Экономическое значение турбидитных отложений

Министерство Образования Российской Федерации Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет Кафедра геологии и разведки нефтегазовых месторождений Курсовая работа по литологии Студент Ванян А.А.

Консультант Рыкус М.В.

Уфа 2013

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1. Характеристика глубоководных морских отложений

2. Диагностические характеристики турбидитов

3. Современные глубоководные морские пески

4. Экономическое значение турбидитных отложений ВЫВОДЫ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ВВЕДЕНИЕ Турбидиты — отложения, осажденные мутьевыми потоками. Они представляют собой пласты песчаников (в нелитифицированных осадках — песков), алевролитов (алевритового ила) или обломочных известняков (калькаренитов), чередующиеся c алевроаргиллитами (алевритовыми глинами) и аргиллитами (глинами), причем каждый слой песчаника залегает с резким контактом на подтилающем алевроаргиллите или аргиллите. Мутьевые потоки, движимые гравитацией, благодаря более высокой плотности, чем окружающая чистая вода, из-за большого количества взвешенного в ней осадочного материала движутся вниз по любому склону. Они стали известны геологам с 1936 г., когда Р. А. Дели установил их как причину образования современных подводных каньонов, а в 1950 г. Ф. Кюнен и К. Миглиорини отнесли к продуктам этих потоков олигоценовые песчаники cеверных Апеннин. Важно то, что слои алевритов или пелитов, осажденные из суспензии в очень спокойной воде («фоновые» осадки), периодически внезапно прерываются грубым материалом из мощного донного течения, первоначально быстрого и размывавшего дно, а затем быстро угасавшего. Наиболее характерная особенность турбидитов — ритмичность их строения.

1. Характеристика глубоководных морских отложений Современными глубоководными морскими песками называют те, накопление которых происходит ниже уровня континентального шельфа, т. е. ниже 200 м. Определить, что такое древние глубоководные песчаные отложения, значительно труднее. Вероятно, под таковыми можно понимать те (каковы бы они ни были), накопление которых шло на глубинах ниже уровня активного волнового воздействия. Точная батиметрия — дело чрезвычайно трудное и в случае древних осадков по большей части представляет чисто академический интерес.

Существует несколько критериев, на основании которых можно утверждать, что те или иные песчаники отлагались в условиях глубоководья, т. е., как указывалось выше, ниже базы волнового воздействия. Одни из них носят чисто негативный характер, другие позитивный. Какие бы то ни было признаки субаэральной экспозиции или формирования в условиях мелководья не должны присутствовать. Иначе говоря, глубоководным морским пескам абсолютно не свойственны трещины высыхания, следы дождя, следы позвоночных животных, корненосные горизонты и палеопочвы. Морские глубоководные осадки не должны обладать признаками, присущими мелководью, хотя последние менее определенны, чем субаэральные особенности. К ним относятся колонии водорослей, поскольку водоросли растут лишь в пределах эйфотической зоны, следы жизнедеятельности организмов, обитающих на мелководье (т. е. в основном вертикальные ископаемые следы ползания червей, моллюсков и т. п.) и крупная косая слоистость (предполагается, что волокущие течения, действующие в глубоководных частях, не обладают скоростью, достаточной для образования мегаряби).

Позитивные критерии, свидетельствующие в пользу морской глубоководной обстановки, не столь определенны. Исследования морских глубоководных отложений показывают, что содержащаяся в них фауна в значительной степени состоит из привнесенных мелководных и свободно плавающих организмов. Тела ископаемых глубоководных морских животных редки, хотя ископаемые следы жизнедеятельности сообществ беспозвоночных, поверхностные и внутри осадочных слоев, распространены широко. Региональная и стратиграфическая позиция формации также может быть использована для суждения о глубоководном ее отложении. Можно предполагать, что в центральных частях бассейнов песчаники имеют глубоководное происхождение, особенно, если они перекрываются или переходят в направлении шельфа в склоновые отложения (что подтверждается обилием признаков слоистости оползания), за ними следуют осадки морского мелководья.

