Причины и динамика процессов метаморфизма углей Донецкого бассейна

Определить, какую роль в процессе метаморфизма углей играли температура, давление и время, — задача очень сложная. Решение ее возможно только при знании многих пока еще неизвестных нам параметров, поэтому приходится использовать ряд косвенных геологичеких и физико-химических наблюдений и предположений.

Температура бесспорно представляет собой важнейший фактор метаморфизма.

При региональном метаморфизме повышение температуры происходит по геотермическому градиенту и обязано внутренней теплоте земного шара. Коренной вопрос теории регионального метаморфизма может быть сформулирован следующим образом: какие температуры возникают в процессе погружения пластов и достаточны ли они для метаморфизации пластов угля?

Для приближенного выяснения возможных температур, воздействовавших на пласт ко времени его погружения на максимальную глубину, необходимо произвести реконструкцию осадочной толщи карбона и нижней перми Донбасса к переломному моменту — инверсии геотектонического режима, которая ознаменовалась прекращением непрерывного мощного палеозойского осадконакопления, сменой в общем нисходящих движений восходящими и началом формирования основных складок бассейна. На рис. 137 дан профиль по короткой оси бассейна, на котором восстановлено положение пластов и зон метаморфизма в угленосной толще к моменту наибольшего общего погружения ложа Донецкого прогиба. Из рисунка видно, что переход из зоны длиннопламенных углей в зону газовых происходил при глубинах погружения порядка 2,5—3 км; угли марки Г переходят в угли марки Ж при погружении на 4—5 км; угли марки ОС — в тощие при глубинах погружения 6—7 км; переход полуантрацитов в антрациты отвечает глубинам 8—9 км, а наиболее метаморфизованные антрациты образовывались на глубинах 10—14 км.

Для определения температуры, воздействовавшей на пласт в момент его максимального погружения, необходимо знать также величину геотермического градиента. Современный геотермический градиент в Донецком бассейне равен 2°,5 на 100 м (при колебаниях в пределах 1,0—3,9 град/100 м). Распределение геотермического градиента, наблюдаемое в настоящее время в различных геотектонических регионах, указывает, что области прогибов характеризуются более низким градиентом (около 2 град/100 м) по сравнению с областями поднятий (до 4—5 град/100 м). Исходя из этого, нет оснований предполагать, что в Донецком прогибе в палеозое градиент был выше современных его значений и при расчетах его значение принимается равным 2—2,5 град/100 м.

Следовательно, учитывая соответствующие предельные глубины погружения, температурный режим критических точек метаморфизма характеризовался следующими вероятными значениями: переход углей марки Д в Г при 70—90°; Г в Ж при 100—120°; ОС в T при 150—180°; ПА в А при 190—240°; при образовании наиболее метаморфизованных антрацитов температура вряд ли превышала 300—350°.

Во многих опубликованных работах по угольной геологии для образования соответстствующих марок углей принимаются более высокие температуры. Так, Д. Робертс, Эрдман и др. исходят из представлений о том, что температура начала газовыделения при нагревании угля отвечает температуре, до которой уголь был нагрет в процессе метаморфизма. Для образования каменных углей он считает необходимой температуру 300—325°, а для антрацитов 500—550°. Сходных взглядов на температурный режим метаморфизации углей Донецкого бассейна придерживается В.Б. Порфирьев.

Ю.А. Жемчужников, рассмотрев экспериментальные данные ряда исследователей, пришел к выводу, что для превращения бурого угля в каменный нужна температура свыше 200° и, возможно, до 300°, а высшие стадии метаморфизма угля требуют около 500°.

Выводы о температурном режиме естественных процессов углефикации, базирующиеся на экспериментальных данных, нельзя считать убедительными. Основной недостаток всех экспериментов искусственной углефикации заключается в отсутствии учета фактора геологического времени. По-видимому, не случайно методы искусственной углефикации не позволили получить угли, аналогичные естественному метаморфическому ряду.

Имеется ряд фактов, которые противоречат представлениям о высоких температурах в процессах регионального метаморфизма. Многие углехимики утверждают, что данные химии указывают на невозможность в истории ископаемых углей нагрева до температур выше 200— 250°. Цеттше на основании изучения спорополенинов (вещества спор и пыльцы) из ископаемых углей пришел к выводу об образовании каменных углей в интервале температур 100—200°.

Дж. Тиссен считал, что поведение нагретого угля под микроскопом, поведение влаги в угле, свойства углей, подвергшихся действию высоких температур, связанных с интрузиями, и степень повышения скоростей химических реакций с повышением температуры являются достаточным доказательством того, что максимальные температуры в процессе образования каменных углей не намного превышали температуры, встречающиеся в угольных пластах в наше время, и, безусловно, немного выше 100°.

