Лекции_Общая геохимия

бонаты мезозойского или палеозойского возраста. Роль терригенных коллекторов на больших глубинах незначительна. Пластовые газы больших глубин этих впадин выделяются большой пестротой состава. Среди них присутствуют залежи углекислого состава, большинство которых связано с впадиной Грин-Ривер. Эти пластовые газы иногда содержат много сероводорода (до 34,9%). Содержание азота и гелия в них варьирует от сЙёдов до 13,6% и от следов до 0,99%, соответственно. Самые высокие парциальные давления гелия (до 1,1 МПа) на больших глубинах обнаружены во впадине Грин-Ривер в карбонатах ордовика на месторождении Тип-Топ. Однако преобладают пластовые газы углеводородного состава. Среди последних встречаются как сухие, с метанэтановым отношением более 160, так и жирные, с этим же отношением менее 40.

Ко второй группе следует отнести пластовые газы кайнозойских коллекторов желоба Галф-Кост и Южно-Каспийской впадины. Коллекторы этих газов связаны с мощными толщами терригенных осадков. Карбонатные коллекторы отсутствуют. Пластовые газы больших глубин этой группы выделяются относительной однородностью состава. Все они углеводородные. Содержание диоксида углерода, как правило, не превышает 5% и характеризуется значениями 1—3%. Содержание азота не превышает 1%. Концентрации гелия измеряются тысячными долями процента. Содержание метана и его гомологов превышает 90%. Концентрация тяжелых УВ, как правило, превышает 4%. Значение отношения метана к этану обычно не превышает 50, чаще всего варьирует от 10 до 40.

Контрольные вопросы:

1.Основные состояния нахождения газов в подземной атмосфере.

2.Дайте определение, какой газ называется диспергированным?

3.Что представляют собой гидраты?

4.При каких условиях нормальный бутан образует гидрат?

5.Для какого интервала концентраций разведанные запасы этана превышают 50%

6.Напишите общую формулу предельных УВ в составе газа.

7.Ниже какой глубины состояние изученности недр предельно мало?

171

14. ГЕОХИМИЯ ГАЗОВ МАГМАТИЧЕСКИХ И МЕТАМОРФИЧЕСКИХ ПОРОД

14.1. Газы грязевых вулканов

Грязевой вулкан - природное явление, приуроченное к областям альпийской складчатости, характеризующимся высокой тектонической активностью, широким развитием осадочных терригенных толщ мезозойско-кайно-зойского возраста мощностью до 10-20 км, наличием антиклинальных структур, осложненных крупными региональными нарушениями, связанными с глубинными разломами. Грязевой вулканизм известен в Италии, Румынии, на о. Тринидат, в Колумбии, Венесуэле, Северном Иране и т. д. Из более чем 600 известных в мире грязевых вулканов более трети (270) сосредоточена на Юго-Восточном Кавказе. Грязевые вулканы развиты также на Керченском и Таманском полуостровах, в Восточной Грузии, Западной Туркмении, на о. Сахалин.

В процессе деятельности грязевых вулканов на поверхность Земли выносятся громадные массы пород, вод и газов.

Изучение химического состава газов грязевых вулканов Азербайджана, Кер- ченско-Таманской области, Западной Туркмении и других областей, проведенное многочисленными исследователями в процессе поисково-разведочных работ на нефть и газ, показало, что они состоят главным образом из метана, углекислоты и азота (табл. 14.1). Газы грязевых вулканов, в отличие от газов нефтяных месторождений, характеризуются очень незначительной примесью тяжелых УВ.

Каждой области развития грязевого вулканизма свойственны газы с определенным и характерным для них составом. Так, газы грязевых вулканов Прикас- пийско-Кубанской области и Азербайджана характеризуются более

низкими концентрациями метана, незначительным содержанием тяжелых УВ и наиболее высокими значениями азота и инертных компонентов. Это — область, где наблюдается

172

уменьшение мощности отложений и наименьшая активность грязевулканических процессов. По мере удаления от Кавказского хребта в южном, юго-восточном направлении и увеличения мощности кайнозойских отложений, тектонической раздробленности осадочного чехла активность грязевулканических процессов возрастает, что находит отражение в изменении состава газов — увеличении концентрации углеводородов й снижении азота и инертных компонентов. В Апшеронской и Шемахино-Ко-быстанской областях газы грязевых вулканов отличаются максимальным содержанием метана — до 99%, а в газах грязевых вулканов Прикуринской области и Бакинского архипелага содержится небольшое количество ТУ.

