Минералогия и условия образования присалаирского пирометаморфического комплекса, Кузбасс

Актуальность исследований.

Окисление и, как частный случай, возгорание углей, экспонированных на дневную поверхность, естественным образом возвращает в атмосферу в форме СО2 часть углерода, ранее захороненного в анаэробных условиях и выведенного из биогеохимического кругооборота. За последние несколько десятков лет изучения природных угольных пожаров, стало очевидным, что они представляет собой самостоятельное геологическое явление планетарного масштаба (Пирогенный., 2005; Grapes, 2006, 2011). Естественный термометаморфизм углевмещающих осадочных пород, обусловленный энергией экзотермических реакций горения углей, является разновидностью пирогенного метаморфизма. РТ-поле образования пирогенных пород (Р < 25 бар) частично перекрывается в своей низкотемпературной области (Т = 700−1000°С) с РТ-полем спуррит-мервинитовой фации и простирается вплоть до Т = 1500 °C (Пирогенный., 2005; Grapes, 2006; 2011). Это является необходимым и достаточным условием для выделения РТ-области формирования пирогенных пород в самостоятельную высокотемпературную субфацию спуррит-мервинитовой фации метаморфизма. В настоящий момент специалисты в области петрологии и минералогии метаморфических пород стали уделять все больше внимания реконструкциям физико-химических условий преобразования осадочного протолита в ходе угольных пожаров (Пирогенный., 2005; Grapes, 2006, 2011; Калугин и др., 1991; Foit et al., 1987; Cosca et al., 1989; Шарыгин и др., 2009; Masalehdani et al., 2007; Grapes, 2009; Piepjohn, 2007; Zacek et al., 2010). Однако, комплексный анализ геологической, климатической и геоморфологической обусловленности пирометаморфических событий пока выполнен только для горельников Великих Равнин, США (Heffern, Coates, 2004, Heffern et al., 2007).

На территории Кузбасса пирогенные породы, возникшие в ходе древних угольных пожаров, распространены повсеместно. Многочисленные, нередко полные, разрезы горельников (что является редкостью для подобных объектов), обнажаются естественным образом и вскрыты горными выработками на западной и юго-западной окраинах Кузнецкого бассейна и в его центре. Эти площади характеризуются контрастными геологическими условиями, а их угли обладают различными физико-химическими свойствами. Поэтому Кузнецкий бассейн представляет собой уникальный объект, дающий возможность систематически изучить различные геологические ситуации, в которых осуществлялся пирогенный метаморфизм, генетически связанный с угольными пожарами, а также детально охарактеризовать продукты термометаморфизма осадочных пород и на этой основе реконструировать типичные РТ/02-режимы пирогенных преобразований. Комплексное геолого-минералогическое и хронологическое исследование горельников Кузбасса дает редкую возможность оценить вклад геологического, климатического и геоморфологического факторов в сценарии возникновения и развития природных угольных пожаров. Обоснование выбора объекта исследования.

Детальное геолого-минералогическое и хронологическое изучение было выполнено для горельников западной окраины Кузнецкого бассейна (Прокопьевско-Киселевский район). Их совокупность в дальнейшем будет называться Присалаирским комплексом. Этот комплекс горелых пород является уникальным геологическим объектом по количеству фокусов древних угольных пожаров и их размерам (40×3−5 км). В этом районе также вскрыты наиболее мощные (до 80 м) и полные пирогенные разрезы в Кузбассе, в составе которых преобладают высокотемпературные породы.

Повсеместное развитие и доступность горельников на западной окраине Кузбасса и детальная геологическая изученность этого района впервые позволили установить геологические факторы, контролировавшие возникновение и распространение масштабных угольных пожаров. Обилие и разнообразие пирогенных пород дает возможность на базе их минералого-петрологического анализа типизировать продукты термометаморфизма углевмещающих осадков, оценить РТ/Ог-параметры преобразования протолита в различных зонах пожаров (в том числе и в очаговой), реконструировать кристаллизационные тренды пирогенных расплавов. Изучение высокотемпературных пород также позволяет получить новую информацию о кристаллохимии редких минеральных видов. Наличие плавленых пирогенных пород, обладающих химическим и фазовым составом оптимальным для 40Аг/39Аги К/Аг-датирования, впервые позволило определить время массовых возгораний углей методами абсолютной геохронологии и сопоставить его с реконструированными на эти периоды палеоклиматическими условиями.

