Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Обзор теории метаморфизма углей Донецкого бассейна

05.04.2020

Вопрос о причинах и механизме процессов, которые обусловили весь ход и конечные результаты метаморфизации углей Донецкого бассейна, рассматривался уже многократно в геологической литературе. Исходя из различных позиций, отдельные исследователи выдвинули целый ряд теорий метаморфизма, исключающих друг друга. Состояние изученности закономерностей метаморфизма в Донецком бассейне заставляет критически переоценить наиболее распространенные из них.

Особое место среди теорий углефикации занимают гипотезы, согласно которым исключительная роль придается составу исходного материала и физико-географической обстановке его накопления и биохимического разложения в торфяном болоте. Влияние же на свойства углей геологических факторов, воздействовавших на пласт после захоронения торфяника, в этих теориях нацело отрицается или им отводится второстепенная роль.

Одним из сторонников таких теорий является Г.Л. Стадников. Все свойства углей, по Г.Л. Стадникову, зависят в основном от состава материнского вещества, а именно от наличия в углях большего или меньшего количества сапропелевого материала и от степени восстановленности, которая в свою очередь определялась условиями среды накопления. «Палеогеографические условия являются единственным геологическим фактором, который следует принимать во внимание при исследовании углей и угольных месторождений».

Биохимические процессы, по Г.Л. Стадникову, могут продолжаться до образования тощих углей или остановиться на промежуточной стадии углефикации в зависимости от интенсивности деятельности анаэробных микроорганизмов.

Различие стадий углефикации Г.Л. Стадников объясняет следующим образом; «Чем дальше от берега моря залегали скопления растительных веществ, т. е. чем позже вода покрывала эти скопления, тем большее количество углеводов разлагалось аэробными микроорганизмами, тем меньше лишнего питания оставалось для анаэробных микроорганизмов и, следовательно, тем хуже протекал восстановительный процесс после покрытия растительных веществ водой. С другой стороны, чем дальше от берега моря залегали растительные вещества, тем в большем количестве образовались гуминовые кислоты, которые будучи производными фенолов угнетали деятельность анаэробов». Из сказанного им делается вывод об уменьшении степени углефикации в направлении от моря к континенту.

Зональное распространение углей различных стадий углефикации Г.Л. Стадников объясняет фациальной зональностью. Вторжение морских вод в Донбасс, по его мнению, происходило с востока и в первую очередь затапливались восточные и центральные части бассейна. Поэтому здесь превращение скопившихся растительных веществ торфяного болота, перекрытых быстро водой, происходило только в анаэробных условиях, и углефикация достигала максимума; по мере приближения к континентальным периферическим областям бассейна углефикация последовательно уменьшается. Так Г.Л. Стадников пытается объяснить закономерное увеличение степени углефикации от периферии к центру бассейна.

Правило Хильта Г.Л. Стадников рассматривает как статистическую закономерность, в частном случае отражающую регрессивное развитие осадконакопления в бассейне. Однако, понимая искусственность таких соображений, он вынужден искать примеры обратных соотношений, по его мнению, в равной мере вероятных.

За рубежом теории, придающие решающее значение исходному материалу, были также довольно популярны. Достаточно упомянуть известные теории А. Дюпарка, Teppeca и др. Близкие к взглядам Г.Л. Стадникова биохимические теории метаморфизма развиваются немецким углехимиком Вальтером Фуксом. По широко известной теории Мэкензи Тэйлора решающим моментом в образовании различных углей тоже является активная бактериальная деятельность. М. Тейлор в отличие от Г.Л. Стадникова и В. Фукса, развитие бактериальной деятельности связывал с характером пород кровли, перекрывших торфяник. Под слоем кальциево-алюминиевой (скорее всего песчаной) кровли, проницаемой для воды и газов, преобладают аэробные процессы и в слабокислой среде образуются бурые угли, в то время как в слабощелочной среде под слоем натриево-алюминиевых глин формируются опекающиеся и даже более метаморфизованные угли благодаря интенсивным биохимическим восстановительным процессам в анаэробной среде.

Представления Г.Л. Стадникова и других противоречат ряду твердо установленных фактов в области геологии Донецкого бассейна. He удивительно поэтому, что они неоднократно подвергались справедливой критике и не получили признания среди советских геологов.

