Тектоника литосферных плит и нефтегазоносность Земли

Тектоника литосферных плит внесла исключительно весомый вклад и в нефтяную геологию. В этой важной области прикладной геологии состоялось и первое широкомасштабное и успешное практическое внедрение новой теории в практику поиска и разведки горючих полезных ископаемых. Но это произошло только в конце 70-х годов, а перед тем в США и России почти одновременно появились новые идеи о существовании исключительно мощного механизма генерации углеводородов из органического вещества, затягиваемого вместе с океаническими осадками в зоны поддвига плит. На рис. 150 показан механизм накопления углеводородов в теле островных дуг и активных окраин континентов при пододвигании под них океанических плит и перекрывающих их пелагических осадков.



Предположение смелое, но его ещё надо проверить. Поэтому и были выполнены простые, но весьма показательные расчёты. Поскольку длина всех современных зон поддвига плит достигает 40 тыс. км, средняя толщина слоя океанских осадков приблизительно равна 500 м, а средняя скорость поддвига плит 7 см/год, то оказывается, что в настоящее время под все островные дуги и активные окраины континентов ежегодно затягивается около 3 млрд т осадков. В океанских осадках обычно содержится около 0,5% органических веществ, из которых в углеводороды может перейти только 30 %. Тогда, очевидно, ежегодно в зонах поддвига плит может генерироваться около 5 млн т углеводородов (Сорохтин, Ушаков, Федынский, 1974). Сама по себе эта цифра не кажется большой, но за время развития на Земле высокоорганизованной жизни, т.е. в фанерозое, за последние 600-500 млн лет таким путём могло образоваться около (2,5-3)×10¹⁵ т нефти и газа, или в 1 000 раз больше, чем масса общих запасов этих горючих ископаемых, выявленных на Земле к началу 70-х годов!

Однако наибольшие скопления нефти и газа возникают в предгорных прогибах, образующихся в тех случаях, когда островные дуги и окраины андийского типа надвигаются на пассивные окраины континентов Атлантического типа с их мощными осадочными толщами, накопившимися на этих окраинах за время существования океана (рис. 151). В геологической истории Земли такие события происходили довольно часто. Таким путём образовались Аппалачи, Урал, Северо-Американские Кордильеры, большая часть Альпийско-Гималайского подвижного пояса и многие другие горные цепи мира. В Аппалачах и на Урале процесс столкновения островных дуг с древними континентальными окраинами полностью закончился соответственно ещё 350 и 250 млн лет назад; в Скалистых горах такое столкновение произошло около 100 млн лет назад; в Персидском заливе — около 20 млн лет назад, хотя процесс надвигания Загросской дуги на северо-восточный борт Аравийской платформы продолжается и в наше время, о чем свидетельствуют многочисленные землетрясения этого района и деформации самых молодых осадков. В Тиморском море можно наблюдать начальную фазу столкновения островной дуги Малых Зондских островов с северной окраиной Австралийского материка.



Как видно, результат проведенного расчёта получился впечатляющим: предполагаемый механизм действительно оказался исключительно мощным. Даже если его коэффициент полезного действия очень низок, то и тогда им можно было бы объяснить происхождение большинства из крупнейших нефтегазоносных провинций Земли. В связи с этим представлялось заманчивым сопоставить распределение нефтегазоносных бассейнов мира с расположением современных и, главное, древних зон поддвига плит. Когда же такое сопоставление было проведено, то оказалось, что по крайней мере 80 % всех мировых запасов нефти и газа действительно тяготеет к существовавшим в прошлые геологические эпохи зонам поддвига плит (рис. 152). Сюда относятся и уникальные бассейны Персидского залива, Венесуэлы, Среднего Запада США, Канады, Аляски, Индонезии и классические месторождения Аппалачей, Предуральского прогиба, Кавказа, Карпат и многих других регионов мира, в том числе и прогнозных провинций, например, в восточном краевом прогибе Восточно-Сибирской платформы и в поднадвиговых зонах Верхояно-Колымской складчатой зоны.



