6.3.4.Биохимические осадочные месторождения

Формирование биохимических осадочных месторождений может быть проиллюстрировано на примере фосфоритов, карбонатных и кремнистых пород, а также каустобиолитов.

Фосфориты. Среди фосфоритов выделяются платформенные и геосинклинальные месторождения. Наиболее значительные платформенные месторождения приурочены к синеклизам, а геосинклинальные к узким прогибам шельфа (Б. Гиммельфарб). Платформенные месторождения фосфоритов возникали в широком климатическом диапазоне, охватывающем моря как гумидной, так и аридной палеоклиматических зон. Геосинклинальные месторождения формировались преимущественно в обстановке аридного климата.

Фосфоритовые залежи обычно имеют пластовую или пластообразную форму и обладают значительными размерами. Так, например, зона распространения фосфоритовых пластов геосинклинального месторождения Каратау в Западном Казахстане, вытянутая на 100 км при ширине 40—50 км, содержит от одного до семи пластов.

Минеральный состав фосфоритовых месторождений определяется фосфоритом, сложным химическим соединением фосфорнокислого, фтористого и углекислого кальция. А. Казаков различает в нем три фракции:

1) фторапатит; 2) карбонатапатит; 3) гидроксилапатит.

Источником фосфора для фосфоритовых месторождений служит сравнительно легко растворимый апатит магматических пород. Фосфор, сносимый в морские водоемы, осваивается животными и растительными организмами. Концентрация фосфора в костях, панцирях, тканях и крови морских организмов достигает значительных размеров. Содержание фосфорнокислого кальция в костях позвоночных достигает 60%, а в раковинах некоторых разновидностей лигул и обулусов 80-91%. К промышленным месторождениям относятся фосфоритовые залежи восточного склона Урала, Марокко, Алжира, Туниса, Нигерии. Неогеновые месторождения фосфоритов известны в США (Флорида), Перу, Венесуэле, Японии, на Филиппинах. Главнейшими эпохами фосфоритообразования являются: кембрийская, ордовикская, пермская, меловая, третичная.

Месторождения гуано. С точки зрения высокого содержания фосфора, месторождения гуано тяготеют к фосфоритам. Они известны на островах Перу, где образуют пласты мощностью до 35 м, в результате скопления в течение длительного времени в обстановке жаркого климата экскрементов птиц, населяющих острова. Здесь различают два типа гуано:

1) растворимое, недавнего происхождения, содержащее кроме легкорастворимого фосфорно-кислого кальция также и нитраты;

2) труднорастворимое, более старое, выщелоченное, с высоким содержанием фосфора и отсутствием легкорастворимых нитратов.

Карбонатные породы. К карбонатным породам, используемым в качестве полезных ископаемых, относятся известняки, доломиты и мергели. Известняки состоят в основном из кальцита (56% СаО), доломиты из доломита (30,4% СаО, 21,9% МgО), мергели — из карбонатов в смеси с глиной.

Известняки образуются преимущественно биохимическим путем вследствие накопления кальцита в скелетах и раковинах отмирающих морских организмов. В связи с этим различают известняки строматолитовые, цельнораковинные (ракушняки), раковинно-детритовые и микрозернистые (мел).

Доломиты рассматриваются как продукты взаимодействия СаСО₃ осадка и Мg₅О₄ морской воды.

Мергели, в том числе и различные цементные мергели, представляют собой смешанные глинисто-карбонатные морские осадки.

Кремнистые породы. Источником кремния является кремнезем, находящийся в морской воде. Среди осадочных кремнистых пород различают диатомиты, трепелы и опоки.

Диатомит представляет собой тонкозернистую пористую породу, состоящую главным образом из мельчайших панцирей диатомовых водорослей, накопившихся вследствие их массовой гибели.

Трепел столь же тонкозернистая пористая порода, состоящая из мельчайших округлых телец опала и халцедона –с остатками радиолярий, спикул губок и фораминифер.

Опоки — более плотные кремнистые породы, состоящие из аморфной массы кремнезема в смеси со скелетами диатомей, радиолярий и губок; они рассматриваются как частично преобразованные диатомиты и трепела.

