Минералого-геохимические особенности и условия формирования ископаемых углей Республики Татарстан icon

Минералого-геохимические особенности и условия формирования ископаемых углей Республики Татарстан

Смотрите также:
Ёнович минералого-геохимические особенности рудоносных метасоматитов и перспективы выявления...
Минералого-геохимические особенности метаморфизованных карбонатитов Северного Забайкалья : ...
Минералого-геохимические особенности редкометальных щелочных пород Северного Прибайкалья : ...
Минералого-геохимические особенности поведения благородных металлов в условиях разнообразных...
Минералого-геохимические особенности уролитов томского района и их связь с факторами природной...
О. Е. Шестакова Петрографический состав, строение и генезис ископаемых углей...
Геохимические критерии прогнозной оценки на благороднометалльное оруденение закрытых и...
О. Е. Шестакова Визуальная диагностика природных видов и технологических марок ископаемых углей...
Использование природных сорбентов для очистки рудничных вод джидинского месторождения...
Кабинет министров республики татарстан постановление...
Республики татарстан...
Историческая справка...



страницы:   1   2
скачать
На правах рукописи


ИСЛАМОВ Альберт Фагилевич


Минералого-геохимические особенности и условия формирования

ископаемых углей Республики Татарстан


Специальность 25.00.06 – Литология


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук


Казань – 2012


Работа выполнена на кафедре региональной геологии и полезных ископаемых Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета


Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук

Хасанов Ринат Радикович


Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Япаскурт Олег Васильевич


доктор геолого-минералогических наук,

профессор Бахтин Анатолий Иосифович


Ведущая организация: ВНИГРИуголь, Ростов-на-Дону


Защита состоится 14 марта в 14.30 часов на заседании диссертационного совета

Д 212.081.09 при Казанском федеральном университете по адресу: г. Казань,

ул. Кремлевская, д. 4/5, Институт геологии и нефтегазовых технологий КФУ, ауд. 211


С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Н.И. Лобачевского Казанского федерального университета.


Ваш отзыв на автореферат просим направлять по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская 18, Казанский (Приволжский) федеральный университет, служба аттестации научных кадров. Факс: (843) 238-76-01.


Автореферат разослан «____»______________2012 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Галеев


^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы. Ископаемые угли представляют большой интерес как многофункциональное сырье, обладающее огромными ресурсами. В России площадь, занятая угленосными отложениями, достигает 20 % территории. Общие ресурсы углей в мире в настоящее время оцениваются примерно в 15 трлн. т, что составляет более 80 % всех мировых ресурсов ископаемых топлив. В пределах Республики Татарстан (Камский угольный бассейн) ресурсы и запасы углей составляют около 3,5 млрд тонн, что в условиях региона, вступившего в позднюю стадию нефтеразработки, представляет интерес как потенциальный энергоноситель будущего развития. Нередко ископаемые угли характеризуются повышенными концентрациями многих редких и ценных металлов, присутствующих в углях в виде рассеянных элементов (РЭ). Это качество заметно влияет на характер потребления угля в мировой экономике. Большое значение придается концентрациям группы редкоземельных элементов (РЗЭ), все более востребованным современной экономикой. Для определения направлений использования углей (топливно-энергетическое, технологическое, комплексное металлоорганическое сырье и др.) особый интерес вызывают формы нахождения в них рассеянных элементов. Их многообразие связано с разнообразием соединений химических элементов, поступающих в бассейн осадконакопления, а также сложностью факторов, отвечающих за их концентрацию в составе органоминеральной матрицы биолитов. Угли Камского бассейна обладают значительными ресурсами, однако, их минералого-геохимические особенности слабо изучены до настоящего времени.

^ Объекты исследования и фактический материал. Основным объектом исследования являются ископаемые угли раннекаменноугольного (визейский век) и биармийского (казанский век) возраста Республики Татарстан (РТ).

Работа базируется на материалах поискового и нефтепоискового бурения осадочного чехла Татарстана. Автором изучены образцы ископаемого угля 13 залежей визейского возраста и 7 углепроявлений казанского возраста. Визейские залежи ископаемого угля: Беляковская (скв. 947), Сунчелеевская (скв. 1074, 1075), Красно-Ярская (скв. 258), Южно-Нурлатская (скв. 4116, 4142), Мокшинская (скв. 310), Черемшанская (скв. 2156), Восточно-Пановская (скв. 905), Дроздовская (скв. 936), Маевская (скв. 5875), Егоркинская (скв. 8059), Кукморская (скв. 20010), площадь Ивинская (скв. 4021). Образцы углей пермского возраста отбирались из естественных выходов на дневную поверхность пластов угля около сс. Лубяны на Вятке, Голюшурма, дд. Татарский Ахтиал, Сентяк, Рыбная Слобода, а также гг. Набережные-Челны и Елабуга.

