Седиментогенез и постседиментационные изменения палеозойских карбонатных отложений востока восточно-европейской платформы

Изученный керновый материал, использованный при написании работы, включал породы: упинского, черепетского и кизеловского горизонтов турнейского яруса; бобриковского, тульского и алексинского горизонтов визейского яруса; протвинского горизонта серпуховского яруса; башкирского яруса. В работе использована стратиграфическая схема, принятая во многих исследованиях (Тектоническое и нефтегеологическое …, 2006; Нефтегазоносность …, 2007). Литологическое описание разрезов приводится по результатам собственного изучения.

Полученные при изучении кернового материала данные свидетельствуют о том, что разрез турнейского яруса в основном сложен биокластово-зоогенными известняками I типа (малевский и упинский горизонты и верхняя часть кизеловского горизонта), биокластово-фитозоогенными (нижняя часть кизеловского горизонта) и биокластово-фитогенными (черепетский горизонт и кровельная часть кизеловского горизонта).

Визейский ярус в изученных разрезах снизу вверх представлен терригенными и карбонатными отложениями бобриковского и тульского горизонтов и преимущественно карбонатной толщей алексинского горизонта. Терригенные породы яруса с размывом и стратиграфическим несогласием залегают на известняках турнейского яруса. Известняки визейского яруса представлены теми же типами, что и турнейского. Здесь в карбонатной части разреза наблюдается незакономерное увеличение снизу вверх доли биокластово-зоогенных известняков I типа, в турнейском ярусе - наоборот.

Керновый материал серпуховского яруса по данным ГИС представлен лишь протвинским горизонтом. Известняки его аналогичны породам башкирского яруса.

Разрезы башкирского яруса в отличие от разрезов турнейского и визейского ярусов существенно отличаются друг от друга по наличию в них тех или иных структурно-генетических типов известняков, последовательности их напластования, а также мощности. Изменчивость отложений башкирского яруса по латерали в отличие от отложений турнейского и визейского ярусов столь велика, что в работе приводится два основных типа разрезов.

В разрезах I типа наблюдается закономерное и повторяющееся по вертикали чередование следующих типов известняков: биокластово-зоогенные II типа - литокластовые - пелитоморфные - литокластовые … В разрезах II типа обнаруживается чередование биокластово-зоогенных известняков I типа и пелитоморфных. Также выделяемые в работе разрезы III типа по последовательности напластования известняков отнесены к смешанному типу, т.к. они несут признаки разрезов I и II типов.

Строматолитовые известняки в качестве самостоятельных слоев в отложениях башкирского яруса встречаются редко. В изученном керновом материале они обнаружены среди биокластово-зоогенных известняков II типа. Оолитовые известняки также встречаются редко. Также как и строматолитовые, они образуют определенный парагенез, т.к. в изученных разрезах встречены среди биокластово-зоогенных известняков I типа.

Сводный разрез изученных отложений нижнего и среднего карбона приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Сводный литологический разрез нижнего и среднего карбона в объеме турнейский-башкирский ярусы

Схемы седиментогенеза карбонатов. Анализ литературы (Беляева, 2000; Геологическая съемка …, 1982; Жемчугова, 2001; Кузнецов, 1992, 2003; Македонов, 1985; Рыжова, Котельникова, 1972; Проворов, 1992; Седиментологическое моделирование …, 2000; Седиментология, 1980; Селлвуд, 1990; Селли, 1989; Танинская, 2004; Уилсон, 1980; Фролов, 1980; Хворова, 1958; Хеллем, 1983 и др.), в которой показаны различные схемы седиментогенеза, не позволил найти среди них те, которые отвечали бы изученным последовательностям напластования известняков в турнейском, визейском и серпуховско-башкирском ярусах с учетом движения береговой линии, изменения уровня моря, развития биоты и др.

