В условиях истощения основных запасов сеноманского газа существует объективная необходимость приращения запасов углеводородов, в том числе за счет нетрадиционных для Западно-Сибирской плиты (ЗСП) глинисто-кремневых коллекторов надсеноманской части разреза верхнего мела, с нередкими проявлениями и притоками газа. Следовательно, уточнение состава и строения слабо изученного верхнего мела ЗСП весьма актуально [1].
Расположение кремневых пород в определенной части геологического разреза не является случайным. Важно установление (реконструкция) способа локализации определенного объема кремнезема и всей его последующей (постседиментационной) истории. В одних и тех же фациальных обстановках при латеральных вариациях условий, например жизнедеятельности планктона, значительные объемы кремнезема могут накапливаться различным сочетанием способов — хемогенным, хемогенно-биогенным, биогенным. Кроме того, масштабно представленное по латерали тело одновозрастных осадков близкого состава может испытывать вторичные процессы различной интенсивности, в зависимости от интенсивности проявления тектонических (климатических, вулканических и др.) процессов в той или иной части территории распространения данного тела (рис. 1а). В строении единого тела, сложенного кремневыми породами, вполне вероятно установить различия в свойствах, вызванных колебаниями первичных условий осадконакопления и неравномерностью проявления вторичных процессов [2].

«Покровные» тела отложений сантона ЗСП (рис. 1 б) характеризуются глинисто-кремневым составом (преимущественно биогенно-хемогенного происхождения опоки, автохтонного типа), неглубоким современным залеганием (700–1 100 м) и относительно невысокой степенью литогенеза. Согласно реконструкции палеорельефа и результатам оценки масштабов эрозионного среза, на севере ЗСП погружение опок достигало 1 600–1 800 м.
В настоящее время в северной части ЗСП данный интервал разреза осложнен наличием горизонта вечной мерзлоты. При небольшой мощности (суммарно до 200–250 м) глинисто-кремневые породы, как уже было сказано, формируют «плащевидный» облик на территории бóльшей части Западной Сибири. Площадь распространения опок хэяхинской пачки (пласт НБ1) составляет до 2 млн км². Даже при скромной оценке мощности пласта в 10 метров суммарный объем кремнезема хэяхинской пачки составит около 20 тыс. км³. При этом максимальные толщины глинисто-кремневых пород занимают центральные районы (в виде пятен неправильной формы, рис. 1б), с уменьшением мощности к периферии и постепенным эрозионным выклиниванием по обрамлению ЗСП, что контролируется особенностями обстановок осадконакопления и постседиментационного развития региона [8].

Для интерпретации и характеристики происхождения кварца в породах кремнистых формаций (первично-осадочный в виде примеси обломочного материала, или литогенетический, как результат старения коллоидного осадка и кристаллизации опала) наиболее эффективно комплексное применение трех лабораторных методов.
Первый — изучение в шлифах под поляризационным микроскопом (рис. 2, 3).

Под микроскопом важно оценить количество гранулярной составляющей отложений (обломочного материала, в том числе кварца, глауконита, остатков скелетных организмов, пирита, карбонатов, цеолитов и пр.) и объем глинисто-кремнистого субстрата (матрицы породы). Диагностика новообразованного кварца, вследствие его микроскопических размеров, под обычным микроскопом весьма затруднительна (рис. 3).
Кварц в опоках представлен как в обломочных фракциях (макроскопический первичный — терригенный, пирокластический, окварцованные остатки планктона), так и в окристаллизованном агрегате глинисто-кремнистого субстрата/матрицы (вторичный, криптозернистый, практически не диагностируемый под микроскопом на рис. 3).
Для оценки доли криптозернистого кварца используется второй метод — рентгено-структурного анализа породообразующих компонентов породы (РСАобщ). Кроме оценки содержаний кварца, полевых шпатов (ПШ), цеолита, карбонатов, пирита и опал-кристобалит-тридимита (ОКТ-фазы), методом РСАобщ определяется суммарное содержание на породу глинистых минералов (в том числе глауконита) (рис. 4).