Углепетрографическими исследованиями установлено как полное сходство петрографического состава многих углей на самых разных стадиях углефикации, так и большие различия петрографического состава на одних и тех же стадиях углефикации (например, в газовых углях нижнего и среднего карбона Донбасса). Таким образом, представления о составе исходного растительного материала, как причине различной углефикации, наукой опровергнуты окончательно. Это, естественно, не исключает определенного, иногда существенного влияния вещественно-петрографического состава на те или иные свойства углей вне связи с метаморфизмом, особенно на низких стадиях углефикации.

Представления Г. Л. Стадникова о фациальной природе зональности углефикации, как и другие биохимические теории углефикации, также противоречат фактам. Закономерное изменение степени углефикации происходит в едином плане для всех пластов, независимо от изменения фаций в разрезе и по площади бассейна.

Детальные литологические работы, выполненные в Донецком бассейне в последние годы, выявили большое разнообразие фациальных обстановок угленакопления и показали, что чередование фаций и обстановок в разрезе носит цикличный характер, тогда как изменение степени метаморфизма подчинено линейной однонаправленной закономерности. В общем плане в пределах бассейна вектор континент — море имеет северо-восточное направление, а метаморфизм в этом же направлении изменяется но кривой с максимумом в осевой, центральной части бассейна.

Близость открытого моря, о чем свидетельствует обилие известняков и весь облик пород в северных и северо-восточных окраинных районах Донбасса, безусловно способствовала быстрому затоплению торфяных болот этой части бассейна. Однако это не привело к высокой стадии углефикации, как должно было бы быть по теории Г.Л. Стадникова. С другой стороны, в антрацитовых районах имеются пласты, связанные с прибрежно-континентальными обстановками накопления. Обстановка накопления определяет генетический тип угля (по восстановленности) и в какой-то мере сказывается на всех стадиях углефикации на некоторых свойствах углей, но не может быть причиной развития процессов метаморфизма, которые по плану закономерных изменений увязываются с региональными геотектоническими явлениями.

В.И. Яворский, полагая также, что ведущая роль в преобразовании растительного материала принадлежит биохимическим процессам, в отличие от Г.Л. Стадникова особое значение придает влиянию жизнедеятельности анаэробных термофильных бактерий после захоронения торфяника. Процесс изменения органической массы, по мнению В. И. Яворского, стимулировался повышением температуры с глубиной, однако превращение растительного материала в каменный уголь происходило на глубинах, значительно меньших 200 м, и в сравнительно короткий (в геологическом смысле) период времени. Причину различной степени метаморфизма пластов В. И. Яворский видит «в различии биохимических процессов, которые почему-то (почему, это нам пока неизвестно) приостановились на той или иной стадии в одном и том же слое растительной массы различных районов того или иного бассейна».

Представляют интерес теоретические взгляды В.З. Ершова. Решающим фактором, определяющим степень метаморфизма углей, он считает темп первоначального погружения или, что равнозначно, темп накопления осадков над угольным пластом. В.З. Ершов допускает, что «разница в мощности покрывающих осадков за один и тот же промежуток времени в первые стадии диагенеза и начального метаморфизма углей и определила такое течение биохимических, химических и других процессов преобразования угля, которое привело уголь к различным степеням метаморфизма». Последующее общее погружение, по его мнению, оказывало лишь некоторое влияние на дальнейшее общее повышение метаморфизма угленосной толщи, с определенным уже сформировавшимся качественным составом углей.

Общим в представлениях В.З. Ершова и В.И. Яворского является тезис о том, что разница в степени метаморфизма углей, констатируемая в настоящее время, появилась в течение относительно короткого периода накопления некоторой толщи осадков после отложения угольного пласта. Такой взгляд отвечает представлениям многих углехимиков, согласно которым в термодинамических условиях, характеризующих угленосную толщу в течение всей ее истории после диагенеза, в обезвоженном и уплотненном литифицированном осадке невозможны процессы, существенно изменяющие химическую природу угля, степень его метаморфизма.

