Динамика процессов осадочного породообразования (современного и в геологическом прошлом) в различных структурно-геологических условиях и их эволюция

В ходе выполнения работ по госбюджетной теме в 2023 году проводились детальные исследования пород верхнеюрско-нижнемелового комплекса Арктического региона в рамках литолого-фациального, генетического и стадиального изучения толщ. Выявлено, что в пределах Гыданского п-ва выделяются две зоны накопления обломочных осадков, формировавших продуктивные пласты на разных стадиях развития бассейна осадконакопления (Шарданова Т.А., Бакай Е.К.). Описаны фоновые литогенетические преобразования изучаемых отложений, связанные с процессами позднего катагенеза и фиксируются, начиная с глубин 1,5-1,7-1,8км от скважины к скважине. Верхние части изученных пластов не несут признаков фонового позднекатагенетического преобразования и могут быть отнесены к фоновым изменениям раннекатагенетического типа. Доказано, что наложенный флюидный катагенез инициировался тектоническими активизациями, связанными с кайнозойским тектоническим этапом развития региона, максимально способствуя как зарождению элизионных флюидов, так и флюидодинамическим процессам (Карпова Е.В.). Рассмотрены вопросы формирования фильтрационно-емкостных свойств в исследуемых продуктивных пластах. Обобщены и унифицированы результаты изучения сложнопостроенных отложений доюрского комплекса Западной Сибири (Ростовцева Ю.В., Карпова Е.В., Шарданова Т.А., Хомяк А.Н., Косоруков В.Л.). На примере юрских отложений Горного Крыма и Кавказа проведена астрохронологическая (циклостратиграфическая) привязка литолого-геохимической характеристики к циклам эксцентриситета орбиты Земли (Карпова Е.В.). Изучены преобразование известняков Донецкого бассейна и изменение их свойств по стадиям литогенеза и углефикации (Седаева К.М.). Изучались литолого-геологические предпосылки локализации и концентрации гелия в нефтегазоносных комплексах венда и кембрия западной Якутии(Седаева К.М.). Детально изучены известняки и угли каменской свиты верхнего карбона и выявлены признаки, начиная от стадии начального катагенеза (угли длиннопламенные) до стадии позднего катагенеза (угли газовые, жирные, коксовые и отощенно-спекающиеся) и метагенеза (угли тощие и антрациты) (Седаева К.М.). Впервые выявлены и описаны находки следов илоедов в континентальных отложениях нижнего девона на юге Чулымо-Енисейской впадины (Минусинский межгорный прогиб, Хакасия). Охарактеризовано их значение для стратиграфии, литологии и почвоведения. Продолжились исследования по выявлению особенностей современной седиментации, по характеристике процесса позднечетвертичного осадконакопления во внутренних и окраинных морях (В.М. Сорокин, В.Л. Лукша, Н.Т. Ткач, А.Г. Росляков). Получены новые данные литологического строения, стратиграфии, изотопии и геофизического сопровождения осадков шельфа Баренцевоморско-Карского региона, Черного, Белого и Каспийского морей. 1. В результате комплексного изучения и сравнительного анализа среднеюрского-нижнемелового терригенного комплекса в пределах Гыданского п-ва выделяются две зоны накопления обломочных осадков, формировавших продуктивные пласты на разных стадиях развития бассейна осадконакопления: А) на стадии падения и низкого стояния ОУМ формировалась многоканальная система относительно глубоководных конусов выноса (пласты Ач) с максимально мощными пластами песчаников в пределах каналов и песчано-алевро-глинистых пачек переслаивания в пределах намывных валов; Б) на трансгрессивной стадии центр накопления обломочных осадков смещается в пределы континентальной и прибрежно морской обстановки: Аллювиально-дельтовой равнины (пласты ПК, ХМ, ТП, БГ), Побережья с преимущественно приливно-отливным режимом (возможно эстуарий) (пласты ПК, ХМ, ТП, БГ, Ю), реже субаквальной части дельты (авандельта) (пласты БГ), Мелководно-морской сублиторальной зоны (пласты ПК, БГ); В) пелитоморфные глинистые (абалакская свита) и глинисто-кремнистые высокоуглеродистые (баженовская свита) осадки формировались в пределах шельфа на стадии высокого стояния моря. Схожий состав терригенной кластики среднеюрского-нижнемелового терригенного комплекса в пределах Гыданского