Тема 7. Теоретическое и прикладное значение стадиального анализа литогенеза

Стадиальный анализ — научное направление, исследующее историю осадочного материала с момента его появления в бассейне осадконакопления и вплоть до попадания в зону глубоких метаморфических преобразований или в зону разрушения (вывет­ривания), — имеет большое теоретическое и прикладное значение. В общих чертах оно определяется тем, что стадиальный анализ помогает реконструировать древние геологические обстановки, что и составляет существо геологии как в части теоретических построений, направленных в конечном итоге на создание общей модели развития Земли, так и в части решения задач поисков и разведки полезных ископаемых и рационального использования подземного пространства.

Выполнение реконструкций распределения самых различных геологических характеристик (химический состав осадков, пород, растворов и газов, физико–механиче­ские свойства осадка и породы, температура, давление) при стадиальном анализе основано на “снятии информации” с аутигенных минералов, новообразованных структур и текстур, которые образуют временную последовательность и являются определёнными вехами в истории осадочной породы.

Приведем примеры использования результатов стадиального анализа литогенеза для решения разнообразных научных и практических вопросов геологии.

1.  Научно–теоретическое  значение  стадиального  анализа  литогенеза. Научное значение стадиального анализа определяется, главным образом, тем, что выводы, которые получаются при его выполнении, используются разными геологическими дисциплинами в решении стоящих перед ними задач.

А)  Прежде всего, надо отметить, что стадиальный анализ даёт возможность правильного выполнения фациального анализа. При изучении минералогического состава пород, с помощью которого создаётся представление о фациальной обстановке накопления осадков, важно правильно определить набор постседиментационных минералов, которые образовались на стадиях литогенеза и принятие которых за седиментационные может привести к значительным ошибкам. Например, если не учесть, что гипс в песчанике с гипсовым цементом постседиментационный, отложения могут быть отнесены к эвапоритовой фации. Если не обратить внимания на то, что угловатость песчаных зёрен связана с их регенерацией, можно сделать заключение об их слабой окатанности и накоплении осадка в прибрежной обстановке, в то время как это происходило на значительном удалении от берега. Обнаружение в породе выделений пирита ещё не свидетельствует об образовании осадка в восстановительной обстановке застойного водоёма. Такой вывод может быть сделан только в том случае, если доказано, что этот минерал образовался не в зоне катагенеза и не в восстановительной подзоне зоны диагенеза.

Б)  Разделение минералов на седиментационные и постседиментационные, являющееся сердцевиной стадиального анализа и необходимое для правильной диагностики фаций осадконакопления, чрезвычайно важно при решении задач исторической геологии (геохимии). Так, если стоит задача изучить эволюцию изотопного состава серы вод Мирового океана, необходимо иметь абсолютную уверенность, что анализируются образцы седиментационных сульфатов. Постседиментационные сульфатные минералы могут иметь изотопный состав серы, существенно отличный от состава седиментационных минералов даже в том случае, если эти два типа сульфатов генетически связаны с одним и тем же эвапоритовым бассейном.

В)  Стадиальный анализ позволяет оценивать генетический тип и химический состав подземных вод древних водоносных горизонтов и комплексов, т.е. может служить инструментом палеогидрогеологии и палеогидрогеохимии. Так, обнаружение катагенетических ангидрита или гипса в разрезе отложений фаций нормальной солёности может указывать на былое присутствие здесь рассолов, насыщенных по сульфату кальция, а более детальное исследование этих минералов (например содержания в них стронция и изотопов серы) даст возможность оценить, какие это были рассолы: седиментогенные или десцендентные. Обнаружение вторичных минеральных продуктов, образованных с участием атмогенных подземных вод позволит реконструировать условия распространения и развития пресноводных палеогоризонтов и палеокомплексов.

Г)  В результате выполнения стадиального анализа могут быть достигнуты цели, присущие палеогеографии и стратиграфии. Находки “эвапоритовых” вторичных минералов, а в ряде случаев и катагенетическая доломитизированность пород в безэвапоритовых разрезах позволяют предполагать, что в древние геологические периоды, эпохи или века в регионе протекал процесс галогенеза, пластовые продукты которого в последующем разрушились или пока не обнаружены. Выявление постседиментационных минералов — индикаторов атмогенных подземных вод — позволяет найти перерывы в осадконакоплении, причём иногда по морфологии кальцитового цемента и изотопному составу карбонатных новообразований возможно даже проведение палеограниц между зонами катагенеза и гипергенеза. Иногда (как, например, в цехштейне Нидерландов) в результате широкого проявления вторичного замещения карбонатных пород ангидритом современные границы между сульфатными и карбонатными пластами бывают смещены на несколько десятков метров относительно их положения при осадконакоплении. Без применения стадиально–литогенетического анализа в таких случаях невозможно выполнение корректных литолого–стратиграфических корреляций.

