نهشته شدن رسوبات در محیط‌های رسوبی قدیمی، با نرخ‌های مختلفی صورت گرفته است. عوامل مختلفی در میزان این نرخ‌ها تاثیر گذاشته و نرخ‌های مختلف رسوب گذاری و فرونشست، در وضعیت‌های زمین شناسی و تکتونیکی مختلف دیده می‌شود. نرخ‌های نهشته شدن و فرونشست را می‌توان به عنوان نشانه‌ای از وضعیت زمین شناسی و تکتونیکی منطقه در گذشته زمین شناسی استفاده کرد.

نرخ‌های نهشته شدن رسوبات و فرونشست حوضه‌ها در مطالعات متعددی، از جمله برای بررسی موقعیت تکتونیکی حوضه‌ها در زمان زمین شناسی، به کار گرفته شده است ( Bordenave 2005 (Schwab 1976;. هنگامی‌ که رسوبات سریعا" توسط رسوبات بالایی تدفین می‌گردند، در رسوبات دارای تراوایی کم، مانند رسوبات رسی، آب درون رسوبات با سرعت کافی خارج نمی‌شود و فشار، نرمال باقی نمانده و زون پرفشار شکل می‌‌گیرد (Mann and Mackenzie 1990; Mello and Karner 1996 ). همچنین با تجمع سریع رسوبات، فرصت کافی برای رسیدن به تعادل حرارتی وجود ندارد. در چنین وضعیت‌هایی، جریان حرارت و رسانایی حرارتی را نمی‌‌توان محاسبه کرد (Barker 1996). اگر نرخ ورود مواد آلی به حوضه رسوبی، ثابت فرض شود، میزان تجمع مواد آلی در واحد حجم رسوبات، رابطه عکس با نرخ تجمع رسوبات دارد. نرخ‌های بالای تجمع رسوبات، موجب کاهش درصد مواد آلی شده و نرخ‌های بسیار پائین تجمع رسوبات موجب تخریب مقدار زیادی از مواد آلی، قبل از تدفین، توسط باکتری‌ها می‌شود. بنابراین نرخ رسوب‌گذاری متوسط، یکی از فاکتورهای مناسب برای شکل گیری سنگ منشأ است(Magara 1986  Ibach; 1982). همچنین فرایند نفت‌زایی از سنگ منشأ توسط نرخ‌ رسوبگذاری همراه با نرخ‌ جریان حرارت کنترل می‌شود(Hunt 1996  Hantschel and Kauerauf 2009;). بنابراین نقش مهمی برای نرخ‌های رسوبگذاری و فرونشست در یک سیستم نفتی باید در نظر گرفت.

بازسازی تاریخچه تدفین^[1]، روش خوبی برای مطالعه نرخ‌های نهشته شدن رسوبات است. خطوط نمودار تاریخچه تدفین، نشان دهنده روند تغییرات عمق تدفین واحدهای زمین شناسی را در طی زمان زمین شناسی است. نرخ‌های تدفین به نرخ تجمع لایه‌های بالایی بستگی دارد، که دارای دامنه گسترده‌ای است. در کل، نرخ‌ نهشته شدن رسوبات از چند متر تا صدها متر در میلیون سال متغیر است.

روش مدل سازی حوضه رسوبی، در سال های اخیر جهت بررسی میدان های نفتی ایران مورد توجه قرار گرفته و در مقالات متعددی استفاده شده است
 (Bordenave 2008،et al. 2009  Zamanzadeh  Rudkiewicz 2007;). در این مطالعه با استفاده از روش مدل سازی، نرخ های فرونشست و رسوب گذاری در میدان آغاجاری، مورد بررسی قرار گرفته است. نرم‌افزار مدل ساز حوضه، Genex جهت مدل سازی تاریخچه تدفین، تاریخچه حرارتی و تاریخچه پختگی مواد آلی استفاده شده است.

منطقه مورد مطالعه

در این مطالعه، نرخ‌های فرونشست و تجمع رسوبات در میدان آغاجاری بررسی شده و جهت این کار از داده‌های چاه آغاجاری 140 استفاده شده است. چاه آغاجاری –140 با عمق نهایی 5592 متر، یکی از عمیق‌ترین چاه‌های فروافتادگی دزفول و شامل سازند آغاجاری تا گروه خامی است.

