Угольное вещество осадочных толщ, его накопление и преобразование тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.16, доктор геолого-минералогических наук Волкова, Идея Бекджановна

• Волкова, Идея Бекджановна
• доктор геолого-минералогических наук
• 1983

Оглавление диссертации доктор геолого-минералогических наук Волкова, Идея Бекджановна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И СОСТАВ УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА

1.1. Уровни организации и степень концентрации угольного вещества

1.2. Основные генетические типы угольного вещества

1.3. Эволюция количества концентрированного и рассеянного органического вещества в осадочных толщах. зо

1.4. Соотношение гумусового и сапропелевого типов вещества в осадочных толщах фанеро

Глава 2. ПЕРВИЧНЫЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ОРГАНИЧЕСКИЕ

МИКР0К0МП0НЕНТЫ УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА

2.1. Типы превращения растительного материала в седиментогенезе.

2.2. Органические микрокомпоненты

2.3. Связь микрокомпонентного состава угольного вещества с угле образующей растительностью

2.4. Соотношение процессов автохтонии и аллох-тонии при формировании рассеянного и концентрированного угольного вещества

Глава 3. ДИАГЕНЕТМЧЕСКИЕ И ПОСТДИАГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА.

3.1. Изменение петрографических признаков и химических свойств угольного вещества на буроугольных стадиях

3.2. Изменение петрографических признаков и химических свойств угольного вещества на каменноугольных и антрацитовых стадиях

3.3. Сравнительная характеристика постдиагене-тических преобразований углей и рассеянного органического вещества пород

Глава 4. ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЕ ТИПЫ И ФАЦИИ УГЛЕЙ (ИСКОПАЕМЫХ ТОРФЯНИКОВ) В СВЯЗИ С ИССЛЕДОВАНИЕМ УГОЛЬНЫХ

ПЛАСТОВ. <

4.1. Макроскопические признаки и структурно-текстурные особенности углей.

4.2. Вещественно-петрографическая классификация углей. <

4.3. Минеральные примеси в углях.

4.4. Фации углей (ископаемых торфяников)

Глава 5. ТИПЫ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ОСНОВНЫХ ЭПОХ УГЛЕНАКОПЛЕ

НИЯ НА ТЕРРИТОРИИ СССР.

5.1. Типизация угольных пластов.

5.2. Основные типы угольных пластов на территории СССР.

Глава б. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПЕТРОГРАФИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРОЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

6.1. Связь петрографического состава угольных пластов с их мощностью и строением

6.2. Петрологические особенности весьма и сверхмощных угольных пластов.

6.3. Изменение петрографического состава угольных пластов по эпохам угленакопления

Глава 7. ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА. Z

7.1. Корреляция и детальная стратиграфия угольных пластов по петрографическим данным

7.2. Прогнозирование качества углей

Глава 8. ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ РАССЕЯННОГО

УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА

8.1. Методика исследования и изученность рассеянного органического вещества пород металлоносных черноеланцевых толщ.

8.2. .Характеристика рассеянного органического вещества пород металлоносных черное ланцевых толщ (на примере углеродисто-золоторудных формаций Западного Узбекистана)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Угольное вещество осадочных толщ, его накопление и преобразование»

Угольное вещество, под которым понимается седиментогенное органическое вещество преимущественно растительного происхождения, находящееся в осадках в твердой фазе, широко распространено в литосфере и встречается в различных формах концентрации. Наиболее изучено концентрированное угольное вещество, представленное ископаемыми углями, что обусловлено их огромной практической значимостью. На протяжении долгого времени угли были основной базой энергетического баланса промышленно развитых стран. В условиях резкого возрастания потребностей в энергии, несмотря на широкое использование нефти и газа, развитие атомной энергетики, угли остаются на длительную перспективу надежным источником получения энергии, занимающими в топливном балансе одно из ведущих мест. Как известно, в Советском Союзе директивами ХХУ1 съезда КПСС на П-ю пятилетку предусмотрено увеличение добычи углей до 775 млн.тонн в год. При этом одновременно ставится задача более рационального использования природных ресурсов страны, в том числе и угольного сырья.

Практическое значение углей определило то обстоятельство, что именно они (по сравнению с другими формами угольного вещества) начали изучаться в первую очередь, на них разрабатывались, развивались разнообразные методы исследования органического вещества (ОВ), многочисленные виды петрографических, химических и технологических анализов. Среди этих методов большое место принадлежит методам углепетрографии, с помощью которых решались и решаются многие задачи прикладного характера, связанные с оценкой качества углей и определением рациональных путей их использования. Углепетрографические методы сыграли важную роль в разработке теории углеобразования, в выяснении ряда вопросов смежных наук: литологии, палеоботаники, форма-ционного анализа осадочных толщ, органической геохимии.

Исследования умеренно концентрированного (углистые породы ^ и, главным образом, горючие сланцы) и рассеянного ОБ стали широко проводиться значительно позже, по мере возрастания практических потребностей (вовлечение в энергетический баланс горючих сланцев, прогнозы нефтегазоносности осадочных толщ). При изучении этих форм ОБ были использованы прежде всего разработанные на углях методы и приемы исследований, а также классификации и теоретические разработки. И здесь наряду с уг-лехимическими видное место принадлежит углепетрографическим методам анализа.

