ВТОРИЧНОЕ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЕ В ВЕНД-НИЖНЕКЕМБРИЙСКИХ ОТЛОЖЕНИЯХ НЕПСКО-БОТУОБИНСКОЙ АНТЕКЛИЗЫ

В.И. Вожов, Л.С. Чернова (СНИИГТиМС)

Для реконструкции минерализации и состава древних вод использовались палеогидрогеохимические критерии, предложенные Е.А. Басковым (1985) и дополненные новыми данными.

На кристаллических породах фундамента, сложенного гранитами, гранитогнейсами, гранодиоритами и кристаллическими сланцами различного возраста, часто выветрелых, разрушенных и трещиноватых, содержащих пресные гидрокарбонатные кальциево-натриевые, гидрокарбонатные натриевые и слабосоленые хлоридно-гидрокарбонатные и хлоридные натриевые воды, в понижениях рельефа вблизи источников сноса отлагались плохо отсортированные аллювиально-пролювиальные осадки (рисунок). При их накоплении захороняющиеся воды могли быть не только пресными, но и слабосолеными с минерализацией до 3 г/л. Песчаный материал был полевошпат-кварцевого состава с незначительной примесью глинистого вещества, состоящего в основном из хлорита и гидрослюды. Причем гидрослюда нередко смешанослойная с незначительной разбухающей фазой (монтмориллонит), хлорит также смешанослойной разновидности (хлорит-вермикулит).

На этой территории при последующих незначительных восходящих движениях в обмелевший водоем (до 10-3 м) временными палеопотоками сносился с суши преимущественно слабоокатанный гравелит-песчаный материал полевошпат-кварцевого состава с глинистой хлорит-гидрослюдистой примесью. Прогрев неглубокого водоема осадконакопления в семигумидном и семиаридном климате приводил к испарению воды, обусловливая ее концентрирование до слабосоленой. При взаимодействии вод с эндогенными алюмосиликатными минералами, присутствующими в породах кор выветривания, освобождающаяся при гидролизе ОН^- взаимодействовала с диоксидом углерода, образуя гидрокарбонаты и вторично измененные минералы, содержащие в своей решетке несколько молекул воды, при этом катионы пород переводились в воду. В результате потери молекул воды увеличилась концентрация солей [2].

Аридизация климата в постнепский континентальный перерыв в осадконакоплении способствовала усилению испарения воды с поверхности бассейна и соответственно формированию водоемов с более высокой концентрацией солей. В преображенское время из сильносоленых вод мелководного шельфа осаждались известковисто-арагонит-доломитовые осадки, обогащенные органическими остатками, и быстро доломитизировались. В конце седиментационного микроцикла при концентрации хлоридных натриевых рассолов в лагунах от 100 г/л и более на конечной стадии осаждения сульфатов накапливались гипсы (см. рисунок, А).

Семиаридный климат периодически сменялся на аридный, в мелководно-морском бассейне изменялись состав и концентрация солей (от 70 до 300 г/л), что вызывало осаждение доломитов и гипсов. В таких условиях сформировалась толща хемогенных, а в верхней части – органогенных доломитов с пластами гипсов и глин. В условиях, близких к рассмотренным, в усть-кутское время при периодическом осушении бассейна и концентрации хлоридных натриевых рассолов от 70 до 200 г/л отлагались хемогенные доломиты и известняки с повышенным содержанием кальция (см. рисунок, А).

В раннеусольское время при усилении аридизации климата и изоляции бассейна от открытого моря при резком повышении концентрации солей выпадал галит. По данным изучения газово-жидких включений (ГЖВ) в седиментационных солях состав рапы водоема был хлоридный кальциево-натриевый с концентрацией 300-350 г/л. В осинское время в связи с расширением акватории моря и понижением солености вод отлагались известковые и в меньшей степени доломитовые осадки, с которыми захоронялись хлоридные натриевые рассолы с минерализацией 70-100 г/л (см. рисунок, А).

В бассейне с нормальной (36 г/л), повышенной (70-150 г/л) и высокой (>200 г/л) соленостью осадки взаимодействовали с рассолами с момента их совместного захоронения. После осаждения известковых, доломитовых, гипсовых и галитовых осадков нарушение равновесия в системе рассол – порода активизировало процессы их нового взаимодействия. Например, при восстановлении сульфатов, протекающем обычно с тепловым эффектом и образованием сероводорода и диоксида углерода, в рассоле накапливался кальций,что приводило к нарушению карбонатного равновесия. Повышение парциального давления СО₂ обеспечивалось окислением ОВ, уменьшение гидрокарбонатов – связыванием карбонатного иона осаждавшимися доломитами [2].

