Степень изученности позднерифейских отложений на западе Сибирской платформы крайне неравномерна.
Отложения, слагающие природные резервуары позднего рифея, по результатам стандартных петрофизических исследований отличаются крайне низкими фильтрационно-емкостными свойствами и интенсивной трещиноватостью. Наличие в рифейских резервуарах интенсивной трещиноватости, а также крупных полостей обуславливает серьезные осложнения при вскрытии этих отложений скважинами глубокого бурения. В них наблюдаются интенсивные поглощения и провалы бурового инструмента.
Несмотря на большой объем проведенных исследований по изучению литологических характеристик и фильтрационно-емкостного пространства рифейских резервуаров, в настоящее время не выявлены пространственные закономерности распределения генетических типов пустот в разнофациальных отложениях позднего рифея, что в значительной степени затрудняет прогноз их свойств. Специфические особенности рифейских отложений, а именно их структурно-текстурные характеристики, высокая степень вторичной преобразованности пород, формы проявления и морфометрические параметры пустот, не дают возможности изучить закономерности их распределения в природном резервуаре по керну в полном объеме. Это связано с тем, что размер образцов керна в диаметре не превышает 12 см, что значительно меньше размеров многих структурных компонентов пород, в том числе пустот. Кроме того, степень перекристаллизации и интенсивности вторичного минералообразования настолько велики, что первичные текстуры пород в столь малом объеме керна не диагностируются.
В отличие от Юрубчено-Тохомской области, строение и свойства карбонатных отложений рифея южной периферии Байкитской антеклизы и прилегающей зоны Ангарских складок остаются крайне слабо изученными.
В связи с этим выявление генетических типов пустотного пространства отложений аладьинской свиты рифея и механизмов их формирования в пределах Енисейского кряжа и прилегающих территорий зоны Ангарских складок представляется актуальным.
Цель и задачи исследований
В задачи исследования входило: литологическая характеристика отложений, реконструкция условий осадконакопления, выявление механизмов формирования пустотного пространства, разработка литологических моделей фильтрационно-емкостных систем генетических типов отложений аладьинской свиты и прогноз их распространения.
В работе проводился широкий комплекс литологических исследований отложений аладьинской свиты по керну скважин глубокого бурения, а также естественных обнажений горных пород.
Сбор фактического материала был осуществлен в ходе шести полевых экспедиций с 2013 по 2019 гг. по районам Красноярского края, а также в процессе работы в РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина.
В результате этих работ и изучения кернового материала скважин глубокого бурения была создана коллекция из более чем 600 образцов, изготовлены шлифы и проведены эксперименты на растровом электронном микроскопе, дифрактометре и томографе.
Условия формирования отложений аладьинской свиты
Отложения аладьинской свиты развиты в пределах южной части Сибирской платформы и имеют по всей площади распространения карбонатный состав. Дифференциация литологических характеристик отложений аладьинской свиты во многом определялась многообразием обстановок осадконакопления в пределах обширного бассейна с преимущественно карбонатным типом осадконакопления в пределах восточной части Енисейского кряжа, зоны Ангарских складок и южной части Байкитской антеклизы.
Основные закономерности изменения фациальных обстановок рифейских бассейнов осадконакопления были описаны в работах Е.М. Хабарова, посвященных строению и формированию мезопротерозойских нефтегазоносных карбонатных комплексов Сибирской платформы. Им были выделены фации глубокого, среднего и мелкого шельфа, биогермные фации и фации перитидального шельфа.
Результаты реконструкции условий осадконакопления, представленные в опубликованных работах, в целом соответствуют общим закономерностям строения карбонатных бассейнов, описанных Дж.Л. Уилсоном (1975), А. Шолле и др. (1983).
Основным фактором карбонатонакопления в аладьинском бассейне является наличие различных типов цианобактериальных сообществ, что описано в многочисленных работах Е.М. Хабарова, В.Г. Кузнецова (рисунок 1).
Практически всеми исследователями признается наличие в аладьинское время на юго-западе Сибирской платформы обширной зоны крайне мелководного морского бассейна, в которой осаждались слоистые доломитовые осадки, имеющие цианобактериальный генезис.
В бассейне седиментации выделяется перитидальный шельф с преобладанием комплекса приливно-отливных равнин, которые по латерали переходили в мелководный, иногда средний, шельф с доминированием построек из столбчатых строматолитов. Юго-западнее и юго-восточнее выделяется преимущественно глубокий шельф с карбонатно-силикокластической седиментацией. В обстановках склона происходило формирование гемипелагитов, турбидитов и отложений дебрисных потоков, в том числе карбонатных. Склоновые карбонатные гравитационные отложения показывают, что эпизодически карбонатная седиментация происходила и в краевых зонах шельфа, что в целом не совсем типично для Енисей-Байкитского бассейна (Хабаров Е.М., Вараксина И.В., 2011).