^ Методы исследования и методика работ. Изучение вещественного состава угольных образцов можно разделить на две составляющие - исследование минерального состава и геохимических особенностей. Для изучения минерального состава применялись растровая электронная микроскопия (РЭМ) с приставкой для рентгеновского микроанализа, оптико-микроскопический, рентгенографический методы. Анализы выполнялись в лабораториях Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета. Неорганическое вещество в составе углей представлено частицами, размерность которых не позволяет их четко диагностировать при помощи традиционных оптико-микроскопических методов. Высокой информативностью исследования минеральных фаз в составе углей обладает растровая электронная микроскопия в сочетании с микроанализом. Геохимические особенности образцов биолитов исследовались при помощи спектральных методов анализа вещества, атомно-эмиссионного и масс-спектрального анализов с применением индуктивно связанной плазмы (ICP MS). Для обработки спектральных данных использованы методы математической статистики: корреляционный и факторный анализ (программа Statistica 6).

^ Цель работы. Изучение минералого-геохимических особенностей и условий формирования углей визейского и казанского возраста на территории Республики Татарстан.

Основные задачи исследования. 1. Анализ химического и минерального состава неорганического вещества углей. 2. Анализ геохимических особенностей органического вещества углей. 3. Исследование концентраций и закономерностей распределения в веществе углей РЭ. 4. Выяснение форм нахождения и условий концентрации РЭ в исследуемых образцах. 5. Исследование ультрадисперсной составляющей углей при помощи электронного микроскопа с возможностями микроанализа. 6. Оценка возможности комплексного использования углей с учетом концентраций РЭ.

Научная новизна:

1. Впервые проведено исследование визейских и казанских углей методом электронной микроскопии и выявлены новые ультрадисперсные минеральные фазы акцессорных минералов.

2. Впервые в составе углей установлены основные минеральные фазы элементов группы редких земель и выявлены условия их локализации.

3. В казанских углях впервые обнаружены выделения ископаемых смол, подтверждающие, что основными растениями-углеобразователями в это время были разновидности хвойных сортов (кордаиты).

4. В казанских углях впервые обнаружены остатки фоссилизированных фораминифер и чешуя рыб, указывающие на специфические условия формирования торфяников и кратковременное проникновение в них морских вод.

Практическая значимость:

1. Выявленные минералого-геохимические особенности углей позволяют расширить спектр возможных направлений их использования.

2. Установление значительных концентраций рассеянных элементов позволяет рассмотреть вопрос о возможности комплексного использования минерального сырья.

3. Реконструкция условий осадконакопления позволяет уточнить направления поисков осадочных полезных ископаемых, ассоциирующих с углями.

^ Защищаемые положения:

1. Минеральный состав и геохимические особенности неорганического вещества визейских углей обусловлены преобладанием среди окружающих пород карбонатных отложений, характеризующихся низким содержанием обломочной компоненты и специфическим химизмом подземных вод. В составе минерального вещества присутствуют устойчивые в экзогенных условиях акцессорные минералы (магнетит, рутил, ильменит, циркон и др.), среди аутигенных минералов установлены субмикроскопические минеральные фазы, содержащие редкоземельные элементы.

2. Минеральный состав и геохимические особенности неорганического вещества казанских углей отражают состав окружающих их терригенных отложений перми, сложенных продуктами разрушения магматических пород древнего Урала и отлагавшихся преимущественно в условиях аридного литогенеза (красноцветы уфимского яруса и белебеевской свиты). В составе минерального вещества присутствует широкий спектр обломочных минералов магматогенного происхождения, часто встречаются аутигенные формы гипса и галита - типичных минералов красноцветной формации.

3. Торфонакопление в казанском веке происходило в сложной ландшафтно-географической обстановке в условиях заболоченных низменных прибрежно-морских равнин под большим влиянием морского бассейна. В веществе углей встречаются чешуя рыб и высокой степени сохранности раковины фораминифер, что указывает на кратковременное проникновение морских вод в торфяник.

