Основные задачи исследования
жүктеу/скачать 152.13 Kb.
|
| Введение
5 ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. Поскольку горючие сланцы являются перспективным местным энергетическим сырьём для южных районов Республики Коми, требуется детальное геохимическое исследование состава их органического вещества. Особое внимание необходимо уделить составу сернистых соединений "сланцевой смолы", так как юрские отложения севера Русской плиты характеризуются повышенной сернистостью, влияющей на технологию переработки сланцев. Сернистые компоненты сланцевой смолы являются ценными компонентами при химической переработке горючих сланцев. Несомненно, важным является изучение условий накопления концентрированного органического вещества в осадке и путей его преобразования на стадиях от седиментогенеза до катагенеза. Цель работы заключалась в установлении геохимических условий формирования органического вещества верхнеюрских осадочных пород Сысольского сланценосного района, в выявлении основных процессов, способствовавших накоплению органического вещества пород и в установлении закономерностей изменения состава керогена с изменением содержания органического углерода в породе. Основные задачи исследования: 1. Качественное и количественное определение углеводородного и гетероатомного состава битумоида верхнеюрских осадочных отложений Сысольского сланценосного района методами газовой хроматографии и хромато-масс-спектрометрии при использовании синтезированных стандартов. 2. Применение термодеструктивных методов для исследования структурных составляющих керогена. 3. Изучение роли сероорганических соединений, идентифицируемых в составе продуктов пиролиза керогена, в процессе его образования и преобразования на различных стадиях термической зрелости органического вещества. 4. На основе изучения компонентного состава продуктов пиролиза керогена определить вклад каждой группы структур в формирование структуры геополимера и изучить механизм включения данных структур в состав макромолекулярной матрицы. 5. Сопоставление условий накопления органического вещества низкоуглеродистых и высокоуглеродистых осадочных пород на основе широкого I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 6 комплекса геохимических показателей, относящихся к составу битумоида и структуре керогена. Научная новизна. На основе использования синтезированных стандартов впервые проведена количественная оценка индивидуального углеводородного состава, отдельных классов сероорганических соединений битумоида и продуктов пиролиза керогена верхнеюрских осадочных отложений Сысольского сланценосного района. Выявлено, что повышенная сернистость высокоуглеродистых отложений -горючих сланцев связана с природным осернением наиболее химически активных групп соединений, взаимодействующих с восстановленными формами серы уже на стадиях седиментогенеза и раннего диагенеза. Существование сероводородного заражения бассейна седиментации в период накопления горючих сланцев впервые доказано наличием широкого спектра производных изорениератена, входящих в состав битумоида. Детальное исследование структурных составляющих керогена при использовании различных методов термодеструкции позволило установить наличие двух основных типов включения липидных составляющих в макромолекулярную матрицу — за счет селективного консервирования высокоалифатичного исходного компонента типа алгаенана и осернения исходных липидов. Установлено, что вариации того или иного механизма формирования органического вещества волжских отложений Сысольского сланценосного района приводят к вариациям в содержании органического углерода в породе. Формирование низкоуглеродистых пород протекало преимущественно при сохранении наиболее устойчивых к разрушению полимерных алифатических структур в условиях окислительной среды. Образование органического вещества горючих сланцев связано с доминированием процессов осернения в условиях аноксии. Интенсивное