Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Минералогия и условия образования присалаирского пирометаморфического комплекса, Кузбасс

ВАК РФ 25.00.05, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Минералогия и условия образования присалаирского пирометаморфического комплекса, Кузбасс"

005010946

На правах рукописи

КОРЖОВА Софья Андреевна

МИНЕРАЛОГИЯ И УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПРИСАЛАИРСКОГО ПИРОМЕТАМОРФИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА, КУЗБАСС

25.00.05 - минералогия, кристаллография 25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

- 1 [.ЦР 2012

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Новосибирск - 2012

005010946

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте геологии и минералогии им. B.C. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГМ СО РАН)

Научные руководители: доктор геолого-минералогических

наук Сокол Эллина Владимировна

кандидат геолого-минералогических наук Травин Алексей Валентинович

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор Шарапов Виктор Николаевич

доктор геолого-минералогических наук Брусницын Алексей Ильич

Ведущая организация: Московский государственный

университет М.В. Ломоносова

Защита состоится «6» марта 2012 г. в 10°° часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 003.067.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте геологии и минералогии им. B.C. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук в конференц-зале.

По адресу: 630090, Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3 Факс: (383) 333-27-92, email: easkova@igm.nsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГМ СО РАН

Автореферат разослан «1» Февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.г.-м.н.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Природные угольные пожары и сопряженные с ними процессы пирогенного метаморфизма осадков представляют собой самостоятельное геологическое явление планетарного масштаба, систематическое изучение которого было начато всего 30 лет назад. В этой связи актуальными являются реконструкции физикохимических условий пирометаморфизма, инициированного угольными пожарами, которые всецело базируются на информации об особенностях минерального состава горелых пород. Актуальны также хронологические исследования комплексов горелых пород, поскольку сведения

о времени палеовозгораний весьма ограничены (НеГГеш е1 а1., 2007), а для российских месторождений вообще отсутствуют. Цель диссертационной работы - комплексная геолого-минералогическая и хронологическая характеристика древних горельников Кузбасса, которая включает систематическую характеристику вещественного состава продуктов пирогенного метаморфизма, реконструкцию физико-химических условий, определение возраста и геологических предпосылок палеопожаров. Для ее достижения были последовательно решены следующие задачи.

1. Типизированы продукты пирометаморфизма и построены разрезы разновозрастных горельников, возникших в центре Кузнецкой впадины и на ее деформированной периферии. Определена связь пиро-генных комплексов западной окраины Кузбасса с конкретными геологическими структурами.

2. Охарактеризован минеральный состав высокотемпературных клинкеров и Ре-А1-паралав, возникших в очаговых зонах крупных подземных пожаров. Для Присалаирского комплекса реконструированы РТ/02-параметры метаморфизма углевмещающих пород.

3. Разработан алгоритм 40Аг/39Аг-датирования плейстоценовых пирогенных пород и определен возраст палеопожаров Кузбасса.

Фактический материал. Объекты исследования - древние пиро-генные породы (105 образцов паралав и клинкеров) из разновозрастных горельников Кузбасса, собранные при участии автора в ходе полевых работ 2005-2009 гг.

Научная новизна.

Высокотемпературные пирогенные алюмосиликатные породы охарактеризованы как самостоятельная группа метаморфических пород. Получена систематическая информация о следующих редких минеральных видах: клиноферросилит, Бе-содержащий муллит, безводный К-содержащий секанинаит. Установлено, что тридимит из пирогенных

пород представляет собой ограниченный твердый раствор с кальсили-том. Реконструированы тренды кристаллизации вязких (т/ = ю51'9-8 Па*с, при Тцч = 920-1120°С) кислых Ре-А1-расплавов. Доказано, что пику метаморфизма отвечают следующие РТ/Ог-параметры: Ро5щ < 20 бар, Т= 1120°С, ддрм<-ол.

Впервые в мировой практике на материале разновозрастных го-рельников Кузбасса построены сводные разрезы пирогенных комплексов. Создана крупномасштабная карта-схема распределения горелых пород на западной окраине Кузбасса и выявлены главные факторы риска естественных возгораний.

Впервые установлены эпохи массовых возгораний углей в Кузнецком бассейне: западная периферия - эоплейстоцен (1.3-0.9 млн. лет) и средний-поздний неоплейстоцен (0.3-0.1 млн. лет); центр - поздний неполейстоцен (0.13 - 0.02 млн. лет). Доказано, что плейстоценовые палеопожары происходили в условиях сухого и теплого климата.

Практическая значимость. Полученная систематическая информация о редких минеральных видах может быть использована в справочной литературе. Выявлена совокупность факторов, ответственных за возникновение крупных пожаров. Разработанный алгоритм 40Аг/39Аг-датирования пирогенных пород может быть использован для определения возраста позднекайнозойских угольных пожаров.

Защищаемые положения.

1. Протолитом пирогенных пород Присалаирской зоны Кузбасса явились угленосные осадки верхнебалахонской подсерии (Р]Ы) - арко-зовые песчаники и/или алевролиты с включениями сидеритов и болотных руд. В разрезах горельников преобладают остеклованные клинкеры, паралавы развиты локально и ограничены участками сосредоточения железистых осадков. Минералогическое и кристаллохимическое разнообразие древних горельников Кузбасса ограничено 11 видами простых безводных оксидов, силикатов и алюмосиликатов железа, алюминия и кальция, рост которых осуществлялся из сухих алюмоси-ликатных железистых расплавов. Твердофазовые превращения, включающие прямые полиморфные переходы между фазами 8102, резко ограничены. Калий не образует собственных минеральных видов и це-

40 а /39 »

ликом концентрируется в стекле, что позволяет осуществлять Аг/ Аг-датирование пирогенных пород.

2. Температурный интервал кристаллизации клинкеров Приса-лаирского комплекса - 920-1060°С, паралав - 950-1120°С. Пирогенные породы остывали в режиме закалки, вызванной обрушением кровли, и

были полностью солидифицированы при Т = 760-880°С (>; = 1012 Па*с). Значительные мощности (до 35 м) и гомогенность клинкеров, температуры метаморфизма осадков (Т<1120°С) и оценки значений J02, не превышающие уровня буфера QFM, позволяют реконструировать режим подземных пожаров в Присалаирской зоне как длительное высокотемпературное тление.

3. Согласно результатам 40Аг/39Аг-датирования, в Кузбассе массовые угольные пожары начались в эоплейстоцене - 1.3-0.9 млн. лет назад и изначально захватили только узкую зону реактивированных разломов на стыке впадины с Салаирским кряжем. Повторные возгорания произошли в интервале 0.3-0.1 млн. лет назад. В центр бассейна пожары сместились в позднем неоплейстоцене (0.13-0.02 млн. лет назад) в связи с проработкой там современной гидросети.

Публикации и апробация работы. Основные выводы работы были представлены на молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2007), 2-й международной конференции «Кристаллогенезис и минералогия» (Санкт-Петербург, 2007) и «ICCFR 2 Second International conference on coal fire research» (Берлин, 2010), на международной молодежной конференции «Y.E.S. congress 2009» (Пекин, 2009) и на 5-й сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2010). По теме диссертации опубликованы 3 статьи в рецензируемых журналах рекомендованных ВАК и тезисы 4 докладов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Содержит 141 страницу текста, 40 таблиц, 74 иллюстраций, список литературы включает 168 наименований.

Благодарности. Автор благодарен своим научным руководителям д.г.-м.н. Э.В. Сокол и к.г.-м.н. А.В. Травину. За критику, рекомендации и поддержку автор признателен к.г.-м.н. Н.А. Кулик, к.г.-м.н. С.Н. Кох, к.г.-м.н. Д.С. Юдину, к.г.-м.н. В.В. Шарыгину, к.г-м.н. Е.Н. Нигматули-ной, к.г-м.н. И.В. Фороновой и д.г.-м.н. И.С. Новикову (ИГМ СО РАН). Значительную помощь в экспериментальной и теоретической работе оказали к.г.-м.н. К.А. Кох, д.г.-м.н. Ю.В. Сереткин (ИГМ СО РАН) и проф. Р. Грейпс (Университет Веллингтона, Новая Зеландия). Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 09-05-00285-а), СО РАН (интеграционный проект № 60), президента РФ (гранта МК-6750.2010.5).

Глава 1. ГЕОЛОГИЯ ОСАДОЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНА

Кузнецкая депрессия выполнена осадками (до 10 км) возрастного интервала 02 - ]2- Структура бассейна сформирована движениями фундамента и окружающих складчатых сооружений в период с девона до юры. На периферии бассейна верхнепалеозойские и мезозойские нарушения реактивированы в позднекайнозойское время. Максимально деформированы западная (Присалаирская зона) и юго-западная окраины, где угленосные толщи экспонированы на поверхность и где сосредоточена основная угледобыча (Яворский, 1968).

