Палеогеологические карты

Палеогеология может быть определена как наука, изучающая геологию различных геологических периодов прошлого [15]. Соотношение между палеогеологией и палеогеографией такое же, как между геологией и географией. Изучение палеогеологии требует от исследователя, чтобы он представил себе

Фиг. 13-8. Упрощенная литофациальная карта, показывающая только существование фациальных замещений в формации или группе формаций.

Диаметр круга соответствует мощности картируемого интервала разреза, а величины секторов указывают на процентное содержание каждого типа пород, sh - глинистые; ls - известняки; ss - песчаные.

Фиг. 13-9. Карта распространения грубозернистых обломочных пород в пенсильванских отложениях юго-восточного Колорадо (Мaher, Bull. Am. Assoc. Petrol. Geol.. 37, p. 2485, Fig. 10, 1953).

Наблюдается увеличение зерен осадков по направлению к западу, обусловленное, вероятно, расположенным поблизости массивом суши, служившим источником сноса.

Фиг. 13-10. Треугольная диаграмма, иллюстрирующая применение коэффициента обломочных пород и отношения песчаники - глинистые породы для картирования отложений, представленных разными литологическими типами пород (Sloss, Krumbein, Dapples, Memoir 39, Geol. Soc. Am., p. 101, Fig. 1, 1949). Величины коэффициентов обломочных пород используются в качестве интервалов между изолиниями, которые вместе с различными штриховками наносятся на региональные карты (см. также фиг. 13-11).

Фиг. 13-11. Карта коэффициентов обломочных пород; формация Спраберри (пермь) западный Техас (Wilkinson, Bull. Am. Assoc. Petrol. Geol., 37, p. 258, Fig. 4, 1953). Контур месторождения Спраберри обведен черной линией (см. также фиг. 13-10 и 13-21).

прошлую эпоху и рассматривал геологию поверхности данного района, существовавшую в это время.

Карты, показывающие палеогеологию древней поверхности, например поверхности несогласия, называются палеогеологическими картами. Эта поверхность может быть в настоящее время перекрыта более молодыми формациями; иногда палеогеологические границы на ней восстанавливаются, по крайней мере частично, в пределах территории, где вышележащие толщи полностью эродированы. На палеогеологическую карту наносятся формации, подстилающие и находящиеся в непосредственном контакте с подошвой опорного горизонта, залегающего над эрозионной поверхностью несогласия. Таким образом, для какой-либо территории одна палеогеологическая карта может отражать, к примеру, геологию предмеловой, а другая карта ‑ геологию предмиссисипской поверхности. Для построения карты наряду с данными бурения используются разрезы обнажений на поверхности земли. Когда количество собранных данных оказывается достаточным, на палеогеологическую карту наносятся границы формаций точно таким же образом, как и при составлении обычной геологической карты. Палеогеологическая карта может быть построена по любой поверхности несогласия. Локальные несогласия удобны для построения карт небольших участков, но для составления палеогеологических карт обширных территорий могут быть использованы только регионально развитые эрозионные поверхности. Палеогеологические карты могут охватывать площадь одной нефтяной залежи, седиментационного бассейна или целого континента. Общие принципы их составления и интерпретации во всех этих случаях остаются неизменными.

Палеогеологическая карта локальной площади приведена на фиг. 13-12. На ней показана геология участка вокруг залежи Апач в Оклахоме [16], какой она была к моменту начала отложения пермских пород. Перекрывающие поверхность несогласия пермские формации не были затронуты размывом и сохранились здесь до настоящего времени. Складка, которая сформировалась в предпермское время, создала условия для аккумуляции нефти и газа, образующих здесь промышленную залежь в песчаниках ордовика. Большая часть пород приподнятых слоев была эродирована, что, однако, не привело к разрушению залежи, если она была уже сформирована к тому времени. В результате образовалась почти горизонтальная поверхность, на которой позже отложились пермские породы. Структурное положение слоев в предпермскую эпоху было в основных чертах таким же, как и в настоящее время, что устанавливается по отсутствию деформаций в перекрывающих поверхность несогласия отложениях (см. фиг. 6-5 и 6-19). Как можно видеть по расположению пробуренных скважин, наиболее высокая сводовая часть современной структуры несколько смещена к северо-западу вдоль оси складки. Это, вероятно, обусловлено некоторым наклоном всей толщи отложений к юго-востоку, происшедшим в послепермское время.

