Палеогидрографический анализ Русской платформы: инженерно-геологические, тектонические и нефтегазовые аспекты

Палеогидрографический анализ, проведенный на обширном материале исследований Русской платформы, позволяет высказать ряд фундаментальных суждений и выводов как теоретического, так и практического характера. Инженерно-геологическое значение древней речной сети обусловлено тем, что врезанные на большую глубину и заполненные разнообразными осадками русла древних рек вызывают выраженную пространственную смену литологии пород. Погребенные долины. Подобные структуры нарушают естественное направление потоков грунтовых вод и приводят к существенному изменению инженерных свойств грунта, что требует обязательного и детального учета при проведении инженерно-геологических изысканий. Оценка геологических рисков. Значение погребенных русел для капитального строительства определяется индивидуально в каждом конкретном случае, поскольку пространственная смена литологии пород способна оказывать как отрицательное, так и положительное воздействие на возводимые объекты. Сооружение, построенное в условиях однотипных покровных образований, может испытывать критический перекос вследствие смены литологии в более глубокой зоне.

• 1-й аспект: С практической точки зрения наибольший интерес вызывают среднеплиоценовые погребенные русла, выполненные преимущественно плотными глинами.
• 2-й аспект: Данные глинистые толщи оказывают прямое воздействие на пространственное распределение нефтяных залежей и подземных вод.
• 3-й аспект: Высокие водоупорные свойства выполняющих их грунтов активно используются при проектировании и строительстве крупных инженерных сооружений.

Практический опыт гидротехнического строительства наглядно иллюстрирует использование данных палеогидрографии: при возведении Куйбышевской ГЭС удалось полностью избежать утечки воды в обход плотины через закарстованные известняки Жигулей и песчаные массы левобережных террас. Геоморфологическая интерпретация. По первоначальному проекту один конец плотины должен был располагаться на закарстованных известняках, а остальная её часть — на аллювиальных песках. Анализ геологических материалов бурения треста «Куйбышевнефтеразведка» позволил определить рациональное место строительства. Конструктивное решение. Плотина была запроектирована и построена в зоне развития погребенных среднеплиоценовых долин, где в её основании лежит плотная водонепроницаемая глина кинельского возраста, заполнявшая каньонообразные долины, врезанные в закарстованные известняки карбона. Данный водонепроницаемый заслон исключил фильтрацию воды под плотиной.

Использование гидрогеологического потенциала аналогичным «водоупором» характерно для долин в зоне бывшего материкового оледенения, где толща, выполняющая долины, состоит в основном из морены, в редких случаях подстилаемой или переслаивающейся песком. Перспективы водоснабжения. Иное практическое использование имеет раннечетвертичное русло в долинах внеледниковой зоны: выполняющий его аллювий состоит преимущественно из песка с редкими прослоями суглинка и с галечником в основании толщины. Эти пески заведомо водоносны и служат важнейшим предметом исследований гидрогеологов, занимающихся водоснабжением крупных населенных пунктов. Детальные геоморфологические исследования Русской платформы способны дать конкретные практические рекомендации.

• 1-й этап: Значение реконструкции погребенных русел древних речных систем для поисков рудных и нерудных ископаемых настолько велико, что составляет предмет специальных исследований.
• 2-й этап: Изучение кор выветривания, с которыми связаны многие полезные ископаемые, становится максимально эффективным при учете путей сноса продуктов выветривания.
• 3-й этап: Построение карт палеорельефа и реконструкция древней речной сети должны стать базовым методом геологических исследований при поисках россыпных месторождений полезных ископаемых.

Возможности палеореконструкции геологических структур базируются на анализе структурного плана и его перестройки, что позволяет восстановить историю формирования речных систем. Характеристика структурной поверхности. История формирования рек, очертания бассейнов и плановое положение речных русел дают прямое указание на характер структурной поверхности соответствующей геологической эпохи. Динамика фундамента в рифее. Древность заложения стока юго-восточного направления свидетельствует о том, что уже в рифее наблюдалось падение высот поверхности кристаллического фундамента от Балтийского щита к Прикаспийской синеклизе. Устойчивость этого направления стока показывает, что в течение длительного процесса формирования структурного плана платформы контрастность гипсометрического уровня фундамента не только сохранилась, но и усилилась.

Гипсометрический профиль фундамента. С северо-запада на юго-восток наблюдается снижение крупных блоков фундамента: Балтийский щит на сотни метров приподнят над уровнем моря, Токмовский свод погружен до -800 м, в зоне Прикаспийской синеклизы подошва осадочной толщи находится на глубине -11 000 м, а в зонах локальных прогибов погружена до -16 000 м.

