Содержание к диссертации
Введение
1. Изученность редких элементов в углях мира 9
2. Основные черты геологического строения и металлогении кузбасса 44
2.1 Геологическое строение и условия формирования кузнецкого бассейна 44
2.2. Стратиграфическое расчленение угленосных отложений и основные черты угленосности кузбасса ...53
2.3. Тектоника угленосных отложений кузбасса 61
3. Методика исследований 64
3.1. Общая методика исследований. опробование 64
3.2. Методика лабораторно-аналитических исследований 67
3.3. Методика обработки информации 73
4. Распределение редких элементов в углях Кузбасса ...74
4.1. Оценки средних уровней накопления элементов в углях бассейна 74
4.2 Закономерности распределения элементов в углях бассейна 87
5. Формы нахождения и условия накопления редких элементов в углях бассейна 152
6. Возможности и перспективы извлечения элементов - примесей из углей кузбасса 192
6.1 Проблемы и перспективы комплексного извлечения элементов-примесей из углей 192
6.2 Перспективы комплексного извлечения элементов-примесей из углей кузбасса 200
Заключение 209
Литература 212
- Изученность редких элементов в углях мира
- Стратиграфическое расчленение угленосных отложений и основные черты угленосности кузбасса
- Закономерности распределения элементов в углях бассейна
- Формы нахождения и условия накопления редких элементов в углях бассейна
Введение к работе
Необходимость изучения металлоносности углей обусловлена тем, что в последних накапливаются, иногда в значительных количествах, как промыш-ленно ценные, так и экологически опасные элементы. В частности, в каменных углях известны промышленные концентрации ряда редких и благородных металлов. Finkelman и Brown (1988) отмечают, с учётом масштабов добычи угля в США из него можно было бы получить более половины объёма добываемых в этой стране большинства редких металлов. Н.А. Солодов (1992) в рамках концепции экстренного обеспечения России редкими металлами рассматривает в качестве первоочередных источников Sc, иттриевых лантаноидов, Hf, Та, Ge, Re, на которые следует ориентироваться в настоящее время, техногенное сырье, получаемое при добыче и утилизации углей.
Возросшие требования к экологической безопасности топливной энергетики, коксохимии и других отраслей, работающих на угольном сырье, также вызывают необходимость его всесторонней и углубленной оценки. Особенно это касается вредных примесей. Значительное количество потенциально опасных элементов накапливается в золо - шлаковых отходах. Использование таких отходов, накапливающихся в отвалах в хозяйственных целях пока ограничено, в том числе и в связи с их токсичностью. Отвалы постоянно пылят, подвижные формы элементов активно вымываются атмосферными осадками, загрязняя воздух, воды, почвы и растительность. Утилизация золо - шлаковых отходов возможна в ряде случаев лишь как комплексного сырья. Вероятно возможно извлечение вредных и ценных компонентов из уже имеющихся зол и шлаков. Эта проблема в настоящее время трудноразрешима в связи с невысокой рентабельностью таких производств. Необходимы новые технологические решения, которые могли бы повысить рентабельность их переработки. Есть положительные примеры утилизации зол даже на основе современных технологий. Так, долгое время в Германии существовал Рюдерсдорфский завод по получению глинозема из зол углей. Во время второй мировой войны в Англии предпринимались попытки получения железа из золо-шлаковых отходов в промышленных масштабах. В Польше путем бактериального выщелачивания золо-шлаков от сжигания бурых углей разреза Турошове извлекаются Ті, Be, Си, Mn, As, V, Ga (Юровский, 1968, Fabrizevska, 1987 и др.).
Главная проблема, сдерживающая получение из зол углей ценных элементов - это низкие их содержания. Вместе с тем, известны пласты углей, в которых концентрация отдельных элементов - примесей достигает величин, сопоставимых с их содержанием в рудах. Так, известны угли с промышленным содержанием урана, германия, скандия, золота, редких земель, ниобия и других элементов. Уголь является одним из основных источников получения гер-
мания. В настоящее время разработаны и апробированы технологии извлечения урана, скандия, галлия и золота (Комиссарова и др., 1969, Пашков и др., 1996 и др.). В перспективе намечается получение из углей и продуктов их переработки и других микро- и макроэлементов. Рентабельность такой переработки будет выше, если извлекаться будут не единичные элементы, а их комплекс, особенно включающий наиболее дорогостоящие редкие, редкоземельные и благородные металлы.