п-ва указывает на единый источник сноса, незначительные колебания отражают динамику потока. Взаиморасположение обстановок осадконакопления (как мелководных, так и относительно глубоководных) по площади развития среднеюрского-нижнемелового терригенного комплекса в пределах Гыданского п-ва, позволяют предположить направление сноса обломочного материала с ЮВ на СЗ. Стадиальный анализ среднеюрского-нижнемелового терригенного комплекса в пределах Гыданского п-ва позволил выявить, что фоновые литогенетические преобразования изучаемых отложений связаны с процессами позднего катагенеза и фиксируются, начиная с глубин 1,5-1,7-1,8км от скважины к скважине. Верхние части изученных пластов (ПК-1) не несут признаков фонового позднекатагенетического преобразования и могут быть отнесены к фоновым изменениям раннекатагенетического типа. Процессы фонового катагенеза погружения снижают ФЕС пород за счет переукладки, развития структур гравитационного уплотнения и гравитационной коррозии в сочетании с процессами аутигенного минералообразования (регенерационный кварц и пленочный хлорит). Верхние части разреза (зона раннего, начального катагенеза) сохраняют первичную межзерновую пористость, слабоуплотнены и при отсутствии факторов наложенного катагенеза обладают высокой пористостью (до 30%). В литотипах, где продукты фонового катагенеза погружения (поздний катагенез) не подверглись более позднему вторичному разуплотнению, пористость пород составляет от 0,1% до 3-5%. В исследуемых разрезах процессы наложенного флюидного катагенеза в части кислотного выщелачивания и разуплотнения являлись основными для формирования хороших ФЕС. Процессы наложенного флюидного катагенеза в части щелочного метасоматоза приводили к залечиванию пустотного пространства. И те, и другие процессы наблюдаются, начиная с глубин 1 км. Основным фактором наложенного катагенеза, которому подверглись изученные породы, являлось действие флюидной системы. В первый этап воздействовал кислотный флюид с параметрами (рН от 4 до 6,5; возможными температурами от 80 до 250ºС), которому отвечает последовательная смена минерально-структурных парагенезов: альбитизация ПШ, массовое выщелачивание ПШ, зоны разуплотнения, каолинизация. Воздействие кислотного флюида является основным фактором формирования хорошей пористости коллекторов. Пустотность, образованная в результате кислотного выщелачивания и разуплотнения, достигает 30-40%. Второй этап флюидного наложенного катагенеза связывается с процессами щелочного метасоматоза при воздействии щелочного типа флюида с параметрами (рН 8; возможными температурами 100-150ºС). Процессы щелочного метасоматоза определяются карбонатизацией коллекторов. Сидеритизация биотитов и формирование аутигенного сидерита (до 1-2%) в поровом пространстве практически не влияет на качество коллектора. Избирательная кальцитизация породы с участковым залечиванием пор снижает пустотность до 5-20%. Формирование массовых псевдоморфоз монокристаллов кальцита по зернам ПШ и образование гигакристаллического пойкилитового цемента резко ухудшает коллекторские свойства пород; их пустотность составляет менее 1%. Флюидный наложенный катагенез инициировался тектоническими активизациями, связанными с кайнозойским тектоническим этапом развития региона, максимально способствуя как зарождению элизионных флюидов, так и флюидодинамическим процессам. Подробные описания шлифов выявили основные факторы формирования пустотности в пределах пластов ПК-ХМ: 1. Фациальный контроль; 2. Отсутствие значительного уплотнения и сохранение межзерновой пористости (с постепенной потерей ее от пластов от ПК1 к ХМ); 3. Действие кислотного флюида с выщелачиванием ПШ. Выщелачивание ПШ наблюдается, начиная от глубин от ок. 1000 м с нарастанием к пластам ХМ. В пластах ТП0-ТП9 основными факторами формирования пустотности по-прежнему остаются: 1. фациальный контроль, влияющий на количество глинистого материала, размер, степень окатанности и сортировку зерен. Но его значение уменьшается. 2. Структурный контроль – значение этого фактора увеличивается. 3. Отсутствие массовых (!) механоконформных контактов (их количество нарастает с глубиной, а также более выражено в южных скважинах, возможно, из-за дополнительного стрессового давления). 