Основными факторами, определяющими газохимические особенности грязевых вулканов, являются геотектонический режим и мощность осадочного чехла молодых прогибов. Действие этих факторов неоднозначно в различных регионах и даже в различных частях отдельного региона, что и обусловило образование газов, значительно отличающихся по составу. Так, например, в областях, характеризующихся повышенной геотектонической активностью и относительно меньшей мощностью осадочного чехла (о. Сахалин, Керченско-Таманская область), газы грязевых вулканов отличаются более высоким содержанием диоксида углерода (до 90%). В областях с большей мощностью осадочных отложений и меньшей геотектонической активностью (Азербайджан, Западная Туркмения) СО2 в газах присутствует в пониженных количествах и даже может отсутствовать.

Важнейшим вопросом грязевого вулканизма является генетическая связь с нефтегазоносностью. Грязевой вулканизм свидетельствует об интенсивной генерации, миграции и аккумуляции углеводородных газов. Исследование химического состава твердых, жидких и газообразных выбросов грязевых вулканов, а также изотопные исследования газовых компонентов показывают, что очаги грязевых вулканов залегают на глубинах 8—10 км и более, в главной зоне газообразования.

Таким образом, грязевые вулканы, являясь очагами периодической разгрузки глубинных флюидов, указывают на интенсивную генерацию углеводородных газов на больших и сверхбольших глубинах и являются надежными показателями оценки газоносности глубоких горизонтов.

14.2. Газы метаморфических и магматических пород

14.2.1. Газы метаморфических пород

Газы метаморфических пород характеризуются чрезвычайно разнообразным составом. На флюидный режим метаморфизма оказывают влияние два типа развития метаморфических процессов:

метаморфизм, осуществляемый за счет флюидов и исходного субстрата самой породы при повышении (или снижении) температуры и давления,

метаморфизм с массопереносом из глубинного эндогенного источника, когда привносимые флюидами из нижних горизонтов коры или мантии калий, крем-

ний, алюминий, натрий производят интенсивную гранитизацию огромных блоков коры или же формируют региональные метасоматиты.

Представление о флюидном режиме метаморфизма можно получить, изучая газы газо- во-жидких включений метаморфических пород. Эти газы, постоянно присутствующие в толщах горных пород на разных глубинах, в процессе кристаллизации герметично изолированные в теле минерала, наименее всего загрязнены газами окружающей среды и отражают состав флюида, взаимодействующего с породой. Считается, что наиболее достоверные данные о газовом составе минералообразующей среды метаморфических пород получают при механическом разрушении минералов.

Для органической геохимии наибольший интерес представляют газы параметаморфических пород, т. е. пород первичного осадочного происхождения.

173

При изучении метаморфизма осадочных пород Тахталыкской гряды А. П. Семеновым было установлено, что одной из отличительных черт флюида является повышенное содержание Н2 и СН4, соответственно 1,1—4,4 и 0,004—0,02 см3 /кг, которое автор связывает с первичным обогащением пород органикой.

При валовом изучении пород, возможно, извлекаются газы не только флюидальной среды метаморфизма, но и захороненные с осадочной толщей.

Изучен состав газовой фазы типично метаморфического минерала — граната северной части хр. Шеклтона в Антарктиде [Прасолов Э. М., 1985 г.].

Исследовались две группы образцов:

одна из зоны экстремально глубинных условий метаморфизма, соответствующей фации альмандиновых амфиболитов высоких давлений (р > 1000 МПа, Т > 700°С);

другая — из зоны, в которой условия метаморфизма отвечают фации альмандиновых амфиболитов пониженных давлений (р= 400-600 МПа, Т- 550-600°С).

При рассмотрении результатов измерений следует прежде всего отметить повсеместное присутствие метана; его максимальная концентрация 83%, причем содержание углеводородных газов в образцах из зоны наиболее глубоко метаморфизованных пород намного выше. Вторым важным фактором является наличие гомологов метана (С2Н6 и др.). Их отношение с метаном в большинстве образцов (0,01÷0,02) близко к таковому в газовых месторождениях. Заслуживает внимания также обнаружение свободного кислорода в некоторых образцах менее метаморфизованных пород.

Различие в содержании углеводородных газов двух зон может быть связано с более жесткими условиями метаморфизма в одной зоне или большей концентрацией углерода (вероятно, органического происхождения).

