ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (ПАУ) - ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ ЛИТОСФЕРНЫХ ПОТОКОВ УГЛЕВОДОРОДОВ

ПАУ - геохимические индикаторы при поисках нефти и газа

ПАУ в первичном геохимическом ореоле . Среди углеродистых соединений ПАУ занимают особое место. Им принадлежит важнейшая роль в изучении геохимической истории нефти. ПАУ представляют собой как бы промежуточное звено между моноциклическими аренами, составляющими основную часть ароматических углеводородов нефти, и высококонденсиро-ванными смолисто-асфальтеновыми веществами. В нефти содержание ПАУ составляет 1-4%. Это в основном алкилзамещенные гомологи нафталина, бензфлуорена, фенантрена, хризена, пирена, 3,4-бензпирена и других ПАУ, широко распространенных в осадочных горных породах нефтегазоносных районов (табл. 19). Встречаются они также в современных (четвертичных), в том числе морских и океанических, отложениях. Аномально высокая концентрация ПАУ в породах и присутствие в составе ПАУ незамещенных гомологов приурочены, как правило, к тем местам, где поблизости имеются нефтегазовые залежи или разрывные нарушения в земной коре.

Многолетние исследования геохимии ПАУ в природных процессах привели к выводу, что ПАУ хорошие геохимические индикаторы, трассирующие в геохимической структуре ландшафта следы литосферных потоков углеводородов.

В работе В.Н. Флоровской и др. (1966), посвященной изучению ПАУ в битуминозном веществе мезозойских отложений Южного Мангышлака, впервые было замечено, что некоторые ПАУ (3,4-бензпирен. 1,12-бензперилен, перилен и др.) очень ярко проявляются пс всему разрезу в пределах нефтегазовых месторождений (Узень), а за их пределами в тех же литолого-стратиграфических комплексах присутствуют лишь в виде следов. Таким образом, возникло предположение, что комплекс ПАУ может быть дополнительным, но весьма существенным геохимическим признаком для локального прогноза нефтегазоносности разреза осадочной толщи.

Рассмотрим на примере некоторых разведочных площадей одного из районов прибортовой восточной части Прикаспийской

Состав полициклических ароматических углеводородов некоторых нефтей (Определение А.И. Оглоблиной)

впадины распределение ПАУ в перспективных подсолевых палеозойских отложениях¹.

Район исследования расположен в пределах Жаркомысского поднятия на сочленении краевой приподнятой зоны (Жанажольс-кая ступень) и Кениякской ступени (рис. 8). Глубина залегания докембрийского фундамента в этом районе около 7 км. Осадочный чехол разделяется на три литолого-стратиграфических комплекса: девонско-нижнепермский подсолевой, кунгурский солевой и верхнепермский - четвертичный надсолевой, Жанажоль-ская и Кенкиякскал ступени отличаются составом подсолевых каменноугольных отложений. Отложения каменноугольного возраста первой (скв. 100 Жанатан и скв. 2 Куантай) представлены карбонатными породами, преимущественно известняками и доломитами, в пределах второй (скв. 5 Кумкудукоба) располагается мощная толща преимущественно терригенного состава: песчаники, алевролиты, аргиллиты.

Петрографическое и битуминологическое изучение керна (более 100 образцов) позволило выявить широкое распространение следов миграции углеводородов по всему разрезу подсолевых отложений. В терригенном комплексе битуминозное вещество (БВ) преимущественно смолисто-асфальтенового состава, а в карбонатном - легкого маслянистого, маслянисто-смолистого. В песчаниках терригенной толщи доминируют более легкие компоненты,

Работа проводилась совместно с Н.Н. Шепелевой и А.И. Оглоблиной.