Теория, предложенная В.З. Ершовым, также не дает удовлетворительного объяснения целому ряду закономерностей метаморфизма. Если бы действительно степень метаморфизма была функцией темпа погружения, то закономерное уменьшение степени метаморфизма от нижележащих пластов в разрезе к верхним отражало бы постепенное повсеместное замедление погружений в ходе развития Донецкого прогиба. Однако предположение, что развитие бассейна начиналось с максимальных темпов погружения, последовательно затухающих во времени, противоречит всем наблюдениям.

Начальный этап развития Донецкого прогиба характеризуется платформенными условиями накопления турнейской и нижневизейской карбонатных толщ с малыми скоростями погружения, сравнимыми со скоростями погружения Русской платформы. Платформенные условия сменяются переходными, отвечающими накоплению верхневизейской терригенной толщи, и затем субгеосинклинальными (в среднем и верхнем карбоне) с максимальными скоростями погружения, в десятки раз превышающими первоначальные. Скорости погружения в ходе накопления угленосных толщ непрерывно менялись: они многократно увеличивались или уменьшались, обусловливая изменчивость фациальных обстановок в ходе развития бассейна. Эти изменения подчинены сложным циклическим закономерностям разного порядка. Если бы, следовательно, степень метаморфизма определялась темпом погружения, однонаправленное увеличение метаморфизации от верхних пластов к нижним было бы необъяснимым.

Большинство геологов ищет причины метаморфизации углей в геологических факторах, определяющих температуру и давление, т. е. в главных параметрах физико-химических процессов изменения органической массы в течение геологического времени. Значение температуры, давления и времени в процессах метаморфизма углей оценивается исследователями по-разному. Представления о геологических процессах, предопределивших физико-химические условия метаморфизма, также разноречивы. Многообразные теории метаморфизма можно объединить в три группы: динамометаморфизма, термального метаморфизма и регионального метаморфизма.

Теории динамометаморфизма были распространены среди большинства геологов в конце XIX и начале XX в. Л.И. Лутугин писал: «На площади района ясно выступает связь количества летучих соединений с большей или меньшей напряженностью тектонических процессов». Б.Ф. Мефферт тоже считал давления, связанные со складкообразованием, главным метаморфизующим фактором. Он, однако, допускал, что процессы метаморфизма начались уже при погружении пласта на доскладчатом этапе развития, а затем достигли максимума при образовании основных складок и завершились до формирования сбросов.

Сторонники теории динамометаморфизма по мере накопления новых данных столкнулись с рядом неразрешимых противоречий. Наиболее метаморфизованные угли, как известно, распространены в наиболее спокойных крупных синклиналях Донбасса: Шахтинско-Несветаевской, Должанско-Садкинской, Боково-Хрустальской и Чистяково-Снежнянской; в то же время в полосе наиболее интенсивной мелкой складчатости северной окраины Донбасса развиты угли низких стадий метаморфизма.

М.М. Тетяев, предполагавший, что даже детали структуры Донецкого бассейна отражаются на степени метаморфизации углей, в качестве доказательства приводил совпадение максимума метаморфизма с антиклиналью. Однако ошибочность этих рассуждений очевидна. Как уже отмечалось, если изменение степени метаморфизма изучать не по геологической, а по структурной карте одного пласта, то обнаруживается совпадение с антиклиналью относительного минимума метаморфизма вопреки представлениям о максимальных напряжениях в осевых частях антиклиналей.

Современный фактический материал позволяет отбросить полностью представления о динамометаморфизме не только как о главной причине метаморфизма углей, но даже как о сколько-нибудь заметном дополнительном факторе.

Гипотеза контактно-термального метаморфизма углей Донецкого бассейна была выдвинута В.С. Шехуновым. Неравномерность изменения степени метаморфизма и концентрическое расположение зон метаморфизма, по мнению В.С. Шехунова, объясняются различным расположением отдельных участков по отношению к телу гипотетической интрузии, а также формой и размерами интрузивных тел. Концепции, близкие к представлениям В.С. Шехунова, развивают В.Б. Порфирьев и И.С. Усенко.

Прежде чем перейти к оценке значения контактно-термального метаморфизма для углей бассейна в целом, напомним некоторые данные о влиянии на угли дайково-эффузивного комплекса пород. Дайки изверженных пород в осадочной толще нижнего и среднего карбона встречаются главным образом в полосе южных окраин Донецкого бассейна; единичные дайки встречаются также на Главной антиклинали (Нагольный кряж).