протекание процессов осернения исходного органического вещества приводило в отдельных случаях к эффективному захоронению в осадках столь лабильных структур как углеводы. Практическая значимость работы. Важнейшим результатом проведенных исследований является установление зависимости состава сернистых компонентов продуктов пиролиза керогена от концентрации органического углерода в породе, что позволяет осуществлять прогноз качества продуктов сланцепереработки и управлять выбором оптимального технологического процесса. Кроме того, выполнение данных исследований позволило уточнить существующие представления о процессах I 7 консервации органического веществах в осадке и, таким образом, опосредовано ¦ способствовать повышению эффективности работ по изучению нефтегазоматеринских отложений и геохимическому прогнозу нефтегазоносности. I Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на VIII, IX, X, XI конференциях Института геологии "Структура, вещество, история ¦ литосферы Тимано-Североуральского сегмента" (г. Сыктывкар, 2001-04 гг.), на 11-м съезде Европейского союза геонаук (EUG-11, Страсбург, 2001), на 20-й и 21-й щ международных конгрессах по органической геохимии, проводимых в Нанси (2001 г., _ Франция) и Кракове (2003 г., Польша), на Международном минералогическом ¦ семинаре "Некристаллическое состояние твердого минерального вещества" (г. т Сыктывкар, 2001), на третьей Всероссийской научной конференции "Южные районы республики Коми: геология, минеральные ресурсы, перспективы освоения" (г. ¦ Сыктывкар, 2002), на международной конференции "Углерод: Минералогия, Геохимия, Космохимия" (г. Сыктывкар, 2003), на 14-м Геологическом съезде ¦ Республики Коми (г. Сыктывкар, 2004). Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы. В том числе 4 щ статьи в рецензируемых журналах. Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, ¦ шести глав и заключения. Текстовая часть изложена на 173 страницах, содержит 59 т рисунков и 11 таблиц. Список использованной литературы составляет 159 * наименования. ¦ Фактический материал. Работа выполнена в лаборатории органической геохимии Отдела геологии горючих ископаемых Института геологии Коми НЦ УрО I РАН в период с 2000 по 2005 год. Объектом исследования явились волжские углеродистые отложения Щ Сысольского сланценосного района. Образцы были отобраны из естественных разрезов, выходящих по р. Важью, по р. Сысола в окрестностях населенных пунктов I Иб, Койгородок (республика Коми) и по р. Кобра - пос. Синегорье (Кировская I область). Для настоящего исследования использовались методы газовой хроматографии ¦ (анализ состава н-алканов, изопреноидов) и хромато-масс-спектрометрии (анализ полициклических и ароматических углеводородов, сероорганических соединений), I 8 проводимые в лаборатории органической геохимии Института геологии Коми НЦ УрО РАН. Количественный анализ углеводородов и сероорганических соединений осуществлялся при помощи внутренних стандартов, синтезированных в данной лаборатории. В лаборатории органической геохимии Института геологии Коми НЦ УрО РАН для всех образцов определялось содержание в породах органического углерода и хлороформенного битумоида. Детальный анализ состава битумоидов и керогена был проведен для 18 образцов. Часть образцов (полярные фракции битумоидов и продуктов пиролиза керогена) была подвергнута восстановительному обессериванию на никеле Ренея. Для исследования генерации углеводородных и сероорганических соединений осуществлялся водный пиролиз исходной породы в автоклаве, а также проточный пиролиз керогена в потоке бензола. Основные защищаемые положения: 1. Присутствие производных изорениератена в составе ароматической фракции битумоидов осадочных отложений Сысольского сланценосного района, доказывает, по крайней мере, периодическое возникновение сероводородного заражения, охватывающего фотическую зону бассейна седиментации. При формировании ОВ горючих сланцев аноксические обстановки были более продолжительными, чем при формировании низкоуглеродистых отложений. В последних доминирующими являлись окислительные процессы. 