Газовая зональность в литосфере

Газоносность недр — явление планетарного масштаба. Практически нет пород и вод, не содержащих в том или ином количестве природных газов. Они присутствуют в любых формах и разных количествах в породах фундамента и осадочного чехла континентальной и океанической коры.

Накопленный обширный фактический материал по газоносности верхней части литосферы позволил сделать вывод о наличии планетарной террито-риальной (площадной) и вертикальной (глубинной) газогеохимической зо­нальности. В общих чертах суть этой зональности сводится к формированию в пределах крупных геоструктур I—II порядков газогеохимических провинций с четкими различиями в степени интенсивности газонасыщенности недр, в химическом и фазовом составах газов.

Формирование газового поля — это непрерывный геологический процесс. Исследование механизма его функционирования (химического, физического) в конкретной естественной обстановке недр позволяет достоверно решать многие вопросы геотектоники и геохимии, в их числе:

—возраст складчатости фундамента, скрытого под мощным чехлом осадочных отложений, выделение его гетерогенных участков, зон внедрения молодых магматических интрузий; выделение стабильных или, напротив, активизированных участков древней коры под осадочным чехлом в НГБ;

—трассирование всех систем флюидопроводящих разломов как в
фундаменте, скрытом под чехлом, так и в осадочном чехле; определение
степени и глубины современной проницаемости разломов, в том числе и для подкоровых глубин;

—оценка влияния тектонической активизации коры на интенсификацию процессов нефтегазообразования УВ в осадочном чехле и на рудогенез и многие другие.

В основе решения многих из этих вопросов лежат исследования как газогеохимического поля Земли, его основного геохимического облика, так и распределения, интенсивности и характера аномалий на его фоне.

В планетарном масштабе, в верхней, изученной части осадочной обо­лочки коры, под зоной гипергенеза, до глубин в основном 3- 5 км выделяется три следующих типа газогеохимических провинций, одинаково свойственных как континентальной, так и океанической корам: азотная, углеводородная, углекислая.

Именно они наиболее широко распространены и характеризуют основной состав газов на обширных территориях.

Азотные газогеохимические провинции преобладают в условиях срав­нительно стабильного геотектонического режима на территориях древних кристаллических щитов и раскрытых частей древних платформ с маломощным осадочным чехлом. Общая газонасыщенность недр в азотных провинциях обычно невысокая, свободные газовые скопления спорадичны и незначи­тельны по запасам. Газам этих территорий, особенно водорастворенным, нередко свойственна высокая гелиеносность, вплоть до 15%, редко - больше, но в промышленных количествах гелий здесь обычно не накапли­вается из-за низкой общей газоносности. Исключения есть, но редкие.

Провинции преимущественно углекислых газов территориально приуро­чены к обширным горноскладчатым массивам пород. Особенно четко они фиксируются по абсолютному преобладанию диоксида углерода и высокой газонасыщенностью пластовых вод в зонах недавнего интенсивного мета­морфизма карбонатных пород осадочного чехла.

Углеводородные газогеохимические провинции преобладают практически во всех зонах интенсивного разновозрастного осадконакопления и, особенно, в нефтегазоносных и угольных бассейнах. Именно этим провинциям свой­ственна самая высокая газоносность недр, и прежде всего свободная.

Необходимо подчеркнуть, что выделение газогеохимических провинций в чистом виде в некоторой мере условно, так как во многих из них количественно преобладают газы смешанного состава — азотно-углеводород-ные, углекисло-азотные и т. д. К тому же нередко состав водорастворенных газов отличается от состава свободных газовых залежей. Но общий гео­химический облик газов, характеризуемый частотой встречаемости тех или иных газовых компонентов, сохраняют свои различия в разных геоструктурных зонах литосферы.

Состав свободных газовых скоплений в осадочном чехле значительно более определенен, почти на 90% он углеводородный. На долю преиму­щественно азотных и кислых по составу газов приходится лишь около 10% объема выявленных запасов газа.

