Грязевые вулканы

Московский  Государственный  Университет  им. М.В. Ломоносова  
 

Кафедра: Геологии и геохимии горючих ископаемы[

            Дисциплина: Общая геология 
 
 
 

     Курсовая  работа на тему : Грязевые вулканы 
 
 
 
 
 

Выполнил: Карпенко Евгений Олегович

Проверил: 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2011 
 
 
 

     Содержание

     Введение  …………………………………………………………………..3

1. Распространение  грязевых вулканов ………………………………………..4

2. Характер  извержений грязевых вулканов  …………………………………..9

3. Строение  и морфология грязевых вулканов  ………………………………..13

4. Условия проявления грязевого вулканизма ………………………………14

5. Механизм формирования грязевых вулканов ………………………………17

6. Явления, сопутствующие грязевому вулканизму …………………………19

7. Грязевые вулканы Сахалина …………………………………………………22

Заключение ………………………………………………………………………25

Список  литературы …………………………………………………………….26

     Введение

     Грязевые  вулканы распространены на участках с мощным осадочным слоем земной коры, особенно в пределах нефтегазоносных  площадей, где в разрезе, как правило, присутствуют глинистые породы, служащие покрышкой залежей. Наличие глин является необходимым фактором развития грязевого вулканизма.

     Грязевые  вулканы в какой-то мере являются аналогом магматических вулканов, однако в отличие от них на поверхность  земли извергается не раскаленная  лава, а в разной степени разжиженные  осадочные породы, которые носят  название грязевулканической или сопочной брекчии. Сопочная брекчия, как и  лавовые потоки, радиально распространяется из кратера. В целом продукты грязевого  вулканизма аналогично продуктам магматического вулканизма состоят из твердых, жидких и газообразных компонентов.

     Тема  работы является актуальной, т.к. при грязевулканических извержениях наблюдались нефтепроявления. Грязевые вулканы, очевидно, являются вероятными спутниками нефтяных и газовых залежей в недрах земли. Поэтому изучение грязевых вулканов является перспективным направлением поиска нефтяных и газовых месторождений, в том числе и на морском дне.

     Цель  работы – охарактеризовать грязевые вулканы.

     При написании курсовой работы решались следующие задачи:

- описать распространение грязевых вулканов;

- описать  характер извержений грязевых вулканов;

- рассмотреть строение и морфологию грязевых вулканов;

- охарактеризовать  состав продуктов извержений;

- рассмотреть  условия проявления грязевого  вулканизма;

- описать  механизм формирования грязевых вулканов и явления, сопутствующие грязевому вулканизму;

- рассмотреть  особенности грязевых вулканов на Сахалине. 

     1. Распространение грязевых вулканов

     Грязевые  вулканы можно встретить практически повсеместно, где мощность осадочных пород достигает первых километров. В число таких участков входят как наземные области, так и акватории морей и океанов – начиная от шельфовых областей и кончая глубоководными (более 2–3 км) зонами. Число обнаруженных к настоящему времени действующих (или временно неактивных) грязевых вулканов уже превышает несколько тысяч. Ежегодные исследования, особенно морские, приносят все новые и новые открытия. Учитывая такую тенденцию, можно уверенно сказать, что количество грязевых вулканов на Земле вполне сопоставимо с таковым для магматических вулканов.

     В распределении грязевых вулканов наблюдается та же закономерность, что и для магматических вулканов – подавляющая их часть приурочена к Альпийско-Гималайскому и Тихоокеанскому подвижным поясам (рис. 1). Грязевые вулканы выявлены в заливе Кадиз Восточной Атлантики, на побережьях и акваториях Средиземного, Черного и Каспийского морей, в Закаспии, Индии и Бирме, на многочисленных островах Тихого океана, в северо-восточной Мексике, Венесуэле, Колумбии, а также в других районах подвижных поясов. Найдены грязевые вулканы и в тектонически пассивных условиях, в частности в районе Мексиканского залива, на плато Воринг (северо-восточная Атлантика) и на континентальной окраине Норвегии¹. Таким образом, грязевой вулканизм можно считать глобальным геологическим явлением.

