Помощь студентам в учебе
МИНЕРАЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПИРОКЛАСТИЧЕСКОГО ВУЛКАНОГЕННОГО МАТЕРИАЛА КАРБОНА-ПЕРМИ В УГЛЯХ КУЗНЕЦКОГО И МИНУСИНСКОГО БАССЕЙНОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ПИРОКЛАСТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА В УГЛЯХ 9
1.1. История изучения тонштейнов 9
1.2. Пирокластический материал как фактор, влияющий на геохимию угля 13
1.3. История изучения пирокластического материала в углях Сибири 15
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 17
2.1. Методика опробования 17
2.2. Методика аналитических исследований 20
ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МИНУСИНСКОГО И
КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНОВ 31
3.1. Кузнецкий угольный бассейн 32
3.2. Минусинский угольный бассейн 40
ГЛАВА 4. ТОНШТЕЙНЫ КУЗНЕЦКОГО И МИНУСИНСКОГО БАССЕЙНОВ 49
4.1. Полевая диагностика тонштейнов 49
4.2. Минеральный состав тонштейнов 53
4.3. Геохимические особенности тонштейнов 59
ГЛАВА 5. КРИТЕРИИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПИРОКЛАСТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА В
УГЛЯХ 68
5.1. Титановый модуль 68
5.2. Классификационная диаграмма Винчестера и Флойда 69
5.3. Радиоактивные элементы 72
5.4. Графики распределения РЗЭ 73
5.5. Анализ состава пирокластики в углях Кузнецкого и Минусинского бассейнов с
использованием выделенных критериев 74
5.6. Реконструкция этапов изменения состава пирокластического материала 75
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ ПИРОКЛАСТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ГЕОХИМИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ УГЛЕЙ 80
6.1. Обогащение углей редкими элементами-примесями на контакте с тонштейнами 80
6.2. Редкометалльное оруденение в углях Кузнецкого и Минусинского бассейнов, связанное с
пирокластикой 85
ГЛАВА 7. КОРРЕЛЯЦИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ИСТОЧНИК ПЕПЛОВОГО
МАТЕРИАЛА 100
7.1. Корреляция угольных пластов на основе минералого-геохимических особенностей
тонштейнов 100
7.2. Источники пирокластического материала 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 109
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ПИРОКЛАСТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА В УГЛЯХ 9
1.1. История изучения тонштейнов 9
1.2. Пирокластический материал как фактор, влияющий на геохимию угля 13
1.3. История изучения пирокластического материала в углях Сибири 15
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 17
2.1. Методика опробования 17
2.2. Методика аналитических исследований 20
ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МИНУСИНСКОГО И
КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНОВ 31
3.1. Кузнецкий угольный бассейн 32
3.2. Минусинский угольный бассейн 40
ГЛАВА 4. ТОНШТЕЙНЫ КУЗНЕЦКОГО И МИНУСИНСКОГО БАССЕЙНОВ 49
4.1. Полевая диагностика тонштейнов 49
4.2. Минеральный состав тонштейнов 53
4.3. Геохимические особенности тонштейнов 59
ГЛАВА 5. КРИТЕРИИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПИРОКЛАСТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА В
УГЛЯХ 68
5.1. Титановый модуль 68
5.2. Классификационная диаграмма Винчестера и Флойда 69
5.3. Радиоактивные элементы 72
5.4. Графики распределения РЗЭ 73
5.5. Анализ состава пирокластики в углях Кузнецкого и Минусинского бассейнов с
использованием выделенных критериев 74
5.6. Реконструкция этапов изменения состава пирокластического материала 75
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ ПИРОКЛАСТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ГЕОХИМИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ УГЛЕЙ 80
6.1. Обогащение углей редкими элементами-примесями на контакте с тонштейнами 80
6.2. Редкометалльное оруденение в углях Кузнецкого и Минусинского бассейнов, связанное с
пирокластикой 85
ГЛАВА 7. КОРРЕЛЯЦИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ИСТОЧНИК ПЕПЛОВОГО
МАТЕРИАЛА 100
7.1. Корреляция угольных пластов на основе минералого-геохимических особенностей
тонштейнов 100
7.2. Источники пирокластического материала 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 109
Актуальность работы. За почти вековую историю изучения металлоносности углей выявлена большая группа разнообразных типов месторождений редких, благородных и цветных металлов в углях и углистых породах (Середин, 2004; Seredin, Finkelman, 2008; Seredin, Dai, 2012; Seredin et al., 2013; Арбузов и др., 2014; Dai et al., 2016a, 2016b; Dai et al., 2018). В настоящее время в промышленных масштабах из угля добываются только германий, литий и галлий (Seredin, 2012; Lin et al., 2013; Qin et al., 2015), существовало, но прекращено производство урана (Hurst, 1981; Monnet et al., 2015) и золота (Леонов и др., 1998). Некоторые типы месторождений редких металлов в углях сформировались под влиянием субсинхронного вулканизма.