Присалаирская зона Кузбасса, где сочетаются все геологические факторы риска развития крупных угольных возгораний, уникальна по количеству и размерам фокусов древних пожаров. Ее блочное строение определяют 15 разломов (протяженностью до 10 км), которые дифференцируют рельеф и формируют три предгорные ступени. В широтном направлении выделяются три тектонические зоны: Западная, Центральная и Восточная. Преобладают узкие вытянутые, часто опрокинутые, складки с крутым падением крыльев (40-90°). Мощность рабочих угольных пластов, принадлежащих к продуктивной верхнебалахонской подсерии (Р|Ы) (кемеровская (?\кт) и ишановская (Р,к) свиты), колеблется от 0.8 до 24 м. Коэффициент угленосности (в среднем - 12%) близок к максимальному в Кузбассе. В Западной зоне преобладают слабо-метаморфизованные угли (марки ДГ, Г, ГЖ), в Центральной и Восточной зоне - угли средних (марки КЖ, СС, ОС) и высоких степеней метаморфизма (марка Т). Угли интенсивно перемяты, а их метаноносность составляет 10-45 м3/т. Максимальное газовыделение зафиксировано в скважинах, заданных в присводовых частях антиклиналей, где поверхность зоны метанового выветривания вплотную приближается к дневной поверхности (Угольная база..., 2003; Кудинов, 2007).

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Изучение коллекции пирогенных пород Кузбасса выполнено в аналитических лабораториях ИГМ СО РАН. Для решения минералогопетрологических задач использовались рентгенфлуоресцентный силикатный анализ горных пород (43 опр.), петрографический (110 шлифов), рентгенофазовый (60 обр.), микрозондовый (500 опр.) и ИК-спектроскопический (20 опр.) методы анализа, сканирующая электронная микроскопия (150 снимков и 145 спектров). Для реконструкции РТ/02-параметров метаморфизма осадков выполнены эксперименты по

плавлению паралав и клинкеров (10 обр.). Абсолютный возраст пиро-генных пород определялся 40Аг/39Аг- и К/Аг-методами (14 обр.).

Глава 3. ПИРОМЕТАМОРФИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ КУЗНЕЦКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА

В Кузбассе древние горельники в основном сосредоточены на западной и юго-западной окраинах (Прокопьевско-Киселевский и Кон-домский районы), а также в центре бассейна (Ерунаковский районы). На юго-западе и в центре бассейна палеопожары затронули пологопадающие (<20°) пласты мощностью 1.5-15 м умеренно метаморфизован-ных (марки Д, Г, ГЖ, Ж) самовозгорающихся углей (Р)Ы, Р2ег). Они приурочены к врезам речных долин, прослежены на расстояние от 50 до 800 м и не распространялись глубже 30 м. Здесь в разрезах горельников (мощностью 2-20 м) сохраняются верхние горизонты умеренно и слабо преобразованных пород, а паралавы редки. На западной окраине полоса горельников (28 крупных тел, составляющих Присалаирский комплекс) при ширине 3 км тянется на 45 км вдоль Салаирского кряжа. Здесь палеопожары возникали на мощных (3.5-24 м) крутопадающих (40-90°) пластах умеренно и высокометаморфизованных (марки К, КС, Т) углей (Р,и, Р\кт), на участках с преобладанием мятых витрено-клареновых углей, обладающих максимальной сорбционной емкостью в отношении метана и кислорода (Маревич, 1955). Горельники преимущественно сосредоточены в Центральной и Восточной тектонических зонах, где приурочены к слабо нарушенным сводам или, реже - к крыльям антиклиналей. Протяженность их тел - до 1.2 км, глубина распространения

- 70-200 м, мощность - до 80 м. Обладая высокой эрозионной устойчивостью, горелые породы формируют здесь сопки и гряды.

Горельники Присалаирского комплекса глубоко эродированы, сложены остеклованными клинкерами (продуктами частичного плавления мстапелитов) и возникшими на их основе брекчиями обрушения сводов выгоревших пластов. Паралавы (продукты полного плавления протолита сложного состава) распространены локально и приурочены к телам брекчий. В основании разрезов горельников располагаются неизмененные осадки, над которыми залегает тонкий слой термоантрацита и выше - зольный горизонт (мощность до 1.5 м). Его перекрывают брекчии обрушения кровли мощностью от 5 до 30 м. В брекчиях фрагменты (0.05-0.5 м) остеклованных клинкеров утрачивают угловатые очертания и цементируются прожилками паралав, реже они сплавлены в монолит. Над брекчиями располагаются мощные (до 35 м) горизонты остекло-

ванных клинкеров. Вышележащие умеренно и слабо преобразованные породы сохраняются крайне редко и либо целиком эродированы, либо преобразованы в корах выветривания. Пирогенные породы перекрыты переотложенными продуктами их гипергенного преобразования, лессовидными суглинками и современной почвой (рис. 1).

Глава 4. МИНЕРАЛОГИЯ ПИРОГЕННЫХ ПОРОД ПРИ-САЛАИРСКОГО КОМПЛЕКСА

Протолитом пирогснных пород являются угленосные осадки ишановской (Р,/У) и кемеровской (P,fow) свит: преимущественно арко-зовые песчаники, алевролиты и аргиллиты с глинисто-серицитовым, редко с анкеритовым цементом. Главные концентраторы железа - сиде-ритовые псевдоморфозы по стволам деревьев, сидеритовые конкреции и прослои болотных руд (табл. 1). Валовый химический состав пиро-генных пород задается соотношением пелитовых и железистых пород протолита. Преобладают продукты частичного плавления мстапслито-вых пород - остеклованные клинкеры, состав которых отвечает составу аркозовых песчаников (табл. 1, рис. 2). Клинкеры состоят из стекла с кристаллитами тридимита, муллита, Fe-кордиерита (секанинаита), Fe-А1-шпинелидов, гематита и зернами обломочного кварца.

Паралавы возникали только в участках скопления железистых осадков. Среди них преобладают редкие в горельниках других территорий высокоглиноземистые (14-19 мас.% А1203) низкокальциевые (СаО< 1 мас.%) разновидности с умеренным содержанием FeO (5-13 мас.%), представляющие собой продукты полного плавления смеси пелитовых осадков (80-90%), сидерита и болотных руд (в сумме 10-20%). Их слагают тридимит, секанинаит, фаялит, муллит, Fe-Al-шпинелиды, стекло (± кристобалит, клиноферросилит (?), гематит, ильменит, обломочный кварц). Количество паралав, резко обогащенных Fe203 (до 40 мас.%), минимально. В них обнаружено две ассоциации: (1) фаялит, Al-магнетит, тридимит, А1-клиноферросилит, стекло; (2) Fe-муллит, AI-титаномагнетит, стекло. Глиноземистые (12-16 мас.% А1203) паралавы с умеренными содержаниями FeO (3-12 мас.%) и СаО (5-10 мас.%) очень редки и возникали только при плавлении песчаников с анкеритовым цементом. Для этих паралав установлено две ассоциации: (1) основной плагиоклаз, А1-клинопироксены, Fe-Al-шпинелиды, стекло (±секанинаит, тридимит, кристобалит, ильменит, обломочный кварц); (2) фаялит, секанинаит, основной плагиоклаз, Fe-Al-шпинелиды, стекло (табл. 1, рис. 2).

Почва

~П»ИШ*Д

Разлом

Фрагменты остеклованных клинкеров, “сваренные” в монолит

Лессы и суглинки

Брекчия, сложенная кусками клинкеров (белые и светло-серые), сцементированными кордиеритовыми паралавами (серо-голубые)

Горизонты остеклованных клинкеров, сохранившие структурные параметры протолита

Переотложенные продукты выветривания пирогенных пород ("глинистый” материал)

Неизмененные Зола Фрагменты клинкеров, угленосные частично растворенные

осадки паралавами до появления

“теневых” структур

Сильно выветрелые умеренно преобразованные породы, наспедующие структурные и текстурные особенности протопита

— Фрагменты остеклованных клинкеров

Рис. 1. Сводный разрез Присалаирского пирогенного комплекса (построен на базе полевых наблюдений 2005-2009 гг.).

\

Характеристика минералов и стекла паралав и клинкеров.

В клинкерах и паралавах количество стекла достигает соответственно 70 и 40 об.%, что позволяет определить их структуру как аналогичную вит-рофировой и гиалопилитовой. Размеры минеральных индивидов -0.01-0.2 мм, редко до 1 мм. Породы характеризуются неравномерным распределением минералов.