Рис. 1. Схема распределения грязевых вулканов на земном шаре²

     Как наземные, так и подводные грязевые вулканы очень редко бывают одиночными; чаще они группируются в грязевулканические провинции разных размеров.

     Наиболее  крупные провинции грязевых вулканов сосредоточены в юго-восточной  и северо-западной частях Кавказа.

     В пределах Азербайджана (Апшеронский  полуостров, юго-западный Гобустан и  Нижнекуринская впадина) закартировано  свыше 220 грязевулканических структур. Обычно они связаны с антиклинальными  поднятиями, отчасти контролируются тектоническими разломами и иногда пространственно совпадают с  крупными нефтяными и газовыми месторождениями.

     В северо-западной части Западно-Кубанской  впадины, на Таманском полуострове, а также в пределах Керченского  полуострова располагается еще  одна крупная грязевулканическая провинция. Здесь зафиксировано свыше 100 грязевулканических проявлений.

     Менее крупные грязевулканические провинции, в состав которых входит обычно несколько  десятков грязевых вулканов, установлены  в Италии (долина р.По, о.Сицилия), в  Албании, в Румынии, в западной Туркмении, в пределах Горганской равнины Ирана, на макранском побережье Ирана и  Пакистана, в северном Белуджане Пакистана, в Джунгарии (КНР), в западных районах Бирмы, на островах Малайзии и Индонезии, на острове Новая Гвинея. Характерно широкое распространение грязевых вулканов на острове Сахалин, на островах Хонсю и Хоккайдо (Япония), а также в Новой Зеландии.

     В западном полушарии грязевые вулканы  известны на острове Тринидад (государство  Тринидад и Тобаго), в Венесуэле  и в северной Колумбии; они установлены  также на побережье Мексиканского  залива, в Калифорнии, в Гренландии и в Исландии³.

     Местные названия грязевых вулканов варьируют  в очень широких пределах; их именуют  сальзами, макалубами, глодурами, болборосами, пыклями (вариетет-пекло), грифонами, потоссами, морнами, буффами, ярдами, эрвидеросами, намарами, порсугелями.

     Среди подводных грязевулканических провинций, пожалуй, самой крупной является Южнокаспийская впадина; здесь с  помощью эхолотирования, геоакустического профилирования и аэромагнитной  съемки выявлено более 136 грязевулканических построек на дне моря.

     Менее детально изучены подводные грязевулканические провинции Черного и Средиземного морей; в них соответственно исследовано 25 и 16 грязевулканических сооружений.

     Подводные грязевые вулканы довольно широко распространены на шельфах океанов и внешних  морей; также как холодные потоки углеводородов («сипы») они установлены в пределах западного и восточного тихоокеанского побережий, на шельфах Атлантического океана. Норвежского и Баренцева морей.

     В целом, рассматривая закономерности распространения  грязевых вулканов на континентах планеты, а также в морях и океанах. При этом главной ареной, на которой  проявляется грязевой вулканизм, являются предгорные и межгорные впадины, в которых накапливаются мощные толщи терригенно-глинистых кайнозойских отложений. Так, общеизвестно, что в пределах Мексиканской впадины мощность осадочного чехла оценивается в 10 км, в Южно-Каспийском бассейне она равна I9-20 км, в Западно-Туркменской впадине - 14 км, в Омано-Макранской депрессии - 11 км, а в пределах Иорвадийско-Андаманского региона она колеблется от 14 до 18 км⁴.

     Обычно  области распространения грязевых вулканов совпадают с наиболее крупными нефтегазоносными бассейнами.

     Наконец, следует подчеркнуть, что в грязевулканических провинциях обычно очень широко развиты  мощные глинистые толщи и зоны сверхвысоких пластовых давлений флюидов (СВПД).

     Извержения  грязевых вулканов могут носить катастрофический характер с довольно регулярной периодичностью. При наземных эксплозивных (взрывных) извержениях в воздух выбрасываются огромные массы обломочного материала, растворов и газов. Извержения часто сопровождаются сильным гулом. Газообразные продукты извержения нередко воспламеняются.

