Градиент метаморфизма углей Донецкого бассейна

Таким образом, изменение степени метаморфизма в угленосной толще Донецкого бассейна происходит в региональном плане параллельно изменению мощности угленосной толщи, и в любой точке бассейна — в зависимости от стратиграфического положения пласта и от современной глубины залегания его.

Изменения, связанные с региональными факторами, при прочих равных условиях (в одном и том же пласте при равной глубине его залегания), происходят весьма постепенно. Даже вкрест простирания изопахит изменения Vг очень редко превышают 0,15% на 100 м в области марок Ж, К и ОС, а для углей других марок они еще меньше. Изменение же степени метаморфизма в зависимости от стратиграфического положения и от глубины залегания пласта во много раз больше. Поэтому полный градиент метаморфизма (Г) в любой точке может приближенно рассматриваться как сумма двух составляющих — стратиграфической и вертикальной.

Стратиграфической составляющей градиента метаморфизма (Гс) будем называть изменения, зависящие только от стратиграфического положения пласта. Определение Гс должно производиться при равной глубине залегания сравниваемых пластов, чтобы исключить влияние факторов, связанных с различной глубиной залегания. Практически это наиболее удобно делать по квершлагам, при этом изменение выхода летучих в пластах относится к расстоянию между сравниваемыми пластами по стратиграфической нормали.

Вертикальной составляющей градиента метаморфизма (Гв) будем называть изменения, связанные только с глубиной залегания пластов. Чтобы исключить влияние стратиграфической составляющей, определения производятся в одном пласте, причем изменения степени метаморфизма в сравниваемых точках относятся к разности глубин их залегания по вертикали. Следовательно, изменения в пласте проектируются на современную вертикаль, с которой по направлению совпадает вертикальная составляющая градиента.

Исходя из определения стратиграфической и вертикальной составляющих градиента метаморфизма, угол между ними равен углу падения пород. Условия крутого залегания, когда угол между стратиграфической и вертикальной составляющими большой, наиболее благоприятны для раздельного определения каждой из этих величин.

Величина градиента метаморфизма и его составляющих чаще всего вычисляется по изменению Vг на 100 м. Поскольку Vг определяется с довольно большой погрешностью (около 1%), для получения достаточно точных данных требуется соблюдение ряда условий: а) сравниваемые пласты должны быть близкими по генетическому типу и зольности; б) расстояния между точками исследования в изучаемом направлении должны быть возможно большими, так как при этом больше абсолютное значение изменения степени метаморфизма и меньше влияние погрешности определений выхода летучих на величину составляющей градиента. Достоверные расчеты возможны только при использовании большого числа анализов, поскольку это позволит избежать случайных ошибок путем применения статистических методов обработки. В табл. 46 приведены вычисленные средние значения, полученные в результате обработки материалов массового опробования по шахтам Центрального района.

Из табл. 46 видно, что стратиграфическая составляющая в зоне марок Ж, К и ОС в среднем равна 1,1, а вертикальная — 0,8% Vг на 100 м. Эмпирические данные показывают, что значения составляющих градиента не зависят от угла падения пластов.

Градиент метаморфизма (Г) равен геометрической сумме составляющих (рис. 129). При неизменном значении составляющих конечное значение градиента оказывается различным в зависимости от величины угла между ними. Оно может быть определено по формуле:

При пологом падении пород угол между составляющими градиента метаморфизма невелик, направление нормали к напластованию мало отклоняется от вертикали и векторная сумма составляющих градиента практически почти не отличается от их арифметической суммы. Изменение степени метаморфизма пластов, наблюдаемое в вертикальной выработке (например, по буровой скважине или стволу шахты) при весьма пологом падении, отражает суммарное влияние стратиграфической и вертикальной составляющих.

