Анализ тектонического погружения фундамента, использованный в наших реконструкциях истории развития бассейнов Западного Башкортостана для оценки амплитуды и продолжительности событий термической активизации и растяжения литосферы, предполагает локально-изостатический отклик литосферы на нагрузку. В процессе моделирования оценивают термическую толщину литосферы, определяя пересечение текущего глубинного распределения температуры с кривой солидуса пород мантии. Однако, состояние изостазии литосферы связано не с термической, а с реологической толщиной литосферы, которая и определяет механический отклик литосферы на поверхностную нагрузку. Как отмечалось в главе 6, состояние локальной изостазии достигается, когда характерные горизонтальные размеры нагрузки заметно превышают эффективную упругую толщину литосферы. Следовательно, уменьшение эффективной упругой толщины литосферы способствует достижению такого состояния. По этой причине не вызывает сомнения локально-изостатический отклик литосферы на поверхностную и внутреннюю (временные вариации в глубинном распределении плотностей) нагрузки в период рифтогенеза с прогретой и растянутой литосферой. Исследования последних лет показывают, что и в “нормальном” состоянии континентальная литосфера может быть достаточно слабой. Ранее полагали, что нижняя граница эффективно упругая толщина литосферы совпадает с изотермой 600-750оС (Тёркот, Шуберт, 1985). В нашем случае эффективно упругая толщина литосферы составляла бы Н=120-150 км (рис.2-14д и 5-14). Такое определение отчасти оправдывается для океанической литосферы, но не справедливо для континентальной, так как наблюдения показывают, что древняя континентальная литосфера ведет себя заметно слабее, чем это следует из приведенных оценок (глава 6; Karter and Tsenn, 1987; Лобковский, 1988; Krus and McNutt, 1988; Burov and Diament, 1995). Основная причина в том, что широко распространённый материал нижней континентальной коры - кварц - имеет низкие энергии активации для начала пластичных деформаций. Неупругие деформации в нижней коре с реологией кварца начинаются при температурах T > 250-300оС (Burov and Diament, 1995). Поэтому в нижней коре во всех случаях за исключением очень тонкой континентальной коры (Hc < 20-25 км) будет возникать ослабленная зона, допускающая поведение верхней коры почти независимое (реологически) от мантии. Этос факт подтверждается и оценками эффективно упругой толщины литосферы при анализе Буге аномалий и информации по глубинному сейсмическому зондированию района вдоль 1000 километрового профиля через Южный Урал в (Krus and McNutt, 1988). Авторы этой работы оценивают эффективную упругую толщину литосферы в районе Южного Урала в 50 км. Из их вычислений, однако, можно видеть, что отклонения поверхности плиты с упругой толщиной Н=50 км очень близки к отклонениям плиты толщиной Н=0 км, предполагаемой в модели локальной изостазии (см. рис. 7d в работе Krus and McNutt, 1988).
Заметные отклонения от локальной изостазии могли возникать в периоды регионального сжатия. Однако эти периоды, как правило, кратковременны (10-15 млн. лет) и после их завершения состояние (по крайней мере, региональной) изостазии восстанавливается. Особого внимания при этом требует этап закрытия Уральского палеоокеана. Он продолжался со среднего девона по триас и характеризовался отложением от 1500 до 2500 м мелководных известняков и песчаников. На всех площадях отложению осадков отвечало погружение тектонической поверхности фундамента с амплитудой 300-800 м (см., например, рис.2-14г,з). Не исключено, что часть этого погружения была неизостатическим откликом литосферы бассейна на нагрузку возникшего орогена Урала. Тогда эрозия 200-300 м осадков в триасе-раннем мелу может рассматриваться как релаксация литосферы к изостатическому равновесию. Такое равновесие, видимо, было достигнуто с конца нижнего - начала верхнего мела, когда смещение поверхности фундамента свелось к минимуму (рис.2-14б,г, е, з). О состоянии литосферы района, близком к изостатическому равновесию, свидетельствуют и невысокие амплитуды современных аномалий Фая в изучаемом районе (Artemjev et al., 1994).