Другой причиной, приведшей к различию облика газов двух зон, может быть разный состав газов флюидальной системы, инъецированный при метаморфизме с больших глубин. Исследованное отношение изотопов гелия в этих породах ( 3Не/4Не = 3÷20).10-8) свидетельствует в пользу корового происхождения УВГ. Количество метана до 90% отмечалось также во включениях флюидов параметаморфических пород Р. Крулином и Р. Д. Шилингом.

Вообще количество метана в метаморфических породах соизмеримо с таковым в осадочных, а в некоторых случаях даже выше. Максимальным содержанием метана характеризуют-

ся кварцевые жилы биотитовых и гранат-биотитовых гнейсов Печенгской структуры — 40 см3/кг.

График взаимосвязи углеродсодержащих газов и СОрг (рис. 14.1) показывает, что существует общий тренд зависимости количества углеродсодержащих газов от содержания СОрг в породе. Линия связи располагается под углом 45°, что свидетельствует о линейной связи содержаний углеродсодержащих газов и Сорг. Наличие корреляционной связи указывает на то, что источником углеродсодержащих газов является органический углерод

174

Из этих данных вытекает, что для мантийных пород характерна невысокая газонасыщенность, значительное преобладание водорода и низкие, содержания метана; С2Н6 и С3Н8 зафиксированы в количествах 0,0002-0,0005 см3/кг по-

роды.

Рис. 14.1. Зависимость углеродсодержащих газов (УВГ) и Сорг в параметаморфических породах Тянь-Шаня (1) и Средней Азии и Казахстана

(2).

по сравнению с ними газонасыщенностью, меньшей ролью Н2 и большей — СО2 и N2 (табл.14.2). Кимберлиты, подвергшиеся эпигенетическим преобразованиям, отличаются значительно меньшей, по сравнению с неизмененными, газонасыщенностью.

Таблица 14.2 Состав газов кимберлитов (по данным Б. Г. Лутца и др. [1976 г.]

Интрузивные породы. Породы базит -гипербазитовых комплексов. В качестве примера можно привести данные по альпинотипным гипербазитам Анадырско-Корякской и Олюторско-Камчатскои складчатых систем и ассоциирующим с ними габброидам

(табл. 14.3 и 14.4).

Таблица 14.3 Состав и содержание газов в гипербазитах и габброидах (Агафонов, 1973; 1976)

Таблица 14.4 Сравнение средних содержаний газов в дунитах Анадырско-Корякской и Олюторско-

Из приведенных данных следует:

1) общий объем газов и роль восстановленных газов в гипербазитах закономерно снижается от дунитов к серпентинитам;

176

2) роль углекислоты в гипербазитах закономерно возрастает от дунитов к серпентини-

там.

Многократными анализами различных образцов одной и той же пробы авторами показано, что распределение Н2 и СН4 в породах равномерное, а СО2 — напротив,

Таблица 14.5

Содержание газов в минералах гипербазитов и габброидов (по Л. В. Агафонову [1976 г.])

неоднородное. Однако вывод авторов об равномерности распределения восстановленных газов справедлив только для однотипных пород одного региона.

Анализ мономинеральных фракций из этих пород показывает, что содержание газов в минералах снижается от высокотемпературных к низкотемпературным, т. е. ранние по времени выделения минералы захватывают значительно большие количества газов. Эти данные говорят об интенсивной дегазации ультраосновных — основных расплавов гипербазитовых комплексов в процессе их кристаллизации, в основном происходит потеря Н2.

Расслоенные б а з и т - г и п е р б а з и т о в ы е массивы. В литературе приводятся данные по составу газовой фазы пород Мончегорского плутона (табл. 14.6). Во всех породах отмечено присутствие гелия около 0,003 см3/кг и С2Н6 и С3Н8 до 0,001 см3/кг. В них прослеживается та же тенденция, что и в породах альпинотипных гипербазитов — газонасыщенность закономерно снижается от наиболее ранних перидотитов к поздним пи-

дочных скважин. Наибольший дебит этих скважин — 100—200 см3/мин. Состав газов, поступающих из разных скважин, примерно одинаков, хотя для скважин, прошедших более «свежие» породы, характерны более высокие концентрации Не и Н2.

Обращают на себя внимание высокие по сравнению с газами пород концентрации УВ и гелия и низкие — водорода. Изотопный состав углерода

177

(углеводородных газов) меняется от —4,6 до —6,0 ‰ σ13С.