Зона распространения отложений перитидального шельфа достаточно подробно изучена в работах, посвященных Юрубчено-Тохомскому и Куюмбинскому месторождениям (Хабаров Е.М., Вараксина И.В., 2011). Для этой зоны характерно развитие слоистых цианобактериальных доломитов, в которых достаточно часто прослеживаются следы выхода на поверхность и взлома строматолитовых ламин. В отдельных участках перитидального шельфа выделяются зоны развития доломитов с отчетливыми ламинитовыми структурами, обусловленными развитием пластовых строматолитов, которые формировали отдельные практически морфологически не выраженные биостромные массивы. На отдельных участках перитидального шельфа в зонах крайнего мелководья строматолитовые образования выходили на поверхность, подвергались деструкции и в ряде случаев – значительной эрозии. В результате изменения pH среды после выхода на поверхность начиналось активное осаждение кремнезема, который формировал зоны раннедиагенетического окремнения. Достаточно часто в разрезах отложений перитидального шельфа встречаются доломиты с комковато-сгустковой структурой, что свидетельствует об их формировании в зоне крайнего мелководья с активным гидродинамическим режимом.
Краевые зоны перитидального шельфа менее изучены, чем его центральная часть. С целью изучения закономерностей строения краевых зон перитидального шельфа, были инициированы полевые работы по естественным обнажениям рифейских разрезов Енисейского кряжа. Полевые работы проходили по рекам Кожиме, Каменке и Ангаре (2017 г.), Нижней Тере и Иркинеева (2018–2019 гг.). Кроме того, отложения краевой части перитидального шельфа изучались по керну скважин Салаирской площади.
Изученные разрезы краевой части перитидального шельфа представлены комплексом генетических типов отложений, содержащих биогермные доломиты и сопровождающие их обломочные шлейфы.
Биогермные массивы сложены двумя типами строматолитовых образований – пластовыми и столбчатыми.
Морфологическая выраженность этих биогермных массивов выражается в дифференциации толщин синхронных отложений, а также в рельефе прекрывающих их фрагментах разреза (рисунок 2).
Пластовые строматолиты с комковатой и сгустковой микроструктурой слойков были встречены в обнажениях биогермных массивов на реке Иркинеева (рисунок 3).
В разрезе биогермных массивов выделяются отдельные более мелкие (элементарные) биогермные массивы, которые имеют толщину, не превышающую 25–30 см, и при этом имеют четкую морфологическую выраженность (рисунок 2). Наличие мощных обломочных шлейфов свидетельствует о высокой контрастности рельефа морского дна и интенсивной волновой активности в краевой зоне перитидального шельфа. Формирование биогермов, сложенных столбчатыми строматолитами, видимо, происходило лишь на локальных участках краевой зоны шельфа, где наблюдалась более высокая гидродинамическая активность.
Видимо, зоны биогермных массивов окаймляют перитидальный шельф, который занимал основную часть современной территории Байкитсткой антеклизы (рисунок 3).
В разрезе выделяются закономерно повторяющиеся слои, сложенные пластовыми строматолитами, столбчатыми строматолитами, толстослоистыми доломитами и доломитами с ярко выраженной обломочной структурой (рисунок 4).
Аналогичные типы текстур были встречены в керне скважин.
В целом формирование отложений аладьинской свиты происходило в условиях мелководного теплого морского бассейна с повышенной щелочностью, в котором процессы осадконакопления определялись жизнедеятельностью цианобактериальных строматолитовых палеоценозов.
Исключительной особенностью рифейских карбонатных отложений является их крайне низкая пористость (1–3 %) по результатам стандартных петрофизических исследований. Практически всеми исследователями отмечается, что все рифейские породы-коллекторы относятся к трещинному и каверново-трещинному типу (К.И. Багринцева и др., 2003). Достоверность результатов стандартных петрофизических исследований по изучению параметров фильтрационно-емкостных свойств рифейских пород-коллекторов часто вызывает большие сомнения, так как геометрические параметры пустот часто значительно больше размеров стандартного петрофизического цилиндра. Проницаемость рифейских коллекторов Юрубченского месторождения изменяется от тысячных долей до 900 мД и более, что, безусловно, связано со сложностью строения пустотного пространства и особенно – с неравномерным развитием систем трещин.
