Закономерности аридного осадконакопления

ЗАКОНОМЕРНОСТИ АРИДНОГО ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ

Общими диагностическими признаками эвапоритовых и нефтегазоносных отложений являются их циклическое накопление в субаквальной среде с анаэробной обстановкой на фоне относительно постоянного прогибания седиментационных бассейнов [Страхов, 1962; Бакиров, 1972]. Формирование анаэробных условий в водной толще определяется динамическими (гидрометеорологическими, гидрологическими факторами и осадконакоплением), квазистационарными (геоморфологическими) и стационарными (геологическими) процессами [Шапоренко, 2000]. Для большей части акватории Мирового океана характерен пелагический литогенез в окислительных условиях. Эпизодическое развитие анаэробных процессов фиксируется в ДО, обогащенных ОВ (Сорг. >0.5%) [Волков, 1984]. Квазистационарное развитие анаэробных условий от десятков до тысяч лет отмечено во впадине Кариако (Карибское море) и оз. Могильном (о. Кильдин) [Шапоренко, 2000]. Мелководные проливы, связывающие Черное и Балтийское моря с Мировым океаном, - один из признаков эпиконтинентальных эвапоритовых бассейнов [Фивег, 1983], но от последних они отличаются избыточным речным стоком, определяющим стратификацию вод и развитие анаэробных процессов под пикноклином. Средиземное море не отличается морфологическим обликом от солоноватоводного Черного моря, но речной сток ниже, чем испарение с его акватории. Это предопределяет осолонение средиземноморских вод (до 39%о), гомотермию и насыщение нижних слоев воды кислородом [Fisher et all., 1987].

Газовый режим. Насыщение воды кислородом падает при увеличении солености. Окислительно-восстановительный потенциал в воде рапных водоемов уменьшается при росте минерализации рапы (Eh +300…-224 mv), а поверхностному слою ДО обычно свойственны восстановительные условия [Страхов, 1962]. Продуцирование сероводорода происходит как за счет разложения ОВ с участием бактерий и грибов, так и восстановления сульфатов бактериями в ДО [Волков, 1984]. Т.о. придонные зоны эвапоритовых бассейнов из-за термогалинной стратификации вод «обречены» на существование в анаэробных условиях, что обеспечивает максимальную сохранность продуцируемых ОВ (табл. 7).

Стадии хемогенного осадконакопления. Общими закономерностями накопления галогенных отложений, отличающих их от осадков гумидных зон, является унаследованность пород и прогрессирующее ослабление темпов испарения по мере минерализации рапы, сопровождаемое резким увеличением скорости осадконакопления в годичном цикле. Первое показывает, что галиты не могут перекрывать ни морские осадки (рис. 17), ни тем более пресноводные (см., например, [Конюхов, 1985]). Второе объясняет отложение бедных органическим веществом соленосных толщ в водоемах с развитым биосом.

Таблица 7. Сравнительные характеристики условий седиментогенеза и раннего диагенеза (по [Страхов, 1962; Жижченко, 1977; Нефтегазо-генетические …, 1984; Hypersaline …, 1985; Сафьянов, 1987; Волков, 1984; Свальнов, 1991])

Рис. 17. Сланцы верхне-девонской формации Catskill (центральная Пенсильвания) (по [Walker, Harms, 1975])

Следствием осолонения аридных водоемов является ярко выраженный стадийный характер галогенеза. Фракционированная кристаллизация солей имеет не только временную (рис. 18), но и пространственную закономерность (рис. 19). По окраинам эвапоритового бассейна, как и на начальных стадиях его существования, отлагаются труднорастворимые карбонаты кальция и магния. При малом поступлении терригенных материалов формируются известняки (CaCO3) и доломиты (CaCO3+MgCO3). Если к хемогенным осадкам присоединяются большие массы обломочного материала, образуются карбонатизированные пески. При преобладании биогенного осадконакопления - отложения, богатые ОВ, - пелоиды. В диагенезе и катагенезе осадков они преобразуются в глины, алевриты, алевролиты, аргиллиты.