В связи с этим можно констатировать, что комплексная геохимическая оценка угольных бассейнов и выявление месторождений и отдельных пластов, характеризующихся аномальными промышленно интересными содержаниями вышеотмеченных элементов, является одной из приоритетных задач. В настоящее время известен ряд угольных месторождений, с необычайно высокими уровнями накопления германия, редкоземельных элементов, тантала, ниобия, золота, серебра, скандия, вольфрама и других металлов. Авторы карты угленосности, сланценосности и геохимической специализации углей и горючих сланцев России (Смыслов и др., 1996) указывают, что «... в большинстве случаев ценные компоненты углей (в том числе редкие земли, уран, бериллий и другие металлы) безвозвратно теряются в процессе их сжигания. ...многие из которых оказывают негативное воздействие на окружающую среду». В связи с этим они отмечают, что «...требуется дальнейшее целенапраленное обобщение геохимических данных, как по в стране в целом, так и по отдельным угольным и сланценосным бассейнам».
Актуальность проблемы
Кузбасс относится к числу крупнейших каменноугольных бассейнов мира. Ежегодно из его недр извлекается от 60 до 100 млн.т угля. Его добыча, обогащение и промышленное использование сопровождаются накоплением огромных количеств отходов. По данным М.Я. Шпирта и др. (1985), на 1 тонну угля при открытой разработке получают в среднем 4 тонны вскрышных пород, при шахтной - 200-300 кг пустой породы и 200-300 кг отходов обогащения. С учетом средней зольности углей Кузбасса к этим объёмам можно приплюсовать 100 - 150 кг зол и шлаков. Такие массы отходов создают серьезные экологические проблемы и требуют комплексного подхода к освоению месторождений.
Опыт работы показывает, что в пределах даже одного месторождения можно встретить пласты и экологически малоопасных и опасных углей. Хотя угли бассейна считаются одними из самых экологических чистых, Кузбасс -крупная геологическая структура, имеющая длительную и сложную историю геологического развития. На её формирование оказали влияние разновозрастные и разнотипные геологические процессы. В связи с этим вариации характеристик углей могут быть весьма значительны.
Геохимия и металлогения редких элементов в углях - это одна из наименее исследованных областей. По ряду элементов достоверно не оценены даже средние их содержания в углях, не говоря уже о закономерностях их накопления и формах концентрирования. Для Кузнецкого бассейна и угольных месторождений в его пределах оценки средних содержаний редких элементов приводятся по единичным пробам без учета степени распространенности углей, вертикальной и латеральной изменчивости.
В последние годы опубликован ряд работ по содержанию элементов-примесей в углях различных угледобывающих предприятий бассейна (Ценные и токсичные..., 1996 и др.). В это же время выполнен ряд специализированных исследований по оценке уровней накопления ценных и токсичных элементов в углях и углевмещающих породах. Следует отметить, что в большинстве публикаций авторы ограничиваются оценкой уровней содержания элементов без анализа изменчивости их распределения, форм нахождения и пр. В связи с этим назрела необходимость обобщения имеющихся опубликованных и неопубликованных данных и дополнения их новой информацией.
Современная аналитическая база позволяет оценивать угли на ряд элементов, которые ранее не изучались из-за ограниченной чувствительности и дороговизны применяемых методов. Широко внедряемый в настоящее время в практику геологоразведочных работ нейтронно-активационный анализ позволяет с высокой чувствительностью определять большой комплекс редких элементов.
Внедрённые ранее и разрабатываемые сейчас технологии и технологические схемы извлечения комплекса ценных элементов из углей и их зол делают весьма актуальной проблему выявления потенциально рудоносных угольных месторождений, пластов. При этом следует учитывать, что высокий научно - производственный потенциал Кузбасса и прилегающих регионов позволяет осуществить промышленное извлечение ценных компонентов из углей бассейна.
Цель и задачи исследований
Основной целью настоящей работы являлась оценка металлоносности углей Кузнецкого бассейна на редкие элементы на основе изучения уровней их накопления и закономерностей распределения редких элементов.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
Оценка уровней накопления редких элементов в углях конкретных пластов, свит, месторождений, геолого-промышленных районов и в целом Кузнецкого бассейна;
Изучение латеральной и вертикальной неоднородности распределения редких элементов в углях;
Изучение поведения редких элементов в процессах метаморфизма углей;
Изучение связи уровней накопления редких элементов в углях и золах углей с зольностью, а также распределение элементов во фракциях угля;
Изучение принципиальной возможности извлечения редких элементов из углей и продуктов их использования.