В качестве еще одного примера на фиг. 13-13 приведена палеогеологическая карта восточного Канзаса и юго-восточной части Небраски ко времени начала отложения пенсильванских пород. Положение всех границ между формациями, показанных на карте, связано с эрозией и срезанием этих формаций в предпенсильванское время, когда формировалась поверхность несогласия, а не отображает, как это часто интерпретируют, положение древних береговых линий. Рельеф территории был почти полностью выровненным, за исключением невысоких холмов вдоль зоны разлома Немаха. Это доказывается повсеместным отсутствием сколько-нибудь заметных колебаний мощности перекрывающих отложений и резким их утонением в обнажениях вдоль восточного склона гор Немаха [17]. Точечной линией показано современное распространение формации Хантон (девон-силур), пунктирными линиями - аналогичные границы срезания формаций Вайола и Симпсон под предмиссисипской поверхностью несогласия и формации Арбакл (кембрий-ордовик) под поверхностью несогласия, формировавшейся перед началом отложения формации Симпсон. Поскольку все срезаемые формации, залегающие непрерывно от низов кембрия до кровли миссисипия, имеют одинаковые элементы залегания, следует полагать, что разрывные и складчатые деформации происходили на границе между миссисипским и пенсильванским временем. Поднятия вдоль тектонического разлома, ныне известные под названием «погребенный горный кряж Немаха», прослеживаются далеко к югу, в пределы Оклахомы. Может быть подсчитан и объем осадков, снесенных с этих поднятий во время их эрозии. Большая

Фиг. 13-12. Карта геологического строения района залежи Апач. округ Калло. Оклахома, ко времени начала отложения пермских осадков (Scott. Bull. Am. Assoc. Petrol. Geol., 29, p. 104. Fig. 4. 1945).

Эта карта может рассматриваться как палеогеологическая, поскольку она отражает геологию предпермского времени. Пермские отложения и в настоящее время распространены на территории залежи. Если считать, что контакты между формациями соответствуют простираниям формаций того времени, то при сравнении карты с современной структурой подстилающих ордовикских песчаников Бромайд (фиг. 6-5) обнаруживается смещение свода складки к северо-западу. Это, по-видимому, является результатом регионального наклона слоев к юго-востоку в послепермское время.

DS ‑ девон - силур; М ‑ миссисипий

их часть была отложена юго-восточнее, в морских бассейнах Чероки средне-пенсильванского возраста, которые трансгрессировали в этот регион с юго-востока, из Оклахомы и Арканзаса. Материал, слагающий многие из береговых песчаных баров, рукавообразных песчаных тел и линз песчаников, развитых на территории бассейна Чероки и в области шельфа к юго-востоку от кряжа Немаха, по-видимому, снесен с поднятий главным образом во время этого периода эрозии [18].

При рассмотрении палеогеологической карты, подобной описанной выше, у геолога-нефтяника возникает ряд вопросов: где была в то время нефть, залегающая ныне в допенсильванских отложениях? Какие ловушки, необходимые для аккумуляции скоплений углеводородов, существовали в предпенсильванское время? Каков был характер циркуляции подземных вод и каковы были гидродинамические градиенты до того, как в регионе

Фиг. 13-13. Палеогеологическая карта восточного Канзаса и юго-восточной частп Небраски ко времени начала отложения пенсильванских осадков (Tulsa Geol. Soc, Bull. Am. Assoc. Petrol. Geol., 35, p. 324, Fig. 78, 1951). Все показанные на карте границы распространения формаций не являются седиментационными. а образованы последующей эрозией. Пенсильванские отложения и в настоящее время повсеместно распространены на этой территории. Складки, которые существовали в период после отложения миссисипских и до отложения пенсильванских слоев, хорошо видны на карте и располагаются вокруг поля докембрийских пород, известного под названием «погребенный кряж Немаха». По этой карте можно подсчитать объем эродированных в то время отложений.