     Воспламение газов иногда происходит и при извержении подводных грязевых вулканов. Например, в Черном море неоднократно наблюдались факелы горящих газов на поверхности воды. В данном случае метан, выделившийся при извержении, проходил через весь водный столб и попадал под влияние электрического поля в атмосфере.

     Активность  грязевулканических структур может проявляться также в виде постепенных и непрерывных выходов газов и растворов в виде глинистой пульпы.

     Часто после бурных извержений грязевой вулкан переходит к спокойной стадии развития, сопровождающейся регулярным выделением небольшого количества газов, или вообще прекращает свою деятельность. В этом тоже состоит полное сходство с поведением магматических вулканов, у которых стадии активности чередуются с длительными периодами покоя.

     2. Строение и морфология грязевых вулканов

     Принципиальная схема строения грязевого вулкана показана на рис. 2. В вертикальном сечении грязевого вулкана выделяются три главных его элемента: грязевулканическая постройка – тело грязевого вулкана; питающий или подводящий канал; область корней вулкана. 
 

Рис. 2. Схематический разрез грязевого вулкана⁵ 

     Грязевулканическая  постройка в разрезе обычно имеет вид пологого, часто усеченного конуса. Конус сложен сопочной брекчией, потоки которой могут иметь несколько генераций. В плане описываемые структуры более или менее изометричные, округлой формы. Поперечные размеры грязевых вулканов (диаметр их основания) изменяются в широких пределах – от первых сотен метров до почти 10 км. Так, средний поперечный размер грязевых вулканов Керченского полуострова составляет несколько менее 1 км. В центре Черного моря их размер достигает 1,5–2,5 км. В Азербайджане диаметр основания грязевых вулканов часто превышает 3 км, а в восточной части Средиземного моря нередко встречаются гиганты диаметром 5–7 км и более. Высота грязевых вулканов по сравнению с их диаметром относительно небольшая: даже у самых крупных из них она редко превышает 300 м, поэтому крутизна склонов грязевых вулканов не более первых градусов. Такое соотношение диаметра и высоты объясняется низкой плотностью сопочной брекчии, способной растекаться на расстояние в несколько километров, и ее подверженностью эрозии. Обычно наземные грязевые вулканы имеют бóльшую высоту по сравнению с подводными. Например, вулканы Тоурагай и Кянизадаг в Кобыстане, Боздаг-Гюздек, Отман-Боздаг и некоторые другие на Апшеронском полуострове достигают высоты в 400–500 м. У таких грязевых вулканов центрального типа обычно наблюдается хорошо оформленный кратер поперечником от нескольких десятков до первых сотен метров (рис. 3). Помимо основного кратера на склонах грязевых вулканов часто встречаются мелкие вторичные выходы жидких и газовых компонентов, которые называют сальзами и грифонами.

Рис. 3. Конусовидный грязевой вулкан (вулкан «Новороссийск»)⁶

1 – кратер, 2 – потоки сопочной брекчии, 3 – телефонный кабель, проложенный через кратер активного грязевого вулкана.

     Однако  описанный пример морфологии тела грязевых вулканов отнюдь не единственный. Достаточно часто извержения грязевых вулканов сопровождаются обрушением их конусов, что создает сложный рельеф. Обрушение конуса, а также проседание поверхности вокруг жерла вулкана являются реакцией на вынос с глубины большого объема осадочного материала. Структуры проседания такого рода, носящие название вдавленных синклиналей, характерны для Керченского полуострова.

     Компенсация выноса материала в виде проседания происходит не только на поверхности, но и на глубине вокруг подводящего канала, где геофизическими методами (главным образом сейсмическим) регистрируется чашеобразный изгиб слоев пород.

