Эпигенетические и осадочно-катагенетические месторождения: современные генетические гипотезы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ И ОСАДОЧНО-КАТАГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ: СОВРЕМЕННЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ГИПОТЕЗЫ

2001

ВВЕДЕНИЕ

катагенез месторождение рудогенез

Эпигенетические и осадочно-катагенетические месторождения относятся к объектам, генетическая природа которых дискуссионна. В литературе их называют анагенными (амагматогенными гидротермальными или телетермальными) стратиформными, элизионными, гидрогенно-эксфильтрационными, экзогенно-гидротермальными. К данному классу относятся месторождения нефти, газов, подземных вод, полиметаллов, целестина, меди, урана, ванадия, стронция, рения, селена, скандия, редких земель, серы, барита, магнезита, сидерита и других полезных ископаемых. Многие из этих месторождений рассматривались до недавнего времени как осадочные образования, а некоторые из них как гидротермальные амагматогенные. Исследованиями последних десятилетий установлено, что данные месторождения необходимо выделить в особую группу полезных ископаемых - эпигенетических и осадочно-катагенетических, сформированных потоками поверхностных грунтовых и артезианских подземных вод и углеводородных флюидов и низкотемпературными гидротермальными растворами различного происхождения с преобладающим использованием собственных ресурсов осадочно-породного бассейна.

В связи с тем, что в общедоступной учебной литературе (Смирнов В.И. «Геология полезных ископаемых», 1989. Смирнов В.И. и др. «Курс рудных месторождений», 1981; Яковлев П.Д. «Промышленные типы рудных месторождений», 1986; Вольфсон Ф.И., Дружинин А.В. «Главнейшие типы рудных месторождений», 1986; Вольфсон Ф.И., Некрасов Е.М. «Основы образования рудных месторождений», 1986) практически не освещаются вопросы генезиса осадочно-катагенетических месторождений, возникла необходимость обсудить данную проблему в специальной лекции с привлечением новых научных данных ведущих ученых в области литологии, нефтяной и газовой геологии, геотектоники и геологии рудных месторождений (В.Н.Холодова, В.Е.Хаина, Б.А.Соколова, П.П.Тимофеева, А.Г.Коссовской, Н.В.Логвиненко, Н.Б.Вассоевича, Л.В.Анфимова, О.В.Япаскурта, В.И.Старостина и многих других), а также собственных исследований автора. Основная используемая литература приводится в конце лекции.

Необходимость прочтения данной проблемной лекции также связана с тем, что в связи с появлением в 80-90 г.г. новых аспектов в теории литогенеза и катагенетического рудогенеза, во многих регионах нашей страны были открыты и переоценены многие месторождения и рудопроявления как рудного, так и нерудного сырья. В особенности это касается постановки поисковых и оценочных работ на золото в терригенных и карбонатно-терригенных комплексах с целью открытия большеобъемных промышленных объектов. Такие работы проводятся в местах прохождения производственных практик студентов Ростовского госуниверситета. Предлагаемая лекция предназначена для студентов 3 курса специальности 011100 “Геология ” в рамках дисциплины «Геология полезных ископаемых», однако она также будет полезна студентам всех геологических специальностей и аспирантам, занимающимся вопросами рудогенеза в осадочных формациях.

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

Геологическая история каждого осадочного образования включает ряд последовательных стадий: зарождения рыхлого осадка, затем его литификации («окаменения»), то есть превращения в породу, и более или менее длительного (вплоть до первых миллиардов лет) бытия последней внутри земных недр. Находясь там, перемещаясь тектоническими движениями на разные глубины и подвергаясь при этом воздействиям различных температур, давлений и газово-жидких флюидов, осадочная порода претерпевает постседиментационные преобразования, или «вторичные изменения».

Термины, определяющие различные стадии литификации осадков, по-разному трактуются геологами (Н.М.Страховым, Н.Б.Вассоевичем, Н.В.Логвиненко, А.Г.Коссовкой, П.П.Тимофеевым, В.Н.Холодовым и др.). Мы рассмотрим лишь наиболее общепринятые трактовки этих понятий.

