Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Фокусированные углеводородные потоки на глубоководных окраинах континентов

ВАК РФ 04.00.17, Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Иванов, Михаил Константинович, Москва

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Геологический факультет

Кафедра геологии и геохимии горючих ископаемых и Учебно-научный Центр ЮНЕСКО-МГУ по морской геологии и геофизике при геологическом факультете МГУ

На правах рукописи

Иванов Михаил Константинович

ФОКУСИРОВАННЫЕ УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ПОТОКИ НА ГЛУБОКОВОДНЫХ ОКРАИНАХ

КОНТИНЕНТОВ

Специальность 04.00.17 - геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений

Диссертагщя на соискание ученой степени доктора геолого-

Содержание

Стр.

Введение 4

I.Цели и задачи исследований и защищаемые положения 9

II.Методика исследований

II. 1 Фактический материал 12

II.2 Краткая характеристика технических средств и методика полевых исследований 14

Ш.Углеводородные потоки на глубоководных окраинах континентов и связанные с ними явления. Краткий обзор проблемы 29

IV.Геофизические признаки миграции, аккумуляции и разгрузки флюидов 38

V.Геологические, геохимические и биологические свидетельства разгрузки флюидов 55

VI.Состав и возможные источники углеводородных флюидов 79 УП.Глубоководные грязевые вулканы - главные каналы разгрузки холодных флюидных потоков; их распространение

и особенности строения 95

VII. 1 Черное море 96

VII.2 Средиземное море 119

VII.3 Норвежская континентальная окраина 144 VIII.Hctohhhkh, причины возникновения и механизм

действия холодных флюидных потоков 158

VIII. 1 Источники флюидов 161 VIII.2 Причины возникновения флюидных потоков 168 VIII.3 Механизм действия фокусированных флюидных 174 потоков

Заключение 189

Список литературы 193

Введение

Удивительные открытия фокусированных углеводородных (УВ) потоков в глубоководных зонах континентальных окраин, получивших в литературе название "холодные сипы" (cold seeps) приковывают к себе внимание ученых разных специальностей на протяжении последних 10-15 лет. С действием этих потоков связаны многочисленные геофизические аномалии в верхних частях осадочного разреза, характерные структуры и формы рельефа морского дна, обширные поля приповерхностного залегания газовых гидратов, специфическая минерализация, необычные сообщества донных микро- и макроорганизмов и многие другие явления. Поток вещества, движущегося с глубин в несколько километров к поверхности, несет в себе уникальную информацию о составе, строении и геологической истории глубоководных осадочных бассейнов, пока еще почти не затронутых поисковым бурением.

Изучение флюидных потоков в глубоководных частях Мирового океана и различных аспектов, связанных с их проявлением представляется особенно актуальным в настоящее время, когда углеводородная индустрия совершает стратегическое перемещение в направлении глубоководных частей континентальных окраин, рассматривая их как новый источник добычи УВ сырья. Уже несколько лет ведется успешная эксплуатация нефтяных месторождений на континентальной окраине Бразилии в бассейне Кампос на глубинах океана 1000-1700 м. В этом районе начата геофизическая подготовка площадей для проведения разведочного и эксплуатационного бурения на глубинах воды до 2500 м. Более 30 месторождений нефти и газа на глубинах моря до 2100 м было

открыто, начиная с 1983 года на континентальном склоне Мексиканского залива. Недавно было обнаружено несколько новых глубоководных месторождений нефти и газа на континентальном склоне к западу от Шетландских островов, к западу от Внешних Гибрид, а также в районе бассейна Поркупайн. Транснациональные нефтяные компании ведут активные поисковые работы на глубоководном плато Роколл, Фарерской окраине, в Норвежском море и многих других районах.