Рис. 18. Стадии аридного осадконакопления при испарении океанической воды (по [Страхов, 1962])

Осадки карбонатной стадии располагаются по той же схеме, что и в гумидной зоне. Но скорости карбонатного аридного осадконакопления в десятки раз превосходят интенсивность его осаждения в Океане, а Сорг.>Fe (на подготовительной стадии). По сравнению с морскими илами глинистые осадки осолоняющихся водоемов содержат заметно меньше воды, отличаются высокой плотностью и низкой пористостью. Кроме этого, они могут опресняться за счет подземного стока, например, по захороненным палеоруслам, и при гидратации минералов (гипса (CaSO4x2H2O), мирабилита (Na2SO3x10H2O) и др.). Потоки опресненных вод формируют т.н. «продухи» в галогенных пластах [Страхов, 1962], которые могут стать путями вертикальной миграции УВ. С этим связаны низкая минерализация поровых вод в аргиллитах НГБ и ошибки в реконструкции «палеогалинности» (3-5 г/л) глин продуктивной толщи (ПТ) Балаханского бассейна и майкопского яруса (см. [Жижченко, 1959]). На формирование одной из классических нефтематеринских свит - майкопской - в условиях аридного климата [Страхов, 1962] и повышающейся солености указывают прослои доломитов, хлорит и магнезиальные минералы палыгорсит-сепиолитового типа [Даидбекова и др., 1974], а также исчезновение «малорослых» планктонных и донных фораминифер к верхам майкопа [Ворошилов и др., 1974].

Рис. 19. Размещение (А) и строение (Б) отложений Верхне-Казанского эвапоритового палеобассейна (Р2). А 1 - континентальные красноцветы; 2 - прибрежные песчано-глинистые отложения; 3 - доломиты, в т.ч. сульфатизированные; 4 - гипсы и ангидриты; 5 - галит; 6 - горные цепи: Б 1 - четвертичные отложения; 2-5 - отложения верхне-казанского подъяруса; 2 -- континентальные красноцветы; 3 - доломиты и доломитизированные осадки; 4 - ангидриты; 5 - галит; 6 - доломиты и доломитизированные осадки верхне-казанского подъяруса; 7 - пестроцветные терригенные породы уфимской свиты; 8 - ангидрито-доломитовый комплекс кунгурского подъяруса (по [Страхов, 1962])

При повышении солености выше 130 г/л начинается накопление гипса, тенардита, глауберита и др. Следующая стадия характеризуется садкой галита. Сильвиниты и карналлиты осаждаются на стадии «сухого» озера, масса воды в котором сопоставима с объемом солей. Описанный процесс происходит при испарении сульфатно-магниевых морских вод, метаморфизированных речными карбонатно-кальциевыми или глинами. При поступлении речных вод иного типа или в замкнутых бассейнах закономерности садки солей изменяются. Приток речных вод с терригенным материалом и низкими концентрациями Mg может привести к полному подавлению садки доломита и гипса [Страхов, 1962]. Это удлиняет время существования галофитной нефтеобразующей экосистемы, но при отсутствии садки галита делает прямое доказательство ее существования в палеобассейне крайне трудным, поскольку часть геологов-нефтяников допускает лишь диагенетическое образование доломитов. Н.М. Страхов [1962] указывал, что накопление алюмосиликатов и магнезиального кальцита свойственно аридному литогенезу, а образование доломитов может происходить в условиях высокой солености и рН, что было подтверждено в последующем [Справочник …, 1983]. Так, соотношение CaCO3 : Mg CO3 в сивашских илах при солености 100 г/л составляет 13:1, а к 130 г/л повышается до 6:1 [Стащук и др., 1964]. Кроме этого, была установлена возможность образования доломита в устьевых областях рек при нормальной морской солености [Справочник …, 1983], что еще раз подчеркивает известные геологические данные об интенсификации доломитообразования магнием континентального генезиса [Страхов, 1962]. Однако И.И. Волков [1984] описал аутигенное образование доломитов и магнезиального кальцита в прибрежных морских осадках. Единственным условием метаморфоза иловых вод указана сульфатредукция. Значения солености, химизм реакций, климатические характеристики или районы, в которых были получены такие результаты, не сообщаются.