Возможность относительно низкотемпературного режима предполагают также В. Френсис, причем эти авторы исходят из анализа термодинамики физико-химических процессов метаморфизации углей.

В качестве геологического термометра для выяснения температур метаморфизма углей могут быть использованы глинистые минералы вмещающих пород, которые в процессе нагревания до определенных температурных точек претерпевают необратимые изменения.

И.Д. Седлецкий и В.И. Джумайло при изучении песчаноглинистых пород, вмещающих антрациты ряда районов Донецкого бассейна, установили систематическое присутствие в них каолинита. Поскольку при температуре 500° происходит разрушение кристаллической решетки каолинита, нахождение его в наиболее метаморфизованных породах бассейна дает основание считать, что образование антрацита протекало при температурах значительно ниже 500°.

Изучив глинистые породы с точки зрения их способности к реакциям обмена пермутитового характера, изменяющейся при нагревании, Г.Л. Стадников установил, что породы, вмещающие коксующиеся угли Воркуты, а следовательно, также и сами пласты никогда не нагревались до температуры свыше 130—140°.

Таким образом, современные данные о возможных температурах метаморфизма не опровергают приведенные выше величины температур, вычисленные из условий погружения пластов в ходе формирования Донецкого прогиба. Роль температуры как фактора, влияющего на скорость реакций метаморфизма, будет рассмотрена несколько ниже.

Давление. В оценке значения давления как фактора метаморфизма углей среди геологов имеются большие разногласия. Если не рассматривать теорий динамометаморфизма, которые противоречат прямым геологическим наблюдениям, то остается необходимость оценки роли давления в процессах регионального метаморфизма.

Некоторые исследователи считали статическое давление вышележащих толщ основным действующим фактором и ставили знак равенства между терминами «региональный метаморфизм» и «статический метаморфизм». Другие геологи, отвергая представления о решающем влиянии статической нагрузки вышележащих пород при общем погружении, более эффективным фактором процессов метаморфизма считают сопротивление нагрузки восходящему движению, т. е. напряжения, возникающие при перемене знака движений. М.М. Тетяев предполагает, что метаморфизация углей приурочена к началу поднятия геосинклинали, к моменту инверсии. Е.О. Погребицкий главную роль отводит напряжениям при многократных колебательных движениях в процессе опускания геосинклинали, образно сравнивая ее с гигантским вибратором.

Широко распространено мнение о совокупном воздействии на уголь высоких давлений и повышенных температур, возникающих по мере погружения пластов, причем оба фактора рассматриваются как равноценные, или некоторое предпочтение отдается одному из них. Наконец, существует мнение о решающем значении температурного режима, отрицающее активную роль давления в процессах метаморфизма угля.

Имеющиеся в настоящее время геологические данные недостаточны для окончательного решения вопроса о роли давления в процессах регионального метаморфизма, поскольку повышение давлении и температуры происходит параллельно, и мы наблюдаем результаты их совместного действия. В этой связи большой интерес представляют данные теоретических и экспериментальных физико-химических исследований процессов метаморфизма углей.

Метаморфизм углей представляет собой в основном химический процесс и должен подчиняться общим законам физической химии. Многие химики указывают, что давление может вызвать лишь структурные изменения в угле (уплотнение, кливаж и т. п.), но не может нарушить химических связей. Ароматические соединения, являющиеся основной составной частью углей, чрезвычайно стойко сопротивляются давлению благодаря своей кольцевой структуре.

По современным представлениям макромолекула угля состоит из ароматического ядра в виде гексагональной конденсированной ароматической сетки, построенной по типу графитовой решетки, и боковых цепей, в состав которых входят алифатические радикалы, гидроароматические структуры, функциональные группы и кислородные мостики, связывающие ядра между собой.

В сложных и многоступенчатых химических реакциях, составляющих сущность метаморфизма углей, выделяются два процесса:

а) гомогенный процесс поликонденсации и ароматизации в твердой фазе с возникновением и ростом графитоподобных углеродистых решеток;

б) процесс отщепления боковых цепей с выделением воды и газообразных продуктов (CH4, CO2, CO и др.).

В соответствии с общеизвестным принципом ле Шателье гомогенные процессы в твердой фазе, не сопровождающиеся существенным изменением объема, практически не зависят от давления. Гетерогенный же распад боковых цепей, который при нормальном давлении сопровождается увеличением объема более чем в 1500 раз, должен задерживаться при повышении давлений.