     Строение  питающих каналов грязевых вулканов известно в основном по материалам сейсмических исследований и в меньшей степени бурения. В центральной части Черного моря, где осадочный разрез в целом очень слабо нарушен тектоническими дислокациями, морфология питающих каналов выявляется с высокой степенью детальности сейсмическими исследованиями (рис. 2). Эти каналы состоят из серии чередующихся сужений и расширений, происхождение которых не совсем ясно. Возможно, что при извержении вулканов происходит латеральное меж- или внутрислоевое внедрение сопочной брекчии, которое и образует эти расширения. Альтернативным объяснением служит периодичность активности вулканов. При такой трактовке каждое расширение является аналогом  поверхностного конуса, который был погребен осадками в период покоя, а затем вновь прорван при возобновлении активности.

     Глубина корней определяется глубиной залегания материнских, или питающих, формаций, содержащих мощные пласты глин. Она может достигать значительной величины. Глубинные сейсмические разрезы в центре Черного моря позволяют проследить питающие каналы грязевых вулканов до 6–8 км ниже поверхности дна. Согласно выводам немецких ученых, древнейшие породы грязевулканической брекчии, отобранной со Средиземноморского вала к югу от о-ва Крит, находились на глубине не менее 5 км ниже дна моря. На Керченском полуострове в составе сопочной брекчии кроме прочих пород обнаруживаются верхнеюрские и нижнемеловые, которые залегают там также на глубинах порядка 6 км. Отсюда следует, что обломки пород в сопочной брекчии могут быть очень разнообразными по возрасту, характеризуя почти весь стратиграфический диапазон отложений, перекрывающих (и включающих) материнскую формацию⁷. Сохранность этих обломков зависит лишь от их состава и соответственно устойчивости к разрушению. Обломки на пути к поверхности испытывают существенные физические воздействия и постепенно разрушаются. Исследования показали, что существенную роль в разрушении обломков кроме их чистого истирания может играть также давление заключенных внутри них флюидов, которое по мере подъема обломков к поверхности начинает превышать окружающее гидростатическое. Поверхности достигают или самые устойчивые обломки, или те из них, которые преодолели наименьший путь. Значительная часть обломков превращается в песок и глину.

     3. Состав продуктов извержений

     Продукты  извержений грязевых вулканов включают твердые, жидкие и газообразные составляющие.

     Твердые компоненты разделяются на основную массу (матрикс) и включенные в него обломки. Матрикс представляет собой наиболее тонкую фракцию обломочной составляющей сопочной брекчии. Чаще всего он имеет песчано-алеврито-глинистый состав. Под обломками пород подразумевают включения размером от гравия до крупных блоков в несколько метров в поперечнике.

     Среди жидких продуктов (сопочных вод) грязевых вулканов наибольшим распространением пользуются воды гидрокарбонатно-хлоридного и хлоридно-натриевого типов, в которых наблюдаются повышенные содержания бора, брома, йода, натрия, лития и некоторых других элементов. В нефтегазоносных областях жидкие компоненты почти всегда включают некоторое количество нефти.

     Состав  газов отличается в разных районах грязевого вулканизма, однако главные газообразные компоненты фиксируются стабильно. Среди сопочных газов преобладает метан (СН₄) – его содержание иногда достигает 99%. В других местах почти в таком же количестве может присутствовать двуокись углерода (СО₂). Азот (N) способен составлять до половины количества газообразных компонентов. Другим важным газом является сероводород (H₂S), содержание которого доходит до нескольких процентов. Десятые доли процента приходятся на благородные газы – аргон и гелий. Геохимический состав газов свидетельствует, что он поступает с глубины в несколько километров. Такой же вывод подтверждается результатами изотопного изучения углерода метана⁸.

