Введение

Согласно воззрениям ряда геологов-нефтянников [3, 7, 9, 10, 13, 14, 15] возникновение и размер месторождений глубинных углеводородов нефтяного ряда контролируется комплексом палеотектонических и геотермических процессов, таких как преобладание глубинных субвертикальных, а не субгоризонтальных тектонических движений в определенных зонах под поверхностью Земли, а также плотностью теплового потока, зависящей от электромагнитных параметров в недрах литосферы и более глубоких слоях мантии, то есть таких параметрах мантийной среды, которые способствуют созданию каналов преимущественно вертикальной миграции углеводородов из недр к поверхности Земли. Кроме того, в мантийных очагах генерации глубинных углеводородов нефтяного ряда должны существовать соответствующие термобарические условия для преобразования первичных углеводородов в более сложные формы нефтяного ряда. Для обоснованного физико-химического выявления закономерностей размещения месторождений нефти и газа на наш взгляд, необходимо обратиться к фундаментальным теоретическим исследованиям по определению глубинных генетических критериев нефтегазоносности недр, начатым еще Дмитрием Ивановичем Менделеевым, продолженных работами академика Кудрявцева Н.А. [7], профессоров Порфирьева В.Б. [10], Тимурзиева А.И. [15], Валяева Б.М. [3], Сейфуль-Мулюкова Р.Б. [13], Павленковой Н.И. [9], Сывороткина [14], объясняющих природу возникновения углеводородов (УВ), физические механизмы их пространственной миграции и физико-химические условия, необходимые для сохранения углеводородов в недрах Земли. Согласно работ Кудрявцева Н.А. и Порфирьева В.Б. [7, 10], а также и многих других ученых, работавших в области теории происхождения нефти и газа [3, 9,13, 14, 15] основными зонами, где могут происходить физико-химические процессы термодинамического преобразования простых глубинных газообразных углеводородов (СН₄) в химически более сложные полужидкие и жидкие формы углеводородов (газоконденсаты, нефть) и твердые формы углеводородов (угли) являются глубинные зоны с повышенными температурами и гидродинамическим давлением, характерные в первую очередь для зон субдукции (и палеосубдукции), переферийных частей срединно-океанических хребтов и зон глубинных мантийных плюмов.

Результаты проведенных исследований

В результате решения обратной задачи гравитационного потенциала по спутниковым гравитационным данным, представленным в редукции Фая, вдоль профиля по 30 градусу с.ш. (рис.1) [16], с использованием методик трансформации поля в нижнее полупространство, изложенных в [17], а также на основе наших расчетов электромагнитных неоднородностей по спутниковым геомагнитным данным и на их основе расчета температурных (Т) параметров мантии и построения по ним геотермического разреза (рис. 2) пока до максимальной глубины 1700 км, в районе Тихоокеанского региона можно сказать следующее. Пересчитанное в нижнее полупространство гравитационное поле, отражающее распределение плотностных неоднородностей с глубиной мантии (рис. 1), не выделяет мелких особенностей из-за достаточно большого интервала дискретизации поля (dL = 40 км), кроме двух относительно узких, почти горизонтальных, выклинивающихся к центральной части океана, слоев (с максимальной вертикальной мощностью равной приблизительно dd = 150 км), расположенных на глубинах d₁ = 2750 км — 2900 км и d₂ = 5000 км – 5150 км, в недрах западной части Тихоокеанского региона.

Рисунок 1. Широтный разрез трансформированного в нижнее полупространство гравитационного поля (dg), в районе Тихоокеанского мантийного плюма, проходящий по 30-му градусу северной широты, построенный по осредненным гравитационным данным нескольких КА «SEASAT-1», «GEOS-3» и др. Справа от разреза приведена шкала значений квадрата интенсивности гравитационного поля в (в милигаллах в квадрате). Слева на рисунке цифрами обозначена глубина разреза недр Земли (в километрах). На верхней шкале рисунка цифрами обозначены значения географической долготы (восточной — в.д., западной – з.д.) профиля, по которому построен данный разрез (в градусах). 1 – почти вертикальная гравитационная неоднородность, связанная с глубинными «корнями» Тихоокеанского (Гавайского) мантийного плюма. Буквами на разрезе обозначены соотверстующие области мантии и ядра Земли: В – верхняя мантия; С – переходная зона мантии; D – нижняя мантия; D’ – тонкий граничный слой Гутенберга, разделяющий нижнюю мантию и внешнее ядро; E – внешнее ядро; F – тонкий слой, разделяющий внешнее и внутреннее ядро; G – внутреннее ядро. Горизонтальные черные линии на гравиметрическом разрезе Земли с цифрами в квадратиках указывают величину среднего для всей Земли гидростатического давления (Р) в ее недрах (в Паскалях*10¹⁷).