1 миссисипские известняки; 2 - Киндерхук (миссисипий); 3 - Хантон (девон - силур); 4 - Вайола-Силван (ордовик); 5 - Симпсон (ордовик); 6 - Арбакл (кембрий - ордовик); 7 - докембрийские граниты; 8 - граница распространения формации Арбакл; 9 - граница распространения формации Хантон; 10 - граница распространения формации Симпсон; 11 - граница распространения формации Вайола-Силван, U - поднятое и В - опущенное крылья сброса.

отложились толщи осадков пенсильванского возраста? Каким было региональное падение слоев? Как бы расположил буровые скважины геолог, если бы он искал нефть, например, в восточном Канзасе, в раннепенсильванскую эпоху? Желательно было бы все это знать, поскольку, если не будут установлены причины, которые могли привести к расформированию залежей, можно и ныне ожидать их открытие в тех участках, где они располагались в начале пенсильванского периода. Огромное количество нефти и газа, должно было быть рассеяно, когда был поднят и эродирован антиклинальный горный хребет Немаха. Не могла ли часть нефти¹ быть вынесена к юго-востоку вместе с обломками горных пород и послужить источником для образования здесь новых скоплений в песчаниках Чероки? На вопросы, подобные этим, можно ответить с разной степенью точности ж полноты в различных регионах. Для этого составляются карты фаций, изопахит и палеогеологические карты, которые в совокупности неизмеримо увеличивают наше понимание геологической истории нефтегазоносных провинций и облегчают тем самым поиски в их пределах новых месторождений нефти и газа.

Палеогеологическая карта для территории целого континента приведена на фиг. 13-14. Здесь показана геология западной части Североамериканского контитента, какой она была к началу мелового периода. Последовательное перекрытие формациями меловой системы разновозрастных отложений - от юрских на западе до кембрийских на востоке - отражает одну из величайших морских трансгрессий в геологической истории Северной Америки. Такое залегание свидетельствует о том, что между юрским и меловым периодами эта обширная территория была наклонена в западном направлении. Положение показанных на карте границ между формациями явилось результатом их размыва и ни в коей мере не соответствует древним береговым линиям (как они часто интерпретируются на палеогеологических картах). Прибрежные зоны бассейнов могли располагаться вблизи этих границ или находиться от них на сотни миль восточнее. Выяснить это можно только после дополнительного изучения фаций вдоль границ современного распространения отложений.

На фиг. 13-15 показан структурный разрез от Нью-Мексико до центральной части Техаса (положение разреза см. на фиг. 13-14). Видно несогласное трансгрессивное залегание меловых отложений на наклоненных и срезанных размывом формациях домелового возраста. На фиг. 13-16 иллюстрируются изменения пластового давления и температуры, происходившие в период поднятия, эрозии и перекрытия эрозионной поверхности трансгрессивно залегающими меловыми осадками. Здесь на верхнем разрезе показано современное соотношение меловых отложений с подстилающими их срезанными формациями, возраст которых с запада на восток (через юго-восток Нью-Мексико к центральной части Техаса) на расстоянии около 700 миль изменяется от юрского до пенсильванского. На крайнем востоке за пределами разреза на выступе Льяно в Техасе меловые отложения залегают непосредственно на докембрийских породах. Срезание домеловых толщ происходило в послеюрское время, поскольку границы всех более древних формаций на палеогеологической карте практически параллельны друг другу и перекрываются эти формации меловыми породами строго последовательно от юрских до докембрийских с запада на восток через всю рассматриваемую территорию. На нижнем разрезе показана та же территория, но здесь реконструирована обстановка, предшествовавшая поднятию и срезанию отложений, т.е. обстановка, существовавшая до накопления меловых осадков.

