Минералого-геохимические особенности тонштейнов Минусинского угольного бассейна

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 552.525:552.57

МИНЕРАЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТОНШТЕЙНОВ МИНУСИНСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА

А.В. Вергунов

Роль пирокластического материала в формировании угленосных отложений Сибирского региона впервые была отмечена в 1960-е годы благодаря работам А.В. Вана [1-3]. Наиболее ярко следы палеовулканизма на территории Сибири проявлены в Минусинском каменноугольном бассейне. Первое упоминание наличия вулканогенной пирокластики в углях бассейна отмечено в работе В.М. Богомазова в 1961 году [4].

К пониманию глобальной роли вулканизма в формировании геохимического фона редких элементов-примесей в угольных месторождениях и бассейнах ученые подошли в последнем десятилетии XX века [5]. Исследователи установили, что аномальные концентрации РЗЭ, Zr, Y, Nb, Hf, Ta, Th в углях Минусинского бассейна связаны с вулканогенным пирокластическим материалом [6].

Пирокластический материал в угле изменен и чаще всего представлен в виде специфических прослоев - тонштейнов. Они имеют преимущественно каолинитовый состав, большую протяженность и используются для корреляции угольных пластов в границах месторождений и бассейнов, а также выяснения периодичности и состава продуктов вулканической деятельности [7].

Настоящая работа посвящена комплексному минералого-геохимическому исследованию тонштейнов, выявленных в угольных пластах Минусинского бассейна, с целью выделения специфичных по составу пирокластических прослоев и разработки критериев их идентификации, возможности использования для корреляции угленосных отложений.

Краткое описание Минусинского бассейна и месторождений

Минусинский каменноугольный бассейн расположен в южной части Центрально-Сибирского региона. В геологическом плане он приурочен к одноименному прогибу, представляющему синклинальную структуру, вытянутую субмеридионально почти на 300 км вдоль речных систем Чулыма и Енисея и ограниченную с запада, востока и юга структурами Кузнецкого Алатау, Восточного и Западного Саян. Продуктивная толща сложена нижнекаменноугольными - верхнепермскими отложениями. Основными промышленными месторождениями являются - Черногорское, Изыхское и Бейское [8].

Черногорское месторождение расположено на левобережье р. Енисей, в 10 км северо-западнее устья р. Абакан, занимает площадь 250 км2. В геологическом плане месторождение расположено в северо-западной части Южно-Минусинской впадины и приурочено к Черногорской мульде.

Изыхское месторождение расположено в приустьевой части р. Абакан и занимает площадь 415 км2. В структурном плане месторождение выполняет коробчатую мульду, вытянутую в северо-западном направлении.

Бейское месторождение расположено в междуречье рек Абакана и Енисея, на правом берегу р. Абакан, в 20-25 км юго-западнее Изыхского месторождения. Продуктивные отложения месторождения приурочены к Бейской мульде.

Объект и методы исследования

Исследованная часть угленосного разреза представлена черногорской свитой позднего карбона, а также нарылковской и изыхской свитами перми.

В ходе исследования Минусинского угольного бассейна были детально опробованы и изучены как сами тонштейны, так и вмещающие их угли. Всего в угольных пластах черногорской свиты опробовано 64 тонштейна, в том числе в Черногорском месторождении - 22 тонштейна, в Бейском - 56, а также в угольных пластах нарылковской и изыхской свит Изыхского месторождения, было отобрано 11 и 4 тонштейнов соответственно.

Аналитические исследования включали изучение химического состава тонштейнов и углей методами ICP MS, ICP АS и ИНАА. Для золы угля и породных прослоев выполнен анализ на породообразующие окислы методом РФА. Исследование химического состава тонштейнов проведено методом рентгенофлуоресцентного анализа в лаборатории рентгеноспектральных методов анализа ИГМ СО РАН, г. Новосибирск (аналитик Н.Г. Карманова). Состав редких и радиоактивных элементов в тонштейнах, углях и золах углей определен методом инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА) в лаборатории ядерно-геохимических исследований кафедры геоэкологии и геохимии НИ ТПУ (исполнитель А.Ф. Судыко) и масс-спектрометрическим методом с индуктивно-связанной плазмой (ICP MS) в аналитическом центре Дальневосточного геологического института, г. Владивосток (исполнитель - Н.В. Зарубина) и в химико-аналитическом центре «Плазма», г. Томск (исполнитель - Н.В. Федюнина). Все лаборатории аккредитованы. Сходимость результатов различных методов анализа удовлетворительная.