Рисунок 2. Глубинный геотермический разрез (T_cel) мантии Земли, по данным трансформированной в нижнее полупространство индукционной составляющей геомагнитного поля вдоль витка № 1226 КА «MAGSAT». Слева на рисунке цифрами обозначена глубина разреза недр Земли (в километрах).

Выделенный на гравиметрическом разрезе почти горизонтальный разуплотненный слой, с диапазоном глубин (d₁ = 2750 км – 2900 км) в целом соответствует зоне D”, с границей (Гутенберга) между нижней мантией и внешним ядром Земли, выделенной академиком Пущаровским Д.Ю. [11] и в старой и в новой модели недр Земли. Кроме того, почти вертикальная разуплотненная неоднородность, простирающаяся только до глубины 2300 км (соответствующая нижней границе зоны раздела-2 между средней и нижней мантией по новой модели акад. Пущаровского Д.Ю.), выделяется в центральной части Тихоокеанского региона (примерно 180 градус в.д.) и, по-видимому, может быть связана с плотностной неоднородностью Гавайского мантийного плюма (рис. 1). На этой почти вертикальной плотностной неоднородности Гавайского мантийного плюма можно видеть (рис. 1) горизонтальную впадину на глубине около 400 километров, почти разделяющую эту субвертикальную плотностную неоднородность на две части (верхнюю и нижнюю). По-видимому, эта горизонтальная впадина, разделяющая Гавайский мантийный плюм на две части, может быть связана с одной из сейсмических скоростных и соответственно плотностных границ верхней мантии. Другая небольшая неоднородность, в виде клиновидной горизонтальной выпуклости на глубине примерно 1700 км, на поверхности западной границы плотностной неоднородности Гавайского мантийного плюма, по-видимому, соответствует нижней границе между средней мантией (d_D = 740 км — 1700 км по новой модели акад. Пущаровского Д.Ю. [11]) и зоной раздела-2. Другой почти горизонтальный относительно разуплотненный слой, расположенный на глубине около d_F = 5000 км — 5150 км и обозначенный на рис. 2 буквой-F, по-видимому, может быть связан с зоной физического или химического перехода от внешнего ядра к внутреннему ядру Земли. Кроме того, согласно проведенных теоретических расчетов величины гидростатического давления (Р) для сферически однородной Земли [6] на рис.1 были проведены изолинии среднего гидростатического давления (в P * 10¹² дин/см²) в зависимости от глубины мантии Тихоокеанского региона. Расчеты гидростатического давления в недрах Земли были проведены с использованием данных сейсмической модели «Земля-2» Гутенберга-Рихтера [6]. Решение обратной задачи магнито-теллурического зондирования по спутниковым геомагнитным данным [8, 12, 16, 17] позволило рассчитать и построить разрез геотермических неоднородностей мантии Тихоокеанского региона (рис. 2) в частности, на примере данных витка № 1226  КА «MAGSAT», в пределах от 8-го до 55-го градуса северной широты [16]. В частности, на рис. 2, можно видеть, что температура в недрах мантии сильно изменяется, как в зависимости от глубины невозмущенной мантии (T = 0^оС — 5000^оС), так и в зависимости от географических координат местности. Для сравнения приводим теоретически рассчитанные кривые оценок распределения температуры в зависимости от глубины невозмущенной мантии (рис. 3).

Рисунок 3. Теоретическая диаграмма распределения значений температуры (T_cel) в градусах Цельсия в зависимости от глубины мантии [1]. 1 – температура плавления; 2 – температура плавления форстерита; 3 —  температура плавления базальта; 4 —  оценка температуры по электропроводности пород мантии; 5 – оценка температуры по адиабатическому градиенту; 6 —  оценка температуры по градиенту проводимости; 7 – оценка температуры невозмущенной мантии по спутниковым электромагнитным данным (т.е. мантии вне «корневых» структур рифтовой, субдукционной и плюмовой зон); 8 — оценка температуры высокотемпературных зон мантии по спутниковым электромагнитным данным (т.е. мантии в «корневых» структурах рифтовой, субдукционной и плюмовой зон); х – теоретические оценки температуры плавления железа на границе между мантией и ядром Земли.

Как видно, из рисунка 3, наши оценки изменения температуры (Т) с глубиной (d) в невозмущенной мантии по спутниковым экспериментальным данным не сильно отличаются от приведенных теоретических кривых распределения температуры с глубиной. По нашим расчетам температура (T) мантии в центральных частях рифтовой и субдукционной зон Тихого океана может превышать 5000^оС. Видно, что аномальная температурная неоднородность рифтовой зоны своими «корнями» уходит глубоко в нижнюю мантию Земли, глубже 1700 км. По данным некоторых исследователей мантийные неоднородности, связанные с глобальной системой рифтовых и суперплюмовых зон Земли берут свое начало на границе ядро – мантия (граница Гутенберга) [6, 14]. Мы также провели сравнение фазовых Р-Т – диаграмм, построенных по нашим экспериментальным спутниковым данным и теоретически рассчитанных фазовых Р-Т – диаграмм (рис. 4), приведенных в [1].