میدان آغاجاری در فروافتادگی دزفول واقع شده است (شکل 1). فروافتادگی دزفول قسمتی از کمربند چین خورده زاگرس است و ناحیه‌ای به وسعت 60000 کیلومتر مربع در جنوب استان خوزستان ‌و کهگیلویه‌و‌بویراحمد را دربرمی‌گیرد. این منطقه دارای حداقل 45 میدان نفتی با بیش از 360 میلیارد بشکه نفت درجا، معادل 8% ذخائر نفت جهان است (Bordenave  and Hegre 2005).

میدان آغاجاری در سال 1315 کشف شده و یکی از مشهورترین میدان‌های نفتی خاورمیانه است. این میدان در حدود 120 کیلومتری جنوب شرقی اهواز و در محدوده میانی فروافتادگی دزفول قرار دارد. سازند آسماری و مخزن بنگستان مخازن اصلی این میدان است. ارتباط کامل بین این دو مخزن از طریق شکستگی‌ها برقرار است. مقدار ذخیره قابل استحصال این میدان، در حدود 7/8 میلیارد بشکه حدس زده شده است ( مطیعی 1374 ). در سال 1354 مخزن خامی، شامل بخش آهکی خلیج از سازند گدوان، با حفر چاه شماره 140 کشف گردید که حاوی گاز است( Beydoun et al. 1992). سازند کژدمی سنگ منشأ اصلی در فروافتادگی دزفول و میدان آغاجاری است (Versfelt 2001; Bordenave 2002).

شکل 1- موقعیت میدان آغاجاری و میدان‌های اطراف

روش مطالعه

مطالعه نرخ‌های نهشته شدن به صورت محاسبات دستی یا بوسیله نرم افزارهای مدل سازی انجام می‌پذیرد. استفاده از نرم افزار، دقت بالاتر و زمان کمتری را به همراه دارد. در هر دو روش، تاریخچه تدفین ترسیم می‌شود. تاریخچه تدفین با استفاده از داده‌های زمین شناسی از جمله سن زمین شناسی، سنگ شناسی لایه‌ها، عمق محیط رسوبی و عمق پی‌سنگ ترسیم می‌شود. تاریخچه تدفین، روند نهشته شدن و تدفین رسوبات از زمان رسوب‌گذاری تا زمان حال را نشان می‌دهد. با افزایش عمق تدفین، رسوبات فشرده شده‌ و ضخامت آنها کاهش می‌یابد. برای بازسازی روند صحیح تاریخچه تدفین، لازم است وضعیت گذشته لایه‌ها بازسازی^[2] شود و وضعیت لایه‌ها قبل از فشرده شدن^[3] مشخص شود. این مراحل در نرم‌افزارهای مدل سازی حوضه انجام شده و سن عددی برای لایه‌ها یا دیگر سطوح مشخص مانند سطوح شاخص^[4] جهت محاسبه نرخ‌های مختلف رسوب‌گذاری استفاده شده است. داده‌های سن و عمق سازندهای استفاده شده در نرم‌افزار مدل سازی در جدول 1 دیده می‌شود.

نرخ‌های نهشته شدن با استفاده از توابعی محاسبه می‌شود ( Van Hinte 1978; Alen and Alen 2005). اگر زمان سپری شده یک لایه (A) به میلیون سال و ضخامت زمان حال لایه (T_p) به متر باشد، مقدار نرخ رسوب‌گذاری تصحیح نشده (uR ) از معادله 1 محاسبه می‌شود. در این معادله، فشرده شدن رسوبات در طی تاریخچه تدفین در نظر گرفته نشده است :

 (معادله 1)

برای مثال، سازند آغاجاری با ضخامت 963 متر در طی 6/9 میلیون سال نهشته شده است و نرخ رسوب گذاری تصحیح نشده این سازند، 100 متر در میلیون سال است. نهشته شدن رسوبات موجب افزایش فشار لیتواستاتیک روی رسوبات زیرین می‌شود. افزایش فشار، باعث فشرده شدن رسوبات زیرین و کاهش تخلخل و ضخامت لایه‌ها می‌شود. برای محاسبه نرخ نهشته شدن رسوبات یا نرخ پرشدن حوضه، تصحیح فشردگی لازم است. با تصحیح فشردگی، ضخامت اولیه بدست می‌آید و با در نظر گرفتن ضخامت اولیه برای معادله 2 نرخ‌های رسوب‌گذاری کل^[5] بدست می‌آید، که تاریخچه خلاصه شده رسوب‌گذاری است. در طی رسوب‌گذاری و فرسایش، نرخ رسوب‌گذاری کل ثابت باقی می‌ماند. زیرا ضخامت اولیه لایه در محاسبات وارد شده، در طول زمان زمین شناسی ثابت فرض شده و مقادیر فشردگی لایه‌ها در این نمودار وارد نمی‌شود.