     4. Условия проявления грязевого вулканизма

     Для развития грязевого вулканизма необходимы наличие осадочного слоя мощностью не менее 3–4 км и присутствие в нем пластичных глинистых толщ. В то же время статистика распространения грязевых вулканов в мире показывает, что боковое (латеральное) тектоническое сжатие способствует росту грязевых вулканов. В типичной обстановке латерального тектонического сжатия находятся аккреционные призмы, возникающие в зонах субдукции, там, где тяжелая океанская кора погружается (субдуцирует) под более легкую континентальную. Эти зоны распространены по периферии Тихого океана, имеются они также в Карибском регионе, на севере и северо-востоке Индийского океана, в Восточном Средиземноморье. В этих регионах край материка, перекрывающий субдуцирующую океанскую плиту, подобно ножу бульдозера срезает с ее поверхности большую часть осадочного слоя. Эти срезанные осадки наращивают край перекрывающей плиты. Данный процесс носит название «аккреция», а причленившиеся к краю континентальной плиты осадки «аккреционная призма». Размеры аккреционных призм достигают величины до многих сотен километров длиной и первых сотен километров шириной, а их толщина – до 7–8 км. Например, Средиземноморский вал, типичная аккреционная призма, имеет длину свыше 1300 км и ширину до 300 км. Изучение современных аккреционных призм, все из которых располагаются ниже уровня моря, показало, что явление грязевого вулканизма для них универсально.

     Грязевые  вулканы, исчисляемые многими десятками и даже сотнями, выявлены на таких аккреционных призмах, как Средиземноморский вал, Макранская, Барбадосская, Каскадия, Нанкайская, Индонезийская, Чилийская, Перуанская. Помимо современных примеров аккреционных призм известны также их древние, ископаемые аналоги, отражающие этапы развития древних океанов. Породы в аккреционных призмах интенсивно дислоцированы, причем разрывы сплошности пород сопровождаются тектоническим меланжем – скоплениями перетертых обломочных масс пород вдоль плоскостей тектонических разрывов. По виду тектонический меланж близко напоминает сопочную брекчию.

     За  пределами аккреционных призм в Альпийско-Гималайском и Тихоокеанском подвижных поясах подавляющая часть грязевых вулканов также приурочена к областям латерального тектонического сжатия.

     Однако  в некоторых районах мира грязевые вулканы встречаются в тектонически пассивных условиях. В частности, в Норвежском море обнаружен довольно крупный грязевой вулкан Хаакон Мосби, много грязевых вулканов в районе Мексиканского залива. Помимо этого в центре Черного моря, где фиксируется латеральное тектоническое растяжение, имеется около десятка крупных грязевых вулканов. Отсюда следует, что боковое тектоническое сжатие способствует развитию грязевого вулканизма, но не является решающим фактором в описываемом природном явлении.

     Грязевые  вулканы обычно приурочены к глубоким разрывным нарушениям в осадочном чехле, особенно к местам пересечений разрывов разного простирания.

     Наконец, там, где сейсмическим методом удается охарактеризовать корни грязевых вулканов, обнаруживается, что вулканы растут над антиклинальными складками в отложениях, подстилающих материнские формации.

     Обобщая все вышесказанное, можно сделать  вывод, что необходимыми условиями  проявления грязевого вулканизма являются:

     1. Наличие в разрезе мощных толщ  пластичных глин, обязательных для  создания диапировых ядер и  служащих исходным материалом  для образования сопочной брекчии. 

     2. Прироченность области распространения  грязевых вулканов к зонам  окончаний крупных складчатых  сооружений, имеющих тектонические  нарушения. 

     3. Накопление углеводородных газов,  приводящих в пределах вулканического  очага к образованию высоких  (аномальных) межпластовых давлений. Они представляют активную транспортирующую силу для переноса глинистого материала, водных растворов и газов из областей высокого давления в область разгрузки.

     4. Присутствие пластовых вод, размягчающих  глинистые породы.

     5. Механизм формирования грязевых вулканов

     Неоднократные попытки моделировать развитие грязевого вулкана заканчивались неудачей. Теоретические же предпосылки говорят о том, что в процессе осадконакопления вместе с минеральными компонентами захоранивается большое количество органического вещества растительного и животного происхождения.

     Это органическое вещество по мере погружения испытывает созревание, то есть глубокие биогеохимические преобразования, в конце концов приводящие к возникновению скоплений газа и нефти. Глинистые толщи наиболее обогащены органическим веществом.

     Среди других осадочных пород глины  характеризуются самой высокой пористостью, которая может достигать 60%, но при этом глины служат водоупором и почти непроницаемой покрышкой для глубинных скоплений углеводородов. Причина заключается в том, что поры в глинах мелкие и замкнутые – они не сообщаются между собой.