Для изучения характера распределения минерального вещества в тонштейнах и околотонштейновом пространстве, анализа их текстурно-структурных особенностей выполнено петрографическое изучение шлифов на оптическом микроскопе Axioskop-40. Изучение глинистой фракции тонштейнов проведено с помощью порошкового дифрактометра D2 PHASER. Формы, морфологические особенности и состав тонкодисперсных минеральных образований были изучены с использованием сканирующего электронного микроскопа HITACHI S-3400N.

Результаты

Тонштейны достаточно хорошо распознаются в угольных пластах Минусинского бассейна. Они характеризуются небольшой, но при этом выдержанной по простиранию, мощностью. Мощность тонштейнов обычно не превышает 2-3 см, лишь в отдельных случаях достигает 5 см (маркирующий тонштейн пласта Гигант Черногорского месторождения и тонштейн на границе пласта 16 и 16a Бейского месторождения). Границы прослоев четкие, контрастные. Тонштейны отчетливо выделяются светлой окраской на фоне угля, что отличает их от терригенных породных прослоев, обычно окрашенных в темные цвета за счет органического вещества [9].

В результате исследований установлено, что все изученные тонштейны имеют преимущественно каолинитовый состав. При этом встречаются как практически мономинеральные каолинитовые породы (от 73 до 100% каолинита), так и тонштейны смешанного состава. Второстепенными минералами являются фосфаты (гойяцит, плюмбогуммит и фторапатит), полевые шпаты, кварц, кристобалит, тридимит. Главными вторичными минералами обычно бывают карбонаты (сидерит, доломит, редко кальцит).

Первичный состав пирокластического материала реставрировать достаточно сложно, так как он претерпел практически полное изменение. Минеральный состав самих тонштейнов для этих целей пригоден в малой степени. Можно использовать лишь сохранившиеся реликтовые структуры отдельных минералов, редкие реликты полевых шпатов, кварца, тридимита и отдельные акцессории (циркон). При этом агрессивная среда торфяного болота приводила к тому, что разрушению подвергались даже цирконы. Периодически в тонштейнах выявляются корродированные кавернозные кристаллы цирконов. В других случаях они имеют правильные формы без следов коррозии [9].

Одним из параметров, помогающим определить состав исходных пеплов является титановый модуль (TiO2/Al2O3). Исследования Д.А Спирса показывают, что TiO2/Al2O3 отношение больше 0,06 характерно для основной пирокластики, меньше 0,02 - для кислой. Промежуточные значения характерны для пеплов среднего и щелочного составов [10].

Дополнительным средством восстановления состава исходной пирокластики является классификационная диаграмма Винчестера и Флойда [11]. Использование данной диаграммы ограничено различной подвижностью элементов, отношение которых легли в ее основу. Установлен значительный вынос циркония и ниобия из пепловых горизонтов в процессе разложения и перекристаллизации первичного минерального вещества вплоть до мономинерального каолинитового состава [9].

Определение состава исходных пеплов с помощью комплекса методов показало, что для Черногорского месторождения характерен выдержанный состав пирокластического материала. Он изменяется в основном от андезитового до риодацитового [12]. Для Бейского месторождения характерен схожий состав пеплов, что и для Черногорского. Изыхское месторождение характеризуется пирокластическим материалом кислого и щелочного составов.

Различный состав исходного пирокластического материала проявляется не только в особенностях химического и минерального состава образованных из него тонштейнов, но и в формировании в углях на границе с тонштейнами специфических геохимических ассоциаций. Так, в золе углей, находящихся в контакте с тонштейнами, которые сформировались из пеплов кислого состава наблюдаются аномальные концентрации Sr - 3,2%; Zr - 0,5%; Hf - 166 г/т; Ta - 26 г/т и Th - 153 г/т. В свою очередь в золах углей, находящихся под влиянием пирокластики среднего состава, отмечаются повышенные концентрации Sc - 44 г/т, Cr - 385 г/т, Hf - 30 г/т, Ta - 8 г/т, Th - 80 г/т. минеральный тонштейн вулканогенный пирокластический

