Региональные закономерности развития осадочных бассейнов Северной Африки и генерации в них углеводородов Замиль Мохаммедшариф

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1: Общие сведения о геологическом строений региона 10

1.1. Общие сведения по геологии осадочных комплексов 11

1.2. Структуры осадочных бассейнов 17

Глава 2: Типы, тектонические условия и закономерности развития осадочных бассейнов 32

Выводы к главе 2 .69

Глава 3: Модели развития осадочных бассейнов и степен их корреляции с региональными геолого-геофизическими данными

Выводы к главе 3 96

Глава 4: Региональные закономерности генерации углеводородов в осадочных бассейнах Северной Африки .98

Выводы к главе 4 .112

Заключение 113

Список сокращений 115

• Общие сведения по геологии осадочных комплексов
• Структуры осадочных бассейнов
• Типы, тектонические условия и закономерности развития осадочных бассейнов
• Региональные закономерности генерации углеводородов в осадочных бассейнах Северной Африки

Введение к работе

Актуальность работы

Северная Африка от Марокко на западе до Египта на востоке является
крупной частью докембрийского Африканского мегакратона (материка и его
подводных окраин). Она характеризуется наиболее широким в Африке
распространением осадочных, преимущественно мелководно-морских

отложений палеозоя, мезозоя и кайнозоя и часто рассматривается как СевероАфриканская платформа (САП). Ниже будет показано, что такое определение корректно в полной мере лишь для комплекса палеозойских отложений. По этой причине при определении структур осадочного чехла и образующих его комплексов разного возраста в работе использованы не традиционно «платформенные» термины, как синеклиза, антеклиза, а более нейтральные термины, такие как «осадочные бассейны» и «межбассейновые поднятия», часто употребляемые в нефтегазовой геологии.

При очень высоком уровне изученности осадочных комплексов Северной Африки в связи с их нефтегазоносностью в недостаточной мере были рассмотрена тектоническая природа и условия формирование осадочных бассейнов данного региона. Это обстоятельство было выяснено при подготовке автором магистерской диссертации «Геология и нефтегазовые системы Северной Африки», которая была защищена на кафедре Месторождений полезных ископаемых и их разведки инженерного факультета в 2007 г. Таким образом, данная диссертация является результатом исследования, начатого автором еще во время его базового обучения в РУДН.

Цель работы

Главной целью работы является выявление закономерностей развития, тектонической природы осадочных бассейнов палеозоя, мезозоя и кайнозоя, расположенных на северной окраине Африки, и региональных условий генерации в них углеводородов.

Основные Задачи исследования

Главными задачами исследования являлись:

1. сбор и комплексный анализ обширных геолого-геофизических данных по осадочным бассейнам Северной Африки.

2. типизация по сумме факторов бассейнов палеозоя, мезозоя – кайнозоя.

3. определение скоростей эффективного прогибания бассейнов для сопоставления режимов их развития.

4. определение общей эволюционной направленности в развитии бассейнов.

5. анализ соотношения осадочных бассейнов разных возрастов и тектотипов с латеральными глубинно-плотностными неоднородностями.

6. Обоснование модели развития бассейнов региона в первую очередь палеозойских, удовлетворяющих конкретным геолого-геофизическим данным.

7. выявление пространственно-временных закономерностей генерации углеводородов в бассейнах субрегиона.

Использованные данные

Для комплексного анализа развития осадочных бассейнов Северной Африки были использованы многочисленные геолого-геофизические данные (разрезы по скважинам, структурные схемы и профили и др.), опубликованные в зарубежных, главным образом ведущих издательствах, гравиметрическая, тектоническая и др. карты Африки.

Методика исследований

Методика исследования включала составление:

8. электронной базы данных по строению разрезов бассейнов и межбассейновых структур; по данным буровым скважинам и профильным разрезам.

9. электронных палеоструктурных карт для отложений всех систем палеозоя, мезозоя, и кайнозоя с целью выявления

синседиментационных морфоструктур, тектонотипов и общих

закономерностей эволюции бассейнов.

3. графиков изменения скоростей эффективного прогибания бассейнов в диапазонах систем.

4. региональных профилей соотношения структур осадочных бассейнов со значениями поля силы тяжести, выявление закономерностей этого соотношения для оценки латеральных плотностных неоднородностей фундамента.