Тем не менее ряд проблем петрологии угольного вещества далек еще от полного разрешения. В определенной степени это относится к самим углям и связано, с одной стороны, с природным разнообразием их состава, свойств, неодинаковым строением угольных пластов, различием месторождений и бассейнов, а с Другой стороны - повышением требований промышленности к изучению качества сырья, необходимостью прогноза углей с заданными свойствами. В большой мере проблемы петрологии углей обусловлены расширением области применения этой дисциплины, распространением ее методов и представлений на умеренно концентрированные и рассеянные формы ОБ. Здесь прежде всего идет речь о внедрении углепетрографии в исследования рассеянного органического вещества (РОВ) осадочных толщ в связи с оценкой их нефте-материнского потенциала и прогнозом нефтегазоносности. Благодаря этому получены многочисленные данные по характеристике ОВ главным образом низких и средних стадий углефикации, на которых происходит генерация гадких и газообразных углеводородов. В то же время РОВ о с адочн о-метаморфических пород, отвечающее высоким стадиям метаморфизма, остается мало изученным. В последние годы в геологической литературе появляется все больше данных о связях металлоносности так называемых черных сланцев с содержанием в них ОВ. Черноеланцевые толщи установлены во многих регионах мира, в широком возрастном диапазоне. Однако, при их изучении еще очень мало используется информативность у одного из характерных составных компонентов - ОВ. Зто мошо объяснить и сложностью объекта, и отсутствием разработанной методики его изучения и, вероятно, недостаточным пониманием роли углерода в геохимических процессах. Первые опыты по изучению РОВ пород древних черноеланцевых осадочно-метаморфичес-ких комплексов, проведенные автором в 70-х годах по материалам из коллекций И.В.Кунаева, Б.А.Блюмана, Ю.М.Кузичкиной и других, показали целесообразность применения для данной цели углепетрографических методов. С этого времени было положено начало по существу новому направлению в углепетрографии, с одной стороны, и в работах по изучению РОВ черных сланцев, с Другой.

Все проведенные автором исследования концентрированного и рассеянного угольного вещества тесно связаны с работами треста "Печорауглегеология" (до 1955 г.), ЛАГУ АН СССР (до 1962 г.) и отдела геологии угля и горючих сланцев ВСЕГЕН. Под руководством И.И.Горского автор участвовал в составлении 3-х томной монографии "История нижнемезозойского угленакопления на территории Казахстана" (разделы по петрографическому составу и метаморфизму углей, типам угольных пластов и фациям ископаемых торфяников), а также "Атласа карт угленакопления на территории СССР" (карты верхнетриасового, нижне- и средне юрского угленакопления). С начала 60-х годов автор проводил детальные исследования мощных пластов угля Канско-Ачинского бассейна в рамках темы "Методы корреляции угленосных толщ и синонимики угольных пластов". При этом была дана первая характеристика и разработана стратиграфия угольного пласта Березовского. В настоящее время, как известно, угли этого пласта составляют основную часть запасов топливно-энергетического комплекса Кан-ско-Ачинского бассейна.

В последующие годы в связи с работой по теме Отдела геологии угля и горючих сланцев "Литогенетические типы пород и фаций" автор исследовал угли и РОВ вмещающих пород в Подмосковном и Донецком бассейнах. При составлении монографии "Петрографические типы углей СССР", под руководством А.И.Гинзбург, автором изучались закономерности распределения углей различных типов и классов в основных угольных бассейнах СССР. Методика исследования угольного пласта, как элемента угленосной формации разрабатывалась автором в связи с выполнением темы "Методы формационного анализа угленосных толщ", под руководством Г.А.Иванова.

В соответствии с планом ВСЕГЕИ в 1975 г. под руководством и при непосредственном участии автора была подготовлена к изданию монография "Петрография углей СССР", а также проведена тематическая работа "Критерии прогнозирования качества углей". По заданию Мингео СССР в 1978-81 гг. выполнялась тема по разработке методики изучения РОВ пород, вмещающих рудные месторождения. Автором в указанной работе осуществлялось научное руководство и были проведены все углепетрографические исследования.

Расширение сферы применения углепетрографических методов в новом направлении позволили полнее выявить многообразие угольного вещества, особенно на высоких стадиях метаморфизма, характер его преобразования в специфических условиях развития черноеланцевых толщ и роль в геохимических процессах в более древние периоды развития осадочной оболочки Земли. Целью диссертационной работы является исследование с единых позиций угольного вещества различных форм концентрации - от максимальной в виде сверхмощных пластов углей до рассеянных углистых частиц в осадочных и осадочно-метаморфических толщах. Конкретное содержание поставленных задач можно сформулировать следующим образом.

1. Выявление общих закономерностей изменения во времени количества и состава основных типов угольного вещества и угольных пластов.

2. Сравнительный анализ петрографических признаков и свойств угольного вещества различного уровня организации и разной степени концентрации.

3. Исследование исходного растительного материала, первичных условий его накопления и изменения в процессе метаморфизма.

4. Типизация пластов углей по вещественно-петрографическому составу с учетом их мощности и строения.

5. Анализ закономерностей распространения типов угольных пластов на территории СССР с определением степени их участия в угольных запасах различного стратиграфического уровня.

6. Дальнейшее развитие прикладных аспектов углепетрографии: а) применительно к углям - выбор и обоснование критериев прогнозирования их качества, изучение петрографических признаков корреляции и детальной стратиграфии угольных пластов; б) применительно к рассеянным формам ОВ - разработка методики изучения углеродистого вещества черноеланцевых толщ и выявление возможностей углепетрографических методов для познания РОВ осадочных пород, вмещающих рудные месторождения.

В своей работе автор исходил из тех теоретических положений, которые развивались Ю.А.Жемчужниковым, В.И.Вернадским, Н.Б.Вассоевичем, И.И.Горским, Н.М.Страховым, П.П.Тимофеевым, Г.А.Ивановым, В.А.Успенским, А.В.Македоновым, И.И.Аммосовым в области геологии и петрологии углей, литологии, органической геохимии и учения о биосфере. Диссертация основана на материалах собственных сборов и многолетних исследований автора (1953-1982 г.г.) в следующих районах СССР - Печорском, Подмосковном, Донецком, Челябинском, Южно-Уральском, Орском, Минусинском и Канеко-Ачинском угольных бассейнах, нижнемезозойских угольных месторождениях Казахстана, золоторудных месторождениях Западного Узбекистана (Центральные Кызылкумы), Шуньгском и других шунгитовых месторождениях Карелии. Часть материалов составляют изученные автором коллекции углей, осадочных и оса-дочно-метаморфических пород, полученных от геологов ЛАГУ АН СССР, различных отделов ВСЕГЕИ и других организаций. Вместе с тем автором используются опубликованные данные по рассматриваемым вопросам.