Фактический материал и методы исследования
В данной работе приведены результаты многолетних геохимических исследований углей и углевмещающих пород Кузнецкого и ряда других угольных бассейнов, которыми автор занимался с 1989 г. В основе работы лежит высокоразрешающие количественные анализы более 1500 проб углей Кузнецкого бассейна и десятилетний опыт работы автора в других угленосных бассейнах страны (Донецком, Воркутинском, Минусинском и др.). Из обширного спектра присутствующих в углях редких и рассеянных элементов-примесей в работе рассмотрена лишь небольшая их часть. Основное внимание уделено элементам, геохимия которых в настоящее время изучена недостаточно, а аналитические данные надежны и представительны (редкие земли, радиоактивные элементы, тантал, гафний, рубидий, цезий и др.). Следует отметить, что спектр изученных элементов был ограничен возможностью их количественного определения в углях. Всего изучено 69 угольных пластов на 41 добывающем предприятии. Автором задокументировано более 30 п.км геологических разрезов, отобрано и подготовлено к лабораторным исследованиям 1500 проб. Проведена гамма-спектрометрическая и радиометрическая съёмка масштабов 1:1000 - 1:500 на площади 95 км2. Выполнена обработка более 7000 анализов. Изучено 300 прозрачных и 150 полированных шлифов. Проработанный объём опубликованной и фондовой литературы составил более 250 наименований.
Научная новизна
Впервые на основе большого объёма аналитических данных оценены средние уровни накопления La, Се, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Hf, Та, Rb, Cs в углях Кузнецкого бассейна, которые могут быть приняты за региональные кларки этих элементов.
Впервые для углей бассейна изучена вертикальная и латеральная изменчивость распределения концентраций редких элементов. Выделены угленосные свиты, отдельные угольные пласты, геолого - промышленные районы, характеризующиеся аномальными концентрациями изученных элементов.
Впервые в углях бассейна, их золах, породах, слагающих прослои в угольных пластах, установлены аномально повышенные (до промышленно значимых) концентрации тантала, ниобия, циркония, гафния, золота, платиноидов.
Для углей Кузбасса установлено, что от 60 до 90 % редкоземельных
элементов, гафния, урана и тория связано с органической составляющей угля и показано, что рубидий, цезий, тантал концентрируются преимущественно в минеральной (терригенной) составляющей.
Практическая значимость работы
Определены региональные «угольные» кларки редких и радиоактивных элементов, которые могут служить исходными данными для оценки углей на ценные и токсичные элементы на различных этапах и стадиях геологоразведочных работ.
Выявлены участки с аномально высокими, возможно промышленно значимыми концентрациями тантала, ниобия, циркония, гафния и других редких элементов.
Выявлены конкретные угольные пласты и их участки, содержащие повышенные концентрации экологически опасных элементов, в том числе радиоактивных.
Предложена схема получения обогащенных ценными компонентами концентратов из рядовых углей бассейна.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на 20 конференциях, совещаниях и симпозиумах, в том числе 8 международных. Основные положения докладывались на Международных конференциях и симпозиумах: «Энергетика и окружающая среда", Хабаровск, 1992; «Благородные и редкие металлы», Донецк, 1994; «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды», Томск, 1995; «Редкоземельные металлы: переработка сырья, производство соединений и материалов на их основе», Красноярск, 1995; «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека», Томск, 1996; «Стратегия использования и развития минерально-сырьевой базы редких металлов России в XXI веке», Москва, 1998; «Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию», Кемерово, 1999; «Химия угля на рубеже тысячелетий», Москва, 2000. Материалы диссертации докладывались на научно-производственных совещаниях в АООТ «Разрез Ольжерасский», «Шахта им. Ленина», «Разрез Междуреченский», Комитета природных ресурсов по Кемеровской области, Комитета природных ресурсов по Республике Хакасия, Комитета природных ресурсов по Республике Алтай. Диссертация обсуждалась на семинарах кафедры полезных ископаемых и геохимии редких элементов и факультета геологоразведки и нефтегазодобычи.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 15 тезисов докладов. Значительная часть материалов изложена в 5 научно-исследовательских отчётах по хоздоговорным и госбюджетным темам. По теме диссертации опубликована
монография "Редкие элементы в углях Кузнецкого бассейна".
Объём и структура работы
Работа состоит из 6 глав, введения, заключения, списка литературы из 219 наименований, общим объёмом 225 страниц. Диссертация содержит 79 таблиц и 110 иллюстраций.
Благодарности
Работа выполнена в Томском политехническом университете под руководством д. г.-м. н., доцента Рихванова Л.П.
При подготовке работы автор пользовался полезными советами и помощью сотрудников Томского политехнического университета и других организаций: Е.Г. Язикова, Ю.В. Робертуса, Ю.Н. Попова, И.С. Соболева, М.Я Бетхе-ра, Д.С. Апёнышева, П.И. Ляпунова, которым он выражает свою искреннюю признательность. Автор благодарен за помощь в организации и проведении полевых работ геологам производственных предприятий В.У. Байкову , Н.П. Ромашихиной, СВ. Ерофееву; за проведение большого объёма аналитических исследований сотрудникам ядерно-физической лаборатории ТПУ В.М. Левицкому, А.Ф. Судыко, Е.Г. Вертману. Особую признательность автор выражает СИ. Арбузову, А.А. Поцелуеву и Л.П. Рихванову за ценные советы и постоянную помощь в работе.