Рис. 8. Обзорная карта восточной прибортовой части Прикаспийской впадины: I - контуры крупных положительных структур: А - Жаркомысско-Енбекская зона поднятий; Б - Южно-Эмбенское поднятие; В - Биикжальский свод; месторождения: 2 - нефтяные, 3 - газовые и газоконденсатные; 4 - разломы: I - главный Уральский, II - Ащисайский, III - Северо-Устюртский; тектонические элементы подсолевых отложений (по Дальяну, 1987): 5 - краевая приподнятая зона; в - Кениякская ступень, 7 - Коздысайская ступень, 8 - Шубаркудукская ступень, 9 - Остансукский прогиб; 10 - экспериментальный полигон; залежи: а - Аккемир, 6 -

Шубаркудук, в - Караулкельды, г - Кумкудукова, д - Карате, е -Шолькара, сис - Тортай, з- Мынсуалмас, и - Куантай, к - Жанатан, л - Жанажол, м - Кажасай, п - Урихтай, о - Кенияк

в глинистых породах - смолисто-асфальтеновые. Битуминозное вещество перимущественно смолисто-асфальтенового типа приурочено к горизонтально проницаемым зонам, а его легкие компоненты встречаются как в горизонтальных ослабленных участках, так и в вертикальных трещинах.

Значительное количество миграционного битуминозного вещества, отмеченного в нижних горизонтах терригенного комплекса и карбонатной толщи площади Жанатан, а также наличие в пределах обоих тектонических элементов месторождений нефти и газа позволяют считать этот район перспективным. Изучение типов распределения ПАУ в горных породах дает возможность, кроме того, сделать заключение относительно возможной нефте-газоносности этих разрезов.

По распределению ПАУ в породах подсолевого комплекса можно выделить два типа битуминозных веществ (табл. 20).

Тип I характеризуется наиболее полным набором индивидуальных ПАУ и их гомологов. Среди них, помимо замещенных гомологов нафталина, фенантрена, хризена, пирена, 3,4-бензпирена, присутствуют незамещенные структуры: 3,4-бензпирен, 1,12-бенз-перилен, пирен. В заметных количествах (6,9-31,7% общего количества ПАУ) присутствует дифенил, а также небольшие количества флуорена. Общая сумма ПАУ в породах изменяется от 2727 до 11 160 мкг/кг при медиане 3911. Содержание битуминозных веществ в породах довольно высокое - сотые и десятые доли процента. Этот тип распределения ПАУ сопровождается высоким выходом пиролитических фракций и высоким содержанием углерода относительно других пород того же района. В типе I выделяется два подтипа 1а и 16. Первый отличается наиболее низким содержанием гомологов нафталина (менее 50%), высоким содержанием гомологов пирена (более 15%) и хризена. Общее содержание ПАУ в породе больше 5000 мкг/кг. Распределение ПАУ подтипа 16 отличается увеличением содержания нафталинов и снижением количества других структур. Общее содержание ПАУ не превышает 4000 мкг/кг.

Для типа II характерно отсутствие (в пределах чувствительности определения) гомологов хризена, 3,4-бензпирена, а также таких незамещенных структур, как 3,4-бензпирен и 1,12-бензперилен. Общее содержание ПАУ, битуминозных веществ, углерода и пиролитических фракций в общем ниже, чем в типе I. Во II типе также можно выявить два подтипа, различающихся содержанием нафталинов, фенантренов, пиренов. Медиа.нные содержания фенантренов, пиренов относительно суммы ПАУ, а также бигу-моидов в породах с подтипом На на порядок выше, чем в породах с подтипом Пб. Среди ПАУ типа II также постоянно отмечались дифенил (2,6-15,4%) и флуорен.

Все типы и подтипы распределения ПАУ не связаны с какими-либо определенными литологическими разностями пород. Каж-

Характеристика основных типов распределения ПАУ в битуминозном веществе подсолевых отложений восточной прибортовой части Прикаспийской впадины

Примечание. В скобках - медианные значения. Пробы: 1а - 8, 21, 57 (скв. 5 Кумкудукоба); 16 - 1, 2, 14, 26, 29,

30 (скв. 5 Кумкудукоба), 32 (скв. 100 Жанатан); На - 49 (скв. 5 Кумкудукоба), 17, 29 (скв. 100 Жанатан), 2, 25 (скв. 2 Куантай); Пб - 5 (скв. 100 Жанатан), 10, 17 (скв. 2 Куантай).