4. Действие кислотного флюида с выщелачиванием ПШ и элементами разуплотнения в результате гидроразрывов. В пластах ТП0-ТП9 изучаемых площадей основным фактором, формирующим флюидоупорные свойства, является унаследованная глинизация, фиксируются уровни кальцитизации, а также на отдельных интервалах (в некоторых шлифах) существенную роль играет литостатическое и стрессовое давление с формированием преобладющей цементации вдавливанием Основными факторами формирования пустотности в пластах ТП10-ТП26 являются: 1. Структурный контроль, проявляющийся в виде дополнительного фактора уплотнения и сдавливания (боковой стресс) на Геофизической, Трехбугорной и Бухаринской площади, а также в виде формирования сети разрывных нарушений, являющимися проводниками флюидов (на тех же площадях). 2. Действие кислотного флюида с выщелачиванием ПШ и элементами разуплотнения в результате гидроразрывов при сопутствующих инверсионных тектонических движениях отдельных блоков на кайнозойском этапе развития региона. В пластах ТП10-ТП26 изучаемых площади основным фактором, формирующим флюидоупорные свойства, является кальцитизация. Отмечается унаследованная и отчасти катагенетическая хлоритовая глинизация, а также свидетельства литостатического и стрессового давлений. Основным фактором формирования пустотности в пласте БГ, пласте Ач и Ю является: действие кислотного флюида с выщелачиванием ПШ и элементами разуплотнения в результате гидроразрывов. Основным процессом, ухудшающим коллекторские свойства пород пласта БГ, остается позднекатагенетическое уплотнение под влиянием литостатического и стрессового давления с формированием массовых механоконформных контактов. Благодаря структурной позиции максимальное проявление уплотнения прослеживается в скв. Трехбугорная-454. Оказывают заметное воздействие процессы кальцитизации и глинизации (унаследованного типа и хлоритовой позднекатагенетической). Основным фактором формирования флюидоупорных свойств пластов Ач и Ю являются процессы фонового катагенеза погружения в сочетании с фактором бокового стресса. Немаловажную роль играют процессы заполнения оставшегося пустотного пространства аутигенными минералами. Среди них выделяется хлорит (в изученном разрезе его количество максимально в пластах Ач-Ю) и кальцит (накладывающийся на все предшествующие преобразования). 2. В рамках литологического изучения сложнопостроенных отложений доюрского комплекса Средне-Назымского месторождения (вне зоны промышленной эксплуатации) проведена петротипизация, генетическая классификация и литофациальная интерпретация изучаемых образований. В результате были выделены шесть основных групп пород с 35 их разновидностями в зависимости от структурных, текстурных характеристик и вторичных изменений. Составлен атлас выделяемых петротипов. Установлена генетическая принадлежность пород к вулканическим, осадочно-вулканическим, вулканогенно-осадочным, осадочным и метасоматическим образованиям. По литофациальным особенностям строения рассматриваемого интервала разреза выделены внутренняя, переходная и внешняя зоны вулканической постройки, а также выявлено наличие озерных отложений богатых органическим веществом. Стадиальный анализ сложно построенных отложений доюрского комплекса Средненазымского месторождения позволил сделать следующие выводы: • Изменения толщ после излияния лавы и эксплозивной деятельности происходило под влиянием гидротермального литогенеза. Необходимо заметить, что вулканизм исследуемого района в пермо-триасовое время характеризуется напряженностью, т.