Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 493, № 2, стр. 51-55

Прогноз зон нефте- и газонакопления в морских акваториях требует детального изучения органического вещества (ОВ), а также геологических условий формирования нефтяного потенциала донных отложений [1, 2]. В Баренцевом море природа голоценовых осадков в основном морская терригенная с заметным влиянием погребенных аллювиальных фаций в прибрежной части шельфа и ледово-морских на севере акватории [3]. Процессы раннего диагенеза, усложненные биотурбацией, протекают в условиях термодинамической неравновесности [4].

С целью выявления геохимических особенностей ОВ Баренцева моря были проведены битуминологические исследования донных осадков, а в их составе углеводородов (УВ) в пробах, отобранных в 68 рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш” (июль–август 2017 г.). Опыт морских исследований показывает, что надежная и наиболее полная расшифровка состава ОВ возможна только при использовании всего комплекса диагенетических параметров [5].

Донные осадки отбирали с помощью дночерпателя “Океан” и мультикорера. В лабораторных условиях выделяли хлороформенный битумоид (ХБ). Комплекс аналитических исследований включал: изучение структурно-группового состава ХБ и их фракций методом ИК-Фурье спектроскопии; содержание С_орг методом сухого сожжения; состав насыщенных УВ-методом хромато-масс-спектроскопии. Подробности аналитических процедур описаны [5, 6].

Согласно полученным данным содержание ХБ в поверхностном слое донных осадков изменялось от 12 до 336 мкг/г, при среднем 104 мкг/г (табл. 1). Для различных районов Баренцева моря средние концентрации ХБ уменьшались в последовательности (мкг/г сухого веса): арх. Н. Земля (174) > арх. Шпицберген (131) > Западная часть (78) > Центральная часть (68) > Земля Франца Иосифа – ЗФИ (52). В этой же последовательности изменялись их концентрации в составе ОВ, которые в среднем колебались в интервале 2.91% (Н. Земля) – 0.52% (ЗФИ). Наиболее высокие концентрации ХБ приурочены к илистым осадкам: в северной оконечности арх. Н. Земля (станции 5566 и 5567) и на шельфе арх. Шпицберген – в восточной части (на станциях 5551 и 5552 –226–267 мкг/г) и южной части (на станциях 5532 и 5531 – 179–211 мкг/г, рис. 1). На этих станциях содержание С_орг превышало 1%. Минимальное содержание ХБ (12 мкг/г) установлено в песчанистом осадке на Мурманской банке на ст. 5581 (рис. 1) при содержании С_орг 0.032%. Наши данные по содержанию ХБ совпали с полученными ранее в осадках восточной части Баренцева моря, где их величины изменялись в интервале 100–300 мкг/г в алевритовых и пелитовых разностях [7].

Рис. 1.

Распределение ХБ (мкг/г) в поверхностном слое донных осадков и изменение концентраций ХБ на отдельных станциях в осадочной толще. 5522–5581 – номера станций отбора проб. Цифрами 1, 2…10 обозначены нефтегазовые месторождения: 1 – Штокмановское газоконденсатное; 2 – Ледовое газоконденсатное; 3 – Лудловское газовое; 4 – Мурманское газовое; 5 – Северо-Кильдинское газовое; 6 – Голиаф нефтяное; 7 – Снёвит газовое; 8 – Альта нефтяное; 9 – Йохан Кастберг нефтяное; 10 – Вистинг нефтяное.

Практически во всех районах моря в составе ХБ доминировала фракция УВ, максимально на шельфе Норвегии на ст. 5579 – 85%. В остальных районах моря концентрации УВ были близкими, и в среднем колебались в интервале от 41% (район арх. Шпицбергена) до 45% (район арх. Н. Земля). Средние концентрации изменялись в поверхностном слое в последовательности (%): УВ (46) > > спирто-бензольные смолы (24) > асфальтены (15) > бензольные смолы (14).