Полезными могут оказаться и результаты сейсмических исследований. Песчаники, вскрытые бурением во фронтальной части крупной, выявленной сейсмическим методом, наступающей дельты, по-видимому, отлагались на глубинах в интервале от поверхностного дельтового слоя до продвинутой части передовых слоев. Несмотря на очевидные трудности в идентификации глубоководных морских песков, большинство геологов признают, что крупные объемы древних глубоководных песчаников широко представлены в стратиграфических колонках. Многие из этих формаций прежде относили к так называемому флишу. Петрографически многие флишевые песчаники представлены граувакками. Осадочные текстуры флишевых песчаников предполагают, что они являются «турбидитами», т. е. отложены турбидитными (мутьевыми) течениями, представляющими особый тип плотностных течений. Ниже дается толкование основных терминов.

Флиш: мощные толщи переслаивающихся песчаников и сланцев. Песчаники обычно имеют эрозионное основание и отличаются внутренней градационной слоистостью. Сланцы содержат морскую фауну. Будучи впервые использовано в Альпах, это наименование применялось к аналогичным породам геосиклинальных поясов самого разного возраста во всех частях земного шара.

Турбидитовое (мутьевое) течение: поток мутьевого течения, движение которого происходит под действием нагрузки (массы осадка, несомого этим потоком и делающего его избыточно плотным); такое определение было предложено в 1965 г. П. Куененом.

Турбидит: отложение турбидитового течения.

Граувакка: плохо сортированный песчаник с обильным матриксом, полевым шпатом и/или обломками пород. Большинство геологов полагают, что флишевые песчаники являются турбидитами. Многие флишевые песчаники, однако далеко не все, представлены граувакками. Поэтому термины «флиш», «турбидит» и «граувакка» использовались как синонимы. Между тем это заблуждение: флиш — описание фации, граувакка — чисто петрографическое определение особого типа породы, а турбидит — генетический термин, указывающий на процесс, в результате которого происходит отложение осадка. Эти понятия не только абсолютно различны, но и сами по себе имеют самое широкое толкование в специальной литературе.

Турбидные потоки высокой и низкой плотности. Теоретически и экспериментально среди процессов переотложения турбидные потоки, по-видимому, являются наиболее известными, но увидеть их в природе до сих пор не удавалось. Тем не менее, судя по частой встречаемости характерных для них осадков турбидитов, предполагают, что эти потоки повсеместно и широко распространены в глубоком море. В пределах предполагаемого ряда распределения потоков по концентрации можно выделить течения как высокой (50—250 г/л), так и низкой (0,025—2,5 г/л) плотности.

Турбидные течения высокой плотности, вероятно, возникают одним из следующих четырех основных способов: 1) из оползней или обломочных потоков при перемешивании их материала с морской водой; 2) из песчаных обвалов, зернистых потоков, или разрывных течений, питающих осадками верховья подводных каньонов; 3) при штормах, взмучивающих неконсолидированные донные осадки и создающих на шельфе концентрированные нефелоидные осадки, и 4) непосредственно из взвешенного осадочного материала, поставляемого в море реками в половодье или при таянии ледников.

Во всех турбидных потоках сохранность осадочных частиц в суспензии обеспечивается главным образом направленной вверх компонентой турбуленции в жидкости, которая в основном поддерживается за счет трения на границе между потоком, с одной стороны, и дном и окружающей жидкостью — с другой. Доказано, что турбидный поток может сохраняться в виде автосуспензии. Автосуспензия представляет состояние динамического равновесия, при котором 1) избыток плотности взвешенных осадков способствует движению потока, 2) движение генерирует в жидкости трение и турбуленцию и 3) осадочные частицы остаются во взвеси за счет турбуленции и так далее, т. е. существует полный цикл обратной связи. Для сохранения этой связи необходимо, чтобы потеря энергии при трении компенсировалась приростом энергии силы тяжести, когда поток перемещается вниз по склону. Согласно этой теоретической модели, турбидный поток может перемещаться на большие расстояния без заметной эрозии или отложения осадка до тех пор, пока наклон склона остается постоянным.