Так, Н.Б.Вассоевич, объединяя мнение большинства литологов, предлагал называть литогенезом совокупность процессов образования осадков (седиментогенез), превращения осадков в осадочные горные породы (диагенез) и последующего изменения осадочных пород до превращения их в метаморфические породы (катагенез), а также процессов гипергенеза.

По Н.М.Страхову диагенез понимается как стадия биохимического и физико-химического уравновешивания компонентов осадка, представляющего собой, как правило, обводненную и неравновесную систему, в той или иной мере насыщенную органическим веществом - живым (бактерии, грибки и др.) и мертвым. Нижняя граница диагенеза определяется разными исследователями по-разному. Большинство отечественных геологов принимают её на малых глубинах под поверхностью накапливающихся осадков: в пределах единичным метров либо десятков метров, максимально 150-300 м, по Н.М.Страхову, а в осадках океанических глубин по новейшим данным А.Г.Коссовской и др. вплоть до многих сотен метров. Одним из признаков завершения диагенеза служит исчезновение живого органического вещества.

По завершении диагенеза (в том случае, если сформированная за счет осадка порода не была поднята в зону гипергенеза, а продолжала своё погружение вглубь стратисферы) начинается следующая стадия литогенеза, которая у исследователей именуется двояко. Первое и наиболее ёмкое определение ей дал А.Е.Ферсман в 1922 году, назвавший катагенезом всю совокупность преобразований осадочной породы после того, как она оказалась отделенной от водного бассейна новым слоем осадка и вплоть до момента, когда эта порода снова становилась земной поверхностью на границе с атмосферой, исключая отсюда только метаморфические изменения, обусловленные воздействием на породу особо высоких температур и давлений. Также представлял эту стадию Л.В.Пустовалов, назвавший её иначе - эпигенезом. Последний термин укоренился в трудах многих отчественных геологов (А.Г.Коссовкой, А.В.Копелиовича, Г.Ф.Крашенинникова, Л.Б.Рухина, Т.М.Сиановича и др.). Однако он со временем стал вытесняться термином «катагенез», употребляемым ныне значительно чаще (Н.Б.Вассоевичем, Н.В.Логвиненко, Б.А.Соколовым, В.Н.Холодовым, О.В.Япаскуртом и др.). Оба термина трактуются сейчас большинством исследователей практически с одинаковым смысловым содержанием. Но дискуссионными остаются границы, стадийность, диагностические признаки данной стадии преобразования осадков.

Усиленный интерес литологов к катагенетическим преобразованиям привел к необходимости широких комплексных исследований крупных природных объктов. В результате возникло представление об осадочно-породных бассейнах как о целостных автономных системах, в которых благодаря преобладанию нисходящих тектонических движений осадочные и осадочно-вулканогенные толщи проходят все стадии постседиментационных измегнений от диагенеза и катагеннеза до метаморфизма. Внутри такой породной системы, которая часто пространственно совпадает с тектоническими впадинами или депрессиями, реализуются все процессы формирования нефтяных и газовых месторождений, различных рудных скоплений. В гидрогеологии осадочно-породные бассейны иногда называют артезианскими.

В соответствии с представлениями ряда ведущих гидрогеологов - Д.С.Соколова, А.А.Карцева, И.К.Зайцева т др. - среди осадочно-породных бассейнов континентального блока можно выделить три группы: элизионные, инфильтрационные, смешанные.