со

со

дый из них встречен в известняках, аргиллитах, алевролитах. Распределение ПАУ типа I приурочено почти исключительно к разрезу скв. 5 Кумкудукоба. Весь разрез в изучаемом интервале (3400-5230 м) насыщен БВ, основная масса которого сконцентрирована в глинистых прослоях. В изученных образцах концентрации хлороформного битумоида (ХБА) варьируют от 0,05 до 0,16%. БВ вторично по отношению к минеральным компонентам породы. В глинистых прослоях оно локализуется в основном в горизонтальных стилолитоподобных прерывистых, а также в разноориентированных ветвящихся микротрещинах. Нередки включения размером менее 0,1-2 мм в виде сгустков неправильных, причудливых форм (по всей видимости, асфальтенового состава) с ответвлениями в межзерновые каналы, трещинки минералов, остатки организмов. Отдельные включения соединяются микротрещинками, выполненными веществом того же состава. Легкие фракции БВ в глинистых породах приурочены к горизонтальным зонам повышенной проницаемости (микротрещинам, слоистости пород, скоплениям горизонтально ориентированных вышеописанных включений), а также к вертикальным трещинам. Вдоль них в ультрафиолетовых лучах отмечается зеленовато-желтое, желто-коричневое свечение маслянисто-смолистых компонентов. В песчаниках и алевролитах БВ локализуется в межзерновых каналах и глинистом цементе пород. Оно люминесцирует преимущественно в желтых, зеленовато-желтых и желто-коричневых тонах, характерных для маслянистых и смолистых компонентов. Отмечаются также смолисто-асфальтеновые включения, близкие к изометричным формам.

Таким образом, в разрезе скв. 5 Кумкудукоба широко распространены миграционные формы БВ, так или иначе перемещавшиеся по толще горных пород. Преимущественно в них отмечается подтип 16 распределения ПАУ. Подтип 1а определен в интервалах 3629-3630, 4220-4227 и 5221-5228 м, которые представлены разными типами пород. Общее для них - увеличение на порядок содержания битумоидов в породах, разнообразие форм залегания БВ, яркие (светло-оранжевые, желто-оранжевые и желто-коричневые) цвета люминесценции. К интервалу 3500-3750 м в этой скважине приурочено проявление нефти.

Распределение ПАУ типа II связано преимущественно с карбонатным комплексом пород на площадях Жанатан и Куантай. В кавернозных трещиноватых участках карбонатного массива в незначительных количествах в виде желтых пленочек на стенках трещин, на стыках кристаллов, а также в межзерновом пространстве встречается легкое по составу миграционное БВ. В пермских отложениях отмечаются некоторое увеличение его содержания и утяжеление состава. Морфология включений и состав вещества аналогичны таковым в породах терригенного комплекса.

В обеих скважинах на Жанажольской ступени подтипы Па и Пб не связаны с какими-либо определенными интервалами разреза. Оба подтипа встречены в верхних, средних и нижних частях разрезов. В скв. 10 Жанатан наряду с преимущественным распространением типа II в самом нижнем из изученных интервалов (4209-4211 м) встречено распределение ПАУ типа 16 в разрезе скв. 5 Кумкудукоба в песчанике на глубине 5072 м типа Па.

По суммарным характеристикам БВ можно сделать вывод, что в разрезах исследованных отложений имела место миграция УВ-флюидов. На фоне широкого развития следов миграции УВ можно видеть две качественно различные ассоциации ПАУ: 1)

тип II - типично фоновая ассоциация, которая может характеризовать БВ, связанное с регионально-миграционными процессами, не приводящими непосредственно к скоплению УВ; 2) тип I можно считать признаком локальных процессов формирования зон неф-тегазонакопления и отдельных месторождений. Ассоциация типа I типична для нефтей. Признаки нефтеносности усиливаются от подтипа 16 к подтипу 1а. Показывает это наличие нефтепроявле-ний в интервале 3500-3750 м (скв. 5 Кумкудукоба), где встречено распределение ПАУ по подтипу 1а. Вероятно, что по ассоциации ПАУ типа I можно судить о нефтеносности разреза, а по распространению ПАУ подтипа 1а- о нефтеносных горизонтах. Интересно отметить, что в низах вскрытого разреза в скв. 100 Жанатан появляется ассоциация ПАУ типа I, что позволяет судить о возможном наличии залежи в более глубоких горизонтах. В целом нарастание признаков нефтеносности наблюдается в ряду Иб-Па-1б-1а.

