УДК 550.8.053(479.24)

ОСОБЕННОСТИ ПОРОДНО-ФЛЮИДНОЙ СИСТЕМЫ ЗОНЫ СУБДУКЦИИ
В ЮЖНО-КАСПИЙСКОМ БАССЕЙНЕ

© 2021 г.    А.А. Фейзуллаев

Институт геологии и геофизики НАН Азербайджана, г. Баку, Азербайджан

е-mail: fakper@gmail.com

Поступила в редакцию 11.08.2021 г.; после доработки 22.09.2021 г.
Принята к публикации 25.09.2021 г.

Аннотация. Целью данного исследования являлось выявление особенностей породно-флюидной системы в зоне субдукции литосферных плит на примере Южно-Каспийского бассейна (ЮКБ). С этой целью выполнен сравнительный анализ параметров углеводородных систем в фронтальной и тыловой частях аккреционной призмы. Анализ проводился на основе широкого комплекса промысловых данных (замеры температур и давлений в скважинах), результатов лабораторных исследования свойств пород, органического вещества, нефтей, газов и пластовых вод месторождений. Использованы результаты таких методов исследований, как пиролиз пород, биомаркерный анализ нефтей и изотопно-геохимический анализ флюидов. Установлена пространственная гетерогенность аккреционной призмы. Ее фронтальная часть (район Абшеронского порога), в отличие от тыловой части (Бакинский архипелаг), характеризуется более высокими стрессовыми нагрузками и более благоприятными условиями для интенсивного фокусированного тепломассопереноса. Кроме того, эти части аккреционной призмы различаются по свойствам породно-флюидной системы и особенностям нефтегазоносности.

Ключевые слова: Южно-Каспийский бассейн, субдукция, аккреционная призма, термобарические условия, флюидодинамика, нефтегазоносность, физико-химические свойства пород и флюидов.

DOI: https://doi.org/10.21455/GPB2021.4-6

Цитирование: Фейзуллаев А.А. Особенности породно-флюидной системы зоны субдукции в Южно-Каспийском бассейне // Геофизические процессы и биосфера. 2021. Т. 20, № 4. С. 85–102. https://doi.org/10.21455/GPB2021.4-6

Введение

В последние десятилетия в геологии доминирует теория тектоники плит. Согласно положениям этой теории, земная кора (как под континентами, так и под океанами) состоит из жестких блоков литосферы, которые находятся в постоянном движении друг относительно друга, что подтверждено прямыми измерениями скоростей перемещения плит с помощью спутниковых навигационных систем. Тектоника плит объясняет причины проседания, последовательности осадконакопления, развития структурных особенностей и тепловую историю осадочных бассейнов [Dickinson, 1981]. При этом в зонах расширения (спрединга) (срединно-океанические хребты и континентальные рифты) образуется новая кора, а в зонах схождения плит (зоны субдукции) наблюдается поглощение «старой». Взаимодействие литосферных плит при встречном движении вызывает в зоне сближения многообразные тектонические процессы. Важнейшие из них – субдукция и коллизия (столкновение двух континентальных литосферных плит), которая следует непосредственно за субдукцией и обычно рассматривается в качестве конечного этапа цикла развития складчатых поясов (от возникновения до закрытия океана) [Wilson, 1966].

Субдукция развивается в зоне конвергенции – месте, где сходятся океаническая и континентальная литосферные плиты и первая поддвигается под вторую. В результате такого взаимодействия на субдукционных границах плит происходит наращивание нависающей плиты материалом погружающейся океанической плиты за счет «соскребывания» отложений с ее верхней части. При этом образуется аккреционная призма, имеющая сложную изоклинально-чешуйчатую внутреннюю структуру [Ломизе, Хаин, 2005].

Аккреционные конвергентные границы относят к самым динамичным тектоническим средам на Земле [Bray, Karig, 1985], характеризующимся сильными деформационными процессами и активной флюдодинамикой [Carson, Screaton, 1998; Kufner et al., 2014]. Изучением флюидных потоков на аккреционных конвергентных границах занимались многие исследователи (см., в частности, работы [Kulm et al., 1986; Le Pichon et al., 1992; Henry et al., 1996; von Rad et al., 2000; Westbrook, Reston, 2002]).