¹Как отмечалось, вряд ли возможно непосредственное переотложение нефти из более древних осадков в молодые. Наблюдения над современными осадками, особенно в зонах массовых потерь нефти (авария с танкером «Торри-Каньон» и др.), показывают, что такого переотложения нефти не бывает. - Прим. ред.

Фиг. 13-14. Палеогеологическая карта западной части Северной Америки к началу отложения осадков мелового возраста.

1 - юра; 2 - триас; 3 - пермь; 4 - пенсильваний; 5 - миссисипий; 6 - девон; 7 - силур - ордовик; 8 - миссисипий - девон - силур - ордовик - кембрий; 9 - докембрий.

Фиг. 13-15. Структурный разрез по линии АА' (см. фиг. 13-14) от Нью-Мексико до района свода Бенд в Техасе. Наблюдается трансгрессивное несогласное залегание меловых отложений (К) на срезанных эрозией более древних формациях от юры (J) на западе до Пенсильвания (Рm) на востоке. Региональный наклон всех домеловых формаций к западу образовался, по-видимому, в послеюрское время.

Фиг. 13-16. Схематический разрез по линии АА' через юго-восток Нью-Мексико и западный Техас.

На верхнем разрезе показаны геологические условия, существующие в настоящее время, а на нижнем те же условия до поднятия, происшедшего в восточной части разреза, последующего срезания и перекрытия региона формациями мелового возраста. Поднятие пород, содержащих скопление нефти (показано черным кружком), с глубины 8000 футов (на нижнем разрезе) до глубины около 100 футов (на верхнем) обусловило уменьшение температуры и давления, что привело к созданию горизонтальных градиентов температуры и пластового давления и изменению состояния пластовых флюидов в связи с новыми условиями. Это был именно такой период, когда процессы миграции, видимо, протекают наиболее активно, а в имеющихся ловушках происходит аккумуляция залежей нефти и газа (буквенные обозначения см. на фиг. 13-14).

Фиг. 13-17. Диаграмма, иллюстрирующая результаты регионального наклона коллектора (например, пласта, показанного на фиг 13-15 и 13-16).

Представим себе, что АВ – это запечатанная трубка, содержащая песок, нефть, пузырьки газа и воду и находящаяся под давлением 1000 фунт/кв.дюйм (~70 атм), равным перепаду гидростатических давлений между точками В и В'. Если точку В поднять

до уровня Вʹ, силы плавучести вызовут перемещение пузырьков газа и частиц нефти от А к В при условии, что будет достигнута достаточная фазовая непрерывность, чтобы преодолеть давление вытеснения. Однако, если трубка будет разорвана, например, в точке В' (что соответствует эрозии в природных условиях) то давление флюидов упадет до атмосферного, к силам плавучести добавится гидродинамическая составляющая, возникнет фазовая непрерывность газа от точки С до точки В' и движение газа вверх по восстанию резко ускорится.

Например, пластовое давление в нефтенасыщенных породах, показанных на разрезе черным кружком, достигало примерно 3600 фунт/кв. дюйм, что соответствует глубине залегания около 8000 футов. При региональном воздымании восточной части территории и сопутствующей эрозии пластовое давление падало до тех пор, пока оно не достигло 45 фунт/кв. дюйм на глубине около 100 футов (см. верхний разрез фиг. 13-16). Падение давления, обусловленное поднятием и срезанием пластов, все более увеличивалось в восточном направлении, что привело к созданию наклоненной к востоку потенциометрической поверхности. Вместе с изменением давления и температуры в каждом коллекторском пласте происходили изменения в равновесном состоянии пластовых флюидов. Поэтому можно ожидать, что в период поднятия пород, эрозии и перекрытия их меловыми осадками пластовые флюиды «приспосабливались» к новым условиям. Обладающие плавучестью нефть и газ в это время, по-видимому, испытывали расширение, мигрировали и начали заполнять все существо­вавшие уже ловушки. Ловушки, сформировавшиеся позднее этого времени, вероятно, должны быть непродуктивными. Эффекты, вызванные региональным наклоном, схематично показаны на фиг. 13-17. В связи с этим становится очевидной важность определения времени формирования ловушки по отношению к началу нарушения равновесия пластовых давлений. В истории почти каждого седиментационного бассейна был один или несколько периодов изменения пластовых давлений в результате происходивших поднятий и срезания пластов. Вероятнее всего, именно к этим периодам приурочены основные этапы миграции нефти и газа, вызванные приспособлением к новым условиям.

