Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава I. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И СОСТАВ УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА 18
Ї.І. Уровни организации и степень концентра ции угольного вещества 18
1.2. Основные генетические типы угольного вещества 24
1.3. Эволюция количества концентрированного и рассеянного органического вещества в осадочных толщах зо
1.4. Соотношение гумусового и сапропелевого типов вещества в осадочных толщах фанерозоя 44
Глава 2. ПЕРВИЧНЫЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ОРГАНИЧЕСКИЕ МИКРОКОМПОНЕНЗН УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА 58
2.1. Типы превращения растительного материала в седиментогенезе 58
2.2. Органические микрокомпоненты 68
2.3. Связь микрокомпонентного состава угольного вещества с углеобразующей растительностью 85
2.4. Соотношение процессов автохтонии и аллох-тонии при формировании рассеянного и концентрированного угольного вещества Ш
Глава 3. ДИАГЕНЕТИ4ЕСКИЕ И ПОСТДИАГЕ НЕ ТИЧЕ ОЖ ПРЕОБРА ЗОВАНИЯ УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА 126
3.1. Изменение петрографических признаков и химических свойств угольного вещества на буроугольных стадиях 427
3.2. Изменение петрографических признаков и химических свойств угольного вещества на каменноугольных и антрацитовых стадиях 139
3.3. Сравнительная характеристика постдиагене-тических преобразований углей и рассеянного органического вещества пород 156
Глава 4. ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЕ ТИПЫ И ФАЦЖ УГЛЕЙ (ИСКОПАЕМЫХ ТОРФЯНИКОВ) В СВЯЗИ С ИССЛЕДОВАНИЕМ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ 180
4.1. Макроскопические признаки и структурно-текстурные особенности углей І80
4.2. Вещественно-петрографическая классификация углей -<92
4*3. Минеральные примеси в углях 201
4.4. Фации углей (ископаемых торфяников) 215
Глава 5. ТИПЫ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ОСНОВНЫХ ШОХ УГЛЕНАКОПЛЕНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ СССР 228
5.1. Типизация угольных пластов 228
5.2. Основные типы угольных пластов на территории СССР 239
Глава б. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПЕТРОГРАФИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРОЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ 252
6.1. Связь петрографического состава угольных пластов с их мощностью и строением 252
6.2. Петрологические особенности весьма и сверхмощных угольных пластов 259
6.3. Изменение петрографического состава угольных пластов по эпохам угле накопления 275
Глава 7. ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ КОНЦЕНТРИРОВАН НОГО УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА 296
7.1. Корреляция и детальная стратиграфия угольных пластов по петрографическим данным 298
7.2. Прогнозирование качества углей 323
Глава 8. ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКОН ИССЛЕДОВАНИЙ РАССЕЯННОГО УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА 338
8.1. Методика исследования и изученность рассеянного органического вещества пород металлоносных черноеланцевых толщ 339
8.2. Характеристика рассеянного органического вещества пород металлоносных черное ланцевых толщ (на примере углеродисто-золоторудных формаций Западного Узбекистана) 356
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 389
Список литературы ^03
Введение к работе
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 ХХУІ 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 нефтегазоносноети 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 нефтегазоносноети. Благодаря этому получены многочисленные данные по характеристике ОВ главным образом низких и средних стадий углефикации, на кото рых происходит генерация жидких и газообразных углеводородов. В то же время РОВ осадочно-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. Черное лан це вые толщи установлены во многих регионах мира, в широком возрастном диапазоне. Однако, при их изучении еще очень мало используется информативность \J одного из характерных составных компонентов - ОВ. Зто можно 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-метаморфических 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 "Печ орау г ле геология" (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 верхнє триасового, нижне- и средне юрского углена копления). 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 "Ли то гене тич ее кие 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 I978-SL 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 уголь ного 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, нижнємезозойских угольных месторождениях Казахстана, золоторудных месторождениях Западного Узбекистана (Центральные Кызылкумы), Шуньгском и других шунгитовых месторождениях Карелии. Часть материалов составляют изученные автором коллекции углей, осадочных и осадочно -метаморфичееких пород, полученных от геологов ЛАГУ АН СССР, различных отделов ВСЕШІ 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 ЗБМ - 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 черное лан це вых, 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); ІУ - пласт угля (ассоциация типов). 111 уровень соответствует угольному слою, ІУ - комплексу угольных слоев, сложенных разными типами углей (и породных прослоев в пластах слошого 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 ІУ -уроъшо 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 (гелитолито-фюзенолитовых), появление в перми пластов її 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 разработшной 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 черноеланцевых 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 ВСЕГЕй 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 входят 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 черно сланцевых 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 XX 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 рудоносноеть", 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.Й.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 $.Я.Сапрыкина. Изучение органических остатков методом сканирования в электронном микроскопе проводилось на приборе "КАМЕБАКС" 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, А.Б.Гуревичем, А.Е.Могилевым, В.М.Никольским и многими другими сотрудниками ВСЕГЕИ. Исследования ОВ проводились автором такие 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 поддержой руководства ЛАГУ АН СССР, дирекции ВСЕГЕИ и начальника Управления твердых горючих ископаемых Мингео СССР В.Ф.Череповского, а такяе члена-корреспондента АН СССР А.Д.Щеглова. Углепетрографические исследования велись совместно с геологами-угольщиками, литологами, палеоботаниками -Н.Й.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 такт своим ушедшим учителям - профессорам Е.О.Погребицкому, Г.А.Иванову, К.Г.Войновскому ригеру и членам-корреспондентам АН СССР Ю.АЛЬмчуяникову и И.И.Горскому.
В процессе выполнения работы автор неоднократно пользовался советами и консультациями докторов геолого-минералогических наук А.В.Македонова, О.А.Радченко, Д.В.Рундквиста, В.В.Лаврова, В.Н.Волкова; кандидатов геолого-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, инсти тута 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, СА.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
