Геохимия, минералогия и генезис редкометалльно-угольного месторождения в пласте XI на юге Кузнецкого бассейна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геохимия, минералогия и генезис редкометалльно-угольного месторождения в пласте XI на юге Кузнецкого бассейна

С.И. Арбузов, А.В. Вергунов, С.С. Ильенок, В.П. Иванов, Б.Р. Соктоев, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; В.А. Иванов, Публичное акционерное общество «Угольная компания “Южный Кузбасс"»

Выполнено исследование редкометалльных руд Nb-Ta-Zr-Hf-Y-REE-Ga состава, выявленных в пласте XI кемеровской свиты на юге Кузнецкого бассейна. Установлена связь их формирования с наличием в угольном пласте измененных вулканогенных пирокластических горизонтов, контрастно обогащенных редкими элементами. Рудное вещество сконцентрировано преимущественно в тонкодисперсной минеральной фазе, представленной в основном Zr-Nb-Ti-Fe оксидами, тонкодисперсными цирконами, редкоземельными карбонатами (бастнезит) и фосфатами (монацит, ксенотим, гойяцит). Обоснование связи комплексного редкометалльного оруденения с вулканогенной пирокластикой щелочного состава существенно расширяет перспективы выявления подобного оруденения в углях Восточной и Центральной Азии.

Ключевые слова: уголь, геохимия, редкие металлы, минералогия, генезис руд.

The studies allow to develop a model of formation with similar mineralization in coals and to offer a set of search criteria for its discovery. The characteristic feature of such ores is the layer of volcanic pyroclastic rocks of alkaline composition, characterized by increased radioactivity. This feature allows finding such horizons with gamma-ray logging even at the preliminary stage of coal-bearing areas study. The connection of complex NB-Ta-Zr-Hf-Y-REE-Ga mineralization with volcanogenic pyroclastics of alkaline composition significantly expands the perspectives for the detection of such mineralization in the coals of East and Central Asia. The high volcanic activity of this period along with the manifestation of alkaline magmatism contributed to the formation of metal-bearing ash horizons. At the places of ashes burial in peatlands the complex rare-metal-coal deposits formed. Fragmented locations of such ores, established on a vast territory in China and Russia, give a reason to assume that a systematic study of sedimentary basins of this age can help to find a number of such deposits.

The research was carried out under the support of the grant of Russian Science Foundation (Project no. 18-17-00004).

Keywords: Coal, geochemistry, rare metals, mineralogy, ore genesis.

Введение

Уголь, как и его прекурсор торф, является контрастным геохимическим барьером, обусловливающим накопления различных химических элементов, и, как следствие, благоприятен для формирования в угольных пластах геохимических аномалий, проявлений и месторождений многих металлов. Уже более 100 лет с переменным успехом решается вопрос извлечения из угля и отходов его использования попутных элементов-примесей. В настоящее время известна большая группа разнообразных типов месторождений редких, благородных и цветных металлов в углях и углистых породах [Середин, 2004; Seredin, Finkelman, 2008; Seredin, Dai, 2012; Seredin et al., 2013; Арбузов и др., 2014; Dai et al., 2016а, 2016b; Dai et al., 2018].

В промышленных масштабах из угля добывается только германий, а с недавнего времени - литий и галлий [Seredin, 2012; Lin et al., 2013; Qin et al., 2015]. Общие тенденции возрастания спроса на редкие металлы, появление новых технологий переработки сырья позволяют с оптимизмом смотреть на перспективы освоения традиционных и новых типов редкометалльно-угольных месторождений. Попытки выявления новых месторождений не прекращаются. Помимо группы германий-угольных месторождений в Китае в последние годы выявлено несколько месторождений комплексных REE- Zr(Hf)-Nb(Ta)-Ga руд [Dai et al., 2010, 2012].

