Литология и фации угленосных отложений Печорского угольного бассейна
Угленосная толща Интинского угленосного района сложена гравелитами (редко среднегалечными конгломератами), песчаниками, алевролитами, аргиллитами, углями и углистыми аргиллитами. Они в своем составе содержат конкреции, а иногда пронизаны кластическими жилами и дайками.
Для характеристики литологии и фаций (обстановок и условий образования) угленосных отложений большое значение имеет выяснение закономерностей формирования угленосных напластований, точнее их элементарных ячеек — разрезов циклов. Работы по диагностике и выделению литологических типов пород в разрезах цикла, вскрытых углеразведочными скважинами в Интинской синклинали еще в конце 1959 года, позволили выделить ископаемые (пермские) почвы, названные почвенно-элювиальными («цветными») породами. Затем последовало выделение других пачек (многослоев), составляющих разрез цикла. Выяснилось, что каждая из них возникла в соответствующей для нее фазе развития географической среды, разумеется, предопределенной повторяющимися процессами циклической седиментации.
Пачка ископаемых (пермских) почв залегает в почве и подпочве угольного пласта. В нее входят брекчиевидные (пятнистые), зеленые, бурые, пестро- и красноцветные и другие «цветные» неслоистые или неяснослоистые, видоизмененные глинистые и песчано-глинистые породы (аргиллиты, алевролиты). Их особая окраска, комковатое строение, содержание сферолитов сидерита, неслоистость, остатки или следы корней растений и другие признаки отчетливо выступают почти в каждом угленосном цикле. Перечисленные признаки позволяют определить в породах глубокие их преобразования в наземных условиях. Их следует включить в группу почвенно-элювиальных отложений и назвать пачкой 1. Донецкие геологи их давно выделяют под названием «кучерявчик» (рис. 2.4.).
На «цветных» породах залегает угольный пласт, условия образования которого ни у кого теперь не вызывают сомнения: это продукт торфяно-болотной обстановки. Пачку, включающую угольный пласт, назовем пачкой II.
Третья пачка цикла лежит над угольным пластом. Она сложена аргиллитами, алевролитами и редко, в ее средней части, песчаниками небольшой мощности (1—4 м). Непосредственная кровля угольного пласта на любом месторождении Печорского бассейна состоит из аргиллита, иногда содержащего пресноводные двустворки. Этот слой обязательно присутствует и на тех угольных пластах, которые формировались в так называемых паралических (прибрежно-морских) условиях. Мощность слоя составляет 5—20 см. Выше, в аргиллите или в алевролите (иногда в песчанике), встречаются остатки морской фауны (лингулы, двустворки и другие) в случае, если третья пачка формировалась в приморье.
Описываемая нижняя часть пачки III, сложенная аргиллитами, алевролитами, характеризуется тонкой слоистостью, подчеркнутой растительными остатками, в основном, хорошей сохранности. Аргиллитам и алевролитам, покрывающим их, присуща очень тонкая полосчатость (ленточновидность) или переслаивание между собой. Как видно, имеющиеся в третьей пачке литологические, палеонтологические и другие признаки говорят о ее происхождении на суше или в приморье, в озерных или морских условиях, т. е. о накоплении описываемой пачки под водой («подводные образования»).
Эти три пачки последовательно снизу вверх занимают нижнюю часть цикла и в порядке описания проходят разные обстановки формирования: от наземных (надводных, субаэральных), торфяно-болотных до подводных. Вернее, один и тот же регион во времени по отношению к воде меняется от суши к болотному ландшафту и затем переходит в водоем (озеро, лагуна, море). Это в указанной последовательности может случиться только на участках погружения земной поверхности. Данный процесс медленный, долговременный и, надо думать, происходит по прообразу современного обводнения и подтопления, имеющего место в Голландии, Венеции, Бангкоке и других. Очевидно, логично признать фазу (время) накопления нижней части цикла этапом погружения региона углеобразования.
А что же дальше? «Вечное погружение?!». «Направленное погружение?!». Как увидим ниже, факты свидетельствуют об обратном — о начале и продолжении до определенного времени воздымания структуры углеобразования.
Прежде чем описывать по порядку снизу вверх породы, залегающие над нижней частью цикла (или над нижней частью пачки III), целесообразно дать характеристику многослоя (пачки), наиболее выделяющегося в разрезе своим псефитовым составом. Забегая вперед, скажем, что этот многослой средней и верхней частей цикла нами именуется пачкой V.
Как показали наши исследования, преобладающее большинство песчаниковых (конгломератовых) залежей в циклах (угленосной толще) возникло в речных (аллювиальных) условиях. Геологам Печорского бассейна в данном вопросе удалось добиться большой доказательности. Результатом глубокого анализа разрезов циклов в угленосной толще Печорского бассейна явилось составление крупномасштабных (1:200) детальных литологических профилей нескольких групп или группы циклов, начатое в 1965 г. по инициативе Л.Л. Хайцера и продолжающееся до сих пор. Они составляются вкрест простирания угленосной толщи на каждом детально разведанном шахтном поле с целью прогноза горногеологических условий разработки угольных пластов. На упомянутых литологических профилях наглядно выступает каждый описываемый многослой (пачка), особенно рельефно-аллювий, т. е. песчаниково-конгломератовые тела.