Объяснение этому видится в масштабе исследований и, соответственно, недостатке фактического материала. Тогда как в настоящей работе изучены структурно-генетические типы известняков многих разрезов и последовательности их напластования, что для подобного вида работ делается редко. Выявленные последовательности в вертикальном распределении пород (прежде всего, известняков) в отложениях нижнего и среднего карбона с учетом закона Головкинского указывают на определенные закономерности в распределении карбонатов и по латерали в палеобассейне седиментогенеза.

В работе реконструкция схем седиментогенеза карбонатов проводится для определенных обстановок, соответствующих определенным временным интервалам. При этом, в силу меняющихся во времени и пространстве обстановок седиментогенеза, происходит смена одних типов карбонатов другими. В основу приведенных схем седиментогенеза карбонатов положены: последовательность напластования пород, их структуры и текстуры, характер границ между выявленными типами известняков, присутствие переходных между ними разностей, наличие органических остатков и их сохранность, минеральный состав, включая нерастворимый остаток и др. И, конечно же, такая реконструкция выполнялась лишь после того, как была «снята нагрузка», связанная с постседиментационными, прежде всего, вторичными изменениями пород.

Схема седиментогенеза карбонатов в турнейском и визейском веках. С учетом регрессии морского бассейна в турнейском веке седиментогенез карбонатов можно представить схемой рисунка 2, на которой показана смена осадков при удалении от береговой линии: терригенные отложения сменяются биокластово-фитогенными и далее биокластово-зоогенными карбонатными осадками I типа.

Формирование биокластово-фитогенных осадков следует рассматривать как механическое, о чем свидетельствуют субгоризонтальная пространственная ориентировка биокластов и слоистость известняков, подчеркиваемая наличием слойков углисто-глинистого материала. Тогда как текстуры биокластово-зоогенных известняков I типа не обнаруживают признаков механического способа формирования осадков. Более того, в таких известняках отчетливо наблюдается бимодальное распределение частиц по размерам: крупные зерна - гранулированные раковины фораминифер, а более мелкие зерна - микрит. Поэтому такие карбонаты имеют «смешанное» происхождение. Их образование следует рассматривать как механическое накопление микрита, в котором присутствуют бентосные организмы - фораминиферы, подвергшиеся впоследствии грануляции. К тому же, биокластово-фитогенные карбонатные осадки, в отличие от биокластово-зоогенных I типа, формировались на меньшем удалении от береговой линии и на меньших глубинах, о чем свидетельствуют бульшее содержание углисто-терригенной компоненты в биокластово-фитогенных известняках, чем в биокластово-зоогенных I типа, а также текстура пород.

Рис. 2. Схема седиментогенеза карбонатов в турнейском веке в регрессирующем морском бассейне (а) и общая последовательность напластования пород в турнейском ярусе (б)

Основными факторами, контролирующими седиментогенез карбонатов турнейского века, следует считать два: гидродинамический и палеоэкологический.

Гидродинамический фактор проявляется в том, что с увеличением глубины водного бассейна механическим путем накапливаются все более и более тонкозернистые составные части карбонатов, к которым не относятся гранулированные раковины фораминифер. На формирование биокластово-фитогенных карбонатов в более мелководной обстановке указывают текстуры пород: волнисто-линзовидные текстуры биокластово-фитогенных известняков показывают, что такие осадки формировались в гидродинамически более подвижной среде, чем биокластово-зоогенные I типа, образование которых происходило ниже базиса волнового воздействия.

Палеоэкологический фактор проявляется в наличии в карбонатах, формирующихся на различных глубинах и на разном удалении от береговой линии, либо обломков водорослей, либо раковин фораминифер. Смена в пространстве фитогенных органических остатков зоогенными, по-видимому, может быть объяснена сменой автотрофов гетеротрофами.

Разрезы турнейского и визейского ярусов, несмотря на некоторые различия, можно рассматривать как инверсивные друг другу, т.к. они сложены одинаковыми типами известняков и характеризуются обратными последовательностями напластования пород. Поэтому схема седиментогенеза карбонатов в визейском веке будет аналогична схеме их седиментогенеза в турнейском с учетом трансгрессии или регрессии морского бассейна.