Изменение карбонатных осадков и вод имеет свои особенности. При гравитационном уплотнении вышезалегающих глинисто-доломитовых ербогаченских осадков смешивание более минерализованных нисходящих вод с менее минерализованными водами горизонта повышало концентрацию солей в последнем (см. рисунок, А). Преобразование рассолов в карбонатных осадках ербогаченского горизонта с примесью глинистого и кластического материала протекало по реакции доломитизации арагонита. По данным анализа методом РТЛ процесс, реализованный при температуре 50 °С, привел к образованию преимущественно доломитов, локально магнезитов и изменению рассолов хлоридного натриевого состава на хлоридный натриево-кальциевый. В более позднюю диагенетическую стадию под давлением значительных масс в отложившихся осадках протекал процесс перекристаллизации как ербогаченских доломитов, так и локальной магнезитовой составляющей, следствием которого явилось изменение не только кристаллической структуры минералов, но и высвобождение воды.

Преобразование доломитов и хлоридных кальциево-натриевых рассолов Преображенского горизонта осуществлялось, более вероятно, по реакции С.Л. Шварцева [2]. Микроскопически довольно однозначно распознаются диагенетические гипс и ангидрит. Дополнительное количество рассола вместе с изоморфными примесями, в том числе и глинистыми компонентами, высвобождалось в процессе перекристаллизации доломитов.

В постпреображенское время интенсивное испарение рассолов привело к садке гипса, вызвав повышение концентрации хлоридов магния. По экспериментальным данным массовое осаждение гипса происходило при концентрации солей 150-320 г/л. Захороненные рассолы с минерализацией 70-320 г/л преобразовывались при взаимодействии с гипсами, доломитами и глинистым веществом, претерпевшими уплотнение и перекристаллизацию. Из уплотняющихся осадков высвобождались элизионные и кристаллизационные воды, которые при нисходящей и восходящей фильтрации проникали в Преображенский и усть-кутский горизонты, вызывая при смешивании с рассолами осаждение гипса и галита. Перекристаллизация доломитов и гипсов (ангидритов) сопровождалась высвобождением рассолов и изоморфных примесей. Последние, растворяясь в рассоле, обогащали его стронцием, литием, рубидием, тяжелыми металлами. Глинистые минералы под действием магнийсодержащих рассолов выщелачивали ОН^- и кристаллическую воду, разлагая монтмориллонит и другие минералы. Количества магния, накапливающегося в рассоле при садке гипса, достаточно для образования смешанослойных разностей, обогащенных магнием, которые адсорбируют ионы калия либо переходят в гидрослюды, богатые калием [4]. Рассолы, захоронившиеся с доломитовыми и гипсовыми осадками, имели дефицит магния и сульфатов, который восполнялся при растворении.

Преобразование усть-кутских органогенных арагонитов, известняков (нижний пласт), в том числе водорослевых, при взаимодействии с рассолами на ранней стадии диагенеза приводило к доломитизации карбонатных осадков и накоплению хлоридов кальция. Последние процессы протекали вначале по реакции Мариньяка – Курнакова. Доломитизация же карбонатных осадков верхнего усть-кутского пласта могла быть реализована по реакции Шварцева [2]. Подтверждением рассмотренных двух путей (по реакциям Мариньяка – Курнакова и Шварцева) преобразования нижних и верхних усть-кутских карбонатов и рассолов служит выявленный в кавернах и порах вторичный ангидрит в верхней части при его отсутствии в нижней. Вторичный галит, заполняющий каверны, трещины и поровое пространство в доломитах, является показателем того, что уже в диагенезе концентрация рассолов, насыщенных по галиту, была более 320 г/л, а в их составе преобладали хлориды кальция. Просачивающиеся при уплотнении и перекристаллизации подосинских солей нисходящие концентрированные рассолы, насыщенные галитом, активизировали процесс вторичного галитообразования (см. рисунок, А).

В постусть-кутское время осадконакопление локально прерывалось, и в верхние отложения могли поступать атмосферные и поверхностные воды, разбавляя при этом незначительно усть-кутские уже частично преобразованные рассолы. При уплотнении и последующей перекристаллизации усольских солей отделялась межкристальная рапа хлоридного кальциево-магниевого состава и благодаря высокой плотности затекала в более проницаемые локальные усть-кутские отложения, повышая концентрацию солей содержащихся в них рассолов. Из толщи солей мощностью 100 м с площади 1 км² при погружении на 10 м отжалось 2,75 млн м³ рассолов, поступивших в нижние и верхние проницаемые доломиты и известняки усть-кутского верхнего и осинского горизонтов и вызвавших доломитизацию последних.

