Катагенез органического вещества и его факторы

Катагенез – процесс изменения осадочных пород: рассеянного ОВ, минералов, флюидов и пустотного пространства после завершения диагенеза и до начала метаморфизма. Катагенез развивается при увеличении глубины погружения пород в осадочном бассейне (ОБ) и воздействии возрастающей температуры в интервале от 15–30 до 300°С. Некоторые авторы отождествляют понятие «катагенез» с «эпигенезом».

На стадии катагенеза реализуется потенциальная возможность ОВ осадочных пород производить нефть и газ и начинается их эмиграция в породы-коллекторы.

Генерация УВ происходит в результате глубокой и закономерной внутримолекулярной перестройки ОВ, которая заключается в дальнейшей его конденсации, ароматизации и карбонизации при воздействии температуры и других факторов катагенеза. Эти преобразования сопровождаются потерей ОВ периферийных алкильных цепей, отдельных циклов и различных функциональных групп, содержащих гетероатомы. При этом образуются жидкие продукты в виде битумоидов и большое количество газообразных веществ: метана, углекислого газа, аммиака, азота и сероводорода. Газы образуются в различных количествах на всех стадиях преобразования ОВ. Однако доля биохимического метана составляет всего около 10 % в объеме, который образуется из рассеянного ОВ при температурах до 200°С (Дж. Хант, 1982).

В катагенезе происходит постепенное упорядочение молекулярной структуры керогена вплоть до образования в конце катагенеза – начале метаморфизма гексагонально-слоистой структуры графита. В результате масса ОВ значительно уменьшается, и ОВ полностью реализует свой генерационный потенциал. Таким образом, процесс катагенеза ОВ представляет собой термическую деструкцию, при которой происходит выделение летучих веществ, то есть твердая фаза начинает выделять жидкие и газообразные продукты. При этом общий объём ОВ в породе сильно увеличивается.

Главным фактором катагенеза ОВ является температура, включая его динамокатагенез, затем следуют каталитические свойства вмещающих пород, время и пластовое давление. Давление как фактор катагенеза оказывает противодействие температуре.

Шкала градаций катагенеза органического вещества. Широко известна шкала градаций катагенеза осадочных образований, составленная Н.Б. Вассоевичем, А.Э. Конторовичем, Н.В. Лопатиным и другими исследователями в 1976 году (рисунок 11).

Н. Б. Вассоевич для процессов преобразования РОВ рекомендует термин «катагенез». Катагенез следует за поздним диагенезом, т.е. после преобразования осадка в породу. На шкале выделяются три подстадии катагенеза: протокатагенетическая (ПК), мезокатагенетическая (МК) и апокатагенетическая (АК). Эти подстадии разделены на ряд градаций: ПК – на три, МК – на пять, АК – на четыре.

Начальный или слабый катагенез (протокатагенез), соответствует начальным изменениям породы и ранне- средне- и позднебуроугольным подстадиям превращения ОВ. Продолжительность стадии n·10⁵ – n·10⁷ лет. Глубина захоронения - 0,1–2,5 км. В стадии катагенеза выделяются два этапа: ранний (начальный) и поздний (глубинный). Граница между подстадиями проводится в диапазоне температур 90-120⁰С, при горном давлении около 100 МПа и понижении общей пористости до 15 %. Такие условия в большинстве случаев наблюдаются на глубине 2,5–5км.

Рисунок . Шкала градаций катагенеза осадочных образований и её сопоставление со ступенями углефикации с упрощением (по Н.Б. Вассоевичу, А.Э. Конторовичу, Н.В. Лопатину и др., 1976) 1 – нефть; 2 – жирный газ; 3 – метан

Главным фактором катагенеза ОВ является температура, включая его динамокатагенез, затем следуют каталитические свойства вмещающих пород, время и пластовое давление. Давление как фактор катагенеза оказывает противодействие температуре.

К умеренному катагенезу (мезокатагенезу), по Н. Б. Вассоевичу, относятся изменения осадочных пород, соответствующие каменноугольной стадии превращения ОВ. Продолжительность – n·10⁷ лет. Глубина захоронения осадков – 1,6–10 км. Нефтематеринские породы те же, что и на предыдущей стадии, но более уплотненные. Пористость пород снижается до первых процентов, объемный вес скелета увеличивается до 2,6–2,65 г/см³. Битумоиды становятся еще более нейтральными и более легкими, в них возрастает роль масляной фракции. Геохимическая обстановка – восстановительная. Создаются области питания пористых пород водами и области их разгрузки. Основные процессы – перераспределение водорода в ряде компонентов ОВ и потеря гетероэлементов. Битумные компоненты дифференцируются: часть сорбируется и выпадает в твердую фазу, часть становится более легкой, нейтральной, существенно углеводородной. Изосоединения переходят в нормальные. Это стадия зрелой микронефти – завершается процесс дополнительной генерации углеводородов и усиливается их преобразование в сторону возникновения менее крупных молекул. Возрастает роль метановых углеводородов, частично за счет нафтеновых, наименее устойчивых. В итоге микронефть по своим свойствам все больше приближается в капельно-жидкой нефти (т. е. к макронефти).