Общим для турнейского и визейского ярусов является достаточно уверенное расчленение разрезов по данным ГИС и литологическим признакам до горизонтов и последовательная направленная по разрезу смена одних пород другими, что обусловлено эволюцией карбонатонакопления в условиях регрессии или трансгрессии морского бассейна и широким площадным распространением выявленных типов карбонатов.

Схема седиментогенеза карбонатов в серпуховском и башкирском веках. Так как при изучении отложений серпуховского и башкирского ярусов выделено два основных типа разрезов - I и II, то и реконструкция схем седиментогенеза карбонатов выполнена для каждого из них.

Реконструкция схемы седиментогенеза карбонатов по разрезам I типа. В основу реконструкции схемы седиментогенеза карбонатов положены следующие установленные факты: 1) резкие пространственные границы между тремя основными типами известняков; 2) отсутствие между ними промежуточных (смешанных) пород; 3) наличие в литокластовых известняках обломков биокластово-зоогенных известняков II типа, которые в разрезах образуют самостоятельные слои; 4) присутствие среди литокластов углистых пелитоморфных известняков, не образующих в разрезе обособленных слоев; 5) присутствие среди литокластов довольно большого количества строматолитовых известняков, которые в разрезах как самостоятельные породы встречаются крайне редко; 6) присутствие в литокластовых известняках гидроокислов железа и каолинита; 7) волнисто-линзовидная текстура пелитоморфных известняков со следами взмучивания и перемыва осадка; 8) обнаруживаемая закономерная смена по разрезу типов известняков; 9) невозможность корреляции разрезов по литологическим критериям и данным ГИС.

Анализ каждого установленного факта позволяет считать, что бассейн седиментации серпуховского и башкирского веков представлял неглубокое море, где формировались осадки: 1) биокластово-зоогенные карбонаты II типа, слагающие положительные формы рельефа, 2) продукты их разрушения - литокластовые карбонаты и 3) располагающиеся между ними пелитоморфные карбонаты. Так как в продуктах разрушения биокластово-зоогенных известняков II типа фиксируются продукты химического выветривания - гидроокислы железа и каолинит, следует признать, что они образовывали острова, где получили распространение процессы гипергенеза. В это время рассматриваемая территория представляла собой некий архипелаг. Схематично седиментогенез карбонатов, формирующих разрезы I типа, можно представить рисунком 3.

Рис. 3. Схема седиментогенеза карбонатов в башкирском веке (а) и последовательность напластования известняков в разрезах I типа (б)

При механическом способе отложения материала биокластово-зоогенных карбонатов II типа, формирующихся как органогенные пески (Селлвуд, 1990), пространство между органическими остатками было заполнено микритом, что является обычным явлением, а при диагенезе произошла его перекристаллизация до спарита. Однако «обычным» диагенезом, связанным с изменением физико-химической среды при субаквальном захоронении осадка, объяснить процесс перекристаллизации не представляется возможным, т.к. в противном случае этот процесс наблюдался бы и в других структурно-генетических типах известняков, а не только в рассматриваемых.

Возможность существенной перекристаллизации любых минералов с укрупнением зерен, как следует из теории метасоматических преобразований, реализуется в случае, когда поровые растворы по отношению к минералам находятся то в недосыщенном, то в пересыщенном состоянии. В нашем случае в условиях постоянного смещения границы пресных метеорных вод и насыщенных по CaCO₃ седиментогенных реализуется перекристаллизация, связанная с растворением более мелких и ростом за их счет более крупных зерен. Подобный процесс связан также с формированием цемента «пляжного типа» (Селлвуд, 1990).