Таким образом, геологическая, минералого-петрологическая и хронологическая характеристика горельников юго-западной окраины бассейна и его центра, позволяет наиболее полно отразить специфику Присалаирского комплекса, уникального по масштабам и степени преобразования осадочных пород.

Цель диссертационной работы — комплексная геолого-минералогическая и хронологическая характеристика древних горельников Кузбасса, которая включает систематическую характеристику вещественного состава продуктов пирогенного метаморфизма, реконструкцию физико-химических условий, определение возраста и геологических предпосылок палеопожаров. Для ее достижения были последовательно решены следующие задачи.

1. Типизированы продукты пирометаморфизма и построены разрезы разновозрастных горельников, возникших в центре Кузнецкой впадины и на ее деформированной периферии. Определена связь пирогенных комплексов западной окраины Кузбасса с конкретными геологическими структурами.

2. Охарактеризован минеральный состав высокотемпературных клинкеров и Fe-А1-паралав, возникших в очаговых зонах крупных подземных пожаров. Для Присалаирского комплекса реконструированы PT/02-параметры метаморфизма углевмещающих пород.

3. Разработан алгоритм 40Аг/39Аг-датирования плейстоценовых пирогенных пород и определен возраст палеопожаров Кузбасса.

Фактический материал и методы исследования.

Исследования осуществлены на материале коллекции пирогенных пород Кузнецкого угольного бассейна, собранной при участии автора в ходе полевых работ 2005, 2006, 2008 и 2009 годов на территории западной (Прокопьевско-Киселевский угледобывающий район) и юго-западной (Кондомский район) окраин бассейна и его центра (Ерунаковский район).

Детально изучено 105 образцов клинкеров и паралав. Для решения минералого-петрологических задач были использованы высокоточные аналитические методы (рентгенофлуоресцентный силикатный анализ (43 опр.), рентгенофазовый (60 обр.), микрозондовый (500 опр.) методы анализа), ИК-спектроскопия (20 опр.), петрографический метод (110 шлифов), а также сканирующая электронная микроскопия (150 снимков и 145 спектров). Для реконструкции РТ/02-параметров генерации и кристаллизации пирогенных расплавов были выполнены эксперименты по плавлению паралав и клинкеров (10 обр.). Датирование осуществлялось Аг/ Аги К/Аг-методами (14 обр.). Научная новизна.

Природные угольные палеопожары Кузбасса впервые охарактеризованы как неотъемлемый этап общей геологической истории бассейна (Новиков и др., 2008; Sokol et al., 2010).

Высокотемпературные пирогенные алюмосиликатные породы охарактеризованы j как самостоятельная группа метаморфических пород. Получена информация о 1 химическом составе, парагенезисах и условиях образования редких минеральных — видов, данные о которых были неполны или отрывочны. Это А1-содержащий клиноферросилит (Новикова, 2009), Fe-содержащий муллит, безводный К-содержащий — секанинаит (Grapes et al., 2011). Установлено, что тридимит из пирогенных пород представляет собой ограниченный твердый раствор с кальсилитом. Для секанинаитовых паралав и клинкеров реконструированы тренды кристаллизации расплавов. Установлено, что пику метаморфизма отвечают следующие РТ/О2-параметры: Робщ<20бар, Т~1120°С, AQFM<-0.1. Доказано, что среди пирогенных расплавов Присалаирского комплекса преобладали кислые высокоглиноземистые (А120з до 21 мас.%) жидкости с умеренными содержаниями FeO (до 12.8 мас.%) и К20 (до 4.1 мас.%), обладавшие высокой вязкостью (rj = 1051″ 9'8 Па*с, при Тнч = 920−1120°С) (Grapes et al., 2011).