Изображённые на рис. 152 нефтегазоносные бассейны, тяготеющие к древним и молодым зонам поддвига плит свидетельствуют в пользу описанного механизма генерации углеводородов. Но одного такого совпадения мало. Требовалось ещё доказать, что океанские осадки действительно затягиваются в зоны поддвига плит, так как в начале 70-х годов это предположение вовсе не казалось очевидным. О решении этой задачи было сказано выше, при этом подчёркивалось, что факт затягивания осадков в зоны поддвига плит первоначально был обоснован теоретически и только затем доказан бурением. Кроме того, необходимо было ещё выяснить механизмы и режимы образования тех заполненных осадками краевых или предгорных прогибов, в которых обычно и концентрируются главные массы углеводородов, мигрирующих из-под соседствующих с ними зон поддвига плит. В осадках, накапливающихся на континентальных окраинах, всегда содержится органическое вещество. Иногда (как, например, в дельтах крупнейших рек) его концентрация достигает нескольких процентов, хотя обычно содержание органических веществ в таких осадках не превышает 1 %. По мере опускания континентальной окраины и постепенного её засыпания осадками нижние слои осадочной толщи уплотняются и прогреваются идущим снизу тепловым потоком. В результате осадки литифицируются (преобразуются в осадочные породы), а содержащееся в них органическое вещество подвергается термолизу и постепенно превращается в углеводороды. Этот процесс хорошо изучен и количественно рассчитан. Особенно большой вклад в изучение преобразования органического вещества в углеводороды внесли И. М. Губкин, И. О. Брод и Н. Б. Вассоевич, фактически создавшие осадочно-миграционную теорию образования нефти и газа.

Используя эту теорию и основные положения тектоники литосферных плит, удалось количественно рассчитать условия нефтегазогенерации в осадочных толщах, накапливающихся на пассивных окраинах континентов, и показать, что «созревание» нефти и газа в них происходит уже через 20-30 млн лет после образования самой континентальной окраины (Ушаков, 1979). В дальнейшем область генерации углеводородов существенно расширяется. На пассивных окраинах континентов миграция нефти в толще осадков происходит только под влиянием уплотнения нижележащих осадков, их прогрева и дегидратации и развивается вяло. Поэтому основная масса углеводородов здесь ещё находится в рассеянном состоянии, а крупные месторождения нефти и газа встречаются редко, тогда как гигантских и тем более уникальных скоплений горючих ископаемых и вовсе нет. Для более полной мобилизации нефти и газа, рассеянных в этих толщах, необходимо приложить к ним мощнейшие тектонические воздействия, способные «выжать» или «вымыть» из таких толщ большую часть содержащихся в них углеводородов. Такие воздействия обычно происходят на втором этапе развития краевых прогибов — при закрытии древних океанов и надвигании островных дуг на бывшие окраины континентов. Природа процессов раскрытия и закрытия океанов рассматривалась выше, поэтому здесь остановимся только на тех геологических процессах, которые приводят к формированию в предгорных прогибах месторождений нефти и газа.

Как только островная дуга вплотную приближается к континентальному склону, происходят два события. Во-первых, с этого момента времени под тяжестью надвигаемой островной дуги резко ускоряется прогибание самой континентальной окраины, сопровождаемое увеличением скорости осадконакопления в формирующемся краевом прогибе. Во-вторых, из осадков, ранее накопившихся в полосе континентального шельфа и попавших теперь под островную дугу, в это время начинают выжиматься поровые воды и способные к миграции углеводороды. Этот процесс активизируется и поступлением из более глубоких участков зоны поддвига плит термальных вод, освобождающихся при дегидратации попавших туда осадков и пород океанской коры. Все эти горячие флюиды перемещаются вдоль напластований осадочных пород из-под островной дуги в область наименьших давлений, т.е. в сторону континентальных платформ. Одновременно с этим осадки, расположенные перед фронтом надвигаемой дуги, сминаются в складки, образуя систему ловушек для нефти и газа, в которых они постепенно скапливаются.