5. региональных временных схем генерации углеводородов (УВ) из главных нефтематеринских отложений (НМО) палеозоя с использованием данных нефтегазовой геологии.

Новизна работы

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Впервые составлены палеотектонические схемы развития осадочных бассейнов палеозоя и мезозоя для САП.

2. Впервые конкретизированы различия тектонической природы, показаны главные закономерности развития и геоисторические соотношения осадочных бассейнов палеозоя и мезозоя-палеогена САП.

3. Предложена альтернативная модель развития эпипанафриканских осадочных бассейнов палеозоя САП, являющихся главными продуцентами углеводородов.

4. Составлены региональные схемы пространственно-временной генераций УВ из главных НМО силура и девона.

5. Обоснована зависимость условий генерации УВ в главных бассейнах региона от тектонических режимов и температурных условий их развития.

Практическая ценность работы

1) Выявленная закономерность детерминированно-компенсационного осадконакопления может быть использована для определения алгоритма количественной оценки объемов генерации и скопления УВ в осадочных безрифтовых бассейнах.

2. Предложенная модель развития осадочных бассейнов палеозоя САП, предполагающая их прогибание в результате охлаждение корово-мантийных комплексов, а замедление и прекращение прогибания как следствие температурного разуплотнения последних, может оказаться полезной при моделировании, нефтегазовых систем данного и других районов.

3. Принятый принцип построения пространственно-временных схем генерации УВ из НМО может быть использован при общих характеристиках перспективных малоизученных территории.

Основные защищаемые научные положения

1. Выявлены закономерности развития и проведена типизация осадочных бассейнов САП.

2. Обоснована альтернативная модель развития нефтегазовых эпипанафриканских бассейнов палеозоя САП, удовлетворяющая геолого-геофизическим данным.

3. Показано, что температурные условия и глубины генерации углеводородов из НМО рассматриваемого региона определялись тектоническими режимами развития осадочных бассейнов двух типов: ортократонных палеозоя и син-эпирифтовых мезозоя-кайнозоя.

Структура и объем работы

Общие сведения по геологии осадочных комплексов

В тектонической структуре САП и Присредиземноморской зоны главное значение имеют осадочные бассейны, характеризующиеся наиболее глубоким залеганием докембрийского фундамента (рис. 5). На платформе они выполнены отложениями палеозоя или палеозоя-мезозоя. В Присредиземноморской зоне бассейны заполнены преимущественно отложениями мезозоя - кайнозоя. Бассейны этой зоны характеризуются, отличными от бассейнов платформы морфоструктурными особенностями, отражающими их особую тектоническую природу.

Сугубо палеозойскими являются западные бассейны Тиндуф, Регган, расположенные на эбурнейском фундаменте ЗАК кратона. Комплексы всех бассейнов находящихся в главной, панафриканской части САП, сложены отложениями палеозоя и мезозоя при различных их соотношении в разрезах.

Тектоническая структура палеозойских бассейнов вне зависимости от возраста фундамента была окончательно оформлена в «синварисскую» фазу общего поднятия платформы и деформация ранее накопившихся отложений. В это время было создана деформационная структура межбассейновых поднятий, с некоторых из которых полностью были эродированы отложения палеозоя, в связи, с чем осадки мезозоя перекрыли на них непосредственно докембрийский фундамент. Наиболее Рис. 5. Схема расположения структур главных осадочных бассейнов Северной Африки и Северной Аравии. (составлена по материалам, приведенным на рис. 9)

Ниже в качестве примеров приведены общие характеристики некоторых разновозрастных осадочных бассейнов региона. Бассейн Тиндуф Находится в смеженных районах Алжира и Марокко. На юге он граничит с шитом Регибат, в котором вскрывается эбурнейский фундамент ЗАК. К северу от него расположено поднятие Анти-Атласа, в котором на складчатых комплексах раннего и позднего протерозоя с резко выраженным несогласием залегает волнисто-деформированные отложения верхнего рифя-венда. Последние выступают также в недр инверсионного поднятия Угарта, отделяющего бассейн Тиндуф от эпипанафриканского бассейна Абду-Аллах (рис. 5).

