23215 (Флюидодинамическая концепция формирования месторождений полезных ископаемых (металлических и углеводородных))

^{Флюидодинамическая} концепция формирования месторождений полезных ископаемых (металлических и углеводородных)

Б.А. Соколов, В.И. Старостин

Красивые теории, как и красивые женщины, могут оказаться неверными.

(А.Б. Кондратьев. Природа, 1997, №6, с. 120)

Введение

Одной из удивительных особенностей геологической науки является автономное развитие вот уже более 100 лет двух ее, казалось бы, взаимосвязанных ветвей - рудной и нефтегазовой. Оперируя одной и той же или близкой по смыслу специальной терминологией (бассейны, стадии, растворы-флюиды, температуры, давления, рН и Eh среды, законы фильтрации), а также исследуя объекты, расположенные часто в пределах одних и тех же региональных структур, геологи-рудники и геологи-нефтяники тем не менее шли своими обособленными путями.

Достижения наук о Земле, особенно во второй половине XX века, настолько расширили наши представления о процессах концентрации и рассеивания минеральных веществ в земной коре, что стало очевидным единство многих фундаментальных законов, контролирующих генерацию, миграцию и аккумуляцию промышленных объектов металлического, неметаллического и углеводородного сырья.

История развития взглядов на рудо- и нефтеобразование

Более 90% фундаментальных научных достижений приходится на вторую половину нашего столетия. Одним из обстоятельных примеров анализа развития учения о рудных месторождениях является последняя книга академика В.И. Смирнова (1987). Подробно эти же вопросы рассматривались А.М. Сечевицей (1976). Применительно к нефти и газу следует отметить работы И.О. Брода (1965), Н.Б.Вассоевича (1967) и ряда других. В них на основании новых материалов исследована эволюция представлений о природе процессов, приводящих к появлению крупных скоплений минерального вещества.

Осмысливание особенностей истории развития взглядов пройденного и разработка новых гипотез, концепций и парадигм - несущая потребность любой науки, в том числе такой фундаментальной, как геология. Итоговые обобщения возникают обычно в двух случаях: при появлении принципиально новых фактических данных, которые следует увязать как между собой, так и с опытом прошлого, или в связи с такими рубежами, как окончание столетия или юбилеем отдельных корифеев науки.

Сейчас, на пороге XXI века, опять появилась потребность осознать результаты развития различных разделов геологических наук, что мы и собираемся сделать в сравнительном плане применительно к направлениям, связанным с рудными и нефтегазовыми полезными ископаемыми. Эти два направления обособились в важные разделы геологии и в силу своего огромного экономического значения превратились в фундаментальные и .

Возникновение геологии полезных ископаемых приходится на вторую половину XVIII века и связано, в первую очередь, с такими именами, как М.В. Ломоносов (1750, 1763) и Д. Геттон (1795). Уже эти ученые высказывали идеи об общности механизмов рудо- и нефтеобразования, связанных с взаимодействием эндогенных () и экзогенных сил и процессов.

Однако развитие взглядов на формирование и размещение рудных и углеводородных полезных ископаемых пошло по двум независимым и практически не пересекающимся путям. Это первый парадокс параллельности их развития, который обусловлен тремя обстоятельствами: различиями в физическом состоянии (флюидное - нефти и газа, твердое - у рудных полезных ископаемых); характером залегания, а также методическими приемами, используемыми при их разведке: (глубокое бурение и сейсморазведка на нефть и газ, геокартирование, мелкое бурение и горные выработки на рудные полезные ископаемые).

Еще один парадокс развития рассматриваемых разделов геологии связан с общностью развития науки, заключающийся в борьбе двух как бы взаимоисключающих, противостоящих друг другу подходов. В рудной геологии это борьба плутонистов и нептунистов, прекрасно описанная в книге В.И. Смирнова (1987). В геологии нефти и газа - это противоборство, так называемых, органиков и неоргаников (Вассоевич, 1986). Другими словами, как в рудной, так и нефтегазовой геологии стремление познать истину проходило в противопоставлении двух начал, в основе которых был положен примат или эндогенный энергии, или внешней - экзогенной.

Третий парадокс развития учений о нефти и рудах заключен в терминологической общности описания процессов рудо- и нефтеобразования, возникшей вне какой-либо зависимости друг от друга. Так, в рудном ряду используются такие понятия, как , , , , , , , , .

В нефтегазовой геологии употребляются: , , , , .

И в том, и в другом направлениях используются понятия , его , , . Для характеристики процессов рудообразования и нефтегазообразования применяются одни и те же словосочетания: эти процессы полихронны, полигенны и полистадийны (Вассоевич, Смирнов), а также термины и .

Все эти обстоятельства не случайны и свидетельствуют о генетической общности процессов, приводящих к созданию месторождений руд, нефти и газа.