Аналогичные по составу редкометалльно-угольные месторождения с прошлого века известны в России Кузбассе и в Минусинском бассейне [Середин, 1994; Арбузов и др., 2000, 2003; Арбузов, Ершов, 2007]. Особый интерес представляет оруденение в пласте XI в Кузнецком бассейне в связи с его высокой контрастностью и значительными масштабами. Природа такого типа комплексного оруденения трактуется по-разному: от сингенетичного гидрогенного [Середин, 1994] до вулканогенного [Арбузов и др., 2003; Арбузов, Ершов, 2007; Seredin, Finkelman, 2008; Dai et al., 2010; 2012] и вулканогенно-гидротермального [Середин, 1994; Dai et al., 2016a; 2016b; Zhao, 2017a, 2017b, 2017c]. Понимание механизмов образования таких руд, создание моделей формирования месторождений подобного типа позволят эффективно прогнозировать и выявлять аналогичное оруденение на ранее не опоискованных территориях.

В данной работе исследованы основные минералого-геохимические особенности комплексного Nb-Ta-Zr-Hf-Y-REE-Ga-оруденения в пласте XI на юге Кузбасса, выбранного в качестве эталонного объекта, и рассмотрена возможная природа его формирования. Оруденение было выявлено в 1989 г. В.В. Ершовым и кратко описано В.В. Серединым [1994, 2004]. Предварительно были оценены ресурсы этих руд [Арбузов и др., 2000, Арбузов, Ершов 2007], однако детального комплексного исследования их не проводилось в связи с ограниченными техническими возможностями того периода.

Характеристика объекта исследований

Исследуемый пласт находится в южной части Кузецкого бассейна в непосредственной близости к области питания древнего бассейна угленакопления. Кузнецкий бассейн представляет собой межгорную впадину, сформировавшуюся в C-P время на палеозойском фундаменте. В южном и юго-восточном обрамлении в непосредственной области сноса бассейна угленакопления наряду с терригенно-карбонатными отложениями распространены вулканогенные толщи преимущественно базитового, щелочно-базитового состава, разнообразные интрузивные массивы кислого, щелочного и основного состава, многочисленные эндогенные месторождения и проявления цветных и редких металлов (рис. 1).

Угленосная толща на юге Кузбасса, в пределах которой выделен пласт XI, представляет собой крупную моноклиналь с погружением пластов на запад, тогда как сама моноклиналь погружается в юго-западном направлении. В северо-восточной части моноклинали углы падения пластов угленосной толщи более пологие, а мощность верхнебалахонских отложений больше, чем в юго-западной части. В северо-западном направлении они перекрываются верхнепермскими угленосными отложениями, выделяемыми в кольчугинскую серию (см. рис. 1).

Пласт XI вскрыт преимущественно на юге Кузнецкого бассейна и прослежен на расстояние более 50 км с востока на запад. По падению пласт прослежен более чем на 5800 м. Наиболее детально он изучен в восточной части бассейна. На западе также вскрыт в шахте Абашевская. В центральной и северной частях бассейна пласт XI не выделяется в связи с тем, что здесь принята иная схема корреляции угольных пластов с другими названиями. Для выявления этого пласта в составе кемеровской свиты в центре и на севере бассейна необходимо проведение специализированных работ по корреляции угленосного разреза. Имеющаяся корреляция не позволяет однозначно идентифицировать пласт XI на всей территории Кузбасса.

