Осадочные месторождения горючих полезных ископаемых

Важнейшими типами биогенных осадочных месторождений являются месторождения твердых горючих полезных ископае­мых — торфа, липштов, бурых и каменных углей и горючих слан­цев. Все они представляют собой в той или иной степени лито-фшшрованные концентрации собственно углеродистого органи­ческого вещества.

Геологии торфа, ископаемых углей и горючих сланцев по­священа обширная учебная литература (работы М.ВХолицина, И,В.Высоцкого, Г.А.Иванова, А.К.Матвеева, К.В.Миронова, А.В.Предовского, В.В.Семеновича, П.И.Степанова, В.Ф.Чсрсп-овского и др.)- В связи с этим мы приводим лишь основные све­дения.

Месторождения сапропеля, торфа и угля. Ископаемые угли представляют собой литофицированные торф и сапропель. Об­щими чертами торфяных и угольных месторождений являются: приуроченность к отложениям заболоченных ландшафтов, рас­пространенных в межгорных озерных котловинах, долинах рав­нинных рек и их пологих водоразделах, лридельтовых и прибреж-но-морских равнинах; ассоциация с терригенно-карбонатными и сероцветными песчано-глинистыми формациями, образование которых происходило б гумидном климате в различных геотекто­нических обстановкой; неравномерность распределения запасов в геологическом времени, наличие эпох угленакопленил, главны­ми из которых являются каменноугольная, пермская и мел-па­леогеновая; связь месторождений с депрессионными зонами,

отличающимися оптимальным для торфонакопления и углеобра-зования режимом стабильных конссдиментационных опусканий; закономерное положение угольных пластов внутри осадочных ритмов, сложенных угленосными терригенными или терригон-но-карбонатными отложениями; различная степень литифика-ции и углефикации скоплений органического вещества, согла­сующаяся с изменениями состава и калорийности топлива и спо­собности углей к коксованию; повышенные скопления ряда эле­ментов (германий, бериллий, уран, молибден, ванадий, редкие земли и др.), концентрация которых в ряде случаев обусловлива­ет формирование комплексных металл-угольных и металл-тор­фяных месторождений.

Крупные пдошади современного торфообразования распо­лагаются в обширных равнинах в пределах древних и молодых платформ в областях гумидного климата. Ближе к полярным об­ластям преобладают верховые болота, которые постепенно на юг сменяются низинными. Мощность торфяного слоя может дости­гать 50 см и более. Торфяные залежи формируются в условиях анаэробного окисления и высокой увлажненности почв.

Месторождения сапропеля представляют собой скопления обогащенного биохимически активным органическим веществом глинистого ила озер гумвдных климатических зон. Сапропель является хорошим органическим удобрением. Кроме того, во многих случаях сапропель представляет собой лечебную грязь.

Первичное органическое вещество углей может быть гуму­совым (остатки высших растений) и сапропелевым (остатка низ­ших растений и простейших животных, главным образом отмер­шего планктона). Гумусовое вещество может быть автохтонным, накопившимся на месте роста, и аллохтонньш, представленным переотложенными остатками растений. По мере преобразования и углефикации различия между сапропелевым и гумусовым ве­ществом теряются. Тем не менее, согласно Ю А,Жемчужникову, ГА.Иванову и другим исследователям в большинстве случаев можно выделить гумусовые (гумулиты), сапропелевые (сапропе-литы) и переходные разности углей.

Угольные месторождения подразделяются не только по ге­нетическому типу первичного органического вещества, но и по преимущественному накоплению в континентальных озерно-бо-лотных обстановка* (лимнические угли) или прибрежно-морских условиях (паралические угли). Для первых характерна ассоциа­ция углей и угленосных терригенных континентальных толщ, для вторых — ассоциация углей с угленосными карбонатными и пес-чано-глинистыми лрибрежно-морскими отложениями.