В осадках Западно-Новоземельского желоба (ст. 5565, глубина 350 м) в отличие от других районов моря установлено аномально высокое содержание асфальтенов (72%, табл. 1), что характерно для преобразованного ОВ [5]. На соседней ст. 5566 (глубина 180 м) доля асфальтенов снижалась до 8%. На стадии диагенеза накопление смолисто-асфальтовых компонентов тесно связано с составом и окислительно-восстановительной обстановкой осадка, а также глубиной моря. Известно, что с увеличением глубины моря растет количество асфальтенов в осадках, а асфальтоногеновых кислот и спиртобензольных смол уменьшается [8].

Изменчивость концентраций ХБ в голоценовых осадках Баренцева моря носила различный характер (рис. 1). На шельфе Норвегии (ст. 5579) и на севере Западно-Новоземельского желоба (ст. 5565) происходило плавное уменьшение содержания ХБ с глубиной захоронения (на ст. 5565 в 1.6 раз к слою 20 см). На ст. 5542 в Медвежинском желобе в толще осадков содержание ХБ уменьшалось в 1.5 раза до слоя 20 см, где его концентрация достигала 64 мкг/г, а при переходе от слоя 15–20 см к слою 20–25 см, наоборот, увеличивалось до 81 мкг/г.

На ст. 5560 на шельфе ЗФИ при переходе от слоя 0–3 к слою 5–10 см содержание ХБ резко возрастало (в 3.7 раза с 80 до 298 мкг/г), а к слою 15–20 см уменьшалось в 6 раз до 49 мкг/г. При этом в групповом составе ХБ на всех горизонтах УВ (68–72%) преобладали над смолисто-асфальтеновыми компонентами (27–32%). Близкое распределение ХБ наблюдалось в осадочной толще на ст. 5572 в Центральном желобе, где содержание ХБ увеличивалось в 4 раза с 79 до 326 мкг/г в слое 5–10 см, а затем уменьшалось к слою 20 см в 2 раза до 138 мкг/г. В составе ХБ также доминировали УВ, но их доля в составе ХБ была меньше, чем на ст. 5560 – всего 53–59%, а количество смол и асфальтенов колебалось от 41 до 47%.

В противоположность этому на станциях 5533 и 5555 в шельфовой части арх. Шпицберген и в центральной части (ст. 5548) содержание ХБ изменялось от слоя к слою, но наиболее высокие концентрации установлены в нижнем горизонте (до 270 мкг/г, ст. 5548, рис. 1). В составе ХБ с глубиной захоронения концентрации УВ плавно увеличивались на ст. 5555 с 48 до 58% к слою 20 см. Такое изменение состава ХБ в толще осадков может происходить при трансформации нефтяных УВ, что приводит к изменению доли смолистых компонентов [9], в Баренцевом море в наших исследованиях с 52 до 43%. В осадках ст. 5555 согласно ИК-спектрам в составе ХБ преобладали УВ с метиленовыми и метильными группами (полосы поглощения (п.п.) – 1460, 1380, 720 см^–1) над кислородсодержащими карбонильными и эфирными группами (п.п. 1700–1740, 1170 см^–1). В толще осадка увеличивались структурные группы, соответствующие ароматическим нефтяным УВ с незамещенными атомами водорода в бензольном кольце (п.п. 750, 810, 880 см^–1) и ароматических циклов (п.п. 1600 см^–1) [6].

В толще осадков на ст. 5548 в групповом составе ХБ также возрастало количество УВ с 33% на гор. 0–5 см до 51% к гор. 20–25 см. Однако в ИК-спектрах ХБ доминировали соединения с длинными метиленовыми цепями, как в углеводородной, так и в асфальтово-смолистой фракции (дублет в области 720–730 см^–1) и отсутствовали полосы, характерные для ароматических структур.

