История развития гидрогеологических структур

Из курса исторической геологии известно, что историю геологического развития Земли можно изучить при определении состава, строения, возраста и условий залегания г. п., при исследовании растительных и животных остатков и других признаков сохранившихся от предыдущих эпох. Воссоздание гидрогеологических условий это сложная задача, поскольку п.в. не сохранились в том качестве, которые были раньше, а изменились в соответствии с условиями окружающей среды. Была создана палеогидрогеология. Исходными материалами для палеогидрогеологической характеристики служат палеотектонические, палеогеографические, палеогеологические, палеоклиматические реконструкции, состава пород, данные по изучению современной гидрогеологической обстановки и выявленные гидрогеологический закономерности. Баской рекомендует следующие этапы:

• 1) Структурно-палеогидрогеологический. Включает реконструкцию основных типов гидрогеологических структур, водоносных комплексов, формаций
• 2) Палеогидродинамический, условия питания, движения и разгрузки подземных вод
• 3) Палеогидрогеохимический, восстановлении степени минерализации и состава подземных вод, гидрохимической зональности (гидрогеохимия)
• 4) Палеогидрогеотермический, реконструкция температур вод, температурной зональности

Гидрогеологическое развития Земли в AR.

Историческое развитие начинается с AR 4,6 млрд. ±200. Произошло образование первичной коры. Она была сложена вулканическими породами основного и ультра основного состава (габбро). Наибольшей обводноностью отличаются рифтовые зоны через которые шла возгонка летучих веществ в атмосферу. Гидрохимический разрез был однообразный и определялся распространение слабоминерализованных парагидротерм, гидрокарбонатного, Mg-Ca состава. Позже с образование наземной гидросферы (3,5 млрд.) и начало формирования 2-х обстановок: субаквалиной и субаэральной (суша). На первых этапах суша занимала не большие выступы сложенные эффузивами и гранитоидами, в дальнейшем, не смотря на рост воды в океане происходило, увеличение суши и дифференциация ее рельефа. В конце AR вулканические породы подверглись метаморфизации, происходили тектонические перемещения блоков, гранитизация и мигматизация. Основным типам структур на суши были гидрогеологические массивы. В зоне выветривания массивов циркулировали углекислые воды гидрокарбонатного состава с сложным сочетанием катионов и наличием хлор иона. В зонах тектонических нарушений состав вод был разнообразным, с основными компонентами (гидрокарбонат ион, HCO3, Ca, Mg, Na), газы мантийного генезиса (гелий, аргон). В прибрежной области накапливались хемогенные осадки и обломочные порода, которые слагали чехол первых артезианских бассейнов субаквального типа. Осадконакопление сопровождалось захоронением океанических вод, поэтому состава вод мало отличался от океанического. Не исключено, в конце AR начали возникать эпиконтинентальные моря, где создавались условия благоприятные для концентрирования солей.

Океанические платформы занимали преобладающую часть дна океана, были образованные метаморфизованными вулканогенными породами базальтового слоя.

Гидрогеологическое развитие земли в PR.

К протерозою завершилось формирование континентальной коры, а в течении протерозоя и океанической коры.

Образование земной коры сопровождалось дегазацией мантии и выделением больших масс воды.

На суше доминировали гидрогеологические массивы, сложенные интрузивными и метаморфическими породами, также в этот период возникали вулканогенные бассейны.

В протерозое произошла дифференциация климата, считается, что в Европе господствовал тропический климат со среднегодовой температурой около 30С и с количеством осадков 1000—1500 мм/год. А в Восточной Сибири был субполярный климат со среднегодовой температурой 0С и суммой осадков от 300 до 1000 мм/год.

Взаимодействие экзогенных и эндогенных процессов определило особенности химического состава подземных вод. Создались условия для формирования достаточно контрастной гидрохимической зональности, т. е. смены в разрезе пресных вод солеными. Наличие горных хребтов и различных климатических обстановок обусловило формирование высотной гидрохимической поясности и широтной гидрогеохимической зональности.

На дне морей и океанов формировались структуры артезианского и вулканогенного типов. Подземные воды этих структур имели преимущественно морской генезис.