Защищаемые положения
Уровни накопления в углях Кузнецкого бассейна редких земель, гафния, тантала сопоставимы с их средними содержаниями в углях мира, а концентрации урана, тория, цезия ниже их «угольных» кларков. Для всех этих элементов в углях бассейна проявлена вертикальная и латеральная изменчивость распределения, которая обусловлена условиями угленакопления, в том числе вещественным составом областей питания, а также диа и эпигенетическими, метаморфическими и гидротермальными процессами
Для отдельных угольных пластов, свит, месторождений, геолого -промышленных районов, особенно в южной части бассейна, характерны повышенные содержания изученных редких элементов. На ряде участков в углях, их золах, породах, слагающих прослои в угольных пластах, присутствуют высокие (до промышленно значимых) концентрации тантала, ниобия, циркония, гафния, золота, платиноидов.
3. В углях Кузнецкого бассейна от 60 до 90 % гафния, урана, тория,
редких земель связано с органической составляющей, тогда как рубидий, це
зий, тантал концентрируются преимущественно в минеральной (терригеннои)
составляющей углей. На этом основании предложен вариант получения кон
центратов зол углей, обогащенных теми или иными ценными компонентами,
путём флотационного разделения углей и, в дальнейшем, сжигания легких
фракций.
Изученность редких элементов в углях мира
Накопление тех, или иных ценных компонентов в углях бассейна обсуждается достаточно долглое время, так, например,впервые мысль о возможной золотоносности Кузнецких углей была высказана К.А. Кулибиным в статье, опубликованной в 1908г в "Вестнике золотопромышленности".
Первые сведения о радиоактивности углей Кузбасса опубликованы в 1934 году (Бурксер и др., 1934). В 1946 году основателем кафедры ПИГРЭ (МПИ) ТПУ Ф.Н. Шаховым и аспирантом М.Э. Эффенди была опубликована работа по оценке уровней накопления никеля, считавшегося в те годы редким элементом, в углях Крапивинс-кого района Кузбасса. Достаточно детально в период «германиевого бума», в 1960-1970 гг были изучены уровни накопления германия в углях бассейна.
В последние годы опубликован ряд работ по содержанию широкого круга элементов-примесей в углях различных угледобывающих предприятий Кузнецкого бассейна. В это же время выполнен ряд специализированных исследований по оценке уровней накопления ценных и токсичных элементов в углях и углевмещающих породах. Очень большой объём информации имеется по уровням накопления в углях германия, лития, бериллия, свинца, цинка, циркония, иттрия и др. Обобщённые данные приводятся в работах В.Р. Клера (1988), А.А. Смыслова и др., (1996). В последней работе отмечено, что угли бассейна геохимически специализированны на мышьяк, уран, золото, бром, олово, фосфор, германий, молибден, таллий, титан, серебро, иттрий, скандий. Значительное место уделено углям Кузбасса в справочнике Ценные и токсичные элементы в товарных углях России (1996). Здесь отмечено, что товарная продукция шахт и разрезов бассейна "потенциально рудоносна" на титан, иттрий, иттербий, цирконий, ниобий, рубидий, стронций, литий, бериллий, кобальт, золото, серебро, таллий, висмут. Кроме того, в последние годы опубликованы работы В.В. Середина по редкометальным углям (1994, 1995), в которых отмечено наличе аномальных концентраций ниобия в углях пласта XI шахты им. Шевякова и показано распределение, в первую очередь ниобия и циркония, в ряде угольных пластов, рассмотрены вопросы по формам нахождения этих элементов.
По ряду элементов (редкие земли, тантал, гафний, рубидий, цезий) информация, приводимая в опубликованной литературе, крайне незначительна. А в большинстве случаев приводятся данные полуколичественных и приближённо - количественных анализов. При этом следует отметить, что в большинстве публикаций авторы ограничиваются оценкой уровней содержания элементов без анализа изменчивости распределения, форм их нахождения и других вопросов. По этим элементам ограничена информация и по углям мира.
Ниже приводится имеющаяся в литературе информация по уровням накопления этих металлов в углях мира и Кузнецкого бассейна. Редкие земли.
