Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Минералогия и генезис тонштейнов Чжунгольского каменноугольного бассейна (КНР)

ВАК РФ 04.00.20, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Минералогия и генезис тонштейнов Чжунгольского каменноугольного бассейна (КНР)"

\П

02 На правах рукописи

И 1 ^

ЯН МАОЮАНЬ

МИНЕРАЛОГИЯ И ГЕНЕЗИС ТОНШТЕЙНОВ ЧЖУНГОЛЬСКОГО КАМЕННОУГОЛЬНОГО БАССЕЙНА (КНР)

Специальность 04.00.20 - Минералогия', кристаллография

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Московской государственной геологоразведочной академии им.С.Орджоникидзе на кафедре минералогии и геохимии.

Научные руководители: кандидат геолого-минералогических наук,

профессор А.В.Громов (МГГА) доктор геолого-минералогических наук старший научный сотрудник А.Д.Слукин (ИГЕМ РАН)

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

старший научный сотрудник И.И.Бебешев (ГИН РАН)

доктор геолого-минералогических наук, профессор И.Ф.Романович (МГГА, кафедра месторождений полезных ископаемых)

Ведущая организация: Всероссийский институт минерального сырья

(ВИМС), г.Москва

Зашита состоится 18 мая 1995 г. в 15 часов в ауд. 6-53 на заседании диссертационного совета К 063.55.05 в Московской государственной геологоразведочной академии по адресу: 117485 Москва, В-485, ГСП-7, ул.Миклухо-Маклая, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА.

Автореферат разослан у ^ £ *1995р.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат геол.-мин. наук

В.А.Утенков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Тонштейны - своеобразные каолинитовые породы, образующие маломощные выдержанные прослои в пластах угля многих бассейнов мира и часто используемые в качестве важных маркирующих горизонтов при стратиграфических исследованиях и расчленении угленосных толщ, а также при корреляции их разрезов. К настоящему времени они обнаружены практически во всех крупнейших угольных бассейнах Европы, Азии, Америки. Их исследованиям посвящены многочисленные работы немецких, французских, американских, английских, русских, украинских геологов. Большой вклад в их изучение внесли Г.Бишофф, К.Бюргер, К.Хене, А.Шюллер,-Д.Штеффлер, Н.Прайс, Ю.К.Горецкий, П.В.Зарицкий, М.Г. Черновьяцц. и многие другие. Начиная с 70-х годов нынешнего столетия, тонш-' тёйны привлекли внимание китайских геологов, предпринявших широ-.-. кие исследования этих пород во всех крупнейших угольных бассей-■ нах КНР (Ван Шаовэй, Шэн Юнхэ, Цан Чин, Чжэн Чжи, Чжоу Ипин и", др.). К сожалению они начались значительно позднее, чем в других странах, и до сих пор, несмотря на определенные успехи, еще отс- -тают по своему уровню от работ европейских и американских геологов. Особый интерес представляют вопросы изучения минерального состава и генезиса тонштейнов Китая. Их актуальность связана не только с чисто теоретическим интересом к этим породам и их генезису, но и с возможным их использованием в промышленных целях. В угольных месторождениях КНР прослои и пласты тонштейнов достигают мощности более 1 метра и отличаются в ряде случаев практически мономинеральным каолинитовым составом. При извлечении угля они целиком идут в отвалы пустой породы, занимая значительные площади сельскохозяйственных угодий и загрязняя окружающую среду. В то же время производимого объема каолинитового сырья в Китае нехватает на промышленные нужды, требуется значительное расширение своей сырьевой базы и вовлечение новых источников высококачественного каолинитового сырья. Первые промышленные испытания тонштейнов Северного Китая, в частности Датонского угольного бассейна, показали, что они могут с успехом заменить при изготовлении фарфора традиционные каолиниты остаточных месторождений в корах выветривания. В связи с этим изучение тонштейнов китайс-

ких угольных бассейнов, их химического и минерального состава, текстурно-структурных особенностей и генезиса представляется весьма актуальной задачей и имеет большое практическое и теоретическое значение.

Цель и основные задачи работы. Основной целью настоящей работы является.выявление особенностей минерального и химического составов тонштейнов Чжунголъского бассейна, создание достоверной модели их формирования, а также изучение возможностей для практического использования. В соответствии с поставленной целью конкретными задачами работы являлись: детальное изучение минералогии тонштейнов, их главных, второстепенных и акцессорных минералов, анализ химического состава этих пород и распределения в них некоторых редких и радиоактивных элементов, их подробная структурно-текстурная характеристика и выявление условий формирования как отдельных минералов, так и пород в целом.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Фактический материал диссертационной работы представлен данными личных исследований автора на территории Чжунголъского каменноугольного бассейна в провинции Внутренняя Монголия на севере КНР в период 1991-1992 г.г., а также результатами аналитических исследований, осуществленных в течение 1992-1994 г.г. Были составлены два детальных стратиграфических разреза в центральной и северной частях бассейна с выделением и послойным описанием всех тонштейно-вых прослоев. Отобрано 284 пробы, из которых изготовлено и тщательно описано 120 прозрачных шлифов. Все пробы были изучены методом рентгенофазового анализа для определения их количественного минерального состава. Для 80 из них выполнены полные химические анализы. Рентгеноспектральным анализом проведены количественные определения содержаний некоторых редких и радиоактивных элементов (U, Th, Rb, Sr) в 47 пробах. Для изучения внутреннего строения тонштейнов широко использовался метод электронной микроскопии (обычный и сканирующий микроскоп, 156 проб). Кроме того, 21 проба с крупными кристаллами каолинита была исследована методом электронографии. Были выполнены дифференциальные термические анализы 10 проб тонштейнов. В 6 пробах изучен изотопный состав углерода органических компонентов тонштейнов.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. По минеральному составу тонштейны Чжунгольского бассейна разделены на две группы: мономинеральные каолинитовые и бимине-ралъные каолинит-бемитовые. В качестве второстепенных и акцессорных минералов в обеих группах тонштейнов встречаются гиббсит, галлуазит, монтмориллонит, гидрослюды, кварц, гематит, пирит, карбонаты, циркон, рутил. Минеральный состав Чжунгольских тонштейнов отражает сложную историю их формирования, в котором принимали участие процессы нормального осадконакопления из водных сред (истинных и коллоидных растворов), привнос чужеродного эолового материала, а также явления последующего преобразования осадков.