При изучении угольного вещества был применен комплекс методов углепетрографии, использованы данные углехимии, палеоботаники, литологии, термического и рентгенографического анализов, изотопии углерода и химико-аналитических методов. Оптические исследования проводились в основном на микроскопах МИН-8, МИН-9 и частично сканирующем электронном микроскопе. Всего автором изучено по угольным пластам около 5 тысяч шлифов и ан-шлифов, по РОВ осадочных и осадочно-метаморфических пород -около тысячи шлифов, аншлифов, аншлифов-брикетов и шлифов-брикетов. При обработке материалов количественного петрографического анализа и углехимических данных был применен многомерный статистический метод с использованием ЗВМ - метод главных компонент (МГК). Приближенно-количественное определение степени участия основных типов угольного вещества и пластов углей разного состава, мощности и строения в осадочных толщах проводилось по методикам, которые освещаются ниже, в соответствующих главах работы.

Б результате исследования и обобщения материалов выявлены петрографический состав, специфика накопления и преобразования угольного вещества разных форм концентрации, определены основные его признаки в различных типах осадочных толщ, в том числе древних черноеланцевых, и тем самым обоснована эффективность применения углепетрографических методов для решения новых геологических и прогнозных задач.

Автор защищает следующие положения:

1. Угольное вещество в зависимости от формы его концентрации отвечает четырем уровням организации: I - микрокомпонент; П - микролитотип (ассоциация микрокомпонентов); Ш - тип угля (ассоциация микро лито типов); 1У - пласт угля (ассоциация типов). Ш уровень соответствует угольному слою, 1У - комплексу угольных слоев, сложенных разными типами углей (и породных прослоев в пластах сложного строения), которые заключены между осадками почвы и кровли. С переходом от рассеянной к умеренно концентрированной и концентрированной формам уровень организации угольного вещества возрастает. Рассеянное угольное вещество находится преимущественно на I уровне; концентрированное -угольный пласт отвечает наиболее высокому 1У -уртБню и представляет собой различные сочетания элементов первых трех рангов.

2. Для осадочных толщ фанерозоя выявлено сравнительно высокое содержание угольного вещества гумусовой природы не только в концентрированных массах (угли), но и в РОВ осадочных пород. Показана тенденция к возрастанию значения гумусового типа ОВ во времени. При накоплении исходного материала в ряду концентрированное - рассеянное ОВ сокращается роль процессов автохто-нии и резко возрастает роль процессов первичной и вторичной аллохтонии. В связи с этим состав РОВ осадков зависит не только от характера углеобразующей растительности и фациальных условий ее накопления, но и от состава ОВ размытых и переотложенных пород. Последнее может быть представлено любыми микрокомпонентами (включая даже обломки углей и графита), находящимися на разных стадиях метаморфизма. Это обстоятельство важно учитывать при геолого-генетических построениях и решении прикладных вопросов.

3. На фоне общей направленности постдиагенетических изменений концентрированного (угли) и рассеянного угольного вещества преобразование РОВ осадочных пород происходит в более сложных условиях, особенно в черноеланцевых металлоносных комплексах, где широко проявляются магматизм, тектонические стрессы и гидротермальная деятельность. Показано влияние этих факторов на свойства ОВ.

4. Угольные пласты, как пространственно обособленные геологические тела, отвечающие концентрированной форме и высокому уровню организации угольного вещества, разделяются на типы по преобладающему вещественно-петрографическому составу, строению и мощности разреза. В запасах углей СССР различного возраста выделенные типы пластов распределены неравномерно. Начиная со среднего карбона ведущая роль на протяжении всех эпох углена-копления принадлежит I и П типам пластов (с преобладанием ге-литолитовых углей). Отмечается заметное участие в запасах углей карбоновых отложений азиатской части СССР пластов Ш типа ге литолито-фюзенолитовых), появление в перми пластов 1У типа (с преобладанием фюзенолитовых углей) и исключительно широкое распространение в мезозое и кайнозое гелитолитовых пластов (I тип). С возрастанием мощности угольных залежей сокращается число типов, которыми они представлены: среди тонких и средних пластов установлены все семь типов, среди мощных - пять, среди сверхмощных - три.

5. Показана целесообразность и эффективность применения разработанной системы петрографических критериев с использованием методов многомерной статистики для решения вопросов регионального и локального прогнозирования качества углей, корреляции и детальной стратиграфии угольных пластов в бассейнах различного типа.

6. Углепетрографическая методика в комплексе с другими видами анализов впервые применена для детального изучения РОВ осадочно-метаморфических пород, вмещающих рудные месторождения. Ее реализация на материале углеродисто-рудных формаций Центральных Кызылкумов и некоторых.:: других районов позволила получить новые данные о природе и метаморфизме заключенного в них ОВ. Доказана биогенная растительная природа ОВ, принадлежность его к угольному веществу высоких стадий углефикации (от полу- до метаантрацитовой). В древних "немых" толщах установлены сингенетичные микроостатки низших и высших растений (Центральные Кызылкумы, Карелия). Полученные данные имеют значение для решения геологических и прогнозных задач в районах развития черносланцевых металлоносных толщ. Таким образом, обосновано новое прикладное направление углепетрографии.

Разработанные научные и методические положения автора могут быть использованы при выполнении тематических и геологоразведочных работ в угольных бассейнах, а также в районах развития черноеланцевых формаций. Результаты исследований в Печорском и Канеко-Ачинском бассейнах входят в геологические отчеты, утвержденные в ГКЗ. Вещественно-петрографическая классификация углей, в разработке которой принимал участие автор, применяется во многих региональных работах отдела геологии угля и горючих сланцев ВСЕГЕИ и других организаций, была рекомендована при составлении атласов углей СССР. Предложенная автором типизация угольных пластов используется в изданных монографиях и статьях, в региональных и формационных исследованиях отдела геологии угля и горючих сланцев ВСЕГЕИ.

Данные по составу углей и угольных пластов ряда регионов СССР входат в опубликованные работы, в том числе в У том монографии "Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР", монографии по истории угленакопления на территории СССР, учтены при составлении карт угленакопления на территории СССР.