В подсолевых отложениях восточной прибортовой части Прикаспийской впадины в эпигенетипичном БВ выявлены две качественно различные ассоциации ПАУ, которые существенно отличаются друг от друга и могут служить для диагностики разных типов миграционных процессов. Ассоциация ПАУ, характеризующаяся отсутствием хризенов и гомологов 3,4-бензпирена, связана, по-видимому, с битуминозным веществом региональномиграционного происхождения, отличающимся более легким составом, высокой степенью дисперсности, значительным количеством углерода в породах и малым выходом пиролитических фракций. По-видимому, эта ассоциация характеризует нелокализован-ные потоки, связанные с “созреванием’’ органического вещества.

Ассоциация ПАУ, аналогичная ПАУ нефтей (тип I), сопровождает миграцию УВ непосредственно в зоне нефтегазонакопления. По этой ассоциации можно судить о перспективах отложений непосредственно на данной площади, а также трассировать наиболее перспективные горизонты в разрезе.

ПАУ и новейшие локальные структуры. Связь новейших движений земной коры с нефтегазоносностью недр как эмпирическая закономерность была подмечена давно. Она широко используется при структурно-геоморфологических исследованиях, ставящих целью поиски антиклинальных ловушек на глубине или изучение современной блоковой структуры земной коры (Мещеряков, Проничева, 1966; Никифоров, 1969; Горелов, 1972; Философов, 1975; Аристархова, 1979; Ранцман, 1989; Гласко, Ранцман, 1991). Одновременно развивается комплексный анализ инструментальных данных по современным движениям земной поверхности и стационарных геофизических полей в связи с размещением месторождений нефти и газа (Донабедов, Сидоров, 1976). В последние годы появились данные геохимических исследований, позволившие на конкретных регионах доказать связь новейших движений с аномалиями теплового поля, контролируемыми активными разломами, по которым происходит флюидная разгрузка. Эти аномалии сопровождаются углеводородными и гелиевыми аномалиями. Последние приурочены к зонам пересечения разломов, характеризующимся высокими градиентами современных вертикальных движений земной поверхности (Современные движения ..., 1987). Проявления на поверхности Земли новейших тектонических движений должны увязываться с аномалиями, создаваемыми литосферными потоками углеводородов.

Возможности изучения полициклических ароматических углеводородов для диагностики таких аномалий были нами установлены при проведении геохимических исследований в Западно-Камчатском нефтегазоносном бассейне (Геохимическое обоснование ..., 1975; Влияние новейших движений ..., 1976). Работы проводились в бассейне р. Ичи и на побережье Охотского моря (Зап. Камчатка), в Ичинском нефтепоисковом районе. Изучалась геохимия пород, включая углеродистые вещества и ПАУ, меловых, палеогеновых и неогеновых отложений.

В целях индикации потоков углеводородов от возможных их скоплений к поверхности на территории Ичинского района произведено массовое площадное изучение битуминозных веществ и ПАУ в четвертичных отложениях.

Выли изучены площади Верхненизконского, Нижненизконско-го и Кисунского поднятий и сопряженные с ними участки. В Ичинском районе съемкой было покрыто около 1250 км². В породах всех осадочных комплексов Ичинского района установлены битуминозные вещества, характер залегания которых позволил выделить несколько типов битуминозных текстур. Наиболее распространенным является залегание битуминозных веществ в порах (межзерновых пустотах) и трещинах, которое наблюдается во всех типах пород: песчаниках, алевролитах, аригиллитах, опоках, кальцитизированных породах и порфиритах.