2. Химический состав тонштейнов Чжунгольского бассейна, главными компонентами которого являются АЗ.2О3, ЗШг и НгО^ достигающими в сумме 90Х и более, отражает их простой минеральный состав. Положение фигуративных точек химических анализов тонштейнов на диаграмме А1г0з - 2Юг - НгО"1" отвечает последовательному изменению исходных полевых шпатов и мусковитов в гидрослюды, а затем в каолинит и, наконец, в бемит. Эти изменения имели место в условиях влажного и жаркого (тропического) климата.

3. Средние содержания радиоактивных элементов и и ТЬ, равные соответственно 10*10"4 и 20*10-4 7. в тонштейнах Чжунгольского бассейна, хорошо коррелируются с содержаниями ТЮг- Величина №/11-отношения в них в среднем равна 2, что в два с лишним раза меньше, чём в целом для Земли (4,2 по данным Аллегра, 1986). Она свидетельствует о том, что преимущественное накопление урана имело место в восстановительных■условиях бассейна седиментации.

4. Совокупность результатов проведенных исследований позволяет обосновать генезис Чжунгольских тонштейнов как продуктов выветривания кварц-мусковит-полевошпатовых пород, перемещенных и переотложенных в бассейне угленакопления в восстановительных условиях.

НАУЧНО-ПРИКЛАДНОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Китай является родиной фарфора, а его фарфоровая промышленность имеет всемирно известную репутацию производителя высококачественной и высокохудожественной продукции. Более 1000 лет основным источником фарфорового сырья служили значительные каолиновые коры выветривания силикатных по-

род. В настоящее время требуются новые источники каолинового сырья для производства огнеупоров, керамики, бумаги и т.п. В связи с этим большое значение приобретают его новые нетрадиционные источники, одним из которых могут быть прослои тонштейнов каменноугольных бассейнов. Первые технологические испытания, проведенные для тонштейнов Датонского бассейна, показали их высокое качество и возможность производства из них высококачественного фарфора, огнеупора и разных типов керамики. Высокая чистота китайских, тонштейнов, значительные мощности их прослоев и большие запасы открывают перспективы их широкого использования для нужд промышленности и позволяют в будущем не только поддержать выпуск продукции на современном уровне, но и значительно расширить его. Проведенные автором исследования показали, что одним из источников этого сырья могут служить тонштейны Чжун-гольского каменноугольного бассейна, суммарные запасы которых превышают 3 млрд. тонн. Научно-прикладное значение данной работы заключается в том, что автором впервые изучен минеральный и химический состав тонштейнов Чжунгольского бассейна, которые.явля---

ются основой для дальнейшего исследования их практического использования. Выяснение состава и генезиса этих тонштейнов открывает перспективы для поисков и разведки других подобных месторождений на территории Китая.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые проведены комплексные минералого-химические исследования тонштейнов Чжунгольского бассейна, позволившие детально охарактеризовать минеральный состав и текстурно-структурные особенности этих пород, их химический состав, поведение главных и второстепенных элементов в процессах накопления и преобразования осадков. На этой основе предложена гипотеза генезиса тонштейнов, рассматривающая эти породы как продукт нормальной седиментации в прибрежных лагунах в условиях влажного жаркого климата при ограниченном участии частиц пепла, переносившихся воздушным путем из соседних регионов с активной вулканической деятельностью. Впервые изучено распределение и поведение урана и тория в тонштейнах Китая, вскрыты причины их накопления в этих породах.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения общим объемом в машинописных стра-

ниц. Текст сопровождается 8 таблицами и иллюстрирован 32 фигурами. Часть аналитических материалов вынесена в Приложение. Библиография включает наименований.

Первая глава посвящена общей геологической характеристике Чжунгольского каменноугольного бассейна и прилегающих к нему районов. В ней дается краткое описание стратиграфии, подробно описан разрез угленосной толщи, показана позиция нескольких десятков прослоев тонштейнов. Значительная часть главы отведена анализу проблемы тонштейнов в целом и состоянию ее в Китае.

Во второй главе подробно рассмотрены вопросы минерального состава тонштейнов Чжунгольского бассейна, приведены детальные характеристики их главных, второстепенных и акцессорных минералов, а также описаны текстурно-структурные особенности этих пород, дана их классификация.