В рифее и венде были заложены крупнейшие платформенные области: в южном полушарии Гондванская, охватывала большую часть Южной Америки, Африки, Индостана и Австралии. А в северном полушарии — Восточно-Европейская, Восточно-сибирская, Северо-Американская. Они были прообразом современных артезианских областей, наращивание чехла которых продолжалось в течении всего фанерозоя и наиболее интенсивно в палеозое.

История развития гидрогеологических структур в палеозое.

Гидрогеологические массивы обрамляли платформенные структуры и имели вытянутую формы. Постепенно увеличивались размеры устойчивых областей земной коры.

В палеозое артезианские бассейны стали ведущими гидрогеологическими структурами на континентах. Их территории испытывали неоднократные смещения. В конце перми большинство артезианских бассейнов вышло из-под уровня моря.

Климат в палеозойскую эру был нестабилен. В начале преобладали изотермические условия, а затем произошло образование тропических, умеренный и арктических областей, положение которых со временем изменялось.

Обстановка осадконакопления резко отличалась от предыдущих эпох. Впервые в столь грандиозных масштабах происходило формирование карбонатных, соленосных и угленосных толщ значительной мощности. Широко были развиты окислительные и восстановительные условия. Живое существо принимало непосредственное участие в процессах седиментации.

Широкое развитие экзогенных типов литогенеза создало условие для интенсивной водновоздушной обработки пород зоны гипергенеза.

Накопление органики вело к активизации восстановительных процессов. Соленые воды и рассолы имели хлоридный, натриевый или натриево-кальциевый состав.

Гидрогеохимическая история развития земли в мезо-кайнозое.

Площадь материков составляет примерно 80%. Увеличивается за счет образования молодых плит: Западно-Сибирской, Туранской, Скифской, Западно-Европейской. В этих регионах формировались новые крупные артезианские области. Их характерной особенностью было формирование ограниченных по площади галогенных толщ. В условиях неоднократного и широкого проявления морских трансгрессий сложилась обстановка благоприятная, для образования мощной зоны соленых вод, мощностью более 3 км. В их составе преобладали воды гидрокарбонатно-хлоридного типа и хлоридного с повышенными концентрациями органических веществ: I, Br, B, Si.

На окраинах артезианских бассейнов вблизи интенсивно разрушающихся горных сооружений формировалась мощная зона пресных вод, мощностью до 2 км. Усиление аридности проявилось в триасе и плиоцене.

Ледниковая эпоха началась миоцене в Антарктиде и достигла максимума в плейстоцена.

Специфика молодых артезианских бассейнов обусловлена неустойчивостью геологических и гидрогеологических процессов. Направленность и интенсивность движения подземных вод менялась в последствии со сменами инфильтрационного и литогенного режимов.

В мезокайнозое продолжалась эволюция артезианских бассейнов древних платформ. В верхней части разреза изменения зависели от степени и характера климатического литогенеза.

Глубокие зоны влияния не претерпели особых изменения. Как исключение отметим трапповый магматизм, который проявился в перми и триасе в Восточной Сибири. В юре — в Антарктиде и юго-восточной Африке, в раннем мелу — в Южной Америке. В позднем мелу и палеоцене — на Деканском платом. Трапповый магматизм приводил к проявлению различных гидротермальных процессов.

В областях вулканизма, находившихся в зоне перехода от континентальной коры к океанической, образовались термальные воды сульфатного и хлоридного состава с минерализацией 1−10 г/л, а также образовывались слабокислые щелочные термы хлоридного состава, с минерализацией до 20 г/л.

В мезозое континентальные платформы начали распадаться, происходило перемещение литосферных плит. Это привело в тектонической перестройке дна океана в пределах океанических платформ. Начиная с юры накапливаются осадочно-вулканогенные отложения. Нижний океанический слой, образованный метаморфизованными вулканогенными породами, представляет собой фундамент бассейнов. На фундаменте возник средний океанический слой, представленный вулканогенными и вулканогенно-осадочными отложениями. В нем распространены пластовые и трещинно-жильные воды океанического генезиса, преимущественно хлоридно-натриевого состава. Верхний океанический слой осадков представлен рыхлыми терригенными и карбонатными отложениями. Состав вод мало отличается от океанических.

