Горючие сланцы

Термин «горючий сланец» (oil shale) весьма неопределенный. Чаще всего юн означает: «тонкоструктурированная нормально слоистая порода, содержащая органическое вещество, из которого при нагревании выделяется значительное количество нефти». Жидкая нефть в этих сланцах встречается редко, хотя часто присутствуют мелкие жилки, капельные включения и карманы твердых и вязких битуминозных веществ: асфальта, уинтаита и озокерита, которые образовались уже после отвердения осадка. Эти битуминозные вещества растворяются в сероуглероде, однако основная масса органического вещества этих сланцев, называемая керогеном, остается неизменной.
Содержание нефти в самых различных породах — известняках, мергелях, глинистых сланцах, алевролитах и высокозольных углях, которые в общем описаны как горючие сланцы, варьирует от 38 до 550 л/т. Нижнекаменноугольные горючие сланцы Шотландии, действительно представляющие собой сланцы, дают в среднем 90 литров нефти на тонну, тогда как эоценовые горючие сланцы формации Грин-Ривер в Колорадо, Вайоминге и Юте, представляющие собой в основном мергели и доломитистые известняки, в среднем 125 л/т.
Мощность отдельных слоев горючих сланцев варьирует от нескольких сантиметров до 3 м, и иногда однородные пласты простираются на большие расстояния. Изредка горючие сланцы переслаиваются с автохтонными углями.
Кероген. Название «кероген» («образователь нефти») впервые было применено к углеродистому веществу шотландских горючих сланцев, из которого при дистилляции была получена сырая нефть. Имеются некоторые данные, свидетельствующие, что источником нефти является преимущественно вещество живых организмов, но большинство исследователей главную роль отводят растениям. В одних случаях растительные остатки представлены главным образом спорами, например в пермо-карбоновых сланцах Тасмании, в других —водорослями, как в ордовикских сланцах (кукерситах) Эстонии и эоценовых сланцах формации Грин-Ривер Северной Америки. Однако в большинстве месторождений строение керогенсодержащего вещества (желтого, оранжевого, красного и бурого) трудно поддается расшифровке.
Кероген состоит из смеси крупных органических углеводородных молекул, таких, как молекулы некоторых восков и жиров (липидов), нефти, пигментов (изопреноиды и терпеноиды) и некоторых смол (стероиды).
Обстановки накопления. Крупные озера. Обширные континентальные озера особенно хорошо развиты в районах с блоковой тектоникой или тектоническим короблением земной поверхности. Наиболее известные озера такого типа — это эоценовые озера Юинта и Госиют (Колорадо, Юта, Вайоминг), раннекаменноугольное озеро Каделл у восточного окончания Мидленда в Шотландии и озера Нью-Брансуик в Канаде, в которых были отложены каменноугольные горючие сланцы Альберт.
Мелководные участки моря представляют собой участки континентальной платформы или шельфа. На этих участках горючие сланцы образуются в результате накопления кремнистого обломочного материала, характеризуются низкими содержаниями нефти и простираются на площадях в несколько сотен или тысяч квадратных километров. Горючие сланцы часто ассоциируются с известняками, кремнями, песчаниками и фосфатными отложениями, хотя такие ассоциации могут быть обнаружены также в крупных озерах.
Небольшие озера. В небольших депрессиях в болотных районах неорганический обломочный материал смешивается с местным органическим материалом растительного происхождения. При соответствующих условиях здесь могут образоваться горючие сланцы, как, например, кеннельские угли или богхеды. Такие сланцы могут быть мощными и высококачественными, как. например, сланцы третичной угленосной толщи Фушун в Маньчжурии.
Шотландские горючие сланцы. Слои кремнистых горючих сланцев встречены в нижнекаменноугольной группе Ойл-Шейл (верхняя часть толщи песчаников, содержащих известняки) в Лoтиaнce и Файфшире (табл. 12.3). Типичные сланцы представляют собой бурые или черные тонкозернистые породы, дающие при царапании бурую черту. Эти сланцы тонкослоисты, или полосчаты, что, однако, не всегда заметно простым глазом. Сланцы с короблением слоев и с зеркалами скольжения горняки называют «свилеватыми сланцами» в отличие от обычных ненарушенных «плоских сланцев».

Под микроскопом видно, что в этих породах присутствуют остатки планктонных водорослей, множество связанных с ними остатков грибов и бактерий и немного остатков животных. Этот автохтонный органический материал смешан в различных пропорциях с растительным детритом и частично дезинтегрированными фрагментами древесины. Встречаются здесь же миоспоры наземных растений, смолистые и другие органические вещества, осадившиеся, вероятно, из коллоидной суспензии. Наличие большого количества структурно организованных органических остатков с хорошо сохранившимся ячеистым строением указывает на их накопление в придонных застойных условиях, которые в конечном счете приостанавливали дальнейшее разложение.
Горючие сланцы в течение длительного промежутка времени отлагались в озере Каделл. Это озеро было окружено со всех сторон сушей, занимало 3500 км2 в Эдинбургском бассейне — грабенообразной структуре, ограниченной разломами (рис. 12.2). Это пресноводное озеро представляло собой главную морфологическую единицу района в продолжение по крайней мере девяти этапов отложения горючих сланцев, причем на каждом этапе отлагалось до пяти самостоятельных слоев горючих сланцев, мощность которых б настоящее время варьирует от 0,2 до 6 м. Одновременно проявлявшаяся вулканическая деятельность приводила к местным изменениям глубины и формы озера.