Третья глава содержит результаты исследований химического состава тонштейнов, описаны особенности распределения главных и второстепенных, в частности радиоактивных, компонентов. Проанализирована корреляция между ними, намечены основные пути эволю- • ции состава каолиновых пород в процессах накопления и последующего преобразования осадков.

В четвертой главе обсуждаются проблемы генезиса тонштейнов. Здесь рассматривается предложенная автором генетическая модель образования каолинитовых прослоев в разрезе угленосной толщи.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты исследований докладывались автором на научных конференциях МГГА. По теме диссертации опубликованы три научные работы.

Диссертация выполнена на кафедре минералогии и геохимии МГГА под руководством заведующего кафедрой, кандидата геолого-минералогических наук, проф. А.В.Громова и доктора геолого-минералогических наук, старшего научного сотрудника ИГЕМ РАН А.Д.Слукина, которым автор выражает глубокую признательность. Автор искренне благодарит старшего научного сотрудника института полезных ископаемых Геологической Академии КНР, проф. Чжэн Чжи, а также всех сотрудников МГГА, ИГЕМ, которые оказали помощь в подготовке диссертации.

ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ЧЖУНГОЛЬСКОГО КАМЕННОУГОЛЬНОГО БАССЕЙНА

Чжунгольский каменноугольный бассейн расположен на севере

КНР в провинции Внутреняя Монголия на западном берегу реки Хуанхэ. В региональном плане он приурочен к северо-восточной части континентального ядра Зрдос платформы Хуабэй.

Район в целом сложен стратифицированными комплексами морских и континентальных осадочных пород палеозойского, мезозойского и кайнозойского возраста, образующих крупную моноклинальную структуру с пологим падением слоев на запад. Среди отложений кембрийского и ордовикского возраста преобладают карбонатные осадки: известняки и доломиты. Главными породами каменноугольной системы являются аргиллиты, песчаники и угли, местами содержащие прослои бокситов. Отложения пермской системы представлены аргиллитами, песчаниками и гравийными песчаниками прибрежных фаций. Наиболее молодые образования мезозойской, кайнозойской групп включают в себя разнообразные по составу глинистые и песчанистые осадки континентального происхождения.

В позднепалеозойское время платформа Хуабэй была, по данным многочисленных геологических исследований, областью интенсивного накопления угленосных отложений, Здесь было сформировано 10 пластов угля. В Лжунгольском бассейне суммарная мощность угольных пластов составляет около 27 м. Характерной особенностью угленосной толщ является наличие в ее составе большого количества прослоев существенно каолинитовых пород - тонштейнов. По данным автора в бассейне насчитывается 37 прослоев этих пород с мощностью более одного, сантиметра. Обычно мощность прослоев составляют от 2 до 5 см, достигая 70 см. Породы отличаются плотным сложением, заметной слоистостью. Они не размокают в воде. Окраска тонштейнов меняется в значительных пределах: от чисто белой до кремовой, светло-бурой и почти черной. Она зависит от содержания' органической примеси. Прослои тонштейнов отличаются друг от друга разной структурой, мощностью, окраской и др. Эти особенности выдержаны по площади в пределах нескольких квадратных километров. На больших площадях все эти характеристики Чжунголь-ских тонштейнов претерпевают существенные изменения, а сами прослои выклиниваются и даже исчезают.

ПЕРВОЕ ЗАЩИЩАЕМОЕ ПОЛОЖЕНИЕ. По минеральному составу тонш-тейны Чжунгольского бассейна разделены на две группы: мономине-

ральные каолинитовые и биминеральные каолинит-бемитовые. В качестве второстепенных и акцессорных минералов в обеих группах тонштейнов встречаются гиббсит, галлуазит, монтмориллонит, гидрослюды, кварц, гематит, пирит, карбонаты, циркон, рутил. Минеральный состав тонштейнов Чжунгольского бассейна отражает сложную историю их формирования, в котором принимали участие процессы нормального осадконакопления из водных сред (истинных и коллоидных растворов), привнос чужеродного эолового материала, а также явления последующего преобразования осадков.

Тонкодисперсное строение тонштейнов предопределило выбор методов исследования их минерального состава, главными из которых являлись оптическая и электронная микроскопия и рентгенофа-зовый, а также дифференциальный термический анализ. Проведенные' этими методами исследования показали, что тонштейны Чжунгольско-го бассейна отличаются от аналогичных пород других регионов КНР и мира в целом почти чистым мономинеральным каолинитойым составом, низким содержанием кварца и присутствием бемита.

КАОЛИНИТ, содержание которого в породе обычно превышает,_ 90£, а нередко доходит и до 100 легко выявляется методами. ДТА . и рентгенофазового анализа. На дифрактограммах тонштейнов фикси- ■• руется более двух десятков характерных для этого минерала узких рефлексов, что позволяет говорить о высоком совершенстве его кристаллической структуры. Замечено, что степень совершенства структуры зависит от размеров кристаллических индивидов: чем они мельче, тем, как правило, совершеннее структура. Максимальное число четких рефлексов наблюдается у тонштейнов крипто- и мелкокристаллического строения. В крупнокристаллических (червеобразных, столбчатых, пятнистых) агрегатах каолинита степень совершенства структуры заметно снижается.