Таким образом, высокое статическое давление не только не способствует процессам метаморфизма, но даже может их несколько затормозить. Ho поскольку процесс в целом лимитируется медленно текущими реакциями поликонденсации в твердой фазе, практически можно пренебречь влиянием давления на ход метаморфизма углей. Только на самых низких ступенях метаморфизма (Б и Д), когда реакционно-способные группы молекул слишком удалены друг от друга, чтобы вступать в реакцию, давление, вызывая уплотнение структуры, способствует углефикации. Поэтому для малометаморфизованных углей марок Б и Д четким показателем степени метаморфизма является влажность, как легко определяемый критерий уплотнения. Для более метаморфизо-ванных углей физическое уплотнение структуры не имеет существенного значения.

Справедливость приведенных здесь соображений очевидна в части, касающейся статического давления. При динамических нагрузках, как только вследствие давления возникает движение, оно тотчас же в результате трения становится источником тепла, которое может повлиять на метаморфизм угля.

В Донецком бассейне близ тектонических разломов, где трение, безусловно, достигало максимума, повышение степени метаморфизма незаметно. Надо полагать, что тектонические процессы происходили настолько медленно, что отток тепла, образовавшегося в результате трения, предотвращал возникновение очагов с повышенной температурой. По-видимому, даже весьма мощные тектонические процессы происходят очень медленно. Это заставляет отвергнуть представления некоторых исследователей о большом влиянии кинетической энергии складкообразования на метаморфизацию углей.

Роль времени в процессах метаморфизма углей является наиболее спорной. Представления о том, что возраст углей определяет степень их углефикации, были популярны только на самой ранней стадии развития угольной геологии. В настоящее время они всеми полностью отвергнуты, как явно противоречащие общеизвестным фактам. В Донецком бассейне, где в одном и том же пласте можно наблюдать угли всех стадий метаморфизма, такие теории никогда не могли пользоваться успехом. Наличие бурых углей в нижнем карбоне Подмосковного бассейна, каменных углей и даже антрацитов в некоторых мезозойских и палеогеновых угольных бассейнах заставляет многих отбросить вообще время как фактор метаморфизма. Однако при более внимательном анализе вопрос оказывается значительно сложнее. Подмосковные угли нижнего карбона, оставшиеся на буроугольной стадии, свидетельствуют только о том, что в почти стабильных термодинамических условиях земной поверхности или очень малых глубин погружения (до 100—200 м), даже за 300 млн. лет торфяник превратился лишь в бурый уголь и не достиг стадии каменного угля. Ho этот пример не дает ответа на другие принципиальные вопросы: влияет ли на степень метаморфизма угля продолжительность нагрева при прочих равных условиях, в течение каких этапов геологической истории проходят процессы метаморфизма, какова их продолжительность и скорость реакций?

Некоторые геологи предполагают, что процессы метаморфизма были кратковременными и прекращались вскоре после захоронения пласта, задолго до начала складкообразования.

Подавляющее большинство исследователей склонно относить завершение метаморфизации углей к моменту наибольшего погружения пластов, т. е. к инверсии, к началу складкообразования.

Правильно ли, однако, мнение о завершении процессов метаморфизма к моменту инверсии, до складкообразования? Установленная в последние годы закономерность увеличения степени метаморфизма в каждом пласте по мере увеличения его глубины залегания при прочих равных условиях противоречит этому уже укоренившемуся тезису. Повышение степени метаморфизма с увеличением глубины залегания в современном структурном плане могло возникнуть лишь после образования складок.

Отсюда возникают новые представления о более сложном, длительном, непрерывном и в то же время неравномерном ходе процесса метаморфизма, определившего ныне наблюдаемые закономерности распределения зон метаморфизма в угольных пластах Донецкого бассейна. Согласно этим представлениям процесс метаморфизации углей является следствием всей суммы физико-химических процессов, воздействовавших на них в течение всей геологической истории. При этом необходима оценка значения основных этапов развития бассейна: доинверсионного и постинверсионного.

О скорости, с которой протекают процессы метаморфизма, тоже имеются различные представления. Распространено мнение, что максимальные значения температур, воздействовавших на пласт, сами по себе определяют конечную степень метаморфизма независимо от длительности процесса. Согласно этим взглядам реакции метаморфизма идут настолько быстро до конечной стадии, определяемой исключительно температурным уровнем, что временем, необходимым для их завершения, можно пренебречь. Существует и противоположное мнение о весьма медленном ходе реакций метаморфизма и необходимости в этой связи учитывать длительность процесса в геологическом масштабе.

