Dung dịch nước được thạch quyển hấp thụ bắt đầu từ đới trầm lắng ( tương ứng là giai đoạn trầm lắng) tới đới biến chất và cả đới biểu sinh.
Khi tương tác với chất rắn, dung dịch nước tham gia tích cực vào sự hình thành và biến đổi đất đá, đồng thời bản thân nĩ cũng thay đổi và chính một phần dung dịch nước lại là sản phẩm của quá trình thành đá.
Khi xét từng giai đoạn thành đá, cần giải đáp các vấn đề sau: - Nguồn gốc các dung dịch nước.
- Các quá trình địa chất thủy văn đặc trưng.
- Các quá trình thành đá quan trọng nhất diễn ra do tương tác giữa dung dịch nước với chất rắn của trầm tích và đất đá.
- Các thay đổi đặc trưng trong thành phần dung dịch nước do quá trình tương tác.
- Các khống vật mới tạo thành do tương tác của các dung dịch nước( Khống vật thủy sinh).
1. Giai đoạn trầm lắng :
- Các dung dịch nước thủy quyển ( sơng, hồ, biển…) đĩng vai trị quan trọng trong quá trình trầm lắng các vật liệu trầm tích và hữu cơ.
- Giai đoạn này dường như chưa cĩ dung dịch nước thạch quyển. Tuy nhiên, cĩ thể cĩ một vài ảnh hưởng gián tiếp của nước thạch quyển khi cĩ một khối lượng lớn của chúng trộn lẫn với nước của bồn ( ví dụ trong trường hợp nước thạch quyển thốt ra ở biển).
2. Giai đoạn tạo đá :
- Trong quá trình tạo đá ( diagenes) dung dịch nước bùn là mơi trường địa chất thủy văn. Trong mơi trường đĩ diễn ra sự biến đổi vật liệu hữu cơ chơn vùi trong trầm tích. Cường độ dịch chuyển của dung dịch bùn với nước đáy bồn làm cho mức độ biến đổi tính chất sinh hĩa hợp phần hữu cơ thay đổi và ảnh hưởng lớn đến xu thế sinh thành dầu khí của chúng, nghĩa là ảnh hưởng tới đặc điểm quá trình sinh thành, tích tụ hydrocacbon tiếp sau.
- Trong điều kiện độ sâu đảm bảo, nước yên tĩnh, sẽ hạn chế sự xâm nhập của oxy vào các lớp trầm tích dẫn đến sự phá hủy vật liệu hữu cơ.
- Trong trầm tích biển cĩ chứa dung dịch nước chơn vùi ở trạng thái tự do và liên kết.
- Các quá trình địa chất thủy văn đặc trưng cho giai đoạn này là quá trình thấm ép dung dịch nước: ép dung dịch nước chơn vùi từ bùn chặt vào cát và những lớp ít bị nén hơn.
- Các quá trình nguồn gốc thạch quyển diễn ra do tương tác của pha rắn với dung dịch nước chứa trong đĩ ở giai đoạn này là :
+ Thủy hĩa các khống vật và tạo thành các hydroalumosilicat
+ Trao đổi cation giữa dung dịch và chất chất rắn, quá trình này ở mức độ nhất định quyết định dạng hydroalumosilicat được tạo thành.
+ Sulfua hĩa, chủ yếu là pyrite hĩa khi cĩ sự tương tác giữa hydrosulfua (H2S) với hydroxit sắt [ FE(OH)2].
- Sản phẩm đặc trưng mới tạo thành ở giai đoạn này là montmorilonit, pyrite ( chủ yếu ở dạng các vảy nhỏ).
Nhìn chung ở giai đoạn tạo đá, những biến đổi đặc trưng diễn ra chủ yếu do tương tác dung dịch nước với pha dạng khác ( vật liệu hữu cơ) đĩ là sự khử sulfat. Đại diện đặc trưng của pha rắn là các hợp phần vật chất hữu cơ tạo nên hydrocacbon. Hydrocacbon với khối lượng đáng kể cĩ thể đã nằm ngay trong bản thân dung dịch nước.
Ở giai đoạn tạo đá rất khĩ phân định ranh giới pha rõ ràng do trầm tích ở dạng bán lỏng.
