Закономерности углеобразования в системе мезозоид и кайнозоид Северо-Востока России

Под территорией Северо-Востока России понимается огромная страна, расположенная к востоку от р.Лены. На севере она омывается Восточно-Сибирским и Чукотским морями, на востоке — Беринговым и на юге Охотским. Эта территория хорошо известна как богатейшая металлоносная провинция мирового значения. Интенсивное изучение природных богатств края позволило в короткий срок создать здесь крупную горнодобывающую промышленность. Основой энергетики региона, как в настоящее время, так и на обозримое будущее, является бурый и каменный уголь. Основные потребители угля — тепловые электростанции, районные и промышленные котельные, коммунально-бытовой сектор. В целом по региону угольный энергоноситель составляет в общем топливно-энергетическом балансе более 60%. Практически весь добываемый в регионе уголь используется для внутренних нужд. За пределы региона он не вывозится. При этом развитие угледобычи в регионе существенно отстает от потребности в угольном топливе. Поэтому завоз угля из-за пределов региона имеет постоянную тенденцию роста.

В процессе геологического изучения края и его хозяйственного освоения было открыто большое количество месторождений и углепроявлений каменных и бурых углей, общий ресурсный потенциал которых составляет более 200 млрд.тонн. Зная, что на Северо-Востоке России сосредоточены богатейшие месторождения угля, надо признать экономическим парадоксом завоз его сюда из других районов страны. Если хозяйственную деятельность вести разумно, то добычу топлива нужно всемерно приближать к месту его потребления, или добывать уголь там, где стоимость его с учетом перевозки будет минимальной.

Одной из основных причин сложившейся ситуации является слабая геологическая изученность угленосных отложений региона, закономерностей их размещения относительно региональных тектонических структур и палеогеографических условий древнего торфо (угле)накопления. Так, если количество разведанных запасов по отношению к общему количеству прогнозных ресурсов угля в Дальневосточном экономическом районе составляет 9%, то на Северо-Востоке, входящем в его состав — всего 1,5%. Кроме того, опыт показывает, что ставка только на разведанные месторождения при оценке перспектив развития угледобывающей промышленности неоднократно приводила к неудачному выбору эксплуатируемых объектов. Из-за низкого качества угля и сложных горно-геологических условий эксплуатации прекращена добыча его на месторождениях Хасынском, Первомайском, Эльгенском, Финиш.

Высокая эффективность промышленного производства на Северо-Востоке России немыслима без опережающих темпов подготовки запасов угля к промышленному освоению.

Это, в свою очередь, требует усиленного внимания к выбору направления, содержания и объемов геологоразведочных работ на уголь. Успех этого выбора зависит от уровня познания геологии угольных месторождений, генезиса угля, пространственных и временных закономерностей древнего торфонакопления и последующего углеобразования.

Успешное развитие поисковых и разведочных работ на угленосных площадях и в бассейнах Северо-Востока невозможно без теоретического осмысливания накопленного, хоть и скудного, фактического материала по угленосности, без выявления всей суммы условий, определявших место, размеры и состав отлагавшейся биомассы торфяников, будущих угольных залежей. Освещению этих вопросов и посвящена настоящая диссертация.

Актуальность исследований. Основой энергетики северо-восточного региона России в настоящее время является уголь. В ближайшие десятилетия эта тенденция сохранится. По прогнозам в ближайшие годы неизбежен рост потребности в угле, несмотря на некоторый спад, обусловленный временными кризисными явлениями в экономике страны. В то же время эта территория исключительно богата бурыми и каменными углями, пригодными для использования в качестве энергетического топлива и для технологической переработки. За период с 1968 по 1998 г.г. здесь выполнен значительный объем поискового и разведочного бурения, накоплен большой фактический материал по всем, без исключения, направлениям знаний угольной геологии, имеющий неоценимое значение для разработки перспектив развития угледобычи в регионе. Научный анализ имеющихся материалов по рассматриваемой территории является в настоящее время актуальной проблемой.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является выявление пространственно-временных закономерностей в образовании и размещении угленосных формаций в структурах Северо-Востока России, оценка перспективности того или иного типа угольных бассейнов. Исходя из цели, задачами исследований являлись:

1. Анализ геолого-структурного положения угленосных объектов региона.