В табл. 47 приводятся значения градиента метаморфизма для участков с пологим залеганием пластов в зонах метаморфизма от Д до А, полученные путем обработки данных по многочисленным глубоким скважинам в разных районах. Как показывает таблица, эти значения довольно близки для каждой стадии метаморфизма; в области углей марок Ж, К и ОС они достигают максимума 1,7—2,1% Vг (в среднем 1,9%) на 100 м. В зоне газовых углей, с одной стороны, и в зоне тощих, с другой, величина градиента быстро уменьшается.

Поскольку при пологом падении градиент метаморфизма практически равен арифметической сумме составляющих, он, естественно, всегда больше, чем при крутом падении. Фактически установленные значения градиента для области углей марок Ж, К, ОС при пологом падении в среднем равны 1,9, а при среднем значении угла падения пород 60° градиент метаморфизма равен 1,5—1,6% Vг на 100 м.

Независимость величин составляющих градиента метаморфизма от углов падения пластов определяется их генетической сущностью. Стратиграфическая составляющая представляет собой результат процессов метаморфизма, происходивших в угленосной толще до складкообразования, т. е. она характеризует первичное поле метаморфизма, сложившееся до инверсии, и отражает соотношение направления геотермического градиента и почти горизонтально залегающих пластов. Стратиграфическая составляющая может быть названа градиентом первичного (доинверсионного) метаморфизма.

Вертикальная составляющая является отражением последующих заложенных процессов метаморфизма, происходивших после инверсии, после того как пласты были выведены из горизонтального положения и приобрели наклон, близкий к современному. Вертикальная составляющая отвечает соотношению геотермического градиента и залегания пород, установившемуся после образования складок. Она, следовательно, рассматривается нами как градиент наложенного метаморфизма (рис. 130).

Стратиграфическая и вертикальная составляющие градиента метаморфизма — это генетические величины, характеризующие этапы истории процесса метаморфизации углей.

В современном поле метаморфизма составляющие проявляются одновременно. Современное иоле метаморфизма характеризуется полным (суммарным) градиентом. Скорость изменения выхода летучих в конечном поле метаморфизма в любом направлении, очевидно, равна ортогональной проекции полного градиента метаморфизма на это направление. Отсюда следует, что она равна также сумме ортогональных проекций составляющих градиента на любое заданное направление. В частности, темп изменения степени метаморфизма в угленосной толще по вертикали (например, по вертикальной выработке) равен Гв+Гс*cosа; в направлении стратиграфической нормали он соответственно равен Гс+Гв*cosа; по горизонтали (по квершлагу) — Гс*sinа, в одном и том же пласте по падению — Гв*sinа (все обозначения см. по рис. 129).

В ряде случаев вместо градиента метаморфизма удобнее пользоваться ступенью метаморфизма — величиной, обратной градиенту (С=1/Г). Ступень метаморфизма имеет минимальную величину в зоне углей марки К (около 50 м на 1% Vг); в смежных с ней зонах углей марок Ж и ОС она изменяется незначительно, составляя 60—70 м. При последовательном увеличении стадии метаморфизма (от марки ОС до антрацитов) величина ступени быстро возрастает: для марки T она равна 70—150, для ПА 150—500 и для антрацитов 350— 1000 м на 1% Vг. Аналогичное увеличение ступени метаморфизма происходит в зоне малометаморфизованных углей: для газовых она равна 100—300, для длиннопламенных 300—500 и более метров на 1% Vг.

Величины, обратные значениям стратиграфической и вертикальной составляющих градиента, отвечают соответственно стратиграфической и вертикальной ступеням метаморфизма.

Стратиграфическая ступень (Сс=1/Гс) показывает мощность стратиграфического интервала, в пределах которого Vг изменяется на 1%. Стратиграфическая ступень в области углей Ж, К и ОС составляет около 90 м, резко увеличиваясь для углей, более и менее метаморфизованных.