Угленосные формации подразделяют на платформенные, геосинклинальные и промежуточные. Первые залегают в чехле

древних и молодых платформ. Они включают месторождения Подмосковного, Канско-Ачинского, Тунгусского, Иркутского угольных бассейнов и др. Для них характерны: относительно не­большая мощность угленосных толщ, достигающая первых сотен метров в чехле древних платформ и первых тысяч метров в моло­дых платформах; небольшое количество угольных пластов, редко превышающее два-три (до 10—20); встречающаяся очень боль­шая мощность угольных пластов, превышающая сто метров, как например в Канско-Ачинском бассейне; почти горизонтальное залегание пластов и практически отсутствие их нарушенности и слабый метаморфизм углей.

Геосинклинальюые угленосные толщи также широко рас­пространены и представлены в Донецком, Кузнецком, Караган­динском, Печорском бассейнах и др. Примером такою типа фор­маций может служить пермская продуктивная толща Кузбасса,

Их отличительными чертами являются: значительная мощ­ность угленосных толщ, достигающая десятков километров; боль­шое число угольных пластов, как правило превышающее не­сколько десятков; небольшая мощность пластов (не более не­скольких метров) и их протяженность на десятки километров; интенсивная складчатость и нарушенность разломами продук­тивных горизонтов, что усложняет го рно-геологи чес кие условия отработки месторождений; широкое распространение параличе-ских углей и высокая степень их метаморфизма.

Промежуточные угленосные формации встречаются в по-сторогенных прогибах^ испытавших полуплатформенный текто­нический режим. Они распространены в Экибастузском, Улуг-хемском, Минусинском, Буреинском, Челябинском и других бас­сейнах. Пример Экибастузского угольного бассейна приведен на рис. 65.

Для таких формаций характерны: средняя мощность угле­носных толщ, обычно не превышающая нескольких километров; небольшое количество угольных пластов; сильно варьирующая мощность углей; незначительная нарушенность слоев, выражен­ная в брахискладках; невысокая степень метаморфизма углей.

Угольные месторождения располагаются внутри крупных депрессий — угольных бассейнов, охватывающих платформен­ный чехол или переходные области между платформами и склад­чатыми поясами. Месторождения известны в разновозрастных толщах, начиная с силурийского периода. С позднего палеозоя наземная растительность начинает интенсивно охватыиать кон­тиненты. Это связывают с резким увеличением площади конти­нентов в конце раннего палеозоя. Характерно, что геосинкли­нальные угленосные формации преобладают в палеозое, а плат­форменные — в кайнозое.

О / 2 Зкм

 

А -Б

Рис. 65. Схема Зкибастузского угольного бассейна (гто В.Ф.Череловскому и яр., L993).

/ — лоугленосные породы; 2 — угленосные отложения нижнего карбона; 3 — основной угольный горизонт. Марки углей: СС — слабо спекающиеся (ю-за высокой зольности); Ж — жирные; К — коксовые: Г — газовый

П.И.Степанов выделил три главные эпохи углеобразования, которые охватывали: поздний карбон-раннюю пермь, позднюю юру-ранний мел и поздний мел-миоцен. А,К.Матвеев установил относительно равномерное распределение мировых запасов уг­лей по основным эпохам угленакопления (каменноугольной, пермской, юрской, меловой и кайнозойской). Чередование эпох накопления углей и безугольных связывается с неравномерно­стью глобальных изменений климата.

Угленосные толщи отличаются ритмичным строением. В них чередуются более или менее угле насыщенные пачки (про­дуктивные и безугольные свиты). Угольные пласты занимают за­кономерное положение в более мелких ритмах, что объясняется неравномерными конседиментационными движениями.

Скорость седиментационного опускания заболоченных уча­стков достаточно высокая 200—250 см за 1000 лет (Кукал,1987). При оценке скорости собственно углеобразования необходимо иметь в виду, что при преобразовании высокопористого и неуп­лотненного торфа в лигниты и в дальнейшем в каменные угли происходит значительное уплотнение (более чем в 10 раз), В этой

23-3177

связи скорость опускания в моменты собственно углеобразова-

ния была видимо существенно меньше и оптимальной для угле-

фикации.