جدول 1- داده های سن و عمق سازندها در چاه آغاجاری - 140

برای محاسبه نرخ رسوب‌گذاری کل (R_T  )، از معادله 2 استفاده شده است. در این معادله (To) ضخامت اولیه است:

(معادله 2)

از آنجایی که وزن لایه‌های ضخیم، باعث فشرد‌گی بیشتر قسمت پایین می‌‌گردد، این لایه‌ها دارای تخلخل اولیه کمتری نسبت به واحدهای نازک هستند. همچنین در اعماق تدفین مختلف، لایه‌ها فشردگی و تخلخل متفاوتی دارند. با در نظر گرفتن تخلخل صفر برای لایه‌ها، نرخ رسوب‌گذاری جامد^[6]بدست می‌آید. نرخ رسوب‌گذاری جامد ( R_Ф=0 )، یک نرخ خالص از تجمع توده‌های رسوبی است که با در نظر گرفتن ضخامت با تخلخل صفر ( T_N ) از معادله 3 محاسبه می‌شود.

 (معادله 3)

در طی رسوب‌گذاری و تشکیل سازندها، فرونشست پی‌سنگ رخ می‌دهد که حاصل نیروهای زیر سطحی و بار رسوبات است. در طول زمان زمین‌شناسی نرخ فرونشست می‌تواند تغییر کند. فشردگی پیشرونده رسوبات در طی نهشته شدن نیز باید در نظر گرفته شود. همچنین تغییرات عمق محیط رسوبی و تغییرات جهانی سطح آب دریا در محاسبات وارد می‌شود. نرخ فرونشست کل^[7] ( R_s ) از معادله 4 پیروی می‌کند.

(معادله 4)

 W تغییرات عمق محیط رسوبی و E تغییرات سطح دریا در طی نهشته شدن واحد می‌‌باشد. نرخ فرونشست کل نشان دهنده افزایش عمق پی‌سنگ است.

بحث

در این مطالعه، جهت بررسی نرخ‌های رسوب‌گذاری و فرونشست سازندها در میدان آغاجاری، از داده‌های چاه آغاجاری 140 استفاده شده است. تاریخچه تدفین سازندها با استفاده از نرم افزار مدل‌سازی حوضه، Genex ترسیم شده است (شکل 2). نمودار تاریخچه تدفین، با استفاده از داده‌های عمق سازندها، عمق پی‌سنگ، سنگ‌شناسی لایه‌ها، سن لایه‌ها و گرادیان حرارتی بدست آمده است. محور افقی نمودار، زمان زمین‌شناسی از کرتاسه میانی تا زمان حال را نشان می‌دهد و محور عمودی سمت راست، ستون چینه شناسی و عمق تدفین سازندها را مشخص می‌کند(شکل 2). تصحیح فشردگی لایه‌ها در زمان زمین‌شناسی در این نمودار اعمال شده و تغییرات ضخامت در اعماق تدفین، در ترسیم نمودار در نظر گرفته شده است. نمودار، تاریخچه تدفین سازندهای آغاجاری تا فهلیان، از زمان رسوب‌گذاری تا زمان حال را نشان می‌دهد. خطوط مربوط به سازندها، نشان دهنده نرخ رسوب گذاری و افزایش عمق سازندها، در طول زمان زمین شناسی است. سازندها در گذر زمان در اعماق مختلف قرار داشته‌اند و در زمان حال به بیشترین عمق تدفین رسیده‌اند. شیب خطوط نمودار تاریخچه تدفین، نرخ رسوب‌گذاری و نرخ تدفین لایه‌ها است، که در طول زمان زمین شناسی، تحت تاثیر عوامل مختلف تغییر کرده و شیب‌های بیشتر، نرخ رسوب‌گذاری و نرخ تدفین بالاتری را نشان می‌دهد.