Наша модель термической истории литосферы Западного Башкортостана включает несколько этапов тепловой активизации и растяжения литосферы (см. рис.2-14г,з) амплитуды которых оценены из анализа относительных вариаций тектонического погружения поверхности фундамента. Принцип оценок обсуждался выше, а алгоритмы вычисления подробно рассматриваются в главе 6 (Makhous et al., 1997; Makhous and Galushkin, 2003; Galushkin and Yakovlev, 2004). Но, как отмечалось там же, сам по себе тектонический метод не позволяет однозначно оценить амплитуды термических и тектонических событий в литосфере. Скажем, можно увеличить одновременно начальный и конечный тепловые потоки и подобрать соответствующую последовательность событий для той же самой тектонической кривой. Однако, сочетание тектонического метода с измеренными значениями температур в современном разрезе бассейна значительно сужает число возможных вариантов.
И, наконец, проблема климатических поправок к современным температурам пород и тепловому потоку Традиционно при их оценке учитываются вариации климата лишь для последних 100,000 лет (см., например, Kukkonen et al., 1997). Мы провели специальные расчёты, чтобы оценить возможную ошибку от такого приближения (сравни кривые 3 и 4 на рис. 7-10). Расчёты показывают, что вклад вариаций климата для времени ранее 100,000 лет назад может достигать 5°С на глубинах больших 1.5-2 км, хотя эффект в тепловом потоке менее заметен. В то же время учёт вариаций климата для времени ранее 100,000 лет назад увеличивает глубину зоны пермафроста от значения 346 м до 375 м.
В заключении раздела подчеркнём ещё раз, что представленный вариант термической истории Башкирских бассейнов не является единственно возможным. Дальнейшее геолого-геофизическое изучение района безусловно скорректирует результаты нашего моделирования. Адекватное решение проблемы возможно лишь при использовании всего комплекса геолого-геофизических данных по строению и развитию района. Это хорошо видно на примере Тагило-Магнитогорского района, где показано, что нельзя однозначно построить термическую историю района, основываясь на одних лишь измеренных значениях температур (рис. 7-14б). Здесь кривая 1 представляет вариант, обсуждавшийся в разделе 14.5, с континентальной корой, подстилающей вулканический островодужный комплекс. Кривая 2 на том же рисунке есть распределение температуры, рассчитанное в модели, когда вулканический комплекс подстилается основными и ультраосновными породами фундамента. Характерно, что оба распределения температур в верхней части разреза совпадают с измеренными значениями температур, но заметно различаются в глубоких горизонтах мантии (рис. 7-14б). Однако, с учетом данных гравитационного и сейсмического изучения района решение 1 предпочтительнее, как уже отмечалось в разделе 14.5. В то же время не исключено, что некоторый модифицированный вид литосферы краевого моря с увеличенной мощностью базальтового слоя мог бы аналогичным образом удовлетворить гравитационным и термическим данным, как и вариант кривой 1 на рис. 7-14б.
14.8 Эволюция катагенеза и реализация УВ потенциала ОВ рифейских и вендских отложений Западного Башкортостана
14.8.1 Общая геохимическая характеристика осадочных бассейнов
Снижение добычи нефти и газа в палеозойских отложениях Западного Башкортостана обусловило повышенный интерес к изучению перспектив нефтегазоносности подстилающих осадочных комплексов рифея и венда. Многочисленные нефтегазопроявления отмечаются в отложениях этого возраста на Арланской, Кабаковской и других площадях изучаемого района, а также в сопредельных районах Удмуртии, Пермской и Оренбургской областей (Масагутов и др., 1997). Оценки нефтегазоносности допалеозойских отложений в работах (Ермолкин и др., 1994; Белоконь и др., 1996; Масагутов и др., 1997) используют результаты изучения кернового материала ограниченным арсеналом геохимических методов, включавшим комплекс люминесцентно-битуминологических анализов и незначительный объём определений углеводородного и изотопного состава при отсутствии данных пиролиза. К тому же, только две из 11 скважин, пробуренных в Башкортостане на рифей и венд, достигли глубины 5 км: скв. Ахмерова и Колтасы (рис.1-14). Поэтому ситуация с глубокими горизонтами оценивалась экстраполяцией данных, полученных для неглубоких горизонтов, на большие глубины. В таких случаях реконструкция теплового режима и условий созревания ОВ осадков в рамках системы численного моделирования бассейнов, опирающейся на совокупность геофизических, геологических и геохимических данных по строению и эволюции изучаемого района, является наиболее подходящим инструментом для оценки термического состояния и перспектив нефтегазоносности слабоизученных горизонтов и площадей.