В истории развития вод каждого комплекса отмечаются свои характерные особенности.

Для подсолевого комплекса:

• 1. Первоначальное формирование подсолевого водоносного комплекса происходило в первом гидрогеологическом цикле причем минерализация вод комплекса не превышала 35−140 г/л.
• 2. Метаморфизация химического состава вод проходила влиянием процессов, связанных с увеличением геостатического давления и температур (эпигенез).
• 3. Формирование подсолевого комплекса, как водоносного, закончилось к концу третьего цикла, (время отложения нижнего карбона). К этому времени определилось размещение зон водообмена, в дальнейшем только усиливались условия гидрогеологической закрытости.
• 4. Промывание инфильтрационными водами морских отложений подсолевого комплекса могло осуществляться на крайнем западе и частично в прибортовой северной части впадины, на большей части площади распространения воды подсолевого комплекса находились в зоне весьма замедленного водообмена и в условия активного водообмена не вовлекались.
• 5. На первом и втором этапе формирования комплексов движение подземных вод и растворенных в них углеводородов было направлено от северной к южной прибортовых частей впадины к центральной. В дальнейшем (к концу третьего и пятого циклов) направление движения изменялось и осуществлялось от центральной части впадины к прибортовым (северной и южной), а также на юго-восток и запад. Оно было направлено от погруженных участков (Кодаткевичская, Василевичская депрессии) к приподнятым (Ельский, Речицкий валы). Направление движения вод подлевого комплекса на современном этапе осуществляется с севера на юг и юго-восток. Восходящая миграция приобретала локализацию под водоупорными толщами, где исходило концентрирование углеводородов в ловушках. В зависимости от палеогидрогеологических условий зонами нефтегазонакопления являлись приподнятые части ступеней — валы (Первомайский, Чернинский, Наровлянский, Буйновский, Речицкий); зонами нефгегазообразования — опущенные части ступеней (Мозырская, Буйновичско-Наровлянская, Шатилковская, Речицкая, Березинская).

Для межсолевого комплекса:

• 1. Первоначальная максимальная концентрация захороненных в осадках межсолевого комплекса седаментационных вод не могла превышать 140 г/л при температурах меньше 20 °C.
• 2. Специфические особенности вод (доходящих до стадии рассолов формировались в межсолевом комплексе на постседиментационных этапах под влиянием процессов гравитационного уплотнения пород (диагенез), затем под воздействием более высокого давления и температур, связаных с увеличением мощности покрывающих отложений (эпигенез), а также активных перемещений в мобильные стадии тектонической деятельности,
• 3. Межсолевой водоносный комплекс (за всю историю развития) в центральных и восточных районах впадины лишь частично вовлекался в условия активного водообмена и инфильтрационными водами полностью не промывался.

Довольно мощные толщи осадков (до 1000 м) и отсутствие длительных перерывов в девоне благоприятствовали периодическому накоплению органического вещества в субаквальной среде и ее преобразованию в углеводороды. Длительные перерывы (до 50 млн. лет) отмечаются в конце перми, триаса, в палеоген-неогене, т. е. когда воды межсолевого комплекса находились в условиях высокой закрытости. Это привело к сохранению углеводородов и возрастанию их содержания по мере захоронения нефтегазопродуцирующих толщ.

• 4. Наиболее благоприятные условия для миграции флюидов и формирования региональных нефтяных скоплений в горизонтах межсолевого комплекса. С учетом гидродинамического поступления углеводородов из подсолевых отложений, отмечаются в центральной и восточной частях впадины, где сохранилась надежная закрытость регионально выдержанными водоупорами в условиях устойчивого прогибания. Формирование этих обстановок относится к позднедевонскому времени, а в последующее время (каменноугольное, пермское, триасовое и др.) мощность слабопроницаемых отложений, разделяющих выше залегающие водоносные горизонты и комплексы, увеличивалась.
• 5. Движение подземных вод и растворенных углеводородов в отложениях комплекса к концу второго и третьего циклов времени накопления (задонско-елецкий горизонт; нижнекаменноугольное время) происходило в пластах-коллекторах от периферийных частей впадины к ее центру. Возможны были и локальные боковые движения. В условиях, приближающихся к современным (к концу нижнего триаса и в палеогене) движение вод было направлено от нейтральной части впадины к периферийной и в вышележащие комплексы. При современных условиях движение вод межсолевого комплекса, как и подсолевого, направлено с севера на юг и юго-восток.