Результаты исследований РОВ порд используются в работах различных отделов ВСЕГЕИ - геологии и полезных ископаемых Казахстана и Средней Азии, Восточных районов, литологии, петрологии, общей и специальной металлогении, в работе экспедиции Мингео РСФСР, организаций Мингео УзССР. Методика изучения РОВ пород, вмещающих рудные месторождения, внедряется в работы Кызылкумской опытно-методической экспедиции Мингео УзССР, Института геологии АН УзССР. Результаты исследований по Западному Узбекистану учитываются в работах САИГИМС, при крупномасштабном прогнозировании в производственных экспедициях (Даугызта-уской и Др.). Данные по изучению углей и РОВ осадочных пород, бокситов, черных сланцев использованы в тематических работах ВАМИ, геологического факультета ЛГУ, геологоразведочного факультета ЛГИ. Подготовленные автором (совместно с М.В.Богдановой) методические рекомендации по изучению РОВ пород черносланцевых металлоносных толщ утверждены Мингео СССР к печати. Данные из работ автора используются при чтении лекций в ЛГУ и ЛГИ.

Основные результаты проведенных исследований докладывались на УШ и IX Международных карбоновых конгрессах, УШ Международном конгрессе по органической геохимии, Всесоюзных угольных совещаниях, Всесоюзном семинаре по ОВ в современных и ископаемых осадках, Всесоюзном литологическом совещании, Всесоюзном совещании по геохимии углерода, Всесоюзном семинаре "Углеродистые отложения докембрия и их рудоносность", на сессии ВПО геологической секции ученого совета ВСЕГЕИ, научно-методическом семинаре отдела геологии угля и горючих сланцев ВСЕГЕИ. По теме диссертации опубликовано более 60 работ. Результаты исследований печатались в Трудах ЛАГУ АН СССР, ВСЕГЕИ, Международных карбоновых конгрессов и в различных периодических изданиях.

В работе использованы результаты химических исследований, которые проводились М.В.Богдановой, О.И.Гавриловой. Г.Л.Сце-пинской и й.А.Летутовой, рентгенографического и термического анализов, выполненных соответственно Ю.С.Дьяконовым и Т.Н.Красавиной во ВСЕГЕИ. Определения по изотопии углерода проведены Г.П.Мамчуром в институте геологии и геохимии горючих ископаемых АН УССР. Химико-аналитические работы выполнялись в лабораториях ВСЕГЕИ под руководством И.А.Столяровой и Ф.Я.Сапрыкина. Изучение органических остатков методом сканирования в электронном микроскопе проводилось на приборе "КАШБАКС" в лаборатории микрозондового анализа ВСЕГЕИ! под руководством В.В.Павшукова.

Коллекции углей и пород, содержащих РОВ, были любезно предоставлены автору Л.И.Боровиковым, Б.А.Блюманом, И.В.Кунаевым, В.В.Ждановым, А.М.Ахмедовым, М.С.Сусловым, A.M.Тарасенковым,

A.Б.Гуревичем, А.Е.Могилевым, В.М.Никольским и многими другими сотрудниками ВСЕГЕИ. Исследования OB проводились автором также в образцах, полученных от Ю.М.Кузичкиной (объединение "Ташкентгеология"), разведочных организаций Красноярского и других ТГУ, экспедиций Мингео УзССР и других производственных и научных организаций.

При постановке тематических работ автор пользовался неизменной поддержкой руководства ЛАГУ АН СССР, дирекции ВСЕГЕИ и начальника Управления твердых горючих ископаемых Мингео СССР

B.Ф.Череповского, а также члена-корреспондента АН СССР А.Л.Щеглова. Углепетрографические исследования велись совместно с reo логами-угольщиками, литологами, палеоботаниками -Н.И.Леоненок, Л.Ф.Белянкиным, В.В.Воронцовым, В.Н.Волковым, Н.В.Ивановым, А.Б.Гуревичем, Е.М.Маркович, И.З.Фаддеевой, Г.М.Ковальчук, В.Р.Армашовой и другими.

Автор многим обязан также своим ушедиим учителям - профессорам Е. О .По греби цк ому, Г.А.Иванову, К.Г.Войновскому^ригеру и членам-корреспондентам АН СССР Ю.АЛЬ мчужникову и И.И.Горскому.

В процессе выполнения работы автор неоднократно пользовался советами и консультациями докторов reoлого-минералогических наук А.В.Македонова, О.А.Радаенко, Д.В.Рундквиста, В.В.Лаврова, В.Н.Волкова; кандидатов reo лого-минералогических наук И.Э.Вальц, А.И.Гинзбург, Н.М.Крыловой, Н.В.Иванова, Е.М.Маркович, И.З.Фаддеевой, А.Б.Гуревича, В.М.Никольского, А.С.Тараканова; кандидатов химических наук М.В.Богдановой и О.И.Гаврило-вой- Проведению полевых исследований содействовали многие работники ТГУ Мингео РСФСР, экспедиций и угледобывающих предприятий Минуглепрома СССР, объединения "Самаркандгеология" и Кызылкумской опытно-методической экспедиции Мингео УзССР, института геологии Карельского филиала АН СССР, института геологии АН УзССР, других организаций.

В обработке материалов и оформлении работы большую помощь оказали Э.А.Александрова, Л.М.Ряполова, С.А.Соломенцев, А.С.Чистякова, О.И.Дудкина, Т.Н.Николаева, А.П.Реус, М.К.Петров и другие.

Всем названным лицам и коллективам автор приносит глубокую благодарность. Особенно он признателен И.З.Вальц - первому руководителю и неизменному консультанту в области углепетрогра-фии и М.В.Богдановой - многолетнему соратнику в лабораторных исследованиях и верному товарищу в полевых условиях. Постоянное общение и сотрудничество с ними во многом способствовали выполнению работы.

Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и сопровождается томом приложений. В основном томе содержится 293 страницы текста, 57 таблиц, 43 рисунков. В том приложений входят: атлас макро- и микроструктур углей, пород, органических микрокомпонентов и описание типов угольных пластов - всего 35 страниц текста, 43 таблицы, 107 рисунков. Список литературы состоит из 420 названий

Заключение диссертации по теме «Геология, поиски и разведка месторождений твердых горючих ископаемых», Волкова, Идея Бекджановна

Выполненное автором исследование концентрированного и р а с сеянного угольного вещества с учетом общих закономерностей распространения и состава ОВ в стратисфере позволило р а з р а б о тать ряд теоретических положений, реализация которых с о д е й с т вует развитию традиционных и новых направлений в прикладной углепетрографии.Угольное вещество или фоссилизированное ОВ фитогеиного п р о исхождения, находящееся в твердой фазе , широко распространено и встречается практически во в с е х основных типах осадочных комплексов в различных формах по концентрации: рассеянной (ме нее 10% от общей массы о с а д к а ) , умеренноконцентрированной в связи с формой его концентрации и подчеркивается, что чем выше степень концентрации, тем сложнее петрографическая с т р у к - ^ тура угольного вещества, тем выше уровень е г о организации. , Угольный пласт - концентрированная форма ОВ, представляет собой сложное образование, в котором выделяется четыре уровня организации: I - микрокомпонент - элементарная составляющая угольного вещества, видимая под микроскопом, Н - микролитотип или микроингредиент ассоциация микрокомпонентов, слагающая микрослойки, мощностью более 50 микрон, Ш - тип угля - п а р а генезис микрокомпонентов или иногда микролитотипов, образую щий макроскопически видимые слои и 1У - угольный пласт - комп лекс типов углей и прослоев пород, заключенных между почвой и кровлей. Угольное вещество Ш, 1У уровней организации связано с угленосными и сланценосными формациями, встречается в н е к о - торых черноеланцевых толщах (например, в заонежской свите Ка релии). ОВ низких уровней организации распространено гораздо шире и характерно для различных типов осадочных и осадочно метаморфических пород. Установление связи между формой концент рации и уровнем организации угольного вещества имеет значение для рационального выбора методики исследования, классификации и номенклатуры петрографических составляющих твердого ОВ. Так, при изучении РОВ пород, которое находится в основном на I уровне организации, ведущими являются методы и классификации углепетрогра^и, касающиеся микрокомпонентов. С переходом к сложно организованным угольным пластам, комплекс методов рас ширяется и включает в себя как исследование микрокомпонентов, так и типов углей, их распределения и соотношения в залежи и Анализ изменения в течение фанерозоя количества и темпов накопления углей, горючих сланцев и РОВ пород обнаруживает определенную совмещенность их во времени и, при некоторых крупноритмичных колебаниях, общую тенденцию к увеличению масс ОВ с ходом эволюции биосферы. Выделяется два основных генети ческих типа ОВ - гу»дсовый и сапропелевый и рассматривается их соотношение в наиболее распространенных группах осадочных формаций различного возраста. По данным приближенно-количест венных подсчетов выявляется значительное участие гумусового типа не только в концентрированных, но и в рассеянных массах ОВ и намечается тенденция к возрастанию роли хумусового мате риала со временем. Максимумы развития сапропелевого типа сов падают с наиболее интенсивными этапами сланценакопления, а минимумы отвечают главным эпохам угленакопления.Увеличение общего количества ОВ и гумусового вещества в его составе связывается с эволюцией растительности, все более рас5У1 ширяющимся многообразием растительных экосистем, увеличением площадей континентальной седиментации. Немаловажное значение имело и появление в фанерозое таких устойчивых к разложению органических соединений в растениях, как лигнин, спорополле нин, кутин и других.Несмотря на различия в обстановках накопления исходного ма териала угольного вещесгаа неодинаковой степени концентрации, на уровне элементарных составляющих его можно говорить об оп ределенном единстве типов разложения и превращения раститель ных остатков. Причинами этого скорее всего являются - доволь но ограниченный "набор" органических соединений, участвующих в углеобразовании, и сходство условий микросреды (бескислород ной или с ограниченным доступом кислорода), необходимой для консервации отмирающей биомассы.В работе рассматриваютсл типы превращения растительных ос татков в седиментогенезе и в связи с этим выделены и охаракте ризованы органические микрокомпонента! угольного вещества раз личной степени концентрации. В основу классификации микроком понентов положена система И.З.Вальц с дополнениями и учетом новых данных других исследователей (Л.И.Боголюбсвой, П.П.Ти мофеева, Г.Н.Парпаровой, М.Тейхмюллер) по РОВ древних и совре менных осадков. Впервые установлены и охарактеризованы уголь ные микрокомпоненты, встречающиеся в оеадочно-метаморфических породах черноеланцевых металлоносных комплексов.Изменение содержания основных групп микрокомпонентов в ОВ \ осадочных толщ различного возраста коррелируется с развитием растительности. Отмечается зависимость состава исходного мате риала и микрокомпонентов угольного вещества от фациальных ус -

