Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Минералогия техногенных парабазальтов из горелых терриконов Челябинского угольного бассейна

ВАК РФ 04.00.20, Минералогия, кристаллография

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Нигматулина, Елена Николаевна, Новосибирск

1

и*»'

и

¡1

/ 1

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОБЪЕДИНЕННЬШ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ, ГЕОФИЗИКИ И

МИНЕРАЛОГИИ

на правах рукописи Нигматулина Елена Николаевна

УДК 549.1: 552.333.5

МИНЕРАЛОГИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ПАРАБАЗАЛЬТОВ ИЗ ГОРЕЛЫХ ТЕРРИКОНОВ ЧЕЛЯБИНСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА

Специальность 04.00.20 - минералогия, кристаллография

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научные руководители доктор геол.-мин. наук Г.Г. Лепезин канд. геол.-мин. наук Э.В. Сокол

НОВОСИБИРСК-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

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

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРЕЛЫХ ТЕРРИКОНАХ

ЧЕЛЯБИНСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА..........................................................................15.

1.1 Краткий очерк геологического строения района..............................................................16

1.2 Физико-химическая характеристика углей..................................................................................19

1.3 Типы отвалов..................................................................................................................................................................................25

1.4 Строение горелого террикона............................................................................................................................27

Глава 2. ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОРОД

УГОЛЬНЫХ ОТВАЛОВ........................................................................................................................................................41

2.1 Негорелые породы...........................................................................:... 41

2.2 Продукты обжига аргиллитов........................................................................................................................44

2.3 Горелые породы "черных блоков"..........................................................................................................48

2.4 Продукты обжига карбонатных пород............................................................................................48

2.5 Переплавленные породы - паралавы и кордиеритовые

нодули........................................................................................................................................52

Глава 3. МИНЕРАЛОГИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ПАРАБАЗАЛЬТОВ............................................59

3.1 Общие сведения о парабазальтах Челябинского

угольного бассейна..............................................................................................................................................................60

3.2 Минералого-петрографическое описание парабазальтов..................................61

3.3 Петрохимические особенности техногенных парабазальтов......................66

3.4 Массивные парабазальты..........................................................................................................................................73

3.5 Парабазальтовый капельник..............................................................................................................................99

3.6 Прожилковые парабазальты..........................................................................105

3.7 Сравнительная характеристика различных типов

парабазальтов.................................................................... 116

Глава 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ПАРАБАЗАЛЬТОВ И

ПРИРОДНЫХ БАЗИТОВЫХ СИСТЕМ.................................................. 128

4.1. Краткие сведения о железистых паралавах в комплексах природных горельников..................................................................... 128

4.2. Железорудные базальты из горелых пород Восточного

Казахстана........................................................................................... 132

4.2.1 Общая характеристика объекта................................................ 132

4.2.2 Краткая минералогическая характеристика

природных горельников Восточного Казахстана.................. 135

4.2.3 Условия формирования железистых паралав....................... 141

4.2.4 Сопоставление железорудных базальтов Восточного Казахстана и техногенных парабазальтов Южного

Урала....................................................................... 143

4.3. Низкомагнезиальные базальты Луны: общая характеристика и сопоставление с техногенными парабазальтами...................................................................... 150

4.3.1 Общая характеристика лунных базальтов......................... 150

4.3.2 Сопоставление низкомагнезиальных лунных базальтов

с техногенными парабазальтами Южного Урала.................. 167

Глава 5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ............................................................. 175

5.1 Источник базитовых расплавов........................................................... 175

5.2 Физико-химические условия формирования г ~ парабазальтов..................................................................... 181

5.3 Тренды фракционирования химических элементов в ходе

раскристаллизации техногенных парабазальтов.......................... 183

5.4. Экологический аспект существования горелых терриконов........... 189

5.4.1 Продукты обжига пород отвальной массы............................. 191

5.4.2 Краткая характеристика минерального и фазового составов продуктов обжига глинистых пород,

"черных блоков", тонких фракций горельника...................... 192

5.4.3 Возможные направления утилизации горелых

пород......................................................................... 197