2. Выделение основных этапов геологического развития северо-восточного региона и эпох углеобразования.

3. Анализ геологического строения угольных бассейнов региона и формационного состава отложений.

4. Установление тектоно-генетических особенностей угольных бассейнов (формаций) региона, их сравнительный анализ и типизация.

5. Выявление закономерностей изменения угленосности, метаморфизма и качества углей, как в отдельных бассейнах, так и в регионе в целом.

6. Прогноз угленосности и качества углей в отдельных бассейнах и на территории Северо-Востока России в целом.

7. Выбор наиболее оптимального направления геологоразведочных работ. Научная новизна.

1. Впервые для северо-восточного региона страны рассмотрена история углеобразования на фоне структурных преобразований земной коры.

2. Охарактеризованы палеотектонические и палеогеографические условия накопления угленосных отложений для каждого стратиграфического уровня углеобразования.

3. Доказана полиформационность ряда угольных бассейнов региона.

4. На основе выявленных связей различных типов угленосных формаций и бассейнов с этапностью геотектонического развития территории разработана их тектоно-генетическая классификация.

5. Выявлены пространственно-временные закономерности изменения угленосности, петрографического состава, метаморфизма и качества углей.

6. Выделены перспективные структуры, рекомендуемые для дальнейшего первоочередного изучения угленосности и развития угледобычи в регионе.

Практическое значение. Выявленные пространственно-временные закономерности в строении угольных бассейнов (формаций) и их размещении в геоструктурах Северо-Востока позволили выделить соответствующие тектоно-генетические типы этих бассейнов (формаций), характерные для каждой геоструктуры. Выделенные тектоно-генетические типы бассейнов (формаций) отличаются между собой характерными чертами угленосности, метаморфизма и качества углей. В связи с этим каждый тектоно-генетический тип угольных бассейнов (формаций) характеризуется присущей ему системой диагностических признаков и прогнозных критериев, которые и являются научной основой прогноза угленосности в регионе. Новые научные разработки позволили наметить первоочередные участки и площади, представляющие наибольшее промышленной значение. Установленные закономерности в распределении угленосности, степени метаморфизма углей и показателей их качества позволили выделить перспективные площади распространения антрацитов, коксующихся и энергетических углей.

Фактический материал, положенный в основу диссертации, накапливался диссертантом в течение тридцати с лишним лет, из которых двадцать пять были связаны непосредственно с проведением поисковых и разведочных работ на месторождениях всех основных эксплуатируемых угольных бассейнов Северо-Востока России: Аркагалинском, Зырянском, Омсукчанском, Беринговском и Анадырском — в качестве старшего, главного геолога и начальника геологоразведочных партий. Под его руководством за эти годы составлены десятки геологических отчетов, а лично диссертантом -13 отчетов, из которых семь, наиболее крупных и значимых, лично им защищены в Государственной комиссии по запасам (ГКЗ) с оценкой «хорошо» и «отлично». Все отчеты, прошедшие через ГКЗ, составлены по месторождениям вышеназванных основных угольных бассейнов региона. Кроме этого, диссертантом лично проведены тематические полевые работы по выявлению перспектив угленосности на территории Аркагалинского, Беринговского и Анадырского бассейнов. В результате этих работ был уточнен возраст меловых, палеогеоновых и неогеновых угленосных отложений в ряде районов этих бассейнов, масштабы их угленосности и открыто новое месторождение малозольных углей в Беринговском районе, названное диссертантом Песчаным. Основные защищаемые положения.