лоБий осадкообразования. В рассеянном ОВ, по сравнению с кон центрированным, увеличивается доля микрокомпонентов групп витринита, альгинита и липтинита, характерных для более об водненной среды превращения растительных остатков. Зта законо мерность значительно осложняется проявлением процессов вторич ной аллохтонии при формировании РОВ пород, В отличие от веществ битумной природы, имеющих миграционное происхождение, угольное вещество сингенетично минеральной час ти порд и накапливается на месте произрастания растений (ав тохтонное накопление) или путем приноса растительных остатков в осадок (первично аллохтонное накопление). Часть угольного вещества может слагаться твердыми органическими частицами - об рывками углефицированного растительного детрита, обломками уг лей и графита - переотложенными из более древних пород (вто ричноаллохтонное накопление). По сравнению с угольными плас тами, имеющими преимущественно автохтонное происхозедение, при формировании FOB пород значительно возрастает роль процессов первичной и вторичной аллохтонии. Поэтому состав рассеянной органики зависит не только от фациальных условий и характера исходной растительности, но и от состава ОВ размытых и пере отложенных осадков. Для определения вторично алдохтонных ор ганических частиц, наряду с их отражательной способностью, ис пользуются такие признаки, как нахождение микрокомпонентов в сростках с минеральным веществом, "чуждым" вмещающей породе, несовпадение направлений показателей Rmax и Rmln с первич ной слоистостью и ориентированными по ней автохтонными и пер вично аллохтонными включениями, четкость контуров. Выделение органических частиц различного происхождения имеет большое значение для выяснения генезиса всего угольного вещества и ре шения практических геологических задач, связанных с палеогео гра^ческими реконструкциями, определением палеотемпературно го резкима формирования осадочных пород по свойствам содержад93 щихся в них органических включений и т.д.Наряду с первичными признаками» в работе на большом факти ческом материале с привлечением литературных данных, исследо ваны изменения признаков и свойств углей и РОВ пород в процес се метаморфизма. На буроугольных стадиях обосновывается выде ление чешрех групп углефикации по величине отражательной спо собности и показателю преломления витринита, а так^ комплек су других петрографических признаков и химических свойств.Сравнительный анализ вторичного преобразования углей и рассеян ной органики на буроугольных и каменноугольных стадиях дается по детальным исследованиям ОВ карбоновых угленосных формаций Подмосковного и Донецкого бассейнов. Впервые проведено срав нительное изучение высокометаморфизованного концентрированно го и рассеянного угольного вещества на примере шунгитов Каре лии и РОВ металлоносных черносланцевых толщ Центральных Кызыл кумов и некоторых других районов СССР, охарактеризованы зави симости мезеду оптическими и химическими показателями угольно го вещества.Установлено, что при общей направленности процессов метамор физма угольного вещества разных форм концентрации, преобразо вание РОВ в осадочно-метаморфических комплексах происходит в более сложных условиях в связи с их, как правило, сильной тек тонической нарушенностью, проявлениями гидротермальной минера лизации и оруденения, а такаог интенсивным развитием магматизма.Основным процессом преобразования ОВ в черносланцевых тол щах является региональный метаморфизм, что выявляется по зако номерному изменению оптических свойств органических частиц в разрезе при относительно "спокойных" условиях залегания пород.Вместе с тем отмечаются частые локальные контактовые изменения угольного вещества с переходом последнего в коксоподобный ма39k териал и графит. В черно сланцевых толщах установлено так^ проявление термального метаморфизма. Существенного влияния гидротермальной минерализации и метасоматических изменений на стадию углефикации РОВ пород не обнаруживается. Это можно объ яснить сравнительно низкой температуре* растворов и довольно ВЫСОКОЙ преобразованностью ОВ к моменту их проявления. В мета соматитах наблюдается только уменьшение количества 0-^-, веро ятно, в связи с выносом ОВ. Тектонические стрессы приводят к увеличению главным образом степени анизотропии (величины дву отражения) угольного вещества и мало влияют на абсолютное зна чение показателя отражения и элементный состав органической массы.В качестве примера термально измененного концентрированно го ОВ рассматриваются I и П разновидности шунгитов Карелии с высоким содержанием С -^^ , (более ЗОЙ* В блестящей разновидно сти шунгитов, ранее относившейся к ОВ битумной природы, с по мощью травления полированных поверхностей впервые выявлены но вые растительные структуры, сходные со строением древесины в палеозойских углях, а весь пласт высокоуглеродистнх образова ний в известном обнажении у пос.Шуньга в Заонежье рассматрива ется как типичная угольная залежь. Определены петрографичес кие и химические параметры слагающих его полублестящих и полу матовых углей и линз витринита (шунгит I разновидности). Изу ченное здесь угольное вещество отнесено к метаантрацитовой стадии. Графитизация в нем наблюдается только в узких микро скопических зонах и обусловлена проявлением контактового ме таморфизма .Изучение РОВ пород зеленосланцевой фации метаморфизма по казывает, что большая его часть относится к угольному вещест ву антрацитовой стадии, а не к графиту. В комплексах пород амфиболитовой фации степень метаморфизма РОВ отвечает мета антрациту и графиоу. По данным микроскопических исследований РОВ углеродното-рудных формаций можно считать, что из всех ор ганических микрокомпонентов при необходимых условиях графити зация раньше других развивается по витриниту.Полученные результаты углепетрографического изучения ОВ по род черносланцевых толщ Средней Азии и других районов подтвер ждаются данными химических и рентгенографических анализов. По сравнению с углями соответствующих стадий регионального мета морфизма, а также РОВ угленосных и нефтеносных отложений, угольное вещество металлоносных черноеланцевых комплексов име ет свои химические особенности: значительно меньшее содержание водорода, повышенное количество гетероатомов, высокую действи тельную плотность.Переходя к анализу концентрированного угольного вещества угленосных формаций, автор рассматривает вопросы вещественно петрографической классификации углей, их минерализации и фа циальных условий образования применительно к основной задаче -

исследованию в целом угольных пластов, как пространственно обособленных геологических тел, имеющих определенный состав и строение.Различные соотношения и морфологические особенности орга нических и неорганических компонентов определяют внешний об лик углей и их структуру и текстуру. Автором детально исследо ван вопрос о микроструктуре и микротекстуре, который в послед нее время подвергался значительному пересмотру в связи с появ лением вещественно-петрографических классификаций и совершен ствованием качества угольных препаратов. На основе применения впервые в углепетрографии метода главных компонент с использо ванием ЭВМ установлены количественные связи между макроструктурой углей, их микроструктурвыми особенностями и микрокомпо нентным составом. Полосчате структуры коррелируются с содер жанием в углях фрагментарных остатков гедифицированных и фю зенизированных растительных тканей, однородные - с количест вом в них альгинита, споринита и аттрито-витринита. В работе предлагается схема классификации микроструктур и микротекстур углей с учетом формы и размеров петрографических составляющих.При выделении классов, подклассов и типов углей автор ис ходит из вещественно-структурных принципов, которые полоавны в основу современных классификаций Крылова и др., Тимофеев и