Рис. 1. Фрагмент геологической карты юга Кузбасса и положение на ней участков опробования пласта XI: 1 - четвертичные образования; 2 - юрские образования; 3, 4 - позднепалеозойско-раннемезозойские интрузивные образования: 3 - порожинская серия гранитоидных комплексов, 4 - абинский трапповый трахибазальтовый комплекс; 5-8 - пермь: 5 - ерунаковская подсерия (ленинская, грамотеинская, тайлуганская свиты), 6 - ильинская подсерия (казанково-маркинская, ускатская свиты), 7 - кузнецкая подсерия, 8 - верхнебалахонская подсерия (промежуточная, ишановская, кемеровская свиты); 9 - каменноугольные образования; 10 - верхний девон - нижний карбон: мозжухинская группа свит; 11 - восточно-кузбасская серия; 12, 13 - ранне-среднедевонские интрузивные образования: 12 - кистальский граносиенит-гранит-лейкогранитовый комплекс, 13 - патынская группа сиенит-габбровых комплексов; 14 - палатинско-копьевская группа свит; 15, 16 - раннедевонские интрузивные образования: 15 - тельбесский ряд габбро-гранитоидовых комплексов (нерасчлененные образования), 16 - большереченский диорит-габброноритовый комплекс; 17- лохковский ярус. Кувасская толща; 18 - ташелгинский мраморогнейсовый-амфиболитовый полиметаморфический комплекс; 19 - вулканиты кислого состава умереннощелочного и нормального рядов, преимущественно лавы и туфы; 20 - трахибазальты с трахитами и умереннощелочными риолитоидами, преимущественно лавы и туфы; 21 - лейкобазальты, андезибазальты, андезиты умереннощелочной и известково-щелочной серии: лавы и туфы; 22 - точки отбора проб; 23, 24 - разрывные нарушения: 23 - главные, 24 - прочие

Стратиграфически пласт XI находится в составе отложений кемеровской свиты верхнебалахонской подсерии раннепермского возраста [Угольная база... 2003].

Пласт имеет достаточно невыдержанную мощность, но протягивается на значительные расстояния при колебаниях мощности от 0,3 до 5,0 м. Средняя мощность уменьшается с востока на запад. На западе бассейна пласт XI выклинивается и промышленного значения не имеет.

Строение пласта достаточно выдержанное. Обычно он представлен двумя угольными пачками, разделенными неугольным прослоем мощностью от 6 до 15 см, редко более (рис. 2). На отдельных участках в нижней пачке появляются 1-2 маломощных (1-4 см) прослоя аргиллитов.

Угли в разрезе пласта характеризуются переменной зольностью от малозольных до высокозольных, в целом они малофосфористые (Р₂05<0,02%) и малосернистые <0,6%). Уголь трудно обогатим. В мацеральном составе изученных сечений преобладает группа витринита (42,2%) с небольшой долей семивитринита (6,9%) (табл. 1). Содержание инертинита также достаточно велико, в среднем 33,1%.

Таблица 1. Мацеральный состав, зольность и отражательная способность витринита углей пласта XI (разрез Распадский)

Примечание: nd - данные отсутствуют; Vt - витринит, Sv - семивитринит, I - инертинит, ?ОК - сумма окисляющих компонентов, Wа - содержание влаги, A^d - зольность на сухое вещество, Ro,n - отражательная способность витринита в масляной иммерсии.

Соотношение мацералов группы витринита и инертинита значительно варьирует, что указывает на неустойчивые условия палеоторфонакопления. Отмечается периодическое осушение болота, приводившее к возрастанию доли инертинита.

Рис. 2. Строение пласта XI: 1 - уголь, 2 - аргиллит, 3 - алевролит.

Сумма окисляющих компонентов в углях колеблется от 18 до 70%. Уголь непосредственно под внутрипластовым породным прослоем и над ним имеет близкие характеристики по содержанию основных мацералов и по сумме окисляющих компонентов. Это указывает на отсутствие влияния изменения геодинамической обстановки внутри бассейна на накопление данного горизонта. По-видимому, эта особенность отражает незакономерный, катастрофический характер накопления породного прослоя в угольном пласте, обусловленный аэрогенным выпадением минерального вещества из удаленного источника. Наиболее вероятным представляется поступление вулканогенной пирокластики в бассейн угленакопления.

