рис. 4.6
Вдавленные синклинали
представляют собой грязевулканическую структуру второго порядка, обычно
осложняющую присводовую часть антиклинали; здесь по разломам, ограничивающим
жерло вулкана, осуществляется опускание части грязевулканической постройки, в
которой чередуются сопочные брекчии и нормальные осадочные отложения. Такие
провалы особенно типичны для грязевых вулканов и складок Керченского
полуострова, хотя встречаются также в пределах Западно-Кубанского прогиба и в
ряде других грязевулканических провинций Мира.
Еще в позапрошлом веке
Н.А.Головкинский предположил, что такие вторичные опускания участков структуры
связаны с извержением большой массы грязебрекчий и соответствующей убылью
объемов пород на глубине. В настоящее время после работ К.А.Прокопова,
Г.А.Лычагина, а также Е.Ф.Шнюкова принято считать, что грязевой вулканизм обеспечивает
избыток массы грязебрекчий на поверхности и дефицит ее на глубине; вследствие
создавшейся ситуации начинается формирование кольцевых разломов и грабенов,
вовлекающих в процесс опускания фрагменты нормально залегающих осадочных
отложений, грязебрекчий и оползни.
Очень близки к вдавленным
синклиналям грязевые вулканы острова Челекен (Западный Порсугель, Розовый
Порсугель), а также Куринской впадины (озера севернее вулкана Дуздаг) и
Керченского полуострова (озеро Чокрак).
Обычно это крупные и
округлые впадины диаметром в 200-300 м и более, расположенные на относительно
ровной поверхности и окруженные кольцевыми разломами. По разломам отдельные
блоки пород опущены сверху вниз. Центральные части впадин заняты водой, которая
местами пузырится от поступающих снизу газов (рис. 5.6).
Описанные выше типы
грязевых вулканов одновременно можно рассматривать как разные стадии единого
процесса, поскольку нередко в. результате очередного грязевулканического
извержения на месте крупной грязевулканической постройки может образоваться
озеро, а вместо крупного озера - возникнуть новый конус грязевулканической
постройки.
Не останавливаясь на
многочисленных примерах подобных метаморфоз, следует подчеркнуть, что
предложенная морфогенетическая типизация грязевых вулканов позволяет считать,
что в целом грязевулканические процессы реализуются не только при избытке
давлений в недрах, но и при их дефиците Этот вывод существенно ограничивает
представления о механизме формирования грязевых вулканов и заставляет серьезно
задуматься о расположении, строении, состоянии и преобразованиях
грязевулканического очага, питающего вулкан.
*Кольматацией принято
называть пробку, возникающую в трубах в результате выпадения в осадок
компонентов из циркулирующих по трубам растворов.
О корнях грязевых вулканов
Систему вертикальных и
наклонных каналов, по которым на поверхность поступает масса грязебрекчий
разной консистенции, воды, жидких и газообразных углеводородов, газов и др.
компонентов в геологической литературе принято называть корнями грязевых
вулканов. Глубины, на которые проникают корни, определялись несколькими
независимыми методами.
С помощью сейсмического
профилирования глубина проникновения корней грязевых вулканов была установлена
в западной Туркмении и в Южно-Каспийской впадине. В первом районе, по данным
А.М.Сунгурова, она оказалась равной 5 - 7 км, во втором Л.С.Кулакова и
Л.Н.Лебедев обнаружили их на глубине 9 км. Так как мощность осадочного чехла и
в том и в другом случае колеблется от 14 до 20 км можно определенно утверждать,
что корневая система вулканов не выходит за пределы стратисферы - осадочной и
вулканогенно-осадочной оболочки Земли.
Косвенные, но очень
интересные данные о генезисе грязевых вулканов можно получить путем
исследования состава газов, участвующих в процессах извержений или поступающих
на поверхность в результате сальзово-грифонной деятельности. Результаты
многочисленных анализов газов вулканов Кавказа, Туркмении и острова Сахалин
позволяют заключить, что как правило в них преобладает метан; количество азота
и тяжелых углеводородных газов очень невелико, а инертные аргон, ксенон и
криптон присутствуют лишь в долях процента.