Эволюция речного стока с каменноугольного периода показывает аналогичный процесс с момента заложения в раннем карбоне стока северо-восточного направления, когда наблюдалось падение уровня блоков фундамента с юго-запада на северо-восток. Абсолютные отметки погружения. В пределах Украинского массива фундамент приподнят выше 0 м, в Токмовском своде он опущен до -800 м, в Татарском своде — до -1600 м, в восточной части Московской синеклизы — до -3000 м, а в Мезенском прогибе — до -4000 м. Таким образом, при преобладании стока юго-восточного направления, движения блоков фундамента, начиная с карбона, поддерживали сток северо-восточного направления.

• 1-я эпоха: История формирования стока в пределах Украинского кристаллического массива позволяет предполагать изменение соотношений высот отдельных блоков фундамента в течение новейшего этапа тектогенеза.
• 2-я эпоха: В палеозое и мезозое сток с кристаллического массива был направлен на север, к Днепровско-Донецкому прогибу.
• 3-я эпоха: В настоящее время преобладает сток южного направления к Причерноморской впадине.

Перестройка гидрографической сети Днепра и смещение его русла в нижнем течении к западу свидетельствуют о движении в кайнозое блоков фундамента и уменьшении их абсолютных высот в южном направлении. Деформация аккумулятивной поверхности. Изменение высотного положения блоков фундамента отражено в деформации позднемеловой аккумулятивной поверхности: в пределах Причерноморской впадины она погружена до -1000 м, а в зоне Днепровско-Донецкого прогиба — до -1000 м [примечание: в источнике -100 м]. В течение кайнозоя происходило сближение высотного положения древней рифтовой зоны и кристаллического массива.

Плейстоценовые поднятия террас. Уменьшение высотной контрастности блоков фундамента, соответствующих Днепровско-Донецкому прогибу и Украинскому кристаллическому массиву, продолжается, о чем свидетельствует поднятие в плейстоцене высоких террас долины Днепра, развитых в пределах прогиба. Процесс становления высотного положения блоков фундамента на юго-западной окраине Русской платформы происходил лишь в кайнозое в связи с движениями в альпийской геосинклинальной зоне.

Геоструктурный контроль Палео-Волги демонстрирует, что сдвиги разновозрастных русел в плане дают четкое представление о формировании структурной поверхности прогибов, к которым они приурочены. Доакчагыльский этап. Палео-Волга в доакчагыльское время подчиняла положение русла структурам древнего заложения, протекая в среднем течении в наиболее прогнутой части Мелекесской мульды, пересекала в периклинической части Жигулевскую дислокацию и огибала крутой юго-восточный край Жигулевско-Пугачевского свода. Это было время заложения Заволжского прогиба. Со временем рельефообразующая роль древних структур уменьшалась: раннечетвертичная Волга подчинила плановое положение русла осевой зоне Заволжского прогиба.

• 1-е положение: Русло Палео-Волги вскрыто на западном крыле Мелекесской мульды и в центральной части Жигулевско-Пугачевского свода.
• 2-е положение: Построение карты рельефа подошвы аллювия показало, что изгибы раннечетвертичного русла подчинялись распределению куполовидных структур, осложняющих зону прогиба.
• 3-е положение: В настоящее время движения куполов привели к деформации поверхности четвертичных террас.

Современное состояние и тектоника Поволжья характеризуются тем, что русло современной Волги не подчиняется локальным структурам и образует излучины лишь при пересечении активных Борлинской и особенно Жигулевской дислокаций. Самарская Лука. При пересечении последней Волга сохранила плановое положение с плиоцена, а передвижение русла к западу выше и ниже Жигулей обусловило образование Самарской Луки (см. рис. 11). Современное русло Волги прижато к Приволжской геофлексуре, продолжением которой на юг является куэстовый край Ергеней, секущий более древние структуры и, вероятно, западный берег Каспийского моря.

Мощность осадочных толщ. Образование структуры Приволжской возвышенности произошло лишь в плиоцене, что подтверждается возрастом кинельской свиты, накопление которой коррелируется с поднятиями возвышенности. Заволжский прогиб, заложенный в плиоцене, оформился окончательно в плейстоцене. Современная активность разрывных дислокаций, осложняющих правый берег Волги (Мещеряков и др., 1953), свидетельствует о продолжающемся формировании Приволжской геофлексуры. Повышенная мобильность этого суперлинеамента в плиоцене привела к накоплению в зоне Заволжского прогиба осадочной толщи мощностью до 600 м.

Сейсмические риски и миграция куполов активизировались в связи с созданием водохранилищ в Поволжье, где накопление осадков может привести к возникновению землетрясений техногенного порядка. Природа миграции поднятий. Реконструкция погребенных русел объясняет явление сдвига сводов куполовидных поднятий молодых, относительно более древних. В условиях унаследованности движений блоков фундамента миграция связана с эрозионными размывами времени, предшествующего морской седиментации: если свод был размыт, создается впечатление, что вновь возникший при осадконакоплении купол сформирован над крылом более древней структуры.