5.4.4 Практические рекомендации по использованию горелых

пород Челябинского угольного бассейна............................. 204

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................. 206

ВВЕДЕНИЕ

Пирометаморфизм в его классическом смысле наиболее хорошо известен по исследованиям термического воздействия сухих базальтовых расплавов на ксенолиты осадочных пород. Наглядный пример данного явления представляют базальты вулканической провинции Эйфель (ФРГ), содержащие сотни ксенолитов метаосадочных пород. Этот объект предоставил редкую возможность для изучения процессов термического разложения минералов, нуклеации и роста новых фаз, а также реакций частичного плавления (Hentschel et al.,1980; Worner et al., 1982; Abraham et al.,1983; Grapes, 1986; Schreyer et al., 1990).

Менее известными, но, несомненно, гораздо более распространенными являются пирометаморфические комплексы горельников, генетически связанные с природными пожарами в близповерхностных горизонтах углесодержащих и (или) битуминозных осадочных толщ. Угольные пожары и сопряженные с ними пирометаморфические преобразования осадочных пород -явление грандиозное по своим масштабам и последствиям. Не удивительно, что оно привлекает внимание исследователей на протяжении, как минимум, двух тысячелетий. Сведения о горении углей в недрах Центральной Азии содержались в сочинениях Плиния Старшего (24-79 гг.н.э.), средневековых арабских географов, в древних китайских хрониках, а также в трудах В.А. Обручева и наших современников (Абубакиров, 1962; Новиков, Супрычев, 1986; Сребродольский, 1990).

Систематические описания объектов пирометаморфизма, тепловым источником которых были угольные пожары, появляются в научной литературе с 1884 г., когда Дамоном был описал первый такой объект в Дорсете (Англия)

(Bentor et al., 1981). В настоящее время имеется достаточно обширная библиография, где содержатся сведения о геологическом строении горящих участков, типах углей, длительности и абсолютном возрасте процессов горения. Однако характеристика продуктов пирометаморфизма во всех случаях давалась весьма кратко. Нам известны лишь три систематических исследования древних-природных горельников. Пирометаморфические преобразования глинистых пород и диатомитов в Калифорнии детально описаны Бентором с соавторами (Bentor et al., 1981); глинистых осадков и сидеритов в Восточном Казахстане -И.А. Калугиным с соавторами (1991); карбонатных Ca-Mg пород свиты Хатрурим (Израиль) - С. Гросс (1977).

Обожженные, прокаленные, оплавленные и шлакоподобные породы, возникшие непосредственно на месте близповерхностных угольных пожаров являются неотъемлимой особенностью геологического строения территорий большинства угольных месторождений мира. Они обнаружены: в Индии (Venkatesh, 1952), Израиле (Bentor et al., 1963; Kolodny, Gross, 1974; Gross, 1977); Канаде (Church et al., 1979; Bustin, Mathews, 1981); США (Bentor et al., 1981; Foit et al., 1987; Cosca et al., 1989); Англии (Cole, 1974); Центральной Азии (Абубакиров, 1962; Новиков, Супрычев, 1986; Калугин и др., 1991); России (Яворский, Радугина, 1932; Беликов, 1933; Меняйлов и др., 1955; Матухина, Ван, 1965; Поздняков, 1968; Ревердатто, 1970); а также в Иране, Ираке, Чехии, Новой Зеландии и Австралии (Bentor et al., 1981). Значительно большее количество работ посвящено исследованиям кристаллохимии редких и новых минеральных видов, обнаруженных в пределах этих объектов (Miyashiro, 1957; Schreyer, Schairer, 1961; Cosca, Peacor, 1987; Foit et al., 1987; Cosca et al., 1989; Schreyer et al., 1990).

Актуальность исследований.