Отчасти это подтверждается значительными площадями распространения данного горизонта при сравнительно малой, но довольно выдержанной мощности от 6 до 15 см, редко более. В разрезах и подземных горных выработках верхний прослой распознается по повышенной радиоактивности в 30-50 мкР/ч, существенно превышающей радиоактивность углевмещающих пород. Благодаря наличию породного прослоя с повышенной радиоактивностью пласт XI легко идентифицируется методом гамма-каротажа.

Методика исследований

Методика опробования. Опробование проводилось в горных выработках (в разрезах и подземных выработках) в период с 1989 по 2018 г. Всего опробовано 12 сечений. Два сечения опробовано на шахте им. Л.Д. Шевякова, семь - на шахте им. В.И. Ленина, на остальных предприятиях - по одному. Наиболее детальный разрез выполнен в 2018 г. на разрезе Распадский (рис. 3).

Опробование проводилось бороздовым методом с сечением борозды 15*5см. Длина секций опробования зависела от степени однородности пласта в вертикальном разрезе и колебалась от 1,5 до 10 см при детальном исследовании и от 5 до 70 см в других сечениях. Всего в детальном разрезе при мощности пласта 1,5 м было взято 34 пробы. Помимо угля были опробованы кровля и подошва пласта, а также внутрипластовые породные прослои. При опробовании в предыдущие годы (1989-2002) в других сечениях тем же методом отбиралось от 8 до 15 проб [Арбузов и др., 2000; Арбузов, Ершов, 2007]. Дубликаты проб с шахты им. Л.Д. Шевякова в 1992 г. были переданы Б.Ф. Нифантовым для исследования В.В. Середину [1994, 2004].

Аналитические методы

В исследованиях использован комплекс современных высокоразрешающих аналитических методов: масс-спектро-метрический метод с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS), метод атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-AES) и инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА).

Аналитические исследования методом ICP-AES и ICP-MS выполнены в анлитическом центре Дальневосточного геологического института ДВО РАН, г. Владивосток. Основные породообразующие элементы (Al, Ti, Fe, Ca, Mg, K, Na и P в форме оксидов) определены с помощью ICP-AES на спектрометре iCAP 7600 Duo (Thermo Scientific, США). Анализ малых элементов выполнен на Agilent 7500c ICP-MS (Agilent Technologies, Япония) в варианте сплавлении с мата- боратом лития и на Agilent 7700x ICP-MS в варианте разложения в смеси кислот (HF, HNO₃ и HClO₄).

Рис. 3. Схема опробования углей пласта XI на разрезе Распадский

Анализ методом ИНАА производился в ядерногеохимической лаборатории отделения геологии Национального исследовательского Томского политехнического университета (ТПУ) (исполнитель - А.Ф. Судыко). Для определения содержания использовали метод ИНАА из навески 200 мг для угля и 100 мг для золы угля и углевмещающих пород. Определение содержания 29 элементов в углях, углевмещающих породах и внутриугольных прослоях во всех пробах производилось без предварительного концентрирования с целью избежать потерь некоторого количества химического элемента при озолении. Для контроля одновременно их содержание определялось и в золе угля. Облучение проб нейтронами выполнено на исследовательском ядерном реакторе ИРТ-Т Научно-исследовательского института ядерной физики ТПУ. Качество нейтронно-активационного анализа контролировалось по различным стандартам золы угля и горных пород, в том числе по стандарту ЗУК-2 (зола угля Канско-Ачинского бассейна).

Содержание ртути в пробах определяли на атомно-абсорбционном спектрометре РА-915+ с использованием пакета программ RA915P (ПНД Ф 16.1:2.23-2000). Пробы угля и горных пород анализировали с помощью пиролитической приставки ПИРО-915 (метод пиролиза). Диапазон измерений для массовой доли общей ртути в пробах составляет от 10^-3 г/т до 10 г/т.

Для изучения характера распределения минерального вещества в неугольных прослоях и прилегающем к ним пространстве, анализа их текстурноструктурных особенностей выполнено петрографическое изучение шлифов на оптическом микроскопе Axioskop-40.