Таблица . Шкала углефикации ОВ и катагенеза осадочных пород

Граничные Т0 С	Шкала углефикации	ОСВ	Шкала катагенеза по Н.Б.Вассоевичу
Группа стадий	Стадия углефикации	10×Rа усл.ед в воздухе	Rо, % в масле	Градация	Подстадия
60–70	Бурые угли	Б1 (01)		< 0,26	ПК1	Протокатагенез
Б2 (02)	58–66	0,26–0,41	ПК2
Б3 (03)	66–70	0,41–0,50	ПК3
70–90	Д (I)	70–75	0,50-0,62	МК1	Мезокатагенез
100–120	Каменные угли	Г (II)	75–85	0,62-0,94	МК2
140–160	Ж (III)	85–91	0,94-1,17	МК3
170–180	К (IY	91–99	1,17-1,56	МК4
180-210	ОС (Y)	99-108	1,56-2,00	МК5
	Т (YI)	108-116	2,00-2,50	АК1	Апокатагенез
	Антрациты	А1 (YII-YIII)	116-130	2,50-3,40	АК2
До 350	А2 (YIII-IX)	130-138	3,40-4,40
		А3 (IX)	138-150	4,40-5,50	АК3-4
		А4 (X)		5,50

Примечание. Маркировка углей по ГОСТ 21489-76.

Позднему, сильному, катагенезу (апокатагенезу) отвечают изменения осадочной породы, которые сопоставляются с антрацитовой стадией превращения ОВ. Продолжительность – n·10⁷ – n·10⁸ лет. Глубина захоронения осадков – от 8–10 до 12–15 км. Нефтематеринские породы - это сильно уплотненные глинистые, алеврито-глинистые сланцы, аргиллиты, с ничтожной пористостью и объемным весом, почти равным удельному. Глины преимущественно иллитовые, с примесью других глинистых минералов. Пористость пород снижается до 20–15 %, а объемный вес скелета породы возрастает до 2,2–2,3 г/см3. Сохраняются лишь следы битуминозных компонентов. Основные процессы проявляются в молекулярной перестройке глинистых минералов. Усиливаются новообразование и растворение минералов. Завершается потеря ОВ гетерогенных элементов, а также водорода, главным образом в виде СН₄. Это стадия разложения остаточной микронефти. К концу стадии она исчезает полностью и образуется метан. Эти преобразования сопровождаются потерей ОВ периферийных алкильных цепей, отдельных циклов и различных функциональных групп, содержащих гетероатомы. При этом образуются жидкие продукты в виде битумоидов и большое количество газообразных веществ: метана, углекислого газа, аммиака, азота и сероводорода. Гуминовые кислоты постепенно теряют способность растворяться в щелочах. Жирные кислоты частично декарбоксилируются, частично полимеризуются. Битуминозные компоненты приобретают менее кислый характер. Геохимическая обстановка – восстановительная. Сохраняется застойный режим подземных вод. Основные процессы – реакция разукрупнения (укрупнения молекул ОВ). Сорбция наиболее высокомолекулярных и кислых компонентов. Развитие процесса декарбоксилирования кислот. Образование СО₂ и в меньшем количестве СН₄. К концу стадии завершаются процессы декарбоксилирования кислот. Происходит дополнительное образование углеводородов, главным образом за счет декарбоксилирования жирных кислот.

Газы образуются в различных количествах на всех стадиях преобразования ОВ. Однако доля биохимического метана составляет всего около 10 % в объеме, который образуется из рассеянного ОВ при температурах до 200°С (Дж. Хант, 1982). В целом, процесс эволюции ОВ протекает как во времени, так и в пространстве неравномерно, импульсивно, с различным соотношением объемов образующихся жидких и газообразных продуктов диагенеза и катагенеза. Всё это предопределило приуроченность генерации наибольших объемов жидких и газообразных УВ к определенным глубинным зонам, существующим в разрезе осадочных пород. При этом газы в разных объемах образуются на всех стадиях литогенеза (см. рисунок 11).

Рисунок . Схема эволюции органического вещества с момента его отложения до начала метаморфизма У – углеводы, АК – аминокислоты, ФК – фульвиокислоты, ГК – гуминовые кислоты, УВ – углеводороды, NSO – N-, S-, O-содержащие гетеросоединения (не углеводороды) (по Б. Тиссо и Д. Вельте, 1981 г.).