^ Апробация работы и публикации. Основные положения работы докладывались на конференциях и совещаниях российского уровня: Вторая Всероссийская конференция, посвященная 175-летию со дня рождения Н.А. Головкинского «Верхний палеозой России: стратиграфия и фациальный анализ» (Казань, 2009); XII Всероссийское угольное совещание «Инновационные направления изучения, оценки и эффективного использования минерально-сырьевой базы твердых горючих ископаемых» (Ростов-на-Дону, 2010); XI Всероссийское литологическое совещание «Концептуальные проблемы литологических исследований в России» (Казань, 2011). Материалы работы также докладывались на конференции молодых ученых: Всероссийская молодежная научная конференция «Минералы: строение, свойства, методы исследования» (Миасс, 2009); Основные положения работы неоднократно докладывались на итоговых научных конференциях КФУ (2008-2011). По теме работы опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК для защиты диссертаций. Работа поддержана молодежным грантом АН РТ (2010).

^ Личный вклад автора. Проведен сбор и анализ образцов углей с применением различных аналитических методов. Тонкодисперсное вещество углей изучалось при помощи электронной микроскопии с возможностями рентгеновского микроанализа. Интерпретация геохимических данных проводилась на основе статистической обработки аналитических данных. Оценены основные факторы, влияющие на привнос и концентрацию РЭ в угленосных формациях.

^ Достоверность результатов работы. Достоверность полученных результатов определяется их воспроизводимостью, применением современных методов исследования вещества, использованием математических методов обработки результатов анализа, а также значительным объемом изученного материала.

^ Работа выполнена на кафедре региональной геологии и полезных ископаемых Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского (Приволжского) федерального университета.

^ Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем работы составляет 136 страниц, содержит 78 рисунков и 15 таблиц. Список литературы включает 118 наименований.

Благодарности. Автор благодарен научному руководителю, заведующему кафедрой региональной геологии и полезных ископаемых Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского (Приволжского) федерального университета, д.г.-м.н., Р.Р. Хасанову и всем сотрудникам геологического факультета за интерес к работе. Особую признательность заслуживают А.А. Галеев, Е.Н. Нуждин, Е.Н. Дусманов, Р.Х. Сунгатуллин, Г.М. Сунгатуллина, А.И. Бахтин, И.Н. Пеньков, В.П. Морозов, Г.А. Кринари, Э.А. Королев, А.Н. Кольчугин, Д.К. Нургалиев.


^ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


  1. Геологическая изученность и распространенность углей на территории Татарстана


Объектом настоящего исследования являются угли на территории Республики Татарстан. Большой вклад в изучение углей визейского и казанского ярусов внесли А.П. Блудоров, А.В. Шишкин, Г.Н. Шубаков, В.А. Котлуков, В.Г. Заикина, Н.И. Кононенко, Н.И. Бондаренко, И.А. Ларочкина, Ш.З. Гафуров, Р.Р. Хасанов и многие другие. Наибольшие ресурсы углей связаны с каменноугольным (визейский век) и пермским (казанский век) этапами углеобразования. Изученные угли существенно различаются по составу и распространенности.

^ История углеобразования и условия локализации залежей угля. Угленосные отложения нижнего отдела каменноугольной системы занимают огромные площади на Восточно-Европейской платформе. На территории Татарстана угленосные осадки распространены в зонах сочленения Южно-Татарского свода и Северо-Татарского свода с прилегающими депрессиями, отражая область древнего морского побережья. Всего на территории РТ известно 95 визейских угольных залежей. Образование визейских угленосных отложений происходило в условиях определенного сочетания геодинамических и климатических факторов. По палеомагнитным данным и палеогеографическим реконструкциям (Буров, 2003, Егоров, 2002, Хасанов, 2006) рассматриваемый участок земной коры находился в раннекаменноугольное время в увлажненной приэкваториальной зоне и представлял собой пассивную океаническую окраину с мелководными заливами и низменными прибрежными равнинами. Участками суши являлись относительно небольшие выходы карбонатных пород турнейского яруса над структурами Южно- (ЮТС) и Северо-Татарского (СТС) сводов. На прибрежной территории в результате эрозионных и карстовых процессов (Ларочкина, 1995) на поверхности турнейских отложений образовались понижения рельефа (эрозионно-карстовые врезы), в которые шел снос терригенного материала. Колебания уровня моря приводили к подъему грунтовых вод, заполнению водой и заболачиванию понижений. В условиях озёрно-болотных водоемов преобладали застойные обстановки, благоприятные для формирования углей. Повышенная трещиноватость карбонатных пород в зонах вертикальных тектонических движений блоков кристаллического фундамента определила более густое распределение эрозионно-карстовых врезов на восточном борту Мелекесской впадины, а также западном, северо-западном и северном склоне ЮТС. В состав визейской угленосной толщи входят елховский, радаевский и бобриковский горизонты представленные преимущественно песчаниками и алевролитами с подчиненными прослоями углистых аргиллитов, углисто-глинистых сланцев и углей. Низкая степень метаморфизма визейских углей указывает на слабое преобразование исходного вещества торфяников, участками по марочному составу они принадлежат к категории 3Б (находятся на границе бурого и каменного углей). Следовательно, на территории Татарстана, преобразование растительного вещества в ископаемый уголь проходило в относительно спокойных и длительных по времени условиях.