Важной особенностью распространения полициклических ароматических углеводородов в осадочных породах является приуроченность наиболее высоких содержаний и наибольшего количественного разнообразия к толщам, где ярко выражены следы миграции углеводородов: верхнемеловые, палеогеновые и нижнесреднемиоценовые отложения. ПАУ ни в одной из изученных толш не обнаруживают более или менее заметной качественной или количественной связи с типами пород или составом биту-моидов. Этот факт позволяет предполагать, что многоядерные ароматические углеводороды в толщах горных пород являются результатом эпигенетического новообразования.

Для люминесцентно-битуминологического изучения четвертичных отложений были отобраны пробы шлама из бурившихся для сейсморазведочных работ мелких скважин. Четвертичные отложения в Ичинском районе представлены в верхней части аллювиально-озерными и водно-ледниковыми песками, супесями, глинами, галечниками. Эти породы покрыты сверху торфяником, мощность которого изменяется от первых десятков сантиметров (на возвышенных участках) до нескольких метров (в долинах рек). Для исследования брались образцы песков, супесей и глин, залегающие ниже слоя торфяника.

Содержания битумоидов во всех типах пород четвертичных-отложений изменяются в широких пределах: от 10^-4 до 10^-1%. Медианные значения совокупности, условно принятой за аномальную, более 0,06%. Пикеты с различными медианными значениями содержания битумоидов на картах получили упорядоченное расположение: все значения, входящие в “аномальную” совокупность, оказались расположенными внутри четко разграниченных участков, выделенных в качестве битумоидных аномалий.

В битумоидах четвертичных отложений Ичинского района с помощью тонкоструктурной люминесцентной спектроскопии были идентифицированы индивидуальные полициклические ароматические углеводороды. ПАУ в количествах, заведомо на один-два порядка превышающих возможный биогенный фон, на карте получили упорядоченное расположение: они легли в пределы четко оконтуренных зон, которые рассматриваются нами как аномалии полициклических ароматических углеводородов.

Битумоидные аномалии и аномалии ПАУ на территории Ичинского района большей частью перекрывают друг друга, но их границы не всегда точно совпадают. Принимая во внимание, что ПАУ широко распространены в пределах исследованных структур в осадочной толще, участки перекрытия этих аномалий рассматриваются нами как наиболее надежные признаки миграции флюидов из недр. Почти во всех случаях участки распространения ПАУ немного смещены относительно границ битумоидных аномалий к юго-западу. На территории Ичинского района выявлено 12 участков, в которых четвертичные отложения характеризовались высокими содержаниями битумоидов и наличием ощутимых количеств полициклических ароматических углеводородов, т.е. представляют собой аномальные зоны. По форме эти аномалии

разделяются на четыре группы: сплошные, кольцевые, линей

ные и прерывистые. Среди сплошных аномалий выделяются три наиболее крупные в западной части Ичинского района: одна захватывает часть свода, западное крыло и северную переклиналь Междуреченской антиклинали, другая - северную периклиналь Лиманской антиклинали, третья - расположена в нижнем течении р. Саичик на северо-западном продолжении Нижненизконского поднятия. Крупная кольцевая аномалия обрамляет практически все Кисунское поднятие, причем наиболее контрастный участок этой аномалии проходит через свод Приморской антиклинали. Линейная аномалия четко прослеживается вдоль нарушения на восточном крыле Северной антиклинали Верхненизконского поднятия. Лругие аномальные зоны по своей площади менее значительны. Результаты люминесцентно-битуминологической съемки, проведенной в Ичинском нефтепоисковом районе, хорошо согласуются с особенностями новейшей тектоники этой территории.

В результате структурно-геоморфологических исследований, проведенных В.Д. Дмитриевым, был намечен новейший структурный план Ичинского района. Этот план характеризуется наличием двух субпараллельных зон новейших поднятий, разделенных зоной интенсивных опусканий. Крылья этих зон нередко нарушены разрывами, проявляющими себя в новейшее время. Общие контуры локальных поднятий, выделенных структурногеоморфологическими и геофизическими методами, как правило, совпадают. Однако для присводовых участков структур характерно смещение их морфометрических контуров относительно реальных на глубине.