Внутри газогеохимических провинций могут выделяться области и зоны специфического газового состава - почти чисто сероводородные или смеси кислых с углеводородными газами, азотно-гелиевые, углекислые среди азотных, сухие метановые или, наоборот, жирные, обогащенные тяжелыми его гомологами и т. д.Иным геоструктурным зонам литосферы свойствен настолько пестрый и мозаичный состав газов, что отнесение их к какому-либо газогеохимическому типу становится вообще затруднительным. Чаще с этим приходится сталкиваться на обширных территориях складчатых массивов с недавним проявлением магматизма и интенсивной метаморфизацией пород чехла.

Общий газовый фон недр, входящий в понятие газогеохимической провинции формируется под воздействием множества, часто не связанных между собой, факторов. В их составе — источники образования или по­ступления газовых компонентов, формирующих газовое поле, механизм (химический, физический) их взаимоотношения между собой, а также с вмещающей средой — породой, флюидами; изменения термодинамической обстановки в недрах при тектогенезе и т. д. Все это меняет геохимический облик и интенсивность газового поля в разные геологические эпохи, поэтому наблюдаемое ныне газовое поле - это суммирующее следствие активности или, напротив, тектонической стабильности отдельных частей литосферы.

Особенно наглядно динамичность газового поля проявляется в углево­дородных газогеохимических провинциях, в глубоко прогнутых осадочных НГБ с изученной вертикальной геохимической зональностью пластовых (свободных) газовых скоплений. В общих чертах вертикальная газогеохи­мическая зональность в них сводится к тому, что глубже зоны гипергенеза, с преимущественно азотными водорастворенными, реже свободными газами располагается зона углеводородных газов, свободных и водорастворенных, в основном метанового состава. Ниже зоны углеводородных газов в от­дельных НГБ появляются газы смешанного углекисло-сероводородно-угле-водородного состава. Азота и инертных компонентов в них, как правило, мало. Граница между этими зонами определяется не столько глубиной, сколько термодинамическим режимом недр. В холодных впадинах с высокой интенсивностью осадконакопления углеводородные газы генерируются и сохраняются на глубинах свыше 10 км, что, в частности, подтверждается не только фактическими данными разведки, но и составом газов при грязевом вулканизме.

Во впадинах с активными термометаморфическими и магматическими процессами, в отличие от холодных впадин, резко возрастает частота встречаемости кислых газов, причем уже с глубин 4—5 км, а при суль­фатно-карбонатном разрезе они могут стать даже и преобладающими.

Необходимо отметить, что пестрота химического состава газов в жестких термодинамических условиях полигенна и определяется не только литолого-фациальным составом пород, в которых идут газогенерационные процессы, но и термохимическими процессами, например конверсией метана. Изучению последних особое внимание уделяли В. А. Соколов, А. Л. Козлов, Дж. Хант и другие отечественные и зарубежные исследователи. Приведем здесь лишь несколько примеров естественных реакций, широко распространенных в недрах, приводящих к появлению кислых газов.

Процессы глубинного выщелачивания карбонатов вследствие их гидро­лиза в присутствии пластовых вод приводят к накоплению диоксида углерода уже при температурах немногим более 100⁰С. Чем выше температура среды и ниже рН пластовых вод, тем больше образуется СО₂:

СаСО₃ + H₂O↔СаОН⁺ + ОН^- + СO₂,

2МgСО₃ + Н₂O↔ Мg₂ (OН)₂ СO₃ + СO₂.

При температурах свыше 150°С в присутствии сульфатов помимо гид­ролиза карбонатов могут идти реакции восстановления сульфатов углево­дородами:

CaSO₄ + СН₄↔ СаСО₃ + Н₂0 + H₂S,

NaSO₄ + СН₄↔NaCO₃ + Н₂О + H₂S.

В результате формируются сероводородно-углекисло-метановые газы. В более жестких термодинамических условиях, при температурах 200-400°С в присутствии воды возможны также и процессы конверсии метана:

СН₄ + 2 Н₂О↔ СО₂ + 4 Н₂,

с образованием и накоплением диоксида углерода. Выделяющийся водород при наличии в породах сульфатов восстанавливается до H₂S, в результате формируются залежи смешанного углекисло-сероводородно-углеводородного состава.

Естественно, что трехчленная вертикальная газогеохимическая зональ­ность в разрезе осадочного чехла четко проявляется лишь при достаточной его мощности, жестких термодинамических условиях и наличии эвапоритов в низах разреза. Более часто в разрезе НГБ, особенно в платформенных условиях, присутствуют лишь две газогеохимические зоны — верхняя азотная и нижняя углеводородная.

Детальные исследования характера изменения состава пластовых газов по вертикальному разрезу позволили выявить для ряда НГБ два типа направленности этих изменений в компонентном составе свободных угле­водородных газовых скоплений. Их основное различие состоит в неодина­ковом характере изменения по глубине содержаний гомологов метана. В одном из них оно резко увеличивается с глубиной, в другом - сохраняется постоянным или даже, иногда, уменьшается. Первый из этих вертикальных газогеохимических типов разреза для НГБ может быть назван нормальным, тогда как второй — аномальным или инверсионным.

В основе формирования этих закономерных различий лежит ряд ге­нетических и общегеологических причин, и их изучение целесообразно, поскольку может быть положено в основу решений поисково-прогностического характера.

Нормальный газогеохимический тип разреза характеризуется: увеличе­нием содержания гомологов метана с глубиной; широким диапазоном изотопного состава углерода метана — от -70 до -34‰. Хотя чаще преобладает изотопно-легкий метан, но с глубиной он утяжеляется; серо­водород практически отсутствует.

Для аномального, или инверсионного, газогеохимического типа разреза характерна в целом сравнительная сухость углеводородной части газов, которая к тому же нередко сопровождается снижением содержания гомологов метана с глубиной. Изотопный состав углерода метана преимущественно тяжелый, σ¹³С₁ достигает в нем —20°/₀₀. Характерно повышенное содер­жание сероводорода. Почти все крупные месторождения газовой серы связаны именно с этим типом газогеохимического разреза.

По характеру изменения содержаний азота и диоксида углерода с глубиной особых отличий в обоих типах разрезов не отмечается.

Нормальный газогеохимический разрез характерен для областей интен­сивного прогибания в мезо-кайнозое. Наиболее часто он обнаруживается в межгорных впадинах, передовых прогибах альпийской складчатости, реже - во впадинах молодых эпигерцинских плит. В разрезах таких структур преобладают молодые терригенные отложения. Региональные покрышки обычно не развиты; геотермические градиенты пониженные; на больших глубинах выявляются АВПД. Продуктивность связана преимущественно с многопластовыми газовыми месторождениями, с крайне высоким этажом газоносности, иногда почти от поверхности и вглубь до 6-7 км, возможно, и ниже. Инверсионный (аномальный) газогеохимический разрез свойствен кра­евым НГБ древних платформ и НГБ примыкающих к ним молодых плит, а также областям эпиплатформенного орогена. В составе пород преобладают карбонаты, велика также роль эвапоритов, нередко обеспечивающих на­дежное экранирование продуктивных толщ. Геотермический режим недр повышен, на больших глубинах обычны АВПД. Месторождения имеют ограниченный этаж газоносности.

Причины формирования двух этих сравнительно широко распростра­ненных газогеохимических типов разрезов можно рассматривать в достаточно широком аспекте. Они могут быть отражением двух последовательных этапов катагенеза РОВ. Нормальный газогеохимический разрез соответствует стадиям катагенеза до ГФН, инверсионный — после нее. Иногда отсутствие метановых газов на больших глубинах может быть обусловлено растянутостью стадий катагенеза вследствие холодного геотермического режима в этих НГБ. Но их формирование можно объяснять также и дифференциацией состава углеводородных газов, мигрирующих с больших глубин, а также и общими генетическими и миграционными факторами, проявляющимися по-разному в разнотипных по геологической истории развития НГБ.

Знание направленности изменения состава газов с глубиной, верти­кальной газохимической зональности в НГ6 позволяет более обоснованно решать вопросы прогноза углеводородной продуктивности больших глубин и возможного качества газового сырья.