Тридимит (Si02, монокл.) - породообразующий (до 40 об.%) ранний минерал в паралавах и клинкерах. Образует лейсты и копьевидные двойники (до 1 мм) (рис. 3). От других модификаций Si02 отличается пластинчатой морфологией, составом, оптическими характеристиками, лиловым свечением под электронным пучком. Рентгеновские характеристики минерала соответствуют эталону PDF (карта 160152). Обычны примеси (в мас.%) А1203 (0.23-0.69) и К20 (до 0.30), что связано с существованием ограниченного твердого раствора внедрения в системе тридимит - изоструктурный с ним кальсилит (K(AISi04)); отмечено присутствие (в мас.%) ТЮ2 ~0.10 и FeO - 0.15-0.72 (табл. 2).

Кварц в паралавах (<3 об.%) и клинкерах (до 30 об.%) диагностирован по оптическим характеристикам и желтому свечению под электронным пучком. Он унаследован от обломочной фракции песчаников и по составу отвечает чистому Si02. Его оплавленные зерна окружены концентрическими трещинами, возникшими при инверсии р —> а-кварц (Grapes, 2006), а также каймами высококремниевого стекла с лейстами тридимита. Свидетельства инверсии тридимита в кварц не обнаружены.

Кристобалит (Si02, тетрагон.) диагностирован методом порошковой дифрактометрии (PDF карта 391425). Образует микрокристаллический агрегат, развитый по трещинам в зернах обломочного кварца. Аналогия с динасовыми огнеупорами, для которых установлено, что а-кварц трансформируется в тридимит через промежуточную фазу а-кристобалита (Белянкин и др., 1952), позволяет отнести кристобалит паралав и клинкеров к разряду метастабильных фаз.

Fe-Kopduepum - секанинаит (Fe2Al4Si5Ol8, ромб.) - породообразующий минерал (до 40 об.%) низкокальциевых паралав умеренной железистости, реже - клинкеров (5-20 об.%). Его рентгеновские характеристики соответствуют эталону PDF (карта 170525). Преобладают ярко-синие короткопризматические кристаллы размером 10-300 мкм, реже гипидиоморфные зерна, выполняющие и^терстиции между пластинами тридимита (рис. 3). Характерны полисинтетические двойники и тройники прорастания. Минерал содержит включения шпинели и три-

Таблица 1

Химический состав представительных образцов углевмещающих пород верхнебалахонской подсерии (Р|Ы) и пирогенных пород из Присалаирского пирометаморфического комплекса

осадочные породы клинкеры напалавы

Компонент 06-10-01 06-10-03 06-10-08 06-23-11 06-09-03 )6-09-02к 06-04-04 05-КС-10 05-КС-12 06-09-02 05-КС-32

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

8Ю2 1.33 6.62 70.29 69.15 69.61 73.36 42.43 67.48 68.14 62.62 59.98

Т Юг 0.02 0.11 0.74 1.01 0.96 0.71 0.43 0.74 1.11 0.65 0.48

А1203 0.71 2.46 16.45 21.04 19.10 16.88 11.39 15.60 19.08 16.58 11.78

Ре203* 43.48 61.39 4.52 1.84 2.29 2.07 41.20 10.93 5.57 14.18 12.85

МпО 0.63 1.13 0.14 0.13 0.14 0.14 0.45 0.17 0.14 0.15 0.18

мёо 1.63 0.00 0.15 0.32 0.41 0.29 0.41 1.54 0.36 0.18 1.12

СаО 8.38 0.44 0.51 0.36 0.54 0.38 1.42 0.57 0.73 0.39 9.90

N3,0 0.00 0.00 0.83 0.13 0.11 0.78 0.00 0.41 0.33 0.46 0.50

к2о 0.03 0.51 2.70 3.39 4.07 3.61 1.98 1.65 3.36 3.39 1.47

р2о5 0.11 0.10 0.18 0.08 0.14 0.12 0.27 0.07 0.09 0.11 0.82

П.п.п 43.53 26.85 3.47 1.94 2.64 1.69 0.00 0.87 1.14 1.30 0.94

Сумма 99.85 99.61 99.97 99.99 99.99 100.00 100.00 100.04 100.06 100.01 100.01

рео** 9.84 5.01 12.76 11.57

1 - оолитовая болотная руда; 2 - сидеритовая конкреция, загрязненная пелитовым материалом; 3 - аркозовый песчаник; 4-6 — клинкеры, возникшие по песчанику; 7 - паралава, возникшая в результате плавления сидеритовых конкреций, загрязненных пелитовым материалом; 8-10 - паралавы, возникшие в результате плавления метапелитовых пород в присутствии незначительного количества сидеритового материала; 11 - паралава, возникшая по песчанику с анкеритовым цементом;

* - все железо определено как Ре2<Э3;

** - для паралав, в составе которых преобладают Ре2+-содержащие минералы, железо пересчитано на РеО.

(Ре+Мд+Мп+Са)0 50 (А1,Ре)2Оэ +

+ ТЮ2 + Р205 Мас.% (Ма,К)20

Рис. 2. Нормативные составы пород протолита, клинкеров и паралав в координатах [(Ре+1У^+Мп+Са)0+ТЮ2+Р205] - 8Ю2 - [(А1,Ре)203 + (№,К)20].

Рис. 3. Взаимоотношения минералов в низкокальциевых паралавах (петрографические шлифы, фото в поляризованном свете без анализатора).

а - секанинаит, выполняющий пространство между ранними лейстами тридимита в кислом А1-К-стекле (на рис. 6 - линия котектики АВ, перитектика В); б - короткопризматические кристаллы секанинаита, лейсты тридимита и изометричные зерна фаялита, заключенные в кислое А1-К-стекло (на рис. 6 -эвтектика С);

Сс1 - Ре-кордиерит (секанинаит); Ра - фаялит, Рв1 - Ре-А1-шпинелиды. в! - стекло, Т(1 - тридимит.

Рис. 6. Проекция нормативных составов (в мас.%) кузнецких силикатных низкокальциевых паралав и клинкеров на диаграмму состояния системы 8Ю2-АЬОз-РеО (при /02 = 10'ь и робщ = I атм, 8с)1апег, Уа§1, 1952).

^сая^ -ST

1.03-1

.02- L L01- J

0.'

0 0.01

06-! 2-05

*

X

о

о

(И

1.5-: 0.5

о-

Интегральный возраст 0.53±0.11 млн. лет

0.06±0.11 млн. лет

0.019 0.018-0.01 Г -

0.3

0.2

0.1

0

20 40 60 80

Доля выделенного ”Аг,%

1.5

1.2

0.9f

0.6

0.3

о

06-23-11

Интег ральный возраст 0.68±0.16 млн. лет

0.24±0.22 млн. лет <--------------------►

1.09+0.19 млн. лет

100 0 20 40 60 80

Доля выделенного ">Лг,%

100

№ Т, °С t, мин J0Ar, 10’9 нем3 41,Аг/3,Аг 38Аг/39Аг 37Аг/39Аг 36Аг/39Аг Са/К Г’Аг, % Возраст, млн. лет (±1о)

Обр. 06-23-11, содержание КгО - 3.39 мас.%, навеска 196 мг, J = 0.0049145±0.000063

I 600 10 93.93 6.49 0.021 0.03 0.022 0.10 17.9 0.18±0.27

2 750 10 152.58 5.47 0.021 0.01 0.018 0.02 52.5 0.37±0.40

3 900 10 106.63 5.22 0.020 0.03 0.017 0.12 77.7 1.09±0.19

4 1120 10 133.72 7.44 0.022 0.01 0.025 0.04 100.0 1.09±0.17

Обр. 06-12-05, содержание К20 - 1.56 мас.%, навеска 246 мг, J = 0.049425±0.000064

1 550 10 12.96 6.87 0.023 0.19 0.020 0.67 4.4 7,54±0.93

2 800 10 19.51 2.32 0.020 0.37 0.008 1.33 24.2 0.74±0.25

3 950 10 23.26 1.55 0.019 0.35 0.005 1.27 59.4 0.04±0.14

4 1100 10 68.72 3.98 0.021 0.36 0.013 1.30 100.0 0.09±0.18

Рис. 4а. Результаты 4(|Аг/3‘',Аг-датирования пирогенных пород Кузнецкого угольного бассейна (вторая серия экспериментов, масс-спектрометр Noble gas 5400)

06-23-11 - клинкер, Присалаирский комплекс, 06-12-05 - паралава, Ерунаковский район (д. Коновалове).

J - параметр, характеризующий величину нейтронного потока.

