НЕФТЕГАЗОНАСЫЩЕННОСТЬ

Механизм генерации углеводородов из органического вещества, затягиваемого вместе с океаническими осадками в зоны субдукции, является основным источником нефти.

Поскольку длина всех современных зон субдукции достигает 40 тыс. км, средняя толщина слоя океанских осадков равна 500 м, а средняя скорость субдукции 7 см/год, то оказывается, что в настоящее время под все островные дуги и активные окраины континентов ежегодно затягивается около 3 млрд т осадков. В океанских осадках содержится 0,5% органических веществ, из которых в углеводороды может перейти только 30%. Тогда ежегодно в зонах субдукции генерируется около 5 млн т углеводородов (Сорохтин, Ушаков, Федынский, 1974). В фанерозое, за 600––500 Му могло образоваться около (2,5––3)•1015 т нефти и газа, или в 1000 раз больше, чем масса известных залежей.

Наибольшие скопления нефти и газа возникают в предгорных прогибах, когда островные дуги и окраины андийского типа надвигаются на пассивные окраины континентов Атлантического типа с их мощными осадочными толщами, накопившимися на этих окраинах за время существования океана. В геологической истории Земли такие события происходили часто: так образовались Аппалачи, Урал, Кордильеры, большая часть Альпийско-Гималайского пояса. В Аппалачах и на Урале процесс коллизии островных дуг с древними континентальными окраинами закончился еще 350 и 250 Ма; в Скалистых горах - 100 Ма; в Персидском заливе –– 20 Ма, хотя процесс надвигания Загросской дуги на северо-восточный борт Аравийской платформы продолжается и в наше время, о чем свидетельствуют землетрясения и деформации молодых осадков. В Тиморском море можно наблюдать начальную фазу столкновения островной дуги Малых Зондских островов с северной окраиной Австралийского материка.

В связи с этим интересно сопоставить распределение нефтегазоносных бассейнов мира с расположением современных и древних зон субдукции.Действительно, 80% мировых запасов нефти и газа тяготеют к существовавшим в прошлом зонам субдукции. Сюда относятся бассейны Персидского залива, Венесуэлы, Среднего Запада США, Канады, Аляски, Индонезии, Аппалачей, Предуральского прогиба, Кавказа, Карпат, поднадвиговые зоны Верхояно-Колымской складчатой области.

В осадках, накапливающихся на континентальных окраинах, всегда содержится органическое вещество. В дельтах крупнейших рек его концентрация достигает нескольких процентов, в среднем до 1%. По мере опускания континентальной окраины и постепенного ее засыпания осадками нижние слои осадочной толщи уплотняются и прогреваются идущим снизу тепловым потоком. В результате литификации содержащееся в них органическое вещество подвергается термолизу и постепенно превращается в углеводороды. Этот процесс хорошо изучен И.М. Губкиным, И.О. Бродом и Н.Б. Вассоевичем, создавшим осадочно-миграционную теорию образования нефти и газа.

“Созревание” нефти и газа происходит через 20––30 Ма после образования континентальной окраины (Ушаков, 1979).

На пассивных окраинах континентов миграция нефти в толще осадков происходит только под влиянием уплотнения нижележащих осадков, их прогрева и дегидратации и развивается вяло. Поэтому основная масса углеводородов здесь находится в рассеянном состоянии. Для мобилизации нефти и газа необходимо приложить тектонические воздействия, способные “выжать”из таких толщ углеводороды. Такие воздействия появляются на втором этапе развития краевых прогибов –– при закрытии древних океанов и надвигании островных дуг на бывшие окраины континентов.

Как только островная дуга вплотную приближается к континентальному склону, происходят два события. Во-первых, под тяжестью надвигаемой островной дуги резко ускоряется прогибание континентальной окраины, сопровождаемое увеличением скорости осадконакопления в формирующемся краевом прогибе. Во-вторых, из осадков, ранее накопившихся в полосе континентального шельфа и попавших теперь под островную дугу, в это время начинают выжиматься поровые воды и способные к миграции углеводороды. Этот процесс активизируется и поступлением из более глубоких участков зоны субдукции термальных вод, освобождающихся при дегидратации попавших туда осадков и пород океанской коры. Все эти горячие флюиды перемещаются вдоль напластований осадочных пород из-под островной дуги в область наименьших давлений в сторону континентальных платформ. Осадки, расположенные перед фронтом надвигаемой дуги, сминаются в складки, образуя ловушки нефти и газа.

С возникновением молодого горного пояса заканчивается и формирование предгорных (краевых) прогибов с образованием в их осадочных толщах нефтегазоносных бассейнов. Накапливающиеся в таких прогибах нефть и газ поступают туда из двух источников. Во-первых, эти полезные ископаемые концентрируются за счет мобилизации местной рассеянной микронефти, возникшей в самих материнских толщах, заполняющих прогибы, а во-вторых, благодаря миграции углеводородов из той части осадочных пород, которые к моменту формирования прогиба оказались затянутыми под тело островной дуги, надвинутой на континентальную окраину.