С возникновением молодого горного пояса заканчивается и формирование предгорных (краевых) прогибов с образованием в их осадочных толщах нефтегазоносных бассейнов. При этом накапливающиеся в таких прогибах нефть и газ поступают туда из двух источников. Во-первых, эти полезные ископаемые концентрируются за счёт мобилизации местной рассеянной микронефти, возникшей в самих материнских толщах, заполняющих прогибы, а во-вторых, благодаря миграции углеводородов из той части осадочных пород, которые к моменту формирования прогиба оказались затянутыми под тело островной дуги, надвинутой на континентальную окраину.

Мощность второго источника углеводородов исключительно высока. Так, если принять, что по береговой линии длиной около 1 000 км шельф континентальной окраины со слоем осадков толщиной до 15–17 км перекрывается фронтальным карнизом островной дуги на ширину до 100–120 км, как это, например, произошло в Персидском заливе при надвигании Загросской островной дуги на край Аравийской платформы, то оказывается, что в этом случае из зон поддвига плит в сторону краевого прогиба могло бы мигрировать несколько сотен миллиардов тонн углеводородов. С этим, по-видимому, связано то, что во многих крупнейших и уникальных нефтегазовых бассейнах мира (например, в Персидском заливе, Венесуэле, Атабаске Западной Канады и в других регионах) плотность запасов нефти и газа намного превышает нефтематеринские потенциалы толщ, в которых сформировались месторождения горючих полезных ископаемых. Реальные масштабы миграции углеводородов, однако, оказываются более скромными, чем это следует из расчётов. Это связано с тем, что часть нефти и газа сохраняется в поднадвиговых зонах, часто образуя там крупные скопления. Примером могут служить обнаруженные в конце 70-х годов ХХ в. богатейшие месторождения нефти и газа под надвигами Скалистых гор и Аппалачей, под офиолитовым покровом на Кубе, в Швейцарских Альпах, Новой Зеландии и в некоторых других районах мира. В этом отношении показательна история открытия новых нефтяных и газовых месторождений на Кубе и США. Кубинские и советские геологи (А. Л. Книппер), искавшие нефть на этом острове, были знакомы с идеями тектоники литосферных плит. Поэтому они ещё в середине 70-х годов смело пробурили сложенный серпентинитами офиолитовый покров и вскрыли под ним крупное месторождение нефти, сформировавшееся в меловых осадках поднадвиговой зоны Кубы.

Другим примером успешного использования тектоники литосферных плит может служить история выявления и ввода в эксплуатацию новых нефтегазоносных бассейнов в поднадвиговых зонах Скалистых гор и Аппалачей США. До 70-х годов эти районы традиционно относились геологами к малоперспективным или даже неперспективным. После появления новой теории геологи США пересмотрели своё прежнее отношение к поднадвиговым зонам горных поясов, отмечающим собой фронтальные участки бывших зон поддвига плит. Это позволило быстро развернуть поисковые работы в поднадвиговых зонах Кордильер, пояса Уачито и Аппалачей. В результате уже в 1975 г. в Скалистых горах США под структурами надвигов было открыто первое месторождение такого типа -Пайнвью — с запасами извлекаемой нефти до 18,3 млн т. По оценкам американских геологов, начальные извлекаемые запасы нефти и газа во вновь выявленных месторождениях одного только пояса надвигов Кордильер составляли на начало 1981 г. 2,1 млрд т нефти и 2,8 трлн м³ газа, что лишь в два раза меньше, чем текущие (оставшиеся) доказанные запасы нефти и газа в целом по стране. В последние годы были открыты новые нефтяные и газовые месторождения в Уачитском и Аппалачском поясах надвигов. Другим примером использования новых идей тектоники литосферных плит в нефтяной геологии является открытие крупного нефтяного месторождения «Белый Тигр», залегающего в ... гранитах кристаллического фундамента Вьетнамского шельфа. Месторождение это сформировалось над зоной поддвига литосферных плит мезозойского возраста благодаря насыщению трещиноватых пород кристаллического фундамента поднимающимися из зоны субдукции углеводородами (Арешев, Гаврилов и др., 1996).