- 0.0206-0.0204 : I)

1.0 0.8 0.6 0.4 + 0.2 0

0.2-F 0

05-KC-12

0.194-

0-

30

20

10

0

Интегральный возраст 0.28=0.07 май. лет

0.24±0.07 млн. лет

4 -3 2 I 0

06-09-03

ЬР

Интегральный возраст 0.79*0.09 млн. лет

1.06*0.10 или. лег

20 40 60 80

Доля выделенного "Аг.%

100 0 20 40 60 80 100

Доля выделенного вАг,%

№ Мощность ИК-лазера (Вт) Т, С° t. сек 40 Аг, ю-9 нем3 “Аг/”Аг 38Аг/39Аг 57Аг/3,Аг 36Аг/35Аг Са/К IwAr, % Возраст, млн. лет (±1с)

Обр. 05-КС-12, содержание К20- 3.36 мас.%, навеска 25 мг, J = 0.003972±0.000041

1 8.25 1100 20 517.04 10.23 0.03 2.35 0.03 8.47 35.20 0.10*0.11

2 33 1200 30 568.72 9.46 0.03 1.12 0.03 4.04 77.86 0.35±0.09

3 55 - 30 515.66 16.22 0.03 1.15 0.05 4.14 100.00 0.72±0.14

Обр. 06-09-03. содержание КгО - 4.07 мас.%, навеска 27 мг, J = 0.004135*0.000045

1 5.5 - 5 38.71 3.18 0.02 7.13 0.01 25.65 7.13 0.57±0.54

2 5.5 1000 5 60.37 3.35 0.02 2.36 0.01 8.49 17.47 1.09±0.33

3 5.5 1100 10 46.52 3.26 0.02 5.16 0.01 18.57 25.65 0.23±0.32

4 5.5 1200 60 85.18 3.21 0.02 4.29 0.01 15.46 40.87 0.24±0.20

5 7.7 - 120 150.13 3.04 0.02 1.48 0.01 5.31 69.19 0.95±0.11

6 8.25 - 180 162.25 3.09 0.02 0.52 0.01 1.88 99.35 1.05±0.10

Рис. 46. Результаты 40Ат/39Аг датирования пирогенных пород Кузнецкого угольного бассейна (третья серия экспериментов, масс-спектрометр Argus)

05-KC-I2 - паралава, 06-09-03 - клинкер, Присалаирский комплекс.

- - температура не измерялась.

Таблица 2

Представительные анализы минералов и стекол из клинкеров и паралав Присалаирского пирометаморфического комплекса (мас.%)

Минерал Ш СРв Р1 Тії Га С<і Ми1* О СІВКЛ А1-

Компонент 1 2 3 4 5 6с 6г 7 8 9 10 И 12 13 14 15с 15г

БЮг 47.40 46.24 53.94 98.54 29.04 44.85 44.50 26.28 75.48 78.59 78.57 70.20 78.50 73.51 71.90 8і02 0.40 0.46

ТЮ2 0.39 0.29 0.06 0.06 0.05 0.05 0.06 0.33 1.10 1.00 0.28 0.12 0.68 0.10 0.47 ТЮ2 1.59 1.29

А12Оз 2.16 3.44 28.47 0.48 0.00 31.93 32.18 62.39 12.66 11.85 11.32 15.50 11.49 12.92 12.48 Сг2Оз 0.09 -

їїеО 25.52 42.30 0.57 0.20 65.69 20.22 21.01 8.45 1.32 0.83 1.77 0.39 0.83 1.13 4.76 А1203 11.44 15.32

МпО 0.22 0.69 0.02 0.02 2.76 0.02 0.05 0.00 0.03 0.02 0.01 0.04 0.01 0.12 0.00 РеО 78.58 76.58

MgO 5.72 6.72 0.05 0.00 1.00 1.54 0.88 0.03 0.02 0.26 0.04 0.06 0.02 0.01 0.04 МпО 0.50 0.56

СаО 17.69 0.41 12.13 0.01 0.02 0.03 0.05 0.07 0.62 0.68 3.95 0.29 0.26 0.55 0.44 МёО 0.40 0.24

N3:0 0.11 0.01 4.25 0.00 0.04 0.08 0.11 0.01 1.01 0.09 3.02 1.53 0.49 0.16 1.18 СаО 0.00 0.00

к2о 0.01 0.02 0.49 0.26 0.08 0.42 0.66 0.00 5.46 3.98 0.49 11.06 5.70 10.14 5.23 Сумма 93.02 94.47

р2о5 0.00 0.04 0.00 0.00 0.43 0.00 0.00 0.08 0.29 0.14 0.08 0.29 0.09 - 0.22 ЕеОсаїс 33.33 34.33

Сумма 99.23 100.15 99.98 99.57 99.10 99.13 99.50 97.64 98.23 97.65 99.53 99.81 98.07 98.62 96.70 Ре203са1с 50.29 46.95

О = 6 0 = 8 0 = 2 0 = 4 0 = 18 Сумма 98.06 99.17

1.917 1.907 2.448 0.993 0.998 4.869 4.840 К = 3 А = 4

Ті 0.012 0.009 0.002 0.000 0.002 0.004 0.005 ві 0.021 0.016

А1 0.103 0.167 1.523 0.006 0.002 4.086 4.126 Ті 0.037 0.031

Ре 0.863 1.459 0.022 0.002 1.955 1.835 1.912 А1 0.509 0.725

Мп 0.008 0.024 0.001 0.000 0.002 0.002 0.004 Сг 0.021 0.001

Mg 0.345 0.413 0.004 0.000 0.032 0.249 0.142 Ре3+ 1.355 1.178

Са 0.767 0.018 0.590 0.000 0.003 0.003 0.005 Ре2+ 1.025 1.023

Na 0.008 0.000 0.374 0.000 0.001 0.017 0.024 Мп 0.015 0.015

К 0.000 0.001 0.028 0.003 0.004 0.057 0.092 Mg 0.015 0.009

Р 0.000 0.001 0.000 0.000 0.002 0.000 0.000 Са 0.001 0.001

Сумма 4.024 4.000 4.990 1.005 2.999 11.122 11.150

Примечание: 1-3, 10-11 - минералы и стекла из паралав, обогащенных кальцием, 7 - муллит из паралавы, обогащенной железом; 4-6, 12-15 - минералы и стекла из низкокальциевых паралав с умеренной железистостью; 8-9 - стекла из клинкеров;

А1-М§1 — глиноземистый магнетит, Сс1 — Ре-кордиерит — секанинаит, СБз — клиноферросилит, Ра — фаялит, С1 — стекло, 01вкл — стекло из включения в секанинаите, Неї — геденбергит, Ми1 — муллит, Р1 — плагиоклаз, Тс1 — тридимит; с — центр кристалла, г - кайма кристалла;

* При пересчете РеО на Ре203 (9.46 мас.%) сумма в анализе составляет 98.65 мас.%.

димита, а также уникальные включения стекол, близких по составу к стеклам мезостазиса паралав. Разброс железистости кузнецких секани-наитов - Хрс=50-95% (X -80%). Минерал отличается дефицитом Si (4.79-4.97 ф.е.) и избытком А1 (4.03-4.22 ф.е.) против стехиометрии, не содержит Н20 и С02 (табл. 2). Канальные позиции частично заселены К (до 0.11 ф.е.): K[Ch] + Л1г41 —>D[Ch] + Si[4] Нередко наблюдается ростовая зональность: каймы мощность 5-10 мкм на 0.7-1.6 мас.% богаче FeO, нежели ядра кристаллов. Для монокристалла безводного секани-наита состава

впервые методом монокристального рентгеновского анализа была определена пространственная группа - Ссст, параметры ячейки а= 17.1754(5) А, 6 = 9.8001(3) А, с = 9.2805(3) А, V = 1562.10(8) А3 и показатель искажения (Л) = 0.220. Обнаружено присутствие 0.02 ф.е. Fe2+ в тетраэдрических позициях Т, 1 и Т26. Канальные позиции Ch3 частично заселены К+, прочие канальные позиции (Ch0 и Chi) вакантны.

Количество фаялита (Fe2Si04, ромб.) в паралавах достигает 30 об.%. Его рентгеновские характеристики соответствуют эталону PDF (карта 020784). Обычны дендритные, футлярные, скелетные индивиды и изометричные зерна (0.01-0.5 мм) в стекле в интерстициях между се-канинаитом и тридимитом. Характерны включения Fe-Al-шпинелидов и расплавные включения. Состав минерала близок к Fe2Si04 (Fo=2), обнаружены примеси (в мас.%) МпО до 2.89 и Р205 до 0.46 (табл. 2). Изоморфные схемы вхождения Р: М2'|(1] + 2Si4+[4j —> + 2P5+[4j и

5Si4+[4] —<• 4Р 5г|4] + D[4] (Agrell et al., 1998). Минерал не изменен и лишен зональности.

Количество муллита (Al[AlxSi2_x05 5_0.5Х], ромб.) в паралавах с высокой железистостью и в клинкерах достигает 30 об.%, в паралавах с умеренной железистостью - менее 10 об.%. Диагностирован методом порошковой дифрактометрии (PDF карта 100394). В паралавах, обогащенных железом, образует крупные призматические кристаллы до 100x10 мкм. В шлифах бесцветен, реже в сечении л. с обладает ярким золотистым оттенком. Содержит 9.46-12.78 мас.% Fe203, что позволяет отнести его к Fe-муллиту - индекс-минералу высокотемпературной субфации спуррит-мервенитовой фации метаморфизма (табл. 2).