Восходящая миграция флюидов всегда носила скрытый характер и приобретала локализацию под водоупорными толщами, которая служили мощные отложения верхней соли и глинистые осадки надсолевого девона и нижнего карбона, а также в местах их дизъюнктивных нарушений. Эти толщи являлись фактором концентрирования рассеянных углеводородов в залежи на путях вертикальной миграции в зонах нарушений и связанных с ниш ловушек. Особенно усиливалось латеральное и вертикальное движение флюидов в периоды активных тектонических подвижек при смене структурных планов.

• 6. Движение подземных вод на инфильтрационных этапах подчинено гипсометрическому положению поверхности водоносных пластов и направлено на восток и юго-восток. Области атмосферного питания были расположены на северо-западе (Белорусский массив), юге (Украинский щит) и северо-востоке (Воронежский массив).
• 7. В зависимости от сложившихся палеогидрогеологических условий зонами регионального нефтегазонакопления (пьезоминимумов) являлись Речицкая, Шарпиловская, Тишковская, Вишанская, Мозырская, Северо-Домановичская, Гороховская и другие площади, т. е. приподнятые тектонические участки (солянокупольные валы); нефтегазосборными площадями служили погруженные участки депрессии (Шатилковская, Копаткевичская и др.).

Для надсолевого и каменноугольного комплексов:

• 1. Формирование надсолевого водоносного комплекса произошло в третьем гидрогеологическом цикле; тогда же начали формироваться и вода каменноугольных отложений,
• 2. Первоначальная минерализация вод надсолевого комплекса не превышала 14О г/л, но в дальнейшем возможно их опрес-неше до 1 $ г/л" Минерализация вод кшенноугольного комплекса достигала 35 г/л (часто была даже меньше).

Надсолевой водоносный комплекс окончательно сложился к концу третьего цикла, т. е. ко времени накопления водоупорных отложений турнейского яруса карбона. В последующие времена происходило только усиление условий закрытости (накопление водоупорных толщ нижнего триаса, средней юры), распределение же зон водообмена по площади оставалось постоянным. Наиболее закрытые условия (воды надсолевого комплекса находятся в зоне замедленного водообмена) отмечаются в восточной и центральной частях впадины. На остальной же территории они находится в зоне активного водообмена.

Формирование каменноугольного водоносного комплекса закончилось ко времени накопления современных отложений, когда водоносный комплекс был перекрыт водоупорными отложениями перми, триаса и юры. На большей части территории впадины воды комплекса оказались в условиях свободного водообмена с поверхностью и только в центральной и восточной частях впадины — в условиях замедленного водообмена.

• 4. Движение вод и растворенных углеводородов в надсолевом комплексе на первом этапе было направлено от периферийной северной части впадины к центральной. Возможны были движения по локальным направлениям (в южной и центральной частях впадины). В дальнейшем направление движения оставалось постоянным от центральной (наиболее погруженной) части впадины к периферии. Воды каменноугольного комплекса двигались в этом же направлении.
• 5, Движение вод на инфильтрационных этапах в надсолевом и каменноугольном комплексе было направлено с северо-запада и запада на юго-восток. Областями атмосферного питания служили Украинский щит, Белорусский и Воронежский массивы. Разгружались подземные воды в флексурно-разрывных зонах, в долинах древних рек (р. Пра-Днепр и его притоки), а также в местах ослабленной кровли (Ельская ступень).
• 6. Возможными зонами регионального нефтегазонакопления могли служить погруженные периклинали и крылья соляных куполов в Ельской, Мозырской, Речицкой ступенях для надсолевых отложений и в Речицкой, Мозырской для каменноугольных.