Кремнистые породы образуют пластообразные залежи мощностью от 0,4 до 55 м.

Месторождения углей принадлежат к образованиям фитогенным, связанным с жизнедеятельностью древних растений. В хлорофильных зернах этих растений под влиянием световой энергии происходил синтез из углекислого газа и воды первичного органического вещества, аккумулирующего, солнечную энергию. При последующем неполном разложении отмерших растений, осуществлявшемся при дефиците кислорода, происходило постепенное накопление органической массы, представляющей исходный материал для углеобразования. Первичная органическая масса ископаемых углей разделяется на сапропелевую и гумусовую.

Сапропелевые осадки формировались при накоплении на дне водоемов отложений простейших, главным образом планктонных водорослей, ткани которых состоят преимущественно из белков и жиров при незначительном количестве клетчатки. Разложение сапропеля под слоем воды, изолирующим осадок от кислорода воздуха, приводит к его битуминизации, сопровождавшейся обеднением кислородом и концентрацией углерода в водорода.

Гумусовые осадки возникали при накоплении и последующем преобразовании на дне водоемов отмерших высших растений. Эти растения накапливались автохтонно на месте их произрастания или аллохтонно, относясь в пониженные части рельефа водными потоками. Если такими депрессиями были озера, то возникали лимнические, а если прибрежные части морей, то паралические месторождения угля. Ткани таких растений состоят в основном из лигнита и целлюлозы (60—70%), некоторого количества белков (до 15%) и незначительной доли кутины, воска смолы и суберина (до 5%). Наиболее легко разлагается целлюлоза, труднее липнит и белки, еще труднее остальные вещества. В прибрежных зонах водоемов и в болотах происходило первичное разложение растительной, массы или их гумификация, сопровождавшаяся накоплением слабее разрушающихся компонентов, из смеси которых возникал торф, исходный материал для гумусовых углей, имеющих наибольшее практическое значение.

В соответствии с этими двумя процессами накопления исходной органической массы, необходимой для углеобразования, выделяются две группы ископаемых углей — гумулиты и сапропелиты. Гумулиты в свою очередь делятся на гумиты, представляющие продукты слабого разложения, и липтобиолиты, состоящие из сильно разложенной массы со значительной концентрацией в ней наиболее устойчивых продуктов. Сапропелиты подразделяются на гумито-сапропелиты и чистые сапропелиты.

Захоронение органической массы под перекрывающими осадками, диагенез и последующий метаморфизм приводили к ее углефикации и образованию ископаемых углей. При этом происходило уплотнение, обезвоживание, цементация и полимеризация исходного рыхлого и влажного осадка. Вследствие этого исходная растительная масса сапропеля и торфа претерпевала следующий ряд постепенного и необратимого изменения: бурый уголъ, каменный уголь, антрацит, шунгит и графит.

Состав и строение углей. В составе углей различаются органическая и минеральная массы. Органическая масса углей состоит из углерода (60—96%), водорода (1—12%), кислорода (2—20% и более), азота (1—3%), незначительного количества серы и фосфора. В состав минеральной массы входят кремний, алюминий, железо, кальций, магний, калий, натрий и другие элементы. В некоторых углях отмечается повышенная концентрация бериллия, никеля, кобальта, молибдена, урана, галлия, германия, иттрия и других редких и рассеянных элементов. Известны случаи промышленного скопления в углях урана, германия и ванадия.

По признакам текстуры различают массивные и слоистые угли.

Структура углей определяется вхождением в их состав четырех ингредиентов — двух матовых и двух блестящих. Матовые составные части называются фюзен и дюрен, а блестящие — витрен и кларен.

Для технических целей в составе углей выделяют балластную (негорючую) и горючую массу. В негорючую массу входят влага и зола. Горючая масса состоит из летучих компонентов, кокса и серы, с разделением ее на органическую, сульфидную и сульфатную. Для этих же целей производится характеристика спекаемости и теплотворной способности углей.

