Трековое датирование детритового апатита из осадочных пород — это новый метод, позволяющий реконструировать термальную эволюцию бассейна. Треки в апатите устойчивы лишь при относительно низких температурах, а при увеличении температуры они начинают “ отжигаться” вплоть до полного исчезновения. Процесс исчезновения треков, называемый отжигом, является главным аспектом, позволяющим считать апатит естественным геотермометром.
Отжиг треков происходит в интервале температур, который называют зоной отжига. Нижний температурный предел зоны отжига, до которого устойчивы 100% треков, соответствует приблизительно 70° С, а верхний предел, выше которого треки не устойчивы, — 125° С (при нагреве в течение около 10 млн лет). Этот температурный интервал (~70°- 125°С) очень близок к температурному интервалу, в котором происходит наиболее интенсивное образование жидких углеводородов. Соотношение зоны отжига в апатите с главной зоной нефтеобразования показано на рис. 1.
Главная цель данной статьи познакомить российских ученых с основными принципами трекового метода, бурно развивающего в западных странах и широко применяемого при прогнозе нефтегазоносности осадочных бассейнов.
Рис. 1 Зависимость устойчивости трековой системы в апатите (зона частичного отжига) и интенсивности нефтегазообразования от температуры (с изменениями [4, 5, 6, 7].
1. Трековое датирование
В начале 60-х годов американскими исследователями был предложен новый метод определения возраста минералов, основанный на подсчете плотности треков осколков спонтанного деления ядер урана (238U), накапливающихся в минерале в ходе геологической истории [8, 9, 10]. На сегодняшний день, трековое датирование – это стандартный метод геохронологии и геотермических исследований. В зернах апатита – минерала, который широко распространен в осадочных породах, — происходит спонтанное деление атомов урана, при котором формируются частицы, обладающие высокой энергией. При прохождении через твердое вещество эти частицы оставляют нарушения на атомном уровне, ориентированные вдоль траектории их движения. Эти линейные нарушения называются треками (рис. 2).
Рис. 2 Три стадии формирования трека при спонтанном делении U238 [9].
Образовавшиеся треки спонтанного деления можно наблюдать лишь при помощи электронного микроскопа, но если кристалл поместить в агрессивный химический реагент, то в первую очередь начнут растворяться зоны дефектов. Таким образом, размер треков увеличивается путем химического травления, и они становятся видны в оптический микроскоп (рис. 3).
Рис. 3 Кристалл природного апатита с треками спонтанного распада. Возраст остывания данного кристалла 60–70 млн. лет. (Фотография Дж.И.Гарвера.)
Накопление треков в минерале с течением времени — процесс, аналогичный накоплению тех или иных изотопов в результате радиоактивного распада. Количество треков пропорционально времени, формирование треков в апатите начинается при температуре ниже 125° С. Ниже этой блокирующих или замыкающей температуры в кристалле “ работают трековые часы”, плотность треков увеличивается с течением времени, а их длина остается постоянной около 16 микрон.
В дальнейшем, плотность и длина треков зависит от температуры, если температура повышается, то в кристаллах начинается отжиг (исчезновение) треков и, как следствие, “ омоложение” возраста (кажущийся возраст). Температурный интервал зоны отжига в апатитах очень близок к главной зоне нефтеобразования (рис. 1). Таким образом, трековое датирование позволяет проследить термальную историю единичного минерального зерна, горной породы и осадочного бассейна в целом.
2. Региональные примеры успешного применения трекового датирования
Трековое датирование использовалось в различных регионах мира – нефтяной бассейн Теджон (Калифорния, США) [11, 12], бассейн Таранаки (Новая Зеландия) [13], пояс Айдахо – Вайоминг (США) [14], Западно-Канадский осадочный бассейн (Канада) [15, 6], Северное море (Норвегия) [16], где решение вопросов о тектонической и термальной истории методом трекового датирования помогло сократить расходы при поисках месторождении нефти.
Наиболее классическими примерами успешного применения трекового датирования для прогноза нефтегазоносности и поисков нефти, широко известными в научной литературе, являются нефтяное поле Теджон (Калифорния) [7, 11, 12, ] и бассейн Отвай (Юго-Восточная Австралия) [5].