1. В зависимости от стадии тектонического развития территории Северо-Востока России выделена одна тектоно-генетическая группа бассейнов — орогеннаяпо положению в геоструктурах выделено три класса бассейнов: складчатых областей, вулканических поясов и жестких блоковпо характеру материнских палеоструктур выделено шесть типов бассейнов: наложенных приразломных и вулкано-тектонических впадин, наложенных впадин мезозойской области и орогенных прогибов, наложенно-унаслелованных рифтогенных и внутрискладчатых прогибов. Выделенные классы и типы бассейнов (формаций) характеризуются присущими им структурно — вещественными индивидуальностями.

2. Установлено, что скорость торфонакопительных процессов на территории Северо-Востока России в течение мезозоя и кайнозоя возрастала по мере омоложения угленосных толщ. При этом минимумы углеобразования отвечали эпохам активизации тектонических движений, максимумы — эпохам стабилизации тектонической активности.

3. Установлено закономерное изменение мацерального состава углей Северо-Востока России с омоложением их возраста. Среднее содержание витринита постепенно увеличивается с 75% в верхнеюрских углях до 94% - в эоцен-миоценовых углях.

4. Установлено, что ведущее значение в преобразовании углей Северо-Востока России принадлежит региональному метаморфизму. В бассейнах с нижнемеловой угленосностью, территориально тяготеющих к Охотско-Чукотскому вулканогенному поясу, ведущее значение играет термально-контактовый метаморфизм.

5. Установлено, что наибольшие перспективы выявления промышленной угленосности в регионе связаны с бассейнами, расположенными в пределах складчатых областей и Охотско-Чукотского вулканогенного пояса.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на пяти региональных угольных конференциях (г. Владивосток, г. Партизанск, г. Артем), многократно на НТС треста «Дальвостуглеразведка» (г. Владивосток), на ученом совете Геологического института ДВО РАН (г. Владивосток, 1999 г.), на заседании кафедры «Общая и историческая геология».

Ростовского государственного университета (г. Ростов-на-Дону, 1983 г.), на заседании кафедры «Геология и геохимия горючих ископаемых» Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (г. Москва, 2005, 2006 г. г.), на XI Всероссийском угольном совещании (г. Ростов-на-Дону, 2005 г.). Основные положения диссертации изложены в тринадцати геологических отчетах и двадцати шести печатных работах, в том числе трех монографиях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти частей и заключения. В части I приведена характеристика угольных бассейнов и формационного состава угленосных отложений, дана их типизация и показано геолого-структурное положение. В части II рассматриваются факторы древнего торфонакопления, условия последующего углеобразования, охарактеризованы палеотектонические и палеогеографические обстановки накопления угленосных отложений. В части III показаны закономерности изменения угленосности в регионе, в IV — закономерности изменения вещественного состава, качества и метаморфизма углей. Часть V посвящена прогнозу угленосности и качества углей и рекомендациям дальнейшего освоения угольных бассейнов Северо-Востока. Диссертация содержит 286 страницу, 98 рис., 133 таблицы и библиографический список из 179 наименований.

Выводы.

1. Наибольшие перспективы выявления промышленной угленосности в регионе связаны с бассейнами, расположенными в пределах складчатых областей и Охотско-Чукотского вулканогенного пояса.

2. Наибольшие перспективы выявления промышленной угленосности в бассейнах складчатых областей связаны с отложениями нижнего мела (Зырянский, Омсукчанский, Челомджинский, Чаун-Чукотский и Анюйский бассейны), верхнего мела (Аркагалинский бассейн), верхнего мела и эоцена (Пенжинский, Анадырский, Беринговский бассейны), миоцена (Сеймчано-Буюндинский бассейн).

3. Наибольшие перспективы выявления промышленной угленосности в бассейнах вулканогенного пояса связаны с отложениями миоцена (Охотский бассейн).

Рис. 5.4. Схема размещении перспективных для разведки угленосных площадей и месторождений Северо-Востока с прогнозом рабочей угленосности и марочного состава углей.