Д)  Одним из важнейших элементов стадиального анализа является оценка древних пластовых температур, которая осуществляется в процессе исследования отражательной способности витринита, газово–жидких включений, структурно–текстурных и минералогических особенностей пород. Таким образом решаются задачи палеогеотермии.

Е)  Обнаружение “бородатых” зёрен кварца и шиповидных структур помогает выявить зоны стрессовых напряжений и, тем самым, составить суждение о развитии складчатых и разрывных дислокаций, т.е. решать задачи палеотектонического анализа.

Ж)  Стадиальный анализ литогенеза, выполненный для отдельных толщ или в целом для осадочного чехла конкретных регионов, является важной составной частью региональной геологии. Построенные в результате региональные схемы (модели) литогенетической зональности служат инструментом для воссоздания региональной картины эволюции осадочного материала, гидросферы и геоэнергетики, что имеет существенное научное и прикладное значение. В качестве примера на рис. 84 показана такая модель для девонской толщи Беларуси.

2.  Прикладное  значение  стадиального  анализа  литогенеза. Осадочные формации содержат 70–80 % запасов всех полезных ископаемых, в этих формациях сосредоточены почти все ресурсы подземных вод. Естественно, что стадиально–литогене­тический анализ как один из инструментов изучения природы осадочной толщи находит своё применение при решении вопросов, связанных с поисками и разведкой полезных ископаемых.

А)  Нефть. Практика поисково–разведочных работ на нефть требует знания особенностей размещения зон нефтеообразования и нефтенакопления, условий и времени формирования и кольматации коллекторов, заполнения ловушек и преобразования нефтяных скоплений.

Изучение зональности процессов катагенеза, управляемых преимущественно изменениями термобарической обстановки, основанное на исследовании структурно–тек­стурных и минералогических характеристик пород, а главное, отражательной способности витринита РОВ, позволяет закартировать зоны потенциального нефтеобразования и нефтегазонакопления. Это даёт возможность целенаправленного проведения поисковых нефтеразведочных работ в регионе. На рис. 6.2 (желт. книга) показана схема такой зональности для Припятского нефтеносного бассейна.

Велико значение стадиального анализа и для оценки коллекторских свойств пород нефтеносных бассейнов. Одни литогенетические процессы (выщелачивание, трещиноообразование, доломитизация) увеличивают коллекторскую и фильтрационную ёмкость пород, другие (цементация, уплотнение) — уменьшают её.

В создании пустотного пространства отложений особенно существенна роль пресных атмогенных вод. При поступлении этих вод в карбонатную толщу, насыщенную солёными талассогенными растворами, сначала в результате их смешения имеет место доломитизация пород, способствующая увеличению пористости. Затем, когда талассогенные воды полностью удалены из толщи в результате промывки метеогенными водами, идёт активное карстообразование. Поэтому для прогнозирования размещения пород-коллекторов так важно выявление зон перерывов в осадконакоплении. Стадиальный анализ — одним из главных приёмов решения этой задачи.

Влияние процессов катагенеза с участием эвапоритовых рассолов на коллекторские свойства отложений неоднозначно. Они могут приводить к кольматации пустотного пространства пород подэвапоритовых и межэвапоритовых толщ ангидритом и галитом, как, скажем, в Припятском, Ангаро–Ленском и Мичиганском бассейнах. При этом надо иметь в виду, что связанные с рассолами минералы–кольматанты могут удаляться при более позднем воздействии ненасыщенных по ним вод и восстановительных процессах, в результате чего вновь возникает пористость. Воздействие рассолов на под– и межэвапоритовые карбонатные породы может вызывать их доломитизацию и способствовать улучшению коллекторских свойств.