Присутствие аллювиальных отложений в средней и верхней частях цикла заставляет относиться недоверчиво к тезису о «направленном погружении». Обычно отложения аллювиального генезиса регистрируют время поднятия района седиментации. При изучении и анализе распространения мощных песчаников (конгломератов) в обрывах рек, шахтах и на литологических профилях выявляется их залегание вогнутой неровной поверхностью на породах нижней части цикла, накопившихся в фазу погружения. При этом вогнутая неровная поверхность ложа песчаника (конгломерата) оказывается поверхностью размыва. Размывом нередко охвачены аргиллито-алевролитовая пачка III и даже угольный пласт (пачка I).
В районе, где в недалеком геологическом прошлом (т. е. при накоплении нижней части цикла) простиралось торфяное болото, а затем озеро (а в паралических областях в соответствующее время — лагуна, море), появление речной системы и размыв ею нижней части цикла удовлетворительно объясняются только допущением тектонического подъема данной территории, т. е. сменой отрицательного знака тектонических движений на положительный. В этом случае поворот процесса погружения на подъем, в первую очередь, должен привести к переходу развития озерного (лагунного, морского) осадконакопления в стадию его дряхления, а затем и полного отмирания. И действительно, обособленные линзы мощных песчаников (конгломератов), залегающие с размывом в породах нижней части цикла, оказались русловым аллювием, отвечающим моменту активного развития реки.
Теперь проведем описание специально пропущенной части разреза цикла, т. е. той части, которая залегает между отложениями уже охарактеризованных пачек I, II, низа пачки III и пачкой V.
В пачке III, ее верхней части, без особо выраженного перехода, но с поступательным изменением продолжают вскрываться слов тонко или мелкозернистых песчаников, которые перекрываются переслаивающимися или полосчатыми (ленточновидными) алевролитами и аргиллитами, нередко содержащими пресноводные или морские двустворки. Многочисленные сопоставлений, сравнения позволяют сделать вывод, что многослои верхней части пачки III представляют собой зеркальное отражение многослоя ее нижней части, т. е. повторяют ее в обратном направлении. Если внизу пачки III постепенный переход пород в кровле угольного пласта следовал от аргиллитов к алевролитам (ленточновидным!) до песчаников включительно, то в верхней ее части, наоборот, от песчаников через алевролиты к аргиллитам. Такой порядок седиментации двуликой пачки III является результатом ее формирования на рубеже прекращения (затухания) тектонического погружения и начавшегося подъема акватории водоема (прогиба), иначе говоря, верхняя половина пачки III накапливалась при поступательном понижении уровня наземной части водоема (дренирования вод вглубь) в условиях подъема местности. Из этого вытекает, что зарождение озера (лагуны, моря) знаменует собой дальнейшее погружение структуры углеобразования, последовавшего за формированием протяженного торфяника (угля) и подтопления водой, а старение отвечает началу ее поднятия.
Выше по разрезу цикла, над пачкой III, вскрываются образования, отличающиеся как от ниже, так и вышележащих напластований. Отмирание водоема способствовало накоплению сначала полосчатых, а затем неяснослоистых и неслоистых аргиллитов, алевролитов, т. е. тех разностей глинистых пород, которые преобразованы и видоизменены в наземных условиях, благодаря почвенно-элювиальным процессам.
Прежние исследователи угленосных отложений не дали объяснения причин появления названных неяснослоистых и неслоистых аргиллитов, встречающихся примерно в средней части цикла. Утверждение автора, что они возникают в период отмирания водоема вынужденное, так как каждый существовавший водоем (озеро, лагуна) проходит время своего дряхления и отмирания. Одновременно — это признание правдивости предположения о продолжении процесса подъема территории, занятой ранее водоемом (озером, лагуной, морем). Доказательством в пользу такого предположения служат отложения следующей IV (четвертой) пачки, залегающей на описанной выше III (третьей) литологической пачке.
В составе IV литологической пачки аргиллиты и алевролиты четко выделяются по своему комковатому строению, отсутствию или слабовыраженной слоистости, по наличию характерных остатков растений, чаще всего корешков, или стеблей и их следов с при жизненной ориентировкой (как правило, под углом к наслоению), по содержанию сферолитов сидерита, по своеобразной окраске: зеленой, коричневой, бурой, красной, пестрой, «белесой» и других цветов и оттенков. Кратко их целесообразно назвать «цветными» породами. Иногда в пачке IV встречаются пропластки углистого аргиллита или угля. По существу, описываемые аргиллиты и алевролиты являются осадками заиливающихся и зарастающих водоемов. Они нередко содержат чешуи рыб, раковины пресноводных (неморских) двустворок, кожу земноводных и др. животных. Это уже убедительное и очевидное доказательство: состав IV-й пачки свидетельствует о периоде постепенного полного отмирания водоема, что может развиваться только при поступательном подъеме местности углеобразования.
Таким образом, породы пачки IV представляют собой, как видно из их характеристики, измененные в наземных условиях образования и являются аналогами пачки I. Разница между ними — это время формирования: IV-я пачка образуется при зарастании водоема (т. е. в стадии отмирания водоема), а 1-я — перед появлением торфяника, но в обводняющемся регионе (т. е. при начальной стадии суходольного заболачивания). Литологическую пачку IV, очевидно, имеет смысл назвать элювием стадии заторфования и засыхания водоема (озера, лагуны, моря) или элювием стадии старения водоема.
