Методы контроля палеотемпературных условий

Методы контроля палеотемпературных условий

Измерения температур, градиента температур и теплового потока в современном разрезе осадочного бассейна и сравнение их с вычисленными значениями относятся к важнейшим контролирующим факторам модели. Однако, все эти значения характеризуют локальный момент времени, они подвержены влиянию таких факторов как колебания климатических условий в плиоцен-четвертичный период, кратковременные изменения в гидрогеологическом режиме бассейна и других, которые в силу кратковременности имеют ограниченное влияние на процессы созревания органического вещества (ОВ) в осадках. Поэтому при моделировании бассейнов наряду с современной температурой или тепловым потоком желательно знать параметр, контролирующий палеотемпературные условия бассейна. Таким параметром может быть степень созревания ОВ в осадочных породах. Сравнение наблюдаемой степени созревания ОВ с рассчитанными в рамках численной модели эволюции осадочного бассейна может служить важным контролирующим фактором напряжённости палеотемпературных условий бассейна. Отражательной способности витринита принадлежит здесь ведущая роль.

Процессы изменения ОВ по мере погружения осадочной породы, увеличения её температуры и давления известны как диагенез и углефикация (Лопатин, Емец, 1987; Hunt, 1996). Угли образуются из растительных остатков в условиях недостатка кислорода (недостаточное окисление). Обширные болота с тропическим климатом наиболее предпочтительны для формирования угольных пластов. Морские и богатые кальцием болота дают угли с большим содержанием зол, серы и азота. При захоронении в песчаных породах доступ кислорода облегчается и ОВ окисляется. Поэтому ОВ, годное для интерпретации в палеогеотермических исследованиях, обычно сохраняется в глинах, алевролитах и известняках (Hunt, 1996).

Витринит – это минеральная группа, типичная для витрена и содержащая гумусовый материал торфяного происхождения. В свою очередь витрен - это литотип угля, характеризующийся алмазным или стеклянным блеском, чёрным цветом, кубической отдельностью и раковистым надломом. Витринит – наиболее общий продукт углефикации, который образуется в погружающихся осадках в кислых условиях. Если же условия погружения будут варировать от нейтральных до слабощелочных, то активность бактерий будет велика и при погружении образуются битуминоиды со слабоотражающими витринитами. Торф – первая стадия диагенеза, формируется в интервале температур от 20 до 50°С. При Т ³ 50°С начинается выделение небольшого количества метана и превращение торфа в бурый уголь. Этот процесс обычно приурочен к глубинам 200-400 м. При температурах Т » 70-100°С происходит высвобождение СО₂ и формирование угля. При Т » 160-200°С уголь преобразуется в полуантрацит с выделением большого количества метана (Лопатин, Емец, 1987).

Табл. 4-7 Результаты, полученные для разных историй погружения образцов из условия наилучшего совпадения измеренных и вычисленных значений (Vasseur and Velde, 1993).

Бассейн (скв.)	Paris Basin	Peeler	Carter	Mustang	Hamayu- chi	Masugata	Shimio- Garshi	California
E (КДж/моль)	37.5 ±7.3	20.7 ±3.8	22.7 ±2.8	15.9 ±2.1	37.4 ±5.3	31.9 ±19.1	37.5 ±14.0	49.3 ±11.1
Ln (A) (Ln(млн.л-1))	8.9 ±2.6	2.7 ±1.3	3.2 ±0.9	1.8 ±0.7	9.2 ±1.9	8.5 ±1.8	11.0 ±4.7	13.8 ±3.5