Диагностика состава минерального вещества неугольных прослоев, в том числе глинистых минералов, проведена рентгенофазовым методом анализа. Рентгенофазовый анализ выполнен в лаборатории литологии Томского научно-исследовательского и проектного института нефти и газа на рентгеновском дифрактометре RIGAKU ULTIMA IV c реализацией съемки рентгенограмм в геометрии Брэгга-Брентано (исполнитель Е.С. Кондрашова). Съемка дифрактограмм проводилась при следующих параметрах: анод - Cu (медь), напряжение рентгеновской трубки - 40 кВ, ток - 30 мА, мощность - 1,2 кВт, скорость съемки 1°/мин, шаг 0,02°, углы съемки 20 от 5 до 70°. Для улучшения качества рентгенофазового анализа и идентификации минералов с низким содержанием применялись специальные методы обработки проб [Moore, Reynolds, 1997]. Основной минеральный состав во внутриугольных породных прослоях и углевмещающих породах определен также на дифрактометре D2 Phaser фирмы Bruker (исполнитель Б.Р. Соктоев).

Изучение микроминеральных форм элементов в углях и золах углей производилось на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Hitachi S-3400N в МИНОЦ «Урановая геология» в отделении геологии ТПУ. Состав включений определялся с помощью энерго-дисперсионного спектрометра Bruker XFlash 4010/5010 для проведения рентгеноспектрального анализа. Исследование проб выполнялось в режиме низкого вакуума с детектором обратно-рассеянных электронов. Отбор проб для изготовления препаратов и последующего СЭМ исследования осуществлялся на основании результатов анализа проб методами ИНАА и ICP-MS. Главным критерием отбора проб угля и золы угля было аномальное содержание в них исследуемых редких элементов.

Результаты исследований

Химический состав угля, золы угляи породного прослоя в пласте XI

Среднее содержание элементов-примесей в углях, золе угля и в партинге пласта XI показано в табл. 2. Как следует из этих данных, угли и особенно золы углей характеризуются аномально высокими концентрациями Nb, Ta, Zr, Hf, Ag, Be, Sn, Y, REE, повышенными по сравнению с угольным кларком содержаниями Li, Ga, Co, Ni, Cu, Ba, Mo, W, Pb и Th.

На локальных интервалах их содержание может достигать значительных величин. Так, концентрации циркония непосредственно над породным прослоем достигают 1,39%, а ниобия - 0,43%.

Таблица 2 Содержание элементов-примесей в углях, золах углей и породном прослое в пласте XI, г/т

Примечание: Н.д. - нет данных; 1 - вулканогенный прослой; 2 - в золе угля с породным прослоем; 3 - кларк для углей по [КеЛН, УМоНсИ, 2009]; 4 - КК - отношение среднего содержания в золе угля к кларку для золы углей; 5 - в мг/т. Содержание Hg, Tl, Re, Li, As, Sb, Br в золе угля определено путем пересчета с содержания в угле.

Вблизи породного прослоя и непосредственно в нем аномальны многие литофильные элементы. Содержание иттрия достигает 286 г/т, гафния - 173 г/т, олова - 31 г/т, галлия - 81 г/т, бериллия - 109 г/т, суммы лантаноидов - 0,19%, тория - 97,8 г/т, урана - 59,4 г/т, вольфрама - 43 г/т, тантала 71 г/т. Все эти аномалии отчетливо приурочены к маломощному породному горизонту. Горизонт выделяется повышенной радиоактивностью (30-50 мкР/ч) и аномальным содержанием большой группы литофильных редких металлов, включая Zr, Nb, Ta, Hf, Y, РЗЭ, Sn, Th и U (табл. 2).

Аномальны в золах углей концентрации и некоторых других элементов. Так, в различных участках пласта содержание меди в отдельных пробах золы угля превышает 400 г/т, цинка - 400 г/т, свинца - 196 г/т.