     По  мере созревания органического вещества в глинах начинается процесс выделения газа. На первых стадиях это метан, в дальнейшем образуются его более тяжелые гомологи. Объем возникающих углеводородных компонентов в несколько раз превышает объем исходного органического вещества. По мере роста геостатического давления (давления вышележащих отложений) и температуры в процессе захоронения глин последние испытывают существенную трансформацию, а в первую очередь теряют воду, которая уходит в поры. Аккумуляция газа и жидкости (то есть флюидов) в порах приводит к тому, что в глинистой толще возникает аномально высокое пластовое давление (АВПД)⁹.

     Когда оно превышает некую критическую  величину, происходит гидроразрыв пород и флюиды устремляются вверх, в область меньших давлений. АВПД возникает гораздо быстрее и чаще, когда к вертикальному геостатическому давлению добавляются горизонтальные сжимающие напряжения. Гидроразрыв в породах происходит в первую очередь вдоль ослабленных зон, которыми служат тектонические разрывы. Роль антиклинальных складок в основании грязевых вулканов сводится к тому, что флюиды на глубине имеют тенденцию скапливаться в их сводовых частях, и именно здесь концентрация флюидов и их давление достигают максимальной величины.

     Периодичность или непрерывность действия грязевых вулканов зависит от того, насколько перекрыт доступ глубинных флюидов к поверхности. Грязевые вулканы подпитываются газами и растворами в области своих корней. Если питающий канал вулкана полностью закупорен продуктами предшествующих извержений, вулкан ждет, пока давление флюидов в недрах не станет достаточным для нового прорыва сопочной брекчии. Если имеется относительно свободная связь корней вулкана с поверхностью, то происходят спокойные и непрерывные излияния материала из глубины.

     6. Явления, сопутствующие грязевому вулканизму

     Наиболее  частым явлением, сопровождающим грязевой вулканизм, служит глиняный диапиризм. Хотя образование и грязевых вулканов, и глиняных диапиров объясняется одной и той же изначальной причиной, а именно наличием АВПД в глубинах недр, диапиры постепенно внедряются в толщу осадочных пород, изгибая и продавливая пласты перекрывающих пород. Дополнительным механизмом образования глиняных диапиров служит инверсия плотностей в осадочном разрезе. Плотность осадочных пород обычно увеличивается с глубиной за счет их уплотнения. Но иногда менее плотные глинистые отложения перекрываются более плотными, например известняками или песчаниками. В этом случае возникает инверсия плотностей, и глины как менее плотные стремятся всплыть.

     Конечный  результат внедрения диапиров – куполообразные структуры, сложенные пластичной глинистой массой, которые могут прекратить свой рост на каком-либо уровне, не достигнув земной поверхности, а могут и выйти на поверхность в виде холма. Но и в этом случае глиняные диапиры не сопровождаются потоками грязевулканической брекчии. Тесная связь между глиняными диапирами и грязевыми вулканами видна на примере прогиба Сорокина в северной части Черного моря, где отдельные крупные диапиры венчаются грязевыми вулканами.

     Приуроченность грязевых вулканов к нефтегазоносным областям известна уже более ста лет. Геологи нефтяники рассматривают грязевой вулканизм в качестве одного из важнейших критериев перспективности того или иного региона на нефть и газ. Такая связь вполне закономерна: преобразование органического вещества на глубине одновременно продуцирует скопления углеводородов и порождает грязевые вулканы.

     Как уже отмечалось, одним из главных газообразных компонентов продуктов извержений является метан. При определенных термобарических условиях (низкие температуры и высокие давления) метан способен соединяться с водой, образуя кристаллические газовые гидраты. Такие условия создаются на дне моря на глубинах 500 м и более. По виду газовые гидраты схожи со льдом. В поверхностных условиях они быстро распадаются с выделением метана. Донные отложения множества глубоководных грязевых вулканов буквально насыщены газовыми гидратами. Если учесть, что газовые гидраты рассматриваются как потенциальное углеводородное сырье, то подводные грязевые вулканы являются первоочередными объектами для его разработки.