Впервые в мировой практике на материале разновозрастных горельников Кузбасса построены сводные разрезы пирогенных комплексов. Создана крупномасштабная карта-схема распределения горелых пород на западной окраине Кузнецкого бассейна. Выявлены главные факторы риска естественных возгораний на этой территории: высокая угленосность осадочной толщи, присутствие сверхмощных (до 24 м) пластов мятых углей, наличие структур, аккумулирующих метанзасушливый и теплый климат, отличавший эпохи массовых возгораний (Sokol et al., 2010).

Впервые на основе результатов абсолютного датирования и геологических критериев определен возраст главных эпизодов кузнецких палеопожаров. Установлено, что на западной окраине бассейна массовые возгорания углей происходили, как минимум, дважды — в эоплейстоцене (1.3−0.9 млн. лет назад) и среднем-позднем неоплйстоцене (0.3−0.1 млн. лет назад). В центре бассейна главная волна угольных пожаров прошла в позднем неоплейстоцене (0.13−0.02 млн. лет назад). Доказано, что плейстоценовые палеопожары возникали в периоды сухого и теплого климата, когда на территории Кузбасса существовали степи (Sokol et al., 2010; Korzhova, Sokol, 2010). Практическая значимость.

Получена систематическая информация о редких минеральных видах, которая в дальнейшем может быть использована в методической и справочной литературе. Выявленная совокупность факторов, ответственных за возникновение и развитие крупных пожаров, может быть использована для оценки факторов риска естественных возгораний углей. На материале паралав и клинкеров Кузбасса разработан и практически реализован алгоритм 40Аг/39Аг-датирования высокотемпературных горелых пород с возрастом моложе 1 млн. лет, который может быть с успехом применен для определения возраста пирогенных пород других угольных бассейнов. Защищаемые положения.

1.Протолитом пирогенных пород Присалаирской зоны Кузбасса явились угленосные осадки верхнебалахонской подсерии (Р1Ы) — аркозовые песчаники и/или алевролиты с включениями сидеритов и болотных руд. В разрезах горельников преобладают остеклованные клинкеры, паралавы развиты локально и ограничены участками сосредоточения железистых осадков. Минералогическое и кристаллохимическое разнообразие древних горельников Кузбасса ограничено И видами простых безводных оксидов, силикатов и алюмосиликатов железа, алюминия и кальция, рост которых осуществлялся из сухих алюмосиликатных железистых расплавов. Твердофазовые превращения, включающие прямые полиморфные переходы между фазами БЮг, резко ограничены. Калий не образует собственных минеральных видов и целиком концентрируется в стекле, что позволяет осуществлять 40Аг/39Аг-датирование пирогенных пород.

2. Температурный интервал кристаллизации клинкеров Присалаирского комплекса — 920−1060°С, паралав — 950−1120°С. Пирогенные породы остывали в режиме закалки, вызванной обрушением кровли, и были полностью солидифицированы при Т = 760−880°С 07= 1012 Па*с). Значительные мощности (до 35 м) и гомогенность клинкеров, температуры метаморфизма осадков (Т<1120°С) и оценки значений /О2, не превышающие уровня буфера С^М, позволяют реконструировать режим подземных пожаров в Присалаирской зоне как длительное высокотемпературное тление.

3. Согласно результатам 40Аг/39Аг-датирования, в Кузбассе массовые угольные пожары начались в эоплейстоцене — 1.3−0.9 млн. лет назад и изначально захватили только узкую зону реактивированных разломов на стыке впадины с Салаирским кряжем. Повторные возгорания произошли в интервале 0.3−0.1 млн. лет назад. В центр бассейна пожары сместились в позднем неоплейстоцене (0.13−0.02 млн. лет назад) в связи с проработкой там современной гидросети.

Публикации и апробация работы.