Только в некоторых
вулканах Керченского региона и о-ва Сахалин, наряду с метаном,получает
распространение углекислота.
В отличие от грязевых вулканов
истинные или магматогенные вулканы практически не выделяют метан. В их газовой
фазе обычно накапливаются хлориды, углекислота, азот, сероводород, сернистый
газ и даже фториды, однако метан, как правило, отсутствует.
В последнее время
геохимические исследования газовой фазы грязевых вулканов были усилены
изотопическими исследованиями гелия. В работах А.А.Якубова и др., а также
В.Ю.Лаврушина и др. было установлено отсутствие в природных газах мантийного
гелия, что по мнению авторов однозначно указывает на коровый источник всех
газовых составляющих, включая углеводороды.
В целом, очевидно, что
состав газов в изобилии поставляемых грязевыми вулканами как во время
извержений, так и в сальзово-грифоновую стадию позволяет считать их генетически
связанными с осадочными толщами грязевулканических провинций.
Оценку расположения
корней грязевых вулканов многие исследователи пробовали установить по
стратиграфической привязке твердых выбросов, в том или ином количестве, всегда
присутствующих среди грязебрекчий. В этом случае предполагалось, что возраст
самых древних включений должен соответствовать максимальной глубине
проникновения корней вулканов в осадочный чехол.
Если следовать чисто
формальным построениям, то по материалам А.Н.Шарданова, В.Т.Малышека, В.П.Пекло,
Е.Ф.Шнюкова, П.И.Науменко, Ю.С.Лебедева, А,А.Якубова, А.А.Ализаде,
М.М.Зейналова, Б.В.Григорьянца, А.А.Алиева и др. геологов можно думать, что
корни грязевых вулканов Керченского полуострова не опускаются глубже миоценовых
отложений, а корни вулканов Тамани и Западно-Кубанской впадины, по--видимому,
прослеживаются в эоцен-палеоценовых толщах и даже в мелу.
Обратная картина
наблюдается в положении очагов грязевых вулканов Апшерона, Кобыстана и
Южно-Каспийской впадины. Корни большинства грязевых вулканов Азербайджана
связаны с меловыми и палеоген-миоценовыми отложениями. Однако по направлению к
центру Южно-Каспийской впадины они переходят в более молодые
плиоцен-четвертичные отложения.
В этой условной схеме
большие сомнения вызывает меловой возраст наиболее глубоко проникающих корней
вулканов. Дело заключается в том, что во многих районах юго-восточного и
северо-западного Предкавказья в палеогеновых отложениях широко развиты
олистостромовые горизонты, в которых глины содержат глыбы и обломки меловых
пород; одни исследователи рассматривают их как палеогеновые фации береговых
обвалов и оползней, другие - как тектонические брекчии или "горизонты с
включениями".
Каков бы ни был механизм
образования олистостромовых горизонтов, ясно одно: в них широко распространены
обломки меловых известняков, поступивших сюда в более позднее время, когда
меловые карбонатные формации уже сформировались. Захваченные в момент
извержения грязевого вулкана и вынесенные на поверхность они заставляют сильно
"удревнять" привязку корней вулканов.
Все сказанное позволяет
предполагать, что корни грязевых вулканов Азербайджана, а также Тамани и
Западно-Кубанской впадины не опускаются ниже глинистых отложений Майкопа. Что
же касается Южно-Каспийской впадины, то здесь они, по-видимому, оказываются
связанными с глинистыми плиоцен-четвертичными толщами.
В целом, данные по
привязке твердых включений грязебрекчий к стратиграфической шкале региона
хорошо согласуются с материалами геофизики и геохимии, рассмотренными в начале
этого раздела.
Строение и механизм образования
грязевулканических очагов
Как это было показано
выше, скопления грязевых вулканов тяготеют к нефтегазоносным впадинам
альпийской зоны складчатости, в которых накапливаются терригенно-глинистые
осадочные отложения и формируются мощные толщи глин со сверхвысокими пластовыми
давлениями флюидов (СВПД). Грязевулканйческие провинции Крымо-Кавказского и
Кавказско-Каспийского регионов не являются в этом отношении исключением.