Вертикальная ступень метаморфизма (С=1/Гв) отвечает интервалу глубин, в котором в одном пласте Vг изменяется на 1%. Значение вертикальной ступени меняется от минимального (100—170 м) в зоне марок Ж, К, ОС до 300—600 м на 1 % Vг в зоне марок Г и T и еще больших значений для антрацитов, с одной стороны, и марок ДБ и Д, с другой.

На рис. 131 показана зависимость степени метаморфизма от глу-.бины доинверсионного погружения, т. е. от мощности пород, перекрывавших пласт к концу палеозойского осадконакопления. Основой для построения графика послужили данные массовых наблюдений по квершлагам шахт Центрального района. Мощности палеозойской толщи, перекрывавшей пласт к моменту инверсии, получены путем реконструкции на базе детальных карт изопахит. Аналогичного содержания график зависимости Vг от мощности вышележащих палеозойских отложений опубликован В.С. Поповым. Приведенный нами график отличается от графика В.С. Попова только в деталях.

На рис. 131 кривые характеризуют изменение степени метаморфизма в разрезе в зависимости только от стратиграфического положения пластов. Наклон кривой функционально связан с величиной стратиграфической составляющей градиента метаморфизма.

На рис. 132 показано изменение Vг и марочного состава углей в результате суммарного влияния до- и постинверсионных процессов метаморфизма. На этом графике изменение Vг на каждом отрезке глубин отвечает полному градиенту метаморфизма. Для правильного понимания графика следует учесть условность начала отсчета глубин по оси ординат. По масштабу глубин в общем случае можно устанавливать лишь мощность интервала, в пределах которого происходит изменение степени метаморфизма или мощность зон метаморфизма. Только в одном сугубо теоретическом случае, если бы пласты после максимального погружения, достигнутого в палеозое, оставались бы в дальнейшем на этих же глубинах, отсчеты по оси ординат отвечали бы истинным глубинам залегания зон метаморфизма.

Сопоставление рис. 131 и 132 наглядно показывает количественные различия между полным градиентом метаморфизма и его стратиграфической составляющей, В результате этих различий мощности зоны метаморфизма (применительно к маркам углей), показанные на этих рисунках, имеют различные значения. В табл. 48 приводятся пределы колебаний мощностей зон метаморфизма.

Мощности зон метаморфизма, устанавливаемые в стратиграфическом разрезе по горизонтальным выработкам (квершлагам), т. е. в условиях, исключающих влияние вертикальной составляющей, всегда больше, чем по вертикальным, т. е. в направлении, по которому происходит наложение до- и постинверсионных процессов метаморфизма. Так, например, стратиграфический интервал, заключающий угли в диапазоне Ж+К+ОС, по квершлагам шахт Центрального района в условиях крутого падения пород имеет нормальную мощность 1900—2100 м. Эта величина некоторыми исследователями необоснованно рассматривается как истинная мощность данной зоны метаморфизма. Между тем ее истинная мощность, получаемая по вертикальным скважинам и совокупности всех данных, равна 1100—1300 м.

Изменение величины полного градиента метаморфизма углей и его составляющих в зависимости от степени метаморфизма иллюстрируется рис. 133. Обращает внимание принципиальное сходство изменения величин стратиграфической и вертикальной составляющих, а следовательно, и суммарного градиента.

Отмеченный здесь характер изменения Vг на разных стадиях метаморфизма не является специфическим для Донецкого бассейна. Сопоставляя данные по Донецкому бассейну с аналогичными данными по Кузбассу и Рурскому бассейну, нетрудно заметить общность закономерностей, по-видимому, отражающую особенности перестройки внутренней структуры углей в процессе метаморфизма.

Большая восприимчивость к факторам метаморфизации углей марок Ж, К и ОС по сравнению с углями марок Д и Г, с одной стороны, и T, ПА и А, с другой, является следствием неустойчивости их структуры, присутствия свободных радикалов.