Знание состава и природы постседиментационных минералов в ряде случаев позволяет выяснить время их образования. Это время может быть определено точно или приблизительно, оно может выражаться отрезком геохронологической шкалы или быть оценено относительно каких–то геологических событий в регионе — но в любом случае установление пространственного взаимоотношения вторичных минералов–носите­лей такой информации с выделениями углеводородов весьма важно для выяснения времени и условий формирования и преобразования нефтяных залежей. Приведём несколько примеров.

В терригенных отложениях кембрия Балтийской синеклизы и девона-карбона Урало–Поволжья нефтью заполнено пустотное пространство, оставшееся свободным после кристаллизации катагенетического ангидрита. Если учесть, что образование этого ангидрита могло начаться не раньше перми, когда рассолы, способные обеспечить сульфатообразование, поступили в нефтепродуктивные отложения из эвапоритовых бассейнов (они в этих регионах имеют пермский возраст), то время миграции углеводородов в бассейнах следует считать пермским или послепермским. Знания такого рода важны при проведении нефтеразведочных работ.

Интересны взаимоотношения катагенетического галита и нефти в подсолевых и межсолевых комплексах, установленные в Припятском прогибе. Галит первой генерации формировался в карбонатных породах до начала миграции нефти. Внутри нефтяных залежей такой галит приурочен к кавернам в нефтенасыщенных породах, но углеводородных включений не содержит. Выпадение галита второй генерации имело место после формирования нефтяных скоплений и было связано с процессами окисления углеводородов на водо–нефтяных контактах разрушающихся залежей. Этот галит кольматирует зоны современных и древних водо–нефтяных контактов и участки разрушенных залежей. Здесь встречаются кристаллы галита с глобулами затвердевшей нефти и углеводородсодержащими газово–жидкими включениями (табл. XYI).

Б)  Рудные полезные ископаемые. Последние десятилетия ознаменовались коренным пересмотром представлений о ведущей роли магматогенных гидротермальных растворов в образовании рудных залежей осадочной оболочки Земли. Накапливается всё больше и больше свидетельств, что при выяснении природы рудных месторождений в осадочных комплексах нельзя игнорировать рудогенерирующее значение подземных вод, не связанных с магматизмом, нельзя обходить стороной тот факт, что осадочные отложения являются не просто пассивным вместилищем руд, но и источником рудного вещества. А это значит, что стадиальный анализ литогенеза, направленный на выяснение хода постседиментационных преобразований осадочных отложений, на расшифровку взаимодействий между породами и подземными растворами, должен рассматриваться как важный инструмент прогнозирования, поисков и разведки рудных полезных ископаемых. Приведём несколько примеров возможного формирования рудных залежей на постседиментационных этапах эволюции осадочного материала, свидетельствующих о важной роли стадиального анализа литогенеза.

Процессы катагенеза, присущие инфильтрационным системам и протекающие в зонах геохимических барьеров при встрече атмогенных и талассогенных подземных вод на крыльях артезианских бассейнов, могут приводить к образованию месторождений U, V, Cu, Mo, Re. При этом мобилизация металлов в нисходящих атмогенных растворах обеспечивается выщелачиванием из пород в областях сноса и транзита, а обогащение восходящих талассогенных вод рудными компонентами происходит при катагенетической переработке осадочного выполнения бассейна. Изучение обеих групп процессов формирования рудогенерирующих растворов и результатов их взаимодействия является предметом стадиального анализа.

В элизионных водоносных системах, где катагенетические процессы идут в солёных талассогенной и петрогенно–талассогенной гидрогеохимических средах, формирование рудогенерирующих растворов в решающей степени обусловлено преобразованием пород глинистых толщ, где происходит зарождение импульса движения подземных вод. Минералогическая перестройка глинистого вещества при погружении осадочных отложений сопровождается эмиграцией из него микроэлементов: Cu, Ni, V, Co, Pb, Fe, Mn, Mg, P, Ge и др. В ходе катагенеза погружения глинистых комплексов протекают также процессы термогидролиза рассеянного карбонатного вещества, содержащего ряд примесных элементов (Fe, Mn,Sr), и преобразования органического вещества, сопровождаемого разрушением металлоорганических соединений. Формированию рудогенерирующих растворов способствуют также стимулирующиеся повышением температуры и давления процессы растворения обломочного материала, в том числе тяжёлых минералов, перекристаллизация кальцита и доломита, приводящая к их очистке от элементов–примесей. В результате перечисленных катагенетических процессов в элизионных системах образуются растворы, содержащие высокие и повышенные концентрации ряда химических элементов. При перемещении этих растворов в зоны геохимических барьеров возможно образование стратиформных месторождений сульфидов свинца, цинка, меди, железа и других металлов, сидерита, магнезита, родохрозита. С описанным кругом процессов связывают природу сидеритовых месторождений Байкала (М.Т. Крупенин) и медистых песчаников удоканского типа (Ю.В. Богданов, В.П. Феок­тистов).