Если оставить в стороне биохимические процессы в торфяную стадию, а также явления физического уплотнения на первой ступени метаморфизма, то процессы углефикации сводятся к химическим реакциям. Поэтому скорость процесса должна определяться законами химической кинетики. Кинетическая трактовка процессов метаморфизма углей получила развитие лишь в последние годы.

Результат химических реакций определяется длительностью процесса и скоростью, причем последняя очень зависит от температуры. Согласно эмпирическому правилу повышение температуры на 10° влечет за собой увеличение скорости реакций в 2—3 раза. Влияние давления на скорость реакций значительно слабее; только реакции, сопровождающиеся уменьшением объема, стимулируются давлением. В процессе метаморфизации углей скорость реакции при повышенных давлениях должна несколько замедляться. Таким образом, скорость процесса определяется главным образом температурным режимом.

Теоретические расчеты, произведенные Гуком и Карвайлем, показали крайне малые скорости химических реакций, составляющих сущность метаморфизма углей. Этот факт, между прочим, обрекает заранее на неудачу попытки получения метаморфического ряда углей путем искусственной углефикации. Самая высокая температура, допустимая в этих экспериментах, не может полностью компенсировать фактора времени. Даже при температуре 1000°, если бы удалось предотвратить процессы деструкции, в течение 24 часов снижение выхода летучих веществ в области каменных углей произошло бы всего лишь на 10в-7—10в-8 8%.

В настоящее время уже многие исследователи считают, что процессы метаморфизма углей продолжаются весьма длительное (в геологическом масштабе) время. Некоторые углехимики предполагают, что эти процессы протекают в течение всего времени существования угольного пласта и не прекратились до настоящего времени. Они допускают в этой связи продолжающееся образование метаморфогенного метана в угольных пластах на глубоких горизонтах.

На основании теоретических расчетов кинетики реакций метаморфизма углей Карвайль построил график зависимости температуры, времени и степени метаморфизма углей (рис. 138). График воспроизведен на рисунке с небольшими изменениями для условий Донецкого бассейна. По оси ординат отложены температуры и масштаб глубин погружения, исходя из градиента 2,5 град/100 м (И. Карвайль для Рурского бассейна принимал 4 град/100 м); по оси абсцисс нанесены числа пересчета (z).

He вдаваясь здесь в сущность чисел пересчета (z), их следует рассматривать в качестве условного показателя метаморфизма, который в отличие от выхода летучих обладает свойством аддитивности. Для перехода от условных величин к общепринятым показателям метаморфизма на верхней части графика отмечены соответствующие значения выхода летучих. На графике изображено семейство кривых, каждая из которых отвечает определенному промежутку времени — от 10 до 300 млн. лет. Совершенно ясно, что график Карвайля непригоден для точных расчетов и прогнозов. Он может быть использован лишь для выяснения допустимости тех или иных представлений об истории метаморфизма угля с позиций законов химии, как проверка совместимости геологических концепций с законами химической кинетики.

В отличие от платформенных условий с простой геологической историей, позволяющей в первом приближении рассматривать мета-морфизацию углей как один продолжительный процесс с постоянной (вернее, изменяющейся в узких пределах) температурой, исследование кинетики метаморфизма углей в складчатых бассейнах сталкивается с некоторыми дополнительными затруднениями. Расчеты в этом случае заметно усложняются, так как здесь нельзя процессы свести к элементарной одной стадии и приходится в истории метаморфизма учитывать несколько этапов, различных по длительности, с различными глубинами погружения и температурами.

Учитывая общий, грубый характер расчетов метаморфизма вследствие неточности геологических предпосылок, определяющих исходные данные, допустима схематизация истории погружений и поднятий с выделением только двух этапов: до- и постинверсионного. В целях упрощения для каждого из этих этапов принимаются условно постоянными глубина погружения и отвечающая ей температура. Для доинверсионного этапа можно принять их значения в момент максимального погружения, для постинверсионного они соответствуют примерно современным условиям. Такое упрощение вносит в расчет известную погрешность. Однако, как показали расчеты, величина погрешности обычно относительно невелика, что позволяет пользоваться упрощенными схемами, облегчающими применение метода. С учетом принятых оговорок рассмотрим примеры по Донецкому бассейну.

На западной оконечности Главной антиклинали максимальная глубина погружения пласта l3 составляла около 5800 м. Погружение вскоре сменилось поднятием, связанным с формированием Главной антиклинали, поэтому следует допустить кратковременность нахождения пласта I3 на столь значительной глубине. Грубо продолжительность этого этапа можно считать около 10—15 млн. лет. Можно приближенно принять, что в последующие 200—250 млн. лет после образования Главной антиклинали глубина залегания пласта l3 относительно мало отличалась от современной.