Зависимость угла падения поверхности равного метаморфизма от условий залегания пластов. На рис. 129 показан принцип построения линии изометаморфизма в геологическом разрезе по известным значениям стратиграфической (Гс) и вертикальной (Гв) составляющих градиента метаморфизма. Линия изометаморфизма, очевидно, перпендикулярна к градиенту (Г). По рисунку можно установить зависимость между углом падения поверхности равного метаморфизма 0, углом падения пород а и значением составляющих градиента метаморфизма (Гв и Гс):

Если бы стратиграфическая (Гс) и вертикальная (Гв) составляющие градиента метаморфизма были равны по абсолютной величине, то, как нетрудно доказать, угол падения поверхности равного метаморфизма был бы равен половине угла падения пород. Близкое к этому положение плоскости изометаморфизма наблюдается в зоне углей марок Г, Ж, К и ОС. При среднем значении стратиграфической составляющей градиента в зоне углей марок Ж, К и ОС, равной 1,1 % Vг на 100 м, а вертикальной составляющей — 0,8%, расчеты по приведенной формуле дают следующую зависимость между углами падения пород а и поверхностью равного метаморфизма в:

Фактические данные об углах падения поверхности изометаморфизма в области распространения углей марок Ж, К и ОС близки к этим расчетным величинам и колеблются в пределах от 1/2 до 2/3 угла падения пород. Некоторые конкретные примеры по Центральному району приведены в табл. 49.

Итак, в Центральном районе при углах падения пород на крыльях Главной антиклинали 50—70° угол ,падения поверхностей изометаморфизма колеблется в пределах 22—44° (рис. 134). На западной периклинали Главной антиклинали наблюдается падение пород на запад, под углом 15—20°, что отвечает падению поверхностей изометаморфизма под углом 7—12° в том же направлении (см. рис. 128).

В центральной части Красноармейского района при падении пород под углом 10° поверхность изометаморфизма, разграничивающая угли марок Г и Ж, падает под углом 4—6°.

В Донецко-Макеевском районе связь между элементами залегания пород и поверхностями изометаморфизма также подчиняется выведенной закономерности. Северные районы Донецкого бассейна в этом отношении детально не изучены, однако имеющиеся материалы свидетельствуют (например, по шахте им. XXlI Партсъезда в Алмазно-Марьевском районе и шахте 10-бис им. Артема) о сходной в общем картине.

В тех случаях, когда угол падения пластов менее 15°, рассмотренная зависимость угла падения изометаморфических поверхностей от угла падения пород не всегда справедлива без учета дополнительного угла, образованного вследствие регионального изменения мощности отложений.

Итак, закономерности процесса метаморфизма в Донецком бассейне отражают совместно проявляющиеся изменения степени метаморфизма в трех направлениях: а) параллельно с изменением мощности отложений, б) по стратиграфической нормали и в) по современной вертикали.

Изменение степени метаморфизма параллельно с изменением мощности отложений происходит очень медленно (в плане) и в пределах небольших участков мало заметно, однако систематическое однонаправленное увеличение мощности осадков и степени метаморфизма в пластах на обширной территории бассейна позволяет придавать этому фактору решающее значение при определении общего уровня степени метаморфизма углей в каждом отдельном районе. Так, в окраинных северных и западных районах бассейна, где мощность осадков мала, все пласты во всем доступном диапазоне глубин представлены малометаморфизованными углями марок Д и Г. В области предположительного развития мощных отложений верхнего карбона и нижней перми в юго-восточной части Донбасса все угли от самых нижних пластов свиты С23 до самых верхних свиты C31 относятся к антрацитам. Промежуточной полосе средних мощностей осадков отвечает область развития углей средних стадий метаморфизма — от марки Г до Т.

Таким образом, в бассейне в целом мощность осадков является основным фактором, предопределяющим крупные ступени метаморфизма, тот средний уровень, около которого колеблются стадии метаморфизма угольных пластов в зависимости от других факторов.

В том случае, когда изменения мощности отложений сравнительно невелики, большое значение в распределении зон марочного состава углей приобретают стратиграфический фактор и современная глубина залегания пласта.

