Файл: Прошляков, Б. К. Вторичные изменения терригенных пород-коллекторов нефти и газа.pdf

остаются на месте; за истекшее геологическое время огромное их количество было частью перемещено подземными водами на нижележащие горизонты, а частью вынесено через область разгрузки. Такое заключение полностью соответствует резуль­ татам гидрогеологических исследований А. И. Силина-Бекчури- иа (1951, 1959), В. Б. Колпакова (1960), И. К. Зерчаниновг. (1960) и других, показавших, что в Прикаспийском артезиан­ ском бассейне происходит сток подземных вод в сторону Кас­ пийского моря. В этом движении участвуют воды, заключенные как в мезозойских, так и в палеозойских отложениях. Разгруз­ ка их осуществляется в Каспийское море через систему круп­ ных региональных разломов рифтового типа Корценштейн, 1962). Сюда же разгружаются подземные потоки Восточного Предкавказья и Западной Туркмении. Они, несомненно, выно­ сили и выносят огромное количество растворенных солей из вмещающих пород.

Ф А К Т О Р Ы , О П Р Е Д Е Л Я Ю Щ И Е П Е Р Е Р А С П Р Е Д Е Л Е Н И Е К А Р Б О Н А Т О В В П О Р О Д А Х

Перераспределение карбонатов на огромной территории Прикаспийской впадины, в пределах Южного Мангышлака и Восточного Предкавказья было бы невозможным без активно­ го участия подземных вод. Они являлись растворителями, пе­ реносчиками составных частей карбонатов и средой, из которой последние осаждались. Интенсивность воздействия подземных вод на карбонаты в основном определялась такими факторами, как температура, давление, наличие растворенных солей, газов, концентрация водородных ионов и, наконец, различным их со­ четанием. Ниже на примере кальцита рассматривается влия­ ние отдельных факторов на процесс растворения и осаждения карбонатов.

Растворенные соли. Как известно, присутствие в водных растворах ионов, отличающихся от элементов, составляющих растворяемые вещества, повышает растворимость последних. Это повышение часто ограничено определенными пределами, после которых растворимость начинает понижаться.

По данным В. А. Сулина (1948), например, наибольшее ко­ личество кальцита в условиях нормальных температур и давле­ ний растворяется при содержании 5,06 г/100 г хлористого нат­ рия в растворе и составляет 0,230 г/100 г, что соответствует 0,112 г/100 г (2,8 мг-экв) ионов кальция. Если содержание NaCl больше или меньше 5,06 г/100 г, растворимость СаСОз понижа­ ется; при отсутствии хлористого натрия или повышении его кон­ центрации до 26,5 г/100 г растворимость кальцита составляет всего 0,0125 г/100 г. В природных водах Прикаспийской впади­ ны имеются существенные отклонения от этой закономерности.

76

Например, в водах нижнего триаса Ушкультасской скв. Г-4 (глубина 600—700 м) количество соли NaCl в растворе состав­ ляет 20—26 г/100 г, а ионов кальция 0,4—0,6 г/100 г, т. е. зна­ чительно больше, чем при оптимальных условиях на поверхно­ сти. Подобные явления вообще характерны для подземных вод исследуемой территории. Это отчасти определяется присутстви­ ем в растворах таких солей, как MgCl2, Na2S0 4 и даже СаС12 имеющего с кальцитом общий ион.

С. Д. Малинин (1965), экспериментально изучавший влия­ ние хлористого кальция на растворимость кальцита в углекис­ лых водах, установил, что роль его довольно значительна, осо­ бенно в условиях повышенных температур и давлений. В связи с этим следует напомнить, что содержание С02 в породах весь­ ма высокое (см. рис. 25), особенно в части разреза, где отме­ чаются минимальные содержания кальцита (от 1 0 до 2 2 0 см3/л бурового раствора). Присутствие других хлоридов, по данным €. Д. Малинина, тем более повышает растворяющую способ­ ность термальных вод. Возможность повышения растворимости карбонатов в природных условиях в присутствии хлоридов от­ мечалось нами (1960) на примере мезозойских отложений Центрального и Восточного Предкавказья.

Реальность воздействия растворенных солей на повышение растворимости кальцита в мезозойских отложениях Прикаспий­ ской впадины не вызывает сомнения. Здесь наблюдается весь­ ма высокая минерализация вод — до 30—35 г/100 г (при этом основными компонентами являются хлориды), сочетающаяся с повышенными температурами.

На осаждение кальцита ионы, находящиеся в подземных во­ дах в условиях Прикаспийской впадины, видимо, существенно не влияют, так как минерализация вод от зоны растворения карбонатов к зоне их осаждения изменяется лишь за счет уда­ ления Са и Mg в твердую фазу. Концентрации других ионов и количественные соотношения между ними при этом сохраня­

ются.

Углекислота, как известно, чрезвычайно сильно влияет на карбонаты. В условиях дневной поверхности (при атмосферном давлении и естественных температурах) увеличение количества углекислоты в системе сопровождается повышением раствори­ мости кальцита (табл.1 0 ).

Кинетика растворения кальцита в присутствии углекислоты,

+С 03".

2.Реакция между карбонат-ионом и растворенной С 02 с

образованием бикарбонат-ионов: С0з" + С 02 + Н 20^ 2 Н С 0 з/. 3. Если раствор находится в контакте с газовой фазой, содер­

77

жащей СОг, то для восстановления равновесия некоторая часть ее переходит в раствор.

Очевидно, что образующаяся при растворении кальцита уг­ лекислота, в случае наличия надежных экранов, будет сохра­ няться в системе, и в зависимости от термодинамических условий

переходом в твердую фазу и этому уже не в состоянии препят­ ствовать углекислота. Роль ее здесь становится совершенно иной. Она выступает уже как составная часть вновь образую­ щегося кальцита.

Анализ подземных вод из мезозойских отложений Прикаспий­ ской впадины показал, что при самых различных сочетаниях температура и давления (на глубине свыше 1 0 0 0 м) содержание ионов углекислоты в них не превышает 0,3 г/л. Соотношения кальция, магния и углекислоты в растворе таковы, что сущест­ вует резкий дефицит последней для образования карбонатов. Учитывая, однако, присутствие в системе значительных коли­ честв С 02 и тот факт, что при заданных температурах и давле­ нии растворенная и газообразная углекислота находятся в равновесии, можно считать, что по мере удаления ее из раствора в результате образования карбонатов все новые порции С 02 растворяются в воде с образованием Н2СО3. За счет этого реак­ ция образования карбонатов кальция и магния может продол­ жаться.

Совместное присутствие в растворе солей и газов вызывает иной эффект в поведении кальцита. Э. Б. Штернина и Е. В. Фро­ лова (1952) показали, что в системе СаСОз—NaCl—СО2—H20 при температуре 25°С растворимость кальцита возрастает с уве­ личением парциального давления углекислоты (рис. 31). Наряду

78

с этим и увеличение содержания NaCl в системе от нуля до примерно 2 мол/ 1 0 0 0 г воды сопровождается при прочих равных условиях повышением растворимости кальцита. Дальнейшее увеличение NaCl в растворе ведет к некоторому понижению

Рис. 31. Растворимость кальцита в системе СаСОз—NaCl— СО2—Н20 при 25°С. По данным Е. Б. Штерниной и Е. В. Фроловой, 1952.

растворимости карбоната кальция, однако она остается более высокой, чем в чистой воде. Это обстоятельство авторы объясня­ ют высаливающим действием NaCl по отношению к СОг, в результате чего содержание последнего в растворе падает, хотя его парциальное давление над раствором остается постоянным. Этим и объясняется понижение растворимости кальцита.

В природных условиях, в толще осадочных пород такое со­ четание растворенных солей и углекислоты, по-видимому, сопро­ вождается подобным же эффектом, но осложненным другими факторами и прежде всего повышенной температурой.

Концентрация водородных ионов. Как известно, pH оказыва­ ет чрезвычайно большое влияние на поведение карбонатов. В условиях земной поверхности и вблизи ее снижение pH до 7 и менее, резко повышает растворимость кальцита и доломита в воде, наоборот, увеличение этого параметра снижает раство­ римость карбонатов (см. табл. 10 и рис. 32). Ряд исследователей (Крумбейн, Гаррельс, 1960; Гаррельс, Крайст, 1968 и др.) при­ шли к выводу, что при pH менее 7 выделение хемогенного кальцита в процессе осадкообразования происходить не может. Исходя из этих данных можно полагать, что на небольших глу­ бинах низкие значения pH (менее 7) способствуют растворению кальцита и доломита в стадию катагенеза. В условиях повышен­

79

ных температур, давления и минерализации это положение нуж­ дается в корректировке. Выявленные нами особенности катагенетического перераспределения карбонатов не оставляют сомнения в том, что в Прикаспийской впадине и на Южном Мангышлаке на глубинах свыше 2500 м (в соответствующей термодинамической обстановке) выделение карбонатов кальция и магния происходит при pH порядка 6 —7, а возможно, и ни­ же *. Теоретические расчеты подтверждают возможность такого процесса. С. А. Кашик (1965) показал, что замещение кварца кальцитом возможно в слабо кислых растворах при pH порядка 4, причем с повышением температуры процесс замещения дол­ жен протекать более интенсивно.

Понижение pH с глубиной, возможно, в известной степени связано с процессом карбонатообразования. Как известно, угольная кислота в воде частично диссоциирует по схеме:

H2C03 iH C 0 '- f Н- или

НгСОз^СО'; +2Н- .

Это способствует понижению pH раствора. Поскольку при выделении карбонатов из растворов удаляется соответствующее

уменьшается с глубиной. Этот вы­ вод применительно к мезозойским и верхнепалеозойским отло­ жениям Прикаспийской впадины и Южного Мангышлака при­

* Имеется в вицу концетрация водородных ионов, замеренная в условиях поверхностных температур и давлений. Как уже отмечалось, при повышении их значений pH дистиллированной воды понижается, а при обратном изме­ нении термодинамической обстановки приобретает первоначальную величину. То же, по-видимому, происходит и с минерализованными водами.

80