Вдоль зон субдукции выделяется бо́льшая (до 90 %) часть сейсмической энергии Земли [Doglion et al., 2005]. Наличие вблизи зон субдукции отложений с избыточным давлением флюидов вызывает здесь развитие грязевого вулканизма [Le Pichon et al., 1990; Dimitrov, 2002; Kopf, 2002; Hensen et al., 2004]. По оценкам, приведенным в работе [Menapace, 2017], более 60% общего количества грязевых вулканов (ГВ) приурочены к зонам субдукции.

Зоны конвергенции литосферных плит и, особенно, зоны субдукции характеризуются благоприятными условиями для генерации, миграции, и формирования месторождений углеводородов (УВ) [Thompson, 1976; Kanasewich, Havskov, 1978; Carmalt, John, 1986; Ware, Ichram, 1997; Saffer, Bekins, 1999; Hessler, Sharman, 2018]. Так, только в регионе Паратетиса за последние 150 лет открыты и коммерчески разрабатываются около 2700 нефтяных и газовых месторождений [Boote et al., 2018]. По оценкам, приведенным в работе [Bruneton et al., 2013], в зонах конвергенции литосферных плит находятся около 20 % общего количества мировых месторождений-гигантов углеводородов.

Согласно экспертным оценкам, в ареалах действия субдукционно-обдукционного геодинамического режима в результате гидролиза и термолиза органического вещества (ОВ), которое втягивается в зоны субдукции [Сорохтин, 1984; Гаврилов, 1998; Areshev, Balanyuk, 2006], генерировалось до 80 % всех выявленных запасов УВ-сырья [Сорохтин, 1984; Кучерук, Ушаков, 1985].

Фокусированные субвертикальные потоки флюидов, поднимаясь по высокопроницаемым каналам (включая и грязевые вулканы), благоприятствуют формированию в неглубоких частях аккреционных призм газогидратных скоплений [Kvenvoden, Kastner, 1990; Spence et al., 1995; Suess et al., 1996]. В целом флюидные потоки вдоль конвергентных границ контролируют химический, изотопный и тепловой баланс в отложениях аккреционного комплекса [Kastner et al., 1991; Martin et al., 1996; Deyhle et al., 2004; Kroeger et al., 2019].

Считается, что зоны субдукции еще недостаточно изучены и/или не в полной мере рассматриваются как потенциальные УВ-системы [Hessler, Sharman, 2018]. В связи с этим изучение особенностей динамики и геохимической характеристики флюидов, а также условий генерации и формирования промышленных скоплений нефти и газа в свете концепции тектоники плит – актуальная проблема современных наук о Земле, имеющая большое прикладное значение. Рассмотрение этой проблемы на примере субдукционного Южно-Каспийского бассейна является целью данного исследования.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Литература

Алиев А.И. Где искать мезозойскую нефть в Азербайджане? Что для этого надо? // Азербайджан нефт тассаруфаты (Азербайджанское нефтяное хозяйство). 2010. № 11. С. 70–78.

Баранова Е.П., Косминская Н.П., Павленкова Н.И. Результаты переинтерпретации материалов ГСЗ по Южному Каспию // Геофиз. журн. 1990. № 12 (5). С. 60–67.

Буряковский Л.А., Джеваншир Р.Д., Алияров Р.Ю. Геофизические методы изучения геофлюидальных давлений. Баку: Элм, 1986. 147 с.

Гаврилов В.П. Геодинамическая модель нефтегазобразования в литосфере и ее следствия // Геология нефти и газа. 1998. № 6. С. 2–12.

Кучерук Е.В., Ушаков С.А. Тектоника плит и нефтегазоносность: Геофизический анализ. М.: ВИНИТИ, 1985. 200 с. (Итоги науки и техники. Физика Земли. Т. 8).

