Геохимия и катагенетические превращения керогена баженовского горизонта

Полный текст

ИСТОРИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Первый серьезный обзор геохимии керогена был опубликован в 1958 г. В.А. Успенским с соавторами. Здесь и далее под керогеном авторы понимают нерастворимую в органических растворителях часть органического вещества (ОВ) осадочных пород.

Исследования керогена баженовской свиты были начаты во ВНИГРИ и СНИИГГиМСе вскоре после открытия этой толщи. Первые обобщения материалов по геохимии керогена баженовской свиты были выполнены А.Э. Конторовичем совместно с Л.И. Богородской и Е.А. Рогозиной (Конторович, Рогозина, 1967; Конторович и др., 1967, 1972, 1975).

В последующие годы выполнен ряд крупных работ по геохимии керогена (Kerogen…, 1980; Vandenbroucke, 2003; Богородская, и др., 2005; Vandenbroucke, Largeau, 2007).

Как известно, основными элементами, формирующими кероген, являются углерод, водород, кислород, азот и сера. Давно подмечено (Успенский и др., 1958; Вассоевич, 1958), что подобно углю с ростом степени катагенетической превращенности кероген обогащается углеродом и теряет гетероэлементы. Первые классификации керогена предложили в СССР В.А. Успенский и др. (Успенский и др., 1958), в Европе – Д. Ван-Кревелен и Ж. Шуер (Ван-Кревелен, Шуер, 1960; Tissot, Welte, 1978). Различают два главных типа керогена – аквагенный (сапропелевый, типы I и II) и террагенный (гумусовый, тип III).

Кероген аквагенного типа преобладает в морских и некоторых озерных осадках (сланцы Green River в Северной Америке, некоторые нефтепроизводящие свиты в осадочных бассейнах Восточного Китая, тогурская свита в Западной Сибири и др.). Его биологическим предшественником (прекурсором) является живое вещество архей, бактерий и простейших эукариотов. Известно, что основная масса белково-углеводных компонентов живого вещества простейших организмов подвергается окислению и биохимической деструкции еще на стадиях седиментогенеза и диагенеза, поэтому кероген аквагенного ОВ сложен в основном нерегулярными полимерлипидами, строительные блоки которого унаследованы от липидов живого вещества.

Кероген террагенного (гумусового – устаревшее название) типа преобладает в континентальных (аллювиальных, озерно-болотных, болотных) и прибрежно-морских фациях и обязан своим образованием высшей наземной растительности, в первую очередь основным по массе ее компонентам – целлюлозе и лигнину.

В качестве графического классификатора типов ОВ по элементному составу керогена авторы использовали тригонограмму, в углахкоторой в пересчете на 100% отложены содержания в керогене углерода, водорода и гетероэлементов (N+S+O) (Конторович и др., 1967, 1972; Богородская и др., 2005). Тригонограмма также позволяет определить уровень катагенетической превращенности ОВ. Данные по составу керогена, наряду с результатами определения отражательной способности витринита, были использованы при построении карты катагенеза ОВ баженовской свиты (Конторович, Фомин, 2009).

Цель настоящей работы – впервые обобщить накопленный в СНИИГГиМСе и ИНГГ СО РАН более чем за 50 лет материал по химическому составу и изотопному составу углерода керогена баженовского горизонта, главного генератора нефти в Западно-Сибирском осадочном мегабассейне, и рассмотреть главные черты его геохимии. Использованные в работе анализы выполнены Л.И. Богородской, Г.М. Антаковой, Н.М. Леминой в СНИИГГиМСе (1962–1989 гг.) и ИНГГ СО РАН (1990–2018 гг.) под руководством А.Э. Конторовича. Принятая методика анализа описана в работе Л.И. Богородской, А.Э. Конторовича и А.И. Ларичева (2005).

Отбор коллекций для исследования проводился в СНИИГГиМСе А.Э. Конторовичем, П.А. Трушковым, А.С. Фомичевым и др., в ИНГГ СО РАН – Е.А. Костыревой, С.В. Рыжковой, А.Н. Фоминым, Н.С. Ким, А.П. Родченко. Всего в работе использовано 276 анализов керогена баженовского горизонта.

Результаты нескольких анализов керогена доманикового горизонта Тимано-Печорской и Волго-Уральской провинций были любезно предоставлены Н.С. Бурдельной. Использованы также аналитические материалы по хадумской свите, опубликованные В.А. Успенским (1958).

ГЛАВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГЕОХИМИИ КЕРОГЕНА В БАЖЕНОВСКОМ ГОРИЗОНТЕ

Рассмотрим детально систематизированную информацию о составе керогенов баженовской свиты.