Пироксен близкий по составу к Fe2Si206 (XFe = 78.6-81.11%) присутствует во всех типах паралав (< 5 об.%). В низкокальциевых паралавах умеренной железистости он образует плохо оформленные индивиды, что не позволяло определить угол погасания. В прочих паралавах минерал формирует удлиненные кристаллы с косым погасанием,

что позволяет идентифицировать его как клиноферросилит. Характерны примеси (в мас.%) А120з - 3.44-5.05, ТЮ2~ 0.3, МпО - 0.7.

Ге-А1-шпинелиды (герцинит-магнетит, А1-титаномагнетит) породообразующие минералы (до 30 об.%) в паралавах, обогащенных железом, в которых формируют скелетные кристаллы до 0.5 мм. В паралавах с умеренной железистостью и клинкерах являются акцессорными минералами, изометричные зерна (0.05-0.15 мм) и скелетные кристаллы которых заключены в стекло мезостазиса. Характерны сложные срастания с фаялитом, часто зональны и секториальны. Содержания РеО, А1203 и ТЮ2 соответственно 47.81-82.25, 8.26-48.67 и 0.47-17.92 мас.%, концентрации СаО и Сг203 «0.1 мас.%.

Количество ильменита и гематита в паралавах и клинкерах

< 3 об.%. Пластинки ильменита (0.01 мм) образуют сростки с Б'е-А1-шпинелидами, а гематит замещает герцинит-магнетит по трещинам.

Диопсид-геденбергит (ХГе = 27.2-76.1%) в количестве до 40 об.% обнаружен только в паралавах, обогащенных кальцием. Минерал образует плохо оформленные удлиненные индивиды и футлярные кристаллы. Содержит примеси (в мас.%) 1.08-5.91 А120з, -0.30 ТЮ2 и МпО, 0.32 №20 (табл. 2).

Плагиоклаз также обнаружен только в кальциевых паралавах, где образует мелкие лейсты (< 50 мкм). По составу он отвечает битов-нит-лабрадору (Ап=70), количество К20 < 0.5 мас.%, характерна примесь РеО (0.53-4.00 мас.%) (табл. 2).

Стекла (40-70 об.% в клинкерах и 10-40 об.% в паралавах) однородны и изотропны, реже содержат мельчайшие кристаллиты триди-мита, муллита или плагиоклаза, бесцветные, розовые, коричневые, бурые. Стекла обычно кислые и глиноземистые, являются главными концентраторами калия. Содержания петрогенных компонентов варьируют даже в пределах одного шлифа (1x2 см) (в мас.%): ЗЮ2 - 57.07-89.64, А1203- 9.54-35.29, К20 - 0.17-11.57, №20 - 0.07-2.50 и РеО - 0.05-8.49. Стекла клинкеров и паралав обогащены 8Ю2 и обеднены РеО в сравнении с валовыми составами этих пород. В стеклах кальциевых паралав содержание СаО достигает 7.19 мас.%. Концентрации прочих петрогенных элементов обычно < 1 мас.% (табл. 2). Молекулярная вода обнаружена методом ИК-спектроскопии только в денитрифицированных стеклах наиболее древних паралав, претерпевших посткристаллизационную гидратацию. Нередко индивиды рудных минералов, силикатов и алюмосиликатов железа оконтурены каймами (10-40 мкм) бесцветного стекла, обедненного РеО на 6 мас.% в сравнении с бурым стеклом мезо-

стазиса. Концентрации F, Cl и S03 во всех изученных минералах и стеклах клинкеров и паралав ниже предела обнаружения.

Глава 5. ВОЗРАСТ УГОЛЬНЫХ ПОЖАРОВ КУЗНЕЦКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА

Вещественные характеристики клинкеров и паралав Кузбасса, отвечают необходимым условиям корректного 40Аг/39Аг-датирования их валовых проб. В них полностью преобразованы К-содержащие минералы протолита, а калий (К20 1.5-4.5 мас.%) практически целиком концентрируется в стеклофазе.

В первой серии экспериментов датирование выполнялось по стандартной методике. Навески 56-116 мг измельченных до 0.25-0.5 мм паралав прогревались в 3-7 ступеней в кварцевом реакторе с печью внешнего прогрева. Изотопный состав выделенного аргона определялся на одноколлекторном масс-спектрометре Noble gas 5400. Поскольку концентрации 40Аград оказались крайне низкими (для каждой ступени

< 50x10'9 нем3), удовлетворительные возрастные оценки были получены только для одной паралавы (05-КС-12, 1.2±0.5 млн. лет) из горельника Центральной зоны западной окраины бассейна. Ошибки рассчитанных по плато 40Аг/39Аг-возрастов других паралав этой же территории превышали 100%. 40Аг/39Аг-возраст паралавы 05-69-4 из Восточной зоны составил 0.3±0.3 млн. лет. Для паралавы 05-78-9 из горельника югозападной окраины был получен 40Аг/39Аг-возраст 0.8±0.6 млн. лет.

Во второй серии экспериментов паралавы и клинкеры датировались по стандартной методике, по с увеличением навески до 196249 мг и прогревом в 4 ступени. Это повысило количество выделяемого 40Аград в 2-3 раза. Ошибки рассчитанных по плато 40Аг/39Аг-возрастов клинкеров из горелышков Центральной зоны составили 7-17% (рис. 4): обр. 06-09-03 - 1.09±0.08 млн. лет; обр. 06-23-11 - 1.09±0.19 млн. лет. Характер спектра обр. 06-23-11 позволил также выделить в нем молодую компоненту с возрастом 0.24±0.22 млн. лет. 40Аг/39Аг-возраст паралавы из центра бассейна (обр. 06-12-05) составил 0.06±0.11 млн. лет.

В третьей серии экспериментов пластинки (-25 мг) паралав и клинкеров прогревались в 3-6 ступеней с помощью ИК-лазера Fusions 10.6, а изотопный состав выделенного газа определялся на многоколлекторном масс-спектрометре Argus. 40Аг/39Аг-возраста, полученные для дубликатов образцов, согласуются с результатами первых двух серий экспериментов и характеризуется ошибками в 10-29% (рис. 4). Для обр. 05-КС-12 были установлены две возрастные компоненты -

0.72±0.14 и 0.24±0.07 млн. лет; обр. 05-КС-32-2 - 1.64±0.26 млн. лет; обр. 06-09-03 - 1.00±0.10 млн. лет; обр. 06-09-02 - 1.16±0.13 млн. лет.

Глава 6. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Экспозиция угленосных толщ, время и причины палеовозгораний углей в Кузбассе. На западной окраине Кузбасса в результате позднекайнозойской реактивации древних разломов произошло блочное воздымание осадочных толщ на границе с Салаирским кряжем. Это инициировало эрозию осадков и обеспечило доступ окислителя к углям. Поскольку угли этой территории относятся к категории трудно окисляемых (Манукян, 1947), вероятность их природного самовозгорания была низка. Распространение палеопожаров ниже современного уровня грунтовых вод (до 200 м) указывает на климатический контроль возгораний. Наиболее вероятной их причиной представляются степные пожары. Для Кузнецкого бассейна теплый, засушливый климат и степные ландшафты реконструируется (Форонова, 2001) в позднем эоплейсто-цене и позднем неоплейстоцене (казанцевское время). Геологические наблюдения и 40Аг/39Аг-возраст горелых пород свидетельствуют, что по западной окраине Кузбасса первая волна массовых возгораний прошла именно в эоплейстоцене (1.3-0.9 млн. лет) и затронула только Центральную тектоническую зону (или среднюю предгорную ступень). Время повторных возгораний на этой территории (0.2±0.1 млн. лет) может соответствовать казанцевскому периоду (0.13-0.10 млн. лет). 40Аг/39Аг-возраст паралав Восточной зоны (нижняя предгорная ступень)

- 0.3±0.3 млн. лет позволяет предполагать возникновение пожаров позже рубежа 0.6 млн. лет. В этот период сухой и теплый климат реконструируется для тильтимского, казанцевского и межстадиальных потеплений тазовского и ермаковского времени (Зыкин и др., 2008) (рис. 5).

В центре бассейна очаги палеовозгораний возникали в эрозионных врезах по мере проработки современной дренажной сети, заложенной во время казанцевского потепления (0.13-0.10 млн. лет назад) (Геология..., 1967). Возраст лессовидных суглинков еловской свиты, перекрывающих горельники, составляет 23 тыс. лет (Форонова, 2001). В совокупности с 40Аг/39Аг-возрастом паралав (0.06±0.10 млн. лет) это позволяет отнести палеовозгорания к интервалу 0.13-0.02 млн. лет. Пожары в центре Кузбасса происходили в казанцевское время и/или начале ермаковского времени (рис. 5), а их причиной могло быть как самовозгорание углей, так и их воспламенение от внешнего источника.