Рис. 20. Относительная распространенность стабильных изотопов углерода и основные процессы их разделения (по [Галимов, 1972; Мюллер, Вингольц, 1972]): 1 - карбонаты; 2 - ОВ; 3 - нефть страсфурской формации (Z2)

Изотопия углерода и кислорода. Обычно [Справочник …, 1983] аридное осадконакопление связывается с обогащением карбонатных отложений тяжелыми изотопами кислорода и углерода. Действительно, современные осадки гипергалинных приморских озер на высших стадиях осолонения вмещают более «тяжелый» углерод (13С= -10+0.25 (оз. Gavish Sabkha) и 13С= -6.6+0.1%o PDB (оз. Solar Lake)), чем осадки Мирового океана 13С= -24+0.4%о [Hypersaline …, 1985: 393]. Интересно, что аналогичным образом соотносится изотопия «микробиального» метана в осадках Северного моря (13С -60…-80%о) и газ нефтяной залежи (13С -30..-50%о PDB) (см. [Иванов, 1999]). Тогда как наземные растения, торфяники и угли практически не отличаются по изотопии углерода, в битумах, нефти и особенно метане оказывается намного больше «легкого» углерода, чем в морском планктоне [Сильвермен, 1972; Галимов, 1972]. Обычно это объясняется процессами фракционирования (рис. 20А), однако, изотопия ОВ и нефти эвапоритовой страсфурской формации (Z2) не имеет значимых отличий (рис 20Б).

Рис. 21. Геохимические параметры переходного интервала между сеноманом (cm) и туроном (t) в разрезе Аксудере, Юго-Западный Крым (ресурсы Интернет): 1 - Ni; 2 - V; 3 - Cu; 4 -- пачка «черных прослоев» (слои 4-8); 5 - зона «парадоксального» накопления изотопов углерода

Известно, что океанический планктон существует в условиях дефицита питательных веществ, находящихся в биогенном круговороте [Эрхард, Сежен, 1984]. В результате этого средний радиоуглеродный «возраст» морских организмов (по С14) составляет около 430 лет. Водообмен в Сиваше и Кара-Богаз-Голе за счет испарения занимает 2-3 года, что должно находить отражение в изотопном составе ОВ.

Обращу внимание на соотношение изотопов в морских карбонатах - планктоне, атмосферной углекислоте и наземных растениях. В гипергалинных системах при преимущественно хемогенном осадконакоплении карбонатов, поступающих из океанического источника питания, планктонные галофиты могут использовать преимущественно атмосферный углерод. При этом накопление изотопов в планктогенном ОВ и минеральных карбонатах характеризуется противоположными тенденциями (рис. 20Б, 21). Аналогичная закономерность характерна и эвапоритовой формации Green River [Мюллер, Вингольц, 1972], а «парадоксальное» накопление изотопов, в сочетании с аномалией микроэлементов, может быть маркером начальных стадий аридного осадконакопления.

Накопление микроэлементов F, B, Br, Sr и др. морскими осадками отмечается в ходе осолонения, а наиболее ярким признаком начальных стадий осолонения является накопление U. В галогенных породах всегда присутствуют Fe, Mn, P, V, Cr, Ni, Co, Cu и другие микроэлементы. Однако высокие (2.85-4.39%) концентрации, например Fe, свойственны только «глинам», в доломитах и ангидритах его количество не превышает 0.88% [Страхов, 1962]. Формирование нефтепроизводящих отложений в эпиконтинентальных и шельфовых морях аридных областей позволяет объяснить синхронность накопления в них не только фосфатных, но и рудных месторождений (см. [Страхов, 1962; Справочник …, 1983; Hypersaline …, 1985]). Это не столько опровергает аргумент неорганической гипотезы [Бескровный, 1985; Севостьянов, 1999], сколько позволяет использовать при поиске месторождений УВ и сланцев данные рудной геологии и геохимические аномалии (см. рис. 21).