Эксперименты показали, что турбидные потоки имеют характерное продольное строение и состоят из головной и хвостовой частей, тела и шей ки. Головная часть турбидного потока имеет характерную форму и текстуру течения. В плане она лопастевидная с локальными ответвлениями от направления потока. Внутри головной части существует система круговых вихрей, направленных вперед и вверх. Здесь, как правило концентрируются наиболее крупные частицы. Тело располагается за головной частью и характеризуется почти однородной мощностью потока. В пределах тела может происходить осадконакопление, в то время как в пределах головной части еще продолжается эрозия. В хвостовой части поток быстро утоняется и становится очень разжиженным. За счет смешения потока с окружающей жидкостью образуется разжиженный горизонт. На склонах с углами наклона круче 1.24° головная часть толще тела, на менее крутых склонах соотношения обратные. Эти соотношения важны для определения типа осадочного переполнения в русловых обстановках. Турбидный поток будет ослабляться и по существу остановится при перемешивании его с водой, вследствие осаждения и отделения потока в шейке. В обычном турбидном потоке большая часть грубого материала отлагается за период времени, измеряемый часами, хотя для полного осаждения мелкозернистого материала потребуется неделя.

Поскольку масштабы турбидных потоков в океане на несколько порядков больше потоков, воспроизводимых в лабораторных условиях, возможность применения полученных экспериментальных результатов к природным потокам довольно проблематична. Наличие последовательных разрывов подводных кабелей является свидетельством существования природных потоков высокой плотности. Классическим примером является землетрясение 1929 г. на Большой Ньюфаундлендской банке, вызвавшее колоссальный обвал с последующим турбидным потоком, который переместился вниз по склону на расстояние в сотни километров, выйдя на абиссальную равнину. Максимальная скорость, достигнутая этим течением, составляла примерно 70 км/ч (25 м/с).

Некоторые представления о ширине и мощности турбидных потоков и о расстоянии, на которое они перемещаются, можно вынести из рельефа, возникающего при осадконакоплении. Предполагается, что природные намывные валы у подводных русел образуются при переполнении их турбидными потоками. Следовательно, такие течения должны иметь ширину в несколько километров и мощность в несколько сотен метров. Как длина глубоководных русел, так и протяженность плоских абиссальных равнин указывают на то, что турбидные потоки могут перемещаться на расстояние до 4000—5000 км.

Частота, с которой в любой данной точке глубокого моря генерируются турбидные потоки инакапливаются турбидиты, зависит от таких факторов, как характер области, где возникают турбидные течения, близость области осадконакопления к источнику сноса, сейсмичность области сноса и уровень моря. Турбидные потоки, генерируемые выносами рек во время половодья, могут возникать не менее одного раза в каждые два года. Эти турбидные потоки обычно низкоплотностные. Пески, накапливающиеся в верховьях подводных каньонов, могут смываться и создавать турбидные потоки с аналогичной высокой частотой. В проксимальных частях активных глубоководных конусов выноса турбидиты могут появляться каждые 10 лет. Однако в обстановках более дистальных частей склона или на дне котловин турбидиты возникают каждые 1000—3000 лет, хотя частота их может сильно варьировать. Подъем уровня моря уменьшает частоту турбидных течений главным образом тех, которые возникают на шельфе и на склоне. Более того, частота карбонатных или других биогенных турбидитов, по-видимому, на порядок ниже, чем частота обломочных турбидитов, т. е. они появляются через 20 000—30 000 лет.