Лантаноиды относятся к группе элементов, геохимия которых в углях наименее изучена. При этом объем информации по содержанию в углях лантана, церия и иттербия в десятки раз превышает количество данных по другим редкоземельным элементам. Для них в ряде случаев даже посчитаны средние значения (угольные кларки) (Клер и др, 1981; Юдович и др., 1985). Однако, по мнению Я.Э. Юдовича и др. (1985) эти цифры менее достоверны, чем это может показаться, если формально исходить из количества проанализированных проб. Дело в том, что основной массив данных получен полуколичественным спектральным анализом с порогом чувствительности, значительно превышающем кларки этих элементов. Поэтому большинство опубликованных цифр по содержанию лантана, церия и иттербия характеризуют обогащенные ими угли.
Первые данные по уровням накопления индивидуальных редкоземельных элементов в золах углей были получены В.М.Гольдшмидтом и К.Петерсом (1933). Они определили содержания четных лантаноидов в пробе золы низкозольного (1,5%) каменного угля Силезии.
В 60-х годах после в журнале Геохимия были опубликованы результаты изучения спектра лантаноидов в углях Кизеловского бассейна на Урале (Ершов, 1961) и Чехезского месторождения в Приморье (Костерин и др., 1963). Однако в этих работах отсутствуют данные о фактическом содержании элементов. Приведенные относительные их соотношения без информации об уровнях накопления затрудняют дальнейшее использование результатов.
В 1964 г. A.Shofild и L.A. Haskin определили содержание индивидуальных редкоземельных элементов в двух образцах малозольного угля из Южного Иллинойса и Западной Пенсильвании (Хэскин, 1968). В них отмечено повышенное по сравнению с осадочными породами содержание промежуточных лантаноидов и, особенно, европия.
Ряд публикаций о редких землях в углях в эти же годы появился в связи с изучением ураноносных углей (Hyden, Danilchik, 1962; Pipiringos, 1966 и др.). В 1977 г. опубликована большая коллективная работа по изучению уровней накопления и характера распределения элементов-примесей в углях США (Gluskoter et al, 1977). Авторами изучено более 60 микроэлементов в углях и дана их классификация с точки зрения связи с органическим веществом.
В 1980 г изданы две статьи, в которых приведены содержания индивидуальных редких земель в углях Болгарии и Канады. K.N.Kostadinov и R.G.Djingova (1980) определили 30 элементов-примесей в 100 образцах Болгарских углей методом нейтронной активации, в том числе La, Се, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu. B.I.Kronberg и др.(1980) опубликовали информацию о содержании 52 элементов-примесей в 10 образцах угля из четырех угленосных районов Канады. Важно, что в работе приведены данные по большой группе лантаноидов, в том числе по Рг, Nd, Gd, Dy, Но, Ег и Ти, которые в углях почти не изучались. Целая серия работ, посвященных изучению закономерностей распределения редкоземельных элементов в углях, опубликована Г.М. Ескенази с соавторами (Ескенази и др., 1978, 1984, 1991).
R.A.Cahill и J.C.Mills (1983) сообщили результаты изучения 7 образцов каменного угля из Нового Южного Уэлльса и Квинсленда (Австралия). Методом инструментального неитронно-активационного анализа в угле определено содержание 35 элементов, в том числе группы редких земель.
Детальные исследования выполнены F.Godarzy и R.A.Cameron (1987) по распределение элементов-примесей в разрезе угленосных отложений горы Аллан (Альберта, США). J. Kortensky и S. Bakardjiev (1993) опубликовали данные о содержании редкоземельных элементов в бурых углях трех угольных бассейнов Болгарии.
Коллективом авторов исследовано распределение большой группы лантаноидов в углях Испании (Querol et al, 1995). В последние годы вышел ряд работ, в которых содержится информация о редких землях. Так, Л.Я. Кизильштейн и др. (1988) на примере Донбасса исследовали закономерности изменения содержания редкоземельных элементов в углях в зависимости от палеогеоморфологических условий формирования древнего торфяника. Ими установлено, что в зонах сингенетичного размыва, зонах расщепления и усложнения морфологии пласта увеличивается содержание многих элементов-примесей, в том числе и лантаноидов. В зонах тектонических нарушений увеличения концентраций элементов не установлено.
Стратиграфическое расчленение угленосных отложений и основные черты угленосности кузбасса
Стратиграфическим расчленением угленосных отложений Кузбасса занимаются уже более 150 лет (П.Генграсс, 1835), но по-прежнему остаются вопросы выделения тех или иных стратиграфических подразделений и их объема. Проблема заключается в том, что свиты Кузбасса, как об этом писал еще В.А.-Хахлов (1933), имеют неустойчивые мощности, местами могут совсем выклиниваться. Нередко они отделены друг от друга скрытыми несогласиями. Кроме этого, расчленению толщи мешает пликативная и дизъюнктивная тектоника.