^ Состав и технологичские свойства углей. Угли визейского возраста по своему природному типу относятся к гумусовым, по марочному составу они каменные (марка Д), участками бурые (3Б), зольность 15-26%, содержание серы 1,49-10,22% (часто 3,0-4,5%). В визейских углях преобладают четыре основных литотипа: матовый дюреновый, полуматовый кларено-дюреновый, полублестящий дюрено-клареновый и блестящий клареновый (Блудоров, 1964). По классификации И.Э. Вальц они соответствуют фюзинито-липоидолитам, гелито-фюзинито-микстогумолитам и липоидо-фюзинито-гелититам. Минеральное вещество представлено каолинитом, кварцем, альбитом, кальцитом, гипсом, мусковитом, пиритом и др. Карбонатные породы турнейского яруса являлись основным источником минерального вещества углей. В химическом составе неорганического вещества визейских углей преобладают оксиды кремния и алюминия (в среднем 48,90 % и 39,73 % соответственно). Глубина залегания пластов составляет 880 – 1440 м при мощности пластов от 1,0-35,9м.

Пермские угленосные формации залегают полосой северо-западного простирания, захватывая примерно южную половину Удмуртии, восточную часть Татарстана, западную Башкирию и неширокую полосу на севере Самарской области (Блудоров, 1964). Изученные углепроявления на территории Татарстана сосредоточены в долине реки Кама. Пермское углеобразование происходило в своеобразных условиях, которые существенно отличаются от раннекаменноугольных. Характерной особенностью пермских угленосных формаций является широкое развитие в обрамлении углей красноцветных отложений аридного литогенеза, представленных молассовым комплексом (продукты разрушения Уральских гор). С началом биармийской эпохи, продолжающееся поднятие Урала способствовало продвижению обломочного материала на запад в сторону равнины. В это время восточная часть ВЕП в связи с субдукцией испытала погружение, которое в раннеказанское время привело к проникновению с севера неглубокого моря. Морем оказались покрыты обширные территории, в том числе и Волго-Уральский регион. По восточной окраине казанского моря образовалась заболоченная низина, где в результате местного увлажнения произрастала древесная растительность, а в условиях болот шло формирование углей. Угленосная формация включает до 4-6 угольных пластов мощностью 0,1 – 1,75 м. В разрезе угли представлены линзовидными, быстро выклинивающимися телами, которые часто замещаются глинами.

Угли казанского возраста гумусовые, по марочному составу бурые (1Б), средне-высокосернистые (до 4%) с зольностью 40-48%. Неизмененные угли залегают на глубинах свыше 15 метров. В зоне гипергенеза они изменены и преобразованы в углистые породы с зольностью до 80%. Среди пермских углей выделяются типы: кларен, смешанные дюрено-кларен, кларено-дюрен и дюрено-фюзен (Блудоров, 1964). Основным минеральным веществом является глинистая масса смешанного иллит-монтмориллонитового состава с высокой долей терригенных минералов и сульфидов железа. В химическом составе золы пермских углей преобладающим компонентом является кремнезем (60,41%) и высока доля оксидов железа (4,68%). В приконтактовых участках угольных пластов наблюдается повышение концентраций ряда рассеянных элементов (Pb, Ge, Cu, Ag, Мо, Cr и Ni). В целом геохимическая специализация пермских углей определяется триадой Ge - Cu - Ag (Khassanov, Gafurov, 1997). Угленосная формация включает до 4-6 угольных пластов, мощностью 0,1-1,75м. В разрезе угли представлены линзовидными телами, которые часто замещаются глинами.

^ Геохимические особенности и металлоносность углей. Впервые специализированное изучение рассеянных элементов в палеозойских углях Татарстана произведено в Казанском университете Р.Р. Хасановым (1995-2006 гг). В результате выявлены основные закономерности распределения и концентрации рассеянных элементов. В настоящее время остаются недостаточно исследоваными формы нахождения этих элементов в веществе углей. Минеральное вещество углей имеет большое значение для оценки качества углей и разработки технологий их использования, а также является носителем информации генетического характера. Объективная сложность его изучения обусловлена наличием субмикроскопической составляющей. Основной формой нахождения редких элементов (РЭ) в составе ископаемых углей являются минеральные фазы пелитовой размерности. В исследованных углях встречаются минеральные зерна размерностью 50-0,1 мкм. Размерность минеральных частиц неорганического вещества углей часто не позволяет их четко диагностировать с помощью традиционных оптико-микроскопических методов, поэтому высокая информативность исследования может быть обеспечена применением растрового электронного микроскопа в сочетании с микрозондовыми исследованиями.