Спекаемость определяется как способность угля переходить при высокой температуре в пластическую массу, затвердевающую при остывании в механически прочный кокс. Теплотворная способность угля оценивается в джоулях на килограмм топлива.

П.Степановым в осадочной оболочке Земли выявлены пояса угленакопления с узлами концентрация угленосных отложений. На поверхности земного шара выделяются три площади с преобладанием 1) каменно-угольного, 2) пермского –и юрского, 3) позднемелового и третичного угленакопления.

Площадь с преобладанием каменноугольного угленакопления охватывает восточную часть Северной Америки, Европу, Северную часть Африки и западную часть Азии; в ее пределах сосредоточено более 22% мировых запасов угля. На площади выделяется основной широтный пояс угленакопления, протягивающийся из восточных штатов США, через Великобританию, Францию, Бельгию, ФРГ, Чехословакию и Польшу в Россию и Украину, где он фиксируется в Донбассе, Караганде и Северном Казахстане.

Площади с преобладанием пермского и юрского угленакопления перекрывают восточную часть Азии, Австралии, южные и северные полярные земли, юго-восточные части Африки и Южной Америки; на их территории находится около 27% мировых запасов угля. Пояс пермского угленакопления протягивается от Печорского бассейна к Таймырскому и Тунгусскому, а затем через Кузнецкий и Минусинский бассейны переходит в Китай, Индию и Восточную Австралию. Юрские пояса имеют широтную ориентировку.

Площади с преобладанием позднемелового и третичного угленакопления охватывают восточное побережье Азии и Австралии, архипелаги Тихого океана, западные побережья Северной и Южной Америки, опоясывая Тихий океан грандиозным кольцом; в нем сосредоточено около половины мировых запасов угля.

Горючие сланцы. Месторождения горючих сланцев состоят из глинистых, песчанистых и известковистых горных пород, содержащих значительное количество продуктов разложения органических веществ и обладающих вследствие этого горючими свойствами. Содержание органического компонента не превышает 60%, поэтому горючие сланцы отличаются от углей более значительной зольностью и меньшей теплотворностью. По происхождению органических веществ различают гумусовые, битуминозные и сапропелевые сланцы; только последние используются промышленностью.

Месторождения нефти, природного горючего газа и твердых битумов тесно связаны генетически и пространственно. Нефтъ — природная горючая маслянистая жидкость, состоящая из смеси жидких и газообразных углеводородов, содержащая в растворенном состоянии твердые битумы, а также примесь небольшого количества органических кислородных, сернистых и азотистых соединений. В ее состав входят углеводороды метанового, нафтенового и ароматического рядов. Природный горючий газ состоит из газообразных углеводородов, таких как метан, этан, пропан и бутан, иногда с примесью легкокипящих жидких углеводородов — пентана, гексана и др. Твердые углеводороды метанового ряда образуют озокерит, нафтенового — асфальт.

Все гипотезы происхождения нефти разделяются на две группы — неорганического и органического генезиса. Среди неорганических гипотез карбидная, вулканическая, плутоническая, подкоровая и космическая.

Карбидная гипотеза предложена Д. Менделеевым. Она основана на лабораторных опытах получения нефти вследствие взаимодействия карбида железа и воды.

Вулканическая гипотеза связывает образование газонефтяных месторождений с подъемом магмы, выделением из нее газообразных углеводородов, их обособлением от других вулканических газов вследствие повышенной летучести и последующей локализацией в виде скоплений нефти и газа.

Плутоническая гипотеза объясняет происхождение нефти вследствие сплавления гранитной магмы с доломитамм и формирования интрамагматического потока углеводородов (А. Кривцов и др.).

Подкоровая гипотеза разъясняет образование нефтей при прохождении потока подкорового водорода через богатую углеродом магму мантии (В. Порфирьев, Н. Кудрявщев, И. Гримберг, Э. Чекалюк).

Космическая гипотеза, предложенная В. Соколовым, обосновывается фактами нахождения битумов в метеоритах и наличием углеводородов в хвостах комет.

