7.6 Дополнительные методы оценки зрелости органического вещества в бассейнах
Измерения и расчеты отражательной способности витринита не являются единственными методами оценки степени созревания ОВ осадочных пород. Для керогенов – основной части ОВ (до 90%), растворимой в органических растворителях - существуют
Рис. 9-7. Типичная диаграммы Ван-Кревелена.
Слева - диаграмма, демонстрирующая положение ОВ (керогена) в поле координат у (атомное отношение H/C керогена) и х (атомное отношение О/C керогена) в зависимости от типа керогена и степени его термической зрелости (Baskin, 1997). VR – отражательная способность витринита (Ro%), TAI – (thermal alteration index) индекс термического изменения, основанный на анализе цвета спор, H/C оценивалась как средне взвешенное отношение для каждого мацерала.
Справа – диаграмма для сапропелевого и гумусового органического вещества (Berner et al., 1995).
и другие методы оценки степени их созревания (рис. 1-7). Эти методы включают определение индекса преобразования керогена (KAI) и индекса термического изменения (TAI), пиролиз, элементный анализ (С, H, O), определение атомного отношения H/C (Buntebarth and Stegena, 1986). Из упомянутых методов измерение атомного отношения H/C долгое время использовалось для оценки объёма ОВ в материнских породах, пока оно не было заменено более удобным и простым в применении определением водородного индекса (S2) в приборах типа Rock-Eval. Но скоро было показано, что отношение H/C в керогенах типа I и II является неплохим индикатором не только объёма ОВ, но и степени его термической преобразованности. В самом деле, в керогенах, подвергаемых пиролизу, наблюдается хорошая корреляция отношения H/C и Ro% или TAI (thermal alteration index) (рис. 1-7; рис. 9-7; Baskin, 1997). В работе (Burnham and Sweeney, 1989) для оценки степени созревания ОВ типа III предлагается использовать следующие корреляционные связи отражательной способности Ro% и атомного отношения H/C:
%Ro= 15.64exp [ -3.6(H/C)]
или с учётом отношения O/C:
%Ro = 12.exp [ -3.3(H/C)] – (O/C),
Прм этом атомные отношения H/C и O/C измеряются в ходе экспериментального пиролиза. Бернер и др. предложили уточнённый вариант приведённого соотношения (Berner et al., 1995):
%Ro = - 3.72ln (H/C) – 0.02
заметив, что оно лучше описывает природные углеводородные системы, чем предыдущие два. Определение геохимических параметров в ходе эксперимента по открытому пиролизу образцов материнских пород используется в оценках степени созревания ОВ в дополнение к традиционным методам, но особенно часто, когда последние не применимы. Так, в работе (Warren et al., 1998) для оценки зрелости протерозойских материнских пород формации Velkerri бассейна McArthur на севере Австралии использовался факт почти линейного увеличения продукционного индекса PI=S1/(S1+S2) и температуры Tmax (температура максимума S2(T) в ходе пиролиза) с ростом зрелости образца и одновременное линейное убывание водородного индекса HI=mg S2/g TOC. Применение метода позволило установить, что богатые органикой (Сорг до 6%) глинистые сланцы средней пачки формации характеризуются низкой зрелостью ОВ и до сих пор сохраняют высокий потенциал генерации УВ (Warren et al., 1998).
Можно сказать и о других методах оценки палеотемператур и уровня катагенеза ОВ в осадкаx. Cкажем, вместо вычисления Ro% можно было бы напрямую рассчитать изменения в соотношениях в ряду биомаркеров, используя энергии активации и частотные факторы из кинетических моделей, рассмотренных в работах (MacKenzie and McKenzie 1983), и затем сравнивать вычисленные значения с наблюдаемыми. С этой целью обычно используются соотношения в ряду стереоизомеров стерана (энергия активации Е=91 кдж/мол = 21.7 ккал/моль; частотный фактор реакции А=0.006 1/сек), в ряду стереоизомеров гопана (Е = 91 кдж/моль=21.7 ккал/моль; А = 0.016 1/сек) и в ряду моноароматических стеранов (Е = 200 кдж/моль = 47.8 ккал/моль; А = 1.81014 1/сек; Sajgo, Lefler 1986). Однако, имеются большие сложности с выделением соответствующих изомеров. К тому же многие исследователи справедливо полагают. что низкое значение энергии активации Е=91 кдж/моль=21.7 ккал/моль в модели изомеризации (MacKenzie, McKenzie 1983) неоправданно в природных условиях и что требуется значение энергии около 170 кдж/мол = 40.6 ккал/моль), чтобы связать экспериментальный и геологический масштабы времени (Radke et al., 1997). Последнее значение энергии активации лишь слегка ниже значения 200 кдж/моль (47.8 ккал/моль), принятого в (MacKenzie and McKenzie 1983) при описании процесса ароматизации стероидов. Основные трудности при этом касаются теоретических методов расчёта соотношений в ряду биомаркеров. В практическом плане метод безусловно полезен, особенно в отсутствии альтернативных методов оценки зрелости. О.К. Баженова и О.А. Арефьев применили его к оценке зрелости протерозойских пород Восточно-Европейской платформы и установили, что степень термической преобразованности рифейских керогенов из Московской синеклизы, и Рязанско-Саратовской депрессии не превосходит главной стадии «нефтяного окна», достигая её лишь в пределах авлакогенов (Bazhenova and Arefiev, 1997). Здесь мы видим ещё один пример того, как за счёт большого срока выдержки рифейские породы достигли современного умеренного уровня зрелости, несмотря на относительно низкий температурный режим в истории их погружения бассейна.