Рис. 4 Зависимость трековых возрастов апатитов и цирконов от глубины отбора из скважин в нефтяном поле Теджон [12].
Современный геотермический градиент одинаков в двух блоках (22°С/км), но кажущийся возраст апатита стремится к 0 на меньшей глубине и при более низкой температуре в блоке Теджон (пунктирная линия), чем в блоке Бассейна (пунктирная линия с точками), что указывает на разную термотектоническую историю блоков.
Бассейн Теджон, расположенный в Калифорнии, сложен кайнозойскими осадками. Бассейн разделен на два блока сейсмически активным разломом. Блок Бассейна значительно опущен по сравнению с блоком Теджон. По крайней мере, с миоцена блок Теджон занимает более высокую тектоническую позицию (4 км эоцен – голоценовых осадков) относительно блока Бассейна (7.6 км миоцен – голоценовых осадков). Различная тектоническая история блоков позволят предполагать и разную термальную историю. Современный геотермический градиент одинаков для двух блоков и составляет около 22°С/км. Трековый анализ апатита проведен для изучения различий термотектонических условий в прошлом. Образцы были отобраны из скважин. Возраст апатита одинаков до глубины 3 км в обоих блоках (рис. 4), затем наблюдается существенная разница – в блоке Теджон кажущийся возраст апатита уменьшается от 60 млн. лет до 0 млн. лет на интервале от 3 до 4 км, а в блоке Бассейна — только на глубине от 4 до 5.5 км. Нулевой кажущийся возраст в блоке Теджон наблюдается при современной температуре 115° С, а в блоке Бассейна – при 140° С. Разница в 25°С для разных блоков указывает на отличную термальную историю, т.е. осадки блока Бассейна находились в условиях близких к современным (температура и глубина) в течение более короткого интервала времени по сравнению с осадками блока Теджон. На основании этих данных был сделан вывод о разной степени зрелости углеводородов в этих блоках и предсказан интервал наиболее продуктивных глубин.
Рис. 5 Распределение длины треков в зависимости от температуры в скважинах, пробуренных в бассейне Отвай (Австралия). При изменении температуры варьирует длина треков и форма распределения [17].
На примере бассейна Отвай было показано, что длина треков в апатите является хорошим индикатором палеотемпературы. Бассейн Отвай заполнен вулканокластическими осадками, возраст которых был определен трековыми датировками циркона и сфена как раннемеловой. Бассейн сформировался в условиях растяжения на пассивной континентальной окраине и подвергался прогрессивному прогреву, начиная с раннего мела. Образцы, отобранные из скважин, показали, что возраст апатита уменьшается с глубиной и увеличением температуры (рис. 1). При изучении этих образцов было сделано еще одно важное открытие – длина треков и их распределение в кристаллах апатита изменяется весьма закономерно в зависимости от температуры (рис. 5, 6), что позволяет проследить эволюцию палеотемператур с высокой точностью.
Рис. 6 Зависимость длины треков в апатите от температуры в скважине, Cs – процент треков с длиной более 10 микрон. Пример из скважин в бассейне Отвай, Австралия [17, 7].
3. Возможности трекового датирования апатита
1. Трековое датирование применяют для бассейнов со сложной тектонической историей и для территорий, где предполагается значительное изменение геотермического градиента во времени.
2. Трековое датирование может быть использовано для изучения красноцветных толщ, для которых применение органических методов проблематично.
3. Метод применим для отложений любого возраста, включая ранний палеозой и докембрий.
4. Трековый метод использует апатит и циркон – минералы, широко распространенные почти во всех терригенных осадочных породах (песчаники, алевролиты и т.д.).
5. Трековое датирование позволяет оценить палеотемпературу по разрезу с точностью до ±5–10°С и определить время температурного воздействия с точностью до ±10%.
6. Трековое датирование, в отличие от других методов (например, анализ отражающей способности витринита), дает возможность проследить изменение палеотемператур во времени.