Изучение особенностей гидрогеологических условий образования и развития подземных вод по выделенным циклам позволило отметить также некоторые общие закономерности. Первоначальная минерализация подземных вод подсолевого, межсолевого, надсолевого и каменноугольного комплексов не превышала 140 г/л, а часто была менее 35 г/л (садка ангидрита, гипса протекает при минерализации 140 г/л; песчаников и известняков — 35 г/л). Формирование специфических особенностей пластовых вод (доходящих до стадии хлоридных рассолов) осуществлялось на постседиментационных этапах литогенеза при участии поровых вод, поступавших в процессе литификации пород (диагенез), эпигенетических изменений пород и вод в мобильные стадии тектонической деятельности.

Частичное замещение древних седиментационных вод в девонских отложениях (подсолевой и межсолевой водоносные комплексы) возможно было только в крайней западной и частично в прибортовых северной и южной частях впадины. На большей площади распространения эти более глубоко залегающие отложения находились в условиях устойчивого весьма замедленного водообмена и в зону активного перемещения вод не вовлекались. Полное замещение палеоседиментационных вод атмосферными произошло лишь в отложениях юры, мела и палеогена.

Окончательное формирование условий, в которых находились подсолевой и межсолевой водоносные комплекса девона, закончилось к концу позднедевонского времени, когда определились зоны водообмена. Дальнейшее развитие условий закрытости комплексов лишь усиливало и усложняло гидравлические связи между ними.

Скорость движения подземных вод на седиментационном этапе накопления вод небольшая — 0,01 — 0,3 м/год. При нарушениях гидродинамического и гидрогеохимического развития в период интенсивных тектонических движений (в конце задонско-елецкого и после данково-лебедянского времени) могло произойти увеличение скорости до десятков метров в год. Движение подземных вод осуществлялось под воздействием геостатического давления (зкспеляционный режим по Е. А. Барс, 1968) из зон максимального погружения к приподнятым участкам. Унаследованность направления движения отмечается па протяжении почти всей истории развития вод в водоносных девонских комплексах и является одним из факторов, в зависимости от которых происходило формирование таких многопластовых месторождений, как Речицкое, Осташковичское и др.

На континентальных этапах направление движения инфильтрационных вод было подчинено гипсометрическому положению поверхности водоносных пластов и в основном направлено с запада и северо-запада на восток и юго-восток. Постоянными областями атмосферного питания служили Украинский щит, Воронежский и Белорусский массивы на юге и северо-востоке и в меньшей мере Полесская и Жлобинская седловины, на западе и северо-востоке.

Областями древней разгрузки глубоких подземных вод на всех этапах развития являлись разломы (меридиональные): протерозойское время — северный и южный (субширотные); с после-воронежского времени вновь проявившиеся меридиональные — с конца задонско-елецкого времени; долины палеорек (р. Пра-Днепр и его притоки) — с каменноугольного времени, а также места ослабленной кровли.

В зависимости от сложившихся палеогидрогеологических условий зонами регионального нефтегазообразования (пьезомаксимумов) являлись погруженные участки: Мозырский, Буйновичско-Наровлянский, Шатилковский, Речицкий, Березинский; зонами регионального нефгегазонакопления (пьезоминимумов) являлись приподнятые участки (валы): Первомайский, Чернинский, Наровлянский, Буйновичский и Червоно-Слободской.

При захоронении подсолевого и межсолевого комплексов под мощными водонефтеупорными толщами улучшились условия сохранения видоизмененных седиментационных и древнеинфильтрационных вод, с последующим их преобразованием в закрытых условиях, метаморфизацией в результате уменьшения подвижности вод и под воздействием нарастающего давления и высоких температур. Достаточно сопоставить средние коэффициенты аккумуляции осадков, чтобы убедиться, как сравнительно быстро происходило захоронение водовмещающих отложений. Если взять отношение только средних мощностей (m) к этапу времени седиментации (Дt) в миллионах лет, то окажется, что коэффициент аккумуляции девонской толщи до нижней соли равен 6, а для соленосной толщи — 1200; для надсолевой толщи — 17; а верхней соленосной толщи — 2200; для мезокайнозоя только 25.

Поэтому можно считать, что максимальное накопление растворенных органических веществ в коллекторах за счет объемов выжимаемых вод из глинистых толщ завершалось в девонские седиментационные этапы сравнительно быстрым захоронением углеводородонасыщенных растворов.