Выход биокластово-зоогенных карбонатных осадков II типа из-под уровня моря приводил также к их эволюционному развитию в строматолитовые известняки и пелитоморфные карбонатные осадки. Последние, обогащенные органическим веществом, образовывались в условиях лагун. Механическое разрушение таких известняков приводило к формированию обломочного карбонатного материала, давшего начало литокластовым отложениям. Сопровождающий механическое разрушение процесс химического выветривания обусловил присутствие в литокластовых известняках гидроокислов железа и каолинита.

Реконструкция схемы седиментогенеза карбонатов по разрезам II типа. Седиментогенез таких отложений следует рассматривать как накопление биокластово-зоогенных и пелитоморфных карбонатных осадков. Первые дают начало биокластово-зоогенным известнякам I типа, вторые - пелитоморфным. Седиментогенез биокластово-зоогенных карбонатов I типа аналогичен таким же карбонатам турнейского и визейского веков. Отсутствие в разрезах литокластовых отложений связано с тем, что формирующиеся отложения не выходили на дневную поверхность. Это можно объяснить тем, что их седиментогенез осуществлялся на бульших глубинах по сравнению с тем седиментогенезом, который приводил к формированию разрезов первого типа. Массивная текстура обоих типов известняков, слагающих разрезы, указывает на формирование осадков ниже базиса волнового воздействия. Присутствие же в разрезах двух типов известняков, вероятно, следует объяснять тем, что главными факторами седиментогенеза карбонатов являются палеоэкологический и/или рельеф дна бассейна. Отсутствием перерывов в осадконакоплении в разрезах II типа можно объяснить и их повышенные мощности. Мощность изученных разрезов II типа в башкирском ярусе составляет более 50 м, тогда как мощности разрезов I типа не превышают 30 м.

Таким образом, изучение разрезов нижнего и среднего карбона позволило создать схемы седиментогенеза карбонатов в условиях открытого шельфа. Карбонаты турнейского и визейского веков формировали отложения мелководных шельфовых равнин, образуя широкие пояса, располагающиеся параллельно береговой линии. Поэтому при стратификации таких отложений можно использовать как структурно-генетическую типизацию известняков, так и данные ГИС. Карбонаты серпуховского и башкирского веков, слагающие разрезы I типа, накапливались выше базиса волнового воздействия и на значительном удалении от береговой линии. При этом вследствие высокой гидродинамической активности формировались баровые отложения, сложенные биокластово-зоогенными карбонатными осадками II типа, литификация которых осуществлялась при их выходе из-под уровня моря. Благодаря такой литификации в субаэральных условиях и гипергенезу шло образование продуктов их разрушения - литокластовых карбонатов. Поэтому область седиментогенеза представляла собой архипелаг. Между островами шло накопление пелитоморфных карбонатных илов. В более глубоководных условиях, ниже базиса волнового воздействия, формировались биокластово-зоогенные карбонатные осадки I типа и пелитоморфные карбонатные осадки, слагающие разрезы II типа.

В силу невыдержанности типов осадков по латерали стратификация отложений серпуховского и башкирского ярусов до горизонтов на практике по литологическим признакам и данным ГИС не делается.

Основными факторами, контролирующими седиментогенез карбонатов раннего и среднего карбона, следует считать: удаленность от береговой линии, привнос терригенного материала, палеоэкологию, глубину бассейна, расчлененность его дна, гидродинамику. Различное соотношение названных факторов и обусловливает формирование отложений в обстановках мелководных шельфовых равнин и баровых.

Аналогичные по структурно-текстурным особенностям отложения присутствуют в палеозойских карбонатных толщах и других районах востока Восточно-Европейской платформы, поэтому разработанные схемы седиментогенеза в условиях открытого шельфа применимы и к ним.

3. Постседиментационные изменения карбонатов

Карбонатные отложения, сформированные в условиях развития открытого шельфа, испытали как «классический» фоновый литогенез, так и вторичные изменения наложенного характера.