Иногда при детальном литологическом описании керна углеразведочных скважин отмечаются случаи отсутствия интервала верхней части пачки IIl или пачки IV. Специалист, имеющий дело с керном, этот факт может объяснить растираемостью породы при бурении, гак как алевролиты, аргиллиты и «цветные» образования имеют низкую категорию буримости. Однако не всегда причина заключается в этом. Факт отсутствия упомянутого интервала в естественных обнажениях нередко отчетливо выявляется наличием контакта размыва, что свидетельствует об эрозионном, частичном или полном удалении пачки IV и залегании аллювия (пачки V) на подстилающих его породах (на пачках IV, III и даже II). Здесь мы лишний раз встречаемся с фактом, говорящим о существовании при формировании разреза цикла процесса тектонического подъема, наступающего в стадии пребывания поверхности структуры углеобразования под уровнем водоема, покрывающего предыдущий (нижний) торфяник (уголь), именуемый выше пачкой II.
В Печорском бассейне впервые о наличии под аллювием озерных образований с амфибиями и рептилиями сообщил Г.А. Дмитриев при изложении материалов об условиях захоронения нижнепермских позвоночных в Интинском районе. Позже аналогичный факт отмечается в статьях Ю.Н. Приходько. Однако эти авторы своим данным не придавали того значения, по которому время их накопления относилось бы к стадии полного отмирания водоема (озера, лагуны или моря) и отвечало бы фазе тектонического подъема.
После 1977 года при работе с керном и на естественных обнажениях нами часто отмечалось наличие пород, которые имели признаки пачки IV, но уверенно мы их начали выделять после 1982 года при изучении керна скважин на шахтном поле «Центральная-бис» Воркутского месторождения.
В нашей работе была дана схема подразделения существовавших обстановок осадконакопления на протяжении времени формирования всего разреза угленосной толщи верхней перми юга Печорского бассейна. Настало время в эту схему внести еще одно дополнение, т. е. «IV-ю группу элювиальных фаций» считать состоящей из 2-х подгрупп:
1. Подгруппа почвенно-элювиальных фаций, отвечающая образованиям пачки I.
2. Подгруппа элювия стадии заторфования и засыхания водоема (озера, лагуны, моря), характеризующая образования пачки (многослоя) IV.
В первую подгруппу почвенно-элювиальных фаций включаются образования «цветных» пород, возникающих в суходольную стадию болотных почв благодаря подтоку подземных вод в будущую торфяно-болотную низменную равнину в условиях продолжающегося погружения структуры углеобразования.
Во вторую подгруппу элювия — стадии заторфования и засыхания водоемов — отнесены образования болотных почв, возникающих в период полного засыхания водоема (болотные, гидроморфные почвы) благодаря оттоку вглубь наземных и подземных вод в условиях продолжающегося подъема структуры углеобразования.
Что же может дать и к чему приведет дальнейшее продолжение процесса подъема территории, который явился причиной исчезновения водоема?! Напрашивается однозначный ответ: это усилит энергию рельефа и приведет к зарождению речной системы. Уже нам известно, что над описанными отложениями водоема (пачек III и IV) залегают мощные песчаники, а в обособленных участках, в форме крупной вогнутой линзы, — песчаники и конгломераты. Эти мощные линзы, как сказано выше, залегают с размывом на подстилающих породах: они представляют собой русловой аллювий. Последний нередко заполняет размытый участок литологических пачек IV и III, и редко — пачки II, что легко устанавливается по неровным «зазубренным» контактам. Над названными песчаниками залегают алевролиты, аргиллиты, песчаники, выклинивающиеся или сменяющие друг друга как в вертикальном разрезе, так и в плане. Отмеченные песчаные, а также песчанистоглинистые и глинистые отложения, залегающие над упомянутыми песчаниками (конгломератами), нами объединены в литологическую пачку V (аллювий). Первые из них характеризуют время глубинной эрозии, время активной речной деятельности («расцвета»), а вторые — время ее дряхления. Для сведения можно сообщить, что в плане линзовидновытянутые тела размывов протягиваются на значительное расстояние. Наиболее мощные тела аллювия в Интинском и Воркутском угленосных районах имеют установленную протяженность: 21—30 и 50 км соответственно, в первом случае — в междупластье пластов I—II, а во втором — в кровле пласта Тройного в Воркутском и Усинском месторождениях.
В 1992—1994 годах, примерно через равные промежутки вдоль Интинской синклинали (на протяжении 35 км), с целью определения местоположения и уровня распространения в разрезе литологических пачек в литоцикле, были построены 24 палеолитологических профиля. Они размещались вкрест простирания синклинали на территории эксплуатируемых шахт и на участках, детально разведанных. На профилях наглядно выделялись залежи и локальные крупные линзы мощных песчаников (конгломератов), характеризуя своим присутствием каждый без исключения элементарный угленосный цикл (ЭУЦ). Сопоставление в профилях литологических пачек между собой и увязка мощных залежей песчаников позволили получить заслуживающую доверия картину площадного их распространения. При этом выявился линейный характер залегания локальных протяженных песчаниковых линз, допуская возможность признания их аллювиального генезиса. Подвергались анализу литологопрочностные карты, составленные с выделением труднообрушаемых мощных песчаников на всю длину изученной части Интинской синклинали. Местоположение на площади и в разрезе труднообрушаемых песчаников совпало с направлением предположительно выделяемых палеодолин. Затем достоверность полученных материалов и своих суждений проверялась сбором фактических данных эксплуатации (документация шахтных геологов) и разведки буровыми скважинами, на основании которых составлялись карты: «Палеогеография стадии развития речной системы при формировании ЭУЦ угольных пластов 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11». Они иллюстрируют распространение залежей аллювия на площади. В данной работе приводится одна из них — по ЭУЦ угольного пласта 5 (рис. 2.5.). Такие карты в Печорском бассейне составлялись впервые. О проведении аналогичных работ в других бассейнах пока сведений нет. Они информативные и объясняют многие стороны углеобразования. Определилось, что погребенные долины, как указывалось выше, имеют примерно линейно-вытянутую форму, на своем пути размывают пачки IV, III и редко даже II (например, угольные пласты 5 и 10), пересекают озероподобные участки — приемники твердого стока песчаникового или конгломератова состава. Общее направление (простирание) в пространстве линейных песчаниковых тел (а, значит, и погребенной пермской гидросети), совпадает с направлением Интинской синклинали и соседних антиклинальных структур. Это неопровержимый аргумент в пользу представления об их конседиментационном развитии.