Нельзя сказать, что вопрос об общности процессов рудо- и нефтеобразования в литературе не затрагивался. Его в 20-е годы XX-го столетия ставил И.В. Вернадский, в 1967 г. этот вопрос в большой статье рассматривал Г.П. Поспелов, который проследил структурноморфологические аномалии рудных и нефтегазовых месторождений. Более того, он впервые употребил для рудных флюидов понятие (рис. 1, 2, 3, 4). О парагенетических связях писал В.Н. Холодов (1986). Обширная сводка по этому вопросу принадлежит Д.И. Горжевскому с соавторами (1990), содержащая достаточно подробную библиографию. К вопросу о родстве углеводородного и рудного образования пришли исследователи газовожидких включений в минералах различного генезиса. О этом писали Е.М. Захарова (1975), Ф.П. Мельников (1989) и др.

Понятие природного породного раствора или расплава (ППРР)

Сегодня можно утверждать, что рудо- и нефтеобразование - это единый закономерно развивающийся процесс, обусловленный объективными природными законами. С общефилософских позиций этот процесс протекает в определенном направлении и заключается: в переводе исходного твердого вещества, содержащего в рассеянном состоянии рудные и углеводородные компоненты, во флюидное состояние; в миграции этого природного породного раствора или расплава преимущественно вверх по разрезу из зон с высоким давлением с температурой в зоны с низким давлением и температурой; в последовательном выщелачивании полезного компонента, его концентрации (аккумуляция) в виде залежей и месторождений различных полезных ископаемых в определенной вертикальной последовательности, отвечающей условиям перехода конкретных рудных и углеводородных компонентов из рассеянного флюидного состояния в концентрированное твердое, жидкое или газовое. Весь этот процесс перевода вещества из рассеянного твердого состояния через промежуточный флюидный этап с последующей конденсацией в промышленные скопления есть не что иное, как механизм превращения хаоса (беспорядочное распределение) в космос (упорядоченное).

Идея общности механизма рудо- и нефтеобразования в последние годы получила убедительное подтверждение благодаря двум открытиям общего характера. Первое связано с признанием нелинейности развития отдельных природных процессов. Второе является иллюстрацией первого и заключается в установлении тектоно-петрологической расслоенности литосферы и верхней (возможно и средней) мантии, выражающейся в чередовании зон уплотнения и разуплотнения. Это открытие имеет чрезвычайно важное значение. Дело в том, что зона разуплотнения представляет собой вместилища ППРР. Флюиды, насыщающие разуплотненные зоны, при нагреве значительно повышают внутреннее давление и за счет этого увеличивают свой объем, т.е. стремятся расшириться. Это обстоятельство приводит к созданию своеобразной гидравлической подушки (мантийного диапира), приподнимающей вышележащие слои, а также их прорывающей.

В результате возникает неравновесная и неустойчивая система, позволяющая, с одной стороны, перемещаться отдельным блокам земных оболочек относительно друг друга в вертикальном и горизонтальном направлениях, а с другой - за счет прорыва флюидов (магматических, гидротермальных, углеводородных и т.д.) осуществлять тепломассоперенос из глубоких недр Земли в ее верхние горизонты и тем самым усиливать процесс конвективного прогрева.

Представление о ППРР зон разуплотнения дает возможность понять и объяснить такие широко распространенные явления, как сейсмичность, покровообразование, соляно-купольный и глиняный диапиризм, грязевой вулканизм, гидротермальная деятельность, а также гидротермальное рудообразование, ассоциированное с вулканической и магматической деятельностью, алмазоносные трубки взрыва. Этим же объясняется нефтегазообразование и общность данного процесса с процессом рудообразования. Различия связаны с тем, что нефтегазообразование идет при сравнительно низких (100-150(С) температурах на первых километрах глубины, а рудообразование связано с глубинами рудоносных очагов в десятки и сотни километров, где температура достигает многих сотен градусов.

Общепризнанной теории возникновения зон разуплотнения в земной коре в верхней мантии пока не существует. Наиболее популярна концепция дефлюидизации. При погружении и нарастании температуры происходит трансформация физических свойств минералов и горных пород. Одни минералы переходят в другие. При этом их наименее связанные компоненты вытесняются из структуры минералов. Другими словами, происходит потеря летучих компонентов, которые включают прежде всего воду, а также газы. Происходит, так называемая, дегидратация или дефлюидизация пород, за счет которой создаются зоны разуплотнения, насыщения растворами и расплавами. Новообразованные флюиды и, в первую очередь, вода, переходя из связанного состояния в свободную фазу, переводят в раствор не только легко растворимые соли, но и такие парообразующие минералы, как кварц, кальцит, алюмосиликаты и другие.