По данным микроскопических исследований выделены четыре . морфологические разновидности каолинита: криптокристаллические агрегаты, крупинки и интракласты, столбчатые и червеобразные кристаллы, псевдоморфозы по пластическим зернам (чешуйкам) слюд и, возможно, других силикатов. Криптокристаллические агрегаты слагают до 90£ и более объема всех структурных разновидностей тонштейнов. При наблюдении в оптическом микроскопе они выглядят как изотропные крипто- и скрытокристаллические массы, окрашенные

в бурые и коричневые цвета, интенсивность которых определяется содержанием органических примесей. В сканирующем электронном микроскопе в них различается бесчисленное множество мельчайших глобулярных частиц более или менее изометричной формы размером в десятые и сотые доли мк. Крупинки и интракласты, по нашему мнению, представляют собой продукты синседиментационного размыва и переотложения плохо сцементированных "свежих" осадков в прибрежной полосе. Крупинки - неправильные, слегка округленные частицы крипто- и микрокристаллического каолинита, интракласты - более крупные обломки округлой, эллипсоидальной, часто уплощенной формы. В некоторых каолиновых прослоях встречаются достаточно крупные (до 1-2 мм в поперечнике) кристаллы каолинита. Чаще всего они бывают приурочены к плоскостям контакта тонштейнов с углями. Они обычно имеют столбчатую, червеобразную, иногда пластинчатую форму. Большинство кристаллов вытянуты вдоль оси [001], которая обычно ориентирована вдоль плоскостей напластования тонштейнов. В них хорошо выражены трещинки спайности по (001). Псевдоморфозы каолинита по первичным силикатам (слюдам, полевым шпагам), хорошо известные в тонштейнах различных регионов, в изученных нами породах также встречаются довольно часто. Они имеют характерную сноповидную форму, обусловленную развитием вторичного каолинита вдоль спайных трещинок исходных слюд.

По времени образования выделены три группы каолинитов: про-то-, син- и диагенетические. Протогенетические каолиниты возникли в результате выветривания первичных силикатов магматических или метаморфических пород в континентальных условиях, а затем были перенесены механическим путем в виде взвесей в бассейн осадконакопления и были отложены в нем вместе с обломками слюд и других минералов. Сингенетические каолиниты образовались непосредственно в бассейне осадконакопления путем кристаллизации из коллоидных либо истинных растворов. В результате возникла основная масса тонштейнов мелкоглобулярного строения, а также крупные кристаллы каолинита на плоскостях напластования породы и, особенно, вдоль контактов с пластами углей. Диагенетические каолиниты образовались на стадии диагенеза путем перекристаллизации первичных криптокристаллических осадков, а также замещения про-тогенетических обломков слюд и других силикатов.

БЕМИТ и ГНББСИТ были вначале обнаружены при рентгенофазовых исследованиях нескольких прослоев тонштейнов 6-го угольного пласта в центральной части Чжунгольского бассейна. Их наличие было подтверждено оптическими и электронно-микроскопическими исследованиями. Содержание бемита в изученных тонштейнах обычно' не превышает нескольких процентов, хотя в отдельных пробах доходит до 55£. Гиббсит встречается значительно реже. Мелкозернистые выделения бемита, обычно имеющие неправильную форму, приурочены к пустотам между крупными кристаллами каолинита, а иногда находятся и внутри них. В большинстве случаев при наблюдении в сканирующем электронном микроскопе бемит обнаруживает типичную для этого минерала структуру усыхания, характерную для продуктов дегидратации гелей. В то же время эти выделения имеют явно кристаллическое строение с размером отдельных индивидов менее 1 мк. Данные рентгенометрического анализа, позволяющего различать все основные и большинство дополнительных рефлексов этого минерала, указывают на высокую степень совершенства его кристаллической структуры. Электронномикроскопические исследования позволили ус- * тановить наличие в составе тонштейнов характерных псевдогексаго-. нальных столбчатых кристаллов гиббсита.

ГАЛЛУАЗИТ был обнаружен методом рентгенофазового анализа в единственной пробе тонштейна. Возможно, что галлуазит является продуктом современного выветривания тонштейнов, поскольку в значительном количестве он был обнаружен в пробе, взятой на современной поверхности.

МОНТМОРИЛЛОНИТ установлен только рентгенофазовым методом. Он обнаруживается лишь в отдельных межугольных прослоях и в ■ очень небольших количествах.

ГИДРОСЛЮДЫ также определены рентгеноструктурным анализом в нескольких прослоях тонштейнов. Однако их наличие косвенно подтверждается присутствием многочисленных псевдоморфоз каолинита по минералам группы слюд.

КВАРЦ является достаточно характерным минералом тонштейнов, залегающих вне угольных пластов, в частности, у кровли и подошвы « последних. Внутри пластов угля тонштейны практически свободны от кварца. Его зерна в большинстве случаев мелкие, округлые, хорошо окатанные. Они безусловно являются продуктами терригенного про-

исхождения, -перенесенными водными потоками в бассейн осадкона-копления. Возможно, что небольшая часть зерен кварца остроугольной формы без малейших следов окатанности была занесена в бассейн эоловым путем.