Материалы исследования керна углеразведочных скважин путем детального послойного описания, составления подробных литологических профилей вкрест простирания угленосных структур в масштабе 1 : 200 для отдельных или группы разрезов элементарных угленосных циклов в совокупности позволили выделить основные виды ископаемых речных отложений.
Здесь целесообразно остановиться на диагностических признаках, которые выявляются и в общем подтверждают принадлежность мощных песчаников к речным отложениям, в том числе русловым.
1. В плане палеодолина («канал размыва») имеет относительно линейное очертание, осложненное изгибами и притоками.
2. При геологической документации шахтных выработок на контакте мощных песчаников с подстилающими породами отчетливо определяются поверхности размыва. Углубление русла водным потоком (эрозией) при врезе в нижележащие отложения при детальном литологическом описании керна скважин также устанавливается по наличию зубчатого контакта, т. е. поверхности размыва.
3. Нередко ложе русла содержит галечный или грубопесчаный, разнозернистый материал. Присутствие последних свидетельствует о том, что осадки возникли в условиях сильного течения воды.
4. Ширина палеодолин, обнаруженных при их документации в одиннадцати литоциклах угленосной толщи Интинской синклинали, колеблется от 0,1 до 1,5 км. Общая длина прослеженных линейно протяженных палеодолин составляет 35 км, глубина их вреза, определяемая максимальной мощностью аллювиальных отложений, — не больше 32-40 м.
5. Залегание мощных песчаников и покрывающих их песчано-глинистых отложений в разрезе литоцикла почти всегда приурочено к средней и верхней замыкающей его части. Это не что иное, как аргумент для подтверждения выбора гидросетью (палеодолиной), погружающейся в ту эпоху геологической структуры и одновременного с нею накопления осадков. Общее направление (простирание) в пространстве линейных песчаниковых тел совпадает с направлением Интинской синклинали.
Погребенные долины в литоциклах одиннадцати номенклатурных угольных пластов Интинского месторождения, как уже отмечалось, прослежены на расстоянии до 35 км. Мощные песчаники иногда почти достигают кровли угольного пласта или непосредственно залегают на пласте. Редко они частично размывают верхние пачки пласта. Угольные пласты 5 и 10 в некоторых местах месторождения размыты полностью. В литоциклах угольных пластов 2,4,5,6, 7, 8,9, 10, 11 на пути линейных линзовидных мощных песчаников выделяются сравнительно большие площади (до 30 км2), полностью сложенные сплошными песчаниками или с частичным содержанием конгломератов. Очертания их сходны с водными пространствами, напоминающими водоемы (озера). Обнаружение больших площадей, состоящих из мощных песчаников, не явилось неожиданностью. Еще Г.А. Дмитриев отмечал, «что струя потока при своем достижении следовала по пониженной части рельефа —по цепи затопленных озер». Очевидно, водоемы (озера) возникли в результате подтопления тектонически активной заболоченной равнины. По существу озера являлись приемниками твердого стока, состоящего из песков и галечников. Это происходило на фоне конседимннтационного (одновременного с накоплением осадков) развития линейных Интинской синклинальной и антиклинальной структур.
Над угольными пластами 4, 10, 11 аналогичные озера отмечены на Чернореченской площади, а над пластом 9 могли существовать два озера на поле шахты «Интинская». Цепь озер над девятым пластом связана протоками.
Об этом свидетельствуют также два местонахождения лимнических двустворчатых моллюсков, обнаруженных в темно-серых алевролито-песчаниках в верхней части междупластья угольных пластов 9 и 10 в шахте «Интинская». Они приурочены к водосборнику пласта 10: 1) в 15 м от уклона № 4 и в 0,7 м от почвы пласта 10; 2) в 17 м от уклона № 4 и в 0,9 м от почвы пласта 10. Из этих местонахождений определены два вида неоантраконай — Neanthraconaia vorcutica (Pogorevitsch). N. ex. gr. rhomboidea (Netschajew), указывающие на позднепермский (уфимский) возраст вмещающих отложений и неморской (лимнический) их генезис. Данные тафоценозы характеризуются одинаковым таксономическим составом и сходными биостратономическими признаками, присущими для группы линзообразных ориктоценозов неморских двустворок перми Северного Приуралья. Рассматриваемые захоронения представляют собой небольшие гнездообразные скопления примерно в равных соотношениях раскрытых и сомкнутых створок (длиной от 17 до 27 мм), внутренняя полость которых заполнена вмещающей алевролито-песчаниковой породой. Остатки раковин в породе незначительно рассредоточены и преимущественно ориентированы относительно друг друга параллельно длине раковин. Периостракум и большая часть карбонатных прослойков раковин выщелочены по причине значительной кислотности среды обитания и процессов литификации «грунтовых» осадков и экзоскелетов моллюсков. Однако, у раковин хорошо сохранились смычной край и утолщенный лигамент, а наружная поверхность створок несет лишь тонкий порошковидный налет белого цвета. Исходя из этих тафономических наблюдений можно констатировать, что раковины неоантраконай в процессе захоронения претерпели незначительные переотложения в пределах своего биотипа и погребены были, возможно, в протоках, связывающих озера интинского времени в момент осадконакопления междупластья 9-10 в пределах поля шахты «Интинская».
