Катагенез  органического  вещества

1. Общие сведения об органическом веществе пород. Важным компонентом осадочных горных пород является органическое вещество (ОВ). В отличие от зоны диагенеза, где определяющим моментом является присутствие живого ОВ, в зоне катагенеза присутствует в большинстве случаев мёртвое ОВ. Различают две большие группы ОВ: гумусовое (растительные остатки наземного происхождения) и сапропелевое (оста­тки водных растений и животных преимущественно планктонного характера). ОВ может присутствовать в геологическом разрезе в концентрированном виде (пласты угля, торфа, горючих сланцев, залежи нефти). Однако не менее существенное значение для течения геологических процессов имеет рассеянное органическое вещество (РОВ), которое в том или другом количестве присутствует практически в любой породе. Процессы преобразования ОВ в зоне катагенеза сопровождаются выделением газов (СО₂, H₂S, СН₄ и другие углеводородные газы), которые, растворяясь в подземных растворах, оказывают большое влияние на изменение щелочно–кислотной реакции среды, окислительно–восстановительную обстановку, растворяющую способность подземных вод по отношению к минералам. Однако этим не исчерпывается значение изучения ОВ для познания процессов катагенеза. ОВ является тем компонентом горных пород, катагенетическое преобразование которого в наибольшей степени зависит от проявлений термобарического фактора (прежде всего температуры). Именно на этом свойстве ОВ основано его использование в качестве важнейшего критерия степени катагенеза осадочных толщ и в качестве палеотермометра. Купить  вещи для детей оптом вы сожжете на сайте giraf.net.ua. Данная компания занимается реализацией товаров оптом, в том числе  детской одеждой оптом из Турции и Китая в Украине.

В основе подхода к расчленению стадии катагенеза пород по степени измененности ОВ и метода определения палеотемператур лежит шкала антралитификации, разработанная российскими учеными во главе с И.И. Аммосовым. Она базируется, главным образом, на изучении гумусового ОВ, или говоря проще, угольного вещества.

2. Шкала антралитификации. Захоронение растительных остатков в болоте приводит к образованию торфа, а при его погружении в недра образуются бурые и каменные угли. Существует непрерывный ряд прогрессивных преобразований захоронённого ОВ от торфа до антрацита и графита. Эти преобразования, называемые углефикацией, или метаморфизмом угля, или антралитификацией ОВ, заключаются в сложных процессах деструкции, полимеризации, поликонденсации органических молекул и усиливаются по мере увеличения глубины залегания и/или температуры, и в меньшей мере давления. Ряд таких преобразований следующий: торф à бурые угли [бурый рыхлый (Б₁) à бурый плотный, матовый (Б₂) à бурый блестящий (Б₃)] à каменные угли [длиннопламенный (Д) à газовый (Г) à жирный (Ж) à коксовый (К) à отощённый спекающийся (ОС) à тощий (Т) à полуантрацит (ПА) à антрацит (А)] à графит (ГА). Приведенные определения углей называют марками угля. По мере усиления преобразованности угольного вещества от марки к марке меняются состав, структура, физические и химические свойства угля. Непрерывно увеличивается содержание углерода (в торфе — 50–60 %, в антраците — 92–98 %), уменьшается выход летучих компонентов, изменяются плотность, твёрдость, временное сопротивление трещиноообразованию. Эти изменения сопровождаются непрерывным увеличением отражательной способности одного из компонентов углей — витринита. [Подобно горным породам, состоящим из минералов, уголь состоит из мацералов; витринит – один из них].

Отражательная способность витринита определяется под микроскопом с использованием фотоэлектронного умножителя по проценту света, отражённого от специальным образом полированного аншлифа угля. Измерения можно проводить в воздухе и в иммерсионной среде, которой служит кедровое масло. Эталоном служит либо оптическое стекло, либо алмаз с известной отражательной способностью. Отражательная способность обозначается так: R_им, % (в иммерсии), R_м, % (в масле), R_в, % (в воздухе), 10R_в, усл.ед.

Отражательная способность бурых углей (в 10R_в, усл.ед.) составляет <58–69, длиннопламенных — 70–76, газовых — 77–82, жирных — 83–90, коксовых — 91–97, отощённых спекающихся — 98–107, тощих — 108–116, полуантрацитов и антрацитов — 117–>150. Непрерывный ряд изменений состава, структуры и физических свойств угольного вещества, наиболее ярко проявляющихся в увеличении отражательной способности витринита, и представляет собой шкалу антралитификации ОВ.

Отражательная способность витринита может измеряться не только в углях, но и в РОВ, а конкретнее, в угольных включениях малого размера, которые часто встречаются в породах разного состава, особенно в глинистых. Это даёт возможность изучать стадии антралитификации ОВ любых пород и изучать по этому критерию степень катагенеза.