В формировании стратиформных рудных залежей не исключается и роль катагенетических процессов с участием рассолов галогенеза. Рассольный характер рудообразующих растворов установлен, например, исследованием состава газово–жидких включений в сфалерите девонского карбонатного комплекса свинцово–цинкового металлогенического района на юге Бельгии: рассолы, давшие сульфидную минерализацию, здесь содержали 10–14 % NaCl и 6–10 % CaCl₂. По мнению канадских специалистов, свинцово–цинковое месторождение Пайн–Пойнт образовалось в результате разгрузки в среднедевонский рифовый комплекс металлоносных рассолов смежного бассейна Маккензи. Значение эвапоритовых рассолов для стратиформного рудогенеза определяется их обогащённостью рядом химических элементов (Pb, Zn, Ag, Cu, Sr, Fe и др.), связанной с испарительным концентрированием вещества и с процессами катагенетического взаимодействия с вмещающими породами.

В)  Подземные воды. Значение стадиального анализа литогенеза для решения прикладных вопросов гидрогеологии определяется прежде всего тем, что в процессах взаимодействия между подземными водами и вмещающими их осадочными породами происходит формирование химического состава подземных вод. Например, формирование гидрокарбонатного иона, основного аниона осадочного разреза пресных подземных вод, над происхождением которого не принято задумываться, связано в значительной степени с процессом гидролиза полевых шпатов, сопровождающимся их каолинитизацией. Полевые шпаты, не содержащие водородных ионов, преобразуются в гидроксилсодержащий каолинит. При этом молекула воды, реагирующей с полевым шпатом, разлагается на ионы водорода, используемые в решетке каолинита, и ионы гидроксила, которые, соединяясь с водорастворённым углекислым газом, образуют гидрокарбонатный ион.

Если от пресных подземных вод перейти к наиболее минерализованным рассолам, которые, будучи обогащёнными целым рядом химических элементов (Br, J, B, Sr, Li, Rb, Cs, Mn и др.), представляют собой жидкую руду, то и здесь мы найдем точки приложения стадиального анализа, который помогает объяснить состав рассолов. Так, установлено, что концентрирование иода в рассолах связано с термической деструкцией РОВ, а переход стронция в рассольную фазу обусловлен процессами перекристаллизации и доломитизации карбонатных пород. Поэтому наибольшие концентрации иода следует ожидать в тех зонах бассейна, где залегают породы, обогащенные РОВ, а наиболее стронциеносными будут рассолы карбонатных разрезов. Карбонатные отложения будут также вместилищем рассолов с наиболее высокими концентрациями цезия, но причина этого, раскрываемая стадиальным анализом, иная. Цезий — близкий геохимический “родственник” калия; он поглощается глинистым веществом в процессе гидрослюдизации монтмориллонита. Поэтому рассолы в терригенных отложениях обеднены цезием по сравнению с рассолами карбонатных разрезов.

Приведём пример использования результатов стадиального анализа литогенеза при поисках и разведке минеральных подземных вод. В верхнепротерозойских и нижнепалеозойских отложениях Северной и Средней Беларуси распространён вторичный гипс, слагающий цементы пород, выполняющий каверны и трещины. Этот минерал является индикатором существования здесь в геологическом прошлом высокоминерализованных рассолов, связанных со среднедевонским галогенезом. Поэтому данные отложения на всей территории развития сульфатных образований среднего девона перспективны на хлоридные и, возможно, сульфатные минеральные воды. Диапазон состава и минерализации минеральных вод, которые могут быть здесь обнаружены, определяется особенностями воздействия на эту часть разреза инфильтрационных атмогенных вод в послесреднедевонское время.

Таким образом, стадиальный анализ литогенеза является важным инструментом решения многих задач геологической науки и практики.