Перемена знака вертикальных движений с положительного на отрицательный совпадает с заполнением долины аллювием, начинающимся во второй половине развития речной системы.
Из вышеизложенного ясно, что в период подъема формировались верхняя часть литологической пачки III, полностью IV и, в основном, V пачка, которые составляют верхнюю часть цикла. При этом самая верхняя часть пачки III, целиком пачка IV и аллювий (пачка V) являются наземными («надводными») образованиями.
Следует отметить, что такая последовательность слоев (много слоев) обычно характерна для разреза элементарного цикла с полным набором фаций. Однако иногда встречаются интервалы отложений, которые отражают (определяют) повторение или выпадение некоторых частей цикла.
Как видно, породы цикла, представленные в пяти своеобразных пачках (многослоях), сами оказались «добровольными» свидетелями и подтвердили вывод Ю.А. Жемчужникова о том, что за один цикл происходит одно поднятие структуры углеобразования. Для доказательства этого справедливого вывода пришлось изучить все литологические разности напластований и определить условия зарождения и накопления субаэральных, элювиальных пород на двух уровнях формирования разреза цикла, последовательность залегания многослоев (пачек), местоположение и относительное время их образования, и в итоге по комплексу фактов установить время смены знаков вертикальных движений: с погружения на подъем, с подъема на погружение.
Как показывает практика составления литологических профилей и проверка полученных данных в выработках шахт, аллювиальные отложения, в том числе и русловые, от морских отличаются обособленностью, линзообразностью залеганий. Аллювий, особенно русловой, в угленосном цикле выявляется вполне удовлетворительно как путем построения литологических профилей, так и литологического изучения слагающих разрез отложений.
Теперь рассмотрим расположение охарактеризованных выше пачек (многослоев) в разрезе цикла между двумя протяженными («циклообразующими») угольными пластами. В условленном междупластии, в кровле нижнего пласта, т. е. в нижней части междупластья, выделяется пачка III, накопившаяся, бесспорно, под водой (озеро, лагуна, море), а в почве верхнего — пачка I и несколько ниже, под аллювием — пачка IV, которые относятся к верхней половине междупластия (цикла) и формировались в наземных условиях, т. е. над водой. Здесь заостряется внимание на четко выделяющейся особенности: интервал каждго цикла — это смена подводных образований наземными «надводными». Причину «полярности» в разрезе цикла, обусловленной «подводными» или «надводными» процессами, нужно искать прежде всего в гидрогеологических (в смысле поведения подземных вод) и гидрологических (в смысле поведения наземных поверхностных вод) явлениях, так как сам угольный пласт является образованием торфяных болот, в которых воды обычно не менее 90%.
Как известно, торфяник (угольный пласт) образуется только тогда, когда уровень грунтовых (подземных) вод соответствует (или почти соответствует) уровню поверхности земли. Погружение и воздымание структуры торфонакопления нарушают это соответствие. Возникает вопрос: что же происходит при нарушении соответствия названных уровней? Разгадка механизма взаимодействия наземных и подводных вод с сушей (поверхностью земли) при образовании элювия и торфяника, озерных отложений и аллювия, как нам представляется, дает ключ к раскрытию истины углеобразования.
Определенное положение перечисленных пачек пород в разрезе цикла и полярность расположения наземных (субаэрально-элювиальных) и подводных осадочных образований (пачка Ш) в междупластии протяженных угольных пластов, т. е. угольных пластов, образовавшихся в стадию суходольного заболачивания и торфонакопления, обращают на факт пребывания поверхности низменной равнины под водой («трансгрессивный» этап), а также на уход последней или дренирование вглубь земли («регрессивный» этап). «Подводные» и «надводные» («наземные») обстановки могут устанавливаться лишь при относительно длительном повышении или понижении гипсометрической отметки поверхности территории, синхронно вызывающей передислокацию в наземной и подземной гидросфере. На современном уровне развития геологии соответствующие явления большинством исследователей объясняются процессами чередования медленных и плавных тектонических поднятий и погружений региона.
Как видно, смысл механизма взаимосвязи и взаимодействия наземных и подземных вод с поверхностью суши, приводящего к формированию угленосного цикла, заключается в перемещениях пьезометрической поверхности подземных, а также уровня наземных вод, возникающих в результате поднятий и погружений низменной равнины. В свете этого «механизма» рассматриваются условия накопления слоев и пачек, слагающих угленосный цикл.
Тектонические условия. Выделение (присутствие) в разрезе междупластия протяженных угольных пластов (МПУП), подводных отложений, расположенных в кровле нижнего угольного пласта (в нижней части МПУП), и надводных (субаэральио-элювиальных), расположенных в почве и подпочве верхнего пласта (т. е. в верхней части МПУП), нами объясняется периодическими тектоническими процессами погружения и поднятия территории.