Выводы

Проведенные исследования показывают, что пирокластический материал, захороненный в угольных пластах, обуславливает формирование специфических геохимических ассоциаций. Специфика ассоциаций определяется особенностями состава исходного вулканогенного вещества. Пирокластика кислого состава (риолиты, риодациты) обуславливает формирование контрастных аномалий Sr, Zr, Hf, Ta, и Th. Для пирокластики среднего состава наблюдаются повышенные содержания - Sc, Cr, Hf, Ta и Th. Стоит отметить, что концентрация Hf, Ta и Th связанная с тонштейнами, сформированными из кислого пепла значительно выше, чем из пеплов более основного состава.

Библиографический список

1. Ван А.В. Эпигенез и метагенез угленосных отложений Кузнецкого бассейна // Постседиментационные преобразования осадочных пород Сибири. - М.: Наука, 1967. - С. 99-118

2. Ван А.В. Роль пирокластического материала в угленосных отложениях Кузнецкого бассейна. // Советская геология, 1968. - №4. - С. 129-137.

3. Ван А.В. Вулканогенный пепел в угленосных отложениях верхнего палеозоя Средней Сибири // Литология и полезные ископаемые, 1972. - №1. - С. 40-51.

4. Богомазов В.М. Стратиграфия и условия образования доугленосных и угленосных отложений карбона и перми Минусинского бассейна. // Вопросы геологии угленосных отложений азиатской части СССР. - М.- Л.: Изд.- во АН СССР, 1961. - С. 79-116.

5. Finkelman R.B. Trace and minor elements in coal // Organic geochemistry. Chapter 28 / Eds. M.H. Engel, S.A. Masco. N.Y., 1993. P. 593-607.

6. Арбузов С.И., Ершов В.В., Рихванов Л.П., Усова Т.Ю., Кяргин В.В., Булатов А.А., Дубовик Н.Е. Редкометалльный потенциал углей Минусинского бассейна. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал “Гео”, 2003., 347 с.

7. Адмакин Л.А. Тонштейны - геохронометры древних эруптивных циклов // Доклады АН СССР. - 1991. - Т. 320. - № 5. - С. 1194-1197.

8. Угольная база России. Т. III. Угольные бассейны и месторождения Восточной Сибири. - М.: ООО «Геоинформцентр», 2002. - 488 с.

9. Арбузов С.И., Ильенок С.С., Вергунов А.В., Шалдыбин М.В., Соболенко В.М., Некрасов П.Е. Минералого-геохимическая идентификация продуктов эксплозивного вулканизма в углях Минусинского бассейна. // Петрология магматических и метаморфических комплексов. Вып.9 Материалы IX Всероссийской петрографической конференции с международным участием. - Томск: Изд-во Томского ЦНТИ, 2017. - С.35-37.

10. Spears D.A., Kanaris-Sotiriou R. A geochemical and mineralogical investigation of some British and other European tonsteins. Sedimentology, 1979. - V. 26. - P. 407-425.

11. Winchester J.A., Floyd P.A. Geochemical discrimination of different magma series and their differentiation products using immobile elements // Chemical Geology. - 1977. - Vol. 20. - P. 325-343.

12. Вергунов А.В. Роль палеовулканизма в накоплении редких металлов в углях Черногорского месторождения Минусинского угольного бассейна / А.В. Вергунов // Проблемы геологии и освоения недр. -2017 - Т. 2. - [С. 40-41]

Аннотация

Исследован минеральный и химический составы тонштейнов в углях Минусинского бассейна. На основе геохимических данных восстановлен состав исходного вулканогенного пирокластического материала. Основная масса тонштейнов представлена кислой и средней пирокластикой. Встречаются прослои образованные из пирокластического материала основного состава.

Ключевые слова: тонштейны, уголь, геохимия, минералогия, условия образования.

The mineral and chemical compositions of tonsteins in the coals of the Minusinsk basin are investigated. Based on geochemical data, the composition of the initial volcanogenic pyroclastic material was restored. The bulk of the tonsteins is represented by acidic and medium pyroclastics. Interlayers formed from pyroclastic material of the basic composition occur.

Keywords: coal, tonstein, geochemistry, mineralogy, origin.

Размещено на Allbest.ru