3. Giai đoạn Katagenes:
3.1. Giai đoạn biến tính nguyên thủy ( Prokatagenes):
- Trong giai đoạn này điều kiện địa chất thủy văn cũng cĩ nhiều thay đổi.
- Trong trầm tích biển chứa các dung dịch nước chơn vùi chủ yếu ở dạng tự do trong đá kênh dẫn và dạng liên kết trong sét.
- Trong sét và các đá khác bị nén chặt từ từ, dung dịch nước đĩng vai trị là mơi trường cho các quá trình nhiệt khử thủy hĩa để biến đổi các vật chất hữu cơ, dần dần các chất này “chín mùi” để sinh thành hydrocacbon.
- Cùng với sự tách các dung dịch nước này là giảm bớt nước của các trầm tích, sự chuẩn bị cho pha sinh dầu chính tăng.
- Ngồi ra, nước bị nén ép ra khỏi sét bị nén chặt sẽ đi vào đá kênh dẫn kém chặt hơn, đồng thời mang theo cả một phần của vật chất hữu cơ.
- Ở giai đoạn này thấm ép do trầm nén là quá trình địa chất thủy văn chủ yếu, trong đĩ đĩng vai trị chủ yếu vẫn là dung dịch nước liên kết trong sét ( nước này trước đĩ vẫn là nước hấp thụ kín).
- Sau khi bùn biến thành sét (cuối giai đoạn tạo đá và đầu giai đoạn biến tính nguyên thủy) , dung dịch nước tự do khơng cịn tồn tại. Dưới ảnh hưởng của sự gia tăng áp lực địa tĩnh, một phần dung dịch nước hấp thụ kín ( nằm ở trạng thái lỏng bình thường trong các lỗ hổng tương đối lớn thơng thương với nhau qua kênh lỗ hổng hẹp) đuợc thốt ra và đi vào đá kênh dẫn.
- Trong các quá trình của giai đoạn này (diễn ra giữa pha lỏng và pha rắn), đặc trưng hơn cả là quá trình dolomite hĩa các cacbonnat phân tán trong đá lục nguyên, đây là một dạng trao đổi cation giữa pha lỏng và pha rắn.
water
sand
- Đặc trưng cho sự thay đổi thành phần nước ở giai đoạn này là sự làm giàu ion Ca2+ ( do dolomite hĩa phần rắn của đá), xuất hiện dung dịch nước Cl-Ca.
3.2. Giai đoạn biến tính giữa (Mezokatagenes):
- Pha thành tạo dầu chính liên quan tới với phụ giai đoạn biến tính giữa này , điều kiện địa chất thủy văn rất đáng chú ý.
- Ở giai đoạn này, đĩng vai trị chính là nước khử thủy hĩa được giải phĩng từ trạng thái tinh thể trong các khống vật sét ( trước tiên là montmorilonit).
- Chính loại nước khử thủy hĩa này và dung dịch được hình thành trên cơ sở của chúng là yếu tố cơ bản đĩng vai trị như mơi trường cũng như vai trị “ vận tải” khi di chuyển hydrocarbon từ tầng sinh.
- Thời gian gần đây, đã phát hiện sự phân bố khơng gian rộng lớn của dung dịch nước mà dung mơi trong đĩ là nước khử thủy hĩa. Sự phân bố nước khử thủy hĩa và ranh giới của chúng gần trùng với đới thành tạo dầu chính.
- Trong sét chủ yếu là dung dịch nước liên kết chơn vùi và dung dịch với dung mơi tái sinh, cịn trong đá kênh dẫn là dung dịch nước về nguồn gốc giống với trong sét, nhưng phần chủ yếu thì nằm ở dạng tự do.
- Dạng trao đổi nước chính trong đá vẫn là thấm ép, diễn ra quá trình khử thủy hĩa nhiệt các khống vật sét và thấm ép của các dung dịch nước hình thành từ nước tái sinh ( khử thủy hĩa). Loại nước này tích cực hịa tan vật chất của mơi trường vây quanh, nhưng chưa thể cĩ độ khống hĩa cao ngay lập tức. Do hỗn hợp chúng với dung dịch nước chơn vùi cịn lại từ giai đoạn trước, ở giai đoạn này xuất hiện khối lượng lớn dung dịch nước thạch quyển khống hĩa yếu.