Несмотря на то, что пирометаморфические события представляют собой явление планетарного масштаба, на сегодняшний день получен сравнительно небольшой объем информации как по минералогии и петрографии этих комплексов, так и по физико-химическим условиям их образования. В настоящее время продукты пирометаморфизма, связанные с угольными пожарами, представляют собой наименее исследованную группу метаморфических пород. В этой связи весьма уместна цитата из статьи Фойта с соавторами (1987): "Горелые породы представляют собой необыкновенную и пока малоизученную природную минералообразующую систему. Поэтому-неудивительно, если здесь будут открыты новые химические составы и новые структурные модификации минералов. Вне всякого сомнения, пирометаморфические породы, возникшие в ходе угольных пожаров, должны предоставить исследователям плодородное поле для минералогических изысканий".

Первая из проблем, которую предстоит решить в этой сфере может быть сформулирована следующим образом: характеристика горельников как самостоятельного геологического явления. Ее решение должно включать анализ основных типов физико-химических превращений, реализующихся в ходе процессов пирометаморфизма, и выявление факторов, контролирующих этот процесс.

Прокаленные осадочные породы (клинкеры) и плавленные породы (паралавы) являются необычными геологическими системами, образованными в условиях, которые могут быть рассмотрены как промежуточные между лабораторным экспериментом и природными метаморфическими процессами.

Их формирование определяется следующими факторами:

1) необычные параметры минералообразования: высокие температуры (1000-1300° С), низкое общее давление в системе (около 1 атм);

2) химическая гетерогенность исходного субстрата;

3) агрессивная газовая среда;

4) активная газовая продувка;

5) высокие градиенты температуры и окислительно-восстановительного потенциала.

Значительно более распространенными, чем природные пирометаморфические комплексы, являются их *техногенные аналоги, возникновение которых связано с процессами спонтанного возгорания углистого материала в различного рода отвалах, прежде всего - терриконах. Эти объекты распространены повсеместно в старых угледобывающих регионах планеты: Англии, Испании, Чехии, Германии, Польше, США, Индии, Украине, России. Подавляющее большинство исследований, касающихся этих объектов, были посвящены минералогии сублимационных ("фумарольных") фаз и продуктов их взаимодействия с силикатным материалом отвалов (Сребродольский, 1989;Щербакова, 1989;ЬарЬаш й а1., 1980; \№ке, 1996, 1997).

Остается добавить, что процессы минералообразования всегда привлекали исследователей заманчивой перспективой непосредственного наблюдения данного процесса. Терриконы угольных шахт предоставляют эту

* - данный термин используется в соответствии с определением, данным Б.В. Чесноковым (Чесноков, Щербакова, 1991).

редкую возможность в полной мере и позволяют автору внести свой вклад в решение проблемы особенностей минералообразования при упомянутых параметрах.

Помимо сугубо научного интереса при изучении горелых отвалов может быть решен и весьма актуальный для южноуральского промышленного региона вопрос - оценены возможные экологические последствия существования и разработки горелых терриконов.

Объект исследований.

Для детальных исследований минералогии пирометаморфических пород мы сочли целесообразным выбрать объект среди наиболее хорошо изученных антропогенных систем. Им является система горелых угольных терриконов крупного индустриального региона - Челябинского угольного бассейна (Южный Урал), которые изучаются коллективом уральских минералогов под руководством д. г.-м. н. Б.В.Чеснокова с 1982 года. С 1988 года в этих работах принимает непосредственное участие диссертант.

С позиций изучения минералогии, антропогенные системы обладают по сравнению с природными рядом неоспоримых преимуществ. Это доступность, возможность наблюдать на примере одного объекта практически все типы пирометаморфических пород. Здесь без труда может быть прослежена последовательность термического преобразования исходного субстрата и изучены гибридные породы, возникшие на контактах различных химических сред. В этих системах происходит синтез огромного количества минералов, в том числе новых минеральных видов, реализуется вхождение нетипичных элементов-примесей в структуры минералов и существенно расширяются пределы традиционных изоморфных замещений.

Все эти факторы привели к образованию широкого спектра минеральных видов в объеме от 1 м3 до отвала в целом. Полный список минералов из горелых терриконов Челябинского угольного бассейна составляет более 209 наименований, в том числе среди них 46 новых минеральных видов (Чесноков, 1997).