1 — угольные бассейны и угленосные площади- 2 — месторождения угля- 3−5 — площади и месторождения, перспективные на проведение: 3 — поисковых и поисково-оценочных работ, 4 — предварительной и детальной разведки, 5 — доразведки и эксплуатационной разведки- 6 — эксплуатируемые месторождения- 7−8 — прогноз марочного состава углей: 7а — 1Б, 2Б, ЗБ- 76 — Д, ДГ, Г- 8а — ГЖО, ГЖ, Ж, К, КС, ОС, СС- 86 — Т, А- 9 — прогноз угленосности: числитель — количество рабочих пластов, марка угля, возрастзнаменатель — средняя суммарная мощность рабочих пластов (м), средняя зольность угля (%). Наименование угольных бассейнов, площадей и месторождений см. рис. 5.1.

Заключение

.

Угленосные формации Северо-Востока России характеризуются большим разнообразием по возрасту, условиям накопления, вещественному составу пород и углей, характеру угленосности. Здесь встречаются бассейны с мощностью угленосных отложений от нескольких десятков до нескольких тысяч метров, включающие в себя от 1−2 до 100−150 угольных пластов мощностью от десятков сантиметров до 50−100м. Диапазон марочного состава углей — от бурых до антрацитов. В качестве главных тектонических структур региона, к которым приурочены угольные бассейны, выделяются Верхояно-Чукотская мезозойская, Корякско-Камчатская кайнозойская складчатые области и пограничный Охотско-Чукотский вулканогенный пояс.

Угленосные формации, приуроченные к мезозоидам, формировались в континентальных условиях. Для них характерен лимнический и потамический типы торфои осадконакопления. Угленосные формации области кайнозоид формировались преимущественно в прибрежно-морской обстановке. Для них характерен паралический тип торфо-осадконакопления.

В истории развития земной коры региона выделяются пять этапов углеобразования, характеризующихся различной интенсивностью и масштабами, и отвечающих концу поздней юры, концу раннего и позднего мела, эоцену и миоцену. Выделенные этапы отвечают эпохам стабилизации тектонической активности и характеризуются затуханием, но не прекращением тектонических процессов, и формированием аккумулятивно-денудационного рельефа со сглаженными формами. Это приводило к стабилизации режима поверхностного стока вод. Климатическая контрастность при этом сглаживалась. Проникновение воздушных масс с моря во внутриконтинентальные районы определяло на их территории изменение климата в сторону роста температур и влажности. В растительном мире доминирующее значение приобретали гигро-и термофильные представители преимущественно покрытосеменных. Формировались водоёмы с застойным характером вод, постепенно превращавшиеся в торфяные болота. Геохимическая среда торфонакопления смещалась в сторону восстановительной. Во внутриконтинентальной обстановке она была преимущественно глеевой, в прибрежно-морской-сероводородной. Наиболее мощные залежи торфа формировались во внутриконтинентальной обстановке. В прибрежцо-морской обстановке из-за дефицита кислорода в торфяниках и, как следствие этого, низкой биологической продуктивности болотных фитоценозов, накапливались торфяники небольшой мощности.

В первых половинах раннего и позднего мела, палеоцене, олигоцене и плиоцене условия для торфонакопления в целом на Северо-Востоке были неблагоприятными. Развитию процессов торфонакопления препятствовали интенсивные и контрастные тектонические движения земной коры, приводящие к формированию расчлененного высокогорного рельефа и смещению климата в сторону похолодания и дефицита влаги. В составе растительного мира доминирующее значение обретали психрофильные и более приспособленные к слабому увлажнению формы преимущественно различных голосеменных. Болотообразованию препятствовал неустойчивый и динамичный режим поверхностного стока водсильно развитые окислительные процессы приводили к минерализации растительного опада.