Преобладающее большинство исследователей считают обстановкой, определяющей циклическое строение угленосной толщи, тектоническую. По нашему мнению и мнению перечисленных исследователей важной причиной возникновения элементарного цикла признается смена отрицательных движений положительными (или обратно, положительных — отрицательными). Так, смену подводных (морских и озерных) условий надводными (аллювиальными), как указывает Ю.А. Жемчужников, «можно объяснить только поднятием областей отложения (а не обмелением путем компенсации осадками). Накопление подводных отложений объясняется опусканием. Смена тех и других — результат чередующихся поднятий и опусканий».
Таким образом, интервал одного элементарного тектонического цикла определенного локального участка есть результат одного тектонического погружения и одного поднятия. Погружение, как правило, вызывает накопление подводных отложений (отчасти пачки II и полностью пачки III). а поднятие, если при этом происходит осушение территории — надводных, наземных (отчасти пачки I, IV и полностью пачки V). Это, по существу, чередование образований фазы затопления («трансгрессивного» этапа) с образованием фазы осушения («регрессивного» этапа). Материалы наблюдений и их обобщение иллюстрируются на рисунках 2.4, 2,7.
Влияние длительно протекающих процессов погружения и поднятия на ход накопления современных торфяников лесоболотной зоны Западной Сибири убедительно доказано В.И. Орловым. Шаг за шагом он прослеживает зависимость накопления торфяников (иногда и вмещающих их отложений) от вертикальных тектонических движений структур. То же определяется при анализе формирования ископаемых торфяников (углей), что позволяет подчеркнуть конседиментационный характер развития угленосных структур. Тезис о конседиментационном развитии структур, т. е. о первичных тектонических структурах, влияющих на накопление угленосных отложений, в настоящее время нашел признание у многих геологов, в том числе и у нас. Поэтому здесь ограничимся упоминанием (существовавшего и существующего) природного процесса: об одновременности складкообразования и осадконакопления.
Резюмируя вышесказанное, отметим, что угленосная толща в полном объеме представляет собой динамически развивавшуюся совокупность угленосных циклов. Данные литологического строения разреза угленосного цикла позволяют выявить факт смены подводных и наземных отложений, что является характерной чертой развития всей углесодержащей толщи Интинского и других угольных месторождений.
Генетическое толкование изученных, вышеописанных литологических пачек (многослоев), I, II, III, IV и V в элементарном угленосном цикле (ЭУЦ), в ходе камеральных работ проверялось графическим моделированием. С этой целью составлен рисунок 2.6. «Динамика формирования элементарного угленосного цикла». В нем использован основной фактический геологический материал, описанный выше. Под периодичностью осадконакопления подразумевается повторяемость условий и возникновение комплекса отложений через определенные промежутки времени. Это явление особенно отчетливо обнаруживается в разрезе угленосной толщи и носит название цикличности. Имея в виду, что процесс развития ЭУЦ определяется через повторяемость выделенных литологических пачек I, II, III, IV и V, в рассматриваемой модели проводится последовательное их нанесение на рисунок 2.6. Модель иллюстрируется в форме СПИРАЛИ («цикл» по-гречески — колесо, круг), как это в свое время рекомендовалось Л.Н. Ботвиикииой.
По местам (секторам) расположения пачек пород (многослоев), нанесенных на «спираль» в той последовательности, в которой они залегают в разрезе цикла, определены условия и обстановки (географические среды), породившие их. «Спираль» (круг) делится вертикальным диаметром на две половины (левую и правую). Правая половина круга признана соответствующей ходу развития тектонического погружения и встречным перемещениям, под влиянием последнего, подземных вод (подток), а левая — тектонического поднятия впадины (равнины) и дренирования наземных и подземных вод вглубь (отток). Затем проводятся еще две линии (два диаметра), пересекая центр круга с шагом через 60° от вертикального диаметра. В круге возникает шесть секторов с разными величинами отрезков на окружности. Второму справа сектору, который условно делится горизонтальным воображаемым диаметром на две равные половины (верхнюю и нижнюю), присваивается название: «Промежуточная субфаза погружения». В этой субфазе по причине тектонического опускания местности и вызванного им подъема подземных вод происходит «первичное» совпадение поверхностей земли (равнины), наземных и подземных вод, приводящее к так называемому суходольному заболачиванию и торфообразованию. Второй сектор, по приуроченности к нему рельефно выделяющейся протяженностью торфяной залежи (угля), в «спирали» практически становится опорным репером. От него по часовой стрелке за пачкой II (угля) в каждый последующий сектор, с учетом условий и обстановок формирования, наносятся другие литологические пачки.
Следующая стадия развития прогиба (района торфяной залежи) относится к конечной субфазе погружения и начальной субфазе поднятия. В данной стадии совершается накопление осадочных образований кровли угольного пласта (пачки III) в водоеме (озере, лагуне, лагунно-морской обстановке). Среди геологов-угольщиков спора о существовании данной стадии нет, так как без надежной кровли немыслимо преобразование торфяника в уголь и захоронение его в ископаемом состоянии.