2. Состав сероорганических соединений продуктов пиролиза керогена верхнеюрских отложений Сысольского сланценосного района зависит от содержания органического углерода в породе. Формирование керогена высокоуглеродистых отложений протекает при значительном вкладе сернистых соединений в его структуру. Образование геополимера низкоуглеродистых пород характеризуется низкой степенью осернения органического вещества. 3. Стадийность образования сероорганических соединений, наблюдаемая в процессе термического разрушения керогена горючих сланцев Сысольского сланценосного района, связана с различным типом и числом сульфид(полисульфид)ных связей углеродистых структур в керогене. Наблюдается последовательная генерация изопреноидных тиофенов, н-алкилтиофенов, н-алкибензотиофенов, соединений рядов битиофена и фенилтиофена. 9 Благодарности: Диссертация была выполнена под руководством кандидата геолого-минералогических наук Д.А.Бушнева, которому автор выражает большую благодарность за постоянную поддержку в ходе выполнения работы. Автор весьма признателен за консультации, замечания и полезные советы к.г.-м.н. С.В.Лыюрову. Особая благодарность - сотрудникам лаборатории органической геохимии С.А.Забоевой и Н.А.Приезжевой за помощь в аналитической работе, сотруднику института биологии Коми НЦ УрО РАН А.М.Евстафьевой за проведение элементного анализа керогена, зам. директору Института химии нефти СО РАН доктору химических наук А.К.Головко за возможность проведения проточного пиролиза, к.г.-м.н. А.В.Терентьеву за помощь проведения эксперимента по водному пиролизу. Работа выполнялась при поддержке грантов РФФИ 02-05-65046, 03-05-06261, 05-05-65018, а также гранта «Фонда содействия отечественной науке». I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 10 Глава 1. Общая характеристика сланценосных районов Европейского севера России 1.1. Структура и качество горючих сланцев европейского севера России Запасы верхнеюрских горючих сланцев сосредоточены в четырех крупных сланценосных районах европейского севера России - это Сысольский, Яренгский, Ижемский и Большеземельский районы (рис. 1.1). ¦с СЫКТЫВКАР Сысольский район Поингская площадь Восточная площадь Рис. 1.1. Обзорная карта сланценосных районов Европейского севера России Перспективы сланценосных районов оцениваются по-разному (Горючие сланцы..., 1986). Положительно оцениваются Сысольский и Яренгский. Здесь -удовлетворительное и, даже, относительно высокое качество горючих сланцев, относительно выдержанные по мощности и по простиранию пласты. Удовлетворительные по качеству сланцы известны на Айювинском месторождении Ижемского сланценосного района. Самым малоизученным остается Большеземельский район. Глубина залегания сланцев не позволяет вести их разработку открытым способом. Это делает такой процесс нерентабельным. (Горючие I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 11 сланцы..., 1989). Все достоверно установленные ресурсы горючих сланцев сосредоточены в трех сланценосных районах - Сысольском, Яренгском и Ижемском. В Сысольском сланценосном районе содержится 76,7 % установленных ресурсов горючих сланцев. Значительная часть которых (38 % - с теплотой сгорания свыше 1800 ккал/кг (7,56 МДж/кг)) сосредоточена на Поингской площади. Здесь сланцы возможно добывать открытым способом (Топливно-энергетическая база..., 1990). В Яренгском сланценосном районе сосредоточено 17,8 % ресурсов горючих сланцев, 71,6 %, из них с теплотой сгорания более 1800 ккал/кг (7,56 МДж/кг) находится на Чим-Лоптюгской площади. Здесь сланцы также возможно добывать открытым способом (Топливно-энергетическая база..., 1990). Ижемский сланценосный район содержит 5,5 % от ресурсов горючих сланцев севера России. Из них основная часть ресурсов горючих сланцев (с теплотой сгорания свыше 2000 ккал/кг (8,4 МДж/кг)) сконцентрирована на Айювинском месторождении (Топливно-энергетическая база..., 1990). В табл. 1.1 сведены основные данные, характеризующие качество пластов горючих сланцев (Горючие сланцы..., 1989). Таблица 1.1. Основные характеристические данные горючих сланцев сланценосных районов европейского Севера России Район, участок пласт Мощ- Теплота сгорания Золь- Выход So6iu., % ность, м Ккал/кг Мдж/кг ность, % смолы, % Сысольский район 1-в* 0,5-5,0 1800-1958 7,5-8,2 64-70 7,6-11,4 1,2-3,4 Поингская площадь 1-н 0,5-5,7 1800-1906 7,5-8,0 66-70 6,6-11,8 1,7-3,4 Южная часть 1-в 0,7 1800 7,5 72 10,5 2,5 1-н 1,1-1,6 1800-2340 7,5-9,8 64-77 13,0 3,4 IV 0,9 1800-2326 7,5-9,7 62-77 13,6 3,2 Яренгский район 1-в 0,7-3,2 1806-2020 7,5-8,5 64-76 8,4-11,4 1,9-3,1 Чим-Лоптюгская 1-н 0,9-2,4 1805-4493 7,5-18,8 45-76 9,2-21,8 1,6-5,7 площадь II 0,5-2,1 1815-3616 7,6-15,1 52-77 8,8-17,8 1,1-7,7 Ижемский район I 0,7-3,2 950 4,0 70 5,0 3,0 Айювинское II 0,6-0,9 2500-3000 10,5-12,6 40-50 10,0-15,0 2,5-5,6 месторождение III 0,4-1,4 1700 7,1 64 8,0 3,0 IV 0,7-1,3 1600-2000 6,7-8,4 50-62 5,0-10,0 2,1-5,3 * - нумерация пластов приведена относительно Айювинского месторождения Ижемского сланценосного района (долгое время считавшегося эталонным). I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 12 1.2. Геологическая характеристика Сысольского сланценосного района Мезозойские отложения осадочного чехла Русской плиты, представляющие верхний структурный этаж, образуют на территории Сысольского района несколько крупных по размерам синклинальных и антиклинальных структур (II порядка). Самой крупной структурой района (70 % от общей территории) является синклинальная складка - Сысольская котловина, занимающая всю западную и центральную части Сысольского сланценосного района. Восточнее с. Койгородок располагается синклинальная складка, также являющаяся крупной структурой, называемая Восточной синклиналью. Кобринский структурный вал представляет собой антиклинальное поднятие, разделяющее эти две структуры. По своему строению синклинальные и антиклинальные складки представляют собой асимметричные брахиструктуры. По кровле сысольской свиты Сысольская котловина представляет собой синклиналь, где - выделяются более мелкие структуры (III порядка): Среднесысольская и Кобринская мульды, Лузская брахисинклиналь, Верхнекобринский и Детский купола (рис. 1.2). Сысольская котловина Рис. 1.2. Тектоническое районирование Сысольской котловины (кровля сысольской свиты). Составитель С.В.Лыюров. 1 - границы структур третьего порядка; А-Д - структуры третьего порядка: А - Среднесысольская мульда, Б - Лузская брахисинклиналь, В - Кобринская мульда, Г - Верхнекобринский купол, Д - Детский купол 13 Сысольский сланценосный район входит в состав Вычегодского сланценосного бассейна, представляющего обширную часть Волжско-Печорской сланцевой провинции, простирающейся в меридиональном направлении от Баренцева моря до Каспийского (Горючие сланцы..., 1989, Лыюров, 1996, Бондарь, 1985) (рис.1.1). Данный район располагается в юго-западной части республики Коми и включает в себя Сысольский, Койгородский, Прилузский и частично Сыктывдинский административные районы РК и захватывает часть соседней Кировской области (Синегорское месторождение горючих сланцев) (Горючие сланцы..., 1989). Сысольский сланценосный район располагается на территории Мезенско-Вычегодской синеклизы (или северной части Волго-Уральской антеклизы). В структурном отношении поле горючих сланцев расположено в ее (антеклизы) юго-восточной части, заполненной палеозойскими и мезозойскими образованиями (рис.1.1). Юрские отложения, залегают с размывом на различных горизонтах триаса. На большей части территории они залегают субгоризонтально. Общий структурный план унаследован от такового, сформировавшегося еще в раннем мезозое (Абрамов, 1975). На рассматриваемой территории установлены отложения среднего и верхнего отделов юрской системы, и