Разнообразие и неоднозначность представлений о структуре пустотного пространства рифейских карбонатных отложений во многом определяется их текстурными характеристиками, которые могут быть неоднозначно интерпретированы по керновому материалу. Так или иначе, всеми исследователями признается ведущая роль вторичных процессов в формировании пустотного пространства рифейских резервуаров, а их интенсивность и направленность во многом зависят от текстурных характеристик пород.
Наиболее ярко связь текстурных особенностей пород и направленности вторичных процессов, контролирующих пустотное пространство карбонатных отложений аладьинской свиты, проявилась в доломитах пластовых строматолитовых.
Модель пустотного пространства доломитов строматолитовых пластовых
Пустотное пространство отложений пластовых строматолитов представляет собой систему щелевидных пустот, расположенных в межслоевом пространстве строматолитовых ламин, раскрытость которых варьируется от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Системы этих пустот протягиваются на большие расстояния до 300 м (видимые в обнажении) и контролируются текстурой пластовых строматолитов. Поверхность пустот интенсивно и последовательно минерализована кристаллами доломита и гематита.
Такие пустоты являются, по сути, остаточными, сформировавшимися в результате неполной минерализации зон послойного выщелачивания. Эти пустоты соединяется в единую гидродинамическую систему ортогонально расположенными вертикальными и горизонтальными трещинами. Горизонтальные трещины наследуют геометрию строматолитовых ламин и отличаются значительно большей минерализацией, чем вертикальные тектонические трещины.
На срезе, сделанном в крест напластования, наблюдается серия закономерно расположенных ячеистых пустот, инкрустированных последовательно кристаллами доломита и гематита. Размер ячейки на срезе составляет 1х1 см. Пустоты в ячейках связаны ортогональной системой каналов, которые обусловлены геометрией поверхности напластования и направленностью тектонических трещин (рисунок 5).
Помимо отчетливо видимых в обнажении систем ортогональных трещин, в шлифах выделяются системы микротрещиноватости, также имеющие ортогональную направленность.
Как макро- так и микротрещины интенсивно минерализованы, но остаточная раскрытость трещин варьируется от микрон до нескольких миллиметров .
Формирование этого типа пустот имело многостадийный характер. На начальной стадии процессом масштабного выщелачивания были затронуты строматолитовые ламины, вдоль которых распространялись агрессивные флюиды. Отчетливые следы растворения строматолитовых ламин наблюдаются как в обнажениях, так и в керне скважин Юрубченского месторождения. Аналогичные процессы выщелачивания строматолитового каркаса описаны в работе К.Ю. Васильевой, посвященной изучению рифейского резервуара на Куюмбинском месторождении. Локально в отдельных образцах растворение первичного строматолитового каркаса имеет столь широкий масштаб, что практически привело к его полному уничтожению. Растворение строматолитового каркаса происходило по наиболее проницаемым его частям.
После стадии выщелачиваня строматолитовых ламин последовали стадии вторичной минерализации. Следует отметить, что они также прерывались процессами растворения. На стенках пустот повсеместно отмечается несколько генераций вторичного доломита, гематита, пирита и рутила.
Следует отметить, что кристаллы доломита, минерализующие выщелоченное пустотное пространство, растут навстречу друг другу, причем кристаллы, как правило, хорошо образованы и достигают размеров 7–8 мм (рисунок 6).
Кристаллы доломита часто имеют зональное строение, что указывает на импульсный привнос минерализованных растворов, обеспечивающих доломитообразование в пространстве между ламинами.
Характерной особенностью кристаллов доломита, инкрустирующих межслоевое пустотное пространство, является образование седловидных (сидельчатых) кристаллов, описанных в работах К.Ю. Васильевой и А.П. Вилесова.
Седловидный доломит характеризуется кривыми поверхностями кристаллов и волнистым погасанием, что отражает искривленную кристаллическую решетку.
Температуры гомогенизации, свойственные кристаллам седловидного доломита, находятся в пределах 80–235 °С, но чаще варьируются в предлах 100–180 °С (Davies, Smith, 2006). Близкие температуры подходят для образования и идиоморфных кристаллов доломитов, формирующихся по трещинам в результате гидротермальных процессов: 80–160 °С (Braithwaite, Rizzi, 1997), 100–160 °С (McNeil et al, 1998), 110–170 °С (Smith, 2006) (рисунок 7).
Из этого следует, что предполагать образование аутигенных раннедиагенетических кристаллов доломита в межслоевом пространстве доломитов пластовых строматолитовых не представляется возможным.
Следует отметить, что зональный рост кристаллов доломита подчеркивается формированием микрощеток гематита по граням формирующихся кристаллов.