Стабилизация тектонической активности, выравнивание рельефа, формирование кор выветривания способствовали торфорнакоплению в благоприятных для заболачивания структурах, а продолжительность и частота повторяемости этого процесса определяли мощность и количество угольных пластов в бассейн. Захоронение и сохранение торфяников, мощность угленосной толщи, в свою очередь, зависели от продолжительности однонаправленного прогибания ложа бассейна в условиях установившегося равновесия между областями сноса и компенсированным осадками бассейном. Следовательно, основные параметры угленосной толщи зависели от положения угольного бассейна в пределах региональных структур земной коры, стадии их развития и режима колебательных движений. Это, в конечном итоге, и определяет структурную форму (тип) угольного бассейна.

В генетическом отношении все угольные бассейны Северо-Востока России сформировались в орогенный этап развития земной коры. Их палеоструктурный план и тектонический режим эволюционировали во времени, а размещение углеобразующих зон менялось от одного этапа их развития к другому. Из всего многообразия угольных бассейнов (формаций) Северо-Востока по положению в геоструктурах выделено три тектоно-генетических класса бассейнов, различающихся характером угленосности, качеством углей и их практическим значением: складчатых областей, вулканических поясов и жестких блоков. По характеру материнских палеоструктур выделены следующие типы бассейнов. В классе складчатых областей: наложенных впадин мезозойской области, орогенных наложенных прогибов, наложенно-унаследованных рифтогенных и внутрискладчатых прогибов. В бассейнах классов вулканических поясов и жестких блоков выделены, соответственно, типы бассейнов наложенных вулканотектонических и приразломных впадин.

Прослежена связь угленосности с такими факторами торфонакопления, как тектоника, климат, рельеф, геохимическая среда, состав болотных фитоценозов, вулканизм, деятельность микроорганизмовпоказано, что торфонакопление — это сложный биохимический процесс и участие в нём абиотических факторов только усложняет его. Установлено, что скорость торфонакопления на территории Северо-Востока России в течение мезозоя и кайнозоя возрастала по мере омоложения угленосных толщ. В этом же направлении возрастают средние мощности угольных пластов и количество ресурсов угля.

Установлено, что по генетической принадлежности все угли Северо-Востока России относятся к группе гумолитов, к классу гелитолитов. Выявлена зависимость мацерального состава углей от их возраста и типа палеоструктур угольных бассейнов.

Установлено три вида метаморфизма углей: региональный, термальный и контактовый. Ведущее значение в регионе имеет региональный метаморфизм. Метаморфизм углей на стадиях выше коксующихся обычно контактовый или термальный. Установлено, что степень метаморфизма углей и их зольность закономерно повышаются в направлении с северо-запада на юго-восток. Такая закономерность характерна для всех стратиграфических уровней углеобразования. Выявлена связь качества углей с составом растений-торфообразователей, количеством в их составе минеральных элементов, степенью разложения растительного материала и геохимической средой. Установлено, что угли Северо-Востока по степени восстановленности относятся преимущественно к средне-и слабовосстановленным.

Наибольший практический интерес в регионе представляют бассейны (формации), расположенные в пределах складчатых областей и Охотско-Чукотского вулканогенного пояса. Прогнозирование промышленной угленосности в пределах выделенных перспективных современных структур сводится к определению их места в палеоструктуре бассейна и положения сохранившейся части угленосной толщи в генетических контурах угленосной формации.

В целом, основные положения и выводы, изложенные в диссертации, представляют собой единую концепцию о закономерностях образования, строения и размещения угленосных формаций в геоструктурах земной коры такой обширной территории, как Северо-Восток России.

Таким образом, на основе теоретического обобщения накопленного материала осуществлен сравнительный анализ угольных бассейнов Северо-Востока России. Тем самым предпринята попытка подвести определенный итог начальной (региональной) стадии оценки перспектив угленосности этого крупного и специфичного в геологическом отношении региона.

Сравнительный анализ показал, что одними из главных отличительных признаков этих естественно-исторических вещественно-структурных элементов земной коры являются степень преобразованности выполняющих их пород до стадий прото — и мезокатагенеза и их тектоническая гетерогенность как по площади, так и по разрезу.