Изверженные породы представлены разнообразными комплексами основного и среднего состава, принадлежащими к двум циклам магматической деятельности: позднегерцинскому и киммерийскому.

В результате многочисленных наблюдений установлено, что при внедрении даек в угли невысоких стадий метаморфизма образуется незначительной мощности (до 0,2—0,3 м) прослой естественного кокса или графитизированного угля только в зоне непосредственного контакта. С удалением от контакта метаморфизующее влияние даек, как правило, уже не улавливается. Еще менее ощутимо влияние даек изверженных пород в области высокометаморфизованных углей. Таким образом, сугубо локальный характер метаморфизующего воздействия отдельных даек не вызывает никаких сомнений.

Однако, кроме прямых контактно-метаморфических процессов, имеются и другие метаморфизующие воздействия магматических тел. Так, например, в восточной части Владимировского подрайона Южного Донбасса на площади около 50 км2 между с. Константиновной и ст. Еленовка степень метаморфизма всех верхневизейских углей (свита C13) аномально повышена. Здесь среди общего поля углей марок Г—Ж и К вклинивается площадь с тощими углями и даже полуантрацитами и антрацитами (см. рис. 169). Наиболее метаморфизованные угли с Vг 3—7% вскрыты в центре аномальной площади (скв. 2986, 2987). Вокруг них расположены почти концентрические зоны тощих углей и далее ОС, К и Ж. Изменения степени метаморфизма как по вертикали, так и по площади происходят крайне неравномерно. Угли разной степени метаморфизма незакономерно чередуются в разрезе.

Площадь с аномально высокой метаморфизацией углей находится в центральной части обширной полосы, в пределах которой имеются многочисленные секущие и пластовые дайки. Поэтому напрашивается, вывод об их генетической связи. Скважинами, вскрывшими здесь наиболее метаморфизованные угли, пройдено большее или меньшее количество даек изверженных пород, однако высокометаморфизованные угли залегают часто довольно далеко от контакта с ними. Таким образом, в данном случае наблюдается не контактно-метаморфическое воздействие в узком, понимании этого термина, а скорее влияние термального метаморфизма обширного повышенного геотермического поля, возникшего вследствие внедрения сравнительно крупного магматического тела, от которого ответвляется сложная система даек. Мощность отдельных вскрытых скважинами тел андезитовых порфиритов достигает 120 м.

Метаморфизм, обусловленный тепловым полем интрузий, в условиях Южного Донбасса существенно отличается от прямого контактного. При контактном метаморфизме угли превращаются в пористый хрупкий трещиноватый кокс или полукокс, иногда графитизированы. Под влиянием теплового поля крупной интрузии повышается степень метаморфизма угля, так же, как и при нормальном региональном метаморфизме. Так, например, антрациты и полуантрациты в описанной аномалии характеризуются вязкостью и прочностью, сильным блеском, обычными для этих стадий метаморфизма.

Возникает вопрос, нельзя ли метаморфизацию углей Донбасса объяснить аналогичным прогревом всей осадочной толщи одним или несколькими интрузивными телами очень крупных размеров. Ответ должен быть отрицательным. Закономерности, которые удается реально проследить на всей площади бассейна и увязать с вполне определенными геологическими факторами (стратиграфическое положение пласта, мощность осадков, глубина залегания), не могут быть следствием влияния более изменчивых магматических процессов.

Неравномерность распределения тепловых полей вокруг интрузии неизбежна и зависит от конфигурации интрузивных тел, количества, размеров и формы апофизов, от трещиноватости, предопределяющей направление миграции горячих растворов, и т. п. He удивительно поэтому, что В.Б. Порфирьев, выступая как сторонник теории магматического происхождения тепловых потоков, метаморфизующих уголь, отрицает наличие выдержанных на обширных территориях закономерностей метаморфизма. По его мнению, метаморфические изменения обусловливаются относительно локальными массами батолитов и лакколитов и методически неправильно строить общую карту изоволей для обширных территорий с разнородным геологическим строением.

Рассмотренный выше конкретный пример влияния тепловых потоков, связанных с магматической деятельностью на ограниченной площади, в виде резкой аномалии на общем закономерном региональном фоне, лишний раз подчеркивает локальный характер данного явления, не типичного не только для Донецкого бассейна в целом, но и для Южного Донбасса в частности.