Биогенное осадконакопление. Участие галофитных организмов в формировании эвапоритовых осадков происходит даже на стадии «сухого» озера [Salinity …, 1966; Hypersaline …, 1985]. В Большом Соленом озере и Gavish Sabkha донные отложения представлены не только хемогенными карбонатными пластинами (0.1…1.5 мм) и терригенными материалами, но и биогенными илами, остатками бактериальных матов, хитина артемий и личиночных чехлов Ephydra. Формирование биогенных оолитов артемиями начинается еще в кишечнике и завершается в осадке. Деление фекалий мышечным действием кишки и разрушение длинных секций в водной среде и осадках предопределяют широкий диапазон длин (0.05…1.0 мм) при относительно постоянном диаметре (D ~0.1 мм). Биогенные оолиты содержат ~5.6% очень тонкого ила, ~84% CaCO3 и ~5.5% 2MgCO3+CaCO3. Оолиты D от 0.25 до 1 мм (рис. 22) обычно представляют кальцинированные коккоподобные клетки цианобактерий или хемоорганотрофов бактериальных матов [Hypersaline …, 1985].

Результатом жизнедеятельности цианобактериальных колониальных Coccochloris (Aphanothece) являются строматолиты 15-90 см в поперечнике, соединение которых приводит к появлению структур, разделенных клиновидными желобами, диаметром до 9 м. Размер гладких, пластинчатых известковых отложений табличной формы, сформированных Pleurocapsa, обычно не превышает 10-15 см. Узловатые корки, сформированные Aphanothece, на 77% состоят из карбонатов кальция и магния (11:1), 20% нерастворимых минеральных частиц, фекалий артемий и содержат 2% ОВ. В строматолитах Entophysalis доминируют карбонаты (93%) и глины (6.3%) [Salinity …, 1966]. Строматолиты и водорослевые маты отмечены на границе отложения галита, гипсов и доломитизированных осадков в четвертичных и современных отложениях аридных зон Тихого океана: эстуария Colorado River (Калифорния) [Thompson, 1975], Атлантики: Laguna Madre (Техас) [Miller, 1975]; Индийского - Shark Bay [Hagan, Logan, 1975]. В среднекаменноугольной формации Windsor (Канада) оолиты и строматолиты фиксируются при сокращении накопления скелетных форм (Brachiopoda, Echinodermata) [Shank, 1975]. Рифогенные постройки галофитных цианобактерий, например, в мелководной части межсолевой страссфуртской формации (Z2), являются прекрасными коллекторами для нефти (см. [Мюллер, Вингольц, 1972]).

Рис. 22. Оолиты эвапоритовой формации Windsor Group (слева, х13) ( по [Schenk, 1975]) и современного цианобактериального мата Gavish Sabkha (по [Hypersaline …, 1985])

Накопление органических веществ в современных донных отложениях зависит от процессов биопродуцирования и интенсивности хемогенного галогенеза. Если накопление пелоидов (=1.4 г/см3) в озерах и лагунах достигает 1.2-2(3.9) мм/год [Воронихин, 1953; Стащук и др., 1964; Сафьянов, 1987], что сравнимо с сезонной садкой доломитов и ангидритов (0.5-1 мм), то галит нарастает 5-10 см/сезон [Страхов, 1962].

Основным источником обогащения ОВ осадков «сухого» оз. Gavish Sabkha (S до 330 г/л) являются цианобактериальные маты: рецентные (Сорг.~5.67%) и захороненные (Сорг.~2.34%) [Hypersaline …, 1985]. Однако даже этого оказывается достаточно для накопления ОВ в количествах, сравнимых не только с остаточными ОВ в палеозойских (P1k ~262 Ma) эвапоритах, но и в современных океанических ДО (табл. 8). Промазки нефти в ишимбаевских ангидритах и битумы в галите купола Индер (северо-восточная часть Прикаспийской низменности), как и наличие водорослевых остатков в сульфатизированных доломитах [Страхов, 1962], дают основания считать их сингенетичными. Высокая газонасыщенность (CH4, H2S, N2, CO2, Ar и др.) свойственна также кунгурским (P1k) сильвинитам. Такой состав газов характерен не только эвапоритам и иловым водам рапных озер [Страхов, 1962], но и газовым залежам.