Лебедев Л.И. Влияние тектонических факторов на нефтегазоносность внутренних морей // Геология нефти и газа. 1994. № 7. С. 12–15

Ломизе М.Г., Хаин В.Е. Геотектоника с основами геодинамики. 2-е изд. М.: КДУ, 2005. 560 с.

Новиков Д.А. Гидрогеологические предпосылки нефтегазоносности западной части Енисей-Хатангского регионального прогиба // Геодинамика и тектонофизика. 2017. Т. 8, № 4. С. 881–901. https://doi.org/10.5800/GT-2017-8-4-0322)

Сорохтин О.Г. Теория тектоники литосферных плит – современная геологическая теория. М.: Знание, 1984. 40 с.

Фейзуллаев А.А., Шыхалиев Ю.А. О современной стратегии поисков нефти и газа в Азербайджанском секторе Каспийского моря // Геология нефти и газа. 2016. № 3. С. 38–43.

Фейзуллаев А.А., Кадиров Ф.А., Кадиров А.Г. Тектоно-геофизическая модель Южного Каспия в связи с нефтегазоносностью // Физика Земли. 2016. № 6. С. 129–138

Allen M.B, Jones S., Ismail-Zadeh A., Simmons M.D., Anderson L. Onset of subduction as the cause of rapid Pliocene–Quaternary subsidence in the South Caspian basin // Geology. 2002. N 30 (9). С. 775–778.

Areshev E., Balanyuk I. Unique potentialities of hydrocarbon deposits formation in subduction zones // Geophys. Res. Abstr. 2006. V. 8. SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU06-A-00450

Axen G.J., Lam P.S., Grove M., Stockli D.F. Exhumation of the West-Central Alborz mountains, Iran, Caspian subsidence, and collision-relatedtectonics // Geology. 2001. V. 29. P. 559–562.

Bekins B., Dreiss S.J. A simplified analysis of parameters controlling dewatering in accretionary prisms // Earth Planet. Sci. Let. 1992. V. 109. P. 275–287.

Boote D.R.D., Sachsenhofer, R.F., Tari G., Arbouille D. Petroleum provinces of the Paratethyan region // J. Petrol. Geol. 2018. V. 41 (3). P. 247–298.

Bray C.J., Karig D.E. Porosity of sediments in accretionary prisms and some implications for dewatering processes // J. Geophys. Res. 1985. N 90. Р. 768–778.

Bruneton A., Konofagos E., Foscolos A. Cretan Gas Fields – a new perspective for Greece’s hydrocarbon resources. Pytheas Limited, 2013. 24 p. https://images.derstandard.at/2013/08/21/greece_crete.pdf

Carmalt S.W., John B. Future petroleum provinces of the world: Giant oil and gas fields // AAPG Spec. Volumes. 1986. V. M 40. P. 11–53.

Carson B., Screaton E.J. Fluid flow in accretionary prisms evidence for focused, time-variable discharge // Rev. of Geophys. 1998. V. 36 (3). P. 329–351.

Devlin W., Cogswell J., Gaskins G., Isaksen G., Pitcher D., Puls D., Stanley K., Wall G. South Caspian basin: Young, cool, and full of promise // GSA Today. 1999. V. 9 (7). P. 1–9.

Deyhle A., Kopf A., Pawlig S. Cross-section through the frontal Japan Trench subduction zone: Geochemical evidence for fluid flow and fluid-rock interaction from DSDP and ODP pore waters and sediment // Island Arc. 2004. V. 13 (1). P. 271–288. https://doi.org/10.1111/j.1440-1738.2003.00425.x

Dickinson W.R. Subduction and oil migration // Geology. 1974. V. 2 (9). P. 1519–1540.

Dickinson W.R. Plate tectonic evolution of the Southern Cordillera // Relations of tectonics to ore deposits in the Southern Cordillera / Eds W.R. Dickinson, W.D. Payne. Tucson, Arizona: Arizona Geol. Soc., 1981. P. 113–135. (Arizona Geol. Soc. Digest. V. 13).