Мощность второго источника углеводородов исключительно высока. Так, если принять, что по береговой линии длиной около 1000 км шельф континентальной окраины со слоем осадков толщиной до 15––17 км перекрывается фронтальным карнизом островной дуги на ширину до 100––120 км, то оказывается, что из зон субдукции в сторону краевого прогиба могло бы мигрировать
несколько сотен миллиардов тонн углеводородов. С этим связано то, что во многих нефтегазовых бассейнах плотность запасов нефти и газа намного превышает нефтематеринские потенциалы толщ, в которых сформировались месторождения горючих полезных ископаемых.

Реальные масштабы миграции углеводородов оказываются более скромными, чем это следует из расчетов. Это связано с тем, что часть нефти и газа сохраняется в поднадвиговых зонах, часто образуя там крупные скопления. Примером могут служить богатейшие месторождения нефти и газа под надвигами Скалистых гор и Аппалачей, под офиолитовым покровом на Кубе, в Швейцарских Альпах, Новой Зеландии и в некоторых других районах мира.

В этом отношении показательна история открытия новых нефтяных и газовых месторождений на Кубе и США. Кубинские и советские геологи (А.Л. Книппер) были знакомы с идеями тектоники литосферных плит и не побоялись бурить сложенный серпентинитами офиолитовый пояс и вскрыли под ним крупное месторождение нефти, сформировавшееся в меловых осадках поднадвиговой зоны Кубы. То же произошло в «бесперспективных» Скалистых горах, горах Аппалачи, Кордильеры, поясе Уачито.

Другим примером является открытие месторождения “Белый Тигр”, залегающего в …… гранитах кристаллического фундамента Вьетнамского шельфа. Это месторождение сформировалось над зоной поддвига литосферных плит мезозойского возраста благодаря насыщению трещиноватых пород кристаллического фундамента поднимающимися из зоны субдукции углеводородами (Арешев, Гаврилов и др., 1996).

Перспективными должны быть Восточно-Сибирский краевой прогиб (вдоль среднего и нижнего течения Лены) и поднадвиговые зоны Верхояно-Колымского складчатого пояса. Действительно, в этой окраинно-континентальной зоне и на пассивной окраине Палеосибирского океана, начиная с девона и до юрского возраста, накапливались мощные толщи осадков, попавшие в конце мезозоя в условия сжатия за счет надвигания Колымского массива на восточный край Восточно-Сибирской платформы.

Значительные концентрации нефти и газа тяготеют и к погребенным под мощными толщами осадков континентальных рифтовым структурам или авлакогенам. В рельефе коренных пород (под осадками) рифтовые структуры представляют собой вытянутые на многие сотни километров линейные грабены с крутыми ступенеобразными бортами сбросового происхождения. Ширина этих впадин не превышает нескольких десятков километров. Типичными примерами молодых, еще не заполненных осадками рифтовых впадин являются оз. Байкал в Сибири и система рифтовых разломов Восточной Африки. Возникают авлакогены при расколах континентов, но только в тех случаях, когда раздвижение континентальных блоков было небольшим и не сопровождалось образованием океанов.

Приуроченность нефтегазоносных бассейнов к древним континентальным рифтогенным структурам и авлакогенам объясняется сравнительно быстрым прогибанием их центральных участков –– рифтовых долин. Такое прогибание сопровождается накоплением мощных толщ континентальных или морских осадков. Природа погружений континентальных рифтовых зон та же, что и опусканий океанского дна, ––благодаря образованию под рифтовыми долинами свежих участков литосферы за счет охлаждения и полной кристаллизации горячего мантийного (астеносферного) вещества, поднявшегося перед этим в зазор между раздвинувшимися континентальными плитами. В связи с этим остается прежним и закон прогибания: глубина рифтовых впадин со временем увеличивается пропорционально квадратному корню из возраста ее образования.

Процесс генерации углеводородов развивается в самих осадочных толщах, накопившихся в рифтовых зонах, за счет термолиза содержащихся в них органических веществ. Миграция углеводородов в таких структурах, как и на пассивных окраинах континентов, происходит благодаря отжиму поровых и связанных вод при уплотнении и разогреве осадков в центральных и наиболее погруженных частях авлакогенов. Освобождающиеся воды вместе с углеводородами перемещаются вдоль напластований осадочных пород от осей погребенных рифтовых зон к их флангам. Таким механизмом миграции объясняется приуроченность нефтяных и газовых месторождений к флангам и периферийным участкам древних рифтовых зон.