АКЦЕССОРНЫЕ ШНЕРАШ изученных тонштейнов не отличаются ни большим разнообразием, ни высокими содержаниями. Наиболее обычными среди них являются циркон и рутил, реже встречаются гематит и другие минералы. Циркон обнаружен как в виде достаточно совершенных длинно-призматических, призматических и коротко-призматических кристаллов, так и в виде окатанных округлых зерен, что возможно также указывает на различные формы переноса обломочного материала в бассейн осадконакопления. Рутил, часто фиксируемый при рентгенофазовом анализе, чаще всего обнаруживается при оптических наблюдениях в виде игольчатых кристаллов в псевдоморфозах каолинита по слюдам, ориентированных в соответствии с симметрией последних.

ВТОРИЧНЫЕ МИНЕРАЛЫ - пирит, марказит, кальцит - встречаются в небольших количествах. Они образовались в бассейне аккумуляции тонштейнов при диагенетических процессах. Они образуют гнездооб-разные сростки и выполняют тонкие трещинки.

ВТОРОЕ ЗАЩИЩАЕМОЕ ПОЛОЖЕНИЕ. Химический состав тонштейнов Чжунгольского бассейна, главными компонентами которого являются А12О3, Б102 и НгО, достигающими в сумме 907. и более, отражает их простой минеральный состав. Положение фигуративных точек химических анализов тонштейнов на диаграмме А1г0э - БЮг - Н20+отве-чает последовательному изменению исходных полевых шпатов и мусковитов в гидрослюды, а затем в каолинит и, наконец, в бемит. Эти изменения имели место в условиях влажного и жаркого (тропического) климата.

В ходе исследований в химической лаборатории МГГА были выполнены полные химические анализы 80 проб тонштейнов, а также аргиллитов и песчаников, залегающих в виде отдельных пропластков в подошве и кровле главных угольных пластов. Помимо основных минеральных компонентов тонштейны Всегда содержат то или иное количество органического вещества, которое может быть оценено по

величине потерь при прокаливании. Соотношение трех основных химических компонентов тонштейнов, рассчитанное для всех имевшихся в нашем распоряжении анализов, составляет в среднем БЮггА^Оз: НгО = 1.95:1:2.00 (в молекулярных 7.7.), что очень близко к теоретическому соотношению 2:1:2 в чистом каолините и следовательно, лишний раз подтверждает вывод о мономинеральном каолинитовом составе этих пород.

Содержание ЗШг в изученных тонштейнах колеблется в пределах 22.95 - 44.65 мол.Х(19.26 - 47.32 мас.%), составляя в среднем 38.37 мол.2. Основным минералом, преимущественно содержащимся в тонштейнах, является каолинит. Незначительное количество приходится на примесь галлуазита, монтмориллонита и кварца.

Содержание А1г0з меняется от 14.03 до 22.78 мол. 7.(от 16.70 до 43.43 мас.%). В среднем оно составляет 19.67 мол.%, что очень близко к теоретическому содержанию этого компонента в чистом каолините (20 мол.%), который и является главным носителем глинозема в изученных породах. В меньшей степени глинозем связан с другими, более редкими слоистыми силикатами. Существенное повышение содержаний А1г0з обязано присутствию в тонштейнах гидроокислов алюминия - бёмита и, в меньшей степени, гиббсита.

Среднее содержание воды (НгО+) в тонштейнах составляет 39.32 мол.Х(12.54 мас.Х), что практически равно ее теоретическому содержанию в каолините (40 мол.2). Большая часть связанной воды заключена в каолините, незначительные ее количества приходятся на гидроокислы алюминия и редкие слоистые силикаты. В некоторых пробах, где, судя по величине потерь при прокаливании, присутствует большое количество органики, содержание воды превышает 40 мол.Х, достигая в отдельных случаях 55-64 мол.Х. Наличие, четкой корреляционной зависимости между содержанием НгО* и величиной "п.п.п-НгО"1"" позволяет предполагать, что значительная, часть воды, приходится на органические вещества типа углеводов-.

Химический состав аргиллитов, залегающих в непосредственной близости от угольных слоев, мало чем отличается от состава тонштейнов. Песчаники, иногда встречающиеся в разрезах угольных толщ Чжунгольского бассейна, отличаются от тонштейнов по содержанию-БЮг, КгО, ТШг. Соотношение других компонентов (А1г0з, Мд^О, СаО, N320 и др.) остается в них близким к тонштейнам (табл. 1).

Это позволяет предположить, что источником материала для формирования как тснштэйнов, так и сопутствующих пород, были одни и те же материнские коры выветривания. В течение длительного времени они размывались поверхностными водами, переносились ими и аккумулировались в прибрежных частях морского бассейна. Судя по положению фигуративных точек на диаграмме (ЗЮг+КгО)- (А^Оз+ТЮг) -(СаО+МгО+ГегОз+ГеО+МагО+СОг+ЗОз+П.П.П.), пострсенной по методу П.В.Зарицкого (197*3), изученные нами тонштзйна яеляются продуктами седиментации в условия;: жаркого -влахного климата.