Результаты термического моделирования в предыдущих разделах главы предполагают, что низкий тепловой режим мантии и, как следствие, низкие значения теплового потока на изучаемой территории (30-40 мвт/м2) являются основной особенностью современного теплового режима бассейнов Западного Башкортостана. Однако, значительные амплитуды погружения рифейских отложений в районах близких к оси древнего рифта (вблизи от современной границы складчатого Урала (рис. 1, 2, 4-14) привели к заметному росту температуры пород, несмотря на слабый региональный термический фон в изучаемом районе.
В геохимическом аспекте моделирование демонстрирует увеличение степени созревания ОВ в рифейских и вендских отложениях с приближением к границе уральского складчатого пояса вместе с ростом температур вплоть до полного выгорания ОВ при погружении рифейских отложений на глубины 12-16 км (рис. 2-14б, е). Малое содержание ОВ в породах (Сорг < 0.6% на большей части изучаемой площади; Ермолкин и др., 1994; Белоконь, 1996; Масагутов и др., 1997) ограничивает перспективы протерозойских отложений Западного Башкортостана по генерации нефти и газа, несмотря на достаточную степень созревания ОВ. Однако, большие мощности и площади отложений, а также вариации в значениях Сорг, не позволяют сбрасывать со счетов возможность открытия месторождений УВ в протерозойских толщах бассейна (Белоконь и др., 1996).
14.8.2 Изменение степени катагенеза ОВ осадочных пород в истории погружения бассейна
Температурная история материнских пород, реконструкция которой обсуждалась в разделе 14.4, использовалась для численной оценки вариаций в степени катагенетического преобразования ОВ пород бассейна со временем и глубиной. Выбор метода оценки степени катагенеза ОВ при столь длительных сроках его выдержки представлял определенную проблему (см. раздел 7.5.3 книги). Мы оценивали степень катагенеза путем вычисления эффективного коэффициента отражательной способности витринита с кинетическим спектром, представленным в табл. 2-7 и на рис. 8-7 (Sweeney and Burnham, 1990). Хотя витринит отсутствует в докембрийских породах, вычисление его отражательной способности остается удобным методом теоретической оценки катагенеза в силу хорошо разработанной корреляции значений Ro% и стадий метаморфизма ОВ в современных разрезах. Рис. 4-8 демонстрирует вариации зрелости ОВ пород нижнего и верхнего рифея и верхнего девона, вычисленные с различными кинетическими спектрами созревания витринита. Сравнение показывает, что расчеты Ro% по кинетическому спектру (Sweeney and Burnham, 1990) и спектру для керогена типа IV (Espitalie, 1988) дают близкие результаты. И, напротив, оценки значений Ro% по кинетическому спектру керогена типа III из (Tissot and Espitalie, 1975) или через вычисление температурно-временного индекса ТВИ (раздел 7.5.1; Лопатин, 1971; Waples, 1980; 1985; Dykstra, 1987) сильно отличались от полученных со спектром (Sweeney and Burnham, 1990), заметно завышая оценку степени зрелости ОВ (рис. 4-8). Последнее подтверждается и данными в Табл.3-7, где глубина и возраст пород, содержащих нефтяные проявления в рифейских разрезах Арланской, Кипчакской и Аслыкульской площадей, сравниваются с теоретическими оценками зрелости пород разреза. К сожалению, данные наблюдений из работы (Белоконь и др., 1996) включают лишь приближенное положение проявлений в разрезе, отражённое в табл. 3-7 соответствующим интервалом глубин. Хотя одних данных табл. 3-7 и не достаточно для доказательства правомерности использования метода, но вместе с результатами вычисления %Ro на рис. 4-8 они говорят о предпочтительности оценки зрелости ОВ рифейских пород с использованием кинетического спектра из работы (Sweeney and Burnham, 1990) или спектра керогена типа IV из работы (Espitalie et al., 1988) перед другими методами, рассмотренными на рис. 4-8.
Несмотря на относительно низкий термический уровень литосферы в истории изучаемого района, мощное синрифтовое погружение фундамента восточных площадей изучаемого района (скв. Ахмерова, Кабаковская, Южно-Тафтимановская, Леузская на рис. 1-14), составлявшее свыше 10 км в нижнем рифее, имело следствием высокие современные значения температур в основании осадочной толщи (свыше 200оС) и раннее созревание ОВ в ней (Rо > 3.00-4.00% в современном разрезе; рис. 2-14б, е; 4-14). К западу, на площадях с заметно меньшими амплитудами синрифтовых погружений фундамента, современные температуры в подошве рифейской толщи составляли лишь 60-90оС, а катагенез пород в вычисленных значениях эффективной отражательной способности витринита не превышал 0.9%. (рис. 2-14б, е; 4-14).