Преобразование известняков осинского горизонта с хорошо развитыми органогенными постройками и насыщавшими их рассолами протекало по пути обменного замещения. Нисходящие и восходящие рассолы, с одной стороны, интенсифицировали процессы доломитизации, осаждение галита, ангидрита, а с другой – при снижении минерализации и содержания магния способствовали растворению и дедоломитизации. Состав рассолов ГЖВ в галите из осинского горизонта с кальций-магниевым отношением, равным 0,7, был использован при моделировании доломитизации известняков и осаждения солей. Проведенное физико-химическое моделирование по программе "Samur", разработанной В.Н. Озябкиным (1976), показало, что процесс доломитизации известняков сопровождается увеличением кальций-магниевого отношения до 3,5, повышением минерализации на 12 г/л, преобразованием хлоридного натриево-магниевого рассола в хлоридный натриево-кальциевый. При этом объем пор в породе увеличился на 8,4 см³ и осадилось небольшое количество ангидрита – 30 мг/л (табл. 1).

Разнообразие процессов вторичного минералообразования меж- и подсолевых карбонатных отложений, в том числе и доломитообразования, на современном уровне развития литологии освещено в работах В.Н. Холодова (1988) и А.А. Махнача (1989).

Процессы перекристаллизации солей, доломитов и известняков продолжались в условиях усиливающегося сжатия в силуре – девоне и внедрения усольского силла в пермотриасе. Вызванная этими факторами и процессами нисходящая фильтрация рассолов, их смешивание с пластовыми рассолами и осаждение галита, сульфатов и карбонатов изменили пустотное пространство доломитовых и песчаниковых коллекторов (см. рисунок, б). Вероятно, при перекристаллизации над- и подосинских солей с высвобождающимися межкристальными рассолами, смешавшимися с осинскими и усть-кутскими пластовыми рассолами, следует связывать засоление порового и каверново-трещинного пространства этих горизонтов.

Органогенные, органогенно-обломочные, обломочные доломиты и известняки, преобразовавшись на стадии катагенеза, приобрели массивную и пятнистую текстуру. Установлено чередование слоев в разрезах с обильными порами и кавернами, заполненными галитом, и без пор. Иногда породы содержат каверны и поры, заполненные до 40 % галитом [1]. Их диаметры варьируют от 1 мм до первых сантиметров, нередки каверны неправильной формы диаметром до 12 см. Галиты из трещин и каверн осинского и усть-кутского горизонтов и перекрывающих их пластов солей, изученные методами РТЛ, принадлежат двум разнотемпературным генерациям. В одних случаях галит из трещин и каверн усть-кутского горизонта идентичен пластовому низкотемпературному, в других – высокотемпературному галиту, что подтверждает многоэтапность засоления доломитов. Исследование ГЖВ в галитах из каверн усть-кутского горизонта и перекрывающего его пласта каменной соли показало их вторичный характер и температуру гомогенизации 135-140 °С в галите из крупных каверн, что подтвердило сделанные предположения по методу РТЛ.

Дальнейшее более детальное изучение ГЖВ в кристаллах галита из нижней части усольской свиты позволило установить различную степень метаморфизации рассолов, зависящую от температуры гомогенизации ГЖВ. Было выявлено, что по составу изученных катионов в ГЖВ хлоридные рассолы разделяются на три группы: кальциево-магниевую, магниево-кальциевую и кальциевую. Хлоридные кальциево-магниевые рассолы со значением кальций-магниевого отношения меньше единицы установлены только в седиментационных включениях. Рассолы магниево-кальциевого состава с отношением кальция к магнию более единицы обнаружены в диагенетических и катагенетических включениях (табл. 2). Жидкие седиментационные включения в галите являются первичными законсервированными микроостатками рапы солеродного бассейна. Диагенетические включения представляют собой продукт преобразования первичных включений под влиянием палеотемпературы. Она повышалась по сравнению с таковой периода седиментации в результате погружения соленосной толщи, конвективного теплового потока из пород фундамента и теплового воздействия интрузий.

Влияние различных тепловых источников отразилось на гораздо большей изменчивости кальций-магниевого отношения в диагенетических и катагенетических включениях. Тепловая метаморфизация протекала, вероятно, подобно солнечному концентрированию, но при температуре, в 4 раза превышающей температуру испарительной концентрации. Удаление магния при тепловой метаморфизации идет по пути обменной реакции и кристаллизации гигроскопических включений в виде примесей хлоридов магния или калия, протекающих при испарении воды под влиянием близкого интрузивного тепла (Вожов В.И., Гришина С.Н., Гонча-ренко О.П.,1990).

Весьма значительная изменчивость кальций-магниевого отношения в осинских, усть-кутских, Преображенских и чонских рассолах свидетельствует о существовании не только процесса доломитизации известняков, но и, вероятно, осаждения солей, подтверждением чего могут служить результаты физико-химического моделирования по программе "Samur". На основе состава рассолов осинского горизонта различных районов Непско-Ботуобинской антеклизы при современной пластовой температуре моделировался процесс доломитизации. Оказалось, что все осинские рассолы использовали весь обменный магний, за исключением рассола, полученного в Бочактинской скважине, под воздействием которого при температуре 32 °С осуществлялась доломитизация известняков с осаждением в коллекторах более 35 г/л галита. Объем открытых пор при этом уменьшился на 2 см³, а кальций-магниевое отношение в измененном (конечном) рассоле повысилось от 3 до 4. Большая часть рассолов, участвовавших в моделировании, может растворить галит и ангидрит. В ряде случаев растворение галита сопровождается осаждением ангидрита. Однако эти процессы не приводят к заметным изменениям кальций-магниевого коэффициента, скорее всего, они свидетельствуют о возможности постоянного протекания процессов растворения – осаждения при весьма неустойчивом динамическом равновесии в системе рассол – порода.

Анализ распределения вторичного галита и ангидритообразования в разрезе галогенно-карбонатных и терригенных отложений венда – нижнего кембрия показывает неравномерный масштаб такого процесса. В целом масштаб солеотложения в меж- и подсолевых горизонтах, перекрытых пластовой каменной солью, выше по сравнению с масштабом галито- и ангидрито-образования в карбонатных и терригенных коллекторах, удаленных от пластов каменной соли (см. рисунок, б). Однако на этих проницаемых уровнях обнаруживаются особенности вторичного солеообразования. Так, в усть-кутском и чонском горизонтах на площадях Непского свода установлена обратная регрессионная взаимосвязь концентраций сульфатов кальция в рассолах с количеством ангидрита в поровом пространстве пород, рассматриваемая как неравновесность системы рассол – порода по ангидриту. Прямая взаимосвязь между галитами рассолов и песчаниками верхнечонского горизонта Верхнечонского месторождения свидетельствует о преобладании динамического равновесия в этой системе по галиту. Установленное по венд-кембрийскому разрезу снижение с глубиной вторичного солеотложения, наиболее отчетливо проявившееся в проницаемых пластах ярактинского горизонта, служит доказательством протекания этого процесса при нисходящей фильтрации рассолов, что хорошо согласуется с выявленной гидродинамической инверсией в меж- и подсолевых карбонатных и терригенных горизонтах венда и нижнего кембрия на многих площадях, в разрезе которых установлены толщи солей нижнего кембрия (Вожов В.И., 1987). Повышенное соленасыщение песчаников, установленное вблизи разломов и разрывных нарушений на Ярактинском и Даниловском месторождениях, свидетельствует о нисходящей фильтрации рассолов, реализованной по зонам тектонических нарушений.

Рассмотренные механизмы засоления оценивались моделированием физико-химических процессов с помощью ПЭВМ. Так, при смешивании осинских и ярактинских высокометаморфизованных и высококонцентрированных рассолов в соотношении 0,6/0,4 выпадает около 3 г/л галита, 0,11 г/л ангидрита, а емкость песчаников снижается (табл. 3). Экспериментальное смешивание хлоридных кальциевых рассолов с минерализацией 407 г/л с растворами хлоридов натрия показало, что при плотности последних выше 1,165 г/см³ осаждается главным образом мелкокристаллический галит, а при плотности 1,2 г/см³ выпадает максимальное количество галита – более 50 г/л (Анциферов А.С., 1989). Снижение температуры в метаморфизованных после доломитизации рассолах ГЖВ (см. табл. 1) на 21 °С, соответствующей температуре максимального охлаждения при оледенении в четвертичное время, также приводит к выпадению галита (табл. 4). Оба процесса – смешивание рассолов одного и разного составов и снижение температуры – приводят только к засолению порового пространства пород без изменения при этом состава исходных рассолов.

Анализ результатов постседиментационных гидрогеохимических процессов, протекавших в породах продуктивных горизонтов на стадии катагенеза, показал существенные отличия степени преобразованности каждого горизонта на стадии диагенеза. Изменились емкостные свойства терригенных коллекторов, сцементированных путем поликомпонентной минерализации (галитовой, ангидритовой и кальцит-доломитовой) (см. рисунок, б). Интенсивность вторичной цементации невысокая, иногда достигает 10-15 %. Мало преобразованы постседиментационными процессами на стадии катагенеза ербогаченский, преображенский и верхний усть-кутский карбонатные горизонты. Литолого-фациальные особенности, а именно послойная повышенная хемогенность и глинистость, а в преображенском горизонте (особенно в верхней части) сульфатность, затрудняли интенсивное преобразование карбонатов на стадии катагенеза. Развитие же в нижнем усть-кутском и осинском горизонтах водорослевых и обломочных генетических типов карбонатов стимулировало интенсивность постседиментационных гидрогеохимических процессов. При этом положительными факторами, улучшившими коллекторские свойства пород, были катагенетическая перекристаллизация, доломитизация, отрицательными – засоление, ангидритизация, локальное окремнение. Кроме того, в некоторых разрезах осинского горизонта широко проявился процесс доломитизации, возможно, связанный с кратковременными перерывами в осадконакоплении, при этом в доломитах и известняках образовывались пустоты выщелачивания карстового типа. Возможна также проработка известняков горячими рассолами.

On the basis of complex lithologic-hydrogeochemical investigations the sedimentation conditions were reconstructed and a history of transformation in the course of sedimentary interaction along with being buried water at the diagenesis and catagenesis stages is discussed. The models of secondary mineral formation of the Vendian and Lower Cambrian terrigene and carbonate oil and gas horizons based from features of rocks and brines composition and tectonic-magmatic activation of the region are proposed.

1. Литология и условия формирования резервуаров нефти и газа Сибирской платформы / Ред. Т.И. Гурова, Л.С. Чернова. – М.: Недра, 1988.
2. Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия / Отв. ред. С.Л. Шварцев. –Новосибирск: Наука, 1982.
3. Причины засоления нефтегазоносных коллекторов на юге Сибирской платформы /М.Б. Букаты,В.И. Вожов, Т.А. Горохова и др. // Геология и геофизика. – 1981. – № 9. – С. 17-27.
4. Сонненфелд П. Рассолы и эвапориты. – М.: Мир, 1988.
5. Хеллем Э. Интерпретация фаций и стратиграфическая последовательность. – М.: Мир, 1983.

ФАЦИИ И МОДЕЛИ ВТОРИЧНОГО МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ НА СТАДИИ ДИАГЕНЕЗА (А) И КАТАГЕНЕЗА (Б)

Фации субконтинентальные: 1 – пролювиальные с высокой скоростью переноса обломочного материала, 2 – пролювиальные со средней скоростью переноса обломочного материала, 3 – песчаные прибрежного мелководья, 4 – глинистого пролювия и мелководных водоемов; фации прибрежной равнины и мелководно-морские: 5 – приливно-отливной равнины с кратковременным, периодическим осушением и повышенной соленостью вод, б – мелководно-морские с повышенной соленостью вод с привносом глинистого и мелкоалевритового материала, 7 – мелководного шельфа с преобладанием осадков малоподвижных придонных вод, 8 – мелководно-морские с чередованием отложений повышенной и высокой солености и периодическим опреснением, 9 – мелководного шельфа со свободным и ограниченным водообменом, с нормальной и повышенной соленостью вод; 10 – солеродная лагуна с отложением каменной соли, локально – доломита; 11 – следы органогенной структуры; 12 – обломочные породы: а – органогенные, б – хемогенные; 13 – строматолитовые структуры; 14 – микрофитолиты; 15 – водорослевые остатки: а – > 50 %, 6 – < 50 %; песчаники: 16 – гравелитовые, 17 – разнозернистые, 18 – крупно-среднезернистые, 19 – мелко-среднезернистые, 20 – мелкозернистые; 21 – глины; 22 – аргиллиты; 23 – известняки; 24 – доломиты; 25 – доломиты замещения; 26 – мергели; 27 – сульфаты: а – гипс, б – ангидрит; 28 – каменная соль; процесс: 29 – доломитизации, 30 – перекристаллизации: а – кальцита, б – доломита, в – галита, г – магнезита, 31 – засоления; 32 – сульфатизации: а – гипс, б – ангидрит, 33 – окремнения, 34 – раздоломичивания, 35 – выщелачивания; направление фильтрации рассолов: 36 – при уплотнении осадков, 37 – под воздействием тектонических, сейсмических и неотектонических напряжений; горизонты проницаемые: Б₁ – осинский, Б_3-4 – усть-кутский 1, Б₅ – усть-кутский 2, Б₁₂ – Преображенский, Б_м – ербогаченский, В_ю – верхнечонский, В₁₃ – нижнечонский