Боголюбова). Используется вещественно-петрографическая клас сификация и номенклатура углей ленинградской группы углепетро графов, в разработке которой принимал участие и автор.Для выяснения фациальных условий угленакопления, кроме ге нетических признаков ОБ* большое значение имеет исследование минеральных компонентов углей. Характеристика минеральной ча сти угольного вещества дается по группам включений, видимых макроскопически и под микроскопом, по составу золы углей, а так2б5 по элементам-примесям.На основе синтеза петрогенетических признаков углей, их химических свойств, с учетом данных палеоботаники, литологии предлагается классификация угольных фаций - фаций ископаемых торфяников. Последние по способу накопления исходного матери ала объединяются в две группы - автохтонные (гипавтохтонные) J и аллохтонно-гипавтохтонные. Дальнейшие подразделения их про- , водятся по степени обводненности и застойности (проточности) ; болот, а так»в предполагаемым углеобразующим типам раститель ности. Различные фации характеризуются неравномерным развити ем во времени, что связано с общим изменением палеогеографи ческих условий осадконакопленйя от карбона до неогена.при формационном анализе угленосных толщ основное внимание углепетрографических исследований должно бнть направлено на изучение не отдельных микрокомпонентов и типов углей, а в це лом угольных пластов, как непременных и вашейших элементов данной формащи* Обобщение большого изученного фактического материала по Печорскому, Подмосковному, Донецкому, Юаиоураль скому. Челябинскому, Канеко-Ачинскому. Иркутскому, Минусинско му бассейнам и по ряду ниакненеэозойских месторошений Казах стана, с привлечением опубликованных материалов, позволило разработать принципы и типизацию угольных пластов основных эпох угленакопления на территор!и СССР» Выделено семь вещест венно-петрографических типов угольных пластов по соотношению углей различных классов, которые могут быть детализированы в соответствии с региональными особенностями их в бассейнах.Впервые по данным приближенных подсчетов определена доля уча стия основных типов пластов в запасах углей СССР различного возраста, уточнены известные и выявлены новые закономерности их распространения по эпохам угленакопления.С эволюцией углегенеза во времени увеличивается разнообра зие (число) типов пластов по вещественно-петрографическому со ставу, мощности и строению. В целом, в палеозойские эпохи уг ленакопления преобладали тонкие и средние пласты, содержащие все петрографические типы углей, характерные для палеозоя. С увеличением мощности строение пластов палеозоя как правило усложняется, но петрографически они становятся более однотип ными.В мезозое строение и мощность пластов изменяются в более широких пределах, чем в палеозое. При этом явно возрастает роль весьма мощных и сверхмощных угольных залежей как очень сложного, так и простого строения. С увеличением мощности пла:>уц сты также приобретают более однотипный состав. Среди тонких и средних пластов установлены все семь вещественно-петрографи ческих типов, среди мощных - практически преобладают 5 типов, а среди сверхмощных распространены преимущественно три типа -

гелитолитовый, гелитолито-фюзенолитовый и фюзенолитовый.Петрологические исследования мощных и сверхмощных угольных пластов позволили выявить черты сходства и различий в их сос таве и строении* 5 гелитодитовых пластах типа Березовского (Данеко-Ачинский бассейн) с увеличением мощности до ^ -60 мет ров строение остается сравнительно простым, но при дальнейшем повышении мощности оно усложняется. При этом в составе пластов возрастает участив аттритовых типов углей, примесь сапропеле вого материала и появляется больше признаков озе|НОго накопле ния. Вместе с тем в наиболее мощном пласте (Йтатском) увели^ чивается, кроме породных прослоев, роль фюзенолитов с призна ками аллохтонного накопления. В гелитолитовых пластах типа челябинского с возрастанием мощности увеличивается число по родных прослоев, повышается зольность углей и такжз появляют ся признаки аллохтонного накопления растительного вещества.В весьма мощных и сверхмощных пластах фюзенолитового сос тава с возрастанием мощности строение становится очень сложным, в углях начинает преобладать аттритоввй слабофюзенизированный материал и увеличивается зольность за счет терригенных мине ральных примесей. Одновременно, как и в гелитолитовых пластах, в углях появляется все больше признаков аллохтонного генезиса.Изучение распределения типов пластов в разных угленосных формациях показывает, что тектонический режим области осадко накопления отражается прежде всего на общем строении и мощно сти залежей, тогда как их петрографические особенности более тесно связаны с палеогеографическими факторами (ландшафт, климат, растительность) и местными условиями гидрологического реймма. Зависимость состава углей от растительности и климата достаточно отчетливо проявляется в девоне и раннем карбоне. В дальнейшем с интенсивным расцветом высших растений, состав угольных пластов становится более многообразным и в определен ной степени связан с климатической и палеофлористической зо нальностью.В пределах Еврамерийской флористической области в среднем -