В России столь же перспективными должны быть Восточно-Сибирский краевой прогиб (вдоль среднего и нижнего течения Лены) и поднадвиговые зоны Верхояно-Колымского складчатого пояса. Действительно, в этой окраинно-континентальной зоне и на пассивной окраине Палеосибирского океана, начиная с девона и до юрского возраста, накапливались мощные толщи осадков, попавшие в конце мезозоя в условия сжатия за счёт надвигания Колымского массива на восточный край Восточно-Сибирской платформы. В этом отношении по запасам углеводородов Восточно-Сибирская провинция должна быть даже более перспективной, чем Предуральский прогиб Русской платформы.

Значительные концентрации нефти и газа обычно возникают не только в крупнейших нефтегазоносных провинциях мира, тяготеющих к древним и молодым зонам поддвига плит, но и в погребённых под мощными толщами осадков континентальных рифтовых структурах или авлакогенах. В рельефе коренных пород (под осадками) рифтовые структуры, как правило, представляют собой вытянутые на многие сотни километров линейные впадины — грабены часто с крутыми ступенеобразными бортами сбросового происхождения. Ширина этих впадин обычно не превышает нескольких десятков километров. Типичными примерами молодых, ещё не заполненных осадками рифтовых впадин являются оз. Байкал в Сибири и система рифтовых разломов Восточной Африки, а примерами уже заполненных осадками рифтовых зон — авлакогенов, с которыми к тому же связаны широкие проявления нефтегазоносности, могут служить грабены Северного моря, Днепровско-Донецкая впадина, грабен Бенуэ в Африке и многие другие аналогичные структуры. Возникают авлакогены при расколах континентов, но только в тех случаях, когда раздвижение континентальных блоков было сравнительно небольшим и не сопровождалось образованием океанов. Такие структуры можно сравнивать с бороздами и шрамами в земной коре, оставшимися после «неудачных попыток» образования океанов.

Приуроченность многих нефтегазоносных бассейнов к древним континентальным рифтогенным структурам и авлакогенам объясняется сравнительно быстрым прогибанием их центральных участков — рифтовых долин. Такое прогибание обычно сопровождается накоплением в них мощных толщ континентальных или морских осадков. Природа погружений континентальных рифтовых зон та же, что и опусканий океанского дна, — благодаря образованию под рифтовыми долинами свежих участков литосферы за счёт охлаждения и полной кристаллизации горячего мантийного (астеносферного) вещества, поднявшегося перед этим в зазор между раздвинувшимися континентальными плитами. В связи с этим остаётся прежним и закон прогибания: глубина рифтовых впадин со временем увеличивается пропорционально квадратному корню из возраста её образования.

Процесс генерации углеводородов при этом развивается в самих осадочных толщах, накопившихся в рифтовых зонах, за счёт термолиза содержащихся в них органических веществ. Миграция углеводородов в таких структурах, как и на пассивных окраинах континентов, происходит, прежде всего, благодаря отжиму поровых и связанных вод при уплотнении и разогреве осадков в центральных и наиболее погруженных частях авлакогенов. Освобождающиеся таким образом воды вместе с углеводородами обычно перемещаются вдоль напластований осадочных пород от осей погребённых рифтовых зон к их флангам. Таким механизмом миграции хорошо объясняется частая приуроченность нефтяных и газовых месторождений к флангам и периферийным участкам древних рифтовых зон.

Наконец, в тех случаях, когда континентальная рифтовая зона после её заполнения осадками оказывается сжатой, все процессы отжима поровых и связанных вод и миграции углеводородов возрастают с особой силой. Однако и в этом случае таких уникальных бассейнов, как в Персидском заливе, Венесуэле или Атабаске, здесь не возникает, поскольку вся нефть авлакогенов автохтонна, т.е. образуется в самой толще, заполняющей рифтовую впадину, без дополнительного притока со стороны. Поэтому во всех бассейнах рифтового происхождения, как и на пассивных окраинах континентов, плотность запасов нефти и газа никогда не превышает (и обычно значительно ниже) нефтематеринского потенциала заполняющих эти бассейны осадков.