Работы, направленные на поиск, разведку и добычу УВ сырья в глубоководных зонах морей и океанов, постепенно выявили круг научных задач, имеющих большое практическое значение для деятельности нефтяных компаний. Наиболее приоритетными среди них являются:

• роль областей разгрузки УВ флюидов в общей оценке перспектив нефтегазоносности глубоководных акваторий, определение источников флюидов и их связи с месторождениями нефти и газа, влияние флюидных потоков на геологические, геохимические и биологические процессы на дне морского бассейна;

• закономерности распространения газовых гидратов в разрезе континентальных окраин, их значение в качестве самостоятельных источников энергетического сырья и в формировании УВ скоплений в верхних частях осадочного разреза, природные процессы, контролирующие их образование и диссоциацию;

• проблемы стабильности континентальных склонов, механизмы и масштабы перемещения осадков, причины и признаки повышенной нестабильности континентальных склонов;

• закономерности формирования и распространения в пространстве глубоководных терригенных коллекторов, современные аналоги глубоководных коллекторов в зонах развития контуритов и

турбидитов;

• современные глубоководные рифовые постройки, закономерности их распространения и причины роста, их практическое значение в качестве возможных природных резервуаров нефти и газа.

Источники газа и нефти на морском дне, аномально высокие концентрации углеводородов в осадках и придонном слое воды и другие прямые признаки нефтегазоносности, безусловно, представляют большой интерес и, традиционно, учитываются при выработке стратегии поисков нефтяных и газовых месторождений, особенно на ранних этапах освоения бассейнов. Однако, значение УВ флюидных потоков простирается гораздо шире. Комплексное их исследование позволяет пролить свет на роль газовых гидратов в аккумуляции и консервации углеводородов, причины повышенной нестабильности континентальных склонов, пути и способы миграции флюидов в стратисфере, оценить их значимость в глобальном цикле некоторых важнейших химических элементов, влияние на климатические флуктуации и многое другое.

Решению некоторых из этих актуальнейших проблем посвящена настоящая работа, основанная на материалах ряда завершенных научно-исследовательских проектов, в которых автор являлся исполнителем или научным руководителем, и на публикациях по их результатам.

Благодарности. Прежде всего, автор благодарен А.Ф. Лимонову за многолетнее, плодотворное сотрудничество, В.Т. Трофимову, И.Ф. Глумову, A.B. Калинину и А.Е. Сузюмову, принявшим огромное участие в создании программы ЮНЕСКО «Обучение через исследования» («Плавучий университет»), без которой написание

настоящей работы было бы невозможно.

Автор выражает искреннюю признательность всему коллективу кафедры геологии и геохимии горючих ископаемых геологического факультета МГУ, возглавляемой профессором Б.А. Соколовым, который оказывал постоянную поддержку этим исследованиям. Многолетнее сотрудничество связывает автора с профессорами кафедры Ю.К. Бурлиным, В.В. Семеновичем, O.K. Баженовой, И.В. Высоцким, Ю.И. Корчагиной, ведущими научными сотрудниками А.И. Конюховым, Е.Е. Карнюшиной, доцентами, преподавателями и научными сотрудниками А.Н. Гусевой, А.Я. Архиповым, О.В. Крыловым, Н.П. Фадеевой, Н.В. Прониной, Е.В. Соболевой, Т.А. Кирюхиной, Е.Е. Свистуновым, Г.Е. Яковлевым и др.

На протяжении многих лет автор тесно сотрудничал с В.Г. Гайнановым, В.В. Калининым, JI.M. Кульницким, М.Ю. Токаревым, A.B. Старовойтовым (кафедра сейсмометрии и геоакустики); И.С. Чумаковым (кафедра литологии и морской геологии); Б.Т. Яниным и A.C. Алексеевым (кафедра палеонтологии); A.M. Никишиным и Л.Ф. Копаевич (кафедра исторической геологии); Ю.Н. Гурским (кафедра геохимии); В.Г. Шлыковым (кафедра инженерной и экологической геологии) и др.

Поддержку и консультации при проведении этих работ оказывали В.Е. Хаин, Е.Е. Милановский, О.В. Япаскурт, В.Т. Фролов, П.П. Тимофеев, П.Н. Куприн, A.C. Поляков, В.М. Сорокин (геологический факультет, МГУ), В.Н. Холодов (ГИН РАН), Г.Д. Гинсбург, Г.А. Черкашев, В.А. Соловьев (ВНИИ Океанология), Л.Б. Мейснер, Д.А. Туголесов, Р.П. Круглякова и Ю.М. Губанов (ВНИИ Океангеофизика), K.M. Шимкус (Южное отделение ИОАН), H.A. Богданов (ИЛ РАН), A.B. Егоров и А.Ю. Лейн (ИОАН), Э.М. Галимов и Л. А. Ко дина (ГЕОХИ РАН), М.В. Иванов и Н.В. Пименов (Институт

Микробиологии РАН), A.M. Новиков и В.Н. Живаго (Миннауки РФ) и др.