Dimitrov L. Mud volcanoes – the most important pathway for degassing deeply buried sediments // Earth Sci. Rev. 2002. V. 59. P. 49–76.

Doglion C., Bally A., Huc A.-Y. Relations between sedimentary basins and petroleum provinces // Encyclopaedia of hydrocarbons. V. 1. Еxploration, production and transport. [Internet resource]. 2005. P. 117–159.

Espitalié J., Madec M., Tissot B., Mennig J.J., Leplat P. Source rock characterization method for petroleum exploration // Proc. of the 9th Ann. offshore technolog. conf. 1977. V. 3. P. 439–448.

Faber E.Z. Isotopengeochemie gasformiger Köhlenwasserstoffe // Erdole, Erdgas and Köhle. 1987. V. 103. P. 210–218.

Feyzullayev A.A. Migration pathways of hydrocarbons in South-Caspian basin // Geol. and Geosci. 2013. V. 2 (3). P. 1–6.

Feyzullayev A.A., Lerche I. Occurrence and nature of overpressure in the sedimentary section of the South Caspian basin, Azerbaijan // Energy Exploration & Exploitation. 2009. V. 27 (5). P. 345–366.

Feyzullayev A.A., Lerche I. Organic matter maturity and clay mineral transformations in overpressured formations: Comparison histories from two zones of the South Caspian basin // Energy Exploration & Exploitation. 2011. V. 29 (1). P. 21–32.

Feyzullayev A.А., Tagiyev M.F. Formation of oil and gas deposits in the Productive Strata of the South-Caspian basin: New approaches and results // Azerbaijan Oil Industry. 2008. V. 3. P. 7–18.

Feyzullayev A.A., Guliyev I.S., Tagiyev M.F. Source potential of the Mesozoic–Cenozoic rocks in the South Caspian basin and their role in forming the oil accumulations in the Lower Pliocene reservoirs // Petrol. Geosci. 2001. V. 7 (4). P. 409–417.

Guliyev I.S., Feyzullayev A.A. Geochemistry of hydrocarbon seepages in Azerbaijan // Hydrocarbon migration and its near-surface expression / Eds D. Shumacher, M. Abrams. 1996. P. 63–70. (AAPG Memoir. V. 66).

Gurgey K. Correlation, alteration, and origin of hydrocarbons in the GCA, Bahar, and Gum Adasi fields, Western South Caspian basin: Geochemical and multivariate statistical assessments // Marine and Petrol. Geol. 2003. V. 20 (10). P. 1119–1139.

Henry P., Le Pichon X., Lallemant S. et al. Fluid flow in and around a mud volcano field seaward of the Barbados accretionary wedge: Results from Manon cruise // J. Geophys. Res. 1996. V. 101 (20). P. 297–323. https://doi.org/10.1029/96JB00953

Hensen C., Wallmann K., Schmidt M., Ranero C.R., Suess E. Fluid expulsion related to mud extrusion off Costa Rica – a window to the subducting slab // Geology. 2004. V. 32 (3). P. 201–204.

Hessler A.M., Sharman G.R. Subduction zones and their hydrocarbon systems // Geosphere. 2018. V. 14 (5). P. 2044–2067. https://doi.org/10.1130/GES01656.1

Jackson J., Priestley K., Allen M.B., Berberian M. Active tectonics of the South Caspian basin // Geophys. J. Inter. 2002. V. 148. P. 214–245.

Kanasewich E.R., Havskov J. Plate tectonics and the location of oil fields. [Internet resource]. 1978. http://www.eseg.ca/publications/journal/1978_12/1978_Kanasewich_E_/plate_tectonics.pdf

Kastner M., Elderfield H., Martin J.B. Fluids in convergent margins: What do we know about their composition, origin, role in diagenesis and importance for oceanic chemical fluxes? // Philos. Trans. Roy. Soc. Lond. 1991. A 335. P. 243–259.

Katz K.J., Richards D., Long D., Lawrence W. A new look at the components of the petroleum system of the South Caspian basin // J. Petrol. Sci. and Engin. 2000. V. 28. P. 161–182.