На рис. 1 показана диаграмма Ван-Кревелена, на которую нанесен состав керогенов баженовской свиты и ее возрастных аналогов (гольчихинская, яновстанская). Последние формировались на северо-восточной окраине Западно-Сибирского бассейна (Рыжкова и др., 2018).

 

Рис. 1. Эволюционные тренды основных типов керогенов по Д. Ван-Кревелену и Ж. Шуеру (Ван-Кревелен, Шуер, 1960): 1 – баженовская и тутлеймская (нижняя подсвита) свиты; 2 – углеродистые породы доманикового горизонта (D₃) и волжского яруса Восточно-Европейской платформы; 3 – гольчихинская ияновстанская свиты.

 

Из рис. 1 хорошо видно, что кероген баженовской свиты относится к типу II, единичные образцы – к переходным от типа II к типу I. Керогены гольчихинской и яновстанской свит относятся к типу III и лишь единичные образцы (прослои) содержат керогены типа II и переходные от типа III к II типу. Это означает, что в центральной, относительно глубоководной части Западно-Сибирского баженовского моря накапливалось автохтонное аквагенное ОВ (Конторович и др., 2013). К периферии оно сменялось аллохтонным террагенным. В этой части бассейна присутствуют только отдельные пачки пород, в которых содержится аквагенное ОВ.

Тригонограмма элементного состава керогена баженовского горизонта показана на рис. 2. Из рис. 2 наглядно видно, что ОВ баженовской свиты обогащено водородом и имеет аквагенную природу.

 

Рис. 2. Тригонограмма элементного состава керогена баженовской свиты. Поля эволюции при катагенезе элементного состава: 1 – керогена террагенного типа; 2– керогена аквагенного типа; 3 – границы зон катагенеза, цифрами обозначены значения R0vt; 4 – направление трансформации керогена в зонах аномальновысоких температур баженовской свиты; возраст отложений: 5 – кероген баженовской свиты центральных районов, 6 – кероген баженовской свиты высокотемпературной области.

 

Рис. 3. Содержание водорода в аквагенном керогене в зависимости от содержания углерода: Западно-Сибирская геосинеклиза: 1 – баженовская свита; Восточно-Европейская платформа: 2 – волжские глины, 3 – доманиковый горизонт; Скифская плита: 4 – хадумская свита, олигоцен.

 

На рис. 3 показано, что в интервале значений концентрации углерода на горючую массу керогена (С^г) от 65 до 80% увеличение концентрации углерода в керогене не сказывается на содержании водорода. Оно колеблется от 6% до 9%, в среднем около 8%. При дальнейшем росте концентрации углерода в керогене концентрация водорода начинает снижаться до 4–5% на горючую массу.

Иную интерпретацию аналитических данных об изменении концентрации водорода в керогене с ростом концентрации углерода развивал С.Г. Неручев. Уже в работах начала 70-х годов ХХ века (Неручев, 1970, 1973) он сделал очень интересное предположение, что на этапе главной фазы нефтеобразования должен нарушаться «нормальный» ход катагенеза органического вещества, и остаточное ОВ не обогащается, а обедняется углеродом и водородом за счет интенсивного образования углеводородов. С.Г. Неручев назвал это предполагаемое им явление «углеродным парадоксом». Свою концепцию С.Г. Неручев развивал до начала XXI века (Неручев, 2017).

А.Э. Конторович не исключает, что этот эффект мог быть связан с ошибками аналитических работ или отбором разнородных проб. Ряд специалистов ИНГГ СО РАН, в частности Л.М.  Бурштейн, склонны считать, что С.Г. Неручев был прав. Нельзя не отметить, что рис. 3 дает известные основания для такого вывода.

Если предположение С.Г. Неручева верно, то из этого с неизбежностью следует, что масса углеводородов, образующихся в главнуюфазу нефтеобразования, существенно больше, чем если предполагать, что накопление углерода в остаточном керогене при погружении осадочных пород происходит монотонно.

 

Рис. 4. Содержание кислорода в аквагенном керогене в зависимости от содержания углерода: Западно-Сибирская геосинеклиза: 1 – баженовская свита; Восточно-Европейская платформа: 2 – волжские глины, 3 – доманиковый горизонт; Скифская плита: 4 – хадумская свита, олигоцен. O,%

 

Рис. 5. Содержание серы в аквагенном керогене в зависимости от содержания углерода: Западно-Сибирская геосинеклиза: 1 – баженовская свита; Восточно-Европейская платформа: 2 – волжские глины, 3 – доманиковый горизонт; Скифская плита: 4 – хадумская свита, олигоцен. S,%

 

Содержание кислорода в керогене с ростом его катагенеза и увеличением концентрации углерода снижается при росте концентрации углерода от 65 до 80% быстро, а при более высоких концентрациях углерода скорость потери керогеном кислорода несколько замедляется (рис. 4). Аналогичным образом снижается содержание серы в керогене (рис. 5).