Все зоны аномальных содержаний битумоидов и полициклических ароматических углеводородов расположены в пределах участков, испытавших интенсивные восходящие движения. Зоны новейших опусканий характеризуются главным образом фоновыми содержаниями битумоидов и отсутствием полициклических углеводородов (рис. 9).

Установлены три формы связи аномалий с новейшими движениями: прямая, полуобращенная и обратная (табл. 21).

Прямая связь существует для сплошных аномалий, которые, кроме того, характеризуются и наибольшей контрастностью. Все эти аномалии связаны с локальными структурами, испытавшими активные восходящие движения в голоцене: Междуреченс

кой, Лиманской, Усть-Саичикской, Усть-Кенашкинской, Усть-Низконской, Верхнесаичикской и Приморской. Прямая связь характеризует и линейную аномалию на восточном крыле Северной антиклинали. Здесь имеет место зона повышенных полосовых значений градиентов скоростей вертикальных голоценовых движений по разлому глубокого заложения.

Интенсивные восходящие движения в голоцене способствовали увеличению степени раг-крытости сводов структур и создали

Рис. 9. Схема распространения повышенных содержаний би-тумоидов и полициклических ароматических углеводородов в четвертичных отложениях Ичинского нефтепоискового района: 1 - участки распространения фоновых содержаний; 2 - участки распространения аномальных содержаний битумоидов; 5-участки распространения полициклических ароматических углеводородов; 4 - границы зон проявлений интенсивных восходящих новейших движений; 5 - границы новейших локальных поднятий; 6 - сводовые участки локальных поднятий; 7 - разрывные нарушения; 8 -колонковые скважины; 9 - глубокие параметрические скважины. Антиклинальные поднятия: I - Нижне-Низконское, II - Кисунское, III - Верхне-Низконское

благоприятные условия для миграции флюидов к дневной поверхности, что в свою очередь обусловило прямую связь между участками накопления этих флюидов и новейшими структурами.

Кольцевые аномалии имеют обратную форму связи с новейшими движениями и приурочены к поднятиям, характеризующимся

со

о

Таблица 21

Связь геохимических аномалий с новейшими движениями

слабыми опусканиями, при которых погружение свода отстает от крыльев. Это приводит к образованию на крыльях структур трещиновых зон, вдоль которых происходит миграция флюидов. К таким структурам относятся Усть-Кисунская и Среднесаичик-ская, к крыльям которых приурочены аномальные содержания битумоидов и полициклических ароматических углеводородов в четвертичных отложениях. Промежуточное положение занимают участки с прерывистыми аномалиями, приуроченные к Тваянско-му и Усть-Низконскому новейшим поднятиям.

Следует подчеркнуть тесную связь с новейшими движениями участков распространения полициклических ароматических углеводородов (перилен). Перилен на участках своего распространения присутствует во всех литологических типах пород, а его содержание не обнаруживает явной связи с содержанием битумо-ида, в составе которого он находится. Вместе с тем отчетливо наблюдается тяготение участков распространения перилена в четвертичных отложениях к сводам новейших локальных поднятий (табл. 22).

Таблица 2 2

Связь полициклических ароматических углеводородов с элементами новейших локальных поднятий

Примечание, п - количество анализов

Как указывалось выше, на территории Ичинского района имеет место некоторое смещение участков распространения перилена относительно контуров битумоидных аномалий. Это смещение происходит в том же направлении, что и смещение морфометрических контуров сводовых частей новейших структур относительно реальных сводов на глубине. Это еще одно свидетельство в пользу связи зон распространения полициклических ароматических углеводородов с новейшими движениями.

Таким образом, на территории Ичинского района выявлен ряд аномалий ПАУ, локализация и форма которых тесно связаны с историей новейших тектонических движений на данной территории. Наиболее крупные из них связаны с локальными поднятиями, выявленными геолого-геофизическими методами. Можно утверждать, что на названных выше участках индуцируются следы локализованных литосферных потоков углеводородов. Это подтвердилось получением на одной из аномалий (Лиманская площадь) притока газоконденсата.