Аг/”Аг-возраст млн. лет

0.0'

0.1 •

Современный

| .. [ - теплые влажные

и умеренно влажные периоды

- теплые засушливые периоды

® I* --------

С; I ________ * ЛеДНИКОВЫе ПерИОДЫ

Рис. 5. Корреляция эпизодов кузнецких угольных пожаров с ледниковыми и межледниковыми эпохами плейстоцена.

* Региональная стратиграфическая схема плейстоценовых отложений Западной Сибири по (Архипов, Волкова, 1994;

Зыкин и др., 2008);

Ц.т.з. - Центральная тектоническая зона;

В.т.з. - Восточная тектоническая зона;

по оси X отложено расстояние от Тырганского надвига, отделяющего угленосные осадочные толщи Кузнецкой впадины от безугольных девонских отложений Салаирского кряжа.

Физико-химические параметры метаморфизма в очагах палеопожаров Присалаирского комплекса. Наличие открытых трещин над фокусом горения обеспечивало газообмен с атмосферой. Поэтому общее давление в подземных очагах пожаров мало отличалось от атмосферного. Преобладание в паралавах силикатов и алюмосиликатов Fe2+ и оценка значения фугитивности кислорода с помощью программы QUILF (AQFM = -0.1, Т=1120°С, Р,0ы= 1 бар, aSi02 (тридимит) = 1) согласованно указывают на кристаллизацию пирогенных расплавов при J02 ниже уровня, контролируемого буфером QFM. Для низкокальциевых паралав и клинкеров рассчитанные температуры ликвидуса (Тцч) сухих расплавов (программа MELTS, буфер QFM (Ghiorso, Sack, 1995)) составили 920-1060°С для клинкеров и 1050-1120°С для паралав. В экспериментах по отжигу плавленых пород в атмосферных условиях очаги плавления были зафиксированы при Т=1000-1030°С. T|iq сухих остаточных расплавов, рассчитанные по составам стекол, составили 950-1090°С для паралав и 920-1030°С для клинкеров. Таким образом, пиро-генные расплавы кристаллизовались в узком температурном интервале

- 1120-950°С (паралавы) и 1060-920°С (клинкеры).

Кристаллизационные тренды низкокальциевых пород могут быть корректно реконструированы на базе петрографических наблюдений и диаграммы системы Si02+Al2C>3+FeC) (рис. 6). Из расплавов первым кристаллизовался муллит, затем на котектической линии АВ к нему присоединялся тридимит. В перетектической точке В осуществлялась реакция тридимит + муллит + Lj —> секанинаит + L2. Далее вдоль котектической линии ВС кристаллизовались тридимит и секанинаит. В эвтектической точке С одновременно росли тридимит, секанинаит и фаялит. При росте значений J02 до уровня буфера QFM кристаллизовались Fe-Al-шпинелиды. Остаточные кислые Al-К расплавы преимущественно закаливались в стекло, что предотвратило рост калишпата (рис. 7).

На линии ликвидуса вязкость сухих кислых и высокоглиноземистых расплавов варьировала (r\= 105'1'9'1 Па*с) в зависимости от содержания катионов-модификаторов. По мере кристаллизации вязкость прогрессивно росла, достигая в остаточных расплавах при Тцч стекол величин ц = 107 2 9 8 Па*с. Расплавы полностью солидифицировались при Т = 760-880°С, когда вязкость возрастала до 10|2Па*с. Расчеты выполнены по программе (Giordano et al., 2008).

Характер зональности индивидов секанинаита позволяет оценить длительность высокотемпературного этапа (Т = 900-1100°С) суще-

ствования паралав от нескольких десятков дней до 4 месяцев. В сухих условиях при этих температурах в кордиерите гомогенизация кайм шириной 5-10 мкм должна произойти за 1-4 месяца.

Рис. 7. Температурно-временной тренд генерации и эволюции пи-рогенных расплавов Присалаирского комплекса:

быстрый прогрев и плавление протолита —► относительно медленная кристаллизация пирогенных расплавов —► закалка остаточных расплавов вследствие обрушения кровли над очагом пожара или затухания пожара.

Таким образом, сравнительно невысокие температуры пиро-генного метаморфизма осадков и оценки значения /02, полученные для заглубленных очагов кузнецких палеопожаров, позволяют реконструировать их режим как высокотемпературное тление при избытке топлива и недостатке окислителя. Этот режим обеспечил образование площадных массивов клинкеров за счет длительного прогрева пород кровли выгоревшего пласта при дожигании/доокислении горючих газов. В этом случае очаги генерации паралав были ограничены участками сосредоточения железистых осадков и зонами развития сквозных трещин, где происходило дожигание горючих газов, сопровождавшееся выделением дополнительного тепла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В пределах Присалаирского пирометаморфического комплекса Кузбасса очаги палеопожаров тяготеют к тем участкам угольных пластов верхнебалахонской подсерии (Р1Ы), петрографический состав, степень дислоцированное™ и структурное положение которых благоприятствовали аккумуляции метана. Высокая калорийность углей, значи-

тельная мощность пластов и глубина распространения палеопожаров, достигавшая 70-200 м обусловили формирование протяженных (до 1.5 км) и мощных (до 80 м) зон оплавленных пород.

Горельники Присалаирского комплекса глубоко эродированы и сложены высокотемпературными породами, сформировавшимися в заглубленных очагах палеопожаров. Тип и разнообразие этих пирогенных пород определялись литологией углевмещающих осадков верхнебала-хонской подсерии. Поскольку их основу составляют пелитовые породы, в горельниках преобладают продукты частичного плавления песчаников - остеклованные клинкеры. Паралавы развиты локально и представляют собой сухие котектические выплавки, составы которых были заданы пропорцией между метапелитами и железистыми породами.

В очагах палеопожаров Присалаирского комплекса пирогенное минералообразование осуществлялось преимущественно при участии расплавов при резко подчиненной роли твердофазовых превращений. В ассоциации пирогенных пород доминируют простые безводные оксиды, силикаты и алюмосиликаты (тридимит, железистый кордиерит - сека-нинаит, фаялит, муллит и Ре-А1-шпинелиды), рост которых происходил из сухих алюмосиликатных железистых расплавов. Калий не образует собственных минеральных видов и практически целиком концентрируется в стекле, что позволило по аналогии с молодыми вулканитами выполнить их 40Аг/39Аг-датирование.

Уникальный фазовый состав клинкеров и паралав Присалаирского комплекса наряду с особенностями состава протолита, резко обедненного М§0 (< 1 мас.%) и СаО (< 2 мас.%), определялся Т/02-режимом подземных пожаров. Горение/тление углей при избытке топлива и недостатке окислителя обеспечило массовое плавление протолита при Т = 920-1120°С в умеренно восстановительных условиях (значения /02, не превышающие уровня буфера С>РМ). Обрушение кровли выгорающих пластов вызвало закалку и стеклование (Т = 760-880°С, ц= 1012 Па*с) кислых А1-К остаточных расплавов, что предотвратило кристаллизацию поздних минералов-концентраторов калия.

На базе геологических критериев и результатов 40Аг/39Аг-датирования пирогенных пород впервые удалось оценить время палеовозгораний Кузнецкого бассейна. В Кузбассе угольные пожары, начавшись в эоплейстоцене на его западной окраине - вблизи реактивированного Тырганского надвига, распространились затем к центру бассейна. Наиболее вероятной причиной возгорания углей было их воспламенение от степных пожаров.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи в журналах из перечня ВАК:

Новиков И.С., Сокол Э.В., Травин A.B., Новикова* С.А. Пирометамор-фические индикаторы орогенных движений: минералогические и геохронологические аспекты на примере зоны перехода от Салаира к Кузбассу // Геология и геофизика. - 2008. - Т.49. - №6. - С. 503-526.

Новикова* С.А. Фаялит из железистых паралав древних угольных пожаров Кузбасса // Записки РМО. - 2009. - №1. - С. 91-104.

Grapes R., Korzhova S., Sokol E., Seryotkin Y. Paragenesis of unusual Fe-cordierite (sekaninaite)-bearing paralava and clinker from the Kuznetsk coal basin, Siberia, Russia // Contribution to Mineralogy and Petrology. - 2011. - V. 162(2). -P.253-273.

Статья:

Sokol E.V., Kudinov E.V., Kiriltseva N.A., Korzhova S.A. Geological prerequisites of late Cenozoic coal fires in the Kuznetsk coal basin, West Siberia, Russia // Latest developments in coal fire research: Bridging the science, economics, and politics of a global disaster. Proceedings of "ICCFR 2 Second International conference on coal fire research". - 2010. - dbb forum Berlin, Germany. Production: TU Bergakademie Freiberg, Germany, Institute of Mining and special civil engineering. -P. 86-92.

