специализация / стад.анализ / Razdel V

Научное и прикладное значение стадиального анализа

Раздел V. НАУЧНОЕ И ПРИКЛАДНОЕ ЗНАЧЕНИЕ СТАДИАЛЬНОГО АНАЛИЗА ЛИТОГЕНЕЗА

23. Стадиальный анализ и реконструкция геологических обстановок

Стадиальный анализ литогенеза — область литологии, посвященная изучению истории осадочного материала с момента отложения его на дне бассейна осадконакопления и вплоть до попадания в зону метаморфических преобразований или в зону разрушения (выветривания), — имеет большое научное и прикладное значение, прежде всего потому, что помогает реконструировать древние геологические обстановки.

Реконструкция геологических характеристик осадочных толщ (химический состав осадков, пород, растворов и газов, физико-ме­ханические свойства осадков и пород, температура, давление) при стадиальном анализе основана на “снятии информации” с аутигенных минералов, новообразованных структур и текстур, которые образуют временну '  ю последовательность и являются определенными вехами в истории осадочной породы. “Историчность”, заложенная в самом существе стадиально-литогенетического анализа, делает его незаменимым методом воссоздания древних геологических обстановок, осуществляемого в рамках различных геологических дисциплин и направлений.

Стадиальный анализ дает возможность правильного выполнения фациального анализа. При изучении минералогического состава пород, с помощью которого создается 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 постседиментационный, отложения могут быть отнесены к эвапоритовой фации. Если не обратить внимания на то, что угловатость песчаных зерен связана с их регенерацией, можно сделать заключение об их слабой окатанности. Обнаружение в породе выделений пирита еще не свидетельствует об образовании осадка в восстановительной обстановке застойного водоема. 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.

В основе стадиального анализа лежит разделение минералов на седиментационные и постседиментационные, что необходимо для правильной диагностики фаций осадконакопления и 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 сульфатных минералов. Постседиментационные сульфаты 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.

Стадиальный анализ позволяет оценивать генетический тип и химический состав подземных вод древних водоносных горизонтов и комплексов, т. е. может служить инструментом палеогидрогеологии и палеогидрогеохимии. Обнаружение катагенетических ангидрита или гипса в разрезе отложений фаций нормальной солености 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) может дать 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.

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, причем иногда по морфологии кальцитового цемента и изотопному составу карбонатных новообразований возможно даже проведение палеограниц между зонами катагенеза и гипергенеза. Иногда (как, например, в пермской толще 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.

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.

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

Стадиальный анализ литогенеза, выполненный для отдельных толщ или в целом для осадочного чехла конкретных регионов, является важной составной частью региональной геологии. Региональные схемы (модели) литогенетической зональности служат инструментом для воссоздания региональной картины эволюции осадочного материала, гидросферы и геоэнергетики, что имеет существенное научное и прикладное значение.

24. Стадиальный анализ — инструмент поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Осадочные формации содержат 70—80 % запасов всех полезных ископаемых, в них сосредоточены почти все ресурсы подземных вод. Поэтому естественно, что стадиально-литогенетический анализ как один из методов восстановления истории осадочной толщи не только важен для теоретических построений, направленных на создание общей модели развития Земли, но и находит широкое применение при решении вопросов, связанных с поисками и разведкой месторождений минерального сырья.

Без применения стадиального анализа немыслимо проведение поисково-разведочных работ на нефть и газ. Размещение зон нефтегазообразования и нефтегазонакопления в регионе контролируется распространением отложений, в разной степени подвергшихся температурному воздействию. Поэтому изучение зональности процессов катагенеза, управляемых преимущественно изменениями термобарической обстановки, основанное на исследовании отражательной способности витринита РОВ, структурно-текстурных и минералогических характеристик пород, позволяет картировать зоны потенциального нефтегазообразования и нефтегазонакопления. Главная фаза нефтеобразования реализуется в отложениях, подвергшихся катагенезу градаций МК₁—МК₂ (в терминах шкалы Н.Б. Вассоевича), что соответствует длиннопламенной и газовой стадиям изменения витринита. Степень измененности пород, характеризующая главную фазу газообразования, выше: катагенез МК₄—АК₁, стадии антралитификации РОВ от коксовой до тощей.

Велико значение стадиального анализа и для оценки коллекторских свойств пород нефтегазоносных бассейнов. Одни литогенетические процессы (выщелачивание, трещинообразование, доломитизация) увеличивают коллекторскую и фильтрационную емкость пород, другие (цементация, уплотнение) — уменьшают ее. В создании пустотного пространства отложений особенно существенна роль пресных атмогенных вод. При поступлении этих вод в карбонатную толщу, насыщенную солеными 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 пресными водами, идет активное карстообразование. Поэтому для прогнозирования размещения пород-коллекторов важно выявление зон перерывов в осадконакоплении. Стадиальный анализ — один из главных приемов решения этой задачи. Влияние процессов катагенеза с участием эвапоритовых рассолов на коллекторские свойства отложений неоднозначно. С одной стороны, рассолы могут вызвать доломитизацию подэвапоритовых и меж­эвапоритовых карбонатных пород, что способствует улучшению коллекторских свойств. С другой — в рассольной среде часто происходит кольматация пустотного пространства пород ангидритом и галитом.

Знание природы постседиментационных минералов и их взаимоотношения с выделениями углеводородов дает возможность выяснить время и условия формирования и преобразования нефтяных залежей. Приведем 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 нефтеносные отложения из пермских эвапоритовых бассейнов, то время миграции углеводородов в бассейнах следует считать пермским или послепермским.

Интересны взаимоотношения катагенетического галита и нефти в подсолевых и межсолевых комплексах Припятского прогиба. 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 глобулями затвердевшей нефти и углеводородсодержащими газово-жидкими включениями.

Последние десятилетия ознаменовались коренным пересмотром представлений о ведущей роли магматогенных гидротермальных растворов в образовании рудных полезных ископаемых осадочной оболочки Земли. Накапливается все 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 залежей.

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 соленых 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 Cu, Ni, V, Co, Pb, Fe, Mn, Mg, P, Ge и др. В ходе катагенеза погружения глинистых комплексов протекают также термогидролиз рассеянного карбонатного вещества, содержащего ряд примесных элементов (Fe, Mn, Sr), и преобразование органического вещества, сопровождаемое разрушением металлоорганических соединений. Формированию рудогенерирующих растворов способствуют также стимулирующиеся повышением температуры и давления процессы растворения обломочного материала, в том числе тяжелых 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.

В формировании стратиформных рудных залежей не исключается и роль катагенетических процессов с участием рассолов галогенеза. Значение эвапоритовых рассолов для стратиформного рудогенеза определяется их обогащенностью рядом химических элементов (Pb, Zn, Ag, Cu, Sr, Fe и др.), которая обусловлена испарительным концентрированием вещества и процессами катагенетического взаимодействия с вмещающими породами.

Велико значение стадиального анализа литогенеза для решения вопросов поисков и разведки подземных вод. Оно определяется прежде всего тем, что в процессах взаимодействия между подземными водами и вмещающими их осадочными породами происходит формирование химического состава подземных вод. Приведем пример, который касается жителей Беларуси, средней полосы европейской части России, Прибалтики, Украины — регионов с дефицитом фтора в пресной воде. Известно, что недостаток этого элемента в питьевой воде вызывает кариес. Мало сказать, что само появление фтора в подземных водах является результатом взаимодействия вод с породами. Оказывается, что в силу физико-хими­ческих причин оптимальные концентрации этого микроэлемента присущи пресным водам гидрокарбонатного натриевого состава. Подземные воды с таким составом формируются в результате гидролиза натриевых полевых шпатов. Поэтому обнаружение в водоносной толще признаков этого литогенетического процесса может сыграть важную роль в прогнозировании участков с оптимальным химическим составом подземных вод. Такие воды обнаружены в верхнепротерозойском водоносном горизонте на северных и северо-восточных окраинах Минска.

Если от пресных подземных вод перейти к наиболее минерализованным рассолам, которые, будучи обогащенными 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 объяснять и прогнозировать состав рассолов. Так, установлено, что концентрирование йода в рассолах связано с термической деструкцией рассеянного органического вещества, а переход стронция в рассольную фазу обусловлен процессами перекристаллизации и доломитизации карбонатных пород. Поэтому наибольшие концентрации йода следует ожидать в тех зонах бассейна, где залегают породы, обогащенные органическим веществом, а наиболее стронциеносными будут рассолы карбонатных разрезов. Карбонатные отложения являются также вместилищем рассолов с наиболее высокими концентрациями цезия, но причина этого, раскрываемая стадиальным анализом, иная, нежели для стронция. 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.

Рассмотрим пример использования результатов стадиального анализа литогенеза при поисках и разведке минеральных подземных вод. В верхнепротерозойских и нижнепалеозойских отложениях Северной и Средней Беларуси распространен вторичный гипс, слагающий цементы пород, выполняющий каверны и трещины. Этот минерал является индикатором поступления сюда в геологическом прошлом высокоминерализованных рассолов, связанных со среднедевонским галогенезом. Поэтому данные отложения на всей территории развития сульфатных образований среднего девона перспективны на минеральные воды. Диапазон состава и солесодержания минеральных вод, которые здесь обнаруживаются, обусловлен особенностями опресняющего воздействия на эту часть разреза инфильтрационных атмогенных вод в послесреднедевонское время.

250