Действительно, в районе
Керченского полуострова мощность майкопских глин достигает 1500 м, в
Прикаспийско-Кубанской области майкопские и подстилающие их коунские глины
имеют мощность в 2000 м, на Апшероне - 1600 м, а в Шемахино-Кобыстанском районе
- более 2000 м. Для всех этих районов особенно типичны огромные СВПД.
Нам представляется, что
избыточные давления флюидов в мощных толщах глин формируются главным образом за
счет фазового преобразования глинистых минералов в области высоких температур
(и давлений) и, в первую очередь, за счет иллитизации смектита.
|
рис. 5
|
В схеме этот процесс
можно представить себе так, как он изображен на рис. 5. В верхней части рисунка
приведен макет образования зоны разуплотнения и сверхвысоких поровых давлений
(СВПД) в глинах. Здесь мощный пласт преимущественно смектитовой глины
опускается в глубь осадочно-породного элизионного бассейна, последовательно
занимая положение А, Б, В и Г по отношению к той зоне критических температур и
давлений, ниже которой смектитовая фаза существовать не может.
В микромасштабе процесс,
что реализуется в глинах при фазовых превращениях глинистых минералов,
изображен в левой части графика. Здесь показано, как блоки смектитовой глины
(1,2,3,4) при погружении превращаются в иллитовые (1,2,3,4), уменьшаясь в
объеме и выделяя кристаллизационную воду в зоне критических температур и
давлений. В результате этого процесса, вблизи от границы иллитизации
закладывается зона разуплотнения глин - пласт, в котором иллитовые блоки
взвешены в выделившейся, кристаллизационной воде.
Глубже новообразованные
блоки иллита сближаются между собой под действием возросшего геостатического
давления и вся поровая вода отжимается вверх, в зону разуплотнения. В
результате иллитовая глина уплотняется, а над ней возрастает поровое давление
жидкости - в зоне разуплотнения глин образуется область СВПД.
Мощность зоны
разуплотнения глин и величина пластовых давлений в ней в значительной степени
зависят от мощности преобразуемой глинистой толщи и от ее положения по
отношению к границе критических температур и давлений. Изначально зона
разуплотнения и СВПД сравнительно невелика. Но по мере того, как опускающаяся в
глубь стратисферы глинистая толща все больше охватывается иллитизацией, область
разуплотнения становится все мощнее, а СВПД - возрастают.
Процесс по сути своей в
какой-то степени напоминает "зонную плавку", предложенную
А.П.Виноградовым и А.А.Ярошевским для объяснения. происхождения значительных
масс гранитной магмы, выплавляющейся из мантии.
Изучение
структурно-геохимических глин позволяет предположить, что мощность зоны
разуплотнения может достигать 400-500 м и более [7].
В реальных условиях
элизионных систем предложенная нами идеализированная схема фазовых превращений
глинистых минералов существенно усложняется [8]:
I. Количество смектита в
трансформирующихся глинах не обязательно должно резко преобладать над всеми
остальными глинистыми минералами; расчеты показывают, что при исходном
содержании 25-30 % смектита иллитизация 1 м3 глины сопровождается
выделением 17-20 кг Н20+. Нетрудно понять, что глинистые толщи
мощностью в 1.5-2.0 км могут создать весьма значительную зону обводнения в
осадочном чехле.
3. Формирование подземных
глинистых плывунов резко увеличивает проницаемость отдельных участков глинистой
толщи и стимулирует усиление реакций термолиза и термокатализа рассеянного
органического вещества, гидролиза карбонатов и растворения силикатного - всех
тех процессов, что происходят в главную фазу нефте- и газообразования.
4. Пластовое давление в
грязевулканическом очаге растет за счет поступающего в него газа и нефтяных
углеводородов; осуществляется интенсивная интеграция парциальных давлений и
относительная гомогенизация всех составляющих, включенных в систему. В зонах
разуплотнения образуются не воды, а сложные по составу газоводные флюиды.
5. В зоне разуплотнения
глин протекает интенсивное упорядочение ориентировки частиц глинистых (и
терригенных) минералов и перераспределение химических элементов, меняющих свои
формы нахождения.