Основные выводы работы докладывались на всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2007), второй международной конференции «Кристаллогенезис и минералогия» (Санкт-Петербург,.

2007), на международной молодежной конференции «Y.E.S. congress 2009» (Пекин, 2009), на международной конференции «ICCFR 2 Second International conference on coal fire research» (Берлин, 2010) и на пятой сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2010). По теме диссертации опубликованы 3 статьи в рецензируемых журналах и тезисы 4 докладов. Структура работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации 262 страницы, включая 40 таблиц, 74 иллюстраций, 1 приложение и список литературы из 168 наименований.

Заключение

.

Кузнецкий бассейн является одним из крупнейших метан-угольных бассейнов мира. На его территории комплексы пирогенных пород, возникшие в ходе древних угольных пожаров, распространены повсеместно. Они были обнаружены и отчасти описаны еще в первой половине XX века В. И. Яворским с соавторами (Бутов, Яворский, 1922; Яворский 1924; Яворский, Радугина 1932; Яворский, 1960). М. А. Усов (1935) первым пришел к выводу, что древние возгорания углей в Кузбассе представляют собой геологическое явление регионального масштаба. Он характеризовал его как «особую форму окислительного геологического процесса», которое «неизбежно развивается при проявлении соответствующих условий». В настоящей работе природные угольные палеопожары Кузбасса впервые были охарактеризованы как неотъемлемый этап позднекайнозойской геологической истории бассейна.

На территории Кузнецкого бассейна древние угольные пожары нигде не достигали таких масштабов, как на его западной окраине — в пределах Прокопьевско-Киселевского района (Присалаирский комплекс). Эта площадь уникальна по количеству фокусов палеовозгораний и масштабам преобразования осадочных пород. На сегодняшний день не только в Кузбассе, но и в пределах других угольных бассейнов мира не обнаружено горельников, обладающих аналогичными характеристиками. Комплексное геологическое, минералого-петрологическое и хронологическое изучение горельников Прокопьевско-Киселевского района впервые позволило оценить вклад различных факторов в сценарии развития природных угольных пожаров.

Особенности геологической истории западной окраины Кузнецкого бассейна (благоприятные условия для формирования мощных угольных пластов в перми, значительные деформации угленосных толщ, обусловленные ростом обрамляющих горных сооружений в триасе, юре и в позднем кайнозое) предопределили в четвертичное время максимальную степень риска природных возгораний углей именно на этой территории. Здесь в мезозое осадочная толща, обладающая наибольшей угленосностью (12−21%) в Кузбассе, была смята в узкие, линейные складки с крутыми (40−90°) крыльями. В эоплейстоценовое время движение жесткого Салаирского блока привело к обновлению мезозойских нарушений, блоковому воздыманию осадочных толщ и формированию трех предгорных ступеней. Обновление разломов и интенсификация эрозионных процессов на периферии бассейна, приподнятой относительно центра впадины, в совокупности обеспечили экспозицию на поверхность мощных (до 24 м) пластов мятых углей. Детальная геологическая изученность.

Прокопьевско-Киселевского района позволила установить, что здесь горельники лишь в единичных случаях имеют пространственную связь с тектоническими нарушениями. Они в основном локализованы в пределах узких, слабонарушенных антиклинальных структур, благоприятствовавших аккумуляции метана.

В пределах Прокопьевско-Киселевского района высокая калорийность углей, значительная мощность угольных пластов и повсеместное развитие зон дробления в совокупности с большой глубиной очагов палеопожаров (и, как следствие, эффективной теплоизоляции) обеспечили формирование мощных (более 80 м) и протяженных (до 1.2 км) зон термических преобразований. В горельниках Присалаирского комплекса абсолютно преобладают высокотемпературные породыостеклованные клинкеры и пирогенные брекчии при резко подчиненном развитии паралав. Брекчии, в составе которых фрагменты остеклованных клинкеров цементируются паралавами, являются главной группой пирогенных пород и неизменно слагают корневые части разрезов горельников. Умеренно преобразованный горельник сохраняется редко, а слабо прокаленные породы целиком уничтожены эрозией.