شکل 2 - نمودار تاریخچه تدفین در چاه آغاجاری 140، همراه با خطوط هم پخت سازندها

بر اساس تاریخچه تدفین، تاریخچه حرارتی سازندها بازسازی شده است. جهت بازسازی تاریخچه حرارتی، از گرادیان حرارتی میدان آغاجاری به مقدار 24 درجه سانتیگراد در یک کیلومتر استفاده شده (Orbel 1977) و تغییرات قابلیت هدایت حرارتی سازندها در اثر فشردگی و گذشت زمان زمین‌شناسی محاسبه شده است. تاریخچه حرارتی، اساسی برای بازسازی تاریخچه پختگی مواد آلی است. تاریخچه پختگی بدست آمده در این مطالعه، براساس مدل سازی انعکاس ویترینیت محاسبه شده و میزان پختگی لایه‌ها در طول زمان زمین شناسی با استفاده از خطوط هم پخت انعکاس ویترینیت بر روی نمودار تاریخچه تدفین نشان داده شده است. خطوط هم پخت، وضعیت پنجره نفت زایی سنگ منشأ و زمان رسیدن به پختگی مناسب جهت هیدروکربن زایی را نشان می‌دهد. با در نظر گرفتن انعکاس ویترینیت به مقدار 6/0 درصد، به عنوان شروع پنجره نفت‌زایی، سنگ منشأ کژدمی در 15 میلیون سال پیش، وارد پنجره نفت‌زایی شده است . در زمان حال سازند کژدمی در وضعیت نفت‌زایی قرار دارد و هنوز وارد پنجره گاززایی نشده است. همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده، از زمان میوسن سازند کژدمی در میدان آغاجاری در شرایط مناسب نفت‌زایی قرار داشته است.

نرخ‌های تصحیح نشده بدست آمده در چاه آغاجاری 140، بصورت نمودار هیستوگرام در شکل 3 نشان داده شده است. در این نمودار، محور افقی، زمان زمین‌شناسی همراه با سازندها و دوره‌های زمان زمین‌شناسی است و محور عمودی، نرخ رسوب‌گذاری تصحیح نشده را نشان می‌دهد. برای محاسبه این نرخ‌ها از ضخامتی استفاده شده که در چاه آغاجاری 140 اندازه گیری شده و ضخامت زمان حال سازندها است. همانگونه که در شکل 3 دیده می‌شود، نرخ‌های مختلفی از 7 تا 149 متر در میلیون سال، برای سازندهای مختلف بدست آمده است.

سازند شیلی کژدمی، دارای نرخ تصحیح نشده 39 متر در میلیون سال است(شکل 3). بر اساس مطالعهIbach  در 1982، برروی داده‌های پروژه حفاری دریای عمیق، مناسب‌ترین نرخ برای تجمع و حفظ مواد آلی در شیل‌های تیره، 41 متر در میلیون سال و برای سنگ‌های آهکی، 14 متر در میلیون سال است ( Ibach 1982). سازند عمدتاً شیلی کژدمی با نرخ 39 متر در میلیون سال، از دیدگاه نرخ نهشته شدن، شرایط مناسبی برای حفظ مواد آلی داشته است. به عبارت دیگر، مواد آلی این سازند، مدت زمان زیادی در معرض عوامل تخریب کننده قرار نداشته و سرعت رسوب‌گذاری به اندازه‌ای بوده است که درصد مواد آلی نسبت به کل رسوب، از افزایش نسبی برخوردار باشد. در مطالعات مختلف سازند کژدمی غنی از ماده آلی و سنگ منشأ معرفی شده است (Ala et al. 1980; Bordenave and Huc 1995). نرخ‌های سازندهای شیلی پابده و گورپی، به ترتیب 9 و 7 متر در میلیون سال است. این نرخ‌ها با نرخ‌های مناسب برای حفظ مواد آلی، تفاوت زیادی داشته و مواد آلی رسوبات این سازندها، مدت زمان بیشتری در معرض عوامل نابود کننده از جمله اکسیداسیون و فعالیت‌های بیولوژیکی باکتری‌ها قرار داشته‌اند. نرخ‌های سازندهای آهکی، مانند آسماری و سروک، بالاتر از نرخ مناسب و در سازندهای ایلام، داریان و فهلیان کمتر از نرخ مناسب برای حفظ مواد آلی است. در این سازندهای آهکی، زون سنگ منشأ معرفی نشده است.

نرخ‌های رسوب‌گذاری کل در مقابل زمان، در شکل 4 نشان داده شده است. تصحیح فشردگی و تغییر ضخامت، در تاریخچه تدفین سازند اعمال شده، ضخامت اولیه سازندها بدست آمده و در محاسبات نرخ رسوب‌گذاری کل استفاده شده است. این نمودار، وضعیت رسوب‌گذاری در زمان نهشته شدن سازندها را نشان می‌دهد. به عبارت دیگر، این نرخ‌ها، تاریخچه خلاصه‌ای از نهشته شدن رسوبات در محیط‌های رسوب‌گذاری قدیم است.