Наличие пирокластического материала отмечено в большинстве угольных бассейнов мира. А.В. Ван одним из первых с достаточной полнотой оценил исключительную роль вулканизма в формировании современного облика угленосных отложений Сибирского региона (Ван, 1967, 1968, 1972, 1973а, 1974). На примере целого ряда угольных бассейнов (Кузнецкий, Минусинский, Тунгусский), он показал глобальную роль вулканизма в формировании угленосных отложений (Ван, 1972, 2001).
Фактор синхронного вулканизма оказывает существенное влияние на формирование геохимического фона редких элементов-примесей в углях (Finkelman, 1993). Вулканогенный материал встречается в угольных пластах преимущественно в виде маломощных глинистых прослоев - тонштейнов.
Известно, что тонштейны могут быть источником высоких концентраций большой группы редких элементов-примесей в углях (Zelenski, 1985; Crowley, 1989; Hower, 1999; Dai, 2003b, 2010, 2012, 2016; Арбузов и др., 2003; Арбузов, Ершов, 2007; Arbuzov et al., 2016).
Металлоносные угли, образованные в процессе преобразования пирокластического материала в палеоболоте, могут занимать значительные территории. Сохранение высоких концентраций элементов-примесей в таких углях дает возможность попутного извлечения их них редких металлов.
С конца XX века в отложениях Минусинского и Кузнецкого бассейнов известны редкометалльно-угольные месторождения (Горький, 1972; Середин, 1994; Арбузов и др., 2000, 2003; Арбузов и др., 2007). Высказаны предположения о том, что источником оруденения могла послужить пирокластика кислого и щелочного составов. Однако детальных исследований, направленных на изучение состава исходного пирокластического материала, не проводилось.
В связи с этим, разработка комплекса критериев идентификации пирокластического материала в угле является актуальной задачей, решение которой позволит оценить роль вулканизма в процессе формирования геохимической специализации углей, в образовании редкометалльно-угольных месторождений и выявить новые месторождения редких металлов в углях мира.
Цель работы. Изучить минералого-геохимические особенности пирокластического вулканогенного материала и вмещающих их углей Кузнецкого и Минусинского бассейнов и разработать минералого-геохимические критерии распознавания состава первичной вулканогенной пирокластики в углях.
Задачи исследования:
1) Изучить минеральный и химический состав тонштейнов и разработать комплекс минералого-геохимических критериев для идентификации первичного состава вулканогенной пирокластики;
2) Реконструировать исходный состав вулканогенной пирокластики из которой сформировались тонштейны по минералого-геохимическим критериям;
3) Оценить влияние пирокластического материала, сформировавшего тонштейны, на химический состав вмещающих их углей;
4) Выделить в углях группы химических элементов, источником которых послужил пирокластический материал различного состава;
5) Установить источники вулканогенной пирокластики, сформировавшей тонштейны;
6) Оценить перспективы металлоносности углей Кузнецкого и Минусинского бассейнов, обусловленной влиянием вулканогенной пирокластики.
Фактический материал и методы исследования. В основу работы положены результаты исследования более 800 проб угля, внутрипластовых вулканогенных прослоев и углевмещающих пород, отобранных в процессе полевых работ в Минусинском и Кузнецком угольных бассейнах при непосредственном участии автора.
Отобранные пробы угля озолялись с определением зольности и влажности. Озоление проб проводилось при 800±15 °С в соответствии с ГОСТ 11022-95 в научно-исследовательской лаборатории по комплексному использованию горючих ископаемых НИ ТПУ (исполнитель - С. Г. Маслов).
При выполнении исследования применялся комплекс современных методов нейтронно-активационного анализа (ИНАА), масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП- МС) и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС).
ИНАА выполнен в ядерно-геохимической лаборатории на исследовательском ядерном реакторе ИРТ-Т ТПУ (аналитик А.Ф, Судыко). Определение содержания химических элементов в пробах осуществлялось без предварительного концентрирования для исключения возможности потерь элементов при озолении.
Исследования методами ИСП-МС и ИСП-АЭС произведены в аналитическом центре Дальневосточного геологического института ДВО РАН (исполнитель Н.В. Зарубина) и в ООО «Химико-аналитический центр «Плазма»» (директор - Н.В. Федюнина).
Определение содержания Hg в образцах выполнено методом беспламенной абсорбции на приборе РА-915+ с пиролитической приставкой ПИРО-915 (метод пиролиза).
Для изучения структурно-текстурных особенностей, минерального состава, характера органических остатков неугольных прослоев применялся петрографический анализ.
Исследование состава минерального вещества породных прослоев, в том числе глинистых минералов, произведено методом рентгенофазового анализа (РФА). РФА был проведен на дифрактометре Bruker D2 Phaser в МИНОЦ «Урановая геология» в отделении геологии ТПУ (исполнитель А.В. Вергунов) и в лаборатории седиментологии АО «ТомскНИПИнефть» с использованием рентгеновского дифрактометра RIGAKU Ultima IV c реализацией съемки рентгенограмм в геометрии Брега-Брентано (исполнитель Ю.М. Лопушняк).