В отдельных фрагментах пород отчетливо видно, что процесс вторичного образования кристаллов доломита и гематита носил многостадийный характер.
Гематит в пустотах выделяется несоизмеримо чаще относительно других рудных минералов и представлен в виде глобулей и сфер в межкристалловом пространстве или образует щетки на поверхности кристаллов доломита.
Щетки гематита в межслоевом пространстве строматолитов завершают финальную стадию доломитообразования (рисунок 10).
Суммируя результаты изучения пустотного пространства пластовых строматолитовых доломитов, схематично можно представить концептуальную модель пустотного пространства связанного с ними природного резервуара.
Механизмы формирования резервуара аладьинской свиты
Исследования морфологии и характера минерализации пустотного пространства рифейских карбонатных отложений аладьинской свиты показали важнейшую роль гидротермальных процессов для формирования характеристик фильтрационно-емкостной системы рифейского природного резервуара.
Широкое развитие гидротермальных процессов в карбонатных отложениях рифея на западе Сибирской платформы было описано в многочисленных работах, посвященных генезису золоторудных, магнезитовых, железистых и других месторождений, открытых на этой территории. На восточном склоне Енисейского кряжа в терригенно-карбонатных отложениях свит аладьинской и карточки среднего рифея выявлены гидротермальные жильные золоторудные месторождения, описанные в работах Р.Х. Мансурова, А.В. Тарасова (2017 г.).
Схема распространения гидротермальных растворов в осадочном чехле запада Сибирской платформы.
В вышележащих отложениях рифея в ходе полевых работ по реке Каменке были описаны гидротермальные жильные карбонатные образования, развитые по вертикальным тектоническим трещинам, раскрытостью до полуметра (рисунок 12).
Формирование гидротермальных систем на западе Сибирской платформы могут быть связаны с проявлением карбонатитовых интрузий (Гидротермально-метасоматические формации России, 2016), широко распространеных в пределах зоны Ангарских складок (Петров O.В., Плющев Е.В., Шатов В.В., Молчанов А.В., Соловьев Н.С., Кашин С.В., Соболев А.Е., Терехов А.В., ВСЕГЕИ).
Следует отметить, что фрагменты карбонатитовой интрузии были выявлены и описаны при изучении керна скважины Ильбокичская 3, расположенной в пределах изучаемой территории.
Воздействие агрессивных щелочных гидротермальных растворов, сопровождавших карбонатитовые интрузии на карбонатные породы аладьинской свиты рифея, первоначально проявилось в их интенсивном растворении.
Вероятно, растворение доломитовых ламин и обломков в доломитах строматолитовых слоистых и доломитах обломочных происходило в несколько этапов. В трудах А.А. Шумкина, М.Н. Карева (2014) описан процесс взаимодействия доломитовых пород с щелочными растворами. Последовательное изменение pH и eH растворов, а также перенасыщение их магнием приводило к последовательному растворению вмещающих доломитов и затем осадке крупных вторичных доломитовых кристаллов. По данным К.Ю. Васильевой, рост аутигенных сидельчатых кристаллов доломита происходил, с одной стороны, очень быстро, с другой стороны – носил импульсный характер (Шумкина А.А, Карев М.Н, 2014).
На более поздних стадиях гидротермального минералообразования происходило осаждение кристаллов гематита, пирита и рутила.
В результате анализа литературных данных, а также изучения стадийности вторичных преобразований и определения закономерностей их пространственного проявления была создана схема формирования пустотного пространства в карбонатных отложениях аладьинской свиты рифея (рисунок 13).
Слоистые отложения аладьинской свиты были проработаны агрессивными основными гидротермальными растворами, что привело к образованию щелевидных пустот различного размера в латеральном направлении. Последующее изменение геохимии раствора вследствие растворения строматолитовых ламин привело к интенсивной последовательной крустификации этих пустот кристаллами доломита и гематита. Гидротермальная природа кристаллов, которые выполняют пустоты, подтверждается их формой. Образование аутигенных кристаллов происходило при остывании раствора температурой 200–250 °C. На последних стадиях минерализации пустот выпадали кристаллы кварца, пирита и рутила, их количество значительно менее представительно по отношению к доломиту и гематиту.
Впоследствии толща аладьинской свиты была подвергнута воздействию тектонических процессов, что привело к растрескиванию слоев в вертикальном направлении. Такие трещины хорошо различимы как при макроисследованиях обнажений, так и при более детальных оптических исследованиях. В целом эти трещины могут быть полностью залечены вторичными минералами или быть частично открытыми. По результатам лабораторных исследований было установлено, что, как правило, такие трещины заполняются кварцем или кальцитом.