Породы интрузий трапповой формации. Состав газов в породах трапповых интрузий был изучен по оригинальной методике, основанной на измельчении проб в вакууме с последующим масспектрометрическим анализом. В результате проведенных исследований выявлено, что трапповые интрузии отличаются большой пестротой состава газовой фазы. Выявлены три различных варианта составов: СН4—N2—Н2 (преобладает водород); N2—СН4 (преобладает метан) и N2 (табл. 14.7). Анализ геологических условий их локализации, особенностей петрогенезиса и процессов рудообразования позволяет говорить о зависимости состава газовой фазы неизмененных пород от всех этих факторов. Для всех трапповых интрузий характерно обогащение Н2 и Не прикровельных частей интрузии, в интрузиях с существенно водородным составом газовой фазы — наиболее ранних пикритовых габбро-долеритов. При длительной эволюции расплавов в наиболее поздних породах — лейкократовых габбро и такситовых габбро-долеритах — газовая фаза окисляется и содержание СО2 достигает 32 об.%. Отсутствие окисленных флюидов говорит о сравнительно непродолжительной эволюции расплава.

Щелочные породы. Исследование газовой фазы пород щелочных комплексов показало, что они делятся на две группы. К первой относятся щелочные породы агпаитовой серии, которые были изучены на примере Хибинского, Среднетатарского и Иллимауссакского массивов. Для них характерна весьма высокая газонасыщенность, резкое преобладание СН4 и высокие содержания С2Н6 и С3Н8 в газовой фазе (табл. 14.8).

Несмотря на резкое преобладание СН4, в породах Хибинского массива все же прослеживается тенденция, аналогичная базитам и ультрабазитам — снижение роли Н2 и повышение роли СН4 в ряду от ранних пород к поздним. Однако эволюция газонасыщенности пород здесь противоположна: от ранних к поздним она резко увеличивается.

Ко второй группе относятся породы щелочных массивов, в ходе формирования которых происходит смена состава газов от существенно водородных до существенно метановых, и

178

Средние и кислые породы. Для неизмененных эпимагматическими процессами средних пород характерна восстановленная газовая фаза, прикровельные породы обогащены Н2, вниз по разрезу нарастает содержание более низкотемпературного газа — СН4 (табл. 14.9). В гранитах, ассоциирующих со средними породами и базитами, газовая фаза существенно окислена, хотя и восстановленные газы играют в них большую роль.

Таблица 14.9 Состав газов средних и кислых интрузивных пород (по С. С. Неручеву [1988 г.])

14.3. Изотопный состав газа метаморфических и магматических пород

По немногочисленным данным метан изверженных пород, как и ожидалось, весьма тяжел. В щелочных породах было обнаружено распределение изотопов в ряду СН4—С2Н6— С3Н8, обратное тому, которое встречается в газах осадочной толщи. Здесь углерод становился легче. Этому явлению не найдено обоснованного объяснения.

Э. М. Прасоловым было проведено детальное изучение распределения изотопов гелия и аргона в микровключениях горных пород различного состава и происхождения. Во включениях были обнаружены в измеримых количествах все исследуемые изотопы (3Не, 4Не, 40Аг, 36Аг), их содержания и соотношения варьировали в широких пределах.

Отношение изотопов гелия 3Не/4Не находилось в основном в пределах 10 -7—10-6 , на порядок превосходя характерное для газов осадочной толщи. Доля мантийного гелия в породах, естественно, гораздо выше, но в большинстве случаев она все равно не превышала 10%, т. е. в газах изверженных пород гелий преимущественно коровый.

Отношение 40Аг/36Аг находилось в пределах 300—40000. Причем около половины всех образцов характеризовалось значением, превышающим 2000, что соответствует доле воздушного аргона 15%. Тем самым было показано, что хотя вклад флюидов близповерхност-

179

ного происхождения гораздо ниже, чем в осадочной толще, но все же заметен и в магматогенных и метаморфогенных процессах.

В целом изучение инертных газов пород показало, что в магматических и метаморфических породах присутствуют газы всех трёх источников: мантии, коры и атмосферы. Конечно, вклад второго из них и особенно третьего гораздо ниже, чем в газах осадочной толщи, но все же существен. Это говорит о том, что в формировании даже изверженных пород принимали участие флюиды, зародившиеся в неглубоких слоях коры, в том числе и в осадочной толще.

Контрольные вопросы:

1.Охарактеризуйте явление грязевого вулканизма.

2.Какие компоненты преобладают в газах грязевых вулканов?

3.Существует ли зависимость УВГ и Сорг в параметаморфических породах?

180