Уплотнение торфяников, их обезвоживание в восстанови­тельных условиях, сопровождаемое сложными биохимическими пре вращениям и, обусловливают их преобразование в лигниты и бурые угли. В результате метаморфизма последних формируются каменные угли и антрациты, В этой схеме» предложенной НААмосовым, соответственно выделяется три стадии углеобра-зования: торфяная, буроугольная и каменноугольная. По мере преобразования в органическом веществе увеличиваются: плот­ность, степень полимеризации, отражательная способность, про­центное количество углерода относительно водорода и азота, ка­лорийность угольного топлива. Соответственно выделяют ряд по степени углефикации: сапропель или торф — лигнит — бурый уголь — каменный уголь — антрацит — графит.

Уплотнение и литификация в подводных восстановитель­ных условиях сапропелевого органическою вещества, сложенно­го главным образом жирами, белками и в меньшей мере клетчат­кой, приводит к его битуминизации и образованию сапропеле­вых углей (бопседов) и сапропелевых сланцев (керогеновых или горючих сланцев). Керогсн, представляет собой микрозернистое органическое вещество, которое может встречаться в концентри­рованном и рассеянном виде. Дальнейший метаморфизм горючих сланцев может привести к формированию графитистых сланцев.

По мере роста углефикации (метаморфизма углей) в углях увеличивается содержание углерода и теплотворная способность, уменьшается содержание кислорода, азота, летучих компонентов и влажность. В этом процессе органическое вещество теряет под­вижные продукты (вода, углекислый газ, метан, сероводород и др.), что и обусловливает карбонизацию органического вещества. Соответственно уменьшается количество собственно седименто-генного органического вещества.

По мерс роста углефикации и метаморфизма варьируют тех­нологические параметры углей. В зависимости от них вьщеляют определенные марки углей. В целом чем больше степень углефи­кации, тем лучше технологические параметры углей,

В углях принято различать их ингредиенты — матовые (фю-зен и дюрсн) и блестящие (витрен и кларен) структурные эле­менты. Под микроскопом в органической части углей можно на­блюдать элементы растений (кутикулы, кугинит, споры, липои­ды, лигнино-целлюлозные остатки и др.) и аморфное {гслифици-рованное) вещество. По мере роста степени углефикации стира­ются признаки первичных структур растительных тканей.

В составе энергетических углей выделяют балластную (него­рючую) и горючую массу. Негорючая масса состоит ю влаги и золы. Горючая включает сумму летучих компонентов, кокс и серу. Последняя разделяется на органическую, сульфидную и сульфат­ную. Важным техническим показателем углей является их спе-касмость, представляющая собой способность при нагревании переходить в пластическую массу, которая при остывании затвер­девает в прочный кокс. Минеральная часть углей состоит из пес-чано-глинистой примеси алюмосилиликатов, карбонатов, суль­фидов, сульфатов и оксидов. Количество минеральной примеси в углях определяет их зольность- С зольной частью углей связа­ны основные концентрации элементов-примесей. Поданным В.И.Данчева, В.Р.Клера, НЛ.Стрелянова, Я.Э.Юдовича и других исследователей, в углях в промышленно значимых концентраци­ях могут накапливаться U_? Mo, Be, Ge, Ga, Re, Sc. Высокие кон­центрации отмечаются для Zn, Cd, As, Cu_t Ni, Co, Zr, Y, TR, Th_? 11 и др. Многие литофильные элементы (U, Th, Zr, Ge) связаны с зольной частью углей, халькофильные элементы (Си, Со, №, Cd и др.) концентрируются в сульфидах, такие элементы как Мо, Be, Ga, Sc непосредственно скапливаются в органическом веще­стве, В целом отмечается прямая корреляция содержания микро-примесей с зольностью и обратная — со степенью метаморфизма углей.

Механизм концентрации микропримесей в углях во многом не выяснен. Обосновываются: сорбционные процессы яа орга­ническом веществе; соосаждение с сульфидами железа; действие окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных барье­ров. Есть основания считать рудные концентрации в углях ре­зультатом их взаимодействия с поверхностными и подземными водами на стадиях экзодиагенеза и катагенеза.