Если континентальная рифтовая зона после заполнения осадками оказывается сжатой, все процессы отжима поровых и связанных вод и миграции углеводородов возрастают с особой силой. Однако гигантских месторождений типа Персидского залива здесь не возникает, поскольку вся нефть авлакогенов автохтонна, т.е. образуется в самой толще, заполняющей рифтовую впадину, без дополнительного притока со стороны. Поэтому во всех бассейнах рифтового происхождения, как и на пассивных окраинах континентов, плотность запасов нефти и газа никогда не превышает (и обычно значительно ниже) нефтематеринского потенциала заполняющих эти бассейны осадков.

Существует еще абиогенный метан и водород океанического дна, появившийся при гидратации пород океанической коры водами океана, содержащими растворенный углекислый газ. Основная масса метана образуется при серпентинизации железосодержащих ультраосновных пород за счет окисления двухвалентного железа до его трехвалентного состояния и восстановления углекислого газа до метана, а водород освобождается благодаря диссоциации морской воды на двухвалентном железе. Такие реакции являются экзотермическими и при температурах около 400 °С проходят с выделением заметной энергии (Дмитриев и др., 2000; Сорохтин, Леин, Баланюк, 2001):

4Fe2SiO4+12Mg2SiO4+18H2O+CO2---4Mg6[Si4O10](OH)8+4Fe2O3+CH4+144,6 ккал/моль,
Fe2SiO4 + 3Mg2SiO4 + 5H2O ---Mg6(Si4O10)(OH)8 + Fe2O3 + H2 + 21,06 ккал/моль,
2FeSiO3+6MgSiO3+5H2O→Mg6(Si4O10)(OH)8+Fe2O3+4SiO2+H2+около 21 ккал/моль.

Скорость образования метана и водорода в океанической коре достигают по 9––10млн т/год. Значительная часть этого абиогенного метана и водорода теряется в океане, как это наблюдалось на разрушающемся газогидратном поле в кальдере грязевого вулкана Хаакон Мосби в Норвежском море (Леин и др., 1998), и в конце концов выделяется в атмосферу.

Но заметная часть этих газов при активном участии бактерий окисляются в водах океана:

СН4 + 2О2 + (бактерии) --- СО2 + 2Н2О,
2Н2 + О2 + (бактерии) ---2Н2О.

Реакции окисления СН4 и Н2, а также Н2S происходят только с участием специфических групп микроорганизмов, потребляющих эти эманации.

Метан и водород, выделяемые в гидротермах рифтовых зон срединно-океанических хребтов, поступают в воды открытого океана и в них рассеиваются. Но в тех случаях, когда медленно раздвигающиеся рифтовые зоны оказываются перекрытыми осадками, а также в осадочных отложениях по периферии океанов, под которыми тоже продолжаются процессы серпентинизации океанической коры, углеводороды уже могут накапливаться в осадочных толщах и формировать в них нефтегазоносные месторождения (Баланюк и др., 1995). При этом главным фактором преобразования СН4, Н2 и Н2S в более сложные углеводороды является жизнедеятельность бактерий, потребляющих метан, водород и сероводород и синтезирующих из этих газов органическое вещество. В процессе же диагенеза и катагенеза осадков органическое вещество со временем преобразуется в углеводороды более сложного состава, хотя “кормовой” базой таких органических углеводородов могут служить абиогенные СН4, Н2 и Н2S. Однако помимо бактериальной переработки метана в органическое вещество и далее в более сложные углеводороды, по-видимому, существует и абиогенный путь синтеза более тяжелых углеводородов благодаря каталитическим реакциям в природных условиях (Руденко, Кулакова, 1986). Таким естественным катализатором может являться глинозем Al2O3. Способствовать этому могут и повышенные температуры в глубинах осадочных толщ, а также в не очень глубоких частях зон субдукции умеренная температура до 500 °С.

Классическими примерами накопления углеводородов в осадочных толщах над рифтовыми зонами могут служить бассейны Калифорнийского залива и Красного моря. В Калифорнийском заливе рифтовая зона перекрыта слоем осадков мощностью около 400 ––500 м. Благодаря тепловой конвекции эти осадки активно промываются океаническими водами и горячими гидротермами, питающими обильную бактериальную флору как в самой осадочной толще, так и на ее поверхности. Об этом свидетельствуют обильные бактериальные маты и “оазисы” придонной фауны, окружающие выходы горячих и теплых гидротерм (Сорохтин, Сагалевич, 1994). Кроме того, из океанических вод Калифорнийского залива в бассейн поступает органическое вещество. В результате осадочная толща бассейна в местах разгрузки гидротерм оказывается насыщенной углеводородами (УВ), содержащими жидкие нафтоиды, концентрация которых достигает 3––4%. В составе этих нафтоидов содержится около 65 % алифатических УВ, 15% ароматических УВ и 20% асфальтенов (Леин и др., 1998).

next
Газогидраты