е. обилием длительно (до 2,5 млн лет) действующих очагов извержений. Гидротермальные системы функционируют после извержений от первых тысяч лет до нескольких сотен тысяч лет. Основным фактором гидротермального литогенеза является термальный раствор. В зависимости от химического состава и физико-химических параметров растворов, дренирующих породы, в них формируются зоны растворения, а также зоны определенного вторичного минералообразования с характерными для них же парагенезисами вторичных минералов. Главным механизмом постэруптивных изменений в гидротермальных системах является растворение первичных магматических минералов и синтез новых минералов согласно физико-химическим и термодинамическим условиям сред: химическому составу, температурам, pH и фазовому составу газоводных растворов. • Формирование коллектора происходило за счет выщелачивания SiO2 с выносом кремнезема из обводненного вулканического стекла (перлитов), из фенокристов ПШ и, редко, кварца, и обязано воздействию щелочного флюида, который генетически связан с геологическим циклом формирования этих вулканогенных толщ. Наилучшими коллекторскими свойствами обладают петротипы вулканитов с порфировой структурой с перлитовой и миндалекаменной текстурой; а также туфы и вулканокластиты. • Метасоматические процессы новообразования других минералов по исходной минеральной матрице (вулканическому стеклу и ПШ) приводят к усложнению первичного состава породы и способствуют формированию флюидоупора. Ассоциация метасоматических минералов: кварц-КПШ-альбит-хлорит, а также процесса преобладания привноса компонентов над их выносом свидетельствует о воздействии слабощелочного флюида с высокой щелочнометалльностью растворов. В составе флюида среди катионов резко преобладает Na, К, Fe; среди анионов – угольная, соляная, фтористо-водородная и кремниевая кислоты. Определяется кварц-двуполевошпатовый тип метасоматоза с хлорит-серицитом (хлорит-иллит-мусковитом). Не исключается воздействие кислотных растворов с преобладающим кислотным типом метасоматоза, во времени закономерно сменяющий щелочноземельный. К продуктам кислотного метасоматоза можно отнести широкое развитие хлорита в сочетании с кварцем, наблюдаемых в отдельных скважинах; а также развитие достаточно однородных агрегатов кварца и иллит-мусковита, реже хлорита по осадочным и вулканогенно-осадочным породам приконтактовых зон. Наконец, значительная карбонатизация (кальцитизация+сидеритизация) отдельных участков (в виде замещения минералов и залечивания трещин) свидетельствует о карбонатном метасоматозе. Карбонатный метасоматоз – заключительная стадия изменения толщ. Метасоматические ассоциации показывают, что измененные породы отвечают внешним, наиболее удаленным (фронтальным) зонам метасоматической колонки. Внутренние зоны колонки маркируются максимально преобразованными типами пород, относящихся к группе VI (метасоматиты) без сохранения признаков первичного протолита. • Аутигенное минералообразование развивается в выщелоченных пустотах и способствует ухудшению фильтрационно-емкостных свойств пород. Химические составы одинаковых новообразованных минералов как в части метасоматических замещений, так и в части аутигенного минералообразования идентичны, что свидетельствует о стабильности химического состава флюида. • Выявленные минерально-структурные ассоциации вторичного генезиса характерны для наложенного флюидного гидротермального литогенеза в виде процессов выщелачивания, процессов метасоматического замещения исходной минеральной матрицы новообразованными минералами, а также аутигенного минералообразования в выщелоченном пустотном пространстве. Именно эти процессы формируют ФЕС пород на изучаемой территории. Процессы фонового литогенеза погружения проявлены в формировании редких стилолитовых швов (растворение под давлением) а также трещинообразовании в результате дегидратации (незначительно) и в результате тектонических подвижек породных масс с формированием тектонических брекчий (тектонокластитов). Последние обладают хорошими ФЕС, но встречаются редко. 3. Впервые выявлены и описаны находки следов илоедов в континентальных отложениях нижнего девона на юге Чулымо-Енисейской впадины (Минусинский межгорный прогиб, Хакасия). Охарактеризовано их значение для стратиграфии, литологии и почвоведения. В стратотипическом разрезе матаракской свиты нижнего девона на горе Шунет в Хакасии биоглифы образуются при замедлении скорости седиментации и имеют вид извилистых тонких валиков. Вверх по разрезу интенсивность переработки осадка илоедами возрастает. В отложениях этой же свиты встречаются риниофиты, мелкие ракоскорпионы и филлоподы. Биоэлювий отмечает начало формирования почвенного покрова и возникновение биохимического типа субаэрального выветривания. 