Таблица 1

Средние химические составы тонштепнов различных регионов, а также аргиллитов, песчаников Чжунгольского бассейна*

1 2 3 4 5 е ' г» о

зюа- 41.37 46.11 46.50 43.45 45. 16 44.91 43.35 55.47

А120З 37.15 37.06 36.33 31.61 32. по 1 м* 36.15 36.76 27.83

0.21 0.71 0.70 1.61 0. 63 0.63 0.53 0.67

РеО 0.13 0.15 0.73 0.29 0.44

Ре 2О3 о.зз 0.20 0.55 0.95 0. 34 0.32 1 52 0.06

мго 0.27 0.24 0.44 0.00 0. 43 0.17 0.53 0.45

СаО '1.05 0.00 0.46 1.21 0 70 0.12 1.13 0.79

Ыа20 0.03 0.05 1.50 0.26 0 25 0.06 0.09 0.00

К20 0.02 0.11 1.15 0.56 0 Р'Р 0.25 0.07 1.00

П.п.п. 19.37 14.75 11.63 -- ' я 7С 17 ^ 15.43 12.07

Сумма 100.03 99.41 99.99 -- 100 26 99.89 99.83 99.78

*1-6: тснзтейны из 1 - Чжунголи, 2 - Датона(Цан, 1989), 2 - Донбасса (Зарицкпй, 1970), 4 - Англпи(Рг1се, 1969), 5 - ЕЕрсль;(Зре-агз, 1979), 6 - Индонезии (АскИзсп, 1983); 7 - аргиллиты из Чжун-гслп. 3 - песчаники из Чжунголи. Е п.п.п. вкллчеко содержание Н20+: 1 - 12.54, 3 - 8.43, 5 - 10.97 (маеЛ).

Результаты химических анализов пород межугольных прослоев (тонатейнов, аргиллитов, песчаников) нанесены на треугольную диаграмму БЮг-А^Оз-НоО1" (см. фиг.). Практически все фигуративные

А1г0з

1 •

2 А

3 а

/

/

. о

Л-

¡р-

ЭгОг

НгО"1

Фиг. Диаграмма А1г0з - 5102 - НгО+ тонштейнов, аргиллитов, песчаников Чжунгольского бассейна и некоторых

породообразующих минералов

1 (•) - тонштейн, 2 (д) - аргиллит, 3 (□) - песчаник, составы минералов: 4 - полевой шпат, 5 - мусковит, 6 - гидромусковит, 7 - каолинит, 8 - бемит.

точки тонштейнов располагаются вдоль линии "мусковит-каолинит- вода", что говорит о стабильном отношении БЮг/АХгОз в этих породах, где, по сути дела, меняется лишь содержание воды. Подавляющее большинство анализов укладывается в промежуток между фигуративными точками мусковита и каолинита, ближе к последней, что соответствует сравнительно низкому содержанию в тонштейнах минералов группы гидрослюд. Присутствие во многих тонштейнах значительных количеств органического вещества объясняет смещение целого ряда фигуративных точек от состава чистого каолинита в сторону воды. Только в одной пробе было зафиксировано высокое содержание бемита. Соответствующая точка на диаграмме явно смещена в сторону бемита. Однако этот анализ далеко не случаен. По нашему мнению, расположение фигуративных точек на диаграмме в целом отражает общие тенденции формирования и последующего преобразования продуктов выветривания, седиментации и диагенеза вдоль линии "полевой шпат-»мусковит*гидрослюды-каолинит»бемит".

Сравнение химических составов тонштейнов из Чжунгольского бассейна и других регионов (табл.1) показывает, что первые отличаются минимальными содержаниями кремнезема благодаря почти полному отсутствию в них свободного кварца. Соответственно, Чжун-гольские тонштейны характеризуются по сравнению с тонштейнами других каменноугольных бассейнов мира максимальными содержаниями глинозема. Характерной особенностью этих пород является также низкое содержание акцессорных минералов и соответствующих им химических компонентов.

По содержанию глинозема, оксидов титана и железа, а также по величине потерь при прокаливании, Чжунгольские тонштейны полностью соответствуют требованиям промышленности к лучшим сортам каолинового сырья для изготовления высококачественной керамикй и огнеупоров. Эти своеобразные породы также имеют большие перспективы применения в других областях промышленности.

ТРЕТЬЕ ЗАЩИЩАЕМОЕ ПОЛОЖЕНИЕ. Средние содержания радиоактивных элементов и и ТЬ, равные соответственно 10*10~4 и 20*10~4 X в тонштейнах Чжунгольского бассейна, хорошо коррелируются с содержаниями Т1О2. Величина ТИ/и—отношения в них в среднем равна 2, что в два с лишним раза меньше, чем в целом для Земли (4,2 по

данным Аллегра, 1986). Она свидетельствует о том, что преимущественное накопление урана имело место в восстановительных ус- • ловиях бассейна седиментации.

Содержание урана в тонштейнах Чжунгольского бассейна колеблется в пределах 0-43*10~4 %, составляя в среднем 10*10~42. Пределы вариаций содержаний тория составляют 2-59*10~4%, а их средняя величина равна 20*10~47. (см. табл. 2).

Ряд исследователей отмечали сорбцию урана и тория органи-■ ческим веществом. Однако для изученных нами тонштейнов статистический анализ показал, что корреляционные связи между содержаниями этих элементов и количеством органики в пробах, рассчитанным по величине "п.п.п.-НгО*", не очень отчетливы. Поэтому можно, предположить, что лишь некоторая часть этих элементов связана с. ' накоплением органического вещества в тонштейнах. В то же время значительная часть урана и тория присутствует в тонштейнах в ви: -де изоморфных примесей в постоянно встречающемся здесь акцессорном цирконе.