Подверженность известняков вторичным изменениям наложенного характера в пределах востока Восточно-Европейской платформы установлена во многих регионах, на что указывается в ряде обобщающих работ (Атлас палеонтологических …, 2007; Багринцева, 1999; Беляева, 2000; Жемчугова, 2002; Карбонатные породы …, 2005; Карнюшина, 2000). Особенно интенсивно они проявляются в карбонатах на месторождениях нефти Тимано-Печорской провинции, Волго-Уральской области, Оренбургско-Актюбинском Приуралье, Прикаспийской впадине. Распространены они также и в других регионах, как России, так и зарубежья.

Между тем до сих пор не существует работ, в которых бы предлагалась историко-генетическая классификация постседиментационных изменений карбонатных пород с указанием возможных мест локализации вторичных изменений, относительного времени их реализации, что весьма важно не только с научных позиций, но и для практики выявления коллекторов нефти высокой промышленной значимости. Поэтому вторичным изменениям карбонатов в работе уделяется бульшее внимание, чем их диагенетическим и катагенетическим изменениям.

Некоторые вторичные изменения проявляются неоднократно. В этом случае для удобства изложения они названы изменениями первого (I) и второго (II) типов. Причем нумерация изменений, относимых к процессам фонового литогенеза и вторичным наложенного характера, производится отдельно.

Фоновый литогенез. Изучение карбонатных толщ показало, что их катагенетические изменения проявляются слабее по сравнению с аналогичными изменениями, например, терригенных пород и каустобиолитов (Диагенез и катагенез …, 1971; Логвиненко, Орлова, 1987). Прежде всего, это касается изменения минерального и химического состава известняков с возрастанием глубины их залегания.

Постседиментационные изменения карбонатов, связанные с фоновым литогенезом, заключаются в: уплотнении; оттоке седиментогенных вод; перекристаллизации; кальцитизации, включая заполнение кальцитом пустот; формировании зерен и агрегатов пирита; окремнении наиболее крупных органических остатков известняков, имеющих зоогенную природу; появлении стилолитов. Невысокая интенсивность этих изменений, обусловленная малой скоростью погружения, предопределяет отток захороненных вод преимущественно по напластованию пород и через более проницаемые их типы. Поэтому, вследствие миграции флюида по латерали, такие изменения пород слабы по сравнению с вторичными изменениями наложенного характера.

Критериями отнесения названных постседиментационных изменений к процессам фонового литогенеза следует считать: повсеместное распространение; отсутствие литологического контроля; отсутствие пространственной связи изменений с тектоническими структурами, зонами нефте- или водонасыщенных пород, зонами ВНК; местный источник привносимых веществ (т.е. небольшой по расстоянию их перенос), которые формируют новообразования (исключение составляет стилолитизация).

Вторичные изменения известняков наложенного характера, их связь с флюидным режимом бассейна породообразования. В работе (Осадочные бассейны …, 2004) вторичные изменения пород носят название «литогенез зон динамотермальной активизации». Такие постседиментационные преобразования, обусловленные наложенными на фоновый литогенез вторичными изменениями, в целом проявляются значительно интенсивнее, хотя и локально, что является их особенностью. Нередко они носят унаследованный характер.

Вторичные изменения карбонатных пород хорошо известны (Атлас структурных …, 2005; Атлас типовых …, 1999; Багринцева, 1977, 1999; Бурлин, 1976; Гмид, Леви, 1972; Карбонатные породы-коллекторы …, 2005; Киркинская, Смехов, 1981; Кузнецов, 1992; Сахибгареев, 1989; Смехов, Дорофеева, 1987 и др.). Однако их роль в формировании структуры пустотного пространства карбонатов, приуроченность тех или иных из них к различным типам пород, масштабы их проявлений, природа и источник флюидов, вызывающих изменения, полностью не раскрыты. Этим можно объяснить отсутствие в литературе генетической классификации вторичных изменений, последовательности их реализации, сведений об их связи с флюидным режимом бассейнов породообразования.