При оценке перспектив угленосности слабо изученных территорий важное значение придается тектоно-генетическому классифицированию угольных бассейнов. Представляется, что именно комплексный генетический подход, учитывающий как индивидуальное развитие бассейнов, так и эволюционную направленность смены их историко-тектонических типов, может приблизить нас к пониманию геологической природы слабоизученных объектов и прогнозированию их угленосности. Определение генетической последовательности типов бассейнов позволяет осуществлять рассмотрение теоретически возможных сочетаний палеотектонических обстановок, прогнозировать наиболее вероятные типы, количество и комбинации структурно-формационных комплексов и, следовательно, большой набор качественных характеристик угленосности.

В заключение необходимо отметить, по-видимому, ключевую особенность рассматриваемого региона, которая заключается в закономерном изменении большинства его характеристик и параметров, в той или иной степени влиявших на масштабы угленосности и качество угля, в направлении с северо-запада на юго-восток, т. е. в сторону Тихого океана. Так, в этом направлении чётко прослеживаются:

— омоложение складчатости;

— уменьшение мощности земной коры;

— сокращение диапазона стратиграфических уровней угленосности;

— смена генетического типа осадочных формаций от «субплатформенных» через орогенные до близких к геосинклинальным;

— смена литологических типов пород от терригенных полимиктовых в мезозоидах через туфогенные в ранних альпидах к вулканогенно-осадочным в поздних альпидах;

— изменение состава ОВ от сапропелево-гумусового в мезозоидах до гумусового в альпидах;

— увеличение степени регионального метаморфизма;

— увеличение зольности углей.

Основная причина такой направленной территориальной изменчивости перечисленных параметров, по мнению автора, заключается в том, что рассматриваемый регион расположен между двумя океаническими геодепрессиями и охватывает, соответственно, две зоны перехода от континента к Северному Ледовитому и Тихому океанам. Первая относится к категории пассивных, вторая — активных континентальных окраин [61], различающихся характером и направленностью тектонического развития. Пассивная континентальная окраина, в границах примерно соответствующих современным, начала формироваться с середины мелового периода в связи с деструктивными процессами и её можно рассматривать как область достаточно устойчивого и длительного прогибания, не затронутую активной складчатостью и магматизмом. Тектонические процессы активного типа на тихоокеанской окраине отличались сочетанием и чередованием во времени и пространстве режимов конструктивной и деструктивной направленности (Пущаровский, 1976; Грамберг и др., 1982). Для этой области наоборот характерны активная складчатость и магматизм, что и отразилось на площадных изменениях вышеперечисленных параметров.

Первоочередными задачами дальнейших научных углегеологических исследований для территории Северо-Востока России должны стать:

1. Составление общей прогнозной карты угленосности на генетической основе.

2. Составление прогнозных карт по месторождениям с мощными пластами угля, пригодными для открытой отработки.

3. Разработка и внедрение в горно-геологическую практику тектоно-генетической классификации угольных бассейнов и месторождений Северо-Востока России.

4. Изучение химико-технологических и петрографических особенностей углей, распределения в них микроэлементов, и особенностей геохимических обстановок торфо (угле)накопления.

5. Выявление путей наиболее быстрого и экономически выгодного обеспечения энергетическими и технологическими углями территориально-производственных промышленных центров.

В целом специфика угленосности Северо-Востока России заключается в том, что здесь имеется большое число географически разобщенных и геологически разнородных угольных бассейнов, для прогноза, оценки, поиска и разведки которых в каждом конкретном случае требуется корректировка известных, а подчас выработка самостоятельных методических приемов. Кроме того, многие перспективные объекты характеризуются крайне сложными гидрогеологическими и метеорологическими условиями освоения. Однако, как следует из всего вышеизложенного, в рассматриваемом регионе имеется целый ряд угольных бассейнов, на основе разведки и освоения которых вполне реально создание новых центров угледобычи.