Генерация тепла в осадочных породах

Генерации тепла, выделяющегося при распаде радиоактивных элементов в осадочных породах, вносит определённый вклад в формирование их температурного режима, но относится к числу плохо детерминированных параметров. Её значения сильно зависят от свойств осадочныx пород как адсорбентов радиоактивных элементов, и соответственно от настоящего и прошлого гидрогеологического режима осадочной толщи. Возможно, по этой причине нет прямой связи генерации тепла с пористостью осадков. Можно предположить, что радиоактивные элементы концентрируются в основном минеральной частью породы (её скелетом). Тогда следует ожидать роста объёмной генерации тепла A(z) по мере сокращения пористости пород j(z) с глубиной z по закону, близкому к:

A(z) = A(0) * [ 1 - j(z) ] / [ 1 - j(0) ] (5-14)

В согласии с (5-14) генерация тепла для глин, например, могла бы возрастать в 2.5 раза при погружении породы на глубины 4 - 6 км. Движение флюидов через матрицу осадочныx пород, в том числе и поровыx вод, может нарушать эту зависимость и становиться существенным фактором для накопления радиоактивныx элементов в объёме осадков. Помимо гидрологического режима этот процесс в значительной степени зависит от состава вмещающих пород и флюидов. Известны, например, заметная радиоактивность пород баженовской свиты Западно-Сибирского осадочного бассейна, бурыx сланцев Эстонии и силурийских глин бассейнов Восточного Алжира (Lopatin et al., 1996; Makhous et al., 1997).

Влияние локально-временныx факторов на концентрацию радионуклоидов в осадочныx породаx значительно, но не всегда имеются средства её измерения. В общем случае генерация тепла радиоактивности, А (mW/m³), выражается через концентрации калия Ск (в весовых процентах в породе), урана Сu и тория Стh (в ppm=10^-6 г/г) (Ilkusik, 1995; Yalcin et al., 1997):

A = r (3.35 Ск + 9.79 Сu + 2.64 Стh)´10^-5

Табл. 2-5 Среднее содержание теплогенерации радиоактивных элементов в осадочных порода (Rybach, 1996)

(1 ppm=10-6 г/г)

где r плотность (в кг/m³). Средне-мировые содержания радиоэлементов и теплогенерации радиоактивности в осадочных породах приведены в Табл 2-5, из которой видно, что максимальная генерация радиогенного тепла характерна для глинистых сланцев, а минимальная – для солей и ангидритов.

При моделировании бассейнов часто используют некоторые средние значения генерации тепла радиоактивности для пород разной литологии, опирающиеся на измерения теплофизических свойств пород в различных районах мира (табл. 1-4 и 2-5; Смирнов, 1980; Сальников, 1984; Cermak et al., 1990: Ungerer et al.,1990; Rybach, 1996). Считают, что эти значения характеризуют уплотнённые породы с пористостью близкой к нулю (почти матрицу). Тогда в моделировании полагают, что в среднем генерация тепла в осадках по мере их погружения меняется по закону (5-14): A(z)=A_o×[1-j(z)] (см. правый Рис. 2-5).

Для реального осадочного разреза вклад тепла от радиоактивных элементов в осадках в поверхностный тепловой поток растет с толщиной осадочного покрова (см. разницу между сплошной и пунктирной кривыми на рис. 3-5) и для бассейнов с мощным осадочным заполнением может достигать 20 мВт/м², как в случае Восточно-Беринговоморского бассейна (рис. 3-5), где оно составляет почти 30% от значения поверхностного потока (Вержбицкий, 2002). Столь же значительный вклад радиогенного тепла (до 26%) предполагается и для бассейна Мексиканского залива (McKenna et al., 1998).

Известно, что породы нефтематеринских свит характеризуются повышенным содержанием радиоактивных элементов и в связи с этим ряд исследователей полагают, что выделение тепла от распада радиоактивных элементов в материнских породах может существенно ускорить процесс созревания в них органического вещества (Бяков и др., 1987). Мы провели прямую проверку этого утверждения, осуществив сравнительные расчеты

Рис. 3-5 Эволюция теплового потока в истории Восточно-Баренцевоморского бассейна в районе Штокмановской площади.

(Отклонения сплошной кривой от пунктирной обязаны в основном вкладу радиогенного тепла осадочных пород.)

температурно-временной истории бассейна для двух вариантов, отличавшихся значением генерации радиоактивного тепла в нижнем слое силурийских глин (табл.2-3; Makhous et al., 1997). Содержание U и Th в верхних 70 метрах силурийских глин достигало 25 ррm и 10 ppm (1 ppm=10-6 г/г), соответственно. В расчетах мы принимали для одного варианта значение A = 0.84 мкВт/м3, которое отвечало средней величине для данного типа пород в разрезе скв. Такхухт (табл. 2-3), а для второго - A = 6.7 мкВт/м³, что соответствовало измеренному содержанию U и Th в силурийских глинах. Ещё до численных расчётов, применяя простые оценки в рамках стационарной термической модели, можно сказать, что увеличение внутренней генерации тепла на 5.9 мкВт/м3в слое мощностью 70 м приводит к росту поверхностного теплового потока всего лишь на 0.42 мВт/м², что составляет менее 1% его величины. Такими же ожидаются и следствия для теплового режима осадочного слоя. Строгие расчёты, проведённые с применением системы моделирования бассейнов ГАЛО, показали, что если современная температура в основании осадочного слоя в модели со значением А= 6.7 мкВт/м3составляла Т=108.8°С на глубине z=4.1 км (основание осадочной толщи), то в модели с А=0.84 мкВт/м3 она была ниже приведённого значения всего лишь на 0.45°С. Современные температуры в основании и подошве самого слоя силурийских глин отличались в обоих вариантах всего лишь на 0.4°С, что соответствовало смещению глубин изотерм осадочной толщи не более 30 м за всю историю развития бассейна. Аналогичные расчеты были повторены и с вариацией генерации тепла в пределах 42 метрового слоя баженовской свиты Талинской площади Западно-Сибирского бассейна (Lopatin et al., 1996). И здесь увеличение генерации тепла в пределах нефтематеринской свиты в 10 раз имело следствием минимальное поднятие изотерм на 10-30 м и рост современныx температур в разрезе менее чем на 0.5°C. Таким образом, тепловой эффект выделения аномального тепла радиоактивности в сравнительно узких слоях нефтематеринских пород (не толще 100-150 м) не может иметь заметного влияния на температурную историю и процесс созревания ОВ в этих породах. Ошибочность противоположного мнения, разделяемого и некоторыми геологами, основана на ложном представлении о теплоизолированности рассматриваемых аномальных слоев. Длительное время теплового контакта с вмещающими породами, заметная теплопроводность и теплоемкость пород - все это приводит к размазыванию тепловой аномалии на большой интервал глубин с понижением ее амплитуды до незначительных величин, как это и было показано выше.