Выводы
Трековое датирование детритового апатита из пород нефтегазоносных бассейнов — это недорогой количественный метод оценки не только палеотемпературы, воздействию которой подвергался бассейн, но и ее изменения во времени.
В Институте литосферы окраинных и внутренних морей РАН начато создание аналитической базы для трекового датирования.
Литература
1. Quigley T.M. & Mackenzie A.S., 1988 The temperature of oil and gas formation in the sub-surface // Nature, v. 333, pp. 549–552.
2. Вассоевич Н.Б., 1986 Геохимия органического вещества и происхождение нефти. М., 368 с.
3. Конторович А.Е., Меленевский В.Н., 1988 Учение о главной фазе нефтеобразования и его место в осадочно-миграционной теории нафтидогенеза // Изв. АН СССР. Сер. геол. №1. с. 3 – 14.
4. Kantsler A.J., Smith G.C., Cook A.C., 1978 Lateral and vertical rank variation: Implication for hydrocarbon exploration // Australian Petroleum Exploration Association Journal 18 (1), pp. 143–156.
5. Gleadow A.J. W., Duddy I.R. and Lovering J.F., 1983 Fission track analysis: new tool for the evaluation of thermal histories and hydrocarbon potential // Australian Petroleum Exploration Association Journal 23, pp. 93–102.
6. Arne D., Zentilli M., 1994 Apatite fission track thermochronology integrated with vitrinite reflectance // In Vitrinite reflectance as a maturity parameter: application and limitation. ACS Series N570, pp. 249–268.
7. Wagner G. A., Van Den Haute, 1992, P. Fission-Track Dating: Kluwer Academic Publishers. 285 p.
8. Price P.B., Walker R.M., 1963, Fossil tracks of charged particles in mica and the age of minerals // Jour. Geophys. Res. V. 68. P. 4847–4862.
9. Fleisher R.L., Price P.B., Walker R.M., 1975 Nuclear tracks in solids // University of California Press, Berkeley, CA. 605 p.
10. Шуколюков Ю.А., Крылов И.Н., Толстихин И.Н., Овчинникова Г.В. Треки осколков деления урана в мусковите // Геохимия. 1965. N 3. С. 291–301.
11. Naeser N.D., Naeser C.W., McCulloh T.H., 1989 The application of fission-track dating to the depositional and thermal history of rocks in sedimentary basins // In Thermal History of the Sedimentary Basins — methods and case histories. Ed. by N.D. Naeser and T.H. McCulloh. New York, Springer Verlag, pp. 157–180.
12. Naeser N.D., Naeser C.W., McCulloh T.H., 1990 Thermal history of rocks in Southern San Joaquin Valley, California: evidence from fission-track analysis // The American Association of Petroleum Geologists Bulletin, V. 74, N 1, pp. 13–29.
13. Kamp P.J. J., Green P.F., 1990 Thermal and Tectonic history of selected Taranaki Basin (New Zealand) Wells assessed by apatite fission track analysis // The American Association of Petroleum Geologists Bulletin, V. 74, N 9, pp. 1401–1419.
14. Burtner R.I., Nigrini A., Donelick R.A., 1994 Thermochronology of Lower Cretaceous source rocks in the Idaho-Wyoming Thrust Belt // The American Association of Petroleum Geologists Bulletin, V. 78, N 10, pp. 1613–1636.
15. Issler D.R., Beaumont C., Willett S.D., Donelick R.A., Mooers J., Grist A., 1990 Preliminary evidence from apatite fission-track data concerning the thermal history of the Peace River Arch region, Western Canada sedimentary basin // Bulletin of Canadian Petroleum Geology, V. 38A, pp. 250–269.
16. Rohrman M., Andriessen P., van der Beek P., 1996 The relationship between basin and marginal thermal evolution assessed by fission-track thermochronology: an application to offshore southern Norway // Basin research, V. 8, pp. 45–63.
17. Gleadow A.J. W., Duddy I.R., Green P.F., Lovering J.F., 1986 Confined fission track lengths in apatite: a diagnostic tool for thermal history analysis // Contributions to Mineralogy and Petrology, 94, pp. 405–415.
Автор: А.В. Соловьев, Н.А. Богданов