Палео-дельты и месторождения нефти находятся в прямой генетической связи, так как с деятельностью рек связано формирование залежей целого ряда полезных ископаемых. Закономерности И. М. Губкина. По наблюдениям И. М. Губкина (1940), в зонах прогибов земной коры на склонах поднятий встречаются зоны бокситонакопления, которые в сторону осевых частей прогибов замещаются сначала угленосными, а затем нефтеносными толщами.

• 1-я зона: Скопления бокситов — латеритной коры выветривания — приурочены к эрозионным понижениям зоны речного размыва, ближе к истокам рек.
• 2-я зона: К длинам палео-рек приурочены многие месторождения каменного угля, в том числе Донецкий и Московский бассейны.
• 3-я зона: В области дельт и приемных бассейнов формировались нефтеносные породы.

Теоретические основы геологии нефти опираются на труды отечественных исследователей: мысль о связи нефтеобразования с накоплением мощных толщ дельтовых отложений впервые высказал Б. Л. Личков (1934), отметив, что исходные материалы нефти накопляются в области опускания, и все залежи нефти расположены на границе моря и суши, где мощность прикрывающих пород огромна (Личков, 1934, стр. 92). По его мнению, континентальное происхождение имеют и залежи каменных углей мелких лагун и заливов.

Концепция Н. И. Марковского. Приуроченность угленакопления и нефтеобразования к границе суши и моря установлена Н. И. Марковским (1965), который считал главным местом нефтеобразования область материкового шельфа, где терригенные осадки защищают органическое вещество от разложения. Отсюда вытекает огромная роль речных дельт, дельтовые отложения которых благодаря чередованию глинистых и песчаных слоев являются вместилищем мигрирующих нефти и газа.

• 1-й фактор: Передвигая дельту вдоль прогиба, реки создают осадочную толщу значительной мощности, потенциально нефтеносную.
• 2-й фактор: При стационарном положении дельт формируются нефтепроизводящие толщи (рис. 37).
• 3-й фактор: Положение разновозрастных дельт изменялось незначительно, и лишь крупные перестройки приводят к отмиранию дельт.

Пространственная дифференциация нефтегазоносности показывает, что далеко не к каждой палео-дельте приурочены нефтяные месторождения. С раннего карбона, когда обособился Восточно-Русский прогиб и произошла инверсия в зоне Крестцовского авлакогена, реки Московской синеклизы текли в её восточную часть. Наименее устойчивыми были движения в Подмосковной котловине, где реки становились притоками внутренних морей, а мощность дельтовых отложений здесь менее значительна, чем в Восточном прогибе.

Оценка перспективности областей. Относительно кратковременно существовавшие дельты не являются носителями газо-нефтеносных месторождений, поэтому центральные области Русской платформы малоперспективны. Наоборот, в области палео-дельт устойчивого погружения на востоке платформы (от г. Ухты до г. Баку) сконцентрирован ряд месторождений жидких и газообразных горючих ископаемых Европейской части СССР.

На основании анализа фаций и мощностей Н. И. Марковским (1955, 1963, 1965) выявлены дельты ранневизейских палео-рек:

• Тимано-Печорской;
• Кизеловской;
• Камской;
• Рязано-Саратовской;
• Припятско-Днепровской.

Каждой дельтовой зоне отвечает месторождение: дельте Палео-Камы соответствует Второе Баку, дельте рязано-саратовской реки (Ергень-реки) — Саратовское месторождение газа.

Южная часть Восточно-Русского прогиба, соответствующая Прикаспийской синеклизе, до конца палеогена была приемником вод, текущих с запада, севера и востока. Дельта миоценовой рязано-саратовской реки в связи с погружением под уровень моря герцинских сооружений Предкавказья продвинулась от Ергеней к Терско-Каспийскому прогибу, затем к Азовскому морю, участвуя в формировании Северо-Кавказских нефтяных залежей. По мнению И. И. Потапова (1954), в формировании грозненской нефти принимала участие Палео-Волга, прорыв которой на юг произошел в конце понта.

Проблема происхождения продуктивной толщи Апшерона отражена в дискуссии исследователей: В. П. Батурин (1937, 1944) пришел к выводу, что в составе продуктивной толщи Баку преобладают компоненты, принесенные с Русской равнины. Противоположно мнение А. А. Алиева, предполагавшего снос с Кавказа. Однако И. И. Потапов (1954) подтверждает северное происхождение терригенного материала.

В составе продуктивной толщи принимают участие породы «порога» (приподнятой зоны), отделяющего южную часть Каспия от средней. На месте Каспийского моря (кроме южной ванны) в период формирования толщи была суша, размываемая доакчагыльской Палео-Волгой, русло которой прослежено до широты Астрахани и далее в западную часть Каспия.