При сопоставлении графиков изменения содержаний различных компонентов по разрезам угленосной толщи обнаружено, что уран и .. торий характеризуются достаточно близким поведением. Коэффициент'' корреляции между ними, рассчитанный на компьютере, равен 0,79. Также установлена связь между радиоактивными элементами и титаном. Коэффициенты корреляции в парах ТШг-ТЬ и ТЮг-и равны 0.67 и 0.58 соответственно.

Единственным установленным нами минералом титана в тонштейнах является рутил. Однако связывать содержания радиоактивных элементов с ним было бы мало убедительным, поскольку хорошо известно, что этот минерал практически лишен изоморфных примесей радиоэлементов. Остается предположить, что они входят в решетку каких-то других, . не обнаруженных нами титаносодержащих минералов, либо вместе с титаном сорбируются гелеморфными выделениями каолинита и каолинитом, псевдоморфно замещающим чешуйки слюды. Установлено, в частности, что эти псевдоморфозы обычно содержат многочисленные включения тончайших иголочек рутила.

Содержания урана и тория в тонштейнах и сопутствующих аргиллитах и песчаниках Чжунгольского бассейна находятся на одном уровне. Они обычно в несколько раз выше, чем в стандартных об-

Таблица 2.

Содержание урана и тория в различных типах магматических и осадочных горных пород (по данным О.П.Соборнова,1983), а также в породах угленосной толщи Чжунгольского бассейна

Тип породы и, 10"4% ТЬ, 10~4%

Базальт 0.5-1.8 1.0-9.1

Диабаз 0.6 3.3-5.5

Габбро 0.30-4.0 1.0-9.8

Андезит 1.88-2.0 6.4-6.5

Диорит 1.0-1.1 4.5-4.9

Гранодиорит 1.96-7.0 13.4-104

Риолит 5.6 13.00

Гранит 1.9-7.1 2.25-34.2

Гранит альбитизиров 53.2-63 120-145.0

Сиенит 290-2520 380-1310

Нефелиновый сиенит 6.5-13.0 29.6-35

Известняк 0.7-1.7 0.54-3

Вулкано-терригенный 1.4 5.00

ил

Терригенная глина 19.2 2.8

Морская глина 2.0 10.8

Алевролит 1.4-2.5 10.0-13.7

Сланец 2.2-5.1 4.4-19.0

Боксит 5.8-6.0 28.3-44.8

Тонштейны Чж.Басс. 10. 20

Аргиллиты Чж.Басс. 10 27

Песчаники Чж.Басс. 4 20

О

разцах различных горных пород (Соборнов, 1983). Наиболее близки к тонштейнам щелочные породы. Нормальные осадочные породы отличаются значительно более низкими концентрациями этих элементов.

По нашему мнению, высокие содержания урана и тория в изученных тонштейнах связаны с их происхождением за счет каких-то исходных пород, первично обогащенных радиоэлементами. Вероятно, при экзогенном изменении таких магматических пород имело место накопление этих элементов в корах выветривания с последующим переотложением новообразованных минералов в условиях прибрежных лагун. Другим предполагаемым источником урана и тория в тонштейнах является пепловый материал, осадившийся в бассейне при извержениях вулканов в сопредельных с Чжунгольским бассейном регионах. Действительно, в обрамлении соседнего Чайтамусского бассейна в карбон-пермское время происходили мощные континентальные и континентально-морские извержения щелочных и известково-щелоч-ных лав. Образовавшийся при этом пепел разносился воздушными потоками на большие расстояния, отлагался на больших площадях, а затем подвергался выветриванию.

Таким образом,t своеобразие в содержании и распределении урана и тория в чжунгольских тонштейнах обусловлено наличием в их составе органического вещества и некоторых акцессорных минералов- носителей этих элементов, сорбцией их органическим веществом, глинистыми и глиноземными минералами, а также реальной возможностью их повышенной концентрации в предполагаемых материнских источниках изученных пород бассейна.

ЧЕТВЕРТОЕ ЗАЩИЩАЕМОЕ ПОЛОЖЕНИЕ. Совокупность результатов проведенных исследований позволяет обосновать генезис Чжунгольских тонштейнов как продуктов выветривания кварц-мусковит-полевошпатовых пород, перемещенных и переотложенных в бассейне угле-накопления в восстановительных условиях.

Разные гипотезы генезиса тонштейнов можно объединить в две основные группы. К первой группе относятся гипотезы, рассматривающие тонштейны в качестве продуктов нормального отложения глинистых минералов, прежде всего каолинита, в бассейнах осадкообразования и угленакопления (Termier, 1923; Provost, 1934; Hoeh-ne, 1964; Moore, 1968 и др.). Вторая группа гипотез основана на

теории "метаморфизма вулканического пепла", согласно которой в ходе накопления угленосных толщ в сопредельных зонах имели место периодические извержения вулканов с массовыми выбросами пепла. Определенная часть этого материала осаждалась в бассейнах угле-накопления, образуя в конечном итоге маломощные прослои тонштей-нов (Price, 1969; Williamson, 1970; Zhou, 1983; Зарицкий, 1983 и др.). Ниже приведены некоторые минералогические, петрографические, геохимические и другие особенности чжунгольских тонштейнов, позволяющие судить об особенностях их генезиса.