Здесь рождаются новые
ассоциации аутигенных минералов, отражающие особенности новой физико-химической
среды.
В ходе погружения
глинистых толщ в глубь осадочного бассейна и иллитизации смектита рост поровых
давлений прекращается тогда, когда в область СВПД попадает разлом, вертикальная
зона трещиноватости или песчаный пласт-коллектор. Тогда поровые флюиды,
накопленные в зоне разуплотнения, устремляются в поровые пространства песков
или уходят по плоскости разломов, а поровые давления в глинах падают до обычных
для данных глубин.
При существенной разнице
поровых давлении в глинах и коллекторах могут, по-видимому, возникать коллизии,
существенно меняющие текстуру и характер залегания не только глин, но и других
осадочных пород в разрезе. В нижней части рис. 5 приведена схема,
характеризующая предположительный механизм формирования кластических даек и
горизонтов с включениями; на ней чередование песков и смектитовых глин
опускается в зону иллитизации, последовательно занимая положение А, Б, В и Г.
Очевидно, что когда пласт
песка I входит в область разуплотнения и СВПД, он превращается в плывун,
пластичность песчаника и глины выравнивается, и они оба деформируются как
весьма пластичные и сходные образования.
Иногда перепад поровых
давлений в глинах и песчаниках настолько велик, что их соприкосновение приводит
к более ярким гидроразрывам; под огромным давлением разжиженный песок
инъецируется в трещины, заполняет их и после декомпрессии цементируется
компонентами, растворенными в пульпе.
Именно так формируются
песчаные дайки, горизонты с включениями, диапировые апофизы и др. консеквентные
тела, описанные нами в ряде предшествующих работ. Они нередко ассоциируются
именно с грязевыми вулканами и это приводит к мысли, что в очаг подобных
образований помимо разжиженных флюидами глин могут входить также разжиженные
пески-плывуны. Их проявления особенно типичны для грязевых вулканов Туркмении,
где грязебрекчии часто содержат тела песчаников самой причудливой формы.
Такям образом, очаг грязевого
вулкана представляет собой тело, сложенное глинами, реже - песками, часто
содержащими большое количество твердых обломков вмещающих пород и разжиженных
гомогенизированными газоводными флюидами (вода, нефть, газы разного состава);
оно формируется на больших глубинах за счет саморазвития элизионных систем и
может при благоприятных обстоятельствах "питать" корни
грязевулканических построек.
Потенциальные возможности
таких грязевулканических очагов хорошо раскрываются при исследовании аварий
нефтяных скважин.
Первый очень
распространенный случай описан А.Г.Дурмишьяном и Н.Ю. Халиловым в связи со
сверхвысокими пластовыми давлениямн в структурах Бакинского архипелага. Здесь
при бурении ряда скважин наблюдался прихват инструмента, сужение ствола
скважины, выбросы труб и выпирание глинистой массы на поверхность. Так,
например, бурение скв. 42 на грязевом вулкане Дашгиль завершилось тем. что из
забоя была выброшена вся колонна бурильных труб длиной в 2500 м, которая силой
выброса оказалась кольцеообразно уложенной вокруг буровой вышки. Значительно
чаще из забоя скважины бурильный инструмент вытеснялся пластичной глинистой
массой, напоминавшей грязебрекчии, а затем эти скопления грязи выдавливались из
ствола наподобие диапира.
Другой случай
ассоциируется с появлением так называемых "буйных скважин", широко
распространенных в США (штаты Техас и Луизиана), а также в Бакинском районе.
Аварии в этом случае сопровождаются внезапным выделением большого количества
воды и газа, провалом буровой и образованием округлых воронок диаметром 200-250
м. В течение длительного времени после аварии (8-10 лет) вода вы-носит на.
поверхность огромное количество глинистого материала.
Различия между этими
двумя крайними случаями заключаются в составе и строении самого
грязевулканического очага, а также в условиях его вскрытия скважинами. В первом
случае грязевулканический очаг реагирует на введение забоя скважины как единое
тело, стремящееся занять больший объем, а во втором - из него удаляется вода и
газ, падает давление, образуется свободное пространство в недрах, которое
отражается у устья скважины формированием кальдеры обрушения и проседанием
пластов.