شکل 3- نرخ رسوب‌گذاری تصحیح نشده در چاه آغاجاری 140

شکل 4- نرخ رسوب‌گذاری کل سازندهای چاه آغاجاری 140

سازندهای پابده و گورپی، با نرخ 25 و 21 متر در میلیون سال نهشته شده‌اند، که در مقایسه با سازندهای دیگر، نرخ پایینی است و محیط رسوبی آرامی را نشان می‌دهد. رسوبات الیگوسن و جوانتر، نرخ‌های بالاتر نهشته شدن را نشان می‌دهند. بگونه‌ای که نرخ نهشته شدن سازند آسماری 45، سازند گچساران 170 و سازند میشان 485 متر و آغاجاری 190 متر در میلیون سال است. این نرخ‌های بالا، هم زمان با فعالیت تکتونیکی کوه زایی زاگرس و نشان دهنده ورود و نهشته شدن بیشتر مواد رسوبی و نرخ پر شدن سریعتر حوضه رسوبی است.

سازند سروک در سنومانین، با نرخ بالایی نهشته شده است. این فرونشینی و نهشته شدن رسوبات، هم زمان با شروع فاز کوه زایی، قبل از ماستریشتین است. از نشانه‌های این فاز کوه‌زایی، در شمال شرق پلت فرم عربی، وجود رخساره‌های کنگلومرا و برش در سازند سروک است که افزایش ناپایداری را نشان می‌دهد ( Stoneley 1981; Bordenave and Hegre 2005 ).

نرخ رسوب‌گذاری جامد سازندها، در شکل 5 نشان داده شده، این نرخ‌‌ها، میزان ورود مواد جامد رسوبی به محیط‌های رسوبی قدیمی را نشان می‌دهد. برای بدست آوردن این نرخ‌ها تخلخل لایه‌ها حذف شده و ضخامت مواد جامد در محاسبه وارد شده است. در مقایسه با نمودار نرخ رسوب‌گذاری کل، روند تغییرات مشابه است، اما در نرخ‌های رسوب‌گذاری جامد تفاوت‌ کمتری بین سازندها دیده می‌شود، که تغییرات آرامتر مقدار ورود مواد جامد رسوبی به محیط‌های رسوبی قدیمی را نشان می‌دهد.

شکل 5- نرخ رسوب‌گذاری جامد در چاه آغاجاری 140

کنگلومرا در مارن‌های رازک، معادل زمانی قسمتی از سازند گچساران، در ناحیه نیریز (مطیعی، 1374) و کنگلومرای ضخیم در لرستان، هر دو به سن میوسن ابتدایی بوده که از نشانه‌های گسترش ناپایداری و موجب ورود رسوبات بیشتری به حوضه رسوبی شده است.

نرخ فرونشست کل^[8] در طی رسوب‌گذاری و تشکیل سازندها، تغییر کرده و نشان دهنده افزایش عمق پی‌سنگ می‌باشد که در ارتباط با فشردگی پیشرونده رسوبات در طی نهشته شدن و افزایش بار رسوبی است (شکل 6). این نمودار نشان دهنده تغییرات عمق ستون چینه‌شناسی و فرونشست سطح پایین رسوبات در میدان آغاجاری در طول زمان زمین شناسی است.

بعد از نهشته شدن سازند سروک (کنیاسین)، فرونشست آرام تا پایان الیگوسن وجود داشته است(شکل 6). بگونه ای که نرخ فرونشست، عموماٌ کمتر از 10 متر در میلیون سال بوده است. از الیگوسن بالایی، افزایش نرخ فرونشست دیده می‌شود و سازندهای میشان و آغاجاری، به ترتیب همراه با نرخ فرونشست 160 و 80 متر در میلیون سال نهشته شده‌اند.

شکل 6 -نرخ فرونشست کل همزمان با نهشته شدن سازندهای چاه آغاجاری 140

نمودار فرونشست تکتونیکی در شکل 7 نشان داده شده است. این نمودار، نرخ عمیق شدن پی سنگ، بدون در نظر گرفتن وزن رسوبات است. تغییرات عمق محیط رسوبی یا پالئوباتیمتری^[9]( تغییرات سطح آب دریا و هوا )، در این نمودار اعمال شده است و فرونشست سطح بالایی پی‌سنگ، در طول نهشته شدن سازندها را نشان می‌دهد. بر اساس این نمودار، فرونشست تکتونیکی به سمت زمان حال و هم زمان با کوه زایی زاگرس، شیب بیشتری دارد. همچنین از کرتاسه پایینی تا ابتدای کرتاسه بالایی افزایش نرخ فرونشست تکتونیکی دیده می‌شود که می‌تواند نشان دهنده کوه زایی کرتاسه بالایی باشد.

شکل 7 - نمودار فرونشست تکتونیکی در چاه آغاجاری 140