- Quá trình khử thủy hĩa và làm thay đổi cấu trúc khống vật sét tương ứng ở giai đoạn này là thủy mica hĩa montmorilonit-đây là quá trình chính trong thạch quyển (do sét chiếm chủ yếu trong đá trầm tích và montmorilonit là khống vật chính của sét). Khống vật mới được tạo thành trong các tầng sét là illit, các thủy mica và các khống vật phân lớp khác. Ngồi ra cịn xuất hiện hàng loạt khống vật thủy sinh do kết tủa từ dung dịch nước như cancit, caxedon, opal.
- Ngồi quá trình khử thủy hĩa, cịn cĩ hai quá trình diễn ra trong các tầng của bồn dầu khí cĩ sự tham gia tích cực của dung dịch nước:
+ Diapirit hĩa cát- xuất hiện do sự dư thừa dung dịch nước, liên quan tới khử thủy hĩa các khống vật.
+Thành tạo các loại xi măng khác nhau, đặc biệt là xi măng cacbonat- sự thành tạo này làm giảm độ lỗ rỗng của đá.
Quá trình xi măng hĩa diễn ra ngay từ giai đoạn tạo đá nhưng nĩ ảnh hưởng tới tính thấm thể tích (làm xấu đi) bắt đầu từ cuối giai đoạn biến tính nguyên thủy và đầu giai đoạn biến tính giữa.
- Đối với dung dịch nước bồn chứa ở giai đoạn này, sự suy giảm độ khống hĩa do hịa lỗng chúng với nước khử thủy hĩa đĩng vai trị chính. Đồng thời gia tăng hàm lượng hydrocacbon và hàng loạt vi nguyên tố trong dung dịch nước. Ở giai đoạn này tập trung pha tạo dầu chính.
- Sự gia tăng đột ngột hàng loạt vi nguyên tố ( niken, đồng, molipden, coban, bạc, chì…) trong dung dịch liên quan với sự cuốn đi bởi nước thủy hĩa cùng với chất hữu cơ.
3.3. Giai đoạn biến tính muộn ( Apokatagenes):
- Ở phụ giai đoạn biến tính muộn (apokatagenes), yếu tố địa chất thủy văn vẫn tiếp tục ảnh hưởng tới sự tích tụ dầu và đặc biệt là khí.
- Ở đầu phụ giai đoạn này, nước khử thủy hĩa, mặc dù xuất hiện với khối lượng ít hơn so với giai đoạn trước, song vẫn tiếp tục đĩng vai trị mơi trường và một phần “ vận chuyển” khí metan từ đá sinh khí, tương ứng với đới sinh thành khí chính.
- Diễn biến tiếp theo của phụ giai đoạn biến tính muộn là tạo trường hoạt động chủ yếu cho các quá trình phá hủy hydrocacbon. Như vậy, một vai trị nữa của nước thạch quyển: nĩ dẫn tới sự phân hủy hay bảo tồn metan và cĩ thể cả các loại khí hydrocacbon khác và thành tạo sau đĩ là CO2 - đĩ chính là ý nghĩa quan trọng mà hoạt tính hĩa học của chính vật chất của nước cĩ được.
- Ở giai đoạn này, quá trình khử thủy hĩa nhiệt các khống vật sét ( chủ yếu là thủy mica) và một vài khống vật khác vẫn tiếp diễn, do vậy xuất hiện thêm một lượng nước tái sinh.
- Khi nhiệt độ vượt quá 270 oC thì xảy ra sự chuyển hĩa metan mà khối lượng của nĩ rất lớn, giải phĩng một lượng khơng nhỏ nước, do vậy xuất hiện thêm một lượng nước nguồn gốc hĩa học (đơi khi một mét khối nước trong hàng chục mét khối metan) .
- Trong các quá trình thành tạo khống vật đối với giai đoạn này, đặc trưng là quá trình xerpentin hĩa các thủy mica và tiếp tục kết tủa chủ yếu xi măng silic cho tới mức biến mất hồn tồn độ lổ hổng nguyên sinh. Các khống vật mới tạo thành chủ yếu là xerixit, canxedon.
4. Giai đoạn metagenes:
- Sự tích tụ dầu cũng như khí với quy mơ đáng kể khơng xảy ra do xu thế sinh thành dầu khí của đá đã kết thúc, và đặc biệt là điều kiện địa chất thủy văn đã khơng cịn thuận lợi.
- Sự thành tạo nước tái sinh vẫn tiếp tục chủ yếu do tách các nhĩm OH- khi nhiệt phân mica. Do đĩ xuất hiện một lượng dung mơi mới để hình thành dung dịch nước( đã biến chất).
- Do thành tạo các khe nứt mới (nhờ ảnh hưởng của biến chất động) mà quá trình vận động dung dịch nước theo các khe nứt này được tăng cường.
- Hoạt tính hĩa học tăng ở các phân tử nước cĩ tính axit, do vậy cĩ tác động thủy phân một số khống vật.
- Trong phần rắn của đá diễn ra sự phá hủy mica thành thạch anh, thủy phân cacbonat và một vài silicat.
- Khống vật chủ yếu tạo thành ở giai đoạn này là thạch anh, diễn ra ra quá trình quazit hĩa đất đá.
Các quá trình trên nêu lên sự tiến hĩa của đá với sự tham gia của dung dịch nước từ khi lắng đọng trầm tích tới biến chất ban đầu.
5. Giai đoạn biểu sinh ( Gipergenes):
- Sự vận động chính của nước trong đá ở giai đoạn này là sự thấm của nước khí quyển. Khác với các giai đoạn trước, nước lúc này di chuyển từ đới cung cấp thấm sâu vào trong thạch quyển. Sự tương tác giữa pha rỗng với pha rắn của đất đá diễn ra khi vai trị của nước chiếm ưu thế: hịa tan( như cacbonat), thủy phân , oxy hĩa( sulfua, hydrocacbua), thủy hĩa các khống vật khác nhau ( như oxit, silicat, alumosilicat,sulfat
- Điều kiện địa chất thủy văn như vậy cản trở các quá trình sinh thành dầu và tạo điều kiện phá hủy cacbuahydro và các tích tụ của chúng. Ngồi ra nĩ cũng hồn tồn cĩ thể ảnh hưởng tới cả sự cải biến những vỉa dầu đã cĩ trước đĩ.
- Thành phần dung dịch nước cĩ thể thay đổi theo hướng hịa lỗng hay gia tăng nồng độ, khử sulfat hay giàu sulfat do oxy hĩa sulfua, cĩ thể gia tăng lượng vi nguyên tố - kim loại từ các khống vật sulfua.
- Sự biến đổi biểu sinh đối với các dung dịch khác nhau thì khác nhau:
+ Đối với các dung dịch sĩt lại từ các giai đoạn tạo đá trước, đặc trưng cho chúng là quá trình hịa lỗng và quá trình oxy hĩa.
+ Đối với dung dịch nước nguồn gốc khí quyển thì gia tăng nồng độ và quá trình khử.
Cĩ thể xảy ra sự hỗn hợp các dung dịch nguồn gốc khác nhau ở đới hỗn hợp, như vậy tại ranh giới địa hĩa cĩ thể diễn ra phản ứng oxy hĩa khử.
Như vậy:
+ Quá trình thành đá cĩ ảnh hưởng mạnh tới các quá trình thủy địa hĩa và hình thành dung dịch nước trong các bồn dầu khí.
+ các quá trình địa chất thủy văn cĩ ý nghĩa quan trọng đối với thạch quyển , đặc biệt là khi ảnh hưởng đến sự thành tạo khống vật, địa hĩa các đá trầm tích trong bồn dầu khí.
+ tương quan giữa quá trình thành đá và các quá trình địa chất thủy văn diễn ra trong suốt giai đoạn thành đá, mặc dù trong quá trình tiến hĩa thành đá trong bồn dầu khí, khối lượng tương đối của nước giảm, sự suy giảm này điều hịa hoạt tính địa hĩa của nước do gia tăng nhiệt độ