Можно думать, что эти два
разных случая вскрытия очага грязевого вулкана скважинами до некоторой степени
аналогичны формированию крайних морфогенетических типов грязевых вулканов в
предложенной нами типизации. Первый случай сходен с образованием группы
диапировых вулканов и вулканов с мощными грязевулканическими постройками, а
второй - с "вдавленными синклиналями" и порсугелями, всегда близкими
по форме к кальдерам обрушения.
Очевидно, что аналогия в
поведении буровых скважин и грязевых вулканов косвенно подтверждает наши
представления об условиях и механизме формирования грязевулканических очагов.
С геологической точки
зрения очаги грязевулканической деятельности можно рассматривать как
разжиженные и линзовидные слои-волноводы, залегающие примерно в соответствии с
напластованием слоев, но местами пересекающие стратиграфические границы. В тех
местах, где они пересекаются системой трещин и разломов в них образуются
консеквентные ответвления - собственно корни грязевых вулканов. Выше эти
образования (ответвления) сменяются жерловыми грязебрекчиями, а уже на
поверхности - полями кратерных и сопочных грязебрекчий, нередко формирующими
вулканические постройки,
Динамика развития грязевого вулкана
В развитии подавляющего
большинства грязевых вулканов можно отчетливо различить три стадии: 1) стадию
формирования грязевулканического очага, обусловленную особенностями развития
элизионной системы; 2) стадию извержения грязевого вулкана, в значительной
степени отражающую состав и условия залегания грязевулканического очага; 3)
стадию пассивной грифонно-сальзовой деятельности, видоизменяющую последствия
извержения грязевого вулкана и подготавливающую следующее его извержение.
Первая стадия протекает
на фоне аккумуляции терригенно-глинистых отложений, углубления впадин и
поступления флюидогенерирующих глин в области повышенных температур и давлении.
При этом первичные свойства захороняемых глин предопределяют те соотношения
компонентов во флюидах грязевулканического очага, которые играют большую роль в
определении типа извержения и даже морфогенетического типа грязевого вулкана; в
этом отношении грязевой вулканизм очень похож на лавовый. в котором, как
известно, кислотность - щелочность магмы и коэффициент эксплозивности
предопределяют особенности извержения и характер вулканической постройки.
Очень большое значение в
деятельности грязевых вулканов играет величина суммарного СВПД, возникающего в
очаге. Оно, так же как и компонентный состав фдюидов в значительной степени
зависит от первичных, палеогеографических, седиментационно-диагенетических,
фациальных и тектонических условий залегания глинистых пород, слагающих
элизионные системы.
В целом, формирование
грязевулканического очага направлено в сторону интеграции и гомогенизации
твердых, жидких и газообразных компонентов и в условиях закрытой
физико-химической системы создает отличную от вмещающих отложений потенциально
активную и подвижную среду слоя-волновода.
Вторая стадия развития
грязевого вулкана начинается с вскрытия грязевулканическою очага системой
разломов и трещин, что связывает переход закрытой физико-химической системы в
открытую. Этот процесс сопровождается фазовой дифференциацией вещества и
одновременным движением масс от очага к дневной поверхности.
Главным фактором,
регулирующим извержение, является падение давления, связанное с перемещением
грязевулканической массы по каналу от очага к дневной поверхности. Снижение
давления очень интенсивно воздействует на пластичность разжиженных глин; как
известно. уменьшение его превращает полужидкую массу в плотное глинистое тело.
Очень большую роль во
время извержения вулкана играет потеря га-зовой составляющей; она меняет
свойства остаточного раствора и неред-ко приводит к образованию аутигенных
минералов, кольматирующих канал вулкана. Так, например, потеря газообразного
СОо вблизи от дневной поверхности смещает карбонатные равновесия в сторону
выпадения твердой фазы карбонатов. Последние цементируют до этого подвижные
пески-плывуны и образуется пробка-кольматация, перекрывающая грязевулканический
канал. Многократное повторение осаждения карбонатов и про-давливание сквозь
сформировавшуюся песчано-карбонатную пробку газо-водных песчаных плывунов может
создать целую систему карбонатных песчаных труб, известных под наименованием
"шайтанские сады" (Западная Туркмения).