Изучение микроминеральных форм элементов в углях и золах углей производилось на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Hitachi S-3400N в МИНОЦ «Урановая геология» в отделении геологии ТПУ. Состав включений устанавливался с помощью энерго-дисперсионного спектрометра Bruker XFlash 4010/5010. Исследование проб выполнялось в режиме низкого вакуума с детектором обратно-рассеянных электронов.
Защищаемые положения.
1. Установлено, что тонштейны Минусинского и Кузнецкого бассейнов сформировались из риолитового, андезитового и щелочно-базитового вулканогенного пеплового материала. Разработан комплекс минералого-геохимических критериев идентификации первичного состава преобразованной в тонштейны вулканогенной пирокластики (TiO2/Al2O3, диаграмма Nb/Y- Zr/TiO2, графики распределения РЗЭ, содержание редких и радиоактивных элементов).
2. В процессе преобразования вулканогенной пирокластики при торфообразовании и в угольном пласте происходит интенсивная миграция, перераспределение и изменение форм нахождения большинства химических элементов, в том числе слабо подвижных в зоне гипергенеза Ti, Zr, Nb, Ta, РЗЭ, Th.
3. Пирокластический материал, сформировавший тонштейны Минусинского и Кузнецкого бассейна, оказал существенное влияние на редкометалльную геохимическую специализацию углей. С вулканогенной пирокластикой кислого и щелочного состава в Минусинском и Кузнецком бассейнах связано комплексное Nb, Ta, Zr, Hf, РЗЭ, Ga, Th оруденение.
Научная новизна
Установлено, что тонштейны Кузнецкого и Минусинского бассейнов имеют отличительные минералогические и геохимические особенности, на основе которых становиться возможна их идентификация как преобразованной вулканогенной пирокластики.
На основе предложенного комплекса методов определен состав исходного пеплового материала, послужившего источником для формирования тонштейнов. Среди изученных тонштейнов преобладают продукты преобразования кислой пирокластики преимущественно риолитового и риодацитового состава. Менее распространены тонштейны - производные пеплов среднего состава, и исключительно редко встречаются тонштейны, образованные из пеплов основного и щелочно-основного состава.
Установлено, что различный состав исходного пирокластического материала проявляется не только в особенностях химического и минерального состава образованных из него тонштейнов, но и в формировании в углях на границе с тонштейнам специфических геохимических ассоциаций.
С вулканогенной пирокластикой, выявленной в углях Минусинского и Кузнецкого бассейнов, связано комплексное Nb, Ta, Zr, Hf, РЗЭ, Ga, U, Th оруденение. Пирокластический материал прослеживается в одновозрастных отложениях в виде породных прослоев. Данные породные прослои могут служить реперами для межбассейновой корреляции углей.
Теоретическая и практическая значимость работы
Существующие методы распознавания тонштейнов в пластах не всегда позволяют надежно идентифицировать исходный состав и природу изучаемых прослоев. Главной причиной этого является практически полное изменение исходного вулканогенного материала, из которого сформировался прослой.
Разработка критериев минералогического и геохимического распознавания прослоев пирокластического вулканогенного материала (тонштейнов), позволяет оптимизировать процедуру и повысить достоверность их идентификации. Это позволит проводить корреляцию угольных пластов Кузнецкого и Минусинского бассейнов как внутри бассейнов, так и между собой, а также выяснить эволюцию магматизма, субсинхронного процессу торфообразования карбона-перми на территории Сибирского региона.
Достоверность защищаемых положений обусловлена представительным количеством проб для статистических расчетов, применением высокочувствительных аналитических методов элементного анализа (ИНАА, ИСП-МС), выполненного в аккредитованных лабораториях, а также применением современных методик прямого анализа минеральных форм нахождения элементов (рентгенофазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия).
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты докладывались на Международных симпозиумах студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2016-2021 гг.), Российской молодежной научно-практической Школе с международным участием «Новое в познании процессов рудообразования» (Москва, 2016, 2018, 2019), X Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» (Пермь, 2017), IX Всероссийской конференции с международным участием «Петрология магматических и метаморфических комплексов» (Томск, 2017), Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы геохимии» (Иркутск, 2018), XIV Международной научно-практической конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2019), Всероссийской научной конференции «Геохимия нефти и газа, нефтематеринских пород, угля и горючих сланцев» (Сыктывкар, 2019 г.), 7 Международной конференции «Крупные изверженные провинции в истории Земли» (Томск, 2019), II Молодежной научно-образовательной конференции ЦНИГРИ: «Минерально¬сырьевая база алмазов, благородных и цветных металлов - от прогноза к добыче» (Москва, 2021).
Основные положения диссертационной работы изложены в 21 публикации, в том числе: 5 статей в журналах перечня ВАК, из них 5 индексируемые в Scopus и Web of Science.