Ключевые условные обозначения к Рис. 37 (Схема размещения русел и устьев крупных палео-рек Русской платформы): Устья: - 1 — палеозойские — визейского века раннего карбона; - 2 — мезозойские: - а — триасовые, - б — ааленские, - в — келловейские, оксфордские, киммериджские, - г — валанжинские и готеривские; - 3 — палеоценовые; - 4 — неогеновые: - а — миоценовые, - б — раннеплиоценовые, - в — среднеплиоценовые, - г — позднеплиоценовые акчагыльского века, - д — позднеплиоценовые апшеронского века; - 5 — четвертичные: - а — бакинского века, - б — раннехазарского века; - в — позднехазарского века, - г — раннехвалынского века (микулинского), - д — позднехвалынского века. Русла: - 6 — палеозойские, - 7 — мезозойские, - 8 — третичные.

Этапы эрозионных циклов. Начало предакчагыльского цикла относится к концу палеогена. В течение 10 миллионов лет (Кожевников и др., 1973) Палео-Волга несла на юг свои воды, вынося в Балаханское озеро аллювий миоцена и раннего плиоцена, служивший источником продуктивной толщи.

Палеогеоморфологические реконструкции подтверждаются данными Е. Е. Милановского (1963): с начала аккумуляции кинельской свиты произошло снижение роли северных источников питания. Необычайная мобильность южной части Восточного прогиба обусловила миграцию устья Волги на 2000 км от широты Баку до устья Камы в период акчагыльской трансгрессии.

Роль барьерных рифов. Погружение Прикаспийской синеклизы с позднедевонского до раннепермского времени, по мнению М. М. Грачевского, А. Б. Чепелюгина и Г. А. Шереметьевой (1973), носило некомпенсированный характер, что обусловило приуроченность битуминозных отложений к северной бортовой зоне, обрамленной барьерными рифами. Потенциал усиливают рифы, задерживающие синтезирующие одноклеточные водоросли планктона (Марковский, 1973).

Палео- и неотектонический контроль нефтегазоносности показывает, что нефть — детище литогенеза, но роль тектоники первостепенна. Тектоника определяет создание «ловушек» и положение русел и дельт. По Н. И. Марковскому (1960), к нефтепроизводящим относятся зоны шельфа, заливов и эстуариев, а потенциально нефтевмещающей является примыкающая аллювиальная равнина.

• 1-й тип: Месторождения, приуроченные к аллювиальным равнинам, называются «литологическими», «рукавообразными» (И. М. Губкин) или «шнурковыми» (в Америке).
• 2-й тип: Эти полосы песчаных отложений являются отложением речных русел (поисковые работы доакчагыльского русла Волги: Левин и Лихолатников, 1963).
• 3-й тип: Площадные месторождения приурочены к куполовидным поднятиям, а перестройка структурного плана в неогене определяла пути миграции нефти.

Примером совпадающих структур являются Покровское и Жигулевское месторождения в Поволжье, совпадающие с палеодолиной доакчагыльской Волги. Палеорусла подчеркивают крутые крылья Жигулевской и Пугачевской флексур. Под песками погребен Карлово-Сытовский купол (утративший активность), а активные купола Яблоновый и Зольный дают фонтанирующую нефть. Нефтевмещающими являются лишь активно растущие купола.

Динамика аккумуляции и перспективы нефтеобразования определяются тем, что молодые русла и дельты — это резервуары будущего нефтеобразования. При погружении до глубин с соответствующей температурой биогенные осадки превращаются в нефть. В плиоцене дельта Волги мигрировала на 2000 км, и для четвертичного времени отмечено семь дельт (рис. 37).

• 1-я характеристика: Днища долин четвертичного возраста углублены на Русской равнине до -90 — -120 м.
• 2-я характеристика: В низовьях Волги, Днепра, Печоры, Северной Двины мощность террасовых толщ превышает 100 м.
• 3-я характеристика: В современных осадках авандельт обнаружены явления восстановления битумной части органического вещества (Вебер и др., 1968; О. К. Бордовский, 1968).

Регулирование стока человеком (создание водохранилищ) нарушило естественный процесс осадконакопления: прирост дельты Волги резко уменьшился, вмещающий пылеватый песок сменился илом и глиной (Горемыкин, 1970), при которых не могут возникать обычные дельтовые ловушки. Прерывание естественного процесса литогенеза ведет к необратимым изменениям природы и утрате ресурсов.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: Г. В. Обедиентова

Источник: Формирование речных систем Русской равнины

Публикации будут полезны широкому кругу геологов, изучающих четвертичную геологию, геоморфологов, гидрогеологов, а также всем специалистам, интересующимся историей рек и геолого-геоморфологическим развитием Русской равнины.