отложения нижнего мела (Горючие сланцы..., 1989). Площадь распространения юрско-меловых отложений составляет около 40 тыс. км2 (Лыюров, 1996). Среднеюрские континентальные песчаные отложения (еще они известны как сысольская свита), располагаются по окраинным участкам Сысольского сланценосного района. На них обычно залегают морские отложения от келловейских до волжских включительно. Западная часть территории характеризуется значительной протяженностью выходов среднеюрских песчаных отложений на дневную поверхность, достигающих в отдельных частях 10-20 км. На востоке, вдоль Кобринского структурного вала, протяженность достигает 1-1,5 и редко 10-15 км. В южной части Сысольского сланценосного района среднеюрские отложения непосредственно перекрываются только сланценосными верхнеюрскими отложениями, которые выходят на дневную поверхность. Однако, на большей части территории они перекрыты четвертичными и нижнемеловыми отложениями (Чирва и др., 1988). 14 Меловые отложения перекрывают юрские образования, со значительным стратиграфическим перерывом. Как правило, пограничные слои юры и мела хорошо устанавливаются литологически благодаря отсутствию карбонатности в последних и присутствию на контакте желваков фосфоритов. В составе юрских отложений на территории Сысольского сланценосного района установлены отложения среднего и верхнего отделов юрского периода. Среднеюрские отложения По условиям осадконакопления отложения средней юры относятся к континентальной, а верхней юры - к морской формациям. Выходы пород средней юры под четвертичные отложения покрывают Сысольскую котловину (сланценосную площадь) со всех сторон - на западной части территории ширина полосы достигает до 10-20 км, на востоке - вдоль Кобринского структурного вала, от 1,0-1,5 км до 10-12 км. В литологическом отношении разрез песчаной части средней юры представлен толщей разнозернистых кварцевых и кварцево-слюдистых песков, изредка сменяющихся песчанистыми глинами и алевритами с тонкими прослоями песков. По всему разрезу среднеюрского времени в песках и глинах отмечаются многочисленные стяжения пирита и пиритизированной древесины. Перекрываются среднеюрские песчаные породы морскими отложениями келловей-кимериджского возраста. Граница проводится по появлению фауны, прослоев и стяжений известняков, сидеритовых и фосфоритовых конкреций, нехарактерных для средней юры. На юге района, где келловей-кимериджские отложения отсутствуют, среднеюрские породы перекрываются волжскими отложениями. Морские образования юрского периода представлены отложениями келловейского, оксфордского, кимериджского и волжского ярусов. Отложения первых трех ярусов распространены в пределах Сысольского сланценосного района почти повсеместно, лишь на юге фиксируется их отсутствие. В наиболее полном объеме келловей-кимериджские породы присутствуют лишь на крайнем северо-востоке района. Перекрываются келловей-кимериджские отложения повсеместно на всей территории сланценосными отложениями волжского яруса. Келловейскш ярус представлен преимущественно темно-серыми песчано-алевритистыми слюдистыми глинами с маломощными линзами мергелей, с морской фауной. По всему разрезу фиксируются конкреции сидерита и пирита, иногда 15 встречаются конкреции фосфорита. Происхождение фосфоритов объясняется разрушением значительного числа организмов в прибрежной, шельфовой полосе моря. Согласно Хэллему концентрация фосфоритовых конкреций обусловлена в первую очередь медленным осадконакоплением в умеренно мелководных морских условиях (Хэллем, 1978). Верхнеюрские отложения Отложения оксфордского яруса, представлены лишь верхним подъярусом. Породы оксфордского яруса и отложения кимериджского яруса развиты только на севере района. Оксфордские отложения представлены глинами от серых с зеленоватым оттенком до ярко-зеленых с желтоватым оттенком. Глины песчано-алевритистые, карбонатные с прослоями мергелей и глауконитового песка. По всему разрезу распространены