Турбидные потоки низкой плотности переносят с низкой скоростью частицы главным образом песчаной и глинистой размерностей, имеющие низкую концентрацию. В глубоком море они, вероятно, более обычны, чем потоки высокой плотности, и проявляются в виде нескольких разных форм, генерируемых несколькими различными процессами: 1. Штормовые волны на шельфе или на перегибе шельфа могут взмучивать осадки с образованием турбидного потока. 2. Постоянный перенос тонких частиц через шельф может приводить к образованию небольших турбидных потоков (мощностью менее 1 м), которые стекают вниз по склону и вдоль осей каньонов. 3. Стекание вниз по каньонам мощных нефелоидных слоев приводит к образованию потоков. 4. Прямая разгрузка в море рек, несущих во время половодья или таяния ледников ил, также может прямо или косвенным путем способствовать возникновению турбидных потоков низкой плотности или лютитовых потоков и каскадных суспензионных систем. 5. Крипп, оползни, обломочные и турбидные потоки высокой плотности полностью или частично могут преобразовываться в потоки низкой плотности. Эти типы потоков слабо различаются между собой и фактически являются членами ряда турбидных потоков низкой плотности. Они в отличие от нефелоидных потоков очень низкой плотности, ассоциирующихся с нормальными придонными течениями, которые являются полуперманентными, происходят периодически и существуют непродолжительное время (измеряемое днями).

По мощности турбидитные осадки варьируют от нескольких метров до более чем 800 м для потоков, заполняющих русла, и имеют скорости, колеблющиеся в интервале от 10 до 50 см/с.

2. Диагностические характеристики турбидитов В основе распознавания турбидитов лежит не один какой-то признак, а совокупность многих критериев. Выбор их достаточно субъективен и зависит от представлений каждого отдельного геолога. Наиболее заметная особенность турбидитов — это свойственная им вертикальная сортированность. Каждый слой обычно характеризуется четкой подошвой и постепенным переходом в сланцы (рисунок 1). Детальные исследования турбидитов показали, что они содержат множество разных типов осадочных текстур (таблица 1). В отдельных толщах турбидитов, как правило, наблюдается закономерная последовательность текстур (рисунок 2). Серия таких текстур интерпретируется следующим образом: сначала течения создают на поверхности ила различные формы размыва; последующая

Рисунок 1 — Слой турбидитового песчаника Рисунок 2 — Обобщенный разрез турбидитовой пачки седиментация турбидита происходит в условиях ослабевающего потока. Сначала идет накопление массивной пачки А, вероятно, как антидюны в режиме турбулентного течения; в условиях струйного потока отлагается следующая слоистая пачка В1, а накопление микрокосослоистой пачки С происходит в режиме ламинарного течения. Для накопления покрывающего пластинчатого силта было предложено несколько объяснений. Возможно, он отражает возврат к струйному течению, по поскольку размер частиц значительно меньше, действительная скорость течения, по-видимому, была ниже, чем при отложении нижней пластинчатой пачки. Верхняя, пелитовая пачка E свидетельствует о возвращении обстановки осадконакопления с низким энергетическим уровнем, преобладавшей до того, как началось накопление турбидитов.

Важно отметить, что последовательность осадочных текстур, приведенная в таблице 1, редко получает полное развитие в каком то одном турбидите. Приведенная выше интерпретация основывается на результатах изучения многих турбидитовых толщ. Изменения такого рода исследовались Таблица 1 — Осадочные текстуры, характерные для турбидитов

в ряде работ. Обычно наблюдается такая закономерность: у подошвы турбидитовой толщи развиты верхние элементы последовательности; вверх по разрезу постепенно появляются и нижние пачки турбидита, пока в самой верхней части серии не появится вся последовательность А—Е. Считается, что накопление нижних пачек турбидитов с незавершенной последовательностью (так называемых «дистальных») происходит на значительном расстоянии от источника. Верхние, полные пачки, именуемые «проксимальными», откладывались, как полагают, вблизи источника. Мощные толщи турбидитов могут, таким образом, зафиксировать постепенную миграцию источника осадков в сторону области осадконакопления.