Для элизионных бассейнов типично резкое и длительное преобладание нисходящих отрицательных движений, в результате которых во впадинах накопились мощные (до 10 км) осадочные толщи. Положительные движения были кратковременны и начались в поздние геологические эпохи. Как следствие такого развития в центральных частях депрессии каждый последующий пласт перекрывает предыдущий, а в целом песчано-глинистая толща становится источником газоводных флюидов, в ней глины уподобляются пористой резине, насыщенной морской водой, рассеянным органическим веществом (РОВ) и разнообразными газами. По мере погружения они сжимаются и отдают газоводные растворы в жесткие пласты-коллекторы и дренирующие зоны разломов. Как следствие в подобных регионах элизионный этап резко преобладает над инфильтрационным, а отжимающиеся седиментационные флюиды обычно мигрируют в них от центра к периферии. Этому способствуют высокие геотермические градиенты, обеспечивающие температуру до 100С на сравнительно небольшой (2-3 км) глубине. Здесь очень часто возникают аномально высокие пластовые давления, которые в глубоких частях бассейнов, в зоне затрудненного водоомена, сохраняются на протяжении длительного геологического времени.

Для инфильтрационных бассейнов характерны относительно небольшие (2-3 км) мощности осадочного чехла, что обусловлено слабой тектонической активностью региона и замедленными нисходящими движениями. Благодаря тому, что в периферической части осадочный чехол такой «тектонической чаши» оказывается вскрытым эрозией, в наиболее проницаемые пласты-коллекторы с дневной поверхности поступают вадозные воды, которые по закону гидростатического напора мигрируют по ним в направлении от областей питания к областям разгрузки.

Смешанные артезианские бассейны занимают промежуточное положение. Часто отмечается преобладание элизионных процессов на ранних этапах погружения и инфильтрационных на поздних этапах, после поднятия и частичной денудации водоносных пород на периферии бассейна.

По данным В.Н.Холодова двум первым типам осадочно-породных бассейнов соответствуеют два типа катагенеза на континентальном блоке.

Первый тип - элизионный катагенез - характеризуется перераспределением газоводных флюидов, отжимающихся из глин в песчаники или тектонические трещины. Это в свою очередь вызывает реакции, идущие на границе двух разных геохимических сред, где нередко формируются самые разнообразные аутигенные минералы, в том числе и промышленно важные. Второй тип - инфильтрационный катагенез - отличается тем, что в этом процессе пласты коллекторы (песчаники и карбонатные породы) становятся главной ареной разнообразных химических реакций; разделяющие их глины слабее отражают изменения, которые возникают в коллекторах под воздействием пластовых вод.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСАДОЧНО-КАТАГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

В осадочных формациях заключено большое количество стратифицированных полезных ископаемых, генезис которых невозможно объяснить только осадочной моделью. Помимо пластообразной формы рудных тел, приуроченности полезной минерализации к определенным литолого-стратиграфическим горизонтам, отсутствия (или несущественного развития) рудогенерирующих магматических комплексов, локализации оруденения в слабодислоцированных породах осадочного чехла, данные месторождения имеют признаки вторичного минералообразования, поэтому их часто называют эпигенетическими. Наличие рудной вкрапленности и прожилков, метасоматические структуры руд, повышенные температуры минералов (до 100-250С), нехарактерные для осадочного минералообразования, тупое выклинивание рудных тел в пределах осадочных слоев - свидетельствуют об участии относительно горячих растворов в процессе рудогенеза. Изотопный состав ряда минералообразующих элементов указывает в большинстве случаев на их осадочную природу, но частично и эндогенную. Не всегда удается четко раграничить инфильтрационные, диагенные, катагенные, низкотемпературные гидротермальные процессы с участием эндогенных флюидов по имеющимся спорным диагностическим признакам. И все же эти месторождения имеют много общего для выделения их в особый класс - осадочно-катагенетический , в который можно включать или особо выделять инфильтрационные образования.