Органическая гипотеза защищается большинством геологов. По этой гипотезе исходным материалом для газонефтяных месторождений являлась органическая, растительная и животная масса, захороненная в прошлые геологические эпохи на дне водоемов под толщей перекрывающих их неорганических осадков. Большинство сторонников органического происхождения нефти и газа исходным материалом для их образования считают сапропель.

По подсчетам ботаников и биохимиков количество углерода, синтезируемого в тканях планктона и доставляемого в осадок по мере его отмирания, исчисляется многими десятками миллиардов тонн в год. В первую стадию последующего преобразования органическая масса разлагается при активном воздействии микроорганизмов и превращается в битуминозное вещество, а исходный осадок — в битуминозную породу. Во вторую стадию, связанную с погружением осадков, под воздействием повышающихся давлений и температуры, активизирующих деятельность анаэробных бактерий и возбудителей брожения, выделяются битумы — твердые, жидкие и газовые углеводороды. В третью стадию нефть и газ перемещаются из области распространения нефтематеринских толщ в благоприятные по структурным и литологическим признакам породы формируя газонефтяные месторождения.

Литология газо-нефтеносных отложений. Газонефтяные месторождения состоят из двух групп пород — коллектирующих углеводороды и окружающих их, препятствующих утечке нефти и газа.

Породы-коллекторы обладают высокой эффективной пористостью и проницаемостью. Среди коллекторов наиболее распространены слабо сцементированные песчаники, отчасти массивные трещиноватые породы — известняки, кварциты, изверженные породы.

Породы-экраны, напротив, имеют низкую проницаемость. Ими чаще всего являются глинистые сланцы и массивные не трещиноватые породы.

Масштабы перемещения нефти и газа до конца не определены.

Залежи газа и нефти по особенностям их строения разделяются на две группы: 1) пластовые, 2) массивные, в том числе литологически ограниченные. Основная особенность пластовых залежей заключается в приуроченности скоплений нефти и газа к строго определенным пластам — коллекторам. Пластовые залежи подразделяются на тектонически, стратиграфически и литологически экранированные и сводовые. Массивные залежи не подчиняются в своей локализации определенным пластам. Они подразделяются на залежи в структурных, рифовых, соляных и эрозионных выступах.

Среди литологически ограниченных залежей намечаются пластовые и шнурковые разновидности.

Месторождения газа и нефти, состоящие из серии залежей, подчиненных единой геологической структуре, различны для складчатых и платформенных условий. В складчатых районах выделяются две группы структур: 1) связанные с антиклиналями, 2) связанные с моноклиналями. В платформенных газо-нефтеносных районах намечаются четыре группы структур: 1) в куполовидных и брахиантиклинальных поднятиях, 2) в эрозионных и рифовых массивах, 3) в гомоклиналях, 4) в синклинальных прогибах.

Газонефтяные бассейны, представляющие собой области крупного и длительного погружения в современной структуре земной коры и заключающие серии газонефтяных месторождений, по их тектоническому положению разделяются на четыре группы. К первой группе газо-нефтеносных бассейнов принадлежит ряд крупных районов: Мичиганский и Иллинойсский бассейны Северной Америки, Мезенско-Камский, Печорский, Урало-Волжский и Днепровско-Донецкий бассейны Русской платформы и некоторые бассейны Северной Америки. Вторая группа охватывает бассейны прогнутых краевых частей платформ. Их примером могут служить Северо-Каспийская впадина, возможно впадина Западно-Сибирской низменности. Третья группа контролируется впадинами древних глыбовых гор. К ним принадлежат бассейны Ферганской и Таджикской впадин в СССР, Джунгарский, Таримский и другие бассейны Китая. Четвертая группа связана с внутренними впадинами молодых альпийских горных сооружений. В нее входят Средне-Каспийский, Южно–Каспийский, Азово-Кубанский, Предкарпатский, Сахалинский Ирано-Аравийский, Паннонский, Трансильванский, Калифорнийский бассейны.

Нефть и газ способны мигрировать из одних пород в другие, поэтому можно лишь определять возраст вмещающих их толщ.