Сбор коллекции образцов для определения отражательной способности витринита РОВ осуществляется следующим образом. При просмотре керна находятся образцы с хорошо заметными невооруженным глазом углефицированными растительными остатками. Они в виде тончайших пластинок часто встречаются на плоскостях напластования в глинистых породах или в глинистых прослойках других пород. Готовится небольшой образец породы, в состав которого входит угольное включение. Измерение отражательной способности витринита проводится не только и необязательно по включению, которое было обнаружено в керне, а и по другим, гораздо более мелким включениям, которые будут обнаружены в этом образце под микроскопом. (Показать аншлифы с витринитом).

Использование и широкое внедрение в практику метода оценки степени катагенеза по отражательной способности витринита объясняется следующими причинами. 1) Отражательная способность витринита изменяется постепенно в ряду антралитификации от бурого угля к антрациту. 2) Отражательная способность является надёжным параметром оценки стадии углефикации, так как оптическое измерение проводится по одному микрокомпоненту угля — витриниту, а не по смеси микрокомпонентов, как это бывает, когда изучаются другие физические и химические свойства угля. 3) Определе­ние отражательной способности под микроскопом не требует сложной подготовки образца и отличается сравнительной простотой.

3. Метод  определения  палеотемператур  по  отражательной  способности витринита. Мы знаем, что пластовая температура увеличивается с глубиной и в большинстве регионов, используя данные измерения температур в скважинах, можно с той или иной точностью оценить температуру на любой глубине. Это современная пластовая температура. Всегда ли она была такой, как сейчас? Понятно, что по мере погружения конкретного пласта в недра, т.е. по мере его погружения, температура слагающих его пород и растворов, находящихся в порах этих пород, росла. Значит, раньше, когда погружающийся пласт был на меньшей глубине, чем сейчас, его температура была ниже современной. А могла ли древняя пластовая температура (палеотемпература) быть выше современной? Оказывается, могла. Об этом свидетельствуют результаты изучения газово–жидких включений в катагенетических минералах.

Многие минералы в дефектах своей кристаллической структуры содержат включения тех растворов, из которых происходило минералообразование. Во время кристаллизации среда минералообразования представляет собой раствор с растворёнными в нем газами, и является гомогенной (только жидкой). Если же в дальнейшем температура среды, в которой находится минерал, понизится, произойдёт снижение растворимости газа в растворе и он выделится в свободную фазу. В таком случае включение станет гетерогенным: оно будет состоять из двух фаз (жидкой и газовой) и будет называться газово–жидким. Такие включения в галите из девонских отложений Припятского прогиба показаны на фотографиях, сделанных под микроскопом при большом увеличении. В них ясно видна газовая фаза, или, как говорят, газовый пузырёк. Если теперь включение нагреть, газ начнёт растворяться в воде и при температуре, которая была в момент кристаллизации минерала, газовый пузырёк исчезнет, произойдёт гомогенизация включения, оно станет однофазным. Мы рассказали об определении температур (палеотемператур) минералообразования методом гомогенизации включений. Применение этого метода показало, что в целом ряде осадочно–породных бассейнов пластовые палеотемпературы были выше (иногда значительно) современных. Повышение пластовой температуры в осадочном чехле бассейнов имело место в эпохи тектонической активизации.

Определение палеотемператур имеет исключительно важное значение для изучения катагенеза пород. Метод определения палеотемператур по включениям в минералах обладает существенным достоинством: он позволяет определять температуры в момент кристаллизации минерала. Но недостатком этого метода является то, что с его помощью трудно установить максимальную температуру, которая была в отложениях данного бассейна на протяжении всей его истории. Именно максимальная палеотемпература является очень важной характеристикой бассейна.

Для определения максимальных палеотемператур в осадочной толще существует метод, основанный на измерении отражательной способности витринита, главным фактором изменения которой является температура. И.И. Аммосов и В.И. Горшков, разработавшие этот метод, сопоставили отражательную способность витринита и современную температуру в разрезе таких бассейнов, где палеотемпературы никогда не превышали современные. Получилась палеотемпературная шкала, основанная на отражательной способности витринита. Установлено следующее приблизительное соответствие отражательной способности витринита и палетемпературы: 70 усл.ед. — 95°C, 75 усл. ед. — 120°C, 80 усл.ед — 145°C, 85 усл.ед — 170°C, 90 усл.ед. — 190°C, 95 усл.ед — 205°C, 100 усл.ед. — 220°C, 105 усл.ед. — 230°С и т.д.

Детальные палеотемпературные исследования, основанные на методе отражательной способности витринита, выполненные для Припятского прогиба, позволили установить, что палеотемпературы, которые имели место в девонских отложениях, были существенно выше современных (таблица — сделать из табл. 5.4 на стр.127 моей жёлтой книги, сделать первую и последнюю графы и добавить графу современных температур). Значения палеогеотермического градиента (в среднем 7°С/100 м) и палеотеплового потока (5–7 мккал/с.см²), вычисленные на основании распределения установленных палеотемператур, приближаются к величинам этих параметров в районах современных рифтовых систем. Припятский прогиб в своей истории последовательно переживал стадии ранней синеклизы (эйфельское–среднефранское время), рифтового грабена (позднефранско–среднетриасовое время) и поздней синеклизы (с позднего триаса до настоящего времени). Рифтовая стадия, когда собственно и сформировался прогиб, характеризовалась активным прогибанием, образованием глубинных разломов, вулканизмом. Именно эта стадия отличалась напряжённым геотермическим режимом, когда и были достигнуты температуры, зафиксированные в отражательной способности витринита.