Месторождения горючих сланцев. Горючими сланцами счита­ют карбонатные, кремнистые или глинистые породы, содержа­щие 15—40% органическое вещество (кероген). Они являются низкокалорийным топливом и ценным химическим сырьем. В настоящее время разработка таких месторождений ведется глав­ным образом в Китае, России и Эстонии, в небольших объемах — в США, Германии, Швеции, Бразилии и Израиле. Горючие слан­цы могут быть гумусовыми> сапропелевыми и смешанными. Про­мышленное значение имеют лишь сапропелевые сланцы. Горю­чие сланцы многими исследователями рассматриваются в качест­ве нефтематеринских толщ.

Типичными геологическими чертами месторождений горю­чих сланцев являются: связь с массовым накоплением остатков планктона или водорослей; ассоциация с глинистыми, кремни-

^29Ф " 227

стыми, карбонатными и фосфатоносньши осадочными форма­циями; неравномерность распределения во времени, наличие геологических эпох сланцеообразования; связь с замедленными конседиментационными опусканиями, обусловившими опти­мальные скорости накопления органического вещества; повы­шенные концентраций ряда элементов-примесей (V, Mo, U_? Re, Ge и др.).

Органическое вещество горючих сланцев имеет седимента-ционную природу, и в отличие от углей и угленосных пород, оно накапливалось на дне озерных и морских бассейнов. Для его на­копления в таких больших концентрациях необходимо выполне­ние ряда условий: I) высокая биопродуктивность водоема; 2) вос­становительные условия диагенеза, которые обуславливают захо­ронение осаждающегося органического вещества и его фоссили-зацию (выведение из биологического круговорота); 3) подавлен­ность хемогенной и терригенной седиментации; 4) значительные объемы таких седименто-диагенеткческих обстановок.

Удаленность от областей терригенной седиментации предо­пределяет ассоциацию горючих сланцев с карбонатными и гли­нистыми породами. Присутствие кремнистых пород, обогащен­ных керогеном, может указывать на отмеченные выше условия резкого подавления экосистем за счет влияния вулканизма. По­вышенная фосфатоносность пород, ассоциирующих с горючими сланцами, вполне объяснима с позиций биогенного фосфорито-образования.

Месторождения горючих сланцев известны в разновозраст­ных толщах, начиная с раннего палеозоя. Возможно они форми­ровались и в протерозое, однако не могли сохраниться из-за ме­таморфизма и катагенеза. Известно, что при нагревании более 150^иС они теряют сапропелевую составляющую. Основное коли­чество горючих сланцев образовалось в кайнозое (55%) и палео­зое (36%), в меньшей мере — в мезозое (9%) (Чсреповский и др., 1993). А,К.Матвеев и Е.И,Стефанова выделяют шесть эпох нако­пления горючих сланцев: кембрийскую, ордовик-силурийскую,

позднедевонско-раннекаменнугольную, пермскую, юрскую и па­леогеновую.

Горючие сланцы слагают пласты мощностью в несколько метров. Они могли накапливаться в геосинклинальном, ороген-ном и платформенном геотектонических режимах и являются составными частями сланценосньзх бассейнов. Наибольшее про­мышленное значение имеют сланцы озерного происхождения пермских орогенных бассейнов Грин-Ривер (США) и Фушунь (Китай) и морских толщ платформенного чехла юрского Волж-

ского (Россия) и ордовикского Прибалтийского (Россия и Эсто­ния) бассейнов. Характерны субгоризонтальное залегание рудов-мещающих толщ и их незначительные вторичные изменения.

По данным Р.В.Гецевой, Н.П.Ермолаева, В.Р.Клера, В.Ф.Ненаховой, Е.М.Поплавке, В.Н.Холодова, Я.Э.Юдовича и других исследователей в горючих сланцах характерно накопление ряда элементов (в порядке убывания концентраций): Re, Mo, U, Sc, Те, V, Ni, Ag, Cu, Cd, Bi, Tl, Pb, Zn, TR,

Предполагается, что Bi, Cd, Те, Ag, Tl, Си и Pd накаплива­ются в сопровождающих горючие сланцы хлоридных комплек­сах, a Re, Ni, V, Mo и Se в элементо-органических комплексах. Последняя геохимическая ассоциация рассматривается в качест­ве органофильных элементов нефтей. Уран в горючих сланцах накапливался в результате действия восстановительного и сорб-ционного барьеров.