7.3 Использование измерений %Ro и других методов для оценки максимальных температур пород в истории погружения бассейна

Первоначально измерения отражательной способности витринита использовались для оценки максимальных температур T_max в истории погружения свит. Для подобных целей в геологических исследованиях применялись и применяются целый ряд методов, таких как (Yalcin et al., 1997): 1) оценки T_max по уровню зрелости ОВ (степени углефикации, отражательной способности витринита; 2) оценки, основанные на минералогических изменениях при диагенезе глинистых минералов и кристаллизации иллита; 3) методы, основанные на анализе жидкостных включений, например, температуры гомонизации жидкости; 4) геотермометры, основанные на специфических химических реакциях, например, характеризующих равновесие устойчивых изотопов (Hoefs, 1987) или равновесные состояния системы SiO₂-Na-K-Ca (Ellis and Mahon, 1977); 5) Физзион-трэк анализ (анализ распределения следов от деления радиоактивных элементов в аппатите; Green et al., 1989; 1995); 6) на основе комбинации определений радиометрического возраста таких радиометрических систем, как K-Ar, Rb-Sr и U, которые замыкаются при различных температурах (Buntebarch and Stegena, 1986). Так как оценки палеотемператур до сих пор широко распространены в геологической литературе, мы коротко охарактеризуем каждый из этих методов. Начнём изложение с оценок максимальных температур пород по значениям отражательной способности витринита.

Отметим сразу, что развитие методов оценки максимальных температур в истории погружения осадочных свит (T_max ) связано с тем, что в 70-ые и 80-ые годы прошлого века многие исследователи рассматривали температуру как основной и по сути единственный фактор эволюции зрелости ОВ осадков. Влиянием времени на процесс созревания ОВ при этом пренебрегалось. Считалось, что измеренные (или вычисленные) значения отражательной способности витринита %Rо должны отражать максимальные температуры пород в истории их погружения. Следуя таким взглядам, предлагались различные корреляционные соотношения между значениями T_max и отражательной способностью витринита породы в воздухе %R^а и в масле %Ro . Например, в работах Аммосова и др. (1980) и Курчикова (1992) предлагается оценивать значения T_max по измеренным величинам %R^а из соотношения

10R^а (%) = 67.2[1. + 0.066(T_max / 100.)² ] (7-1)

- для образцов углистых прослоек в породах, из соотношения

10R^а (%) = 67.2[1. + 0.082(T_max / 100.)² ] (7-2)

- для песчаников и алевролитов и по уравнению

10R^а (%) = 67.2[1. + 0.107(T_max / 100.)² ] (7-3)

- для глин и аргиллитов. В приведённых выражениях T_max выражена в °С. Прайс (Price, 1983) также полагал, что время в один и даже более млн. лет не оказывает заметного влияния на процесс созревания ОВ и на основании этого предложил соотношение, подобное (7-1) – (7-3), связывающее T_max с отражательной способностью витринита в масле (%Ro):

T_max (°С) = 302.97log₁₀ Ro(%) + 187.33 (7-4)

Несколько подобных соотношений было рассмотрено К. Баркером (Barker and Pawlevicz, 1986; Barker, 1988, 1993). Первое из них (Barker and Pawlevicz, 1986):

ln Ro(%) = 0.0078T_max (°С) - 1.2 (5)

опиралось на 600 измерений T_max в 35 скважинах различных бассейнов мира. По мнению авторов, оно справедливо в интервале температур 25  T_max  325°C и отражательных способностей витринита 0.2%  Ro  4.0%. К. Баркер (Barker, 1988) предложил соотношение, описывающее ситуации с постоянной скоростью нагревания пород при погружении в бассейне:

T_max (°С) = 104ln Ro(%) + 148. (7-6),

и основанное на кинетической модели созревания витринита (Burnham and Sweeney, 1989). М. Джонсон и др. (Johnsson et al., 1993), анализируя эту формулу, замечают, что она неплохо описывает ситуацию со скоростями нагревания V = 0.1 – 1 °C/млн. лет, но для скоростей V = 10 – 100 °C/млн. лет недооценивает значения T_max в области Ro < 0.5% и переоценивает их при Ro > 2%. В своей более поздней работе Баркер (Barker, 1993) предложил ещё один вариант корреляционной связи T_max с %Ro, не содержащий ограничения на скорости нагревания пород,:

T_max (°С) = [ ln( Ro(%) / 0.356) ] / 0.00753 (7-7)

Таким образом, в литературе предлагается достаточно много корреляционных соотношений T_max - %Ro. На рис. 2-7 они сопоставлены друг с другом по результатам оценок T_max для значений 0.4%  Ro  4.0%.