Разрез бассейна Тиндуф включает отложения палеозоя от кембрийских до каменноугольных (визе). В плане он имеет овальную форму, и несколько вытянут в широтном направлении. Его северный борт является более крутым, что определяет асимметричную форму структуры бассейна в поперечном (с – ю) сечении. По сейсмическим данным, в осевой зоне фундамент бассейна залегает на глубинах 8000 – 9000 м (рис. 6) (Askri et al. 1995).

В палеозойском разрезе бассейна отсутствуют отложения перми, а на отложениях палеозоя, главным образом карбона, с резко выраженным структурным несогласием залегают маломощные (200 м) континентальные осадки мела (Boote et al. 1998).

Кембрий представлен кварцевыми песчаниками с пластами гравелитов и конгломератов, имеющими, по данным сейсмостратиграфии, 66 Рис. 6. Продольное строение структуры южных бассейнов Северо-Африканской платформы в том числе, Эпиэбурнейские и Эпипан-африканские. (Craig, 2006). в зоне депоцентра мощность до 1500 м. К северному и южному бортам бассейна их мощность уменьшается, местами вдвое.

В сходном по типу песчаном разрезе ордовика присутствуют пачки аргиллитов и глинистых сланцев. В наиболее глубокой зоне бассейна их мощность достигает 700 м.

В разрезе силура выделены 2 части: нижняя, состоящая из пород аргиллитов (формация Танзуфт) и верхняя, представленная песчаниками с пластами микроконгломератов (формация Акакус или песчаник Акакус). Мощность отложений изменяется от 800 – 1000 м на бортах бассейна до 1500 м в его осевой зоне.

Отложения девона в бассейне Тиндуф достигают мощности более 2200 метров. Нижний девон представлен аргиллитами и песчаниками, содержащими редкие прослои алевролитов и известняков. К среднему девону относятся глинистые отложения, включающие маломощные пласты карбонатных пород, главным образом известняков.

Отложения карбона, завершающие разрез палеозоя в бассейне Тиндуф, достигают максимальной мощности в 2700 метров. Нижний карбон представлен алевролито-песчаниками и аргиллитами, содержащими алевролитовые и известковистые прослои. В верхнем карбоне выделяются две части: нижняя, сложенная морскими песчано-глинистыми и карбонатными отложениями, и верхняя, сложенная континентальными песчаниками, глинами и аргиллитами с прослоями алевролитов.

Структуры осадочных бассейнов

Как это видно из приведенных палеотектонических схем, развитие бассейнов палеозоя с кембрия по карбон происходило при уменьшении их размеров и соответствующем расширении разделявших их поднятий. Именно последние подверглись наиболее существенным «синварисским» деформациям, захватившим частично и сопряженные с ними части бассейнов. Из этого следует, что указанные деформации явились финальной стадией длительного развития синседиментационной тектонической структуры палеозойского комплекса. Вполне очевидно, что последнее предполагает решающее значение в развитии бассейнов палеозоя, глубинных внутрикратонных процессов.

Согласно имеющимся геолого-геофизическом данным, в области современной ВСВ на докембрийском фундаменте залегают чехольные отложения мезозоя и, главным образом, кайнозоя (Dolson et al. 2001) (рис.15). В наиболее северных районах Египта, приближенных к этой впадине, палеозой присутствует с резко сокращенными мощностями отложений кембрия, ордовика, силура и девона (Boote et al. 1998) (рис. 16). Все это указывает, во-первых, на существование в палеозое на месте ВСВ крупного краевого поднятия, отделявшего африканский сегмент северной окраины Гондваны от подвижных систем Палеотетиса, и, во-вторых, на накопление в это время осадочных комплексов платформы в пределах крупного широтного, сужавшегося к востоку, залива древнего океана Палотетиса. Таким образом, если общее погружение Северной Африки в палеозое происходило под влиянием «внешних сил», то формирование структуры платформы и длительное прогибание бассейнов определялось локальными глубинными «факторами». Рис. 15. Геологический профиль через Восточно-Средиземноморскую впадину (Dolson et al., 2001). Рис. 16. Геологический профиль через Северную пустыню Египта (Boote et al., 1998). (Расположение профиля С-Д показано на рис. 15).