Изменения степени метаморфизма в зависимости от стратиграфического положения пласта и глубины его залегания более ограниченны, поскольку в пределах отдельных площадей возможность наблюдений ограничивается стратиграфическим интервалом угленосных отложений, как правило, не превышающим 2 км, и разностью современных глубин, достигающей 1,5 км, тогда как мощность осадков, перекрывавших пласт, изменяется в крайних районах бассейна от 1,5—2,5 км в зоне длиннопламенных углей до 8—14 км в зоне антрацитов.

Роль отдельных факторов зависит от конкретных геологических условий. Так, в районах, вытянутых вдоль направления изопахит (Красноармейский, Западный Донбасс и др.), изменения степени метаморфизма по простиранию незначительны, а по падению гораздо больше и обязаны суммарному влиянию увеличения мощности свит в этом направлении и погружению пластов на большие глубины. Наоборот, в районах, вытянутых, в общем, вкрест изопахитам (Ал-мазно-Марьевский, Донецко-Макеевский и др.), весьма заметно изменение степени метаморфизма по простиранию, в направлении изменения мощности осадков. При крутом падении пластов ведущую роль играет влияние глубины залегания (Центральный район).

Конечная картина размещения групп метаморфизма отражает, таким образом, влияние целого комплекса геологических факторов, при этом изменение мощности осадков создает региональный фон, а другие факторы лишь его усложняют.

При изучении распределения зон метаморфизма по геологической карте, т. е. примерно на одном гипсометрическом горизонте, устраняется влияние глубины залегания и выявляется связь между метаморфизмом углей, мощностью осадков и стратиграфическим положением пластов.

Расположение зон метаморфизма на гипсометрическом плане одного пласта (рис. 135, 136) отражает зависимость степени метаморфизма от мощности осадков с учетом влияния современной глубины залегания пласта.

Соотношения стадий метаморфизма в смежных синклиналях и на антиклиналях на геологической и гипсометрической картах обратные. На геологической карте степень метаморфизма увеличивается от синклиналей к осям антиклиналей вследствие того, что в этом направлении вышележащие пласты последовательно сменяются нижележащими. В одном и том же пласте в том же направлении степень метаморфизма уменьшается в связи с уменьшением глубины залегания пласта. Особенно наглядно это видно на примере Главной антиклинали.

На рис. 136 показано распространение зон метаморфизма в пласте l3 на площади западной половины Донбасса, нанесены также изопахиты толщи, залегавшей выше пласта l3 к моменту инверсии. Если бы распространение зон метаморфизма в отдельном пласте находилось в функциональной зависимости только от мощности отложений, то должно было бы наблюдаться полное совпадение направлений изопахит и линий изометаморфизма. Именно такая предпосылка лежала в основе построения геолого-углехимической карты Донецкого бассейна. В действительности, однако, в результате влияния глубины залегания пласта на степень метаморфизма между линиями изометаморфизма и изопахитами в плане устанавливается некоторый угол. В условиях крупных крутых складок (например, в Центральном районе) угол между изопахитами и линиями изометаморфизма увеличивается до 50° и более, и любые построения, основанные на представлении о параллельности этих линий, неизбежно приведут к ошибке.

Таким образом, методика составления геолого-углехимических карт, принятая в прошлом без учета влияния вертикальной глубины залегания пластов, несовершенна и требует дополнительных построений для внесения поправок на глубину залегания пластов.

Геолого-углехимическая карта Донбасса сохраняет свое значение в первую очередь для выявления общих закономерностей в районах с пологим падением ,пластов. В районах с крутым залеганием пластов при наличии широкого фронта горных работ достаточно точные прогнозы возможны лишь на основе аналитических расчетов составляющих градиента метаморфизма в сочетании с комплексом графических построений, наглядно отражающих выявленные закономерности — вертикальные геологические разрезы, гипсометрические карты пластов угля с нанесением зон метаморфизма.