Палеогидрогеологические и палеогеотермические реконструкции восточной части Предкавказья на основе термобарогеохимических исследований

Палеогидрогеологические и палеогеотермические исследования к настоящему времени зарекомендовали себя как надежные методы изучения осадочных бассейнов. Их теоретическое и практическое использование имеет существенное значение при освоении недр и, в частности, при изучении нефтегазоносных бассейнов. Восточное Предкавказье — важный нефтегазодобывающий район. Большая часть запасов углеводородов сосредоточена в мезозойских отложениях, с ними же связываются основные перспективы открытия новых залежей нефти и газа. Тесная взаимосвязь углеводородов и пластовых вод обусловливает необходимость гидрогеологических исследований при решении многих проблем нефтегазоносности бассейна. Их решение требует привлечения максимально возможной гидрогеологической информации и изучения геологических процессов и явлений в их историческом развитии. В этом плане сведения о палеогидрогеохимическом и палеогео-термическом режиме комплексов пород восточной части Терско-Каспийского прогиба (ТКП) помогают целенаправленно вести разведку и разработку месторождений различных типов.

С целью реконструкции палеогидрогеологических и палеогеотермиче-ских условий мезозойских отложений Восточного Предкавказья использованы хорошо себя зарекомендовавшие и апробированные методы, основанные на информации, полученной при изучении газово-жидких включений. Постановка настоящих исследований является актуальной и своевременной, поскольку несет генетическую информацию о происходящих в недрах процессах преобразования пород, вод углеводородов изучаемого района.

Целью диссертационной работы является реконструкция палеогео-термических, палеогидрогеологических и динамокатагенетических условий формирования и преобразования мезозойских комплексов различных тектонических зон восточной части ТКП.

Исходя из поставленной перед автором цели, задачи могут быть сформулированы следующим образом:

1. Эмпирическое подтверждение применимости термобарогеохимиче-ского (ТРХ) метода исследования осадочных пород с целью палеогеотерми-ческих и палеогидрогеологических реконструкций.

2. Выбор и обоснование оптимального и достоверного комплекса исследований для реконструкции палеогидрогеологических условий осадочных отложений в период максимальных термобарических напряжений.

3. Реконструкция палеогеотермических и палеогидрогеологических условий формирования мезозойских отложений восточной части ТКП.

4. Сопоставление палеои современной гидрогеологической обстановки с целью установления закономерностей формирования подземных вод мезозойских отложений восточной части ТКП.

Для решения этих задач был выполнен ряд работ, в который вошли: анализ существующих методик палеогидрогеохимических и палеогеотермических реконструкций, а также методов, используемых для изучения флюидных микровакуолейвизуальные исследования путем оптического изучения шлифов и микрообъектов разнообразных морфологических типов в минералах и породах. Большое внимание было уделено определению ионно-солевого и газового состава палеовод, а также установлению максимальных палеотемператур, испытываемых разновозрастными комплексами пород и гидротермальными минералами. При выполнении работы использовались следующие приборы: вакуумный декриптометр, хроматограф, поляризационный микроскоп, дериватограф, микротермокамера.

Основой диссертационной работы послужили собственные, главным образом экспериментальные материалы автора, полученные за время учебы в магистратуре и аспирантуре на кафедре гидрогеологии, инженерной и нефтегазовой геологии Ростовского государственного университета.

В процессе проведения исследований был собран большой материал по геологическому строению территории, петрографическим особенностям пород, химизму подземных вод и органическому веществу мезозойских отложений изучаемого района. Для достижения поставленных задач различным видам анализов были подвергнуты более 150 образцов мезозойских отложений восточной части ТКП, охватывающие разрез от миоцена до триаса, включая зоны различной тектонической активности. Вакуумнодекрип-тометрические определения и гомогенизация включений производились в Лаборатории термобарогеохимии осадочных отложений РГУ. Экспериментальные исследования по определению химического состава вытяжек из включений и термометрия осадочных пород и минералов производились в аналитической лаборатории геолого-географического факультета РГУ. Построения и выводы, представленные в работе, основываются на 120 вак у-умнодекриптометрических определениях (по части из них — с применением хроматографической приставки, 43 оценках температур методом гомогенизации, 38 дериватографических анализах, 78 водных вытяжек для проведения шестикомпонентного анализа ионно-солевого состава палеовод, 47 описаниях шлифов. Для контроля полученных результатов часть определений была выполнена в термобарогеохимических лабораториях НИИФОХ РГУ и ВИМС РАН.

При проведении исследований были изучены воды флюидных включений в осадочных горных породах, определены палеотемпературы, прослежены изменения их с возрастом комплексов, составлена схематическая карта максимальных палеотемператур для верхнемеловых отложений восточной части ТКП. Построены зависимости изменения компонентного состава вод включений от общей минерализации, а также палеогидрогеохими-ческий разрез мезозойских отложений Предгорного Дагестана. Установлены основные факторы, способствующие формированию подземных водна основе анализа новых данных о составе вод включений и условий их «консервации», выявлена роль температурного фактора при преобразовании подземных вод. С использованием хроматографической приставки к вакуумному декриптометру был определен газовый состав включенийпроизведены петрографические исследования осадочных пород и минералов.

Применение указанных методов позволило восстановить палеогидро-геохимические и палеогеотермические условия формирования подземных вод восточной части ТКП. Для установления гидрогеологической обстановки района нами составлены карты распределения приведенных напоров, минерализации и Na-С/ отношения верхнемеловых отложений. Впервые предпринята попытка сопоставления палеои современной динамической напряженности мезозойских отложений восточной части ТКП на основе изучения коэффициента аномальности, условного показателя динамоката-генеза и показателя динамокатагенетической активности. Полученные результаты имеют большое практическое значение, т. к. отражают условия формирования и размещения залежей нефти и газа.

В первых главах приводятся краткие сведения о геологическом строении, истории развития мезозойских отложений, гидрогеологических особенностях изучаемой территории. Большой вклад в развитие этих представлений внесли И. О. Брод, М. С. Бурштар, В. Н. Волков, В. П. Ильченко, Б. Ф. Крымов, А. И. Летавин, Е. Е. Милановский, Д. А. Мирзоев, A.M. Никаноров,.

A.Н. Резников, М. Н. Смирнова, К. О. Соборнов, Б. А. Соколов, Э.С. Сиани-сян, В. А. Станулис, Ю. А. Стерленко, Г. М. Сухарев, М. Г. Тарасов, В.Е. Ха-ин, В. Н. Холодов, Л. Н. Шалаев, Г. А. Шарафутдинов и другие.

Третья глава посвящена методике исследования флюидосодержащих включений в породах и минералах для реконструкции палеоусловий мезозойских отложений восточной части ТКП. Методические основы применения вакуумно-декриптометрического метода были разработаны.

B.Н.Труфановым, Ю. Г. Майским, А. Т. Ушаком, С. А. Куршевым и успешно продолжены в области изучения осадочных пород А. М. Никаноровым и Э. С. Сианисяном. Методами термобарогеохимии были определены максимальные палеотемпературы и газовый состав разновозрастных осадочных образований. Прозрачные минералы, содержащие достаточно крупные включения, исследовались методом гомогенизации, а для непрозрачных образцов был применен декриптометрический метод. Термобарогеохимиче-ские исследования предваряли петрографические анализы. Ионно-солевой состав включений, отражающий состав палеовод, определялся путем водных вытяжек по общепринятой методике.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального определения температур образования и минерального состава газово-жидких включений. Прослежено изменение их по разрезу и выявлен ряд закономерностей, отвечающих условиям захвата содержимого вакуолей. Установленные зависимости изменения химического состава включений от глубины залегания и общей минерализации комплекса, сравнение этих зависимостей с пластовыми водами убедительно показало, что растворы вакуолей являются реликтами древних пластовых вод. Это позволило использовать результаты исследования флюидных включений для палеогеотермических и палеогид-рогеохимических реконструкций.

В пятой главе отражены общие закономерности динамокатагенетиче-ской преобразованности мезозойских отложений территории Дагестана. Теоретическая основа использования критериев оценки динамокатагенети-ческих факторов базируется на работах Г. И. Амурского и Н. Н. Соловьева, Б. А. Соколова и О. В. Япаскурта, А. Н. Резникова, Э. С. Сианисяна.

В шестой главе дается обзор геологического строения и перспективы использования термобарогеохимических и динамокатагенетических методов исследований при оценке нефтегазоносности недр на территории Марокко.

Работа выполнена под общим руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора Э. С. Сианисяна. Значительная помощь была оказана автору со стороны сотрудников кафедры гидрогеологии, инженерной и нефтегазовой геологии РГУ. Одобрения в выборе направления исследований и полезные рекомендации были высказаны при консультации с докторами геолого-минералогических наук, профессорами Ф. П. Мельниковым, О. В. Япаскуртом, А. Н. Резниковым, Б. А. Соколовым. Всем перечисленным лицам автор выражает глубокую и искреннюю благодарность.