Для многих древних турбидитов характерна плохая отсортированность и присутствие глинистого матрикса; петрографически многие из них, как уже упоминалось, являются граувакками. Однако современные морские глубоководные пески, относимые многими исследователями к турбидитам, часто хорошо отсортированы и не содержат глинистого материала. Было высказано предположение, что древние турбидиты могли часто представлять собой чистые, но минералогически незрелые пески, и матрикс в них образовался в процессе диагенетического разрушения химически нестабильных минералов. По размерности частиц турбидиты изменяются от силтов до галечниковых песчаников. Более грубозернистым разновидностям, часто называемым «флуксотурбидитами», приписывают отложение в процессе, представляющем нечто среднее между мутьевым течением и гравитационным оползанием. Петрографически многие древние турбидиты являются граувакками, тогда как современные морские глубоководные пески в основном представлены протокварцитами. Древние протокварцитовые турбидиты также известны. Карбонатные турбидиты встречаются как в древних, так и современных отложениях (таблица 2). Из этой таблицы следует также, что турбидиты были обнаружены не только в самых различных седиментарных обстановках, но и то, что их распространение не ограничивается осадочными породами: известны они и в расслоенных

Таблица 2 — Обстановки осадконакопления в которых зафиксированы турбидиты

габбро. Можно заключить, что для турбидитов характер на вся совокупность широко варьирующих текстур. Что же касается их структурных особенностй, то обычно турбидиты описывают как плохо сортированные образования, однако это далеко не всегда так. Петрографически их чаще всего связывают с граувакками, однако они часто встречаются в песчаниках другого типа и известняках. Они были зафиксированы в широком спектре обстановок осадконакопления.

3. Современные глубоководные морские пески турбид морской отложение осадконакопление Изучение современных континентальных окраин показывает, что присущие им физико-географические условия аналогичны условиям пустынь и аллювиальных конусов. Края континентального шельфа рассечены подводными каньонами. Истоки их расположены либо рядом с устьями крупных рек, либо вблизи береговых пляжей. Каньоны тянутся через континентальный шельф и разгружают переносимый ими осадочный материал на подводных конусах — аналогах субаэральных аллювиальных конусов. У вершины (апекса) конуса подводный каньон расщепляется, образуя комплекс радиально расходящихся небольших русел, часто фланкируемых валами. В нижней части конуса эти русла становятся все более многочисленными, более широкими и менее глубокими. Вниз по конусу меняются также фации осадков. В проксимальной части конуса, т. е. вблизи источника, отлагаются грубозернистые пески, иногда гравий. По мере удаления от источника, т. е. вниз по конусу, происходит измельчение материала, и пески подводного конуса постепенно переходят в донные илы океанического бассейна.

Отложения подводных конусов обнаруживают целый ряд характерных для турбидитов признаков, о которых упоминалось выше.

Подводные каньоны иногда бывают заполнены турбидитами, например, у их дистальных окончаний, но они содержат также отложения других седиментационных процессов. Когда каньоны берут начало от крутого подводного тектонического уступа, у их проксимальных концов могут находиться гетерогенные оползневые валунники.

С другой стороны, когда осадки в таком каньоне представлены чистым песком, принесенным прибрежными вдольбереговыми течениями или поступившим из речного устья, то преобладающим является другой процесс. Он известен как «песчаный поток» и представляет нечто среднее между гравитационными потоками и мутьевыми. Для отложений таких песчаных потоков не характерна ни градационная слоистость турбидитов, ни косая слоистость отложений волокущих течений. Они бывают представлены массивными песками с резкими верхним и нижним контактами. По всему слою могут быть рассеяны обломки; внутри он массивен или обнаруживает слабую конвалютную слоистость. Отложения этого типа в основном находят залегающими на крутых склонах песчаных дельт и на континентальных окраинах. Часто, но не обязательно, они приурочены к каньонам. Склоны, с которыми они бывают связаны, могут быть аккреционными или тектоническими. Подводные морские каньоны и конусы могут располагаться у подножия современных дельт, таких, например, как дельта р. Роны, или у подножий тектонических уступов континентальной окраины.