4. Изучалось преобразование известняков Донецкого бассейна и изменение их свойств по стадиям литогенеза и углефикации. Детально описаны известняки и угли наиболее угленасыщенной каменской свиты верхнего карбона (C2 b-m, k) и выявлены признаки, начиная от стадии начального катагенеза (угли длиннопламенные) до стадии позднего катагенеза (угли газовые, жирные, коксовые и отощенно-спекающиеся) и метагенеза (угли тощие и антрациты). Выделены группы известняков: 1) водорослевые, донецелловые, 2) детритово-фораминиферовые, 3) детритовые и 4) микрозернистые с редким (5-10%) и обильным (25-50%) детритом, а среди них литотипы. Выявлено, что от стадии начального катагенеза до стадии позднего метагенеза в целом повышается их прочность и уменьшается пористость, однако неравномерно и без какой-либо закономерности в зависимости от результирующего сочетания упрочняющих и разупрочняющих факторов седиментационного и постседиментационной природы. 5. Изучались литолого-геологические предпосылки локализации и концентрации гелия в нефтегазоносных комплексах венда и кембрия западной Якутии. Рассмотрены источники и факторы локализации и концентрации гелия, содержание которого в месторождениях углеводородов Западной Якутии составляет до 90% от общего его запасов в России. Выявлено сопряженное влияние литологического и тектонического факторов, что увеличило проницаемость пород (AR-PR1) фундамента и нижних горизонтов осадочного чехла (PR3–PZ1) Сибирской платформы. Влияние 2-х факторов обусловило локализацию и концентрацию в них больших запасов углеводородов с повышенным содержанием гелия (0,2-1,0%), а соленосная и глинистая толщи, и вечная мерзлота явились хорошей покрышкой, законсервировавшей во времени эти нефтегазоносные месторождения. В исследованиях, посвященных изучению современных процессов осадкообразования получены следующие новые выводы и результаты: 1. Комплексом методов (сейсмоакустическое профилирование, анализ непрерывных разрезов скважин, стратиграфические исследования по малакофауне, радиоизотопное датирование возраста) в составе верхнечетвертичных отложений шельфа Северного Каспия выделены новокаспийский, мангышлакский, хвалынский, ательский, гирканский и верхнехазарский горизонты. На основании AMS радиоуглеродного и уран-ториевого датирования определено время их накопления, соответственно, в интервалах 0‒8,5; 8,5‒13, 13‒50 (60), 50‒70, >60‒120 и более 120 тыс. лет назад. 2. Выполнен сравнительный анализ разрезов грунтовых колонок из северной части Черного моря и Северного и Среднего Каспия. В результате установлены идентичность строения непрерывных глубоководных разрезов сравниваемых водоемов и синхронность новоэвксинских и позднехвалынских слоев, накопившихся в изолированных озерных водоемах времени позднего оледенения и послеледниковья. На основании этого сделан вывод о том, что последнее соединение Черного и Каспийского морей происходило не в конце последней стадии валдайского оледенения (ИКС 2), а в межстадиал среднего валдая (ИКС 3). 3. Биостратиграфический анализ керна скважин, пробуренных на черноморском шельфе в северо-восточной части бассейна, показал, что вскрытые карангатские отложения, отвечающие межледниковой (МИС 5) трансгрессии Черного моря, в своей верхней части содержат раковины моллюсков Didacna cristata и Didacna subcatillus. Дидакны имеют каспийское происхождение: они являются характерными видами гирканского трансгрессивного бассейна, развивавшегося в Каспии в начале позднего плейстоцена. Путем миграции моллюсков в карангатский бассейн Черного моря служил пролив, открывшийся в Манычской депрессии при превышении уровнем гирканской трансгрессии порога стока Маныча. карангатский бассейн в заключительную фазу его развития при уровне ниже современного и солености не выше 18‰. 4. Изучение формирования глинистого комплекса четвертичных отложений в качестве одного из наглядных индикаторов условий осадкообразования. Выявлялась роль состава глинистых компонентов как показателя изменения источников терригенного материала на различных палеогеографических этапах развития бассейнов Белого, Карского и Печорского морей. Изучался состав глинистых комплексов, а также факторы, влияющие на распределение их в осадках, источники поступления осадочного вещества. Интерпретировали новые материалы комплексного геолого-геофизического исследования верхнего слоя осадочного чехла Белого, Карского, Печорского морей. Отражена роль основных породных комплексов прилегающей суши, продукты переработки которых служат терригенным материалом для морских осадков. Оценена климатическая эволюция на постледниковой стадии, во многом определяющая характер выветривания. 