Азот содержится в керогенах баженовской свиты в концентрации 1.0–3.0%, редко 3.0–4.5%. В изученном интервале катагенетических преобразований ОВ баженовской свиты (при содержании углерода в горючей массе керогена от 65 до 86%) концентрация азота в нем не меняется. Авторы полагают, что подобно углям аквагенные керогены теряют азот на высоких стадиях катагенеза и метагенеза (рис. 6).

 

Рис. 6. Содержание азота в аквагенном керогене в зависимости от содержания углерода: Западно-Сибирская геосинеклиза: 1 – баженовская свита; Восточно-Европейская платформа: 2 – волжские глины, 3 – доманиковый горизонт; Скифская плита: 4 – хадумская свита, олигоцен. N,%

 

Рис. 7. Сравнение изотопного состава углерода керогена: 1 – аквагенного, тип II (баженовская и тутлеймская свиты); 2 – террагенного, тип III (урманская,салатская, тюменская свиты и их аналоги) органического вещества.

 

Фундаментальной важности результат дало исследование изотопного состава углерода в керогенах (Конторович и др., 1985; 1985а). Анализ новейших исследований подтвердил, что углерод аквагенного ОВ систематически изотопно легче, чем в террагенном органическом веществе (рис. 7).

Наличие большого числа определений элементного состава керогена баженовской свиты позволило построить карты изменения их состава (рис. 8–12). При этом авторы учитывали, что между содержаниями углерода и кислорода
в керогене, с одной стороны, и отражательной способностью витринита, пересчитанного на кровлю баженовской свиты в точках отбора проб для получения керогена, – с другой имеются сильные корреляционные связи для углерода: положительная, а для кислорода – отрицательная.

 

Рис. 8. Карта современных содержаний углерода в керогене пород баженовского горизонта, в % на горючую массу.

 

Рис. 9. Карта современных содержаний водорода в керогене пород баженовского горизонта, в % на горючую массу.

 

Рис. 10. Карта современных содержаний серы в керогене пород баженовского горизонта, в % на горючую массу.

 

Рис. 11. Карта современных содержаний азота в керогене пород баженовского горизонта, в % на горючую массу.

 

Рис. 12. Карта современных содержаний кислорода в керогене пород баженовского горизонта, в % на горючую массу.

 

Эти карты (рис. 8–12), точнее информация об элементном составе керогена (С, H, N, S, O), были использованы при диагностике типов ОВ (H), исходных компонентов живого вещества – источников вещества керогена (H, N), обстановок захоронения ОВ в диагенезе (S), определении уровня катагенетической преобразованности керогена (С, О).

Исследование показало, что ОВ собственно баженовской свиты и нижнетутлеймской подсвиты повсеместно аквагенное. Этот вывод подтверждается данными об изотопном составе керогена, его элементным составом (водород) и материалами по геохимии углеводородов биомаркеров (Конторович и др., 1991; 2009; Peters et al., 1993). В связи с рассмотрением вопроса о типе захороненного ОВ, крайне важном для оценки начального генерационного потенциала баженовской свиты, вернемся к анализу карты содержания водорода в керогене пород баженовского горизонта (рис. 8). На карте хорошо видно, что кероген центральных, западных, вплоть до границы выклинивания пород баженовского горизонта, и южных районов Западно-Сибирского бассейна содержит водород в высоких концентрациях (до 8–9%) и обогащен изотопом углерода ¹²С (δ¹³С‰ от -35 до -29), что указывает на его полимерлипидную аквагенную природу. Обращает на себя внимание, что кероген баженовского горизонта северных и восточных районов бассейна содержит водород в существенно меньших концентрациях (6–4%). Это может быть вызвано как сменой типа ОВ (рис. 1), так и потерей водорода керогеном на высоких стадиях катагенеза (рис. 1, 3). В связи с этим с использованием зависимости концентрации водорода в керогене от концентрации в нем углерода (рис. 3) в керогене были определены палеосодержания водорода, когда ОВ находилось на стадии раннего мезокатагенеза (МК₁) и построена соответствующая карта содержания водорода в керогене баженовской свиты на градации раннего мезокатагенеза (рис. 13). Эта карта подтверждает асимметрию в накоплении ОВ в баженовском море не только в количественном, но и в качественном отношении.

 

Рис. 13. Карта содержаний водорода в керогене баженовской свиты и ее возрастных аналогах на территории Западной Сибири на начало мезокатагенеза, в %.

 

Рис. 14. Карта соотношения террагенного и аквагенного органического вещества в керогенах баженовского горизонта.