Рис. 2-7. Соотношения, связывающие максимальную температуру T_max в истории погружения породы с измеренными значениями отражательной способности витринита в масле %Ro, по различным литературным источникам: 1 (для углей), 2 (для песчаников и алевролитов), 3 (для глин и аргиллитов) – (Аммосов и др., 1980; Курчиков, 1992); 4 - (Price, 1983); 5 - (Barker and Pawlevicz, 1986); 6 - (Barker and Pawlevicz, 1986); 7 - (Barker, 1993); 8 - по температуре гомогенизации жидких включений (Tobin and Claxton, 2000).

Из этого рисунка очевиден значительный разброс в значениях T_max , отвечающих фиксированным значениям Ro, который достигает 60 - 100°С для зрелости Ro  0.7%. Этот разброс однозначно свидетельствует о том, что значение температуры (пусть даже и максимальное) одно не может определять зрелость ОВ в породах, и что время выдержки температуры играет заметную роль в созревании ОВ. Не исключено, что в отдельных интервалах Ro и в особых условиях осадконакопления (типа тех, что обеспечивают неизменную скорость прогревания пород) некоторые из приведённых соотношений неплохо описывают ситуацию, но как показывают исследования (см. ниже), одни и те же значения %Ro могут быть достигнуты, например, при более низких температурах но с большим временем выдержки породы (см. ниже). По этой причине всегда находится бассейн и формация с соответствующим интервалом зрелости и температур, для которых оценки по соотношениям (7-1) – (7-7) будут приводить к заметным ошибкам. Это обстоятельство имело следствием то, что популярность выписанных соотношений заметно снизилась за последние 10-15 лет.

Другим распространённым методом оценки палеотемператур пород в бассейнах является определение T_max по анализу состава жидкостей, захваченных в процессе диагенеза матрицей пород. Применение метода возможно при выполнении следующих условий (Burruss 1989): 1) включение является однофазной жидкостью, 2) объём этой жидкоcти не меняется после её захвата породой, 3) состав её также оставался неизменным, 4) влияние давления на состав жидкости заранее известно, 5) время и механизм улавливания жидкости также известны. Перечисленные условия говорят о том, что необходима известная осторожность в применении метода (Burruss 1989). Во-первых, необходимы детальные петрографические исследования, чтобы установить относительное время формирования жидкого включения. Во-вторых, необходим тщательный анализ тектонического развития района и истории погружения бассейна для детализации истории вмещающих пород. Необходим также анализ фазового поведения и химического состава захваченной жидкости. Но и после этого остаются две важных проблемы - одна, связанная с предположением о неизменности химического состава жидкости после её захвата матрицей породы (имеются убедительные свидетельства, что это не всегда так), и другая, связанная с определением величины и типа давления, существовавшего в период вмещения жидкости - было ли оно литостатическим или гидростатическим (Burruss 1989). В случае, если все указанные проблемы решены, температура породы на момент захвата жидкости определяется по соответствующей Р-Т диаграмме равновесия жидкой и твёрдой фаз исследуемого вещества. В развитие этого метода Тобин и Клакстон (Tobin and Claxton, 2000) предложили использовать корреляционную связь температуры гомогенизации жидких включений T_hom и отражательной способности витринита Ro% (Рис. 2-7):

Ro% = 1.9532  log T_hom – 2.9428 (7-8)

Они установили, что при использовании «идеального» ряда измерений соотношение (7-8) выполняется с коэффициентом корреляции 0.973 и дисперсией данных менее 0.12% Ro. Если же используется весь ряд мировых данных то соотношение вида:

Ro = 2.1113  log T_hom – 3.2640 (7-9)

будет выполняться c коэффициентом корреляции 0.81 и максимальной дисперсией данных менее 0.32% Ro (Tobin and Claxton, 2000). Температуру гомогенизации T_hom часто используют как оценку максимальной температуры пород T_max в процессе её погружения в бассейне. Однако, рис. 2-7 показывает, что кривая, построенная по формуле (7-9), заметно отличается от оценок T_max по формулам (7-1) – (7-7), пересекая остальные линии на рис. 2-7. Она явно занижает температуры для Ro < 1.5% и даёт нереально высокие значения при Ro > 2% (Th = 540, 930 и 1600°C для Ro=2.5, 3 и 3.5%, соответственно).

Рис.3-7 Изменение изотопного отношения ¹³C с глубиной для газового месторождения бассейна Анадарко (США; Price, 1995).

В ряде работ (Rooney et al., 1995; Price, 1995 и др.) для оценки температуры генерации углеводородов предлагается использовать изменение изотопного состава углерода в ходе катагенеза ОВ (рис. 3-7). Результаты экспериментов по генерации газов ОВ типа II (материнские породы бассейнов Делавар и Вал-Верде в западном Техасе) при постоянной скорости нагревания пород 1°С/мин (левый рис. 4-7; Rooney et al., 1995) демонстрируют заметное изменение изотопного состава газов

Рис. 4-7. Температура генерации газа и изотопное отношение ¹³C для метана (¹³C₁), этана (¹³C₂) и пропана (¹³C₃), генерированных керогеном типа II материнских пород бассейнов Делавар и Вал-Верде в западном Техасе при скорости нагревания пород 1°С/мин (левый рис., по Rooney et al., 1995) и Изотопное отношение ¹³C для метана, генерированного при различных температурах в ходе гидроидного пиролиза образцов пород с ОВ различного типа (правый рис., по Price, 1995).

с температурой и тем самым подтверждают принципиальную возможность использования этой зависимости для оценки температуры генерации газов ОВ данного типа. О том же говорят и результаты гидроидного пиролиза образцов пород с ОВ различного типа, приведённые на левом рис. 4-7. Они также наглядно демонстрируют изменение изотопного отношения ¹³C для метана, генерированного при разных температурах (Price, 1995). Однако, эти эксперименты указывают и на крайне высокую чувствительность изменений ¹³C к вариациям в составе и типе ОВ, в силу чего применение метода возможно лишь после детального анализа состава ОВ и получения соответствующих зависимостей именно для анализируемого типа вещества. Широкий разброс в значениях ¹³C с глубиной, показанный на рис. 3-7 для типичного разреза осадочного бассейна, в основном и вызван вариациями в составе и типе ОВ в породах макро и микро слоёв разреза. Такой разброс сильно ограничивает достоверность оценок температур по изотопным отношениям в газах реальных осадочных разрезов.

Процесс преобразования смектита в иллит в глинистых минералах также иногда используется для контроля палеотемпературных условий в бассейнах. Однако, рис. 5-7 показывает, что интервалы температур, характерные для процесса, довольно широки. Такой разброс по температурам не удивителен, так как лабораторные исследования показывают, что процесс преобразования смектита в иллит управляется кинетической реакцией 6-ого порядка (Pytte and Reynolds, 1989) и, следовательно, время влияет на скорости этих переходов наряду с температурой. Подробнее эти реакции будут рассмотрены в заключительном разделе этой главы, здесь же отметим, что разумные оценки температуры перехода смектита в иллит возможны лишь для изотермического варианта преобразования минералов, но и тогда погрешность метода будет заметной.

Рис.5-7 Преобразование глинистых минералов по данным анализа образцов из 10 скважин Северного моря (Dypvik, 1983). Процессы исчезновения смектита и слоёв иллита разных уровней в смешаннослойных смектит-иллитовых глинистых минералах привязаны к значениям температур и отражательной способности витринита.