В других бассейнах (например, на восточном склоне Урала, на Сахалине, в Сучане), где более активна магматическая деятельность, она может играть решающую роль в процессах метаморфизма. Однако в этом случае закономерности носят черты, существенно отличные от наблюдаемых в Донецком бассейне.

Теории регионального метаморфизма получили наиболее широкое признание среди донецких геологов.

Эти теории исходят из того, что процессы изменения углей обусловлены главным образом не воздействием местных тектонических или магматических явлений, а геотектоническим режимом, изменения которого происходят в масштабе всего региона. Общим для всех теорий регионального метаморфизма является признание эмпирически установленных закономерностей изменения метаморфизма в стратиграфическом разрезе и параллельно изменению мощности осадочной толщи на площади. Завершение процессов метаморфизма предполагается до проявления складчатости. Однако понимание хода процесса оказывается различным.

Наиболее просто эти положения увязываются с представлением, что различная степень метаморфизма углей определяется исключительно глубиной опускания пласта в ходе развития бассейна. Пласты углей, постепенно погружаясь параллельно накоплению вышележащих толщ осадков, попадали в зоны воздействия все более высоких температур и давлений, которые вызвали совокупность необратимых изменений в углях. Большая или меньшая степень метаморфизма угля связывается только с большей или меньшей мощностью вышележащих палеозойских осадков, отражающей величину предельной глубины погружения пласта, и следовательно, максимальные значения температуры (по геотермическому градиенту) и давлений, воздействие которых даже в течение весьма короткого времени (в геологическом масштабе) имело решающее значение.

Такие представления о процессе метаморфизации углей Донбасса развивались в ранних работах Е.О. Погребицкого и поддерживались П.И. Степановым. Естественность этих представлений привлекала большинство геологов. Однако попытка применения принципа прямой функциональной связи между мощностью осадков и метаморфизмом углей натолкнулась на определенные трудности.

Отсутствие строгой зависимости между степенью метаморфизма угля и величиной прогиба привело многих исследователей к убеждению, что связь между мощностью отложений и степенью метаморфизма имеет не причинный, а только коррелятивный характер. Согласно этим представлениям не глубина погружения определяет степень метаморфизма углей, а как первое, так и второе обусловливаются едиными более общими региональными изменениями геотектонического режима.

Е.О. Погребицкий, отказавшись от своих более ранних высказываний об определяющем значении глубины погружения пласта, объясняет уменьшение степени метаморфизма от центральных частей Донецкого прогиба к периферии большей интенсивностью всех процессов, в том числе и процессов метаморфизма углей в центральных частях геосинклинали. Он допускает здесь наличие меньшей геотермической ступени и, значит, более значительные тепловые воздействия при опускании пород на глубину, а также максимума напряжений, связанных с колебательными движениями во время накопления мощных осадочных толщ и при последующих орогенических процессах. К периферии геосинклинали интенсивность процессов падает, а на платформе они затухают.

В дальнейшем, с развитием теории регионального метаморфизма, Е.О. Погребицкий отводит особое место напряжениям сжатия, возникающим в процессе колебательных движений, как основному метаморфизующему фактору. Поскольку с каждым колебательным периодом связано новое, дополнительное метаморфизующее воздействие на пласт, то каждый вышележащий пласт должен оказаться менее метаморфизованным по сравнению с нижележащим.

А.З. Широков, принципиально соглашаясь с выводами Е.О. Пегребицкого, в то же время значительное место в метаморфизации угля отводит тепловому воздействию и считает при этом основным энергетическим фактором процессы, связанные с радиоактивным распадом.

По мнению А.Я. Дубинского, теплового поля, в которое попадает угольный пласт при максимальном его погружении, недостаточно для всего процесса метаморфизма: оно обусловливает лишь первую, начальную, сравнительно невысокую стадию метаморфизации углей. Главная фаза метаморфизации наступает вслед за окончанием периода погружения геосинклинали, когда подток высокотемпературных подкоровых масс под область прогиба геосинклинали вызывает эффект сводового поднятия большого радиуса и одновременно приводит к изменению теплового режима — к решительному повышению геотермического градиента.