При относительно небольшой площади (26 тыс км2) Кузбасс характеризуется очень высокой, почти уникальной углеплотностью и по запасам кондиционных углей входит в число крупнейших угольных бассейнов мира, а в нашей стране занимает третье место после Ленского и Тунгусского бассейнов. В Кузбассе выявлена самая древняя на планете девонская угленосная формация (рис.2.6). Липтобиолитовые угли (барзаситы) установлены в песча-но-глинистых отложениях среднего девона (эйфельский, живетский, франс-кий ярусы). В районе поселка Барзас месторождение этих углей разведано. Липтобиолитовые угли образуют устойчивый пласт мощностью 0.8-4.8 м и несколько прослоев (Юзвицкий,1982).
Анализ сводного стратиграфического разреза Кузбасса (рис.2.7), показывает, что угленосная верхнепалеозойская толща состоит из двух угленосных уровней, разделённых безугольной толщей (кузнецкая или безугольная толща), которая фиксируется в основании верхнего отдела перми. Мощность угленосной толщи (от подошв острогской до кровли таилуганской свит) составляет около 8000 м., при мощности безугольного горизонта в 950 м.
В каменноугольных и пермских отложениях установлено около 300 пластов и прослоев угля суммарной мощностью 380-400 м., из них 126 пластов кондиционной мощности. В тонких пластах (до 1,3 м.) сосредоточено около 19% запасов угля, в средних (1,3-75 м.) - 43%, в мощных (3,5-10 м.) и в весьма мощных (до 20-30 м.) - 38%.
На нижнем угленосном уровне верхнего палеозоя (балахонская серия) содержится около 100 пластов и прослоев суммарной мощностью 180 м. По данным А.З.Юзвицкого (1982) примерно 50 пластов на значительных площадях кондиционны и их общая мощность превышает 150 м. Общая характеристика угленосности свит верхнего палеозоя представлена в таблице 2.3.
Следующий уровень угленакопления фиксируется в тарбаганской серии юры, которая подразделена на 6 свит. Общая мощность угленосных юрских отложений в Кузбассе может быть оценена в 200 м. Неэродированные остатки этой толщи сохранились только в отдельных разобщённых мульдах. В юрских отложениях до 56 пластов, из них от 5 до 14 мощностью 0,9-14 м.
Между угленосными толщами юры и верхнего палеозоя залегают безугольные отложения мальцевской серии триаса, имеющая мощность около 1570 м. На этом уровне установлены проявления траппового магматизма. Общие геологические запасы угля бассейна до глубины 1800 м. в 1979 г. оценивались в 637 млр.т. Из них 548 млр.т. отвечают по параметрам мощности пластов и зольности угля принятым кондициям для месторождений, вовлекаемых в промышленное освоение.
Разведанные запасы для открытых работ оцениваются в 11.4 млр.т., в том числе коксующихся дефицитных марок КЖ, К, ОС - 1.8 млр.т.меняется от длинно пламенных до антрацитов. Распространение основных марок углей Кузбасса показано на схеме (рис.2.8). Зольность углей Ad 7-20%, влажность рабочая Wr- 5-15 %, содержание Std - 0,4-0,6 %, Р - до 0,12 %, выход летучих веществ V - от 4% (антрациты) до 42% (длиннопламенные). Удельная теплота сгорания Qsdaf - 33,3-36,0 МДж/кг, низшая Q.r - 22,8-29,8 МДж/кг. Юрские угли характеризуются влажностью Wr - 16-21%, удельной теплотой сгорания Qsdaf - 29,5 МДж/кг, Q - 18,8 МДж/кг.
Большинство углей бассейна являются гумусовыми. Сапропелевые угли встречаются в виде тонких прослоев в некоторых пластах балахонской и коль-чугинской серий. Чаще они отмечаются в нижнебалахонских пластах крапи-винского района. В связи с незначительным содержанием липоидных компонентов петрографическая типизация основана на соотношении микрокомпонентов группы витринита и фюзинита. Выделяются фюзинито-гелиты (Vt 80%), фю-зито-гелититы (Vt = 80 - 65%), гелито-фюзититы (Vt = 65 - 40%) и гелито -фюзиты (Vt 40%) (Петрография углей ..., 1986).
Закономерности распределения элементов в углях бассейна
В разрезе угленосных отложений Кузбасса редкоземельные элементы распределены довольно неравномерно. Нижележащая балахонская серия характеризуется существенно более высокими их содержаниями, чем кольчугин-ская. В пределах самой балахонской серии вариации средних содержаний также значительны. Отмечено закономерное повышение концентраций как в целом суммы редких земель, так и отдельных элементов снизу вверх по разрезу от ишановской к усятской свите (рис.4.9).