В данном случае в составе глин абсолютно преобладают смектиты (частично трансформированные в иллиты [7]) и глауконит. Смектиты и иллит образуют агрегаты
с аморфным кремнеземом (отдельные компоненты в шлифах не диагностируются, их размеры не превышают 1–3 мкм; но существует возможность оценить общий объем агрегатного комплекса).
На рисунке 4 не отмечена доля кварца в составе обломочного материала (ОМ). По шлифам для всех трех скважин содержание ОМ составляет, как правило, 1–3 %, редко 5–7 % и, единично до 20–25 %. Даже в условиях абсолютного преобладания кварца в составе ОМ (по шлифам) численные значения кварца по данным метода РСАобщ значительно превышают результаты петрографической оценки.
Кроме того, устойчивой особенностью данных РСА (рис. 4) являются пропорции аморфного кремнезема ОКТ и кварца (в сумме порядка 80–90 %). Например, в скважине 520 сумма ОКТ всего 45 % (кварца 38,5 %), в скважине 1 311 — более 80 % (кварца всего 7 %).
А в скважине 6 145 ОКТ не установлен вовсе (доля кварца — до 78 %). Иначе говоря, чем больше доля кварца, тем меньше содержание ОКТ, и наоборот.
Само собой, напрашивается вывод о неравномерной степени кристаллизации аморфного кремнезема. Но скважины 520 и 1311 расположены практически рядом — глубина современного залегания пласта НБ1 в скважине 520 составляет 990–998 м, а в 1311 — 770–800 м (рис. 1, 4). Вряд ли нахождение пласта в одной скважине относительно другой на 200 м ниже могло привести к столь резким различиям в степени кристаллизации кремнезема.
Дополнительно к анализу привлечены результаты изучения опок из керна скважины 6145 на западе Западной Сибири (рис. 1–4).
По шлифам установлено не более 5 % примеси ОМ (единично линзовидными пятнами до 20 %). По данным РСАобщ наличие аморфного кремнезема (ОКТ-фазы) в пласте НБ1 скважины 6145 не установлено совсем, но аномальное содержание кварца составляет от 73 до 85 % (рис. 4). Содержание суммы глин в скважине 6145 относительно отложений пласта НБ1 других скважин (рис. 1, 4) заметно повышенное (от 12 до 18–23 %; доля глауконита не превышает 1–2 %).
Таким образом, результаты комплексного анализа описания прозрачных шлифов и данных РСАобщ свидетельствуют о неравномерной кристаллизации ОКТ-фазы даже в соседних скважинах (в скв. 6145 кристаллизация аморфного кремнезема прошла на 100 %). Так как РСАобщ регистрирует суммарное количество кварца – долю обломочного кварца можно оценить под микроскопом, а оставшееся количество, видимо, можно «записать на счет» кристаллизации аморфного кремнезема. Процедура довольно приблизительная – точную оценку доли кварца в составе ОМ сделать весьма затруднительно, тем более выделить в составе агрегата-матрицы кремневую составляющую и разделить ее на кристаллическую (новообразованную) и аморфную (остаточную) части. То есть для оценки степени кристаллизации ОКТ разрешающей способности обычного поляризационного микроскопа явно не хватает.
Следовательно, реальным «камнем преткновения» для визуального изучения являются микроскопические размеры минеральных индивидов (не более 1–3 мкм) и сложное спутанно-волокнистое агрегатное состояние смеси глин и кремнезема. Слабая анизотропность новообразованного кварца не позволяет уверенно оценить соотношение общей глины и кремневого вещества (и степени его кристалличности) в составе матрикса породы (рис. 3). Другими словами, стандартная оптическая микроскопия, в данном случае, не является достаточно уверенным средством (инструментом) изучения степени кристаллизации ОКТ-фазы (на пределе возможности метода стандартного микроскопического исследования).
Для обоснованной интерпретации результатов применения РСАобщ (например, в отношении пропорций ОКТ/новообразованный кварц) эффективно использовать возможности больших увеличений (десятки тысяч раз) растрового электронного микроскопа (РЭМ) — третьего метода лабораторных исследований, в нашем случае, специфических глинисто-кремнистых отложений верхнего мела Западной Сибири (рис. 5–10).

Приблизительную степень кристаллизации ОКТ по данным лабораторных исследований рассчитывали следующим способом:

1. Из доли кварца (по данным РСАобщ) вычитали содержание обломочного материала (ОМ, по данным петрографии, представлен преимущественно кварцем), остаток относили к вторичному кварцу (не диагностируемому под микроскопом).
2. Сумма вторичного кварца и ОКТ-фазы (по данным РСАобщ) составляет долю хемогенного кремнезема в составе первичного глинисто-кремнистого агрегата илов/коллоидов (100 %).
3. Дальше простым расчетом оценивали сколько (от 100 %) аморфного кремнезема ОКТ-фазы трансформировалось в кристаллический кварц.

Повторяем, расчет достаточно условный, так, например, появление заметной доли цеолитов или ПШ (а они, в данном случае, преимущественно вторичной природы, что будет продемонстрировано ниже) «отвлекает» часть кремнезема на свое формирование (когда появляются заметные доли цеолитов и ПШ, вторичного кварца образуется меньше, что можно констатировать по данным метода РСАобщ).
На рисунке 5 приведены примеры находок обломочного материала в опоках пласта НБ1 (по шлифам, как правило, 2–3 %, редко до 5–10 %, единично, в виде исключения, до 20–25 %), вскрытых в разрезе скважин 520 и 6145. Зерна кварца морфологически зачастую с признаками вулканической (пепловой) природы, иллит в виде крупных чешуйчатых пластин [3, 4]. Отмечаются обломки кристаллов гранатов и калий-натриевых полевых шпатов. В разрезе скв. 1311 отмечены аналогичные редкие зерна кварца, ПШ, иллита.

Как уже было сказано, для интерпретации качественных минеральных характеристик породы, полученных методом РСАобщ, эффективно применение РЭМ — третьего лабораторного метода исследований дисперсных осадков.
На рисунке 6 показаны примеры аутигенных стяжений кристаллов пирита (глобул) и опал-кристобалита-тридимита (леписферы ОКТ).

На рисунке 8 показаны вторичные минералы (пирит, цеолиты, ПШ, сульфаты, кварц), также приуроченные к пустотам/отпечаткам планктона.

Леписферы («волосатые колобки», Ø 2–3 мкм, иногда до 4–5 мкм) — в виде овальных индивидов аморфного кремнезема с волосовидными наростами (удлиненными «шипиками») кремнезема на поверхности. Хорошо различимы в пустотах (отпечатках) кремнесфер (Ø до 25–30 мкм, по радиоляриям) и диатомей. В основной массе опок — плотно сросшиеся «колобки» с укороченными «шипиками», обычно с признаками деформации («смятые», вероятно, в процессе диагенетического роста).
Глобулы (Ø от 3–5 мкм, до 10–15 мкм) овальные, сложены в разной степени сближенными кристаллами пирита (тетраэдры, октаэдры, размером в первые доли мкм). Часто изнутри глобул между кристаллами пирита «прорастают» нитевидные кристаллы ангидрита («волоски»). Иногда на поверхности глобул «прилипают» немного более толстые «палочки» или «бруски» того же сульфата.

Как уже было сказано, леписферы отмечаются только опоках НБ1 двух скважин — 520 и 1311. На рисунке 9 показаны примеры леписфер.

Вторичные минералы свидетельствуют о процессах частичного преобразования (растворения, перекристаллизации) глинисто-кремнистого агрегата (матрицы отложений; с переходом части опала в ОКТ, и части смектита в иллит), происходящих при дальнейшем обезвоживании и отвердевании коллоидного вещества иловых осадков. При этом повышенные концентрации химических компонентов (кремний, алюминий, железо) в растворе способствуют аутигенному формированию новых (цеолиты, сульфаты, возможно, ПШ) и, вероятно, регенерационному росту уже существующих минералов (пирита, кварца, ПШ, вероятно, глауконита).
Хорошо различимые глобулы и леписферы приурочены к пустотам/отпечаткам — по диатомеям и радиоляриям (кремнесферы). В скв. 6145 леписферы ОКТ не установлены; глобулы пирита меньшего размера (Ø не более 3 мкм) с менее плотной упаковкой кристаллов пирита.
В разрезе скв. 1311, кроме «угнетенных» леписфер ОКТ, отмечены микроконкреции глауконита размером до 100 мкм и больше (рис. 6) [9].
Наглядно отражено, что волосовидные наросты (шипики) на поверхности леписфер при бόльшем увеличении выглядят как микроскопические кристаллы (сложенные исключительно двуокисью кремния). Кроме того, сноповидные образования между леписферами установлены только в опоках скважины 520.
Таким образом, даже в разрезе трех показанных скважин вещество SiO2 (кремниевая кислота) пласта НБ1 находится в различном агрегатном состоянии. В 520 и 1311 — в преобладающем виде леписфер (по данным РСА — ОКТ и кварц), но в 520 добавляются хорошо выраженные сноповидные агрегаты между леписферами. В 6145 (рис. 10) — в виде сложно переплетенных агрегатных сростков микроскопических кристаллов (кристаллитов) кварца (по данным РСА).