Конкретный расчет степени метаморфизма произведем для точки с современной глубиной залегания 1500 м. Для доинверсионной стадии (глубина погружения 5800 м; время — 10 млн. лет) находим значение z1=0,15. Дополнительный метаморфизм после инверсии (глубина 1500 м; время — 250 млн. лет) соответствует числу пересчета z2=0,14. Числа пересчета, полученные для доинверсионной и постинверсионной углефикаций, складываются. Полученная сумма Z=0,29 соответствует выходу летучих веществ 29%.

Аналогичным путем можно найти степень метаморфизма пласта l3 в пределах площади с такой же величиной доскладчатого погружения (5800 м) для точки с любой другой глубиной современного залегания. Так, например, для глубины 500 м определяем число пересчета для постинверсионной стадии z2=0,05 (z2 как и в первом случае, равно 0,15). Сумма чисел пересчета 0,15+0,05=0,2, что соответствует выходу летучих 35%. Вблизи выхода пласта на поверхность постинверсионная углефикация, очевидно, равна нулю, и расчетный выход летучих веществ составит 38%.

По фактическим данным пласт l3 на западной оконечности Главной антиклинали характеризуется следующими значениями выхода летучих веществ: вблизи выхода 38%; на глубине 500 м 35% и на глубине 1500 м 27%. Таким образом, наблюдается удовлетворительное совпадение расчетных и фактических величин, что говорит о правильности основных предпосылок расчета.

Приведенный расчет хорошо увязывается с закономерностью увеличения степени метаморфизма по мере погружения пласта в современном структурном плане. Кроме того, расчет показывает, что с относительно кратковременным периодом глубокого погружения до складкообразования вследствие более высоких температур связаны большие изменения угля, чем со следующим значительно более длительным периодом после поднятия, характеризующимся относительно низкими температурами.

Возникает вопрос, можно ли в связи с влиянием длительности процесса на степень метаморфизации угля вообще говорить о каких-то «критических» температурах, отвечающих каждой ступеньке метаморфического ряда? Строго говоря, — нет. Процессы метаморфизации углей по своей природе являются необратимыми, непрерывными процессами поликонденсации и отщепления газов и воды. Стадии метаморфизма образуют непрерывный ряд, отражающий количественный постепенный ход реакции, которая по сути на всех промежуточных ступеньках вплоть до высших стадий метаморфизма остается незавершенной.

Угли определенной стадии метаморфизма могут образоваться при разных температурах: конечный эффект кратковременного воздействия высоких температур и более длительного влияния меньших температур может оказаться одинаковым при соответствующих соотношениях.

Однако, учитывая реальную длительность процессов регионального метаморфизма, температурный интервал, отвечающий каждой ступени метаморфизации, оказывается сравнительно узким. Для условий Донецкого бассейна величина этого интервала составляет ориентировочно 30—50°, что видно из следующего расчета.

Прогрев карбоновых пластов, погружавшихся на значительные глубины, был наиболее кратковременным на герцинских антиклиналях, где нисходящие движения раньше всего сменились восходящими. Его продолжительность нами оценивается порядка 10—30 млн. лет.

Максимальная продолжительность воздействия высоких температур имеет место в центральных частях наиболее глубоких заполненных пермскими осадками синклиналей, где глубина залегания пластов карбона после завершения палеозойского осадконакопления существенно не изменялась.

Предельная длительность процесса метаморфизма здесь определяется возрастом отложений, т. е. не превышает 300 млн. лет.

Таким образом, длительность воздействия повышенных температур в различных структурных условиях не могла отличаться более чем в 10—30 раз. Следовательно, поскольку повышение температуры на 10° ускоряет процесс в 2—3 раза, одна и та же ступень метаморфизма может быть достигнута за время в 10—30 раз более короткое при воздействии температуры на 30—50° более высокой, т. е. разница температур в 30—50° может компенсировать 30-кратные различия в длительности процесса.

Так, например, переход углей марки ОС в T происходит в условиях относительно кратковременного погружения при температуре порядка 180°, а в условиях предельно длительного погружения (300 млн. лет) при 130—150°. Последняя величина представляет тот минимальный показатель температуры, который необходим для возникновения углей этой степени метаморфизма при максимальной для карбоновых углей длительности процессов.

Обобщение рассмотренных представлений и расчетов, основанных на законах химии, приводит к выводу, что температурный режим оказывает наиболее сильное влияние на процесс метаморфизма; роль времени менее значительна, однако им нельзя пренебречь. Величину давления следует рассматривать как малосущественный пассивный фактор, действие которого ограничивалось предотвращением быстрого удаления метаморфогенных газов.