В 2020 году статья «Geochemistry, mineralogy and genesis of rare metal (Nb-Ta-Zr-Hf-Y- REE-Ga) coals of the seam XI in the south of Kuznetsk Basin, Russia» отмечена премией Дала Суэйна как лучшая опубликованная работа в области неорганической или органической геохимии и/или минералогии угля или нефтематеринских пород (2020 TSOP Dal Swaine Award).
Работа выполнялась в рамках реализации гранта РФФИ «Минералого-геохимическая идентификация продуктов эксплозивного вулканизма в углях карбон-пермского возраста Минусинского и Кузнецкого угольных бассейнов» (16-05-00405А) 2016-2017 гг., гранта РФФИ «Механизмы накопления ценных элементов в углях и генезис редкометалльно-угольных месторождений разновозрастных осадочных бассейнов (Южная Сибирь, юг Дальнего Востока России и Северо-западный Китай)» (16-55-53122 ГФЕН_а) 2016-2017 гг., гранта РНФ «Теоретическое и эмпирическое обоснование условий и факторов накопления ценных и токсичных элементов-примесей в углях, прогнозно-поисковые критерии металлоносных углей и оценка металлоносности угольных бассейнов азиатской части России» (18-17-00004), гранта РФФИ «Аспиранты» «Разработка критериев минералого-геохимической идентификации пирокластического вулканогенного материала в угленосных отложениях Кузнецкого и Минусинского бассейнов» (19-35-90010).
Личный вклад автора состоял в опробовании и изучении тонштейнов и вмещающих их углей Минусинского и Кузнецкого бассейнов, в обработке и подготовке проб для аналитических исследований, составлении баз данных элементного состава пород и углей, проведении рентгенофазового анализа и электронно-микроскопическом изучении образцов. Также автором, на основании полученных аналитических данных было выполнено построение графиков, диаграмм, разрезов и карт. Автором выполнен анализ полученных результатов, их интерпретация и сформулированы итоги исследований в виде защищаемых положений.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, доктору геолого-минералогических наук, профессору отделения геологии ИШПР ТПУ Сергею Ивановичу Арбузову за научное сопровождение и методическую помощь на всем протяжении выполнения работы.
За содействие в полевых работах автор признателен главному геологу ОАО «Разрез Аршановский» В.М. Соболенко (г. Абакан), главному геологу ПАО «Угольная компания «Южный Кузбасс»» В. А. Иванову (г. Междуреченск).
За ценные советы, консультации автор благодарен д.г.-м.н., профессорам Л.П. Рихванову, Е.Г. Язикову, к.г.-м.н. В.А. Домаренко, Б.Р. Соктоеву, С.С. Ильенку. Автор выражает благодарность д.г-м.н., Э.В. Сокол за конструктивные замечания и консультации.
Автор признателен сотрудникам аналитических лабораторий А.Ф. Судыко, Л.В. Богутской, Н.В. Зарубиной, Н.В. Федюниной за проведение большого объема аналитических исследований, С.Г. Маслову и В.С. Архипову за проведение работ по озолению углей и определению зольности.
Наличие пирокластического материала отмечено в большинстве угольных бассейнов мира. А.В. Ван одним из первых с достаточной полнотой оценил исключительную роль вулканизма в формировании современного облика угленосных отложений Сибирского региона (Ван, 1967, 1968, 1972, 1973а, 1974). На примере целого ряда угольных бассейнов (Кузнецкий, Минусинский, Тунгусский), он показал глобальную роль вулканизма в формировании угленосных отложений (Ван, 1972, 2001).
Фактор синхронного вулканизма оказывает существенное влияние на формирование геохимического фона редких элементов-примесей в углях (Finkelman, 1993). Вулканогенный материал встречается в угольных пластах преимущественно в виде маломощных глинистых прослоев - тонштейнов.
Известно, что тонштейны могут быть источником высоких концентраций большой группы редких элементов-примесей в углях (Zelenski, 1985; Crowley, 1989; Hower, 1999; Dai, 2003b, 2010, 2012, 2016; Арбузов и др., 2003; Арбузов, Ершов, 2007; Arbuzov et al., 2016).
Металлоносные угли, образованные в процессе преобразования пирокластического материала в палеоболоте, могут занимать значительные территории. Сохранение высоких концентраций элементов-примесей в таких углях дает возможность попутного извлечения их них редких металлов.
С конца XX века в отложениях Минусинского и Кузнецкого бассейнов известны редкометалльно-угольные месторождения (Горький, 1972; Середин, 1994; Арбузов и др., 2000, 2003; Арбузов и др., 2007). Высказаны предположения о том, что источником оруденения могла послужить пирокластика кислого и щелочного составов. Однако детальных исследований, направленных на изучение состава исходного пирокластического материала, не проводилось.