4. Экономическое значение турбидитных отложений В случаях, когда глубоководные морские пески очевидно были вовлечены в процессы геосинклинального орогенеза, они не являются потенциальными ловушками углеводородов. Начинающийся метаморфизм уничтожает пористость и приводит к распаду углеводородов, тогда как структурные деформации ведут к утечке поровых флюидов. При отсутствии орогенеза глубоководные морские песчаники часто оказываются высокопродуктивными на нефть и газ, в частности, когда они приурочены к основаниям дельт или ограниченным разломами прогибам с замкнутой морской циркуляцией. В этих случаях илы пелагических бассейнов могут явиться поставщиками нефти и газа. Углеводороды могут мигрировать вверх через песчаники турбидитовых конусов, с которыми илы фациально переслаиваются. Скопление нефти и газа может происходить как в структурных, так и в стратиграфических ловушках, там, где пески подводных каньонов оказываются запечатанными сверху непроницаемыми склоновыми илами. Турбидитовые конусы обычно имеют более низкую пористость и проницаемость, чем пески, отложенные в каньонах песчаными потоками, но для них характерна большая латеральная выдержанность. Продуктивными являются глубоководные морские пески палеоценового возраста месторождений Фортиез и Монтроз. Месторождение Фригг связано с раннеэоценовым подводным конусом. Другой пример высокопродуктивного месторождения нефти в турбидитах относится к западной Калифорнии. Здесь свыше 10 000 м турбидитов накопилось в третичных бассейнах, огранченных разломами. Последующие тектонические движения созда ли лишь пологую складчатость. Как уже упоминалось, фораминиферы, обнаруженные в сланцах, свидетельствуют о том, что первоначальные глубины бассейна составляли около 1200 м. По-видимому, эти сланцы и являлись материнскими породами. Несмотря на слабую сортированность и относительно низкие пористость и проницаемость, турбидитовые песчаники оказались хорошими нефтяными ловушками за счет того, что отдельные слои имели необычно большую для турбидитов мощность — иногда более 3 м. Кроме того, широкое распространение имеют многоярусные песчаниковые толщи; сланцы между турбидитами отсутствуют, по-видимому, в связи с эрозией или частой повторяемостью мутьевых потоков. В третичных турбидитовых фациях Калифорнии можно выделить три основных геометрических типа, которые могут быть соотнесены с глубоководными образованиями, ныне формирующимися вблизи калифорнийского побережья. К первому типу относятся шнурковые турбидитовые тела, иногда располагающиеся вдоль синседиментарных синклиналей.

ВЫВОДЫ Турбидиты, отложения мутьевых потоков на дне морей и океанов, представленные кластическими осадками разной размерности и степени окатанности. Периодические поступление осадков мутьевых потоков на морское дно нарушает обычный ход седиментации и создает в донных осадках серию ритмов; границы ритмов обычно отчетливые, мощность — различная. В нижней части каждого ритма наиболее грубозернистые осадки постепенно переходят кверху в более тонкозернистые, образуя так называемую градационную слоистость; завершается ритм более тонким слоем пелитового осадка (глинистого или карбонатного). Разная крутизна склонов, длительность транспортировки и степень нагрузки (или разжижения) мутьевого потока вызывают различия в строении турбидитов. В этом глубоководном осадке встречаются остатки мелководных и прибрежных организмов, перенесённые мутьевым потоком.

Наиболее важным свойством турбидитов является их градационная слоистость, образующаяся при постепенном осаждении из суспензии сначала крупных частиц, а затем все более и более мелких, вплоть до глинистых, размером в 0,01 мм.

При отсутствии орогенеза глубоководные морские песчаники часто оказываются высокопродуктивными на нефть и газ, в частности, когда они приурочены к основаниям дельт или ограниченным разломами прогибам с замкнутой морской циркуляцией. В этих случаях илы пелагических бассейнов могут явиться поставщиками нефти и газа. Углеводороды могут мигрировать вверх через песчаники турбидитовых конусов, с которыми илы фациально переслаиваются. Скопление нефти и газа может происходить как в структурных, так и в стратиграфических ловушках, там, где пески подводных каньонов оказываются запечатанными сверху непроницаемыми склоновыми илами. Турбидитовые конусы обычно имеют более низкую пористость и проницаемость, чем пески, отложенные в каньонах песчаными потоками, но для них характерна большая латеральная выдержанность.

1. Селли Р. Ч. Древние обстановки осадконакопления. М.: Недра. 1989. 287 с.

2. Рединг Х. Обстановки осадконакопления и фации (второй том). М.: Мир. 1990. 379 с.