Следует отметить, что региональное несогласие между силуром и девоном, выраженное в виде незначительного стратиграфического перерыва указывает на то, что каледонское «событие» в структуре Палеотетиса оказало слабое влияние на прогибание бассейнов, что имело большое позитивное значение для процессов генерации углеводородов.

Для определения тектонической природы бассейнов палеозоя САП большое значение имеет характер соотношения общей структуры осадочного чехла платформы с крупными тектоническими неоднородностями и более частными структурами докембрийского фундамента. Бассейны Тиндуф и Регган, заложившиеся на более древнем, эбурнейском фундаменте, закончили развитие в конце палеозоя. Большинство бассейнов, развивавшиеся на более молодом, панафриканском фундаменте после «синварисской» фазы регионального поднятия, были втянуты в общее прогибание в мезозое. Бассейны Тиндуф и Регган, несмотря на «синварисскую» фазу, сохранили почти полностью свою синседиментационную структуру, тогда как эпипанафриканские бассейны, особенно их бортовые части, подверглись весьма существенной деформации и значительному размыву. Эти различия свидетельствуют об относительно большей длительности, т.е. повышенной активности глубинных бассейнообразующих процессов под более молодым, предкембрийским фундаментом.

Различия в развитии эпиэбурнейских и эпипанафриканских бассейнов проявились не только в разной длительности их развития, но также в интенсивности палеозойского прогибания и условиях осадконакопления перед «синварисским» поднятием региона. В палеозое изолированные бассейны Тиндуф и Регган прогнулись, по разным оценкам, от 6 - 8 км до 10 км (Алиев и др. 1971), тогда как бассейны, развивавшиеся на позднепротерозойском панафриканском фундаменте достигли максимальной глубины на глубину, не превышающую (3-4км.) В эпиэбурнейских бассейнах морское осадконакопление, начавшееся в кембрии, закончилось в намюре, после чего их внутренние части стали заполняться континентальными отложениями позднего карбона (вестфальского и стефанского ярусов). В эпипанафриканских бассейнах в позднем карбоне прогибание бассейнов палеозоя, как и ранее, сопровождалось накоплением морских осадков, причем морская трансгрессия достигла максимума во время накопления отложений московского яруса.

В Алжире хорошо диагностируется влияние на структуры осадочного чехла и его осадочных бассейнов отдельных структурных элементов пан-африканского фундамента. Последний вскрывается на юге страны в нагорье Хоггара. Здесь в тектонической структуре фундамента выделяются три крупные меридионально ориентированные зоны, разделенные древними глубинными разломами. Две крайние, Восточная и Западная так называемые «синклинорные» зоны сложены метаморфитами нижнего протерозоя и вулканогенно-осадочными толщами верхнего протерозоя серии Фаруз, прорванными пан-африканскими сини постскладчатыми гранитами. Центральная «антиклинорная» зона образована метаморфитами архея и нижнего протерозоя, в значительной степени гранулитами (пироксенитовыми гнейсами и сланцами), а также огромными плутонами синтектонических пан-африканских гранитов. Эта зона является наиболее приподнятой в современном рельефе, на её севере расположены центры мелового и четвертичного вулканизма (рис. 17). Разломы, разделяющие указанные зоны пан-африканского фундамента, прослеживаются на север, в пределы осадочного чехла, где фиксируются в отложениях не только палеозоя, более приближенных к нагорью Хоггар, но и в более удаленных от него отложениях мезозоя (рис. 3). Кроме того, Центральной зоне фундамента в области чехла соответствуют поднятия, разделяющие осадочные бассейны.

Показательно, что именно алжирская часть платформы, расположенная к северу от нагорья Хоггар является наиболее приподнятой в современном рельефе равнинной Северной Африки. На территории Ливии в структуре осадочного чехла САП находится одно из наиболее крупных погребенных субмеридиональных поднятий, на котором от «синварисского» размыва уцелели лишь отложения ордовика и кембрия, перекрытые отложениями мезозоя (рис. 3).