В связи с этим, разработка комплекса критериев идентификации пирокластического материала в угле является актуальной задачей, решение которой позволит оценить роль вулканизма в процессе формирования геохимической специализации углей, в образовании редкометалльно-угольных месторождений и выявить новые месторождения редких металлов в углях мира.
Цель работы. Изучить минералого-геохимические особенности пирокластического вулканогенного материала и вмещающих их углей Кузнецкого и Минусинского бассейнов и разработать минералого-геохимические критерии распознавания состава первичной вулканогенной пирокластики в углях.
Задачи исследования:
1) Изучить минеральный и химический состав тонштейнов и разработать комплекс минералого-геохимических критериев для идентификации первичного состава вулканогенной пирокластики;
2) Реконструировать исходный состав вулканогенной пирокластики из которой сформировались тонштейны по минералого-геохимическим критериям;
3) Оценить влияние пирокластического материала, сформировавшего тонштейны, на химический состав вмещающих их углей;
4) Выделить в углях группы химических элементов, источником которых послужил пирокластический материал различного состава;
5) Установить источники вулканогенной пирокластики, сформировавшей тонштейны;
6) Оценить перспективы металлоносности углей Кузнецкого и Минусинского бассейнов, обусловленной влиянием вулканогенной пирокластики.
Фактический материал и методы исследования. В основу работы положены результаты исследования более 800 проб угля, внутрипластовых вулканогенных прослоев и углевмещающих пород, отобранных в процессе полевых работ в Минусинском и Кузнецком угольных бассейнах при непосредственном участии автора.
Отобранные пробы угля озолялись с определением зольности и влажности. Озоление проб проводилось при 800±15 °С в соответствии с ГОСТ 11022-95 в научно-исследовательской лаборатории по комплексному использованию горючих ископаемых НИ ТПУ (исполнитель - С. Г. Маслов).
При выполнении исследования применялся комплекс современных методов нейтронно-активационного анализа (ИНАА), масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП- МС) и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС).
ИНАА выполнен в ядерно-геохимической лаборатории на исследовательском ядерном реакторе ИРТ-Т ТПУ (аналитик А.Ф, Судыко). Определение содержания химических элементов в пробах осуществлялось без предварительного концентрирования для исключения возможности потерь элементов при озолении.
Исследования методами ИСП-МС и ИСП-АЭС произведены в аналитическом центре Дальневосточного геологического института ДВО РАН (исполнитель Н.В. Зарубина) и в ООО «Химико-аналитический центр «Плазма»» (директор - Н.В. Федюнина).
Определение содержания Hg в образцах выполнено методом беспламенной абсорбции на приборе РА-915+ с пиролитической приставкой ПИРО-915 (метод пиролиза).
Для изучения структурно-текстурных особенностей, минерального состава, характера органических остатков неугольных прослоев применялся петрографический анализ.
Исследование состава минерального вещества породных прослоев, в том числе глинистых минералов, произведено методом рентгенофазового анализа (РФА). РФА был проведен на дифрактометре Bruker D2 Phaser в МИНОЦ «Урановая геология» в отделении геологии ТПУ (исполнитель А.В. Вергунов) и в лаборатории седиментологии АО «ТомскНИПИнефть» с использованием рентгеновского дифрактометра RIGAKU Ultima IV c реализацией съемки рентгенограмм в геометрии Брега-Брентано (исполнитель Ю.М. Лопушняк).
Изучение микроминеральных форм элементов в углях и золах углей производилось на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Hitachi S-3400N в МИНОЦ «Урановая геология» в отделении геологии ТПУ. Состав включений устанавливался с помощью энерго-дисперсионного спектрометра Bruker XFlash 4010/5010. Исследование проб выполнялось в режиме низкого вакуума с детектором обратно-рассеянных электронов.
Защищаемые положения.
1. Установлено, что тонштейны Минусинского и Кузнецкого бассейнов сформировались из риолитового, андезитового и щелочно-базитового вулканогенного пеплового материала. Разработан комплекс минералого-геохимических критериев идентификации первичного состава преобразованной в тонштейны вулканогенной пирокластики (TiO2/Al2O3, диаграмма Nb/Y- Zr/TiO2, графики распределения РЗЭ, содержание редких и радиоактивных элементов).
2. В процессе преобразования вулканогенной пирокластики при торфообразовании и в угольном пласте происходит интенсивная миграция, перераспределение и изменение форм нахождения большинства химических элементов, в том числе слабо подвижных в зоне гипергенеза Ti, Zr, Nb, Ta, РЗЭ, Th.
3. Пирокластический материал, сформировавший тонштейны Минусинского и Кузнецкого бассейна, оказал существенное влияние на редкометалльную геохимическую специализацию углей. С вулканогенной пирокластикой кислого и щелочного состава в Минусинском и Кузнецком бассейнах связано комплексное Nb, Ta, Zr, Hf, РЗЭ, Ga, Th оруденение.
Научная новизна
Установлено, что тонштейны Кузнецкого и Минусинского бассейнов имеют отличительные минералогические и геохимические особенности, на основе которых становиться возможна их идентификация как преобразованной вулканогенной пирокластики.