Несколько повышенные уровни накопления характерны лишь для залегающей в основании серии промежуточной свиты. Такая закономерность, по-видимому, отражает специфику изменения состава области сноса и увеличение доли продуктов разрушения гранитоидных образований в формировании осадочных отложений.
Кольчугинская серия, в целом, отличается довольно выдержанным содержанием суммы редких земель по всему разрезу. Среднее их содержание по свитам почти не изменяется (рис.4.9). В то же время распределение отдельных лантаноидов в разрезе неоднотипно. Отмечено повышение концентрации лантана вверх по разрезу при снижении уровней накопления самария, европия и тербия. Тяжелые лантаноиды (иттербий и лютеций) накапливаются в повышенных количествах в углях ленинской свиты.
Показательно изменение в разрезе угленосных отложений коэффициента лантан - иттербиевого отношения. Оно сравнительно выдержанно по всему сечению, несколько повышаясь в его самой нижней и верхней части. Из общей схемы выпадает ленинская свита, характеризующаяся пониженным La-Yb отношением. В целом же для разреза оно изменяется от 6 до 11, что несколько меньше величин, характерных для осадочных пород земной коры, в том числе и для осадков Кузнецкого бассейна. Это подтверждает отмеченный ранее многими исследователями факт большей типоморфности для углей тяжелых лантаноидов по сравнению с легкими. Можно предположить, что обогащение углей ленинской свиты лантаном и иттербием обусловлено всплеском тектонической активности в горно-складчатом обрамлении в этот период, приведшей к активизации гидротермальной деятельности и обусловившей привнос в углеобразу-ющие торфяники вод обогащенных лантаноидами.
Такой же по интенсивности пик лютеция наблюдается в отложениях кемеровской свиты при менее выраженном понижении лантан-иттербиевого отношения. Известно, что накопление угленосных осадков этой свиты происходило в условиях активного тектонического режима (Го-Уин-Линь, 1962), сменившегося в усятское время спокойной обстановкой. Таким образом, можно предполагать, что последовательное увеличение содержания редких земель снизу вверх в углях балахонской серии связано с изменением состава пород областей питания древних болот, а локальные пики лютеция и, возможно, иттербия - с проявлением активных тектонических процессов, обусловивших привнос в торфяники обогащенных лантаноидами растворов.
Анализ таблицы 4.2 показывает, что два угленосных района: Мрасский и Бачатский, резко отличаются повышенными содержаниями лантана. Причем, если в Мрасском районе одновременно установлены также высокие содержания церия, то в Бачатском церия меньше, чем лантана. Последний факт может быть объяснен с позиций особенностей геохимии этих элементов.
В разрезе отдельно взятой угленосной свиты или даже отдельного угольного пласта распределение индивидуальных редких земель также часто весьма неравномерно. В пределах свиты уровни накопления элементов в углях и золах углей могут различаться в 2 - 5 раз (рис 4.10; табл.4.14).
Как видно из таблицы 4.14, содержание редких земель в золах углей отдельных пластов кемеровской свиты в южной части Кузбасса в 2-6 раз превосходит их кларк для осадочных пород. Нужно заметить, что средние содер жания, приведенные в таблице, рассчитаны на основе фактически измеренных в угле и в золе угля значении и не учитывают потерь при озолении. Для данных, приведенных в таблице, характерно пониженное La/Yb отношение. Этот факт объясняется избирательным накоплением тяжелых лантаноидов по сравнению с легкими, что, по мнению многих авторов, указывает на их большую
Формы нахождения и условия накопления редких элементов в углях бассейна
В результате проведённых исследований выявлена связь содержания редких земель с зольностью углей. Отмечено, что с ростом зольности их концентрации в угле увеличиваются. Установлена положительная значимая корреляционная связь содержания всех изученных лантаноидов в угле с зольностью. На рисунке 5.1 показана зависимость содержания индивидуальных редких земель от зольности углей. Эта зависимость для всех элементов описывается линейной функцией.
В то же время содержание данных элементов в золе угля обратно пропорционально росту зольности (рис.5.2). Подобные соотношения, по мнению И. В. Рязанова и Я. Э. Юдовича (1974), указывают, что терригенная зола является носителем, а сорбционная и биогенная - концентратором элементов.