Типы, тектонические условия и закономерности развития осадочных бассейнов

Согласно существующим представлениям образование осадочных бассейнов тектонически стабильных областей материков (платформ, кратонов) связано с прогибанием земной коры или в целом литосферы в результате утяжеления глубинных масс при их эклогитизации. Однако в отношении глубин и механизмов таких преобразований, мнения исследователей расходятся. Имеются несколько моделей развития синседиментационных эпикратонных бассейнов платформенного типа. По одним из них прогибание материков и их окраин происходит в результате эклогитизации пород нижней коры под воздействием высокотемпературных флюидов (Артюшков 2010) или погружении коры ниже границы Мохо (т.е. ее вхождении в области высоких РТ условий мантии) при ее изгибании под воздействием стрессовых напряжений (Semprich et al. 2010) (рис. 37). По другой модели прогибание литосферы происходило при охлаждении и эклогитизации базальтов, выплавившихся из рифтообразующих астеносферных плюмов (Ismail-Zadeh et al. 1994) (рис. 38). По четвертой модели, имеющий непосредственное отношение к Северной Африке, развитие бассейнов палеозоя в этом регионе осуществилось при охлаждении и уплотнении верхней мантии под дифференцированно остывавший «ювенильной» пан-африканский корой (Holt et al. 2010). Выделены два типа пан-африканской коры: «ювенильная», сложенная в значительной мере или преимущественно зелено-каменно-измененными вулканогенными комплексами позднего рифея, и «преобразованная», (см. продолжение на

Условные обозначения:1- осадки; 2- верхняя кора; 3- нижняя кора; 4- верхняя мантия; 5- эклогиты Таким образом, можно разделить указанные модели на две группы. По двум первым из них образование эпикратонных бассейнов происходило в результате избирательной эклогитизации (т.е. увеличении плотностных свойств) нижней коры при повешении РТ условий. По двум другим сложенная, исключительно или главным образом глубоко метаморфизованными породами архея и раннего протерозоя, тектонически переработанными и изотопно «омоложенными» в самом конце протерозоя. Рис. 38. Модель после рифтовой эволюции интерконтинентальных систем литосфера- астеносфер (Ismail-Zadeh et al. 1994).

Условные обозначения: a) рифтовая стадия, формирование астеносферного выступа и фильтрация магматического расплава.; b) накопление расплава в верхней части выступа и образование магматической линзы; c) вариант полного опустошения (опорожнения) магматической линзы и прорыва к поверхности ее содержания, что сопровождается интенсивной вулканической активностью, внедрением и кристаллизацией магматического расплава в нижней части коры; d) вариант фазового перехода неопорожненной магматической линзы в эклогитовое тело с последующим его погружением и образованием глубокого осадочного бассейна; е) вариант частичного опорожнения магматической линзы и фазового перехода оставшейся части в эклогит. Это сопровождается умеренной вулканической активностью, относительно слабым прогибанием коры и (см. продолжение на стр. 73) моделям главным процессом бассейнообразования являлась дифференцированная денсификация пород мантии и литосферы в целом при их охлаждении. Согласно модели Е. А. Артюшкова синседиментационное прогибание материковой коры происходит в следствие эклогитизации и утяжеления ее нижнего гранулитового слоя под воздействием на него горячих флюидов, т.е. при повышенном температурном состоянии недр. Однако данные сейсмотомографии и закономерности эпиконтенентального магматизма привели многих исследователей к выводу, что повешение температур в глубинных областях афро-аравии связано с суперплюмом, обусловившим неотектоническое поднятие всего региона (King, Anderson 1995; Ebinger, Sleep 1998; Kendall et. al. 2006). В соответствии с этой идей прогибание в палеозое всей САП и ее главных структур синседиментационных бассейнов должно было происходить в условиях охлаждающейся литосферы, что согласуется с наиболее распространенной точкой зрения о механизмах бассейнообразования (Нolt et al. 2010 и др.). К этому можно добавить, что модель Е. А. Артюшкова была недавно подвергнута критике по причине ее несоответствия результатам петрологических расчетов (Добрецов, Полянский 2010).

