в среднем до 2—5 %. Продолжается здесь удаление оставшейся части межплоскостной воды в слоистых силикатах (группы монтмориллонита и др.), а также (начиная с температуры около 300 °С) структурных ОН-групп гидроксильной воды из различных водосодсржащих силикатов с переводом их в свободную жидкую фазу. Кроме того, продолжается здесь и генерация метана и других летучих из OB в довольно значительных количествах, существенно уступая вместе с тем интенсивное и этих процессов в главной зоне газообразования. При этом в составе газов (в основном метановых) здесь часто возрастает роль углекислого газа и сероводорода. Накопление углекислого газа может быть вызвано взаимодействием при высоких температурах воды и карбонатов (сидерита, доломита и др.), сероводорода — в результате разложения серосодержащих органических веществ или путем восстановления сульфатов. В этой зоне газообразования наряду с генерацией метана из OB идут процессы деструкции углеводородов, сформированных в зоне мезокатагенеза и перемещенных затем в процессе развития осадочных бассейнов на большие глубины. Залежи нефти в результате деструкции превращаются в твердые битумы (асфальтиты, кериты и др.) и газы (метан, углекислый газ, сероводород и др.). При температуре более 300 °С метан может взаимодействовать с водой и разлагаться с образованием углекислого газа, водорода и других газов.
Фактические данные о подземных водах (и других флюидах) на глубинах более 8 км практически отсутствуют. Поскольку при температуре 280—350 °С взаимная растворимость углеводородов и воды становится неограниченной, то, вероятнее всего, здесь образуется однородный водогазонефтяной раствор, находящийся в надкритическом состоянии или близком к нему. При миграции этого флюида в верхние части разреза будут происходить по мере снижения давления выделение углеводородов и обособление воды в самостоятельную фазу.
Таким образом, при прогрессивном литогенезе осадочных бассейнов — при последовательном накоплении и погружении на глубину водонасыщенных осадочных образований — во флюидную систему ссдиментогенных подземных вод в результате процессов уплотнения, перекристаллизации, растворения твердых минералов и разложения OB поступают разнообразные компоненты, существенно изменяющие газовый состав подземных вод, а также их ионно-солевой состав и общую минерализацию. Кроме того, эти процессы определяют и динамику подземных вод: характер и направленность их миграции. Наряду с уплотнением пород, предопределяющим отжим подземных вод, огромная роль в этом процессе принадлежит газовому фактору. Сильная газонасыщенность подземных вод главной зоны газообразования, возможно, во многом и предопределяет при оживлении тектонических процессов миграцию газонасыщенных металлоносных хлоридных рассолов из нижних горизонтов осадочных бассейнов в верхние части разреза.
В отдельные этапы развития осадочных бассейнов при преобладании восходящих тектонических движений возникают области суши, подвергающиеся денудации, выветриванию и другим преобразованиям с развитием гипергенных процессов. Здесь формируются инфильтрационные грунтовые и напорные гидродинамические системы атмосферного питания, с деятельностью которых связано формирование разнообразных кор выветривания, развитие карстовых процессов и др. Глубина проникновения инфильтрационных кислородно-азотных (и азотных) вод атмосферного питания в основном определяется положением региональных базисов эрозии (дренирования): обычно в равнинных областях до 100—200 м.
Значительно активизируются процессы миграции подземных вод в осадочных бассейнах при крупных перестройках тектонического плана и особенно при внедрении магматических тел в чехол бассейнов. По зонам крупных разломов воды атмосферного питания могут проникать до глубины 1—3 км, образуя линейные коры выветривания. В результате воздействия интрузий температура подземных вод вблизи них резко возрастает. Возникают сложно построенные гидротермальные гидродинамические системы, в питании которых участвуют экзогенные воды земной коры (инфильтрогенные, седиментогенные, катагенные и метаморфогенные), а также флюиды, выделяющиеся из остывающих магматических тел. Достоверных данных о поступлении при этом в осадочный чехол бассейнов других мантийных флюидов не имеется.

title-icon Подобные новости