Видимо, это озеро неоднократно частично высыхало. В некоторых горючих сланцах и ассоциирующихся с ними водорослевых и оолитовых накоплениях и алевролитах встречаются трещины усыхания и брекчирования. Кроме того, во многих известняках отмечаются признаки раннедиагенетической доломитизации. Однако постоянный, хотя и неравномерный, приток речных вод из крупного дельтового комплекса с востока, по-видимому, предотвратил полное высыхание озера и массовое осаждение солей.
Горючие сланцы формации Грин-Ривер. Породы эоценовой формации Грин-Ривер были отложены в тектонических бассейнах, занятых несколькими континентальными озерами, среди которых наиболее продуктивными были озера Юинта (Колорадо и Юта, рис. 12.3) и Госиют (Вайоминг). В период максимального развития в среднеэоценовое время озеро Юинта занимало площадь 54 000 км2 (озеро Госиют 32 000 км2), причем в это время отложились высококачественные и мощные горючие сланцы, дающие выход нефти 350 л/т. Эта толща известна как «залежь Махогэни».
В этой формации выделяются два типа горючих сланцев. По характерным особенностям сланцев можно определить глубину вод в участках их накопления. Черные сланцы первого типа менее распространены; их черный цвет при выветривании на поверхности переходит в синевато-белый; они содержат структурно организованное органическое вещество, для них характерны трещины усыхания и текстуры брекчирования. Эти сланцы, вероятно, отложились в мелководных участках. Сланцы второго типа очень широко распространены. Это светло- и темно-бурые породы, сменяющие при выветривании свою окраску на темно-желтую; они богаты карбонатами и включают полностью разупорядоченное желтоватое и бурое просвечивающее органическое вещество. Эти сланцы отложились на умеренных глубинах, вероятно на глубине 10—20 м. Желтоватое органическое вещество присутствует в виде длинных тонких полос, параллельных слоистости, тогда как бурое органическое вещество встречается в виде неправильных прожилков и скоплений. В сланцах обоих типов различимы органические остатки, они, по-видимому, представляют собой остатки планктонных водорослей и в меньшей степени спор и пыльцы растений.

Горючие сланцы, обогащенные карбонатами, в литологическим отношении представляют собой мергелистые известняки и доломитистые известняки. В них обычно видна тонкая лентовидная слоистость с резкими верхним и нижним контактами. Эти ленты имеют мощность в среднем несколько миллиметров и представляют собой слой, который у основания сложен крупнозернистым и бедным органикой осадком, а у кровли — более тонкозернистым и богатым органикой материалом. Ленточные текстуры этих сланцев объясняются дифференциальным осаждением минеральных и органических компонентов из сезонно и химически стратифицированных озерных вод, причем наибольшее количество тяжелых обломочных зерен хемогенных карбонатов, а также более легкого планктона осаждалось в летние периоды. Региональные данные указывают на относительно продолжительные теплые летние периоды и холодные влажные зимние периоды со среднегодовой температурой 20°С.
Как и в шотландских горючих сланцах, здесь можно проследить фациальные изменения от наиболее глубоких участков озер (горючие сланцы) к прибрежным (водорослевые, оолитовые и остракодовые известняки) и далее до прибрежных болот и дельт (глины, алевролиты, песчаники, палеопочвы и угли). Временами в краевых частях отлагались туфы и туфосодержащие осадки; возможно, что туфовый материал принимал определенное участие в образовании тонких пропластков, сложенных почти нацело эвгедральными кристаллами анальцима (натриевый цеолит). В виде тонких слоев, переслаивающихся с горючими сланцами, встречаются также кремнистые отложения типа Магади.
Стадии высыхания озер Грин-Ривер характеризовались осаждением необычных солей. В эти периоды озера, вероятно, разделялись на несколько отдельных участков с плайями. Haxколит NaHCO3 встречается в виде отдельных мелких зерен, скоплений размером более одного метра и в виде пластов среди горючих сланцев. В виде мелких зерен в сланцах рассеян давсонит NaAl(OH)3CO3. В отложениях озера Госиют было накоплено около 90 000 млн. т слоистой троны Na2CO3*NaHCO3*H2O или троны, переслаивающейся с галитом, и примерно такое же количество шортита Na2CO3*2СаСО3.