На основе предложенного комплекса методов определен состав исходного пеплового материала, послужившего источником для формирования тонштейнов. Среди изученных тонштейнов преобладают продукты преобразования кислой пирокластики преимущественно риолитового и риодацитового состава. Менее распространены тонштейны - производные пеплов среднего состава, и исключительно редко встречаются тонштейны, образованные из пеплов основного и щелочно-основного состава.
Установлено, что различный состав исходного пирокластического материала проявляется не только в особенностях химического и минерального состава образованных из него тонштейнов, но и в формировании в углях на границе с тонштейнам специфических геохимических ассоциаций.
С вулканогенной пирокластикой, выявленной в углях Минусинского и Кузнецкого бассейнов, связано комплексное Nb, Ta, Zr, Hf, РЗЭ, Ga, U, Th оруденение. Пирокластический материал прослеживается в одновозрастных отложениях в виде породных прослоев. Данные породные прослои могут служить реперами для межбассейновой корреляции углей.
Теоретическая и практическая значимость работы
Существующие методы распознавания тонштейнов в пластах не всегда позволяют надежно идентифицировать исходный состав и природу изучаемых прослоев. Главной причиной этого является практически полное изменение исходного вулканогенного материала, из которого сформировался прослой.
Разработка критериев минералогического и геохимического распознавания прослоев пирокластического вулканогенного материала (тонштейнов), позволяет оптимизировать процедуру и повысить достоверность их идентификации. Это позволит проводить корреляцию угольных пластов Кузнецкого и Минусинского бассейнов как внутри бассейнов, так и между собой, а также выяснить эволюцию магматизма, субсинхронного процессу торфообразования карбона-перми на территории Сибирского региона.
Достоверность защищаемых положений обусловлена представительным количеством проб для статистических расчетов, применением высокочувствительных аналитических методов элементного анализа (ИНАА, ИСП-МС), выполненного в аккредитованных лабораториях, а также применением современных методик прямого анализа минеральных форм нахождения элементов (рентгенофазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия).
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты докладывались на Международных симпозиумах студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2016-2021 гг.), Российской молодежной научно-практической Школе с международным участием «Новое в познании процессов рудообразования» (Москва, 2016, 2018, 2019), X Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» (Пермь, 2017), IX Всероссийской конференции с международным участием «Петрология магматических и метаморфических комплексов» (Томск, 2017), Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы геохимии» (Иркутск, 2018), XIV Международной научно-практической конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2019), Всероссийской научной конференции «Геохимия нефти и газа, нефтематеринских пород, угля и горючих сланцев» (Сыктывкар, 2019 г.), 7 Международной конференции «Крупные изверженные провинции в истории Земли» (Томск, 2019), II Молодежной научно-образовательной конференции ЦНИГРИ: «Минерально¬сырьевая база алмазов, благородных и цветных металлов - от прогноза к добыче» (Москва, 2021).
Основные положения диссертационной работы изложены в 21 публикации, в том числе: 5 статей в журналах перечня ВАК, из них 5 индексируемые в Scopus и Web of Science.
В 2020 году статья «Geochemistry, mineralogy and genesis of rare metal (Nb-Ta-Zr-Hf-Y- REE-Ga) coals of the seam XI in the south of Kuznetsk Basin, Russia» отмечена премией Дала Суэйна как лучшая опубликованная работа в области неорганической или органической геохимии и/или минералогии угля или нефтематеринских пород (2020 TSOP Dal Swaine Award).
Работа выполнялась в рамках реализации гранта РФФИ «Минералого-геохимическая идентификация продуктов эксплозивного вулканизма в углях карбон-пермского возраста Минусинского и Кузнецкого угольных бассейнов» (16-05-00405А) 2016-2017 гг., гранта РФФИ «Механизмы накопления ценных элементов в углях и генезис редкометалльно-угольных месторождений разновозрастных осадочных бассейнов (Южная Сибирь, юг Дальнего Востока России и Северо-западный Китай)» (16-55-53122 ГФЕН_а) 2016-2017 гг., гранта РНФ «Теоретическое и эмпирическое обоснование условий и факторов накопления ценных и токсичных элементов-примесей в углях, прогнозно-поисковые критерии металлоносных углей и оценка металлоносности угольных бассейнов азиатской части России» (18-17-00004), гранта РФФИ «Аспиранты» «Разработка критериев минералого-геохимической идентификации пирокластического вулканогенного материала в угленосных отложениях Кузнецкого и Минусинского бассейнов» (19-35-90010).