Изображённые на рисунке 5.2 зависимости свидетельствуют о снижении содержания Sm, Yb и Lu в золе при возрастании зольности угля. Для европия эта тенденция не столь очевидна. Связь между содержанием лантана, церия и тербия в золе с зольностью угля более сложна и не может быть описана простым линейным уравнением регрессии. В использованной для расчетов выборке соотношение между концентрациями элементов в минеральной и органической фазах угля в пробах существенно отличались. Поэтому разброс средних вокруг линии тренда очень велик. Интересен факт, что церий и, в меньшей степени, тербий показывают положительную связь уровней их концентрирования в золе угля с зольностью. Такой тип зависимости свидетельствует о преобладании минеральной формы накопления этих элементов в углях Кузбасса. Органическая и сорбционная зола в данном случае является разбавителем. Однако такой вывод не следует распространять на весь массив данных. На графике отчетливо просматривается 2 тренда в распределении церия. Тренд первого порядка для преобладающего числа проб характеризует положительную связь содержания церия в золе угля с его зольностью, а тренд второго порядка -обратную зависимость между этими параметрами. Эта особенность в равной степени относится к тербию и к лантану, хотя и не выражена столь ярко.
Проведенный анализ полученных результатов показал, что содержание редких земель в золе кузнецких углей существенно выше, чем во вмещающих породах (табл. 5.1). Коэффициенты накопления индивидуальных лантаноидов в использованных в качестве примера золах углей по отношению к вмещающим породам изменяется от 1,6 до 4,8. Более низкие значения коэффициентов для тяжелых лантаноидов обусловлены, по-видимому, потерей их с газовой фазой в процессе лабораторного озоления угля. Потери этих элементов видны и по возрастанию в золах по сравнению с углем лантан - иттербиевого отношения и по разнице между расчетными содержаниями при пересчете на золу и фактически измеренными значениями. Для представленной в таблице 5.1 усят-ской свиты Араличевского района лантан-иттербиевое отношение изменяется от 5,6 в угле до 12,2 в золе, а для ускатской свиты Осинниковского - от 5,3 до 10,2 соответственно.
Содержание элементов закономерно возрастает с ростом удельного веса фракции. В то же время в золах наибольшие содержания характерны для малозольных легких фракций. Коэффициент накопления в золе легких фракций по отношению к исходной породе колеблется от 1.5 до 3.0 для разных элементов.
Характер распределения редких земель по фракциям и золам фракций угля хорошо согласуется с данными А.З. Юровского (1968) по распределению лантана в угле Таш-Кумырского месторождения. Уровни накопления лантана в золе фракций плотностью менее 1,35 г/см3 достигают здесь 380 г/т при содержании его в исходном угле 8,1 г/т, в золе исходного угля - 98 г/т. Коэффициент накопления лантана в золе легких фракций по отношению к углевмещающей породе колеблется от 3 до 13.
Аналогичные исследования, выполненные для углей Испании (Querol et al, 1995) показали, что легкие редкоземельные элементы накапливаются почти исключительно (87%) в минеральном веществе алюмо-силикатного состава. Тяжелые лантаноиды концентрируются как в минеральном веществе (52%), так и на органике (45%). X.Querol и др. также показали, что основными носителями редких земель цериевой группы (La, Се, Nd, Рг) являются полевые шпаты, а иттриевой - глинистые минералы.
По мнению R.H.Filby и др. (1977), изучавших продукты гидрогенизации углей, доля органической составляющей в накоплении тербия в угле составляет 35%, европия - 29%, лютеция - 23%. Для церия и самария эта величина равна 6%.
Эти факты хорошо согласуются с выводами G.Eskenazy (1978), установившей, что в высокозольных углях основное количество редких земель накапливается в минеральном веществе в составе терригенной золы, а в малозольных - в значительной степени концентрируется на органическом веществе. При этом она отмечает, что на органике накапливаются, в основном, иттриевые лантаноиды.
Нормированные по хондритовому стандарту спектры лантаноидов показывают нормальный тип кривой распределения, практически неотличимый по форме от нормированных кривых для осадочных пород (рис.5.4). Можно отметить небольшой наклон нормированных кривых в сторону тяжелых редких земель по сравнению с нормальным распределением. Это свидетельствует об отсутствии существенного фракционирования элементов в процессе их накопления. На графиках отмечен ярко выраженный пик для лютеция. Угли такого типа с аномалиями лютеция описаны в Австралии и на востоке США (Cahill, Mills, 1983) (рис. 5.5). Европиевый минимум выражен слабо или не выражен совсем. Этот факт не уникален, но может рассматриваться в качестве геохимической особенности углей Кузнецкого бассейна. Во всех осадочных породах, так же как и в морской и в речной воде, отмечается относительно небольшая (по сравнению с гранитоидами) европиевая аномалия (Солодов и др., 1987). Отсутствие европи-евой аномалии связывают с восстановительным характером угленакопления. Отсутствие европиевого минимума отмечено для углей Партизанского месторождения Дальнего Востока (Середин, 1991) и для некоторых углей Канады (Godarzi F., Cameron A.R., 1987). Если европиевая аномалия в среднем для углей Кузбасса выражена слабо, то для отдельных пластов она может быть весьма значительна как со знаком плюс, так и со знаком минус (рис.5,6).