Автор благодарен своим зарубежным коллегам Дж. Вудсайду, Н. Кеньону, М.Б. Чите, Р. Киду, Ч. Ван Веерингу, Я. Ван Хинте, М. Марани, М. Эргюну, Ж.-П. Генриету, М. Комас и др., активно участвовавшим в этих исследованиях.

Большой вклад в получении полевого материала внесли сотрудники ПО "Южморгеология", ПМГРЭ и экипажи научно-исследовательских судов "Геленджик" и "Профессор Логачев", которым автор также выражает свою искреннюю признательность.

Особую благодарность хотелось бы выразить сотрудникам, аспирантам и студентам Центра ЮНЕСКО-МГУ по морской геологии и геофизике Е.В. Козловой, П.В. Шашкину, Г.Г. Ахманову, С.В. Буряку, A.M. Ахметжанову, A.JL Волконской, А.Н. Стадницкой, И.Ю. Беленькой, А.П. Сауткину и др., которые своим энтузиазмом и большой работоспособностью стимулировали выполнение этих исследований.

Огромную помощь в оформлении работы оказали Е.В. Козлова, П.В. Шашкин и Г.Г. Ахманов, которым автор очень признателен.

I. Цели и задачи исследований и защищаемые положения

Целью настоящей работы являлось комплексное исследование фокусированных УВ потоков и связанных с ними процессов в осадочном разрезе и на дне глубоководных морских бассейнов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• создание современной технологии и оптимальной методики обнаружения и изучения зон действия флюидных потоков;

• комплексное исследование структур, генетически связанных с фокусированной разгрузкой флюидов;

• изучение состава и свойств продуктов флюидопереноса, включая газы, газовые гидраты, поровые воды, диагенетические новообразования, обломки пород и другое;

• оценка роли различных источников УВ в формировании флюидных потоков;

• изучение взаимного влияния биоты и флюидов на формирование состава и продуктов флюидопереноса;

• определение главных факторов, контролирующих формирование фокусированных флюидных потоков и ведущей роли УВ газов в этих процессах;

• поиски универсального механизма действия грязевых вулканов, объясняющего их морфологическое сходство в наземных и глубоководных обстановках;

• анализ реальных и возможных последствий флюидопереноса на стабильность донных осадков и состояние окружающей среды.

Имея большой опыт морских геолого-геофизических работ с применением широкого спектра методов исследования, и являясь геологом-нефтяником по образованию, автор не ставил своей целью

глубокое изучение физических, химических или микробиологических аспектов описываемых явлений, что, естественно, требует совершенно другой подготовки и экспериментальной базы. Главная идея настоящей работы это максимально полная характеристика всех форм проявления флюидных потоков и сопутствующих процессов, представляющих не только большой научный интерес, но и сугубо практическое значение при поисках нефти и газа на глубоководных акваториях.

Защищаемые положения

1) Фокусированные УВ потоки отражают естественные процессы генерации, миграции, аккумуляции УВ и последующей деградации их скоплений. Они несут в себе уникальную информацию об основных параметрах нефтегазоносности осадочно-породных бассейнов (ОПБ): количестве, составе и степени преобразованности РОВ, составе и свойствах коллекторов и флюидоупоров, термобарическом режиме недр, особенностях флюидной динамики и многое другое. Анализ этих важнейших характеристик может быть использован при нефтепоисковых работах в глубоководных морских бассейнах.

2) Подавляющая часть флюидов разгружается в виде мощных фокусированных потоков через каналы грязевых вулканов, газовых воронок и открытых разломов. Формирование фокусированных флюидных потоков осуществляется в два этапа. На первом происходит собственно формирование флюидов, их первичная миграция и аккумуляция в ловушках различного типа. Второй этап отличается быстрыми, иногда катастрофически быстрыми перетоками

флюидов и мощными инъекциями УВ в верхнюю часть осадочного разреза.

3) Флюидные потоки оказывают существенное влияние на формирование состава и структуры верхней части осадочного чехла глубоководных бассейнов. Правильное сочетание и последовательность применения описанных в работе методов гарантируют надежную диагностику и комплексность исследования подобных областей фокусированной разгрузки флюидов.

