Перенос молекул водорода и метана в структурных ячейках

Российская академия наук
Уральское отделение
Коми научный центр Институт геологии
Международный минералогический семинар
«Минералогическая интервенция в микро- и
наномир»
9–11 июня 2009 года
Сыктывкар, Республика Коми
________________________________________________________
c. 272-274
Перенос молекул водорода и метана в структурных ячейках
серпентинов при подъёме офиолитового диапира
Юркова Р.М., Воронин Б.И.
Институт проблем нефти и газа РАН, Москва, Россия,
bivrmyrzb@mtu-net.ru
Проведение исследований по названной теме обусловлено потоком данных об
углеводородной дегазации в океане и на континенте в связи с серпентинизацией
ультрабазитов. Ультрабазиты составляют мантийную часть офиолитовой ассоциации. В
этом случае изменение ультрабазитов при формировании и становлении офиолитов и
связанная с этим эволюция углеводородных флюидов представляют своевременную и
актуальную проблему
для изучения условий нефтегазообразования. Обсуждение
заявленной проблемы основано на материалах изучения всех комплексов офиолитов во
фронтальных частях островных палеодуг в пределах северо-западной активной
континентальной окраины Тихого океана: Сахалин, Камчатка, Корякский хребет,
остров Карагинский. Рассмотрены различные геодинамические типы палеодуг:
1)зрелая приматериковая (п-ов Мамет на Камчатке, готерив-баррем); 2)развитая
приокеаническая (хр. Кумроч
на Камчатке, кампан-палеоцен);
3)
примитивная
приокеаническая (Восточный Сахалин, альб-сантон, п-ов Карагинский, маастрихтпалеоцен). Изучены различные типы серпентинизации ультрабазитов:
псевдоморфная и
ранняя
полистадийные гидротермально-метасоматические, наложенные.
Начальные генерации серпентинитов ранней безмагнетитовой серпентинизации
представлены в апогарцбургитовых серпентинитах, характерных для центральных
ненарушенных частей дунит-гарцбургитового массива, которые рассматриваются как
мантийный комплекс офиолитов. Представлен на п-ове Шмидта, Сахалин. Выведен на
поверхность в результате подъёма офиолитового диапира в зоне перехода примитивная
дуга-желоб над сейсмофокальной зоной [6].
проводилось
комплексом
микродифракция
физических
электронов,
Детальное изучение серпентинитов
методов:
рентгеноструктурный
электроннозондовый
микроанализ,
анализ,
растровая
электронная микроскопия, ядерный гамма резонанс и др. Содержание воды
определялось на микротермовесах фирмы Setaram. Анализ газов выполнен на этом же
приборе,
представляющем
адсорбционный
хроматограф,
присоединенный
к
термогравиметрической установке. Использование малых навесок (40-100 мг.)
позволило изучить минералогически однородные образцы. Образцы готовились с
помощью градиентной трубки, сепаратора СИМ-1 и вручную под бинокуляром.
Однородность образцов уточнялась с помощью рентгеновского микроанализатора
MS-46. Образцы нагревались до температуры, не превышающей температуры
разложения серпентинов (600°С). Выделяющиеся газы анализировались непрерывно в
процессе нагрева, что позволяло сопоставить кинетику выхода различных газов.
Непрерывная продувка пространства печи инертным газом уменьшала вероятность
взаимодействия газов между собой и образцом, избыточное давление в системе
исключало окисление водорода и других газов за счет подсасывания воздуха. В
качестве газа-носителя использовался, как правило, гелий; при определении водорода в
отдельных опытах для повышения чувствительности -аргон. Анализы выполнены в
лабораториях Геологического института РАН.
Установлено, что в процессе ранней петельчатой безмагнетитовой
серпентинизации за счёт оливина образовались антигорит с параметром элементарной
ячейки а=35,5Å и природный сплав железо-никель состава тэнита (35-40 ат.% Ni) в
виде мельчайших (2-5 мкм) включений в антигорите. В антигорите и оливине
установлены высокие содержания Н2 (800 и 230 ммоль/кг) и метана (30 ммоль/кг) и
присутствие окиси углерода. В этом случае формирование структурносвязанной воды
в антигорите могло быть обусловлено участием
восстановительных
флюидов
в
процессе
последовательно
серпентинизации
неодноактно
Ni
2Mg2Si04+Mg2Si206+4CO+12H2– →Mg6Si4O10(OH)8+4CH4 на глубине
присутствии
никелевого
катализатора,
что
по
40-50
схеме
км
в
подтверждают кспериментальные,
термодинамические (Т=450-600оС, Р=13-16 кбар) данные, данные изотопного состава
водорода и кислорода, а также расчёты баланса вещества с учётом изоморфных
замещений в структуре минералов [5].