Личный вклад автора состоял в опробовании и изучении тонштейнов и вмещающих их углей Минусинского и Кузнецкого бассейнов, в обработке и подготовке проб для аналитических исследований, составлении баз данных элементного состава пород и углей, проведении рентгенофазового анализа и электронно-микроскопическом изучении образцов. Также автором, на основании полученных аналитических данных было выполнено построение графиков, диаграмм, разрезов и карт. Автором выполнен анализ полученных результатов, их интерпретация и сформулированы итоги исследований в виде защищаемых положений.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, доктору геолого-минералогических наук, профессору отделения геологии ИШПР ТПУ Сергею Ивановичу Арбузову за научное сопровождение и методическую помощь на всем протяжении выполнения работы.
За содействие в полевых работах автор признателен главному геологу ОАО «Разрез Аршановский» В.М. Соболенко (г. Абакан), главному геологу ПАО «Угольная компания «Южный Кузбасс»» В. А. Иванову (г. Междуреченск).
За ценные советы, консультации автор благодарен д.г.-м.н., профессорам Л.П. Рихванову, Е.Г. Язикову, к.г.-м.н. В.А. Домаренко, Б.Р. Соктоеву, С.С. Ильенку. Автор выражает благодарность д.г-м.н., Э.В. Сокол за конструктивные замечания и консультации.
Автор признателен сотрудникам аналитических лабораторий А.Ф. Судыко, Л.В. Богутской, Н.В. Зарубиной, Н.В. Федюниной за проведение большого объема аналитических исследований, С.Г. Маслову и В.С. Архипову за проведение работ по озолению углей и определению зольности.
В угленосных отложениях пластах позднекарбонового и пермского возраста Минусинского и Кузнецкого бассейнов выявлены многочисленные свидетельства вулканической деятельности, выраженные в многочисленных измененных пирокластических прослоях - тонштейнах.
Все изученные тонштейны Кузнецкого и Минусинского бассейнов хорошо диагностируются визуально и характеризуются небольшой мощностью, выдержанной по простиранию. Границы прослоев и вмещающих углей четкие, контрастные, а сами тонштейны выделяются светлой окраской.
Все изученные тонштейны имеют отличительные минералогические и геохимические особенности, которые позволяют идентифицировать их как преобразованную вулканогенную пирокластику. В их составе преобладает каолинит. Менее распространены кварц, кристобалит, тридимит, фосфаты, полевые шпаты и отдельные акцессорные минералы (циркон, монацит, ксенотим). Встречаются сидерит и доломит.
Об апопепловом генезисе тонштейнов свидетельствуют реликтовые структуры и типы псевдоморфных минералов. Однако минеральный состав тонштейнов не позволяет реставрировать исходный состав пеплового материала из-за практически полного преобразования в агрессивной среде торфяного болота. Для идентификации, преобразованной вулканогенной пирокластики в Минусинском и Кузнецком угольных бассейнах был предложен комплекс критериев, включающий в себя титановый модуль (Т1О2/А12Оз), диаграмму Nb/Y- Zr/TiO2, спектры распределения РЗЭ, содержание отдельных редких и радиоактивных элементов, особенности минерального состава. Так как каждый из критериев имеет ограничения при диагностике исходного состава измененной пирокластики, рекомендуется комплексный подход, заключающийся в использовании всего комплекса минералого¬геохимических критериев одновременно.
Комплекс методов позволил определить состав исходного пеплового материала, послужившего источником для формирования тонштейнов Минусинского и Кузнецкого угольных бассейнов. Среди изученных тонштейнов преобладают продукты преобразования кислой пирокластики преимущественно риолитового и риодацитового состава . Менее распространены тонштейны - производные пеплов среднего состава, и исключительно редко встречаются тонштейны, образованные из пеплов основного и щелочно-основного состава.
Для тонштейнов образовавшихся из пирокластики кислого состава отличительными особенностями являются: высокая концентрация тория, низкие значения титанового модуля, контрастная отрицательная европиевая аномалия. Партинги, сформированные из пеплов среднего и основного составов, характеризуются низкими концентрациями тория, повышенными значениями титанового модуля. Графики нормированных на хондрит РЗЭ из этих тонштейнов не имеют отрицательной Eu аномалии. В составе разностей основного состава наблюдается высокая концентрация Sc и V. О присутствии пирокластики щелочного ряда свидетельствует высокая концентрация РЗЭ, Y, Zr, Nb, Hf, Ta и Th в составе тоншейнов.
Различный состав исходного пирокластического материала проявляется не только в особенностях химического и минерального состава образованных из него тонштейнов, но и в формировании в углях на границе с тонштейнам специфических геохимических ассоциаций . Так, наиболее значимые концентрации РЗЭ, Zr, Nb, Hf, Ta, Th отмечаются в золе углей вмещающих тонштейны, сформировавшиеся из пирокластики кислого состава, а также из разностей щелочного ряда. Эти данные согласуются с отчетливо выраженной литофильной редкометалльной специализацией угольных пластов Кузнецкого и Минусинского бассейнов, в которых было отмечено наличие измененной пирокластики .