В совокупности эти данные позволяют выделить в пласте XI специфическое Nb(Ta)-Zr(Hf)-РЗЭ(Y) оруденение с группой попутных литофильных металлов (Ga, Li, Sn и др.) Руды такого состава выявлены и детально изучены в Китае [Dai et al., 2010, 2012]. Однако оруденение в пласте XI обладает своей ярко выраженной спецификой, обусловленной как особенностями их состава, так и особенностями состава пород, рассматриваемых в качестве источника оруденения.

Ниобий и тантал. Наиболее значимы в пласте XI уровни накопления ниобия и тантала. Концентрация ниобия в среднем для золы угля составляет 650 г/т, что в 32,5 раза превышает средние данные для золы угля мира. Средневзвешенное для золы угля с учетом породного прослоя несколько ниже - 482 г/т. В пересчете на оксиды это, соответственно, 930 и 689 г/т. В породном внутрипластовом прослое содержание ниобия составляет 264 г/т, что также в 10,6 раза выше кларка для земной коры.

Распределение ниобия в разрезе пласта весьма неравномерно. Видна отчетливая приуроченность наибольших концентраций к породному прослою (рис. 4), что позволяет связать их генезис. При этом уровни накопления ниобия в золе угля над тонштейном выше, чем под ним. Зона обогащения над прослоем более контрастная, но меньше по мощности, а под ним - менее контрастная, но больше по мощности. Содержание ниобия в золе здесь составляет 0,430,13%.

Рис. 4. Распределение Nb и Ta в разрезе пласта XI, разрез Распадский

Средние содержания и особенно локальные концентрации ниобия в золе угля существенно превышают те, что описаны в угленосных отложениях в Китае и в других регионах мира [Середин, 2004; Seredin, Finkelman, 2008; Dai et al., 2010, 2012, 2014].

Цирконий и гафний. Среднее содержание циркония в угле пласта XI составляет 213 г/т, в золе угля - 1870 г/т, в золе угля с учетом породного прослоя - 1751 г/т (см. табл. 2). В пересчете на оксиды это 2256 и 2365 г/т соответственно. Коэффициент накопления циркония в золе угля пласта XI по отношению к средней оценке для углей мира составляет 8,9. Прослой содержит 1 910 г/т циркония, что также в 10 раз выше кларка для верхней континентальной земной коры.

Для циркония характерен такой же тип распределения в разрезе пласта, что и для ниобия. Наибольшие концентрации в золе угля отмечены непосредственно над породным прослоем. Они достигают 1,39%. Зона обогащения угля верхней пачки над прослоем незначительна по мощности.

В нижней пачке зона обогащения хотя и не так контрастна, зато существенно больше по мощности (рис. 5).

Рис. 5. Распределение циркония и гафния в разрезе пласта XI, разрез Распадский

Такой тип распределения циркония вблизи измененной вулканогенной пирокластики - тонштейнов выявлен давно и описан для нескольких регионов [Crowley, Stanton, Ryer, 1989, Hower, Rupport, Cortland, 1999; Арбузов и др., 2000; Arbuzov et al., 2016; Вергунов, Арбузов, Соболенко, 2019].

Содержание гафния также аномально. В среднем в золе угля оно составляет 31,8 г/т, в золе с учетом породного прослоя - 42,1 г/т (табл. 2). Коэффициент накопления по отношению к среднему содержанию в углях мира - 3,8. В прослое содержится в среднем 76,4 г/т гафния, что в 13,2 раза выше кларка для верхней континентальной земной коры.

Распределение гафния в разрезе повторяет распределение циркония, что неудивительно, учитывая геохимическое сродство этих элементов. Но при этом цирконий - гафниевое отношение в золе угля вблизи породного прослоя (60-80) существенно выше, чем в самом прослое (30) и в золе угля на удалении от него (30-40). Это указывает на меньшую подвижность ИГ в данных условиях по сравнению с 2г.

