Читая каменную летопись Земли... - Александр Конюхов

По основным параметрам песчаник все более приближается к кварциту или гнейсу — породам метаморфическим, широко распространенным в глубоких недрах Земли, а именно в той части литосферы, которую именуют фундаментом. На платформах граница между осадочным чехлом и фундаментом обычно четко выражена, тогда как в передовых прогибах, разделяющих платформы и горно-складчатые пояса, провести ее труднее, в основном из-за того, что породы в подошве осадочного чехла по физико-механическим параметрам приближаются к породам фундамента, который нацело сложен древними (метаморфическими) и магматическими породами, в том числе и интрузивными, т. е. выделившимися из застывших на глубине магматических расплавов.

Точный рубеж, где первично-осадочная порода переходит в метаморфическую, установить очень сложно из-за широкой гаммы переходных состояний. Этот переходный этап, на котором завершается преобразование осадочных пород в метаморфические, был назван метагенезом (от слова «мета» — переходный, меняющийся). Довольно четкие количественные критерии разработаны лишь в отношении глинистых пород, главным образом благодаря применению дифрактометрического метода исследования. Дело в том, что по мере усиления возрастных изменений в породе многообразная гамма глинистых минералов сводится к двум наиболее широко распространенным формам — иллиту и хлориту.

На дифрактограммах изучаемых образцов с больших глубин резко возрастают высота и симметричность рефлексов, характеризующих иллит. Речь идет главным образом о его первом рефлексе. Окристаллизованность — показатель, отражающий степень совершенства кристаллической структуры. У иллита он непрерывно и довольно быстро возрастает по мере увеличения температуры и давления, господствующих в недрах осадочных бассейнов. Этот показатель, выраженный через отношение ширины первого пика иллита, замеренной в его средней части, к высоте, меняется в метагенезе от 1:5 до 1:15. При более высоких значениях выделяется так называемая эпизона — область, где наблюдаются такие изменения в породах, которые позволяют отнести их к разряду метаморфических образований. Тем не менее следует подчеркнуть, что момент перехода осадочной породы в новое состояние пока еще определяется весьма условно. Аргиллиты при этом превращаются в глинистые, а затем и в слюдистые сланцы. Кремнистые породы в метагенезе трансформируются в кремнистые сланцы или яшмы, известняки становятся мраморовидными и мраморами, угли достигают стадии полуантрацитов и антрацитов, в дальнейшем превращаясь в графит.

Специализация пород

Каждая порода интересна по-своему. Почти с каждой из них связаны те или иные полезные ископаемые. Впрочем, и сами осадочные породы находят применение в различных отраслях народного хозяйства. Многие из них играют важную роль в процессах нефтегазообразования и нефтегазонакопления. Одни служат генераторами углеводородов, другие — коллекторами для них, третьи — породами-экранами, не допускающими разрушения залежей. Нефть по большому счету — это детище глин, хотя жидкие углеводороды продуцируются и другими породами, а именно теми, что содержат рассеянные и концентрированные формы органического вещества (силициты, сапропели, карбонатные образования и в небольших количествах даже угли). Однако в региональном масштабе, т. е. в пределах целого региона (осадочного бассейна), генерирование нефти протекает главным образом в глинистых породах, если, конечно, они обогащены органикой сапропелевого или смешанного типа, а при диагенезе в них господствовали восстановительные условия. Речь идет преимущественно о субаквальных осадках, которые быстро перекрывались более молодыми наносами и переставали контактировать с богатой кислородом водной средой. Хотя углеводороды нефтяного ряда образуются из органических остатков, сама нефть абиогенна. Имеется в виду, что подавляющая масса углеводородов возникла отнюдь не в процессе жизнедеятельности животных и растений, хотя в тканях некоторых организмов и накапливаются в небольшом количестве отдельные углеводороды или близкие к ним по строению структуры.