Материалы и тезисы совещаний, конференций:

Новикова* С.А. Плавленые породы - паралавы из древних пирогенных комплексов Кузбасса // Материалы II Международной конференции «Кристал-логенезис и минералогия». - Санкт-Петербург: ЛГУ, 2007. - С. 310-312.

Novikova* S. A New approach to determining the time of the neotectonic activity in areas of sedimentary basins of Central Asia // In Proceedings of 1 World -Y.E.S. congress 2009, Earth Science Frontiers. - 2009. - v.16. - p. 196.

Korzhova S.A., Sokol E.V. Scenario of ancient coal fires in the Kuznetsk coal basin, West Siberia, Russia // Latest developments in coal fire research: Bridging the science, economics, and politics of a global disaster. Proceedings of "ICCFR 2 Second International conference on coal fire research". - 2010. - dbb forum Berlin, Germany. Production: TU Bergakademie Freiberg, Germany, Institute of Mining and special civil engineering. - P. 396-397.

Коржова C.A. Секанинаитовые паралавы и клинкеры Присалаирской зоны Кузнецкого бассейна // Пятая Сибирская международная конференция молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 29 ноября - 2 декабря 2010 года), http://sibconf.igm.nsc.ru/sbomik 2010/01 mineralogy/740.pdf.

* - соискатель носила фамилию Новикова до 2009 года

_______________________Технический редактор Е.Г. Соколова__________________________

Подписано к печати 27.01.2012 Формат 60x84/16. Бумага офсет № 1. Гарнитура Таймс. _______________________Печ. л. 0.9. Тираж 110. Заказ № 69__________________________

ИНГГ СО РАН, ОИТ, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Коржова, Софья Андреевна, Новосибирск

61 12-4/95

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И МИНЕРАЛОГИИ ИМ. B.C. СОБОЛЕВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

КОРЖОВА СОФЬЯ АНДРЕЕВНА

МИНЕРАЛОГИЯ И УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПРИСАЛАИРСКОГО ПИРОМЕТАМОРФИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА, КУЗБАСС

25.00.05 «МИНЕРАЛОГИЯ, КРИСТАЛЛОГРАФИЯ» 25.00.09 «ГЕОХИМИЯ, ГЕОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОИСКОВ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ»

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИХ НАУК

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ Д.Г.-М.Н. Э.В. СОКОЛ К.Г.-М.Н. А.В. ТРАВИН

НОВОСИБИРСК-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................... 5

Глава. 1. ГЕОЛОГИЯ ОСАДОЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КУЗНЕЦКОГО

и

БАССЕЙНА....................................................................................

1.1. Очерк геологического строения и континентального этапа эволюции Кузнецкого бассейна............................................................................ 12

1.1.1. Геологическое строение и эволюция бассейна........................ 12

1.1.2. Краткая характеристика верхнепалеозойских угленосных отложений Кузбасса............................................................................ 18

1.1.2.1. Стратиграфическая последовательность и угленосность............................................................................................................................................................................18

1.1.2.2. Характеристика углей..................................................................................22

1.1.2.3. Метаноносность угленосной толщи..............................................23

1.1.3. Неоген-четвертичные осадки Кузнецкого бассейна..................................25

1.2. Геоморфология Прокопьевско-Киселевского района; литология и геологическое строение его угленосных толщ............................................ 25

1.2.1.Геоморфологи я............................................................... 25

1.2.2. Литология угленосных осадков верхнебалахонской

подсерии.......................................................................................... 29

1.2.3. Структурно-тектонические особенности.............................. 32

1.2.4. Характеристика углей кемеровской и ишановской

свит.................................................................................................. 36

1.2.5. Газоносность углей и вмещающих пород.............................. 36

1.2.6. Особенности локализации подземных пожаров в шахтах Прокопьевско-Киселевского района......................................................... 40

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 46

Глава 3. ПИРОМЕТАМОРФИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ КУЗНЕЦКОГО

БАССЕЙНА............................................................................................................................................................................55

3.1. Пространственное распределение пирогенных комплексов на территории Кузбасса......................................................................................................................................................55

3.2. Пирогенные комплексы Кемеровского, Ерунаковского и Кондомского районов..........................................................................................................................................................................................56

3.2.1. Кемеровский район..................................................................................................................56

3.2.2. Ерунаковский район..................................................................................................................61

3.2.3. Кондомский район....................................................................................................................71

3.3. Пирогенные комплексы Прокопьевско-Киселевского района..........................83

3.3.1. Геологическая позиция пирогенных комплексов........................................83

3.3.2. Объемы горелых пород, их площадь и глубина распространения..................................................................................................................................................................88

3.3.3. Геологическое строение пирогенных комплексов......................................88

Глава 4. МИНЕРАЛОГИЯ ПИРОГЕННЫХ ПОРОД ПРИСАЛАИРСКОГО

КОМПЛЕКСА......................................................................................................................................................................109

4.1. Морфологические, петрохимические и минералогические особенности пирогенных пород Присалаирского комплекса........................................................................................109

4.1.1. Остеклованные клинкеры..................................................................................................110

4.1.2. Рудные паралавы (шлаки)..................................................................................................120

4.1.3. Клинопироксен-плагиоклазовые и секанинаит-тридимитовые паралавы................................................................................................................................................................................................................133

4.2. Вода в паралавах Кузнецкого бассейна............................................................................173

Глава 5. ВОЗРАСТ УГОЛЬНЫХ ПОЖАРОВ КУЗНЕЦКОГО УГОЛЬНОГО

БАССЕЙНА........................................................................................................................................................................181

5.1. Современные подходы к определению возраста пирогенных пород............182

5.2. Перспективные методы абсолютного датирования пирогенных пород.. 186

5.3. Датирование пирогенных пород Кузбасса 40Аг/39Аг- и К/Аг-методом... 188

5.3.1 Отбор образцов пирогенных пород............................................................................188

5.3.2. Датирование пирогенных пород 40Аг/39Аг-методом................. 192

5.3.2.1. Датирование пирогенных пород по стандартной

методике........................................................................................... 192

5.3.2.2. Датирование пирогенных пород по стандартной

методике с увеличением навески анализируемого вещества........................... 198

5.3.2.3. Датирование пирогенных пород с использованием инфракрасного лазера (Fusions 10.6) и многоколлекторного масс-спектрометра

(Argus).............................................................................................. 202

Глава 6. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 210

6.1. Экспозиция угленосных толщ, время и причины естественных возгораний углей на территории Кузнецкого бассейна................................. 210

6.1.1. Древние пожары на западной окраине бассейна (Прокопьевско-Киселевский район)............................................................................. 211

6.1.2. Древние угольные пожары в центре Кузнецкого бассейна (Ерунаковский район)........................................................................... 223

6.2. Физико-химические параметры термометаморфизма в очагах

угольных палеопожаров западной окраины Кузбасса.................................... 225

6.2.1. Оценка общего давления и окислительно-восстановительного режима в очаге палеопожара.................................................................. 225

6.2.2. Температуры генерации и стеклования пирогенных расплавов

и их кристаллизационные тренды........................................................................................................................227

6.2.3. Вязкости пирогенных расплавов................................................................................238

6.3. Длительность остывания пирогенных пород....................................................................241

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................................................242

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................................................247

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................................................................................................262

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований.

Окисление и, как частный случай, возгорание углей, экспонированных на дневную поверхность, естественным образом возвращает в атмосферу в форме СО2 часть углерода, ранее захороненного в анаэробных условиях и выведенного из биогеохимического кругооборота. За последние несколько десятков лет изучения природных угольных пожаров, стало очевидным, что они представляет собой самостоятельное геологическое явление планетарного масштаба (Пирогенный..., 2005; Grapes, 2006, 2011). Естественный термометаморфизм углевмещающих осадочных пород, обусловленный энергией экзотермических реакций горения углей, является разновидностью пирогенного метаморфизма. РТ-поле образования пирогенных пород (Р < 25 бар) частично перекрывается в своей низкотемпературной области (Т = 700-1000°С) с РТ-полем спуррит-мервинитовой фации и простирается вплоть до Т = 1500°С (Пирогенный..., 2005; Grapes, 2006; 2011). Это является необходимым и достаточным условием для выделения РТ-области формирования пирогенных пород в самостоятельную высокотемпературную субфацию спуррит-мервинитовой фации метаморфизма. В настоящий момент специалисты в области петрологии и минералогии метаморфических пород стали уделять все больше внимания реконструкциям физико-химических условий преобразования осадочного протолита в ходе угольных пожаров (Пирогенный..., 2005; Grapes, 2006, 2011; Калугин и др., 1991; Foit et al., 1987; Cosca et al., 1989; Шарыгин и др., 2009; Masalehdani et al., 2007; Grapes, 2009; Piepjohn, 2007; Zácek et al., 2010). Однако, комплексный анализ геологической, климатической и геоморфологической обусловленности пирометаморфических событий пока выполнен только для горельников Великих Равнин, США (Heffern, Coates, 2004, Heffern et al., 2007).