Следовательно, в результате комплексных исследований глинисто-кремнистых отложений верхнего мела Западной Сибири, установлено объективное противоречие: при постоянных относительно низких значениях (по описанию шлифов — 2–3, редко 5–10, единично до 20–25 %) примеси обломочного материала (а значит, и обломочного кварца в том числе) в опоках пласта НБ1 (на примере трех рассматриваемых скважин), по данным РСАобщ содержания кварца варьируют в очень широких пределах (от 7–10 до 30–40 % в скв. 1311 и 520; и до 85 % в скв. 6145) и не имеют корреляции с количеством обломочной примеси.
Кроме этого, во всех скважинах с отбором керна из пласта НБ1 отмечена обратная зависимость (показана на примере трех изучаемых скважин) — содержание ОКТ увеличивается при пониженных значениях кварца и наоборот (по данным РСАобщ).
Фактически установленная закономерность обратных пропорций кварца и ОКТ (по РСАобщ) свидетельствует о неравномерно проявленных процессах кристаллизации аморфного кремнезема даже в соседних скважинах. Причины неравномерной кристаллизации требуют обоснованного объяснения, но факт остается фактом — выявленная зависимость объективно существует.
На фоне полученных нами результатов особый интерес вызывают недавно опубликованные данные по типизации отложений березовской свиты в пределах Харампурского месторождения Западной Сибири. В статье [6] приведен весьма информативный рисунок с графической демонстрацией обратной зависимости содержаний кварца и ОКТ-фазы (рис. 11), в целом прекрасно иллюстрирующий полученные нами выводы. На рисунке 11 наглядно представлено — чем больше содержание кварца, тем меньше доля ОКТ, и наоборот. Но «высокая степень кристалличности кремневой матрицы», видимо, по невнимательности (или просто опечатка), почему-то «присвоена» авторами 3-й дифрактограмме, где отмечается максимум доли ОКТ-фазы и минимум содержания кварца.

Согласно нашим представлениям (на основе полученных нами фактических данных и многочисленных публикаций других исследователей), кварц является продуктом кристаллизации ОКТ-фазы, а это значит, что «высокая степень кристалличности» охарактеризована на дифрактограмме № 1. И тогда наглядно проявляется логичная закономерность — «коэффициент структурного совершенства» тем больше, чем более «высокая степень кристалличности» (что также относится к дифрактограмме № 1).
В завершение отметим, что открытыми остаются, по крайней мере, два важных вопроса.
Первый — что является контролирующим фактором различной степени кристаллизации кремневой матрицы даже в соседних скважинах.
Второй — как влияет на фильтрационные свойства (ФЕС) степень кристаллизации ОКТ.
Небольшой комментарий к вопросу о ФЕС. На рисунке 2 приведены усредненные данные по некоторым свойствам для пласта НБ1 в трех скважинах. На рисунке 2 видно, что наименьшие показатели объемной и минералогической плотности характерны для наименее кристаллизованных отложений (скв. 1311), как и максимальные значения пористости. Напротив, наибольшие плотности присущи породам, где ОКТ-фаза лабораторными методами не диагностируется (скв. 6145), но зато фиксируются максимальные значения доли кварца (77,6 %). Проницаемость здесь лабораторными методами не установлена (для отложений характерна интенсивная трещиноватость, в том числе микроскопическая [5]).