Результаты исследования пород методами декриптации и хроматографии образцов скважин Предгорного Дагестана.

Возраст породы Порода пт, «С Содержали газов, % Объем газов, им3 В 100 мг со2 УВ Н20 N2.

К2 Известняк 110−130 25,1 след 65 13 68,3.

К1-К2 Алевролит 100−110 18,3 сл-3,2 36,5 42 65.

К1 Аргиллит 130−140 14,1 1,3−3 70 12 49,5 ъ Ангидрит 130−146 13,3 2,4−3 75 5,1 46,5 ь Ангидрит 130−155 26,1 2,6−5 55,7 15 43.

Р-Т Известняк 160−175 32,5 4,8 53 12 39.

Кг.

Шсог Н2.

200 300 100 500 600.

ПТ, 'С а).

РисЛЗа. Декриптограммы включений и их газовый состав месторождений Миатлы (а) и Шамхал-Булак (б).

Привлекают внимание образцы, газовая фаза включений которых почти на 75−80% состоит из воды. Очевидно, что мы имеем дело преимущественно с водными включениями. Максимальное содержание воды наблюдается в аргиллитах до 85%.

Для включений всех изученных минералов и пород характерно наличие значительного количества углекислого газа до 32% в различных известняках и доломитах. С02 выделяется при температуре от 100 — 150 °C. Максимальный пик его выделения отмечен при температуре 400 °C. Газовыделения низкотемпературной области показывают, что объем С02 известняков мезозойского комплекса варьируется в небольших пределах от 2 — 8%, (Шамхал-Булак, Миатлы, Бовтугай и др.), до 52 — 58% в месторождении Шавдана (где первый эффект газовыделения наблюдается в интервале 60 -250 °С). Такие высокие содержания газа С02 во включениях можно объяснить происходившим процессом гидролиза карбонатов:

СаСОз + Н20 = Ca (ОН)2 + С02.

По данным экспериментальных исследований И. Г. Киссина и С. И. Пахомовой [47], этот процесс происходит при высоких температурах (более 150 °С), что согласуется с реальными пластовыми условиями. Учитывая большую подвижность углекислого газа и высокую его растворимость при больших давлениях, можно говорить об относительной закрытости кристаллизовавшейся системы.

Для включений аргиллитов характерно присутствие большого количества воды 70 — 80%, а роль водорастворенных газов значительно уменьшается. Это говорит о том, что формирование этой толщи происходило в спокойной обстановке при небольших температуре и давлении.

В ангидритах юрских отложений Предгорного Дагестана значительно меньше газово-жидких включений, чем в других исследованных минералах. Это отразилось на декриптограммах пиками меньшей интенсивности. В большинстве случаев процесс декриптации сопровождался небольшими пиками, что указывает на почти отсутствие во включениях летучих компонентов кроме воды (см. табл.6). Объем выделившейся из включений газообразной воды составил 40 — 43 мм³ / в 100 мг.

Анализ газового состава включений свидетельствует о более высоком содержании углеводородов в пермо-триасовых и нижнеюрских отложениях (Шамхал-Булак, Миатлы), чем в верхнемеловых породах Предгорного Дагестана. Интересно отметить, что количество этих компонентов увеличивается с возрастом и палеотемпературами комплексов (Рис. 13а, 136). Определить доминирующий фактор увеличения углеводородов пока не удается, но, вероятно, существует связь в прошлом отложений осадочных пород с образованием углеводородов или их аккумуляцией. Наличие в газовой фазе включений углеводородных газов свидетельствует о достаточно высоком содержании органических веществ во флюидах, что характерно для нефтегазоносных объектов исследований.

Проведенные хроматографические исследования позволяют сделать следующие выводы: хроматографический анализ газового состава микровключений позволяет решать проблемы образования газов в подземной гидросфере, формирования химического состава вод, миграции флюидов и открывает большие возможности в решении различных вопросов нефтегазо-носности недр.

Получение количественной и качественной характеристик содержания газо-во-жидких включений в минералах, и, особенно, в горных породах, существенно дополняет наши знания об этих образованиях. Особую важность эти сведения приобретают в связи с использованием их в гидрогеологической науке и, в, часности, при палеогеохимических и палеогидрогеологических реконструкциях.

4.4. Палеогидрогеохимическая реконструкция для решения вопросов формирования подземных вод.