Признание существования одного погружения и одного поднятия за время формирования разреза литоцикла, факта совпадения поверхностей земли (равнины), наземных и подземных вод в пору становления торфяной залежи (угольного пласта) и факта появления и накопления над последней отложений водоема (пачки III — кровли пласта),— все вместе взятые подсказывают, что на территории торфонакопления и водоема происходит процесс погружения, а затем... и явление поднятия. Очень четко явление поднятия доказывается присутствием в разрезе цикла пачки IV — угольного пропластка или сопутствующих ему почвенно-элювиальных образований, названных элювием стадии заторфования и засыхания водоема. Данный сектор пачки IV в «спирали» отнесен к промежуточной субфазе поднятия. Эта субфаза охватывает отрезок времени, в котором сочетаются процессы, аналогичные описанным в промежуточной субфазе погружения, но уже создающие «вторичное» совпадение поверхностей земли, наземных и подземных вод. Названные «совпадения» порождаются от изменчивости знака («+», «—») вертикальных тектонических движений и встречных к ним движений природных вод.
Существование явления подъема местности углеобразования также отчетливо доказывается отложениями пачки V, залегающими с размывом над пачкой IV и нередко над подстилающими ее образованиями. Ясно, что последовательный процесс подъема территории, явившийся причиной исчезновения водоема, а также накопление после заторфования водоема почвенно-элювиальных пород пачки IV, мог привести только к усилению энергии рельефа и соответственно к зарождению речной системы. Речная обстановка, включая глубинную вертикальную эрозию при подъеме территории (конечная субфаза поднятия), а также расширение долины, заполнение ее русловыми, пойменными, старичными отложениями, выполаживание в прогибе неровностей в пору старения и дряхления (начальная субфаза погружения) завершают стадию формирования аллювия. Она в «спирали» названа емким словом «река». В модели, таким образом, условия реки, «речные» отложения размещаются в верхней половине (верхних двух секторах) круга и отражают наземную обстановку осадконакопления (пачки V и частично IV, I). Нижняя половина, т. е. нижние два сектора, отвечают условиям водоема (озера, лагуны, лагунно-морским) и отражают стадию развития подводной обстановки осадконакопления (пачка III, частично II и IV). По аналогии нижнюю половину «спирали» можно назвать соответствующим емким словом «водоем».
Из сказанного вытекает следующий основополагающий вывод углеобразование может совершаться только при смене наземных условий подводными и наоборот. В модели данный вывод обозначился сменой речной обстановки обстановкой водоема.
Второй важный вывод — это о механизме, о причине появления цикличности. Повторяемость литотипов в разрезе обуславливается периодическими вертикальными погружениями и поднятиями впадины, которые создают встречные вертикальные движения наземных и подземных вод.
Этот механизм сочетания тектонического погружения местности и перемещения вверх («подтока») подземных вод вызывает явление старения и дряхления речной системы, выработку равнинного рельефа («почти пенеплен»), создает условия суходольного заболачивания, торфонакопления, а также приводит к постепенному прекращению роста торфяной залежи (протяженного угольного пласта). Это происходит под влиянием первоначального водоема (зачаточного озера) с пресноводными двустворками. Установлено, что отложения первоначального пресноводного водоема обязательно присутствуют и в тех случаях, когда над ними залегают прибрежно-морские образования. Это лишний раз свидетельствует о «подтоке» подземных вод, прекращающих дальнейший рост торфяника. Как видно, геологические материалы, наблюдения вполне согласуются с реальным ходом развития долгоживущего прогиба и логично «укладываются» в «модели».
Третий вывод — о последовательности событий, которые предопределяются теми же вышеприведенными причинами появления и развития цикличности в угленосной толще. В «модели» («спирали») для цикла с полным набором фаций со всей очевидностью выяснилось, что ландшафты, формировавшие пачки пород I, II, III, IV и V, возникали в строго определенные отрезки времени, в том числе и стадия развития «водоема» (озера, лагуны, моря). Например, начало развития стадии «река» от времени прекращения роста торфяника (давшего протяженный в длину и ширину главный угольный пласт) отстоит не менее чем полсотни тысяч лет (о продолжительности цикла см. ниже). Как видно, распространение идеи о влиянии морского фактора на возникновение всех литологических пачек цикла нельзя считать правильным. Море может ингрессировать в долгоживущий приморский прогиб только в стадию развития «водоема» вслед за окончанием накопления залежи торфа, а также глинистых отложений первоначального пресноводного озера.
В «модели» повторяющиеся устойчивые ландшафтные единицы выделяются как «водоем» и «река». Для проверки правильности геологической информации, а также самой «модели» проведено построение 24 палеолитологических профилей, ориентированных вкрест простирания Интинской синклинали. В профилях, характеризующих промышленную угленосную толщу синклинали, в каждом ЭУЦ рельефно выделились песчаниково-конгломеративые линзы или протяженные залежи, свидетельствующие о развитии стадии «река». Достоверность полученных материалов проверялось, как уже отмечалось выше, сбором фактических данных эксплуатации (по шахтным выработкам) и разведки, на основании которых составлялись карты: «Палеогеография стадии развития речной системы при формировании ЭУЦ угольных пластов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11». Об осадках стадии «водоем», представляющих собой кровлю угольных пластов, у геологов-уголыциков существует единое мнение: они возникли под водой или пресноводной, или лагунно-морской. Однако надо отметить, к единомыслию геологи пришли не по причине выявления логических выводов хода развития ЭУЦ или всей толщи, а по причине вынужденной потребности объяснения факта перехода торфяника в ископаемое состояние, что в природе может осуществляться только после перекрытия его подводными осадками. В «модели» ход развития осадконакопления в циклах, в том числе и осадков кровли угля, доказывается вполне логично, без натяжек.