Потеря метана
способствует концентрации тяжелых углеводородов и формированию кировых и
асфальтовых образований цементирующих пески.
Очень большое значение
при извержении грязевого вулкана имеет поведение трудносжимаемой воды. Ее
резкое выделение из грязебрекчий и уход по каналу вулкана к поверхности может
вызвать эффект "бешеной скважины", способствовать образованию
дефицита массы на глубине и возникновению кальдеры проседания вокруг кратера
вулкана.
В некоторых случаях
запечатывание каналов вулкана происходит чисто механическим путем, так .как в
них могут застрять глыбы и об-ломки твердых пород, захваченных грязевым потоком
из вмещающих по-род; их размеры иногда достигают 5- 10 м3.
Очень часто кратер
вулкана забивается грязебрекчиями, объемы которых необычайно велики. По
подсчетам А.А.Якубова и А,Д.Алиева масса грязебрекчий выброшенных на дневную
поверхность в результате деятельности 220 вулканов Азербайджана составила
I00-II0 млн м3.
Как бы то ни было, но
процесс извержения грязевого вулкана, в целом, направлен на разделение
компонентов, интегрированных в грязе-вулканическом очаге. Он вызывает
существенное падение СВПД в области питания системы, завершается запечатыванием
ранее активно действую-щего канала и переходом к следующему, относительно
спокойному этану развития.
Третий.
сальзово-грифонный этап развития грязевого вулкана с одной стороны можно
рассматривать как завершение извержения, а с другой - как подготовку следующего
катаклизма. В этот период на глубине, в области очага вулкана, регенерируется
СВПД, поскольку развивающиеся элизионные процессы в условиях замкнутой
физико-химической системы способны восстанавливать свои исходные параметры (Р.Т
).
Одновременно уменьшается
проницаемость той пробки, что запеча-тывает грязевулканический канал.
Следует подчеркнуть, что
грязебрекчий, перекрывающие каналы вулкана и формирующие кратерную площадку
редко представляют собой полностью непроницаемую систему; в них часто
обнаруживаются трещины, зоны повышенной проницаемости и каналы, по которым в
первую очередь двигаются и разгружаются газы. В истории многих грязевых
вулканов известны длительные периоды существования огненных факелов, которые в
течение значительного отрезка времени, уже после завершения активных
извержений, украшали кратерные площадки. Они несомненно представляют собой
результат миграции газообразных углеводородов, сгорающих при выходе на дневную
поверхность.
По следам мигрирующих
газов в сальзово-грифонный этап развития грязевых вулканов устремляются воды.
Они выносят из запечатывающих эруптивный канал вулкана грязебрекчий большое
количество тонкого глинистого материала, расширяя и совершенствуя пути
разгрузки. В то же время они захватывают, частично растворяя в себе, такое
большое количество глинистого материала, что превращаются в настоящий глинистый
раствор искусственно создаваемый нефтяниками для нужд бурения.
В целом
сальзово-грифонные воды грязевых вулканов по составу очень похожи на пластовые
воды нефтяных и газовых месторождений региона. Любопытно также, что в пределах
одного и того же кратерного поля каждая сальза выносит воды разного класса и
типа.
Таким образом, период
усиленной сальзово-грифонной деятельности нарушает монолитность
грязевулкавических скоплений запечатывающих кратер грязевого вулкана, делает их
рыхлыми, пронизанными многочисленными вертикальными каналами и полостями. В
результате эта разрыхленная масса грязебрекчий оказывается не в состоянии
противостоять давлению грязевулканического очага и при первом же землетрясении,
сейсмическом толчке, тектонической подвижке или другом нарушении равновесия
вовлекается в новое извержение.
Список литературы
Для подготовки данной
работы были использованы материалы с сайта http://geo.web.ru/
Похожие работы на - О природе грязевых вулканов
|