На территории Кузбасса пирогенные породы, возникшие в ходе древних угольных пожаров, распространены повсеместно. Многочисленные, нередко полные, разрезы горельников (что является редкостью для подобных объектов), обнажаются естественным образом и вскрыты горными выработками на западной и юго-западной окраинах Кузнецкого бассейна и в его центре. Эти площади характеризуются контрастными геологическими условиями, а их угли обладают различными физико-химическими свойствами. Поэтому Кузнецкий бассейн представляет собой уникальный объект, дающий возможность систематически изучить различные геологические ситуации, в которых осуществлялся пирогенный метаморфизм, генетически связанный

с угольными пожарами, а также детально охарактеризовать продукты термометаморфизма осадочных пород и на этой основе реконструировать типичные РТ/02-режимы пирогенных преобразований. Комплексное геолого-минералогическое и хронологическое исследование горельников Кузбасса дает редкую возможность оценить вклад геологического, климатического и геоморфологического факторов в сценарии возникновения и развития природных угольных пожаров. Обоснование выбора объекта исследования.

Детальное геолого-минералогическое и хронологическое изучение было выполнено для горельников западной окраины Кузнецкого бассейна (Прокопьевско-Киселевский район). Их совокупность в дальнейшем будет называться Присалаирским комплексом. Этот комплекс горелых пород является уникальным геологическим объектом по количеству фокусов древних угольных пожаров и их размерам (40x3-5 км). В этом районе также вскрыты наиболее мощные (до 80 м) и полные пирогенные разрезы в Кузбассе, в составе которых преобладают высокотемпературные породы.

Повсеместное развитие и доступность горельников на западной окраине Кузбасса и детальная геологическая изученность этого района впервые позволили установить геологические факторы, контролировавшие возникновение и распространение масштабных угольных пожаров. Обилие и разнообразие пирогенных пород дает возможность на базе их минералого-петрологического анализа типизировать продукты термометаморфизма углевмещающих осадков, оценить РТ/Ог-параметры преобразования протолита в различных зонах пожаров (в том числе и в очаговой), реконструировать кристаллизационные тренды пирогенных расплавов. Изучение высокотемпературных пород также позволяет получить новую информацию о кристаллохимии редких минеральных видов. Наличие плавленых пирогенных пород, обладающих химическим и фазовым составом оптимальным для 40Аг/39Аг- и К/Аг-датирования, впервые позволило определить время массовых возгораний углей методами абсолютной геохронологии и сопоставить его с реконструированными на эти периоды палеоклиматическими условиями.

Таким образом, геологическая, минералого-петрологическая и хронологическая характеристика горельников юго-западной окраины бассейна и его центра, позволяет наиболее полно отразить специфику Присалаирского комплекса, уникального по масштабам и степени преобразования осадочных пород.

Цель диссертационной работы - комплексная геолого-минералогическая и хронологическая характеристика древних горельников Кузбасса, которая включает

систематическую характеристику вещественного состава продуктов пирогенного метаморфизма, реконструкцию физико-химических условий, определение возраста и геологических предпосылок палеопожаров. Для ее достижения были последовательно решены следующие задачи.

1. Типизированы продукты пирометаморфизма и построены разрезы разновозрастных горельников, возникших в центре Кузнецкой впадины и на ее деформированной периферии. Определена связь пирогенных комплексов западной окраины Кузбасса с конкретными геологическими структурами.

2. Охарактеризован минеральный состав высокотемпературных клинкеров и Fe-А1-паралав, возникших в очаговых зонах крупных подземных пожаров. Для Присалаирского комплекса реконструированы PT/02-параметры метаморфизма

углевмещающих пород.

3. Разработан алгоритм 40Аг/39Аг-датирования плейстоценовых пирогенных пород и определен возраст палеопожаров Кузбасса.

Фактический материал и методы исследования.

Исследования осуществлены на материале коллекции пирогенных пород Кузнецкого угольного бассейна, собранной при участии автора в ходе полевых работ 2005, 2006, 2008 и 2009 годов на территории западной (Прокопьевско-Киселевский угледобывающий район) и юго-западной (Кондомский район) окраин бассейна и его центра (Ерунаковский район).

Детально изучено 105 образцов клинкеров и паралав. Для решения минералого-петрологических задач были использованы высокоточные аналитические методы (рентгенофлуоресцентный силикатный анализ (43 опр.), рентгенофазовый (60 обр.), микрозондовый (500 опр.) методы анализа), ИК-спектроскопия (20 опр.), петрографический метод (110 шлифов), а также сканирующая электронная микроскопия (150 снимков и 145 спектров). Для реконструкции РТ/02-параметров генерации и кристаллизации пирогенных расплавов были выполнены эксперименты по плавлению паралав и клинкеров (10 обр.). Датирование осуществлялось Аг/ Аг- и К/Аг-методами (14 обр.). Научная новизна.

Природные угольные палеопожары Кузбасса впервые охарактеризованы как неотъемлемый этап общей геологической истории бассейна (Новиков и др., 2008; Sokol et al., 2010).

Высокотемпературные пирогенные алюмосиликатные породы охарактеризованы j как самостоятельная группа метаморфических пород. Получена информация о 1 химическом составе, парагенезисах и условиях образования редких минеральных ; видов, данные о которых были неполны или отрывочны. Это А1-содержащий клиноферросилит (Новикова, 2009), Fe-содержащий муллит, безводный К-содержащий ; секанинаит (Grapes et al., 2011). Установлено, что тридимит из пирогенных пород представляет собой ограниченный твердый раствор с кальсилитом. Для секанинаитовых паралав и клинкеров реконструированы тренды кристаллизации расплавов. Установлено, что пику метаморфизма отвечают следующие РТ/О2-параметры: Робщ<20бар, Т~1120°С, AQFM<-0.1. Доказано, что среди пирогенных расплавов Присалаирского комплекса преобладали кислые высокоглиноземистые (А120з до 21 мас.%) жидкости с умеренными содержаниями FeO (до 12.8 мас.%) и К20 (до 4.1 мас.%), обладавшие высокой вязкостью (rj = 1051"9'8 Па*с, при Тнч = 920-1120°С) (Grapes et al., 2011).

Впервые в мировой практике на материале разновозрастных горельников Кузбасса построены сводные разрезы пирогенных комплексов. Создана крупномасштабная карта-схема распределения горелых пород на западной окраине _ Кузнецкого бассейна. Выявлены главные факторы риска естественных возгораний на этой территории: высокая угленосность осадочной толщи, присутствие сверхмощных (до 24 м) пластов мятых углей, наличие структур, аккумулирующих метан; засушливый и теплый климат, отличавший эпохи массовых возгораний (Sokol et al., 2010).

Впервые на основе результатов абсолютного датирования и геологических критериев определен возраст главных эпизодов кузнецких палеопожаров. Установлено, что на западной окраине бассейна массовые возгорания углей происходили, как минимум, дважды - в эоплейстоцене (1.3-0.9 млн. лет назад) и среднем-позднем неоплйстоцене (0.3-0.1 млн. лет назад). В центре бассейна главная волна угольных пожаров прошла в позднем неоплейстоцене (0.13-0.02 млн. лет назад). Доказано, что плейстоценовые палеопожары возникали в периоды сухого и теплого климата, когда на территории Кузбасса существовали степи (Sokol et al., 2010; Korzhova, Sokol, 2010). Практическая значимость.

Получена систематическая информация о редких минеральных видах, которая в дальнейшем может быть использована в методической и справочной литературе. Выявленная совокупность факторов, ответственных за возникновение и развитие крупных пожаров, может быть использована для оценки факторов риска естественных

возгораний углей. На материале паралав и клинкеров Кузбасса разработан и практически реализован алгоритм 40Аг/39Аг-датирования высокотемпературных горелых пород с возрастом моложе 1 млн. лет, который может быть с успехом применен для определения возраста пирогенных пород других угольных бассейнов. Защищаемые положения.

1.Протолитом пирогенных пород Присалаирской зоны Кузбасса явились угленосные осадки верхнебалахонской подсерии (Р1Ы) - аркозовые песчаники и/или алевролиты с включениями сидеритов и болотных руд. В разрезах горельников преобладают остеклованные клинкеры, паралавы развиты локально и ограничены участками сосредоточения железистых осадков. Минералогическое и кристаллохимическое разнообразие древних горельников Кузбасса ограничено И видами �