Среди рудных формаций и типов месторождений, относящихся к рассматриваемому генетическому классу, включая инфильтрационные выделяют (по В.И.Страростину, П.А.Игнатову,1997):

1) стратиформные полиметаллические в карбонатных породах; 2) медистые песчаники в терригенных красноцветных формациях, 3) медистые песчаники палеорусел пестроцветных толщ; 4) урановые и битумно-урановые в палеорусловых песчаниках пестроцветных толщ; 5) урановые и ванадий-урановые в зонах окисления черносланцевых комплексов; 6) ванадий-урановые в калькретах; 7) металлоносные угли и торфяники; 8) редкометально-урановые в зонах выклинивания внутрипластового оруденения; 9) битумно-урановые в карбонатных и терригенных породах; 10) битумно-ванадиевые в терригенных толщах; 11) стратиформные целестиновые и баритовые в гипс-карбонатных породах; 12) самородной серы в гипс-карбонатных породах; 13) ийдобромные и металлоносные рассолы.

При участии катагенных флюидов образуются месторождения золота в углеродистых терригенных и карбонатно-терригенных формациях. Смешанным элизионным и инфильтрационным процессами объясняется генезис ряда месторождений сидеритов и бурых известняков, магнезитов, фосфоритов.

Во многих осадочно-породных бассейнах имеется пространственная связь стратиформных рудных месторождений со скоплениями углеводородного сырья. Стратиформные рудные месторождения располагаются в краевых частях нефтегазовых бассейнов или в примыкающих к ним депрессиям.

Схема формирования газоводных флюидов в элизионных бассейнах и рудогенез

Одной из выдающихся работ, показавшей механизм формирования катагенных флюидов и основанной на огромном фактическом материале, явилась монография В.Н.Холодова «Постседиментационные преобразования в элизионных бассейнах» (1983).

Главное геохимическое отличие элизионных и инфильтрационных осадочно-породных бассейнов заключается в том, что в первых на протяжении значительного времени активной силой, определяющей состав газов и вод, являются глинистые толщи. Именно в них по мере погружения на разные глубины осуществляются физико-химические преобразования, формирующие накопление газоводных флюидов, которые затем отжимаются из этих пластичных пород и попадают в жесткие и более ёмкие пласты песчаников-коллекторов.

Такое перераспределение газов и вод не проходит бесследно и, с одной стороны, сопровождается различными реакциями минералообразования на границе глина-песчаник, а с другой - способствует изменению состава флюидов, заключенных в песчаном коллекторе, определяет возможность формирования в нем новых по составу пластовых вод, залежей нефти, катагенетических минералов и текстур. При этом песчаники играют относительно пассивную роль. Они принимают отжимающиеся из глин флюиды, а формирующиеся в них жидкие и газовые фазы являются лишь геохимическим отражением вертикальной катагенетической зональности в глинах.

Наоборот, в инфильтрационных системах наиболее активная геохимическая жизнь сосредоточивается именно в относительно проницаемых пластах-коллекторах. Сюда внедряются вследствие подъема смежных площадей вадозные поверхностные воды, здесь в результате взаимодействия инфильтрационных вод и вмещающих пород осуществляются сложные геохимические преобразования твердой и жидкой фаз, здесь формируется эпигенетическая зональность отложений, преобразуются скопления нефти и газов, создаются и исчезают разнообразные рудные скопления. Глины в области активных геохимических процессов приповерхностной зоны являются более пассивными и как бы меняются ролями с более проницаемыми песчаниками и карбонатными породами.

В целом последовательность формирования термальных газоводных растворов в элизионных системах осадочно-породных бассейнов можно представить в следующем виде.

В зоне диагенеза и в верхней зоне категенеза, от поверхности осадка на дне палеоводоёма и до глубины 2 км, в составе газовой фазы будут повсеместно преобладать СО₂ и Н₂S, возможно присутсвие газообразных углеводородов. В илах оба газа имеют биохимическое происхождение, но ниже все большую роль начинают играть абиогенные СО₂ и Н₂ S, причем к нижней границе зоны в районах, где глинистая покрышка недостаточно проницаема, домирирует СО₂, возникшая за счет рассеянных карбонатов. В жидкой фазе отжимаются Н₂О и битумоиды. Термобарические параметры, в которых формируются газоводные растворы этой зоны, достигают 100-120С и 420-500 атм. В породах-коллекторах, а также зонах повышенной трещиноватости из растворов осаждаются сульфиды и карбонаты.

При большем погружении нефтематеринских толщ на глубины от 2 до 4 км, ведущим процессом становится отторжение из РОВ жидкой нефти, растворенных в воде углеводородов, газообразных углеводородов. Область, в которой реализуются процессы формирования битумно-нефтяных скоплений, ограничивают температуры от 120 до 200С и давлении от 500 до 1000 атм. Главным геохимическим процессом является эмиграция углеводородов в пласты-коллекторы и разломы и формирование в них залежей нефти и газа.

На глубинах от 4 до 5 км протекают процессы гидрослюдизации глин и дегидратации. Примерно в этом же интервале из РОВ формируются газообразные углеводороды, а также СО₂ и Н₂S. Эта стадия осуществляется при температурах 200-250С и давлениях 1000-1200 атм.

Наконец, на глубинах 5-7 км пласты сильно преобразованных и измененных глин вновь становятся поставщиками СО₂, Н₂S, SiО₂ , отчасти газообразных углеводородов.

Приведенная выше зональность генерации газоводных растворов в осадочно-породных бассейнах элизионной группы не имеет четкой глубинной привязки; мощность различных зон находится в тесной связи с термической характеристикой конкретных регионов и плотностью пород, слагающих их разрезы. Интенсивность тех или иных преобразований, а иногда и их глубина зависят также от проницаемости глинистых покрышек, от первичного литолого-фациального состава осадочных пород. Так, формирование преимущественно монтмориллонитовых глин на катагенетической стадии порообразования будет стимулировать интенсивные процессы дегидратации; присутствие в разрезе глин, содержащих рассеянные карбонаты или сульфиды, будет способствовать интенсивному развитию углекисло-сероводородных явлений. Генерации разнообразных газов способствует преобразования органического вещества. Если в разрезах присутствуют горючие сланцы и породы, обогащенные седиментогенным органическим веществом в количестве С_орг 1 %, то при их катагенезе на глубинах от 2 до 6 км согласно представлениям многих геологов генерируется нефть и газ. Такие отложения называют нефтематеринскими.

Формирование термальных растворов в ряде случаев может привести к мобилизации рудных компонентов из вмещающих глинистых пород и переотложению в пласты-коллекторы и зоны повышенной трещиноватости. Этот механизм особенно типичен для тех компонентов, которые растворяются при избытке СО₂ или Н₂О и выпадают из растворов при их дефиците. Такими элементами являются, например, Fe и Mn; первый легко мигрирует в виде бикарбоната двухвалентного железа и осаждается при потере СО₂, тогда как второй хорошо растворим в сероводородной обстановке.

Минерализованные воды и рассолы натриевого и кальциевого типов, относящиеся к захороненным вместе с осадками седиментационным морским водам, могут нагреваться в платформенных областях до 150-200С. Они являются хорошими растворителями для многих элементов (Fe, Mn, Ni, Cu, Pb, Zn, Sr, Li, Cs, Au, Ag и др.). Металлоносные хлоридные термальные рассолы встречаются в современных артезианских бассейнах на глубинах 3-5 км и по составу могут соответствовать вулканогенным гидротермальным растворам..

В случае накопления больших масс монтмориллонитовых глин в аридных условиях и в окислительной континентальной обстановке, высвобождающиеся растворы могли быть окислительными (по ряду элементов, в часности меди), пресными и гидрокарбонатными. Такие воды должны были опреснять минерализованные захороненные воды, что способствовало растворению и переносу ряда микроэлементов (J, B, Br, F, As, U, Sb и Hg).

В зонах глубокого катагенеза и газонефтеобразования могли формироваться рассолы, обогащенные металл-органическими соединениями. Так например, известны хорошо растворимые уран- и золотогуминовые комплексы, металл-хелатные, углеводородно-газортутные соединения и др. В местах интенсивного окисления, перепада рН, снижения давления и температуры они могут распадаться и формировать битумно-металлическое оруденение. Широко известны урано-битумные руды, ванадиеносные битумы, золотосодержащее керогеноподобное органическое вещество. В битумах отмечены концентрации U, Mo, V, Cr, Hg, Se, Pb, As, Cu, Ni, TR, крупные скопления галенита, сфалерита, марказита и киновари.

Примеры месторождений

Месторождения, связанные с грунтовыми водами. С деятельностью грунтовых вод связывают образование месторождений меди, редких земель, урана, легированных железных руд, марганца, бокситов, каолина, магнезита, талька, малахита, бирюзы, хризопраза и других полезных ископаемых. Во многих учебниках эти месторождения отрассматриваются как переотложенные и вместе с инфильтрационными включены в гуппу кор выветривания. Главными факторами такого рудообразования являются: наличие крупных источников полезных компонентов в области питания грунтовых вод, развитие жаркого гумидного климата а предрудный этап, с которым связано интенсивное химическое выветривание и поступление больших масс полезных компонентов в грунтовые воды, медленные положительные конседиментационные движения крупных стабильных блоков земной коры, определявших постоянное понижение уровня грунтовых вод; значительный объем грунтовых вод, большая протяженность и высокая контрастность геохимически барьерных условий.

Примером крупномасштабного осадочно-диагенетического рудообразования могут служить медные рудные тела Удоканского месторождения, локализованные в раннепротерозойской молассоидной толще. Здесь согласные с вмещающими осадочными горизонтами рудные тела, повторяют размещение рукавов подводной дельты и располагаются в заливно-лагунных отложениях.

Осадочно-катагенетические месторождения. В качестве примера можно привести месторождения углеводородов (нефтегазоносные бассейны:Волго-Уральский, Днепрово-Донецкий, Северо-Каспийский, Западно-Сибирский, Ферганский, Азово-Кубанский, Сахалинский и др.), Джесказганское месторождение медистых песчаников (Казахстан), полиметаллические руды Мирлимсайского месторождения (Казахстан) и рудного района Миссури (США), сидеритовые руды Бакальской группы и Саткинское магнезитовое месторождение (Ю. Урал), золоторудное месторождение Кумтор (Киргизия), месторождения самородной серы, барита (в Уральской и Новоземельской провинциях).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Осадочно-катагенетические элизионные и инфильтрационные месторождения имеют важное промышленное значение. Этому способствует их большеобъемность, простая морфология рудных тел (пласты, линзы), часто небольшая глубина залегания. Эти месторождения имеют определяющее экономическое значение в энергетике и водоснабжении. Помимо этого более половины мировых запасов свинца и около 40 % цинка, связывается с осадочно-катагенетическическим генезисом. Инфильтрационные месторождения урана составляют около 50 % мировых запасов.

Несмотря на многие дискуссионные аспекты их генезиса, для большинства исследователей очевидно, что при формировании данного типа месторождений используется собственный потенциал осадочно-породного бассейна - флюидный, вещественный и энергетический.

ЛИТЕРАТУРА

Анфимов Л.В. Литогенез в рифейских осадочных толщах Башкирского мегантиклинория (Ю. Урал). Екатеринбург: Изд-во УО РАН. 1997. С.174-274.

Вассоевич Н.Б. Теория осадочно-миграционного происхождения нефти (исторический обзор и современное состояние) // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1967. № 11. С. 135-156.

Хаин В.Е., Соколов Б.А. Роль флюидодинамики в развитии нефтегазоносных бассейнов // Вестник МГУ. Сер. геол. 1994. № 5. С. 3 -12.

Грановский А.Г., Грановская Н.В. Термобарогеохимический анализ процессов катагенеза среднерифейских отложений Башкирского мегантиклинория // Закономерности строения осадочных толщ: Материалы третьего Уральского литологического совещания. Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 1998. С. 105 - 108.

Коссовская А.Г., Шутов В.Д. Типы регионального эпигенеза и их связь с тектонической обстановкой на материках и в океанах // Геотектоника. 1976. № 2. С. 15-30.