Итак, катагенетические изменения пород, которые мы наблюдаем, очень часто протекали не при тех температурах и давлениях, которые сегодня регистрируются в разрезе. И одна из задача стадиального анализа — выявить те термобарические параметры, которые отвечают наблюдаемым катагенетическим преобразованиям.

4. Шкала катагенеза, основанная на степени антралитификации РОВ. Закономерное возрастание степени антралитификации РОВ с ростом температуры, хорошая корреляция степени антралитификации с отражательной способностью витринита РОВ, почти постоянное присуствие РОВ в осадочных породах и, наконец, техническая простота измерения отражательной способности витринита — вот те основания, которые позволили известному российскому геологу–нефтянику Н.Б. Вассоевичу предложить систему оценки степени (шкалу) катагенеза осадочных пород, базирующуюся на изменении степени антралитификации РОВ в геологическом разрезе. Схема Н.Б. Вассоеви­ча, показанная в таблице (приложена в рукописном виде), нашла широкое применение в нефтяной геологии, где он показал, как важно определить зоны, температурные параметры которых обусловливали образование углеводородов и накопление их в виде залежей.

5. Корреляция катагенетических изменений органической и минеральной составляющих пород. Интересно сопоставить степень антралитификации ОВ и степень и характер преобразований минеральной части осадочных пород. Важно отметить, что классификации процессов катагенеза, построенные на оценке степени изменения минеральной части пород гораздо менее детальные, чем приведенная в таблице шкала катагенеза, основанная на степени антралитификации ОВ. Это связано с тем, что ОВ значительно более чувствительно к изменению термобарических условий, чем минеральная часть пород. Несмотря на это, параллельное изучение преобразований минералов и ОВ показывает, что между этими процессами существует достаточно отчётливая корреляция. Приведём несколько примеров.

Н.В. Логвиненко, изучая терригенные породы карбона Большого Донбасса, установил, что конформные и инкорпорационных структуры и регенерационно–кварце­вые цементы в песчаниках появляются только в подзоне мезокатагенеза, начиная с тех зон, где присутствует витринит марки Ж. Широкое же развитие регенерации кварца и структур растворения под давлением, включая сутурные контакты, отмечается глубже в подзоне апокатагенеза в ассоциации с угольным веществом, находящимся на стадиях тощих углей и антрацитов.

В межсолевых девонских отложениях Припятского прогиба установлены следующие соотношения между преобразованиями органической и минеральной составляющими пород. Витринит марки Д распространён преимущественно в верхней части разреза. Максимальное количество случаев встречаемости (70 %) такого витринита приходится на глубины 2300–2900 м. [Надо заметить, что в одном и том же глубинном интервале, и даже в одном штуфе породы могут встречаться витриниты разных марок, что связано с неравномерным прогревом пород, возможностью переотложения растительных остатков, ошибками при замерах в случае некачественно изготовленных аншлифов; поэтому необходимо применять статистические методы обработки данных]. Витринит Г появляется с глубины 2600 м, и максимальное количество случаев его встречаемости (42 %) зарегистрировано в интервале 2900–3200 м. С глубины 3200 м появляется витринит Ж, и в интервале 3200–3500 м зафиксировано 80 % всех случаев. Здесь же появляется витринит марки К. В тех частях разреза, которым свойственно присутствие витринита марок Д и Г (до глубины 3100–3300 м), а это преимущественно зоны приразломных поднятий, установлены структурно–текстурные, минералогические и физические характеристики пород, присущие подзоне начального катагенеза. Это полное сохранение первичных текстур, начало изменения структур (коррозия зёрен полевого шпата и кварца, деформация биотита, редкая регенерация кварца и полевых шпатов), гидратизация биотита, слабое изменение глинистого вещества, наличие глин и аргиллитоподобных глин, слабая перекристаллизация карбонатного вещества. Плотность глинистых пород — 2,28–2,31 г/см³, песчаных пород — 2,10–2,50 г/см³, открытая пористость глин и мергелей — 5–13 %. В зонах приразломных опусканий (глубины свыше 3100–3300 м), где присутствует витринит марок Ж и К, породы несут на себе следы преобразований, характерных для подзоны глубинного катагенеза. Здесь отмечены начало изменения текстур, сильное изменение структур (массовое растворение обломочного материала, значительная регенерация кварца и полевых шпатов), “аморфи­зация” и хлоритизация биотита, образование гидрослюды 1М, наличие аргиллитов, перекристаллизация карбонатного вещества. Плотность глинистых пород — 2,46–2,51 г/см³, песчаных пород — 2,24–2,65 г/см³, открытая пористость аргиллитов и мергелей — 0,5–2,0 %. (Информацию по Припятскому прогибу для учебника, возможно, дать не в виде текста, а в виде таблицы).