Рисунок 4. Теоретические и экспериментальные термобарические (Р-Т) фазовые диаграммы для океанических и континентальных областей мантии Земли [1].  На нижней шкале рисунка цифрами обозначены значения глубины разреза недр Земли (в километрах). Слева на рисунке цифрами обозначены значения температуры в мантии Земли (в градусах Цельсия). 1 – поведение (Р-Т) кривой, полученной авторами данной статьи по спутниковым данным для невозмущенной мантии (вне «корневых» зон рифтовых, субдукционных и плюмовых структур); 2 – поведение (Р-Т) кривой, полученной авторами данной статьи по спутниковым данным для высокотемпературных зон мантии (в «корневых» зонах рифтовых, субдукционных и плюмовых структур); 3 – предполагаемые теоретические (Р-Т) оценки для океана; 4 – предполагаемые теоретические (Р-Т) оценки для докембрийского щита. На верхней шкале рисунка цифрами обозначены значения гидростатического давления (Р) в мантии Земли (в Паскалях*10¹⁴). Зона плавления пород мантии обозначена штриховыми линиями. Более темная зона с редкой вертикальной штриховкой обозначает зону начального интервала  плавления пород мантии. Более светлая зона с частой горизонтальной штриховкой обозначает зону конечного интервала (сухого) плавления пород мантии. Зона, обозначенная черными кружочками является переходной зоной в мантии между преобладанием пород гранат-перидотитового состава и пород бетта-шпинель-гранатового состава. Буква V на диаграмме — обозначает наличие в составе горных пород водяного пара не менее 0.1%.

Еще один физический механизм, который вероятно может работать в достаточно низкотемпературных зонах поддвига литосферных океанических плит под континентальные, за счет смешивания основной части глубинных газообразных углеводородов поступающих из переходной зоны мантии (средней мантии по новой модели Земли Пущаровского Д.Ю.) и очень небольшой части затянутых вглубь субдукционной зоны поверхностных осадков морского дна, ранее впитавших дегазирующиеся из мантии углеводороды. Физическое подтверждение существования зоны наклонного контакта двух тектонических плит – то есть возможного постепенного погружения Тихоокеанской плиты под континентальную Азиатскую (субдукционной зоны на 140 градусе в.д.), в пределах западной бортовой части Тихоокеанского мантийного плюма, подтверждается нашими результатами решения обратной задачи по геомагнитным данным спутника MAGSAT, полученных вдоль 20 градуса северной широты (рис. 5).

Рисунок 5. Широтный комплексный геофизический разрез мантии Земли вдоль 20^о северной широты: 1 – вертикальная составляющая (Z_a) аномального магнитного поля вдоль 20^о с.ш. по данным КА «MAGSAT»; 2 – модуль вектора (dT_a) аномального магнитного поля вдоль 20^о с.ш. по данным КА «MAGSAT»; 3 – значения гравитационного поля в редукции Глени (dg_b) вдоль 20^о с.ш. по данным морских гравиметрических измерений [5, 2]; 4 — значения теплового потока (q) вдоль 20^о с.ш. по данным морских геотермических измерений [6]; 5 – глубина до поверхности океанического дна; 6 – глубина (d) до поверхности Мохоровичича [6]; 7 – определение глубинных границ и параметров слоев литосферы (плотность пород в г/см³) по данным гравитационного поля, а также скорость (V_p) сейсмических волн (км/сек) по данным сейсмологии [5]; 8 — определение глубинных электромагнитных границ по данным аномального магнитного поля; 9 – зоны частичного плавления горных пород в зоне Восточно-Тихоокеанского рифта; звездочками обозначено расположение гипоцентров землетрясений за период работы на орбите КА «MAGSAT». Слева на рисунке цифрами обозначена глубина разреза недр Земли (в километрах).

То есть одним из важнейших факторов генерации и восполнения запасов месторождений углеводородов остаются температура и давление в недрах. Для осуществления процесса образования сложных углеводородов нефтяного ряда основными условиями являются достаточная температура недр и наличие «каналов» постоянного притока углеводородов из глубин мантии к приповерхностным слоям. Исследования палеотемпературных условий образования нефтегазоносных толщ показывают, что основные запасы нефти (т.е. жидких сложных УВ) размещаются в глубинных зонах с палеотемпературами от 75^оС до 400^оС.

На примере полученных геотермических разрезов было проведено разделение мантии на слои водонасыщенных пород (гидросфера), паронасыщенных пород (паросфера) и нефтенасыщенных (петрогидросфера), газонасыщенных углеводородосодержащих пород (петрогазосфера).