Таблица 8. Распределение органических веществ в донных отложениях различного генезиса (по [Страхов, 1962; Hypersaline …, 1985; Троцюк, 1986])

Примечания: QIV - оз. Gavish Sabkha; P1k - Кунгурский бассейн; * - внутренняя часть Океана, остальное - окраинная

На стадии отложения гипсов и галита современные осадки оз. Карачи (Зап. Сибирь; S~270г/л; Сорг.~3.7%) [Селиванов, 1991], Мертвого моря (S~275-330 г/л; ОВ ~3%) и Большого Соляного озера (S~264 г/л; ОВ ~2-6%) [Salinity …, 1966] вполне сравнимы с обогащенными ОВ (Сорг ~2%) ДО окраинных зон Океана. Однако они закономерно содержат на порядок меньше ОВ по сравнению с пелоидом карбонатной стадии осадконакопления оз. Тамбукан (Сев. Кавказ; S до 100 г/л; Сорг ~45.8%). Тамбуканский пелоид, кроме 16.15% пигментов, содержат 69.9% липоидов (33.0 свободных карбоновых кислот; 18.1 фосфолипидов (кефалины - 11.3 и лецитины - 6.8); 12.2 глицеридов, 3.48 стеринов и 3.14% эфиров стеринов) и только 5.54% серосодержащих веществ.

В солоноватоводных джеметинских (QIVdj) и пресноводных новоэвксинских (QIVnv) осадках Черного моря Сорг меньше 3%, тогда как в каламитско-витязевских (QIVkl-vt) илах - до 20% Сорг [Волков, 1984; Нефтегазо-генетические, 1984]. Они сформировались ~7 тыс. лет назад в результате лавинной седиментации отмиравшего пресноводного и морского планктона при прорыве морских вод в Новоэвксинское озеро, что может быть актуалистическим примером захоронения аллохтонных ОВ в зонах смешения вод эвапоритовых бассейнов.

Рис. 23. Строение отложений оз. Саки. Стадия I (1 - галит; 2 - галит загрязненный, 3 - глины); стадия II (4 - пелоиды (глины); 5 - рапа) (по [Страхов, 1962])

Ритмичность осадконакопления специфический и обязательный признак аридной седиментации. Смена садки солей в периоды аридизации климата биогенным осадконакоплением пелоидов при увлажнении зависит от размеров водоемов. Небольшие озера Казахстана и Зап. Сибири оказываются чувствительными к «внутривековым» (19-21…45-47 лет) циклам [Страхов, 1962], а в оз. Саки (Крым) 3-х метровый слой пелоида непрерывно откладывался на протяжении 2400 лет [Воронихин, 1953]. Стадийность накопления осадков, богатых ОВ, ниже и выше соленосной толщи (рис. 23) объясняет существование не только Трансильванского НГБ, где газ сконцентрирован в надсолевой толще (см. [Высоцкий, Кучерук, 1973]), но и приуроченность нефтегазовых скоплений к регрессивным циклам и начальным стадиям трансгрессий (см. [Успенская, 1972; Баженова, 1985]). Связь нефтегазоносности свит (P1-N2) с лагунными условиями и накоплением карбонатов на Скифско-Туранской, Западноевропейской, Русской и Северо-Американской платформах [Успенская, 1972] является одним из многочисленных подтверждений защищаемой гипотезы, поскольку морским карбонатным осадкам свойственны мизерные значения ОВ (см. табл. 8). Указанным критериям полностью отвечают, по меньшей мере, Задонско-Елецкий (межсолевой) нефтеносный горизонт Припятского прогиба (девон) и вертикальная приуроченность нефти и газа на структуре Кортемагиоре, сформировавшейся в конце тортона - верхнем миоцене [Лонг и др., 1972], т.е. на предэвапоритовой стадии мессина [Чумаков, 2000]. Поскольку эти случаи можно попытаться объяснить миграцией УВ и УВГ, рассмотрим генезис сланцев, в сингенетичности которых трудно усомниться.