мелкокристаллический пирит и желваки фосфоритов. В глинах отмечается обилие белемнитов. Кимериджские отложения представлены глинами серыми, темно-серыми слюдисто-алевритисто-карбонатными с рассеянным раковинным детритом и частым присутствием фосфоритовых конкреций (Лыюров, 1996). Волжский ярус. Стратиграфические границы между породами келловей-кимериджского возраста и волжского яруса устанавливается по смене фаунистических комплексов и появлению прослоев горючих сланцев. В пределах данной территории отложения волжского яруса распространены практически повсеместно и отсутствуют лишь на некоторых участках центральной и северозападной частях Сысольской котловины (Лыюров, 1996) (рис. 1.3). Волжские отложения в пределах Сысольского района трансгрессивно залегают на породах широкого стратиграфического диапазона - от средней юры до кимериджского яруса включительно. На юге данной территории они залегают на среднеюрских отложениях. Мощность волжских отложений изменчива и достигает 29,8 м, причем она достигает наибольших значений на северо-востоке Сысольской котловины (Поингская площадь). I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I Рис. 1.З. Геологическая карта Сысольского сланценосного района. 1-5 -отложения: 1 - нижнемеловые, 2 - волжского яруса, 3 - келловейского-кимериджского ярусов, 4 - среденюрские, 5 - нижнетриасовые, 6А - поисковые скважины на горючие сланцы, 6Б - обнажения (Горючие сланцы..., 1986). I ¦ По мере движения в южном направлении мощность уменьшается до 6-8 м. ¦ Перекрываются отложения волжского яруса нижнемеловыми породами, которые залегают на них с большим стратиграфическим перерывом и некоторым угловым I несогласием. На всей территории Сысольской сланценосной площади отложения волжского яруса представлены средним подъярусом. Стратиграфический раздел ¦ яруса, определенный на основании аммонитов, представлен на большей части территории отложениями зоны Dorsoplanites panderi. Более высокие горизонты Щ разреза, относимые к зоне Dorsoplanites maximus, встречены лишь на северо-востоке _ площади. Условно к нижней зоне относится собственно сланценосная толща, а к ¦ верхней - вышележащие глины (Горючие сланцы..., 1989). ¦ Согласно литологическому описанию самая нижняя часть разреза зоны Dorsoplanites panderi представлена известковистыми глинами, переходящими в I мергели и прослои известняков, и тонкими пропластками известковистых горючих сланцев, общая мощность которых колеблется в пределах от 1,5 до 4,2 м. Данная ¦ пачка получила название "сероцветной". Выше залегает мощный пласт горючих сланцев (общей мощностью от 5,6 до 10,4 м), представленный частым чередованием Щ слоев сланцев и высокоуглеродистых глин, получившей название "темноцветной _ пачки". Указанные прослои сланцев являются также известковистыми, но с менее ¦ высоким содержанием СаСОз по сравнению со сланцами нижней пачки. Покрывает ¦ мощный пласт горючих сланцев пачка известковистых глин мощностью 1,5 — 2,0 м. Выше залегает мощная толща (140-160 м) нижнемеловых - четвертичных отложений. I Палеогеография. Уже в конце нижнего триаса территория Мезенско- Вычегодской синеклизы начала испытывать воздымание и подвергаться размыву, ¦ поэтому осадочные отложения среднего и верхнего триаса там отсутствуют (Абрамов, 1975). В юрском периоде начинается новый этап в развитии территории — Щ меняется конфигурация суши, контрастнее становится ее рельеф, часто происходят _ трансгрессии и регрессии, становятся более интенсивными движения в районах ¦ проявления складчатости, возрастают площади морей. Увеличение скоростей ¦ погружения акватериальной части синеклизы подтверждается значительной мощностью накопившихся осадков (Палеогеография ..., 1975). I Вплоть до байосского века среднеюрского периода основная часть Русской платформы представляла холмистую денудационную равнину, где накопление I Список литературы жүктеу/скачать 152.13 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|