И наконец, авторы третьей, двухшаговой модели преобразования смектита в иллит (Vasseur and Velde, 1993) считают, что полевые данные из многих осадочных бассейнов мира говорят в пользу двойного кинетического процесса преобразования. Первый из процессов имеет дело с разупорядоченным материалом (R=0) и второй с упорядоченным (R=1). Другими словами, имеют место две реакции. Первая из них X ® Y, когда смектитовый слой, принадлежащий Х, становится иллитом. При этом Х исчезает, но новый иллит соединяется с соседним смектитом, чтобы сформировать новый субряд Y, состоящий из одного смектита и одного иллита. Ясно, что эта реакция соответствует преобразованию от исходного R=0 обогащённого смектитом разупорядоченного минерала к упорядоченному минералу S=1. Если бы имела место лишь одна эта реакция, то при достижении равновесия она привела бы к минералу со значением R=1, когда есть 50% смектита. Вторая реакция, Y ® Z, это когда смектитовый слой, принадлежащий Y, становится иллитом и формирует субслой Z (из двух иллитов). Эта реакция описывает постепенную иллитизацию минерала R=1 и она имеет место вместе с первой реакцией. Кинетические уравнения, описывающие обе реакции, аналогичны уравнениям процесса первичного и вторичного крекинга керогена в главе 8 и имеют вид (Vasseur and Velde, 1993):

dX / dt = - k₁×X; где k₁ =A₁×exp(-E₁/RT(t)) (7-35)

dY/dt = k₁×X – k₂×Y, где k₂ =A₂×exp(-E₂/RT(t)) (7-36)

Из определения X и Y следует, что содержание смектита в породе в любой момент времени равно S = X + (Y/2). При этом вначале (t=0) X = X₀, Y = Z = 0. Из (7-35), (7-36) следует:

(7-37)

(7-38)

Измерение значений S в образцах пород многих бассейнов мира дало возможность определить значения 4-ёх ведущих параметров модели: A₁, E₁, A₂, E₂ (Vasseur and Velde, 1993):

Ln (A₁) = 16.7 ± 0.6×Ln(млн.лет^-1); E₁ = 56.2 ± 1.7 КДж/моль

Ln (A₂) = 2.7 ± 0.6×Ln(млн.лет^-1); E₂ = 22.2 ± 2.0 КДж/моль

Применения этой модели к оценке степени преобразования глинистых минералов, в том числе и описанные ниже (рис. 10-7), показало, что двух шаговая модель преобразования глинистых минералов (Vasseur and Velde, 1993) лучше согласуется с наблюдаемыми данными, чем предшествующие одношаговые модели.

Рис. 10-7. Изменение степени преобразования глинистых минералов (слева), температуры и степени катагенеза ОВ (справа) в истории погружения свит среднего триаса в одном из разрезов площади Такхухт бассейна Уэд-эль-Миа, Алжир (см. текст).

В работе (Elliott and Matisoff, 1996) была проведена проверка последних двух из рассмотренных выше моделей (Huang et al., 1993) и (Vasseur and Velde, 1993) на предмет их соответствия данным наблюдения. Авторы пришли к выводу, что модель (Huang et al., 1993) при погружении породы со средним геотермическим градиентом 35.72 °С.км в течение последних 20 000 лет и со значением параметра [K⁺] = 3200 ppm лучше других моделей описывает ситуацию бассейна Солёного озера (Salton Sea). Эта же модель, но с другими значениями определяющих параметров неплохо описывала и бассейн Прибрежного залива (Gulf Coast) при завершении преобразования на 75% иллита. В то же время бассейн Денвер лучше описывался моделью (Vasseur and Velde, 1993) с градиентом температуры dT/dz = 25°C/км, значением [K⁺] / [Na⁺] = 0.1 и погружением породы в течение времени Dt = 1 Ma. Бассейн Gulf Coast - очень хорошо воспроизводился (Huang et al., 1993) с концом преобразования на 75% иллита. Для Парижского бассейна результаты неопределённы. Имеются примеры неудачного применения и первой модели (Pytte, Reynolds, 1989). Однако, существенным недостатком таких сравнительных вычислений является сильное упрощение температурной истории погружающегося образца. Для первой модели, например, использовалась формула (7-32), предполагающая постоянную температуру породы, для остальных моделей и время погружения и градиент температуры, предполагавшийся постоянным в истории погружения, подбирались так, чтобы получить наблюдаемую степень преобразования минерала, и соответствие первых геолого-геофизической информации о развитии бассейна было весьма грубым.