Kazmin V.G., Verzhbitskii E.V. Age and origin of the South Caspian basin // Oceanology. 2011. V. 51 (1). P. 131–140.

Knapp C.C., Knapp J.H., Connor J.A. Crustal-scale structure of the South Caspian basin revealed by deep seismic reflection profiling // Marine Petrol. Geol. 2004. V. 21. P. 1073–1081.

Kokh S.N., Sokol E.V., Gustaytis M.A. Mercury Anomaly in Oligocene–Miocene maykop group sediments (Caucasus continental collision zone): Mercury hosts, distribution, and sources // Minerals. 2021. V. 11. 751. https://doi.org/10.3390/min11070751

Kopf A.J. Significance of mud volcanism // Rev. Geophys. 2002. V. 40. P. 1–51.

Kroeger K.F., Crutchley G.J., Kellett R., Barnes P.M. A 3-D model of gas generation, migration, and gas hydrate formation at a young convergent margin (Hikurangi margin, New Zealand) // Geochem., Geophys., Geosyst. 2019. V. 20 (11). P. 5126–5147.

Kufner S.-K., Hüpers A., Kopf A.J. Constraints on fluid flow processes in the Hellenic Accretionary Complex (Eastern Mediterranean sea) from numerical modeling // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2014. V. 119. P. 3601–3626. https://doi.org/10.1002/2013JB010405

Kulm L.D., Suess E., Moore J.C. et al. Oregon subduction zone: Venting, fauna, and carbonates // Science. 1986. V. 231. P. 561–566. https://doi.org/10.1126/science.231.4738.561

Kvenvolden K.A., Kastner M. Gas hydrates of the Peruvian outer continental margin // Proc. Ocean Drill. Progr. Sci. Results. 1990. V. 112. P. 517–526,

Le Pichon X., Foucher J.P., Boulègue J., Henry P., Lallemant S., Benedetti M., Avedik F. Mariotti A. Mud volcano field seaward of the Barbados accretionary complex: A submersible survey // J. Geophys. Res. Solid Earth. 1990. V. 95 (B6). P. 8931–8943.

Le Pichon X., Kobayashi K., Crew K.-N.S. Fluid venting activity within the Eastern Nankai Trough accretionary wedge: A summary of the 1989 Kaiko–Nankai results // Earth Planet. Sci. Let. 1992. V. 109. P. 303–318. https://doi.org/10.1016/0012-821X(92)90094-C

Mangino S., Priestley K. The crustal structure of the Southern Caspian region // Geophys. J. Inter. 1998. V. 133. P. 630–648.

Martin J.B., Kastner M., Henry P., Le Pichon X., Lallement S. Chemical and isotopic evidence for sources of fluids in a mud volcano field seaward of the Barbados accretionary wedge // J. Geophys. Res. 1996. V. 101 (B9). P. 20325–20345. https://doi.org/10.1029/96JB00140

Menapace W. Mud volcanic episodicity: Subduction zone water budget, long-term monitoring and laboratory case studies: Dissertation. Universität Bremen, 2017.

Peters K.E. Guidelines for evaluating petroleum source rock using programmed pyrolysis // AAPG Bull. 2017. V. 70. P. 318–329.

Peters K.E., Walters C., Moldowan M. The Biomarker guide. V. 1. Biomarkers and isotopes in the environment and human history. 2nd ed. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2004. https://doi.org/10.1017/CBO9780511524868

Philip H., Cisternas A., Gvishiani A., Gorshkov A. The Caucasus: An actual example of the initial stages of continental collision // Tectonophysics. 1989. V. 161. P. 1–21.

Saffer D.M., Bekins B.A. Fluid budgets at convergent plate margins: Implications for the extent and duration of fault-zone dilation // Geology. 1999. V. 27(12). P. 1095–1098. https://doi.org/10.1130/0091-7613(1999)027<1095:FBACPM>2.3.CO;2

Spence G.D., Minshull T.A., Fink C. Seismic studies of methane gas hydrate, offshore Vancouver island // Proc. Ocean Drill / Program Sci. Results. 1995. V. 146. P. 163–174.