В литературе рассматривается также метод оценки степени созревания ОВ, основанный на анализе распределения возраста и длины следов от распада ядер урана в образцах апатита (cм., например, (Hutsberger and Lerche 1987, Lutz and Omar 1991 и др.). Выше мы подробно обсуждали этот метод в применении к оценкам максимальных температур пород. Не повторяя сказанное в разделе 7.4 отметим лишь то, что применение одного этого метода не даёт решающего критерия для выбора термической истории образца. Наиболее достоверные результаты метод дает в применении к образцам пород, находившимся в режиме перманентного охлаждения (например при подъёме образцов к поверхности в режиме непрерывной эрозии; Lutz, Omar 1991), но при условии, что температура пород не превосходила 110°С в случае анализа следов распада в апатите и 250°С - в зёрнах циркона.
Изменение изотопного состава углерода в ходе катагенеза ОВ также рассматривается как процесс, управляемый одной или несколькими кинетическими реакциями и поэтому как удобный параметр для оценки степени зрелости ОВ (Stahl, 1977; James, 1983; Gaveau et al., 1987; Galimov, 1988; Price, 1995). В обычном -представлении рассматривают параметр 13C, характеризующий изменение отношения концентраций двух изотопов углерода – тяжёлого (13C) и лёгкого (12C):
13C = { [ (13C/12C) порода - (13C/12C)стандарт ] / (13C/12C)стандарт }1000. (o/oo)
В незрелых осадках (Ro < 0.5%) метановый газ обычно бактериального происхождения и 13C < -60o/oo. Для метана, генерируемого на глубинах «нефтяного окна» (0.5% < Ro < 1.3%), из осадочных пород морского типа 13C -45o/oo. И для метана, генерируемого перезрелым сапропелевым ОВ (Ro > 1.3%), 13C -30o/oo. В. Шталь (Stahl, 1977) опубликовал количественное соотношение, связывающее 13C для метана с отражательной способностью витринита %Ro для газов северо-западных бассейнов Германии:
13C = 14.8log(Ro) – 410/00 для морской материнской породы типа I (Stahl et al., 1977)
13C = 8.6log(Ro) – 280/00 для угольных газов типа III (Stahl et al., 1977)
Эти соотношения вместе с аналогичной связью для керогена типа II из (Shen Ping et al., 1988):
13C = 8.64log(Ro) – 32/80/00
использовались Е. М. Галимовым и В.Б. Поляковым (Galimov, 1988; Поляков, Галимов, 1992) при изучении происхождения газов Уренгойского месторождения. Однако, они же отмечают, что необходима осторожность в использовании приведённых соотношений для оценки %Ro. Так, Л. Прайс (Price, 1995) отмечает, что лабораторные эксперименты демонстрируют большую чувствительность изменений 13C к вариациям в составе и типе ОВ. Это можно видеть и на рис. 3-7, где показан большой разброс в значениях 13C, характерный для разрезов осадочного бассейна. Поэтому оценки зрелости газов, выполненные по приведённым выше соотношениям без тщательного анализа состава ОВ, могут оказаться ошибочными.
Помимо методов, рассмотренных выше, для контроля степени созревания ОВ пород в осадочных бассейнах используется анализ изменения цвета спор или конодонт, измерение электропроводности органических остатков и другие (Buntebrach, Stegena 1986, Dypvick, 1983). Эти методы полезны как средство дополнительного контроля степени созревания ОВ в породах. Однако, большой разброс и ограниченная степень достоверности получаемых при этом оценок заметно снижают эффективность большинства из них по сравнению с наиболее распространённым методом оценки зрелости ОВ путём измерения и вычисления отражательной способности витринита.