Закономерное распределение макротрещин и микротрещин формирует фильтрационную систему рифейского природного резервуара. Трещины объединяют в единую систему части природного резервуара с различными моделями строения пустотного пространства.
Существенную роль в этих моделях, безусловно, будут играть различные типы трещин, изучению которых посвящены многочисленные исследования О.В. Гутина, К.И. Багринцева, В.В. Харахинова. Ведущая роль в образовании трещин всеми исследователями, безусловно, отводится тектоническим процессам. При изучении трещин аладьинской свиты в обнажениях были найдены многочисленные подтверждения этого факта. Тектонические трещины различного характера, как правило, имеют субвертикальную направленность и секут весь разрез аладьинской свиты.
В ряде случаев наблюдается смещение слоев в горизонтальной плоскости. Степень минерализации стенок трещин различна. В разрезах по реке Каменке в вышележащих рифейских отложениях наблюдаются субвертикальные минерализованные трещины раскрытостью до 30 см, заполненные доломитом. Но в то же время в большинстве случаев в аладьинской свите степень минерализации стенок этих трещин довольно слабая.
Следует отметить, что практически во всех работах, посвященных трещиноватости Юрубчено-Тохомского и Куюмбинского месторождений, описываются трещины, имеющие субвертикальную направленность, так как геофизические методы позволяют охарактеризовать трещины именно такого рода. При изучении аладьинской свиты в обнажениях стало очевидным, что важную роль в фильтрационной системе резервуаров играет горизонтальная трещиноватость (рисунок XX). Эти трещины, как правило, наследуют морфологию строматолитовых слоев и протягиваются на значительные расстояния до сотен метров и имеют раскрытость (до 7 см), значительно меньшую чем вертикальные трещины, но при этом они более интенсивно минерализованы. Стенки трещин выполнены крупными кристаллами доломита и щетками гематита. Взаимное пересечение систем этих трещин создает блоковую структуру аладьинского резервуара (рисунок XX).
Заключение
Формирование отложений аладьинской свиты происходило в условиях мелководного теплого морского бассейна с повышенной щелочностью, в котором процессы осадконакопления определялись жизнедеятельностью цианобактериальных строматолитовых палеоценозов. В наиболее мелководной части бассейна (перитидальный шельф) накапливались доломиты толстослоистые и строматолитовые пластовые. В краевых частях перитидального шельфа этого бассейна формировались биогермные массивы, сложенные доломитами пластовыми и столбчатыми. Зоны развития биогермных массивов обрамлялись отчетливо выраженными склоновыми отложениями, представленными обломочными доломитами.
В северной части Байкитской антеклизы существовала островная суша, сложенная гранитами, которая представляет собой зону отсутствия отложений аладьинской свиты. В пределах обширной зоны перитидального шельфа толщины аладьинской свиты не превышают 300 метров. Отложения аладьинской свиты до 500 метров наблюдаются краевой части перитидального шельфа, где широко распространены биогермные массивы. Уменьшение толщин прогнозируется в зоне развития склоновых отложений, обрамляющих биогермный массив.
Структура и параметры пустотного пространства разнофациальных отложений аладьинской свиты определяются морфологическими особенностями строматолитовых палеоценозов и их производных структурных компонентов, а также интенсивностью и направленностью разноранговой трещиноватости. Важнейшим фактором формирования фильтрационно-емкостного пространства аладьинской свиты является многостадийная проработка этих отложений гидротермальными процессами, которые приводили к избирательному выщелачиванию, а затем к частичной или полной минерализации вновь образованного пустотного пространства. Интенсивность выщелачивания и трещинообразования в значительной степени контролируется первичными текстурными и структурно-вещественными особенностями пород.
Гидротермальные процессы сопровождали эпохи кимберлитового и траппового магматизма, а также байкальскую тектоническую активизацию. Стадийные изменения химизма гидротермальных флюидов приводили к выщелачиванию первичных структурных компонентов пород аладьинской свиты и минерализации пустотного пространства доломитом, гематитом и рудными минералами. Часть трещин, секущих все структурные компоненты пород аладьинской свиты, минерализованы кварцем. Эта минерализация может быть отнесена к наиболее поздним стадиям гидротермального процесса.
Ведущим фактором формирования фильтрационно-емкостного пространства природного резервуара аладьинской свиты является интенсивность и направленность гидротермальных процессов, определивших морфометрические параметры пустотного пространства для каждого генетического типа отложений. Фильтрационная составляющая резервуара обусловлена ортогональной системой трещин, ограничивающих блоки поровых объемов, характеризующихся различными моделями пустотного пространства.