Suess E., Bohrmann G., Linke P., Collier R.W., Torres M. Gas hydrates and fluid venting from the Cascadia accretionary margin // EOS Trans. AGU. 1996. V. 77 (46). Fall Meet. Suppl., F321.

Thompson L. Plate Tectonics in petroleum exploration of convergent continental margins: Hydrocarbons // AAPG Spec. Vol. 1976. V. M25. P. 177–188.

Tissot B.P., Welte D.H. Petroleum formation and occurred. Berlin: Springer, 1978. 538 p.

von Rad U., Berner U., Delisle G. et al. Gas and fluid venting at the Makran accretionary wedge off Pakistan // Geo Mar. Let. 2000. V. 20. P. 10–19. https://doi.org/10.1007/s003670000033

Ware P., Ichram L.O. The role of mud volcanoes in petroleum systems: Examples from Timor, the South Caspian and the Caribbean // Proc. of Intern. conf. on petroleum systems of SE Asia and Australasia. 1997. P. 955–970.

Westbrook G.K., Reston T.J. The accretionary complex of the Mediterranean Ridge: Tectonics, fluid flow and the formation of brine lakes // Marine. Geol. 2002. V. 186. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/S0025-3227(02)00169-X

Wilson J.T. Did the Atlantic close and then re-open? // Nature. 1966. V. 211 (5050). P. 676–681.

Сведения об авторе

ФЕЙЗУЛЛАЕВ Акпер Акпер оглы – Институт геологии и геофизики НАН Азербайджана. Азербайджан, AZ1143, г. Баку, просп. Г. Джавида, д. 119. E-mail: fakper@gmail.com
Scopus ID 24170958500

FEATURES OF THE ROCK-FLUID SYSTEM OF THE SUBDUCTION ZONE IN THE SOUTH CASPIAN BASIN

© 2021    A.A. Feyzullayev

Institute of Geology and Geophysics, Azerbaijan National Academy of Sciences, Baku, Azerbaijan

e-mail: fakper@gmail.com

Abstract .The purpose of this study is to identify the features of the rock-fluid system in zone of the lithospheric plates subduction using the example of the South Caspian basin (SCB). The methodological approach to solving the intended goal consisted in performing a comparative analysis of the parameters of the hydrocarbon systems in the frontal and rear parts of the accretionary prism. The analysis was carried out using a wide range of field data (measurements of temperatures and pressures in wells), laboratory studies of the properties of rocks, organic matter, oils, gases and formation waters of the hydrocarbon fields. The results of such research methods as rock pyrolysis, biomarker analysis of oils and isotope-geochemical analysis of fluids were used. The spatial heterogeneity of the accretionary prism was established. Its frontal part (the area of the Absheron threshold) is distinguished by higher stress loads, favorable conditions for intense focused heat and mass transfer, characteristic properties of the rock-fluid system and the peculiarities of its oil and gas content.

Keywords: South Caspian basin, subduction, accretionary prism, thermobaric conditions, fluid dynamics, oil and gas content, physic-chemical properties of rocks and fluids.

About the author

FEYZULLAYEV Akper Akper – Institute of Geology and Geophysics, Azerbaijan National Academy of Sciences. Azerbaijan, AZ1143, Baku, H. Javid av., 119. E-mail: fakper@gmail.com
Scopus ID 24170958500

Cite this article as: Feyzullayev A.A. Features of the rock-fluid system of the subduction zone in the South Caspian basin, Geofizicheskie Protsessy i Biosfera (Geophysical Processes and Biosphere), 2021, vol. 20, no. 4, pp. 85–102 (in Russian). https://doi.org/10.21455/gpb2021.4-6

English version: Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2021, vol. 57, iss. 11. ISSN: 0001-4338 (Print), 1555-628X (Online). https://link.springer.com/journal/volumesAndIssues/11485