На позициях теории регионального метаморфизма стоит также Г.А. Иванов. Основными физическими факторами регионального метаморфизма он считает температуру и давление при главнейшем значении первой. Основными геотектоническими факторами, по мнению Г.А. Иванова, являются глубина и скорость погружения угленосных отложений в геосинклинальном прогибе, закономерно увеличивающиеся от краевой его части к внутренней. Так как антрациты отличаются меньшей эндогенной трещиноватостью, чем коксовые угли, то он полагает, что они «не проходили буквально всех стадий менее метаморфизованных углей, в частности коксовых углей, «проскакивая» эти стадии». Это явление объяснимо, как считает Г.А. Иванов, если признать существенной роль скорости погружения в процессах метаморфизма.

Необходимо отметить, что имеется и другое объяснение максимума эндогенной трещиноватости в коксовых углях. И.И. Аммосов и И.В. Еремин считают, что эндогенная трещиноватость возникла не во время погружения, как это предполагает Г.А. Иванов, а после инверсии и определяется механическими свойствами углей, изменяющимися с экстремумом в области коксовых углей.

Г.А. Иванов с позиций регионального метаморфизма не находит объяснения для высокого метаморфизма углей всей толщи карбона в юго-восточной части Донецкого бассейна. Он считает, что для образования антрацитов этого района с Vг до 2% необходимо было погружение до 20 км Поскольку такое погружение маловероятно, он допускает наличие здесь к моменту инверсии глубинных магматических очагов, явившихся источником необходимых дополнительных температур.

Наиболее простой и последовательной кажется теория о решающем влиянии на процесс метаморфизации углей глубины их погружения, точнее физико-химических процессов, обусловленных повышением температуры и давления в результате опускания пласта на глубину. В этой связи следует рассмотреть, насколько обоснованны основные возражения против этой концепции.

Е.О. Погребицкий, В.И. Яворский, В.З. Ершов опровергали представления о решающем влиянии на метаморфизм глубины погружения пласта, указывая на очень высокую степень метаморфизма всех углей юго-восточной части бассейна, включая угли свит C27 и C31 при невысокой степени метаморфизма самых нижних пластов донецкого карбона в западной части бассейна. При этом они полагали, что глубина погружения, нагрузка вышележащих толщ и температурное воздействие на нижние пласты в западных районах (например, пласт f1 в Красноармейском районе) были не меньше, а скорее больше, чем на верхние пласты угленосной толщи в восточной части бассейна (например, пласт m9 или n1 в Сулино-Садкинском районе).

Между тем расчеты, произведенные на основании новых фактических данных о мощности свит верхнего карбона и нижней перми, показали, что глубина погружения и связанные с ней температура и давление, воздействовавшие на пласты свит C31 и C27 на юго-востоке Донбасса (7—10 км), значительно превышали таковые для нижних свит среднего и даже нижнего карбона на западной и юго-западной окраинах бассейна (3—4 км), и этого вполне достаточно для объяснения всех отличий в степени метаморфизма, не прибегая к другим гипотетическим концепциям.

Таким образом, прав был Ю.А. Жемчужников утверждая, что «только допущением неравномерного опускания Донецкой геосинклинали и более глубокого погружения ее на востоке можно объяснить основную закономерность распространения углей в Донбассе».

Итак, пока рассматриваются изменения степени метаморфизма углей Донецкого бассейна в диапазоне малых современных глубин залегания (примерно до 300 м) теория о решающем влиянии на степень метаморфизации предельной глубины погружения пласта до инверсии не обнаруживает заметных противоречий со всеми известными ныне фактами и закономерностями. И только установленное в последнее время увеличение степени метаморфизма в пластах с увеличением их современной глубины залегания не находит здесь удовлетворительного объяснения.

Увеличение степени метаморфизма по мере погружения пластов в современном структурном плане нельзя согласовать с теориями о завершении процессов метаморфизма до складчатости. Ведь очевидно, что тектонические структуры не могли оказывать влияния на процесс метаморфизма до того, как сами образовались.

Теории регионального метаморфизма, в общем, по-видимому, правильно учитывающие ход процессов до складкообразования, требуют дальнейшего развития и уточнения, чтобы объяснить ход процессов метаморфизма на последующих этапах, завершающих формирование ныне наблюдаемой картины распределения марок в бассейне.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: