Стохастические особенности стратификации сильвинитовых пластов Верхнекамского месторождения и факторы, влияющие на распределение в них концентраций брома

Актуальность проблемы. В пОсновных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" сказано о необходимости усиления поисков и разведки месторождений минеральных удобрений, увеличения их разведанных запасов. Намечено довести выпуск минеральных удобрений в 1985 году до 150−155 млн тон в условных единицах (36−37 млн тон в пересчете на IOO-цроцентное содержание питательных веществ).

Для успешного выполнения намеченной црограммы необходимо кроме увеличения добычи на действующих рудниках, также цроведение поисков и разведки площадей перспективных на наличие агрономических руд, в том числе солей калия.

В СССР, на его громадной территории, имеется целый ряд месторождений калийных солей. Самым крупным из них является Верхнекамское месторождение калийно-магнезиальных солей. Оно расположено в восточной части Русской платформы и относится к нижнепермской галогенной формации, протянувшейся вдоль западных склонов Уральского поднятия.

В настоящее время на Верхнекамском месторождении планируется значительный рост цроизводства минеральных удобрений, как путем увеличения выпуска продукции на действующих, так и за счет ввода новых рудников. Повышение экономической эффективности разведочных работ вызывает необходимость проведения дополнительных геолого-геохимических исследований цродуктивной толщи месторождения.

Цельработы. В результате работ П. И. Преображенского, A.A.

Иванова, Ю. В. Морачевского, М. П. Фивега, А. Е. Ходысова, В.А.Вахраме-евой, Б. М. Голубева, В. И. Раевского и ряда других исследователей накоплен обширный материал по геологическому строению Верхнекамского месторождения. Оконтурены пласты калийных солей, составлено подробное описание разреза продуктивной толщ и ее тектонического строения, изучены минералогия и петрография, рассмотрены основные закономерности распределения целого ряда химических элементов. Однако ряд вопросов генетического характера еще не является окончательно решенным. К их числу относится выявление механизма фор— мирования стратификационной структуры продуктивной толщи и определение факторов, влияющих на распределение в ней концентраций ионов брома.

Первый вопрос важен для повышения эффективности горных работ, поскольку она зависит от свойств пород по разрезу, последние в определенной мере определяются особенностями его стратификации. Проблема факторов, влиявдих на концентрацию брома также актуальна. Бром не только цредставляет ценность сам по себе, но он является тонким геохимическим индикатором истории формирования соляных отложений. Способность ионов брома закономерным образом замещать ионы хлора в кристаллической решетке и накапливаться в рассоле при выпадении из него твердой фазы позволяет применять его при генетических, стратиграфических и палеогеографических построениях. Кроме того с бромом связан целый комплекс рассеянных элементов, сконцентрированных в соляных пластах. Несомненно, что эти элементы явятся объектом эксплуатации в ближайшее время и к этому должна быть подготовлена теоретическая база.

Методы исследования. Для решения поставленных вопросов применены вероятностно-статистические методы-1.

Введете стохастической модели формирования слоистой структуры сильвинитовых пластов позволило для проверки седиментологи-ческих построений использовать аппарат марковский цепей.

Строятся линейные модели распределения брома в пластах продуктивной толщи. Изучение этих моделей методом дисперсионного анализа позволяет рассмотреть некоторые особенности геохимии сильвинитовых и карналлитовых пластов, оценить влияние на конечный состав и строение продуктивной толщи условий седиментации и постседиментационных преобразований на стадиях диагенеза и катагенеза.

С помощью этих методов удалось уточнить некоторые представления о стратификации сильвинитовых пластов, а также рассмотреть роль факторов, влияющих на распределение микроэлементов в пластах продуктивной толщи. Решение этих вопросов имеет большое практическое значение для дальнейшего освоения месторождения и является шагом по направлению к точному прогнозированию распределения запасов по всей его площади.

Научная новизна. Предложены новые при изучении соляных отложений методы обработки геолого-геохимических данных, которые позволили уточнить, а в ряде случаев и дополнить некоторые из существующих цредставлений о геологии и геохимии соляной толщи Верхнекамского месторождения.

Практическое значение работы и ее реализация. Установлен стохастический механизм формирования соляных пластов. Рассмотрена и дана оценка роли основных факторов, оцределивших конечный состав и строение месторождения. В результате сделаны выводы о формировании продуктивной толщи, распределении в ней химических элементов.

Все использованные методы и составленные программы являются универсальными и применимы при изучении не только соляных, но и других типов месторождений.

После опубликования статей с изложением основных результатов исследования в лабораторию математической геологии ЛОМИ АН СССР поступил ряд писем, в которых авторы сообщают о желании более детально познакомиться с этими методами с целью применения их в своей работе.

В настоящее время, составленные автором программы, подготавливаются для передачи в фонд ВЦ ВНИГРИ.

Апробация работы. Основные результаты исследования изложены в двух геологических отчетах и трех опубликованных статьях. Результаты докладывались на заседании Ленинградского общества испытателей природы и на ряде открытых семинаров лаборатории математической геологии ЛОМИ АН СССР.

Содержание и объемработы. Диссертационная работа состоит из основной части и отдельного тома приложений. В основной части приводится текст диссертации. В приложении даны составленные автором программы на Алголе-60, таблицы с моделями по распределению брома, послойные описания пластов и результаты счета по проверке марковских свойств последовательностей прослоев.

Текст диссертации имеет 159 машинописных страниц, II рисунков и II таблиц.

Основной текст диссертационной работы помимо введения и заключения разделен на 4 главы.

В главе I приводятся основные сведения об открытии и последующем изучении Верхнекамского месторождения.

В главе П даются стратиграфия и краткое литологическое описание пластов продуктивной толщ, характеристика тектонического строения месторождения, рассматриваются закономерности изменения литологического состава пластов продуктивной толщи. При изложении автор пользуется как собственными материалами, так фондовыми и литературными. Соответствующие ссылки цриводятся непосредственно в тексте.

В главе Ш после основных сведений об истории соленакопления в кунгурском солеродном бассейне даются описания слоистости пород сильвинитовых пластов, характеристика используемого материала, краткое изложение методики исследования. После этого рассматривается модель формирования прослоев терригенного материала, каменной соли и сильвинита. Производится проверка модели на конкретных разрезах.

В главе 1У на основе полученных данных о природе напластования соляных пластов изучается распределение брома, обосновывается выбор факторов, влияющих на содержание его в пластах продуктивной толщи, дается характеристика используемого материала и краткое описание методики исследования. Затем после предварительного анализа материала в результате обработки 608-ми химических анализов исследуются две модели распределения брома. Первая модель рассматривает случай, когда пласт В сложен карналлитом, а вторая когда пласт В сложен пестрым сильвинитом. В заключение цриводятся основные результаты исследования.

Исходные материалы и личный вклад автора. Материал для настоящей работы был собран и изучен в период с 1972 по 1981 гг. При этом с 1972 по 1976 гг. автор проводил работы в качестве инженера-геолога в институте Земной коры при Ленинградском Государственном Университете, участвовал в сборе и обработке полевого материала, составлении отчетов, построении ряда геологических карт.

Начиная с 1976 года автор работал в лаборатории математической геологии Математического института им. В. А. Стеклова АН СССР в должности младшего научного сотрудника. За это время были сформулированы и развиты в форме модели представления о стохастическом механизме формирования сильвинитовых пластов Верхнекамского месторождения и выяснены факторы, влияющие на расцределение ионов брома в разрабатываемых пластах Kp. II и В. Кроме того в 1976 году автор производил на месторождении дополнительный сбор полевого материала.

Диссертационная работа писалась в 1976;1982 годах в лаборатории математической геологии ЛОМИ АН СССР под руководством доктора геолого-минералогических наук профессора А. Б. Вистелиуса. Большая помощь в выборе и применении тех или иных математических методов, составлении программ для ЭВМ была оказана автору А.В.Фа-асом, Б. П. Харламовым, Д. Н. Ивановым, Г. А. Талмуд. Содействие в сборе первичного материала оказали Б. М. Голубев, Б. И. Сапегин.

Всем лицам, оказавшим помощь в написании диссертационной работы, автор выражает болыцуто и искреннюю благодарность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена дальнейшему изучению природы формирования Верхнекамского месторождения калийных солей. Накопленный к настоящему времени обширный материал по геологии, тектонике, геохимии, палеогеографии, минералогии и петрографии продуктивной толщи месторождения позволяет цриступить к его формализации.

Автором применен ряд новых при изучении соляных отложений математических методов: стохастическое моделирование (цепи Маркова), линейное моделирование, трехфакторный дисперсионный анализ. В результате формализованы имеющиеся представления о природе соляной седиментации. Введена стохастическая модель, нецротиворечи-вость которой проверяется сравнением ее с наблюдениями.

Установлено, что чередование сезонных црослоев галопелитово-го вещества, каменной соли и сильвинита не детерминированное и не хаотическое. Но проявляется определенная зависимость мевду составами прослоев, т. е. влияние на формирование данного прослоя одного ш нескольких предыдущих.

Подтверждается предположение, что последовательности сезонных црослоев являются аналогами марковских цепей. Выявление такой формы организованности раскрывает вероятностный характер чередования црослоев различного литологического состава. Отсутствие в разрезе отдельных прослоев не нарушает общего марковского механизма седиментации, природа которого аналогична смене во времени климатических условий. Поэтому реальные разрезы очень точно отражают первично-седиментационные условия их формирования.

На примере распределения брома разбираются особенности геохимии участков продуктивной толщи, сложенных 1фасным сильвинитом и карналлитом с одной стороны (модель I) и с другой, соответственно красным и пестрым сильвинитом (модель II).

Построение и изучение линейных моделей распределения брома для этих двух типов разрезов позволило сделать выводы о формировании продуктивной толщи, распределении в ней химических элементов и дать количественную оценку не только роли основных факторов, определивших конечные состав и строение месторождения, но и их взаимодействий.

Показано, что содержание и распределение брома в пластах продуктивной толщи в значительной мере определяются такими геологическими факторами, как палеогеографические условия эпохи солена-кошгения, интенсивность постседиментационных преобразований соляных пластов, их литологический состав и стратиграфическое положение в разрезе.

Выяснено, что для рассмотренных двух основных типов разрезов продуктивной толщи (пласт В сложен карналлитом или пестрым сильвинитом) роль этих факторов и их взаимодействий неодинакова, что определяется различными условиями их образования.

На основе сравнения полученных результатов изучения обеих моделей установлено предпочтение гипотезы о вторичном происхождении пестрых сильвинитов.

Подтверждено, что структурные поднятия образовались в пост-седиментационный период до полной литификации соляных отложений на стадии позднего диагенеза-катагенеза. Структурообразоваше происходило с участием погребенных рассолов, что подтверждавтся геохимическими и геологическими данными. Установлено, что в карналлитах, считающихся первичными образованиями, мало влияние структурного фактора на распределение брома и оно велико в отложениях пестрого сильвинита.

Использование данных о распределении брома позволило оценить роль различных факторов и их взаимодействий и 1фоме того рассмотреть проблему происхождения пестрых сильвинитов.

В диссертационной работе доказываются следующие основные положения:

1, Марковский вид последовательностей сезонных прослоев га-лопелитового вещества, каменной соли и сильвинита, статистически неотличимый от порядка чередования климатических состояний, что подтвервдает эвапоритовый характер первого, седиментационного этапа формирования соляной залежи Верхнекамского месторождения.

2. Существенное значение постседиментационного этапа (на стадии диагенеза-катагенеза) в формировании состава и структур продуктивной толщи.

Настоящая работа имеет определенное методическое значение. Соляные, а именно сильвинитовые пласты с их четкой стратифициро-ванностью — идеальный объект для разработки стохастической модели соленакопления.

Применяемые автором математические методы являются новыми в.