4) Существенное влияние на динамику флюидных потоков и масштабы геологических процессов в верхней части осадочного чехла оказывают скопления газовых гидратов, являющиеся неотъемлемой частью флюидных систем глубоководных континентальных окраин.

5) Глубоководные грязевые вулканы представляют собой главные каналы разгрузки фокусированных флюидных потоков и распространены как в областях тектонического сжатия, так и растяжения. Основными факторами, контролирующими возникновение грязевых вулканов, являются: высокие скорости накопления или тектонического погребения осадков; литологический состав ОПБ, обеспечивающий высокую флюидную продуктивность; и наличие системы открытых разломов.

6) Глубоководные грязевые вулканы являются полными аналогами подобных структур, расположенных на суше. Извержения грязевых вулканов на суше связаны со значительным увеличением объема флюидной смеси при ее движении к поверхности за счет расширения газовой составляющей. Дефицит объемов газа, возникающий при извержении глубоководных вулканов связан с ограниченными возможностями его расширения в условиях высоких гидростатических давлений. Он компенсируется дополнительными источниками флюидов и взвешивающим эффектом водной среды.

II. Методика исследований ILL Фактический материал

В основу диссертационной работы положены результаты двадцати морских экспедиций, выполненных в период с 1979 по 1998 годы на научно-исследовательских судах "Дмитрий Менделеев", "Академик Петровский", "Феодосия", "XVII Съезд Профсоюзов", "Геленджик", "Профессор Логачев" и бурового судна " Джойдес Резолюшен" в акваториях Тихого и Атлантического океанов, а также в Черном, Средиземном и Беринговом морях. Автор не только принимал непосредственное участие во всех этих экспедициях, но являлся научным руководителем или соруководителем 16 из них. Это обстоятельство, несомненно, облегчало автору доступ к любому фактическому материалу и позволяло активно участвовать в процессе его получения, обработки и обобщения.

Очень многое для понимания строения осадочных разрезов и геологической сути процессов, проходивших в глубоководных частях континентальных окраин в прошлом, дало автору его многолетнее участие в тематических геолого-геохимических исследованиях, проводившихся в 70-е - 80-е годы под руководством профессора Ю.К. Бурлина на побережьях Камчатки, Чукотки и о. Врангеля.

Несомненное влияние на постановку подобной темы оказали также геологические экскурсии на Тамани, Керченском полуострове и в Дагестане, где роль флюидных потоков представлена особенно ярко.

Наиболее интересные и важные для настоящей работы данные были получены в морских экспедициях на НИС "Геленджик" и "Профессор Логачев", проведенные в период с 1991 по 1998 гг. в рамках международной программы «Training Through Research» ("Обучение через исследования" или "Плавучий университет"),

поддерживаемой ЮНЕСКО, Европейским научным фондом и Межправительственной океанографической комиссией.

В дальнейшем в тексте и рисунках ссылки на рейсы, выполненные в рамках этой программы, делаются по аббревиатуре английского названия программы, с соответствующим порядковым номером рейса - ТТК-1, ТТЯ-2 и т.д.

В этих рейсах использовался чрезвычайно широкий спектр методов исследования глубоководных акваторий, включавший в себя съемку дна с использованием многолучевого эхолота Бтгас! ЕМ-128, локаторов бокового обзора дальнего и ближнего действия, сейсмопрофилирование, высокочастотное акустическое

профилирование с помощью набортных и придонных профилографов, гравиметрическую и гидромагнитную съемки, подводное цветное телевидение и фотографирование. Пробоотбор осуществлялся с помощью ударных трубок большого диаметра, пробоотборника Кастенлота, коробчатого пробоотборника, телегрейфера РБ1Еи88ЛО-0ТУ02 и скальных драг различных конструкций.

Все геофизические данные и донные пробы подвергались первичной обработке и описанию на борту судна. Там же отбирались и консервировались пробы газов, газогидратов, поровых вод, макро- и микрофауны, осадков и пород, предназначенные для лабораторных исследований.

Дальнейшая обработка материала и аналитические исследования проводились, главным образом, силами студентов и аспирантов Центра ЮНЕСКО-МГУ по морской геологии и геофизике под непосредственным руководством