Региональные закономерности генерации углеводородов в осадочных бассейнах Северной Африки

Как уже отмечалось, древняя остывшая еще перед поздним протерозоем, эбурнейская кора могла начать палеозойское прогибание лишь за счет мантийных процессов. Свидетельством проявления таковых являются вулканиты венда (риолиты, базальты) серии Варзазат, залегающие в основании осадочного чехла под отложениями кембрия на поднятиях Анти-Атласа, Угарта. Кислые слабодеформированные вулканиты кембрия залегают под палеозоем на востоке Регибатского щита. Вулканиты залегают с резко выраженным угловым несогласием на складчатых породах раннего докембрия, относятся к типу «эпикратонных» и указывают на проявление предкембрийского мантийного магматизма, с которым могло быть связано формирование глубинных магматических резервуаров. Остывание последних по модели Ismail-Zadeh et al. 1994 могло приводить к прогибанию литосферы (мантии и коры) и формированию осадочных бассейнов палеозоя. При такой модели ускоренное развитие этих бассейнов могло явиться следствием суммированного гравитационного эффекта охлаждавшихся предкембрийских глубинных мантийных магматических резервуаров и древней литосферы большой мощности. Именно такие особенности фиксируются для «эбурнейской» области литосферы в настоящей время. О вероятном режиме до палеозойского развития области современной ВСВ и сопряженной к ней материковой зоны можно судить по следующим данным и сопоставлениям.

Для глубоководных депрессий этой впадины свойственна высокоплотностная (Vр 6.4-6.8 км/с), утонённая континентальная кристаллическая кора (до 10 км) т.н. «переходного» типа, в которой заложились рифты триаса-ранней юры. Местами мощность коры возрастает и в ней фиксируются реликты верхней, как считается гранитно-метаморфический коры со скоростью 6,0-6,2 км/с (Netzeband el at. 2006).

Комплексное геолого-геофизическое изучение одного из прибрежных районов Израиля (части зоны Западного Леванта) выявило очень быстрое, на расстоянии нескольких десятков километров изменение структуры и плотностных свойств кристаллической коры от Аравийского щита к Средиземному морю от двуслойной при мощности 36-40 км (нормальной континентальной) к высокоплотностной однослойной переходного (по авторам «псевдоокеанического») типа (Rybakov 1999). Это сопровождается изменениями значений гравитационного поля от – 17 мгал. до +46 мгал. Как было показано выше, в соответствии с данными гравиметрии сходный, но более постепенный коровый переход существует между платформенной Северной Африкой и ВСВ. Эти латеральные изменения коры обусловлены различиями до мезозойского развития Афро-Аравии и области ВСВ. Отсутствие в пределах последнего гранитно-метаморфического слоя материковой коры, явилось результатом его эрозии во время поднятия этой области в течении или в конце палеозоя.

Как ранее отмечено, поднятие крупных территорий Афро-Аравии большинством исследователей этого региона связывается с суперплюмами (Hartly, Allen 1994). Это позволяет полагать, что поднятие в палеозое области, располагавшейся к северу от Африки, также было обусловлено длительным апвеленгом разгоряченных глубинных масс. Последнее должны были препятствовать функционированию механизмов "охлаждения" недр и образованию бассейнов палеозоя. С другой стороны охлаждение этих масс могло обеспечить охлаждение и опускание литосферы и образование в мезозое-кайнозое глубокого (до 14 км) осадочного мегабассейна.

Если по большинству представленных ранее и обосновываемым в работе альтернативным моделям прогибание литосферы и образование осадочных бассейнов происходит на фоне регионального охлаждения избирательной и денсификации коровых или мантийных комплексов, то прекращение этих процессов следует связывать с региональным разогревом недр также в результате поднятия суперплюмов (Ebinger, Sleeb 1988; Hartly, Allen 1994; Behna et al. 2004; Priestley et al. 2008).

Таким образом, приходим к выводу, что развитие осадочных бассейнов, в первую очередь главных палеозойских Северной Африки определялось временными соотношениями процессов уплотнения (при охлаждении) и разуплотнения (при разогреве) комплексов литосферы. В соответствии с последним тезисом резкое сокращении в карбоне размеров бассейнов палеозоя Северной Африки можно рассматривать как проявлении ранних признаков «синварисского» разогревания недр Африки над начавшим подъем суперплюмом. Важно отметить, что именно в этом время на сравнительно небольших глубинах произошла наиболее крупная диссипация углеводородов из главных в регионе НМО силура.

Если процессы палеозойского бассейнообразования на САП протекали на корово-мантийном уровне, то формирование бассейнов мезозоя платформы и мезозоя-кайнозоя ВСМ и переходной зоны между ними определялось сугубо мантийными процессами, предусмотренными моделью (Ismail-Zade et. al. 1994).