Редкоземельные элементы (лантаноиды и иттрий). Из группы редкоземельных элементов существенное накопление установлено только для лантаноидов и иттрия. Угли, золы углей и породный прослой бедны скандием. Максимальные локальные концентрации скандия в золе угля не превышают 28,8 г/т.

Среднее содержание суммы лантаноидов и иттрия в угле пласта XI составляет 93,4 г/т, в золе угля - 823, в золе угля с учетом прослоя - 788 г/т (см. табл. 2). В пересчете на оксиды это составляет 975 и 934 г/т. Значения эти невелики, но в 2 раза превышают кларк для золы угля.

Распределение лантаноидов в разрезе не так отчетливо привязано к породному прослою, как это установлено для ниобия и циркония, что может быть обусловлено большей подвижность РЗЭ в водах зоны гипергенеза. Отчетливо обогащается участок пласта непосредственно под прослоем. Это сказывается на различии в содержании РЗЭ в верхней и нижней пачке. В нижней пачке в золе угля содержание суммы РЗЭ - 880 г/т, а в верхней - только 437 г/т.

В соответствии с рекомендациями В.В. Середина и Ш. Дая [Seredin, Dai, 2012], для предварительной оценки условий накопления лантаноидов в углях выполнено нормирование содержаний РЗЭ в угле и золе угля на кларк в земной коре. Нормированные на кларк в верхней континентальной земной коре по [Taylor, McLennan, 1985] графики показывают, что в верхней пачке представлен H-тип графика, указывающий на преимущественное накопление РЗЭ за счет гидрогенного механизма (рис. 6). При этом отчетливо проявлена европиевая аномалия, указывающая на преимущественное влияние пород кислого состава на накопление РЗЭ в углях этой пачки.

Рис. 6. Нормированные графики распределения РЗЭ в золе угля верхней пачки пласта XI (Кузбасс). Нормировано на кларк в верхней континентальной земной коре [Taylor, McLennan, 1985]

Отрицательная европиевая аномалия сохраняется и в нижней пачке. Ее контрастность постепенно уменьшается на удалении от прослоя к подошве пласта (рис. 7). В нижней пачке непосредственно под прослоем проявлен L-M-тип нормированной кривой (см. рис. 7, A), который постепенно переходит в H-тип (рис. 7, B), а затем вновь в L-тип (рис. 7, C). Переход происходит постепенно, что является следствием проявления геохимической зональности, обусловленной разной подвижностью легких и тяжелых РЗЭ в водных растворах и, следовательно, указывает на важное значение процессов перераспределения элементов как на стадии торфонакопления, так и в последующем преобразовании углей.

Рис. 7. Нормированные графики распределения РЗЭ в золе угля нижней пачки пласта XI (Кузбасс): A - уголь под породным прослоем; B - средняя часть угольной пачки; С - нижняя часть угольной пачки. Нормировано на кларк в верхней континентальной земной коре [Taylor, McLennan, 1985]

Галлий. Хотя галлий и не определяет экономическое значение редкометалльного оруденения пласта XI, однако он являются важным сопутствующим элементом с содержаниями, сопоставимыми с промышленно значимыми величинами [Середин, 2004; Seredin, Dai, 2012; Dai et al., 2012; Dai, Finkelman, 2018]. В угле и золе угля содержание галлия рядовое, сопоставимое со средними данными для углей мира, но в породном прослое оно достигает 80 г/т. Галлий слабо мигрирует в процессе преобразования пирокластики. В связи с этим им обогащены угли только в непосредственном контакте с прослоем. В среднем на пласт его содержание в золе угля равно 51,6 г/т (см. табл. 2). По этой характеристике галлий близок к танталу. Они образуют единую ассоциацию.