Проблема формирования химического состава вод глубокопогружен-ных горизонтов осадочных бассейнов — одна из интереснейших и сложнейших в гидрогеохимии. Ее решение имеет не только большое теоретическое, но и практическое значение, может дать ценные сведения о характере и направленности процессов, протекающих в водных растворах во времени и пространстве, способствует выяснению многих вопросов, связанных с формированием месторождений полезных ископаемых, а также разработкой эффективных гидрогеохимических критериев их поисков.

Практически все явления, протекающие в недрах осадочных бассейнов происходят при участии воды в той или иной степени насыщенной солями, газами, органическими веществами.

Как было показано ранее, наиболее объективная информация о составе палеорастворов осадочных комплексов и условиях их формирования и преобразования может быть получена на основе изучения состава вод флюидных включений.

Состав флюидных включений определялся широко распространенным методом водных вытяжек из включений.

Воды включений, законсервированные на определенном этапе развития системы «водный раствор — порода», являются промежуточным звеном в эволюции седиментогенных подземных вод и отражают состав флюидов прошлых эпох данного комплекса или осадочного бассейна. Особенностью составов вод включений водоносных комплексов является присутствие почти всех основных компонентов, характерных для пластовых вод. Состав вод микровключений, отражающий палеорастворы древних эпох, приведен в таблице7.

Привлекает внимание пониженное по отношению как к материнским водам морского генезиса, так и к современным пластовым содержание компонентов в водах вакуолей. Это объясняется выделением в коллектор дегидратационных вод. Такое предположение подтверждается анализом графиков зависимости / гС1 от минерализации.

Заключение

.

В настоящее время на территории Дагестана и восточной части ТКП проводятся исследования с целью установления нефтегазоносных глубоко-залегающих триасовых и юрско-нижнемеловых отложений платформенной части Дагестана, меловых и верхнеюрских отложений предгорной части.

Несомненно, что единственным путем рационального и экономичного использования средств с целью выделения перспективных участков для постановки глубокого поискового бурения в условиях дефицита геологической и геофизической информации, является использование комплексного подхода, включающего разнообразные, в том числе и нетрадиционные виды исследований.

Анализ результатов исследований, проведенных в пределах изучаемого объекта свидетельствует о том, что наиболее информативными методами изучения палеосреды представляются термобарогеохимические методы, позволяющие на базе разработанных современных приборов проводить широкомасштабные исследования практически любых геологических объектов на всех стадиях поисковых и разведочных работ.

Возможность использования новых методов термобарогеохимии на изучаемой территории позволила получить уникальную геологическую информацию о генезисе, процессах формирования и преобразования вод, пород, органического вещества. Выполненные исследования позволили впервые охарактеризовать палеогеотермическую и палеогидрогеохимическую обстановку мезозойских комплексов пород на основе изучения газово-жидких включенийдать количественную оценку динамокатагенетическим преобразованиям отложений и содержащихся в них флюидовсопоставить палеои современные поля напряженности изучаемого бассейнавыявить некоторые особенности связи палеотемператур, ионно-солевого состава па-леовод и динамокатагенетического фактора с нефтегазоносностью отложений.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Состав газово-жидких включений закономерно изменяется с возрастом вмещающих пород, отражая процессы преобразования подземных вод.

2. Одним из важных факторов, способствующих формированию состава подземных вод является температура.

3. Палеогеотермическая обстановка как горной, так и платформенной части Дагестана отличается более жестким температурным режимом по отношению к современной и отражает историю тектонического развития региона. Тектонодинамическая напряженность мезозоиско-каинозоиских комплексов пород отражается динамокатагенетическими параметрами и характеризует особенности развития бассейна. Наиболее высокими значениями УПДК и ПДА отличаются области пересечения разломов, зоны дислокаций. Сопоставление этих полей с картами современного распределения коэффициентов аномальности позволяет сделать заключение как о достаточно надежной изолированности недр, характеризующей благоприятные условия накопления и сохранения залежей УВ, так и о палеомиграции флюидов.

5. Важнейшим фактором опреснения вод включений по сравнению с морскими седиментационными водами и современными пластовыми являются процессы дегидратации глинистых минералов. Это подтверждается повышенными значениями динамокатагенетических параметров.

6. Реконструированная палеогеотермическая, палеогидрогеологическая и динамокатагенетическая обстановка мезозойских комплексов восточной части ТКП позволяет сделать вывод о благоприятных условиях нефтегазо-образования и нефтегазонакопления. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем для оценки нефтегазоносности восточной части ТКП, а также других аналогичных по строению и условиям развития бассейнов, в частности, на территории Марокко.