Диссертационная работа посвящена исследованию весьма редких в земных условиях минеральных асссоциаций, возникших в низкобарических (Р=1 атм.), высокотемпературных (Т = 1000-1300°С) восстановительных (1Го2 = ЮМО-12) средах.

В качестве главного объекта исследования выбраны плавленные породы - техногенные парабазальты. Интерес к этой группе пород объясняется также и тем, что процессы образования базитовых паралав являются кульминацией пирометаморфических событий. Поскольку анализ данного явления возможен только на базе информации о поведении всех групп исходных пород в процессе обжига, то значительная часть диссертации посвящена изучению горелых отвалов как таковых.

Цели и задачи работы.

Главная цель диссертационной работы - детальное изучение минералогии техногенных парабазальтов.

Задачи исследования:

1. Минералогическая, петрографическая и петрохимическая характеристика основных типов горелых пород, в первую очередь -парабазальтов.

2. Анализ фазовых превращений, реализующихся в метаосадочных породах терриконов по мере повышения температуры.

3. Изучение особенностей макрохимического состава минералов, сформировавшихся при экстремальных физико-химических параметрах; идентификация набора и абсолютных содержаний в них элементов-примесей.

4. Реконструкция исходного субстрата, параметров выплавления базитовых паралав и физико-химических условий их кристаллизации.

5. Поиск природных аналогов парабазальтов и определение их места в общем ряду естественных плавленных пород основного состава.

Основные защищаемые положения:

1) Источником техногенных базитовых расплавов являлась тонкоизмельченная смесь сидеритов, доломитов-анкеритов и аргиллитов. Ее плавление реализовалось при особых физико-химических параметрах: Т = 10001300° С, РобщМ атм, = 10-9-1011 бар.

2) Процессы кристаллизации высокожелезистых базитовых расплавов в исследуемой системе привели: а) к расширению изоморфной емкости структур породообразующих минералов и вхождению в них нетипичных элементов-примесей (Ре, - в анортиты; Са, Мп, Р - в оливины; Мп, Р - в кирштейниты; Бе - в калишпаты; Ие, - в апатиты); б) к образованию редких для природных базальтов минеральных видов - фаялита, кирштейнита, ларнита, ферритов и Са; в) к консервации составов вышеназванных минералов вследствие их быстрой закалки в сухих условиях.

3) Техногенные парабазальты по многим минералого-петрографическим признакам близки к низкомагнезиальным лунным базальтам. Сходство проявляется в составах пород, породообразующих минералов (плагиоклазов, клинопироксенов, оливинов, калишпатов, апатитов) и стекол. Однотипность трендов фракционирования элементов из расплавов, раскристаллизованных в

восстановительных обстановках, привела к формированию в обоих случаях необычных ассоциаций высокожелезистых силикатов, вместо традиционных для земных условий рудных лав.

Научная новизна. Детально изучена минералогия техногенных парабазальтов. Выявлены особенности и вариации химического состава минералов и стекол этих пород. Реконструирован механизм плавления исходной отвальной массы в ходе техногенных угольных пожаров. Прослежена термическая эволюция техногенных парабазальтовых систем от момента начала процессов плавления в отвале до завершающей стадии кристаллизации. Оценены температуры и вариации фугитивности кислорода в процессе раскристаллизации расплавов. Доказано, что среди природных горельников близкими аналогами техногенных парабазальтов являются железорудные базальты Кендерлыкского рудо проявления, а среди магматогенных базальтоидов - низкомагнезиальные базальты Луны. При участии диссертанта открыт новый минерал - дмиштейнбергит СаАЬ81208 (гексагональный).

Практическая ценность. Результаты исследований составили значительную часть отчета "Провести минералого-химическое изучение основных типов пород терриконов Челябинского угольного бассейна" и были внедрены в "Государственном унитарном предприятии радиоэкологии и реабилитации загрязненных территорий" при правительстве Челябинской области.

Фактический материал. В основ