ППРР, соучаствующие в создании зон разуплотнения, возникают и при плавлении горных пород в условиях погружения на большие глубины в зоны высоких температур. Так, пласты каменной соли трансформируются в горизонты жидкой раппы, которая при дальнейшем прогреве приобретает высокую внутреннюю энергию и прорывает вышележащие слои, образуя соляные диапиры и купола. Примерами этого же явления могут служить магматические и вулканические купольные образования.

Применительно к нефти и газу все это позволяет сделать два основополагающих вывода. Первый - нефть и газ, объединяемые понятием углеводородного раствора (УВР), есть не что иное, как тривиальный вариант сравнительно низкотемпературной дефлюидизации осадочных пород, обогащенных органическим веществом (ОВ). Второй - саморазвитие осадочного бассейна, испытывающего интенсивное погружение, приводит к созданию мощной системы восходящих тепловых потоков, активизирующих процессы нефтегазообразования во всем бассейне. Чем интенсивнее прогибание, тем выше уровень реализации нефтегазоматеринского потенциала, накопленного данным бассейном (рис. 5).

Другими словами, реализация нефтегазома-теринского потенциала в осадочном бассейне напрямую зависит от условий его прогрева. Эти условия на первом этапе связаны с внешними тепловыми потоками, источником которых являются тепловые потоки, образующиеся за счет дефлюидизации мантийных диапиров, а на втором этапе основная роль принадлежит тепломассоносителям из нижних частей осадочного разреза нефтегазоносного бассейна.

Как уже отмечалось, погружение осадочных пород сопровождается возникновением флюидонасыщенных зон разуплотнения. В верхней части осадочного разреза флюиды представлены водно-углеводородными компонентами, в нижней - водно-углекислыми, эвапоритовыми, рудными. Под действием возрастающей с глубиной температуры флюиды разогреваются и внутрипластовое давление аномально увеличивается. Это приводит к тому, что периодически разогретые флюиды прорываются в более высокие части осадочного разреза. Мигрирующие вверх флюиды, в свою очередь, являются мощными тепломассоносителями. Они реализуют конвекционный механизм весьма значительного дополнительного прогрева вышележащих осадочных толщ, тем самым резко ускоряя их катагенетическое преобразование. Здесь имеет место взаимодействие двух разнонаправленных вещественно-энергетических потоков. Один из них связан с погружением и катагенетическим преобразованием пород и содержащегося в них ОВ-продуктов жизнедеятельности бактериосферы, а с другой - с подъемом конвективного теплового потока, осуществляющего тепломассоперенос из нижних частей бассейна к его поверхности.

Вместе с тем, здесь следует иметь в виду, что составной частью вертикальных флюидных потоков закономерно являются нефть и природный газ, генерируемые очагами углеводородообразования. Очаги представляют собой погруженные части нефтегазоматеринских отложений, попавшие в зоны нефте- и газообразования, имеющие температуры 100(С и больше.

Углеводородные потоки, поднимаясь по трещинам и порам вверх по разрезу, пересекают коллекторские горизонты, где температура и давление ниже соответствующих показателей в очагах генерации. Это приводит к насыщению данных горизонтов нефтью и газом. Если процесс погружения бассейна достаточно длителен, то в его разрезе появляется несколько уровней расположения очагов генерации, а над ними несколько этажей размещения залежей углеводородов.

Применительно к процессу рудообразования, дело обстоит сложнее. Это связано с процессами расплавления пород на больших глубинах, но принципиального различия, по-видимому, нет. Разогрев приводит к появлению астеносферы, мантийных диапиров, очагов магматизма и вулканизма, которые под высоким давлением прорывают земную кору и попадают путем многоступенчатой сепаратизации в верхние слои литосферы, где они в условиях низкой температуры и давления образуют рудные скопления.

Таким образом, земная кора и мантия представляют собой многоэтажную суперсистему сложного строения и обмена тепловой энергией. В этой системе имеет место перевод пород из твердого состояния в расплав-раствор.

Под влиянием возрастающего внутреннего давления ППРР флюиды прорываются вверх, осуществляя вертикальную миграцию насыщенных полезными компонентами рудных или углеводородных растворов. Эти растворы, попадая в зоны более низких температур и давлений, последовательно теряют те или иные полезные компоненты, осуществляя тем самым ступенчатую конденсацию руд, нефти и газа.

Еще одно следствие из теории ППРР заключается в том, что можно говорить о возникновении нового направления геологической науки - флюидодинамической геологии месторождений рудных и нефтегазовых полезных ископаемых. XX век разрешил и еще одну фундаментальную проблему - роль экзогенных и эндогенных факторов в рудо- и нефтеобразовании. В природе существует вся гамма переходов от чисто эндогенных систем к экзогенным. Намечена иерархическая связь глобальных, региональных и локальных факторов, влиявших на разномасштабные процессы концентрации минерального вещества.

Подводя итоги уходящего ХХ века, можно утверждать, что одним из важнейших результатов в области геологии полезных ископаемых может служить разработка единой теории рудо- и нефтеобразования.