Поэтому представляет интерес сравнение расчётов по трём моделям для температурных условий погружающегося образца, приближенных к реальным. Такое описание термической истории даёт нам аппарат моделирования бассейнов. Мы воспользовались им для реконструкции температурных условий погружения осадочных свит бассейна Оуэд эль Миа на одной из скважин площади Такхухт. Рис. 10-7 иллюстрирует результаты расчётов на примере двух свит среднего триаса. На правых рисунках сплошной линией показаны температурные истории погружающегося образца, T(t). Они участвовали в расчетах изменения зрелости ОВ образца (через значения отражательной способности витринита %Ro, показанных пунктирными линиями на правых рисунках 10-7) и доли смектита в смеси смектита и иллита , то есть отношения S = Sm/(Sm+I) (левые рисунки на рис. 10-7). Последние представлены тремя кривыми, отражающими значения, вычисленные по трём моделям преобразования смектита в иллит. Так как температура образца в процессе погружения существенно изменялась (см. правые рис. 10-7), то для расчёта S в модели (Pytte and Reynolds, 1989) вместо формулы (7-32), справедливой лишь для постоянной температуры, использовались формулы (7-30) и (7-31), так что исходное уравнение для расчёта S в первой модели имело вид:

(7-39)

Здесь А=5.2´10⁷ сек^-1, Е=33 Ккал/моль, R=1.987 кал/°К×моль и t – время в сек. Относительная доля смектита S во второй модели (Huang et al., 1993) рассчитывалась в согласии с формулой (7-33) по уравнению:

(7-40)

В уравнении принимались следующие значения параметров (Huang et al., 1993): [К+]=0.0039 моль/литр (150 ppm), А=8.08´10⁴ литр/моль×сек, Е=28 Ккал/моль. И, наконец, доля смектита в третьей модели рассчитывалась через сумму смектитов первой (Х) и второй (Y/2) реакций S = X + (Y/2), где Х и Y рассчитывались по формулам (7-37) и (7-38) со значениями параметров Е₁, А₁. Е₂, А₂, приведёнными выше (Vasseur and Velde, 1993). При расчётах во всех моделях предполагалось, что начальная доля смектита в минерале составляла 100%, и, следовательно, в формулах выше полагалось: S₀=X₀=1.

Два верхних рис. 10-7 иллюстрируют тепловую историю свиты среднего триаса с термическим влиянием силла (интрузии), внедрившегося в приповерхностные слои фундамента (см. главу 9). Тепловое влияние интрузии на правом рисунке отражено в резком скачке температуры в среднем триасе до значения около 170°С. Оно имело следствием скачкообразный рост %Ro до значений около 1.05% и такое же скачкообразное изменение степени преобразования глин в первых двух моделях, но заметно более умеренное изменение в кривой относительного содержания смектита, вычисленной в рамках третьей, двух шаговой модели преобразования. Последний факт свидетельствует о лучшем соответствии третьей модели природным процессам, чем первых двух. В самом деле, исследование процесса иллитизации в осадочной толще бассейна Bowen (Uysal et al., 2000) показало, что в целом реакции илитизации замедленны по сравнению с реакциями, определяющими созревание органики и оцениваемыми по изменению отражательной способности витринита. Это может быть вызвано либо нехваткой времени для завершения реакций, либо недостаточным поступлением калия в относительно непроницаемых породах. Интенсивная иллитизация, вызванная нагреванием пород теплом интрузий, наблюдалась лишь в самой близкой окрестности тонких интрузивных тел. Минеральные реакции были слишком медленными, чтобы записать эффект экстремально короткого, быстрого нагревания, тогда как реакции созревания ОВ отражала этот процесс хорошо (Uysal et al., 2000). Результаты наших вычислений, представленные на верхних рис. 10-7, согласуются с этими экспериментальными данными, при условии описания процесса иллитизации двух шаговой моделью (Vasseur and Velde, 1993). Два нижних рис. 10-7 соответствуют более умеренной температурной истории погружающегося образца в кровле свиты среднего триаса, не подвергавшейся прогревающему влиянию интрузий. Также как и в ситуации, представленной верхними рисунками, где было существенно влияние интрузии, на нижних рисунках наиболее умеренные скорости преобразования смектитов характерны для расчётов в рамках третьей модели преобразования смектита в иллит.