На западной окраине Кузбасса в заглубленных очагах палеопожаров горение/тление углей преимущественно происходило при избытке топлива и недостатке окислителя. На это указывают сохранность коксовых горизонтов у подошвы выгоревших угольных слоев, отсутствие в плавленых породах минералов-индикаторов окислительного режима обжига, а также расчетные оценки значения фугитивности кислорода, при которой кристаллизовались паралавы (ДС^М < -0.1). Избыток топлива снижал температурный эффект процесса горения высококалорийных углей вследствие затрат тепла на прогрев «балластной части» топлива и появления недоокисленных продуктов реакций пиролиза углей (Кнорре, 1955). На это указывают устойчиво воспроизводимые и неожиданно низкие оценки температур ликвидуса паралав (1050−1120°С) и клинкеров (920−1060°С), из наиболее крупных заглубленных очагов палеопожаров (70−200 м от современной поверхности). Вместе с тем, именно такой режим термометаморфизма обеспечил формирование площадных массивов однородных клинкеров за счет длительного прогрева пород кровли выгоревшего пласта при дожигании/доокислении горючих газов. Генерация железистых расплавов в этой ситуации была ограничена неравномерным распределением железистых пород в угленосных пелитовых осадках и областями повышенной проницаемости воздухазонами развития сквозных трещин и участками обрушения кровли выгоревших пластов, где происходило дожигание первичного высокотемпературного газа, что сопровождалось выделением дополнительного тепла.

Литология (пелиты + сидерит/болотные руды) и, как следствие, состав (содержание MgO < 1 мас.% СаО < 2 мас.%) углевмещающих пород предопределили уникальную особенность пирогенных расплавов Присалаирского комплекса, среди которых преобладают кислые низкокальциевые (СаО ~ 0.5−0.7 мас.%) жидкости с повышенными концентрациями А1203 (~ 17−20 мас.%) и умеренными содержаниями FeO (до 12.8 мас.%) и К20 2−4 мас.%). В заглубленных очагах эти сухие вязкие (Л = jo51″ 9−8 Па*с, Т = 920−1120°С) расплавы частично кристаллизовались in situ в умеренно восстановительных условиях (AQFM<-0.1). Кристаллизация пирогенных жидкостей происходила в узком температурном интервале (1120−950°С — для паралав и 1060−920°С — для клинкеров) и завершалась закалкой остаточных жидкостей, доля которых в объеме плавленых пород нередко превышает 50 об.%. Остаточные расплавы полностью солидифицировались при Tg = 760−880°С, когда вязкость возрастала до 1012Па*с. Резкое охлаждение очаговой зоны пожара могло быть вызвано обрушением кровли пород над выгорающим пластом и/или затуханием пожара.

В минеральной ассоциации паралав и клинкеров Присалаирского комплекса преобладают К-содержащий секанинаит, Al-содержащий тридимит, фаялит, муллит, железистые Fe-Al-шпинелиды, также обнаружены Al-содержащий клиноферросилит и кристобалит.

На юго-западе (Кондомский район) Кузбасса и в его центральной части (Ерунаковский район) палеопожары возникали и развивались по сценарию, иному, чем на западной окарине бассейна. Геологическая позиция горельников этих территорий указывает на то, что угли здесь выводились в зону аэрации локальнопреимущественно в эрозионных врезах. В позднем неоплейстоцене, во временном интервале 0.13−0.02 млн. лет назад, по мере проработки современной дренажной сети возникали многочисленные разрозненные очаги возгораний. Причиной воспламенения углей с равной вероятностью могло быть и самовозгорание, и воспламенение от внешнего источника. Пологое залегание угленосных толщ предопределило малые глубины (обычно 15−30 м) распространения пожаров. Протяженность выгоревших участков редко достигает 0.8 км, а мощность ореола термических преобразований не превышает 20 м. В разрезах горельников сохраняются верхние горизонты пирогенных пород начальной и средней степени преобразования, а плавленые породы редки. Последнее можно объяснить значительными теплопотерями, характерными для приповерхностных пожаров. В такой обстановке плавление протолита осуществлялось преимущественно в пределах зон оттока горячих газов. Здесь плавились песчаники с карбонатным цементом, что обеспечило генерацию обогащенных железом и кальцием расплавов низкой вязкости и кристаллизацию клинопироксен-плагиоклазовых паралав, распространение которых целиком ограничено этими структурами. Горельники аналогичных масштабов, строения и степени термического преобразования типичны для большинства угольных бассейнов мира (Пирогенный., 2005; Heffern et al., 2007; Grapes, 2011).