Тектоника литосферных плит позволила также предсказать, а затем и обнаружить новый источник углеводородов на Земле — абиогенный механизм генерации метана и водорода на океаническом дне. Так, в работе (Сорохтин, Ушаков, 1991) было показано, что гидратация пород океанической коры водами океана, содержащими растворенный углекислый газ, приводит к генерации абиогенного метана и водорода. Основная масса метана образуется при серпентинизации железосодержащих ультраосновных пород за счёт окисления двухвалентного железа до его трёхвалентного состояния и восстановления углекислого газа до метана, а водород освобождается благодаря диссоциации морской воды на двухвалентном железе. Такие реакции являются экзотермическими и при температурах около 400 °С проходят с выделением заметной энергии (Дмитриев и др., 2000; Сорохтин, Леин, Баланюк, 2001):







Скорость образования метана и водорода в океанической коре достигают по 9–10 млн т/год. Значительная часть генерируемого таким пут`м абиогенного метана и водорода, безусловно, теряется в океане, например, разносится течениями, как это наблюдалось на разрушающемся газогидратном поле в кальдере грязевого вулкана Хаакон Мосби в Норвежском море (Леин и др., 1998), и в конце концов выделяется в атмосферу. Но заметная часть этих газов при активном участии бактерий окисляются по реакциям непосредственно в водах самого океана:



При этом следует подчеркнуть, что реакции окисления CH₄ и H₂, а также H₂S происходят только с участием специфических групп микроорганизмов, потребляющих эти эманации.

Обычно метан и водород, выделяемые в гидротермах рифтовых зон срединноокеанических хребтов, поступают в воды открытого океана и в них рассеиваются. Но в тех случаях, когда медленно раздвигающиеся рифтовые зоны оказываются перекрытыми осадками, а также в осадочных отложениях по периферии океанов, под которыми тоже продолжаются процессы серпентинизации океанической коры, углеводороды уже могут накапливаться в осадочных толщах и формировать в них нефтегазоносные месторождения (Баланюк и др., 1995). При этом главным фактором преобразования CH₄, H₂ и H₂S в более сложные углеводороды, по-видимому, является жизнедеятельность бактерий, потребляющих метан, водород и сероводород и синтезирующих из этих газов органическое вещество. В процессе же диагенеза и катагенеза осадков органическое вещество со временем преобразуется в углеводороды более сложного состава, хотя «кормовой» базой таких органических углеводородов могут служить абиогенные CH₄, H₂ и H₂S. Однако помимо бактериальной переработки метана в органическое вещество и далее в более сложные углеводороды, по-видимому, существует и абиогенный путь синтеза более тяжёлых углеводородов благодаря каталитическим реакциям в природных условиях (Руденко, Кулакова, 1986). Таким естественным катализатором, например, может являться глинозём Al₂O₃ — главная составная часть всех глинистых грунтов. Способствовать этому могут и повышенные температуры в глубинах осадочных толщ, а также в не очень глубоких частях зон поддвига плит с ещё умеренной температурой прогрева осадков (до 500 °С).

Классическими примерами накопления углеводородов в осадочных толщах над рифтовыми зонами могут служить бассейны Калифорнийского залива и Красного моря. В Калифорнийском заливе рифтовая зона перекрыта слоем осадков мощностью около 400 −500 м. Благодаря тепловой конвекции эти осадки активно промываются океаническими водами и горячими гидротермами (рис. 153), питающими обильную бактериальную флору как в самой осадочной толще, так и на её поверхности. Об этом, в частности, свидетельствуют обильные бактериальные маты и «оазисы» придонной фауны, окружающие выходы горячих и тёплых гидротерм (Сорохтин, Сагалевич, 1994). Кроме того, из океанических вод Калифорнийского залива в бассейн также поступает органическое вещество. В результате осадочная толща бассейна в местах разгрузки гидротерм оказывается буквально насыщенной углеводородами (УВ), содержащими жидкие нафтоиды, концентрация которых достигает 3-4 %. В составе этих нафтоидов содержится около 65 % алифатических УВ, 15 % ароматических УВ и 20 % асфальтенов (Леин и др., 1998).



Близким по геодинамике является бассейн Красного моря, представляющий собой наиболее молодой океанический бассейн, возраст которого не превышает 30 млн лет. Прибрежные и периферийные участки бассейна перекрыты слоем осадков со значительной долей эвапоритов общей мощностью до 3 км. При этом в местах перекрытия рифтовой зоны осадками весь абиогенный метан и органическое вещество, как и в Калифорнийском заливе, во многом уже переработаны в более сложные углеводороды. Для формирования нефтегазоносных месторождений очень важное значение имели сменявшие друг друга трансгрессии и регрессии моря. Особенно большое значение имела последняя позднемеловая трансгрессия, когда в обширных мелководных морях, заливших тогда примерно 30% современной суши, в условиях повсеместно тёплого климата пышно развивалась жизнь, в изобилии питаемая органическими веществами, непосредственно поступавшими из открытого океана. Остатки этой жизни в форме нефти и газа находят во многих меловых отложениях, распространённых в наиболее богатых нефтегазоносных провинциях мира. Но крупные трансгрессии и регрессии моря, как правило, развиваются чрезвычайно медленно — примерно за 100–200 млн лет. Однако на их фоне часто наблюдаются кратковременные понижения уровня океана продолжительностью от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов лет. Амплитуда таких колебаний, как правило, не превышает 100 м (чаще 50–60 м), однако их последствия для нефтяной геологии очень важны. Действительно, для формирования нефтяных и газовых месторождений весьма существенно, чтобы в осадочных толщах нефтегазоносных бассейнов происходило чередование нефтематеринских и водоупорных слоев с коллекторными и водопроницаемыми слоями, например, глинистых и песчанистых отложений. Обычно глинистые отложения одновременно являются и нефтематеринскими слоями, а в песчанистых отложениях происходит концентрация и накопление нефти и газа.

Такая смена осадочных фаций обычно происходит по многим причинам, важнейшими из которых являются резкие изменения базиса эрозии суши, окружающей осадочный бассейн, и перемежающиеся закрытия и открытия связей океана с морскими впадинами, в которых накапливаются осадочные толщи. В подвижных поясах Земли такие колебания базиса эрозии определяются суперпозицией тектонических движений и эвстатических изменений положения океанического уровня, тогда как на платформах — в основном только эвстатическими колебаниями уровня океана. Но описываемые кратковременные регрессии океана как раз к таким эффектам и приводят. Насколько велико их влияние на геологическое развитие больших регионов — видно из следующего примера. В конце миоцена, около 5 млн лет назад (в месинское время), в связи с развитием Антарктического оледенения уровень океана резко понизился более чем на 100 м. В результате Средиземное и Красное моря оказались почти полностью отрезанными от океана, хотя в них через узкие проливы речного типа тогда и продолжала поступать океаническая вода. В результате эти моря стали высыхать, а на их дне началось накопление соленосных отложений (в Красном море толщина слоя соли достигает 3-4 км). В связи со значительным понижением уровня Средиземного моря впадающие в него реки прорыли себе крутые каньоны глубиной до 1,5-2 км. В это время произошло практически полное опреснение Чёрного моря, и оно фактически превратилось в гигантское пресноводное озеро, соединявшееся рекой, протекавшей по глубоким каньонам Босфора и Дарданелл, с той соленосной впадиной, которая только и оставалась тогда от многоводного ныне Средиземного моря.

Наиболее короткие глобальные регрессии моря амплитудой до 50-100 м и продолжительностью порядка десятков тысяч лет могут происходить за счёт возникновения или увеличения объёмов покровных оледенений континентов. Более продолжительные регрессии. от одного до нескольких миллионов лет, возникают в тех случаях, когда происходят «заторы» литосферных плит и временно их движение замедляется. Такие события обычно происходят при столкновениях континентов или островных дуг друг с другом (Ушаков, 1983).

Здесь невозможно описать все приложения тектоники литосферных плит к проблемам нефтяной геологии, но и приведённых примеров достаточно для иллюстрации больших перспектив использования этой современной геологической теории для изучения происхождения, строения и развития разных типов нефтегазоносных бассейнов мира.