Продолжительность цикла, по имеющимся данным, составляет 85—110 тыс. лет или в среднем 100 тыс. лет. При этом за время формирования цикла, как указывалось выше, происходит одно тектоническое погружение и одно тектоническое поднятие Цифра «100 тыс. лет» по поводу продолжительности формирования одного цикла имеет некоторый отзвук с понятием и сущностью появления полосовых аномалий магнитного поля, существующих в учении о тектонике литосферных плит. Изучение магнитных аномалий позволило обнаружить наличие факта прямой и обратной полярности в инверсии геомагнитного поля Земли в прошлом. В пространстве они проявляются в виде четких полосовых аномалий магнитного поля. Установлено, что эпохи прямой и обратной полярности накладываются в короткие, продолжительностью примерно 100 тыс. лет интервалы, которые были названы эпизодами.
Представляется, что причины возникновения цикличности, как и полосчатых картинок магнитных аномалий, коренятся в подкоровых движениях вещества мантии. Как писал С.И. Романовский, «...процесс циклогенеза регулируется принципиально одним механизмом, отдельные характеристики которого меняются в зависимости от конкретных сочетаний... условий». Наличие общности и единства хода в развитии природы на Земле, очевидно, нельзя исключить. Смещение полос магнитных аномалий было одним из ключевых наблюдений, приведших к разработке концепций тектоники литосферных плит. Фактические данные по выделению и распределению полосовых аномалий в пространстве (на площади) дали возможность развить не только концепцию о тектонике литосферных плит, но и создать новую геологическую отрасль — палеомагнитную стратиграфию. Последняя решается путем замеров остаточной намагниченности образцов пород. Правомерно, как представляется, распространить явление возникновения названных выше полос магнитных аномалий в определенные отрезки времени — «эпизоды» — на явление формирования ЭУЦ в сходные временные интервалы, выраженные цифрой «100». Подобие их не только в цифровых значениях продолжительности формирования, но и в создании повторяемости наборов пород в разрезе осадочной толщи. Базой для такого утверждения является существующая палеомагнитная стратиграфия. Циклогенез, очевидно, «регулируется одним механизмом» — тем устройством, который в природе вызывает появление полосовых аномалий магнитного поля.
Можно предположить, что периодическое поднятие магмы из мантии и последующее за этим процессом ее остывание оказывают влияние на формирование ЭУЦ. Такое допущение приводит к увязке причин, вызывающих появление циклов с движениями, порождающими инверсию магнитных аномалий, и усиливает значение тезиса о регуляции циклогенеза одним планетарным механизмом.
Как известно, термины «трансгрессия» и «регрессия» в геологии обычно употребляются для обозначения событий, возникающих со свободно движущейся водой. Как правило, «трансгрессия» и «регрессия» вызываются соответственно тектоническими опусканиями или поднятиями приморской части суши. Однако необходимо подчеркнуть, что в природе существуют мощные проявления, связанные с водой, по силе и результатам воздействия мало уступающие ее геологической деятельности в прибрежных частях водоемов. Здесь имеются в виду события, совершающиеся с элизионными и инфильтрационными водами на суше в пределах долгоживущих прогибов. Явления, имеющие аналогию с сущностью процессов в приморье, но происходящие в границах континентальной суши, целесообразно заменять соответственно понятиями «подток» и «отток» К и ОТ дневной поверхности Земли подземных вод. «Подток» возникает при тектоническом погружении в условиях выжимания или выталкивания вверх подземных вод, а «отток» — при тектоническом подъеме в условиях инфильтрирования (дренирования, просачивания) наземных и подземных вод вглубь, вплоть до регионального базиса подземного стока. Как нам представляется, процессы трансгрессии и регрессии, подтока и оттока природных вод в основе своей имеют единую причину возникновения. Они появляются от действия сил тектонического циклического погружения и циклического подъема местности. Указанной единой причиной являются тектонические движения и встречные к ним перемещения наземных и подземных вод, вызывающие появление цикличности и формирующие разрезы ЭУЦ, что было предметом рассмотрения в разделе, изложенном выше.
Углеобразование в долгоживущем Предуральском прогибе, бесспорно, происходило в мульдообразной структуре (мегасинклиналь, синеклиза). Долговечный краевой прогиб, естественно, явился и является конечным долговечным приемником продуктов сноса, состоящих из твердого и жидкого стока. Накопление жидкого стока в синклинальной структуре явилось причиной возникновения в ней напорных и подземных вод, а конседиментационный и активный тектонический характер развития Косыо-Роговской впадины привел к формированию водонапорной (артезианской) системы, т. е. к созданию в ней активной гидродинамической обстановки. В такой благоприятной обводненной среде шло формирование ЭУЦ. Из сказанного вытекает вывод: артезианская (водонапорная) система — это природная форма существования долгоживущего прогиба, в том числе и краевого. С момента появления артезианских (напорных) вод в долгоживущем прогибе начинается эпоха формирования в нем угленосных отложений. С этого отрезка времени фиксируется начало смены морских напластований континентальными, которым затем на смену приходят континентальные образования.
Графическое обоснование общего хода развития ЭУЦ приводится в рисунке 2.7, в котором моделируется процесс циклических тектонических погружений и поднятий, а также встречных к ним перемещений подземных и наземных вод.