Таким образом, на западной окраине Кузбасса в четвертичное время повсеместно на поверхность были выведены крутопадающие мощные пласты мятых углей. Вместе с тем угли Прокопьевско-Киселевского района (средне и высоко метаморфизованные, марки КЖ, СС, ОС, Т) относятся к категории трудно окисляемых (Манукян, 1947; Линденау и др., 1982). Они устойчивы к саморазогреву даже в условиях наиболее пожароопасной камерной отработки пластов в шахтах. На этом основании нами было сделано заключение, что вероятность природного самовозгорания углей на этой территории была низка. Первыми к этому выводу пришли Яворский и Радугина (1932), считавшие главной причиной древних пожаров района воспламенение от внешнего источника. Важным аргументом в пользу этого является неоднократно отмеченное ими распространение природных пожаров от кровли к подошве пласта (в противоположность случаю самовозгорания пласта), а также необычная глубина развития пожаров (до 200 м), многократно превышающая современный уровень грунтовых вод и указывающая на климатический контроль явления (Яворский, Радугина, 1932; Усов, 1935). Поскольку пожар не может распространяться ниже уровня грунтовых вод, это заставляет относить плейстоценовые угольные пожары западной окраины Кузбасса к засушливым периодам четвертичного времени. Наиболее вероятной причиной возгораний в этих условиях были степные пожары, подобно тому, как это неоднократно случалось на Великих Равнинах Северной Америки (Heffern et al., 2007). При развитии степных пожаров, наличие первичного горючего газа, основным источником которого мог быть сорбированный метан, резко повышало риск возгорания в коренном залегании кровли угольного пласта. В этом случае обеспечивался предварительный разогрев угля до температуры термического разложения.

На западной окраине Кузбасса древние угольные пожары наиболее вероятно возникали в степных ландшафтах, существовавших в условиях теплого и засушливого климата. Для Кузнецкой котловины такие условия реконструируются в позднем эоплейстоцене и в позднем неоплейстоцене (казанцевское время) (Форонова, 1998; 2001). На территории Центральной тектонической зоны (средняя предгорная ступень) первая волна массовых возгораний прошла именно в позднем эоплейстоцене и конце раннего эоплейстоцена (1.3−0.9 млн. лет). Время повторных возгораний этой территории, определенное с относительно большой ошибкой (0.2±0.1 млн. лет), наиболее вероятно относится к казанцевскому периоду (0.13−0.10 млн. лет). Время палеовозгораний Восточной тектонической зоны (нижняя предгорная ступень) определено с 100%-ошибкой (0.3±0.3 млн. лет), что позволяет лишь предполагать возникновение пожаров в период позже рубежа 0.6 млн. лет. В этот временной интервал сухие и теплые климатические условия реконструируются для тильтимского (ранний неоплейстоцен) и казанцевского (поздний неоплейстоцен) теплых периодов, а также для тазовского (средний неоплейстоцен) и ермаковского (поздний неоплейстоцен) межстадиальных потеплений (Зыкин и др., 2008).

Использованные в данной работе комплексные подходы для минералого-петрологических реконструкций и определения абсолютного возраста пирогенных пород могут быть с успехом применены для аналогичных объектов других угольных бассейнов.