14.8.3 Реализация потенциала генерации УВ предполагаемых материнских свит бассейна
Следуя изложенному в главе 8, мы провели анализ процесса созревания керогена и генерации УВ в породах бассейна в рамках трёхкомпонентной системы с учетом реакций крекинга керогена первого и второго порядка (формулы (8-1) – (8-10); Галушкин и др. 2004). Последние моделировали процесс разложения жидких УВ на газовую и коксовую составляющие, имевший место при достаточно высокой термической выдержке ОВ. Согласно геохимическому анализу породы протерозойского комплекса в современном разрезе Западного Башкортостана, включающего отложения нижнего, среднего и верхнего рифея, а также верхнего венда, характеризуются низким содержанием ОВ (Сорг £ 0.6%) и керогеном близким к типу II с ограниченным потенциалом генерации УВ (Ермолкин и др., 1994; Белоконь и др., 1996; Масагутов и др., 1997). Численное моделирование истории реализации углеводородного потенциала бассейнов осуществлялось в предположении, что процесс созревания керогена описывается кинетическим спектром стандартного керогена типа II с исходным потенциалом 377 мг УВ/г Сорг из табл. П-1-7. Реализация потенциала заметно коррелирует с изменением катагенеза ОВ этих пород. Это видно при сопоставлении результатов вычислений на рис. 4-8 и в табл. П-4-4. Так, ОВ отложений в основании нижнего рифея, испытавших значительное синрифтовое погружение, подверглось сильному преобразованию (рис.2-14б, е; 5-14), и как результат, генерированные им жидкие УВ были полностью разрушены в процессе вторичного крекинга еще в среднем рифее (рис. 4-8). Более умеренную историю созревания демонстрирует ОВ осадков в низах верхнего рифея на той же площади: заметная генерация УВ здесь началась лишь в девоне (рис. 4-8). Относительно глубокое погружение бассейна в пределах Леузской площади (табл. П-4-4) имело следствием заметную генерацию жидких УВ (в расчете на г Сорг) даже в породах верхнего девона (Рис 4-8; табл. П-4-4). В приведенных примерах характерен переход от пород низов раннего рифея, которые были газогенерирующими еще в среднем рифее, к породам в кровле раннего рифея и более молодым, которые и в настоящее время остаются нефтегенерирующими.
Тенденция увеличения катагенеза одновозрастных пород с запада на восток изучаемой области (рис. 5-14) согласуется с соответствующим ростом реализации их углеводородного потенциала (табл. П-4-4). Если в западных областях с погружением бассейна на глубины менее 7 км нефтегенерирующими остаются даже породы в низах раннего рифея, то в восточных областях близких к Уральскому передовому прогибу с погружением фундамента на глубины более 10 км эти породы исчерпали свой потенциал генерации УВ. Нефтегенерирующими на восточных площадях будут лишь породы в кровле нижнего рифея и более молодые, и даже породы верхнего венда и моложе, как в Леузской и Южно-Тафтимановской площадях (табл. П-4-4). Как видно из цитированной таблицы, максимальная генерация жидких УВ керогеном типа II в породах рифея и венда отвечает значениям эффективной отражательной способности витринита Ro = 1.0 – 1.2%, что согласуется и срезультатами наших оценок на рис. 4-8 и с оценками для палеозойских и кайнозойских пород в работах (Tissot et al.,1987; Espitalie et al.,1988; Ungerer, 1990, 1993). Результаты расчётов для скв. Южно-Тафтимановская-2 в табл. П-4-4 предполагают, что вторичный крекинг этого типа керогена может начаться и при температурах 125-140оС, вместо принимаемого обычно порога 150оС, при условии, что достигнутая степень преобразованности ОВ пород достаточно высока (Ro > 1.25-1.5%). Что касается пород венда, то согласно моделированию, они реализовали свой потенциал генерации УВ в значительно меньшей степени, чем рифейские отложения (менее 40 мг УВ из 377 мг УВ/г Сорг исходного потенциала; табл. П-4-4). Исключение составляла Леузская площадь, где по оценкам реализация к настоящему времени превышала 200 мг УВ/г Сорг (табл. П-4-4).