В результате уменьшения пластовых давлений, как, например, в случае наклона и трансгрессивного перекрытия меловыми отложениями срезанной подстилающей толщи пород на западе Северной Америки, должно высвобождаться огромное количество энергии. Ситуация, показанная на фиг. 3-15, характерна не только для Нью-Мексико и Техаса, но и для всей территории, протягивающейся на север, вплоть до Канады, на расстояние свыше 2500 миль (фиг. 13-18), шириной около 750 миль. В пределах названной территории общей площадью 1 625 000 кв. миль любое скопление нефти и газа было видоизменено в связи с уменьшением пластового давления и изменением гидродинамического градиента. В результате произошло перераспределение залежей в соответствии с новыми условиями. В действительности изменение этих условий могло происходить на гораздо большей по площади территории, чем та, которая показана на карте. Следовательно, каждая региональная поверхность несогласия отражает этап, в течение которого в связи с изменением условий в пластах широко развивались процессы миграции углеводородов, и в каждой залежи нефти, крупной или мелкой, содержащейся в породах, залегающих под несогласием, вновь восстанавливались равновесные условия.

Основываясь на анализе палеогеологической карты, можно сделать важные выводы относительно геологической истории любой рассматриваемой площади. Распространение формаций, залегающих ниже поверхности несогласия, обычно совершенно иное, чем то, которое мы видим на геологической карте современной земной поверхности. Поэтому палеогеологическая карта может рассматриваться как совершенно новая геологическая карта района, но построенная по другой, более древней, чем современная, эрозионной поверхности. Она показывает, какие формации были эродированы на этой древней поверхности, и площади, служившие источниками сноса обломочного материала, а эти данные в свою очередь помогают уточнить положение древней береговой линии. При интерпретации соотношений более древних и молодых отложений устанавливается структура залегающих под поверхностью несогласия слоев в том виде, в каком она существовала во время формирования поверхности. Составленная для определенной территории серия палеогеологических карт, каждая из которых отражает строение одной из нескольких толщ отложений, разделенных поверхностями несогласия, делает возможным отчетливо представить себе основные этапы геологической истории района. Подобная серия палеогеологических карт вместе с картами фаций и изопахит позволяет дифференцировать геологическую историю рассматриваемой области на ряд отдельных составляющих ее этапов и подвергнуть каждый из них количественному изучению. Такой

Фиг. 13-18. Палеоструктурный разрез через западную Канаду (по линии ВВ' на фиг. 13-14) к концу юрского времени (внизу) и к началу отложения трансгрессивно залегающих меловых осадков (вверху).

Очевидно сходство этих разрезов с разрезами Техаса (фиг. 13-16). находящимися в 2000 милях южнее. Это свидетельствует о том, что наклон к западу, срезание отложений и трансгрессивное перекрытие эрозионной поверхности более молодыми отложениями, происходившие на границе юры и мела, характерны для всей этой части платформы. Буквенные обозначения см. на фиг. 13-14.

совокупный анализ различных карт является не только более совершенным методом изучения геологической истории региона, но и помогает оценить перспективы нефтегазоносности и выбрать направление поисково-разведочных работ.