С вулканогенной пирокластикой, выявленной в углях Минусинского и Кузнецкого бассейнов, связано комплексное Zr, Nb, Ta, РЗЭ, U, Th оруденение. В Минусинском бассейне такое оруденение выявлено в пласте XXX изыхской свиты в пределах Изыхского месторождения, а в Кузнецком бассейне - в пласте XI кемеровской свиты на юге бассейна. Следы редкометалльного оруденения прослеживаются в одновозрастных отложениях в виде породных прослоев. С помощью комплекса методов было установлено, что породные прослои сформировались из пирокластики пантеллеритового состава. Данные породные прослои могут служить реперами для межбассейновой корреляции углей.
Полученные данные указывают на масштабное проявление кислого и щелочного вулканизма в период накопления изыхской и кемеровской свит раннепермского времени и расширяют перспективы выявления масштабного Zr-Nb-Hf-Ta-РЗЭ-Ga оруденения на территории Северной Азии.
Все изученные тонштейны Кузнецкого и Минусинского бассейнов хорошо диагностируются визуально и характеризуются небольшой мощностью, выдержанной по простиранию. Границы прослоев и вмещающих углей четкие, контрастные, а сами тонштейны выделяются светлой окраской.
Все изученные тонштейны имеют отличительные минералогические и геохимические особенности, которые позволяют идентифицировать их как преобразованную вулканогенную пирокластику. В их составе преобладает каолинит. Менее распространены кварц, кристобалит, тридимит, фосфаты, полевые шпаты и отдельные акцессорные минералы (циркон, монацит, ксенотим). Встречаются сидерит и доломит.
Об апопепловом генезисе тонштейнов свидетельствуют реликтовые структуры и типы псевдоморфных минералов. Однако минеральный состав тонштейнов не позволяет реставрировать исходный состав пеплового материала из-за практически полного преобразования в агрессивной среде торфяного болота. Для идентификации, преобразованной вулканогенной пирокластики в Минусинском и Кузнецком угольных бассейнах был предложен комплекс критериев, включающий в себя титановый модуль (Т1О2/А12Оз), диаграмму Nb/Y- Zr/TiO2, спектры распределения РЗЭ, содержание отдельных редких и радиоактивных элементов, особенности минерального состава. Так как каждый из критериев имеет ограничения при диагностике исходного состава измененной пирокластики, рекомендуется комплексный подход, заключающийся в использовании всего комплекса минералого¬геохимических критериев одновременно.
Комплекс методов позволил определить состав исходного пеплового материала, послужившего источником для формирования тонштейнов Минусинского и Кузнецкого угольных бассейнов. Среди изученных тонштейнов преобладают продукты преобразования кислой пирокластики преимущественно риолитового и риодацитового состава . Менее распространены тонштейны - производные пеплов среднего состава, и исключительно редко встречаются тонштейны, образованные из пеплов основного и щелочно-основного состава.
Для тонштейнов образовавшихся из пирокластики кислого состава отличительными особенностями являются: высокая концентрация тория, низкие значения титанового модуля, контрастная отрицательная европиевая аномалия. Партинги, сформированные из пеплов среднего и основного составов, характеризуются низкими концентрациями тория, повышенными значениями титанового модуля. Графики нормированных на хондрит РЗЭ из этих тонштейнов не имеют отрицательной Eu аномалии. В составе разностей основного состава наблюдается высокая концентрация Sc и V. О присутствии пирокластики щелочного ряда свидетельствует высокая концентрация РЗЭ, Y, Zr, Nb, Hf, Ta и Th в составе тоншейнов.
Различный состав исходного пирокластического материала проявляется не только в особенностях химического и минерального состава образованных из него тонштейнов, но и в формировании в углях на границе с тонштейнам специфических геохимических ассоциаций . Так, наиболее значимые концентрации РЗЭ, Zr, Nb, Hf, Ta, Th отмечаются в золе углей вмещающих тонштейны, сформировавшиеся из пирокластики кислого состава, а также из разностей щелочного ряда. Эти данные согласуются с отчетливо выраженной литофильной редкометалльной специализацией угольных пластов Кузнецкого и Минусинского бассейнов, в которых было отмечено наличие измененной пирокластики .
С вулканогенной пирокластикой, выявленной в углях Минусинского и Кузнецкого бассейнов, связано комплексное Zr, Nb, Ta, РЗЭ, U, Th оруденение. В Минусинском бассейне такое оруденение выявлено в пласте XXX изыхской свиты в пределах Изыхского месторождения, а в Кузнецком бассейне - в пласте XI кемеровской свиты на юге бассейна. Следы редкометалльного оруденения прослеживаются в одновозрастных отложениях в виде породных прослоев. С помощью комплекса методов было установлено, что породные прослои сформировались из пирокластики пантеллеритового состава. Данные породные прослои могут служить реперами для межбассейновой корреляции углей.
Полученные данные указывают на масштабное проявление кислого и щелочного вулканизма в период накопления изыхской и кемеровской свит раннепермского времени и расширяют перспективы выявления масштабного Zr-Nb-Hf-Ta-РЗЭ-Ga оруденения на территории Северной Азии.