Хотя результаты наших расчётов и анализ полевых данных в других бассейнах отдают предпочтение алгоритму двухступенчатой модели преобразования глин (Vassuer and Velde, 1993), необходимы дальнейшие исследования кинетики процесса и расчёты для площадей с хорошо контролируемыми реконструкциями (то есть достаточно хорошо обеспеченные измерениями температуры и %Ro, а также с надёжными измерениями отношений S/(S+I) в разрезе), чтобы убедиться в адекватности выбранной модели преобразования глин природным процессам. На настоящий момент мы не обладаем достаточной базой данных. Касаясь метода преобразования глин, а также многих из рассмотренных выше, можно заключить, что все они безусловно полезны как средство дополнительного контроля степени созревания ОВ в породах, но для большинства из них характерна ограниченная степень достоверности оценок и потому эффективность их ниже по сравнению с наиболее распространённым методом оценки зрелости ОВ путём измерения и вычисления отражательной способности витринита (%Ro).

Методы контроля палеотемпературных условий

Измерения температур, градиента температур и теплового потока в современном разрезе осадочного бассейна и сравнение их с вычисленными значениями относятся к важнейшим контролирующим факторам модели. Однако, все эти значения характеризуют локальный момент времени, они подвержены влиянию таких факторов как колебания климатических условий в плиоцен-четвертичный период, кратковременные изменения в гидрогеологическом режиме бассейна и других, которые в силу кратковременности имеют ограниченное влияние на процессы созревания органического вещества (ОВ) в осадках. Поэтому при моделировании бассейнов наряду с современной температурой или тепловым потоком желательно знать параметр, контролирующий палеотемпературные условия бассейна. Таким параметром может быть степень созревания ОВ в осадочных породах. Сравнение наблюдаемой степени созревания ОВ с рассчитанными в рамках численной модели эволюции осадочного бассейна может служить важным контролирующим фактором напряжённости палеотемпературных условий бассейна. Отражательной способности витринита принадлежит здесь ведущая роль.

Процессы изменения ОВ по мере погружения осадочной породы, увеличения её температуры и давления известны как диагенез и углефикация (Лопатин, Емец, 1987; Hunt, 1996). Угли образуются из растительных остатков в условиях недостатка кислорода (недостаточное окисление). Обширные болота с тропическим климатом наиболее предпочтительны для формирования угольных пластов. Морские и богатые кальцием болота дают угли с большим содержанием зол, серы и азота. При захоронении в песчаных породах доступ кислорода облегчается и ОВ окисляется. Поэтому ОВ, годное для интерпретации в палеогеотермических исследованиях, обычно сохраняется в глинах, алевролитах и известняках (Hunt, 1996).

Витринит – это минеральная группа, типичная для витрена и содержащая гумусовый материал торфяного происхождения. В свою очередь витрен - это литотип угля, характеризующийся алмазным или стеклянным блеском, чёрным цветом, кубической отдельностью и раковистым надломом. Витринит – наиболее общий продукт углефикации, который образуется в погружающихся осадках в кислых условиях. Если же условия погружения будут варировать от нейтральных до слабощелочных, то активность бактерий будет велика и при погружении образуются битуминоиды со слабоотражающими витринитами. Торф – первая стадия диагенеза, формируется в интервале температур от 20 до 50°С. При Т ³ 50°С начинается выделение небольшого количества метана и превращение торфа в бурый уголь. Этот процесс обычно приурочен к глубинам 200-400 м. При температурах Т » 70-100°С происходит высвобождение СО₂ и формирование угля. При Т » 160-200°С уголь преобразуется в полуантрацит с выделением большого количества метана (Лопатин, Емец, 1987).