1. Неравномерный характер распределения тонштейнов по площади бассейна, установленный автором, плохо согласуется с гипотезой их вулканического образования. В пределах изученного бассейна мощность тонштейновых прослоев сохраняется более или менее постоянной лишь на площадях не более нескольких квадратных километров. На более крупных площадях она может существенно изменяться. Наряду с этим изменяется их гранулометрический состав, структура и даже минеральный состав. Многие прослои постепенно выклиниваются вплоть до полного исчезновения. Неустойчивый характер осадков отражается также в непрерывной смене по площади тонштейнов аргиллитами, алевролитами и даже песчаниками. Такая неустойчивость более реально объясняется процессами нормального отложения осадков.

2. Особенностью стратиграфического разреза угленосной толщи Чжунгольского бассейна является устойчивый характер распределения каолинита. Автором были отобраны и исследованы, образцы не только из межугольных каолинитовых прослоев, но и из слоев аргиллитов и песчаников по всему разрезу. По данным микроскопического; рентгенофазового и термического анализов аргиллиты, как и тонштейны, имеют почти чисто каолинитовый состав, не считая незначительной примеси кварца и слюд. Песчаники, хотя и содержат повышенные количества кварца и слюд, все же на 60-70 % сложены также каолинитом. Таким образом, во всем разрезе каолинит остается главным минералом. Устойчивость распределения этого минерала по разрезу позволяет сделать вывод о том, что на площадях, окружающих Чжунгольский бассейн, имело место длительное формирование каолинитовых кор выветривания. Образующийся в них каолинит размывался и переносился в прибрежный бассейн угленакопления.

3. Чисто каолинитовый состав большинства тонштейнов, а также присутствие в значительных количествах бемита свидетельствуют о латеритном характере материнских кор выветривания, в которых формировался не только каолинит, но и минералы свободного глинозема. Ассоциация каолинита, бемита и угленосных отложений указывает на существование во время образования тонштейнов теплого влажного климата.

4. На нормальный осадочный генезис тонштейнов указывает также наличие тесной связи между ними и вмещающими углями. В ряде случаев нами наблюдались нечеткие постепенные переходы между этими породами. Тонштейны часто бывают обогащены органическими компонентами и их внешний вид напоминает уголь.

5. В тонштейнах достаточно часто наблюдаются протогенети-ческие обломки кристаллов каолинита, имеющие округлую форму. Их окатанный облик свидетельствует о том, что они испытали перенос от коры выветривания до бассейна осадконакопления.

6. Под микроскопом в Чжунгольских тонштейнах наблюдается криптокристаллическая основная масса, имеющая волновидный облик,-характерный для продуктов коагуляции коллоидов. Это свидетельств вует об образовании каолинита через коагуляцию коллоида в бассейне аккумуляции.

7. Кристаллизация каолинита имела место непосредственно из. растворов. Изучение тонштейнов в шлифах обнаружило наличие каолинита внутри гаеток обугленных растительных тканей в виде гнез-дообразных и прожилковых выделений, несомненно образовавшихся из растворов, содержащих глинозем и кремнезем.

8. В тонштейнах встречаются зерна акцессорного циркона двух типое: длинно- и короткостолбчатые хорошо образованные тетрагональные кристаллы, а также окатанные округлые зерна без следов огранения. Вероятно,, первые могут говорить о присутствии в тонштейнах продуктов пепловых извержений, а вторые - о терриген-но-осадочном происхождении этих пород.

9. Тонштейны Чжунгольского бассейна отличаются повышенными содержаниями и и ТЬ по сравнению со стандартными образцами большинства горных пород. Только щелочные породы содержат более высокие концентрации этих элементов. В районе Чжунгольского бассейна процессы магматизма развиты чрезвычайно слабо. Поэтому

можно предположить, что в образовании тонштейнов Чжунгольского бассейна принимало участие некоторое количество щелочного вулканического пепла,

10. В районе Чайдомусского бассейна, находящегося в 10002000 км от Чжунгольского бассейна, в течение длительного времени от раннего карбона до ранней перми повсеместно протекали сильные континентальные и континентально-морские извержения щелочных и известково-щелочных лав. Это и дало возможность предположить, что определенное количество вулканического пепла было перенесено воздушным путем и осадилось в Чжунгольском бассейне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований основные задачи диссертационной работы были выполнены. В частности, установлен минеральный и химический состав и последовательность минеральных преобразований Чжунгольских тонштейнов, выделены их структурные и текстурные типы, изучено распределение и поведение урана и тория, выявлены условия образования тонштейнов и аргументирована гипотеза их происхождения.

Полученные результаты показывают устойчиво высокое качество тонштейнов Чжунгольского бассейна, отличающихся от тонштейнов Германии, Англии, Америки и Донбасса почти мономинеральным као-линитовым составом. Их значительное количество открывает возможность практического вовлечения в производство керамических изделий, огнеупоров, строительных материалов, использование в бумажной промышленности и т.д.

Научное значение результатов работы состоит в развитии представлений о генезисе тонштейнов, как о переотложении материала кор'выветривания в нормальном осадочном процессе, но с эоловым привносом пеплового материала щелочных извержений. Результаты работы могут быть использованы для поисков подобных тонштейнов в других районах Китат, а также при выборе технологии их переработки.