Нефть как полезное ископаемое рождается в земных недрах в основном на стадии катагенеза, т. е. на зрелой стадии существования пород, когда они попадают в область повышенных температур и давлений. Основной фактор, обеспечивающий и даже инициирующий генерацию нефтяных углеводородов, — температура. Уже в диапазоне 80-120 °C начинаются термолиз и термокатализ, благодаря которым из органического вещества выделяются углеводородные структуры разного типа — алканы, нафтены и арены. Важнейшим процессом, стимулирующим эти реакции, помимо температуры, является разрушение переуплотненной структуры межслоевой воды в разбухающих глинах. Воздействие этой воды на органические субстанции приводит к разложению сложных гетерополиконденсатов гуминовых кислот и молекул керогена, а также к образованию широкой гаммы легких углеводородов. Значительная их часть переносится ею из глины в коллектор, где происходит разделение фаз и нефть в виде пленок начинает мигрировать по пластам к местам концентрации. Из этих пленок по прошествии сотен тысяч, а то и миллионов лет формируется нефтяная залежь.

Роль природных резервуаров или накопителей углеводородов выполняют породы, сохранившие в недрах развитую систему пустот или трещин, связанных между собой. Чаще всего это песчаники и крупнозернистые органогенные известняки, хотя в роли коллектора нередко выступают диатомиты, вулканогенные породы (туфопесчаники) и даже полуразрушенные выветриванием магматические и метаморфические породы фундамента. Впрочем, последнее случается достаточно редко.

Как указывалось выше, самыми выдающимися емкостными возможностями обладают рифовые известняки, изначально характеризующиеся большим объемом порового пространства. На окраинах континентов с погребенными рифовыми массивами связаны крупные и даже гигантские скопления углеводородов (более 21,9 млрд т нефти и 5,3 трлн м3 газа). Однако первое место принадлежит песчаникам прибрежно-морского и дельтового генезиса (около 41,6 млрд т нефти и 19,4 трлн м3 газа). Второе место занимают лагунные и шельфовые известняки и доломиты (29,2 млрд т нефти и 16,7 трлн м3 газа) [Геодекян и др., 1988].

Нефть, подобно газу, собирается в залежь в так называемых ловушках, откуда углеводороды уже не могут уйти ни вверх, ни в стороны. Снизу залежь подпирается водой. Углеводородные флюиды всплывают над ней, как более легкие. Они никогда бы не создали залежей, если бы не были изолированы от вышележащих пластов-коллекторов и земной поверхности. В роли экранов выступают все те же глины, а также соли и глинистые известняки. Наиболее надежными породами-флюидоупорами считаются соли. Они не содержат пор, связанных друг с другом, потому через них не могут диффундировать даже самые легкие углеводороды, в том числе метан. В глинах множество микропор, но многие из них не сообщаются между собой либо соединены очень узкими канальцами, в которые не помещаются молекулы углеводородов. Оттого многие разности глин практически непроницаемы. Известняки могут служить довольно надежными экранами для нефтяных скоплений, но не для газа, особенно метана, который способен просачиваться по микротрещинам и уходить из залежи.

Таково распределение ролей между осадочными породами в генерации, аккумуляции и консервации важнейших для современной цивилизации полезных ископаемых — нефти и газа. Эта «творческая» специализация частично нарушается по мере «старения» основных участников процесса — глин и песчаников. Первые, превращаясь в аргиллиты, теряют непроницаемость вследствие появления трещиноватости — сетки микротрещин, нарушающих сложившуюся структуру. К этому времени их нефтематеринский потенциал в целом исчерпывается, хотя простейшие газообразные углеводороды, главным образом метан, еще образуются в породе. Песчаники утрачивают большую часть порового пространства и перестают быть коллекторами. Нередко в позднем катагенезе и метагенезе они становятся весьма слабопроницаемыми для углеводородов и могут играть роль горизонтов-экранов. Обычно это наблюдается в том же диапазоне глубин, где глинистые породы становятся трещиноватыми и могут исполнять функцию коллектора. Таким образом, на заключительной фазе эволюции некоторые осадочные породы как бы меняются местами. Впрочем, в реальной практике это случается не часто.

Следует подчеркнуть, что когда мы говорим о старении породы, то имеем в виду те необратимые изменения, которые происходят в ее структуре и минеральном составе по мере погружения в недра, в зону все более высоких температур и давлений. Речь, следовательно, не идет о геологическом возрасте осадочных образований. Например, кембрийские и даже позднепротерозойские (свыше 600 млн лет) отложения нередко остаются слабо преобразованными, так как не испытали воздействия глубинного жара и давлений. Обычно такие «молодцеватые старички» встречаются на платформах, например в окрестностях Балтийского щита, где осадочный покров тонок, а фанерозойский этап развития не был отмечен тектоническими катаклизмами.