В составе насыщенных УВ донных осадков доминировали н-алканы, доля которых в среднем составила 78%, а концентрация более устойчивых изо-алканов, – всего 11%, при отношении изо-алканов к н-алканам 0.14. В большинстве проб преобладали   высокомолекулярные   гомологи н-алканов, о чем свидетельствуют значения отношения Σн-С₁₃–С₂₀/Σн-С₂₁–С_35, в среднем – 0.36. Довольно низкие значения величины CPI (отношение нечетных к четным алканам), которые в высокомолекулярной области изменялись в интервале 1.28–3.66 (в среднем 1.94), может указывать на незначительное преобразование УВ. Примечательно, что в осадках Штокмановской площади величины CPI были еще ниже: 0.72–1.83 [10] и были ниже значений, характерных для гумусового рассеянного ОВ раннедиагенетической стадии трансформации: 1.5–4.4 [7]. Значения CPI обычно увеличиваются при трансформации УВ, так как в составе н-алканов возрастает серия нечетных более устойчивых терригенных гомологов [5, 11]. Для сравнения: в голоценовых шельфовых осадках Карского моря величины CPI_22–33 изменялись в интервале 2.5–8.1, при средней CPI_22–33 величине 5.2 [12].

Распределение маркеров в составе алканов свидетельствовало о разных процессах, происходящих в осадочной толще. На отдельных станциях с глубиной захоронения наблюдались изменения в низкомолекулярной области н-алканов (станции 5533, 5542, рис. 2). При этом при переходе от окисленного к восстановленному слою состав алканов становился более “автохтонным”, чем в поверхностном, так как возрастало количество низкомолекулярных гомологов, и на станциях 5531 они доминировали в составе алканов: Σн-С₁₃ – – С₂₀/ΣнС₂₁ – С₃₅ = 1.42. Повышенные величины этого отношения установлены на ст. 5533 (0.82) и ст. 5555 (0.52–0.64) (рис. 2). Малую степень деградации алканов подтверждают также значения коэффициента изопреноидности – Ki = (Σ(Pr + + Ph)/Σ(н-С₁₇ + С₁₈), которые близки к 1 (в среднем 1.18). Последнее также может указывать на незначительный вклад микробиальных процессов в состав алканов [13]. Величины Ki практически равны в поверхностном и подповерхностном слоях осадков, так как не происходит утраты низкомолекулярных гомологов с глубиной захоронения (рис. 2). В толще осадков значения основных маркеров мало изменялись (рис. 2б).

Рис. 2.

Изменение алканов и распределение основных маркеров в их составе. (а) – в поверхностном слое 1 – ст. 5525, 2 – ст. 5531, 3 – ст. 5532; (б) – в толще осадков на ст. 5542: 1 – 0–5 см, 2 – 5–10 см, 3 – 10–20 см.

Таким образом, в зависимости от условий осадконакопления содержание ХБ для различных районов изменялось в среднем в 5.4 раза (табл. 1). Геохимическая обстановка накопления и начальная стадия преобразования ОВ накладывает свой отпечаток на состав ХБ и в первую очередь на содержание и состав УВ. На участках шельфа, где доминируют процессы устойчивой аккумуляции (ст. 5579), формируется голоценовая толща с наименьшей изменчивостью ХБ. Аномалии в составе ХБ с глубиной захоронения позволяют предположить в качестве их источника поступление УВ из нижележащих горизонтов. Высокий нефтегазоносный потенциал Баренцева моря и особенности поверхности морского дна (воронки покмарков) делают данное предположение вполне обоснованным. Особенно это относится к углеродистым осадкам на шельфе арх. Шпицберген и осадкам Медвежинского желоба (станции 5525, 5533, 5555). Исследования потоков метана установило повышенную их эмиссию из донных осадков вблизи Стур-фьорда на ст. 5531 (до 4140 нмоль л^–1) в воде у дна, при фоновом 50–800 нмоль л^–1 [14]. Считается, что УВ могут двигаться во флюидных потоках как отдельная фаза по порам осадочных пород и оставлять геохимический след в поверхностных осадках благодаря аккумуляции, особенно в местах газовой разгрузки [15]. Низкие величины CPI (рис. 2), свидетельствующие о слабой степени деградации алканов, могут служить подтверждением этого предположения.