позднем карбоне преобладает гелитолитовый тип пластов.малой мощности. Однако, в одновозрастных отложениях 1^нгусской фло ристической области получает широкое распространение фюзеноли товый тип пластов различной мощности. Эти особенности в зна чительной мере сохраняются и в перни. Здесь только следует отметить развитие сравнительно мощных гелитолитовых пластов в Кузбассе (кольчугинская серия). В мезозое, несмотря на распро странение разнообразных типов пластов, подавляющую роль игра ет только гелитолитовый тип, что возмоано объясняется сравни тельным однообразием юрской флоры. Фюзенодитовый и гелитолито фюзенолитовый типы пластов характерны для юры, но они состав ляют специфику только отдельных угленосных регионов. В кайно зое такааз доминирует гелитолитовый тип, представленный часто своеобразными аттрито-гелитовыми землистыми бурыми углями.Исследование угольного вещества разных уровней организации в связи с общим анализом закономерностей эволюции ОВ в осадоч ной оболочке Земли имеет не только теоретическое значение, но и создает научно-методологическую основу для развития тради ционных и новых направлений в прикладной углепетрографии. Из широкого круга задач, решаемых с помощью углепетрографических методов в угольных бассейнах, в работе исследуются вопросы параллелизации и детальной стратиграфии угольных пластов, реUoo гионального и локального прогнозирования качества углей.Петрографические данные оказывают большую помощь при па раллелизации угольных пластов на различных расстояниях, но они еще недостаточно используются в практике геологоразведочных работ. Особенно надежны для синонимики пластов такие их приз наки, как строение, наличие каолинитовых прослоев, веществен ный состав углей. Определенную роль углепетрографические мето ды играют и при изучении стратиграфии угольных залежей в свя зи с их морфологическими особенностями. Наряду с известными корреляционными признаками угольного вещества и угольного пласта, выявлена возможность применения для целей внутриплас товой увязки залежей компонентных графиков, получаемых на ос нове обработки данных методом главных компонент.В прогнозировании качества углей выделяется два главных направления: технологическое и геологическое. Первое из них предусматривает прогнозную оценку технологических свойств уг лей и определение наиболее рационального их использования, в то время как второе направление имеет своей целью прогнозиро вание изменчивости состава и метаморфизма углей отдельных пла стов или их групп как в стратиграфическом разрезе, так и на площади конкретного шахтного поля, месторождения или всего бассейна.Геологический прогноз качества углей тесно связан с прог нозом общей угленосности, который базируется на формационных и стратиграфических критериях. Последние могут иметь значение для общей оценки качественных параметров угольных пластов.При более детальном прогнозировании ведущее значение принад дажит критериям и методам, которые непосредственно характери зуют угольный пласт и вещество углей. Петрографические крите рии прогнозирования подразделяются на региональные и локальш ные. В работе количественно оценивается роль различных крите риев в зависимости от генетического типа угленосной формации, степени разведанности (изученности) и размера площади, на ко торую дается прогаоз.Применительно к рассеянной форме угольного вещества разви вается новое прикладное направление углепетрографин - изуче ние РОВ осадочно*-метаморфических пород, вмещающих рудные мес торождения. На материале углеродисто-рудных формаций Централь ных Кызылкумов и некоторых других районов установлено, что углеродистый материал в них относится большей частью не к гра фиту или антраксолиту, а к угольному веществу высоких стадий метаморфизма. Поэтому к исследованию ОВ древних черносланце вых металлоносных толщ оказалось возможным и эффективным при менять методы углепетрографии.Впервые разработана комплексная методика изучения РОВ по род, вмещающих рудные месторождения, в основе которой лежат углепетрографические методы. В общий комплекс исследований входят такааз методы углехимии, рентгенографический, дифферен циально-термический и другие виды анализов. Применение этой методики к исследованию РОВ пород углеродисто-золоторудных формаций кызылкумского типа позволило получить новые данные о природе и метаморфизме ОВ, которые будут способствовать поз нанию генезиса и прогнозированию некоторых стратифицированных рудных месторождений, уточнению общих геологических и палео географических вопросов в Западном Узбекистане и других райо нах, где развиты металлоносные черные сланцы.Автор выражает надежду, что в целом выполненное им исследо вание расширяет и углубляет теоретические представления об об щих закономерностях накопления и преобразования ОВ в осадоч ной оболочке Земли и, в частности, той ее части, которая ела^02 гается широко распространенными древними метаморфизованными черноеланцевыми комплексами. Вместе с тем новые данные о свой ствах 06, связанного с типично осадочными формациями, а так яе с толщами сильно дислоцированных, гидротермально прорабо танных, термально и контактово-измененных пород уточняют и дополняют наши знания о природе и разных видах метаморфизма угольного вещества. Таким образом, продолжение работ в новом направлении изучения РОВ пород будет такзке содействовать раз витию самой науки об угле.

Список литературы диссертационного исследования доктор геолого-минералогических наук Волкова, Идея Бекджановна, 1983 год

1. Положение ископаемых ОВ на диагрол7лге ВанКре1)елена (по KoSext, 1979)

2. Коля. Л.И.Боровикова. Продольный срез минерализованной древесины из юрского угля в проходящем свете. Ш и 4313, хПО. Канлф с ко-Ачинский бассейн (дается для срайнения). Поперечный срез древесины Аншлиф 6505 (полированная поверхность, перпендикулярная той стороне, что приведена на рис. U в х200. г д

3. Аналогичные данные получены по углям и ОВ пород нижнего карбона Западного Донбасса, где такдге не наблюдается существенных различий в их петрографическом составе (табл.2). H/G в рассматриваемых углях составляет 0,74-0,fia[, а в ОВ пород 0,70-0,

4. Орский бассейн. лф г) д,е) Разрушенные микроорганизмами участки растительных тканей в виде темных, иногда сетчатых образований. Ш и лф 2649, х2Ю. Канско-Ачинский бассейн.

5. Органические микрокомпоненты Микрокомпоненташ в углепетрографии называются элементарные морфологические составные части исходного материала углей. По И.Э.Вальц (1956) микрокомпоненты обладают определенными и отчетливыми микроструктурными признаками и изменчивыми в

6. Морские карбонатные

7. Прибрелшо-410р- ские терригенно-карбонатные 0-40 16 0-70 22 0-10 0-5 2 0-5 4 0-5 2 Мелководно-морские терригенные

8. Озерные терриген- 10-55 10-25 36 17 20-70 51 10-80 54 5-35 5-70 35 45 ные б. О зерно-аллюви15-65 30 0-20 альные терригенные Примечание: В числителе минимум и максимум, в знаменателе среднее.

11. Изолированные включения споринита, аттрито-фюзинита и линз витринита в глинистом алеврите. Шлиф 4

12. Тонко рассеянное ОВ в глине из кровли угольного пласта. Видны мелкие органические частицы, представленные спори нитом и аттрито-витринитом. Шлиф

13. Обломки витринита и споринит в алевритистой глине Шлиф

14. Подмосковный бассейн.

15. Уголь грубоаттритовой микроструктуры все компоненты имеют примерно одинаковую размерность. Расположение слоистое. Шлиф 4709. Б,г Минусинский бассейн. Аллохтонный фюзинит и резинит в буром землистом угле. Мелкие овальные зерна смолы имеют красноватый оттенок (окислены). Шлиф 3

16. Южно-Уральский бассейн. б) в) г) д)

17. Авторы выделяют три основных "популяции" органических частиц. Первая из них с отражательной способностью около 0,3 с отвечает "свелсему" органическому материалу современной седиментации. Вторая "популяция" с отражательной способностью частиц 0,6 и третья с показателем отражения 1Л-% в среднем отвечают пере от ложен ному О из В диагенетически измененных более древних пород. Содержание

18. Среди гумусовых компонентов первично аллохтонного вещества ведущую роль играет витринит, тоесть продукт гелификации растительных лигнино-целлюлозных тканей. Лишь в некоторых пробах наблюдается преобладание автохтонного аморфного керогена. Ch. Con.nfobcL и др. (£979) исследовали РОВ обломочных и пелагических отлошний континентального склона и подножия на востоке центральной части Северной Атлантики. На основе содер