5. Были обобщены данные по хронологии развития Каспийского бассейна за последние 46-8 тыс. лет, важной для понимания условий осадконакопления в этот период. Проанализированы 234 радиоуглеродные даты хвалынских отложений, полученные исследователями за более чем 50 лет изучения Каспийского региона. Большинство дат получены по раковинному материалу, в том числе по эндемичным видам моллюсков рода Didacna, обитавших в ранне- и позднехвалынском бассейнах Каспийского моря. Для хвалынского этапа существуют радиоуглеродные даты в диапазоне 46-8.3 кал. тыс. л. Самые древние даты получены из хвалынских отложений акватории Каспийского моря. Наибольшее количество дат приходится на интервал 17-12.5 кал. тыс. л. Развитие раннехвалынской трансгрессии началось 40-35 кал. тыс. л. В период 25-18 кал. тыс. л. береговая линия раннехвалынского бассейна достигала отметок выше 10-15 м абс., а уровень 20-22 м абс. достигался в промежутке 17-13.5 кал. тыс. л. После 12.5 кал. тыс. л. уровни падали; в это время, вероятно, развивалась енотаевская регрессия. Позднехвалынская трансгрессия, согласно датам по отложениям с верхнехвалынской малакофауной, развивалась между 11-8.5 кал. тыс. л. Для установления возрастного интервала максимальной фазы раннехвалынской трансгрессии (уровень 45-48 м абс.) существующих на сегодняшний момент данных недостаточно. 6. Впервые был проанализирован прослой тефры из донных отложений Каспийского моря и еще несколько пепловых горизонтов из четвертичных отложений различного генезиса из Северного Предкавказья и юга Восточно-Европейской равнины. Был установлена связь большей части представленного пеплового материала с извержениями Эльбруса. По результатам датирования материал был ассоциирован с извержениями от 522 до 84 тыс. л.н. Тефра из донных отложений Каспийского моря была охарактеризована схожим геохимическим составом и абсолютным возрастом с тефрой с Прикаспийской низменности, что позволяет установить ее как маркирующий горизонт (возрастом 84,6 тыс. лет) регионального масштаба, который может быть использован для корреляций. 7. Проведена реконструкция эрозионно-аккумулятивных процессов для использования при проектировании сооружений нефтегазового комплекса на шельфе Баренцевоморско-Карского региона. Выполнен сейсмостратиграфический и литофациальный анализ верхней части разреза, а также анализ рельефа дна на трех ключевых участках в пределах Карского моря. По результатам исследований построены карты мощности четвертичных отложений, структурные карты кровли дочетвертичных отложений и карты-схемы распространения эрозионно-аккумулятивных структур, составленные для исследуемых ключевых участков. Основным результатом работы является создание альбома сейсмофаций четвертичных отложений и реконструкций фациальных обстановок Карского моря и альбома эрозионно-аккумулятивных геологических образований, обусловленных четвертичными оледенениями Карского моря. В результате проведенных работ поставленные задачи в 2023 году полностью выполнены, цели достигнуты. Выявлена динамика литогенетических процессов в разных геодинамических обстановках на примере анализа вторичных преобразований отложений доюрского комплекса и толщ осадочного чехла Западной Сибири в зонах развития гидротермального метасоматоза и фонового литогенеза (Гыданский полуостров, Средне-Назымская разведочная площадь). Изучено влияние литологического строения отложений на особенности формирования пород-коллекторов и нефтематеринских толщ по результатам исследования фанерозойских осадочных комплексов различного возраста и состава. Реконструированы условия осадконакопления древних толщ. Получены новые данные об особенностях современного седиментогенеза внутриконтинентальных (Черного, Каспийского) и арктических (Белого, Баренцева, Печорского и Карского) морей.