Радиоактивные элементы (уран и торий). Содержание радиоактивных элементов в углях пласта XI далеко от промышленно значимых, но при этом имеет важное индикаторное значение при выявлении подобного типа оруденения в углях. Радиоактивные элементы позволяют обнаружить обогащенные искомой группой редких элементов горизонты, ответственные за формирование подобного типа редкометалльного оруденения. Благодаря их повышенной радиоактивности (30-50 мкР/ч), они легко выявляются при гамма-каротаже или при использовании малогабаритного радиометрического оборудования непосредственно в горных выработках. Среднее содержание урана в золе угля пласта XI составляет 14,3 г/т, тория - 25,6 г/т, что сопоставимо с кларковыми значениями (табл. 2). В то же время партинг содержит 80,7 г/т ТЬ и 15,9 г/т и. В золе угля на контакте с породным прослоем содержание тория достигает 97,8 г/т, а урана - 59,4 г/т. Их распределение в разрезе близко к распределению других специфичных для данного оруденения элементов. Высокий коэффициент корреляции между ураном и торием в угле (0,92) и золе угля (0,84) свидетельствует о совместной их миграции и указывает на восстановительные условия среды. В окислительных условиях уран окисляется с образованием уранил-иона и мигрирует более активно, в связи с чем корреляционная связь нарушается.

Минеральный состав

Геохимические исследования показали, что выявленное комплексное КЬ-Та-2г-ЫГ-У-КЕЕ-Оа оруденение в пласте XI тесно связано с породным прослоем, разделяющим пласт на две пачки. Содержание основных ценных элементов отчетливо снижается при удалении от прослоя. Сам партинг также аномален по содержанию этих элементов. В частности, содержание тантала в нем достигает 70 г/т и рассматривается как промышленное оруденение. В связи с этим минеральный состав породного прослоя представляет особый интерес.

Исследование петрографического состава породного прослоя на оптическом микроскопе показало, что он представляет собой обломочную породу алевритовой размерности. Основная масса породы глинистогидрослюдистая. В ней многочисленные порфирокласты кварца и полевых шпатов. Расположение зерен неориентированное, стратификация в прослое не просматривается. Сами зерна угловатые, без следов окатанности, расположены беспорядочно (рис. 8).

Рис. 8. Структура породы прослоя в пласте XI. Оптический микроскоп. Проходящий поляризованный свет: николи скрещены

Отсутствие следов водной транспортировки, сортировки и стратифицированного отложения вещества позволяет предполагать аэрогенный перенос и одноактное отложение обломочного материала. Преобладание в составе породы глинисто-гидрослюдистого материала с большой долей порфирокластов дает возможность предположить изменение значительной части неустойчивого первичного вещества осадка уже в палеоторфянике. На роль такого вещества наиболее подходит вулканическое стекло, достаточно неустойчивое в кислой среде палеоболота.

Рентгенофазовый анализ нескольких сечений партинга позволяет отметить преобладание в породе кварца (37,2%), альбита (13,9%), калиевого полевого шпата (6,2%) реликтовых слюдистых минералов (8,6%), новообразованных минералов группы смектита (15%) и каолинита (7,9%). В небольшом количестве присутствует сидерит (4,2%), содалит (2,1%), анатаз (1,1%), кристобалит и тридимит (табл. 3).

Таблица 3. Минеральный состав породного прослоя в пласте XI, %

Микроминеральный состав изучен на электронном микроскопе Hitachi S-3400N. Диагностика минералов проведена на основании анализа их состава с помощью энерго-дисперсионного спектрометра Bruker XFlash 4010/5010 для проведения рентгеноспектрального анализа.

В составе породного прослоя отмечены многочисленны кристаллы альбита, каолинит, смешаннослойные образования, представленные железомагнезиальным хлоритом (шамозит) и иллитом. Встречаются специфичные глобулярные и почковидные формы иллита и смешаннослойных образований (рис. 9).

Рис. 9. Глобулярные (А) частицы минералов группы смектита и почковидные (B) частицы иллита