внутрислойным
растворением
Начало
серпентинизации
обусловлено
оливина и ортопироксена в результате пластических
перемещений ультрабазитового мантийного вещества, возможно,
в связи со сменой
ротационного режима Земли. А.Е.Рингвуд, обосновывает существование в глубинных
условиях новой фазы плотного водного магнезиального силиката, экспериментально
подтверждённого, имеющего состав Mg7Si2O8(OH)6 и плотность 2,96 г/см3 [4]. Силикат
устойчив в условиях от Т=500°С и Р=50 кбар до Т=1300°С и Р=130 кбар. Рассмотрим
вопрос о локализации анализируемого водорода в серпентинах. Можно
попытаться
оценить длину свободного пробега молекул такого сжатого газа в породах по формуле
λ≈1/V π d2 п,
где n - концентрация водорода в порах, d - эффективный диаметр
молекул. Независимо от размеров пор n=N/V, где N- общее число молекул водорода в 1
г породы, V - суммарный объем пор, N=0,35·10-3 моль/г породы. Для водорода d≈3·10-8
см при нормальных условиях λ≈2·10-8
см, т.е. 2Å. Такая величина λ, близкая к
размерам самих молекул показывает, что водород находится в серпентинах, возможно,
как и в оливинах, не в виде газа, а в виде отдельных молекул, которые внедрились в
структуру минерала. В антигоритах, имеющих специфическую структуру, эти
молекулы как бы запираются благодаря инверсии слоёв.
Это увеличило объём
элементарной ячейки минерала, в частности параметра а до 35.5Å, в то время, как
биметасоматических (безводородных) антигоритов не превышает 35Å.
а
Метан
вероятнее всего находился в межслоевых промежутках или поверхностноактивных
зонах. Замещение антигорита лизардитом в процессе подъёма диапира прослеживается
на растровых электронных снимках (рис. 1).
Строение петли в апогарцбургитовом серпентините. a - микрофото шлифа, ув. 125, без анализатора; б - г
- снимки в растровом электронном микроскопе. Длина чёрного прямоугольника внизу : б - 2, г - 4 мкм, 1
- оливин; 2 - антигорит с включениями железистого никеля (центральная часть петли), 3 - лизардит с
включениями железистого никеля
краевая часть петли);
4 - просечка, образующая петлю
(лизардит+клинохризотил); 5 - долгоживущие каналы миграции флюидов.
Высвобождающиеся метан и водород концентрировались в ловушках, возникших в
процессе растяжения свода поднимающегося офиолитового диапира при повышенном
давлении флюидов с формированием углеводородных интрузий.
офиолитового
диапира
в
целом
происходило
в
единой
Формирование
флюидонасыщенной
магматическо-метаморфической геотермальной системе в зоне перехода островная
дуга-желоб
[6].
Такой
путь
развития
системы
способствовал
активному
преобразованию углеводородных флюидов. При этом серпентиниты экранировали
углеводородные флюиды от рассеивания, создавая природную автоклавную ситуацию.
При каталитической активности тонкодисперсных серпентинитов и железо-никелевых
соединений (тэнит, пентландит, магнетиты) в условиях повышенных температур
(Т>350°С) благодаря стадийному магматизму, последовательно формировались все
групповые
компоненты
нефти:
ароматические углеводороды.
нормальные
алканы,
Такое формирование
изоалканы,
нафтены,
всех компонентов нефти
подтверждено экспериментами и технологиями К.Г.Ионе [3]. Следует отмётит что до
настоящего времени большие скопления
метан и др.)
восстановительных
флюидов
(водород,
сохранились в серпентинитовых флюидоупорах Нижнетагильского
массива гипербазитов на глубине 500 м. [2].
Высокая сейсмическая подвижность
предостроводужных
палеозон
способствовала
нарушению
целостности
серпентинитовых слоев и высокой аккумуляции флюидов в очаговых зонах
землетрясений, их концрнтрации в сжатом виде, приводящей к высоким поровым
давлениям
и как
следствие подъёму углеводородных экструзий и интрузий и
миграции углеводородов по сдвиговым разломам, рассланцованным и трещиноватым
зонам в осадочные ловушки присдвигового неогенового прогиба в поздние этапы
становления офиолитов (для Сахалина в плиоцене) По расчетам приводимым А.Н.
Дмитриевским и И.А. Володиным [1] пробегающие раз в сутки по сдвиговому разлому
волновые
эффект
(солитоновые)
энергетические
импульсы
формируют кумулятивный
повышенной энергетики, который и приводит к описанным физико-
химическим преобразованиям, обеспечивает миграцию флюидов. Время от начала
формирования до внедрения офиолитового диапира оценивается в 200±10 млн лет и
близко совпадает с периодом (212-215 млн лет) обращения Солнечной системы вокруг
ядра Галактики.
Литература.
1. Дмитриевский А.Н., Володин И.А. Формирование и динамика энергоактивных
зон в геологической среде//Докл. РАН. 2006. Т. 411, №3. С. 395-399.
2. Заварицкий А.Н. Дунит Нижнетагильского массива на Урале с глубины 500
м//Вест. Геол. ком. 1925. № 4. С. 35-38.
3. Ионе Г.К. О роля водорода в техногенной эволюции Земли (Является ли Земля
каталитическим реактором)//Новосибирск, ”ЦЕОСИТ” ОИК СО РАН, 2008. 67с.
4. Рингвуд А.Е. Состав и строение Земли. М.:Наука, 1981. 113 с.
5. Юркова P.M. Мантийно-коровая серпентинизация ультрабазитов как источник
углеводородных флюидов//Фундаментальный базис новых технологий нефтяной
и газовой промышленности М.: ГЕОС, 2002. С. 98-107
6. Юркова P.M., Воронин Б.И. Подъём и преобразование мантийных и
углеводородных флюидов в связи формированием офиолитового
диапира//Генезис углеводородных флюидов и месторождений. М.:ГЕОС, 2006.
С. 56-67.