 

Вся совокупность геохимических материалов позволила построить карту типов ОВ в породах баженовского горизонта (рис. 14).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Западно-Сибирский морской бассейн волжского и начала берриасского веков характеризовался высокой биологической продуктивностью.

Окраинная часть бассейна, особенно на востоке и северо-востоке, представляла собой маргинальный (по А.П. Лисицыну) фильтр (Рыжкова и др., 2018). Он не пропускал во внутренние части бассейна песчано-алеврито-глинистый материал. В его составе присутствовали продукты механического выветривания, образовавшиеся в областях размыва, и поставляемые вместе с ними речными системами остатки высшей наземной растительности (террагенное ОВ). Террагенное ОВ формировало в осадках протокероген с низким (3–4%) содержанием водорода. На элементный состав протокерогена могли влиять и процессы фюзенизации лигнино-целлюлозных компонентов растительных остатков в ходе миграции в реках и в окислительной среде донных осадков.

Во внутренние части бассейна поступали и накапливались в осадках тонкодисперсный глинистый материал и гидроокислы железа, а также автохтонное ОВ морской микробиоты (археи, бактерии, простейшие эукариоты – радиолярии, фораминиферы и др.). Из них образовывались биогенные осадки, а при уплотнении пород – силициты, карбонаты, фосфориты и полимерлипидный, обогащенныйводородом, протокероген аквагенного ОВ. Осадки накапливались в обстановке сероводородного заражения или дефицита кислорода в наддонных водах и илах, что при огромной массе органического вещества вело к восстановлению сульфат-иона морских вод и гидроокислов железа до пирита (до 10–15% на безводные осадки) и внедрению значительных масс серы в химическую структуру липидов ОВ. В результате этих процессов образовывавшийся полимерлипидный протокероген был обогащен сероорганическими соединениями.

При погружении в зоне катагенеза это аквагенное ОВ генерировало огромные массы нефти, нередко сернистой, и жирных, богатых углеводородами С₂-С₄ газов.

Особенности палеогеографии гигантского волжско-ранне-берриасского относительно глубоководного эпиконтинентального моря предопределили уникальный нефтегазогенерационный потенциал осадочных образований баженовского горизонта, который был источником нефти в кероген-карбонатно-глинисто-кремнистых породах горизонта Ю₀ (баженовская свита, нижнетутлеймская подсвита), а также в песчаных резервуарах верхней юры (горизонт Ю₁) и нижнего мела (баррем-апт, горизонты групп А и Б) центральных районов Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна.

Об авторах

А. Э. Конторович

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН; Новосибирский государственный университет; Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: KontorovichAE@ipgg.sbras.ru
Россия, Новосибирск, просп. Академ. Коптюга, 3; Новосибирск, ул. Пирогова, 1; Кемерово, просп. Советский, 21

Л. И. Богородская

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН

Email: KontorovichAE@ipgg.sbras.ru
Россия, Новосибирск, просп. Академ. Коптюга, 3

Л. С. Борисова

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН; Новосибирский государственный университет

Email: KontorovichAE@ipgg.sbras.ru
Россия, Новосибирск, просп. Академ. Коптюга, 3; Новосибирск, ул. Пирогова, 1

Л. М. Бурштейн

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН; Новосибирский государственный университет

Email: KontorovichAE@ipgg.sbras.ru
Россия, Новосибирск, просп. Академ. Коптюга, 3; Новосибирск, ул. Пирогова, 1

З. Р. Исмагилов

Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН

Email: ismagilovzr@iccms.sbras.ru
Россия, Кемерово, просп. Советский, 21

О. С. Ефимова

Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН

Email: KontorovichAE@ipgg.sbras.ru
Россия, Кемерово, просп. Советский, 21

Е. А. Костырева

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН

Email: KontorovichAE@ipgg.sbras.ru
Россия, Новосибирск, просп. Академ. Коптюга, 3

Н. М. Лемина

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН

Email: KontorovichAE@ipgg.sbras.ru
Россия, Новосибирск, просп. Академ. Коптюга, 3

С. В. Рыжкова

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН

Email: KontorovichAE@ipgg.sbras.ru
Россия, Новосибирск, просп. Академ. Коптюга, 3

С. А. Созинов

Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН

Email: KontorovichAE@ipgg.sbras.ru
Россия, Кемерово, просп. Советский, 21

А. Н. Фомин

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН; Новосибирский государственный университет

Email: KontorovichAE@ipgg.sbras.ru
Россия, Новосибирск, просп. Академ. Коптюга, 3; Новосибирск, ул. Пирогова, 1

В. Р. Лившиц

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН; Новосибирский государственный университет

Email: KontorovichAE@ipgg.sbras.ru
Россия, Новосибирск, просп. Академ. Коптюга, 3; Новосибирск, ул. Пирогова, 1

Список литературы

Дополнительные файлы