^ 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ


Изучение вещественного состава углей включало исследование их минеральных и геохимических особенностей. Минералогические исследования проводились при помощи электронной микроскопии в сочетании с энергодисперсионной спектрометрией, оптической микроскопии и рентгенофазового анализа. Литогеохимичекие исследования углей и углистых пород пород производилось при помощи спектральных методов анализа с последующей обработкой результатов методами матстатистики.

1. Для электронно-микроскопических исследований подготовлено 65 образцов визейских, 20 образцов казанских углей. По ним получено: электронно-микроскопических снимков: визейские угли – более 500, казанские угли – более 100. На энергодисперсионном спектрометре проведено анализов: визейские угли – более 250, казанские угли – более 70.

2. Методы оптической микроскопии включали в себя исследование прозрачных шлифов в проходящем и полированных образцов в отраженном свете. Были изучены рудные включения в углях по 31 шлифу по визейским и 8 шлифам по казанским углям. Для оптико-микроскопических исследований использовался микроскоп Axio Imager.M2.3.

3. Рентгенофазовый анализ использовался для точной диагностики минерального состава неорганической части углей, представленной тонкодисперсной массой. Для характеристики минералогии визейских и казанских углей была проведена подготовка 10 проб, включающая в себя растворение вещества углей и выделение тяжелых минеральных фаз. Рентгенографические исследования производились на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 на кафедре минералогии и петрографии ИГиНГТ. Для исследования структуры медьсодержащих сульфидов был использован метод ЯКР - один из радиоспектроскопических методов исследования локальной электронной структуры и внутренней динамики в твердых телах, в частности, минералах.

    1. Особенности химического состава неорганического вещества углей исследовались при помощи ряда методов. Для определения общих тенденций распределения рассеянных элементов использованы данные атомно-эмиссионного спектрального анализа, более 500 анализов. Группа редкоземельных элементов определялась при помощи ICP (MS) - спектрометрии (анализ с применением индуктивно связанной плазмы). Всего в обработку были включены результаты 47 определений ICP (MS) – спектрометрии.

    2. Анализ геохимических данных проводился при помощи методов математической статистики (программа Statistica 6). Статистическая обработка данных химического анализа включала сравнение средних содержаний рассеянных элементов в татарстанских углях с их мировыми аналогами, выявление корреляционных связей и основных факторов, отвечающих за концентрацию РЭ в ископаемых углях.


3. Геохимические особенности углей


Известно, что содержание и закономерности распределения рассеянных элементов в углях находятся в тесной зависимости от первично-осадочных факторов формирования и характера минерального питания торфяных болот (Кизильштейн, 1983; Клер, 1988; Юдович, 1985, 2002, 2006; Середин,2001, 2004 и др.). Планомерно работы по изучению распределения РЭ в углях Татарстана стали вестись с 90-х гг. прошлого столетия. За это время были установлены общие закономерности концентрации химических элементов и основные вызывающие их факторы. По данным (Хасанов, 2006), содержание РЭ в визейских углях в целом соответствует среднему содержанию в углях месторождений России и стран СНГ. Исследование редкоземельных элементов выявило их высокие концентрации и показало их чрезвычайно неравномерное распределение в латеральном и вертикальном направлениях.

^ Угли визейского возраста. Угли визейского возраста относятся преимущественно к паралическому типу. Основным фактором, определяющим вещественный (химический и минеральный) состав неорганического вещества в них является литологический состав породных комплексов, окружающих палеоторфяники. В обрамлении торфяников преобладали карбонатные породы турнейского яруса, которые были основным источником минерального вещества для формирующейся визейской терригенной толщи. К главным минералам пород визейской угленосной толщи относятся кварц, полевые шпаты, кальцит, гипс, мусковит, пирит, в глинистом веществе преобладает каолинит. Среди рудных и акцессорных минералов встречаются рутил, ильменит, циркон, сфалерит, марказит и галенит и др. Частицы этих минералов составляли минеральное питание торфяников и конечном итоге определили фоновые концентрации рассеянных элементов в углях. Содержание рассеянных элементов в углях существенно зависит от состава органического вещества, изучение которого в визейских углях проводилось при помощи масс-спектрометрии. По результатам интерпретации результатов исследования были получены следующие данные. Основным источником органического вещества углей является высшая растительность, однако в составе исходного ОВ вещества присутствует доля бактериальной некромы и/или фитопланктон. Отсутствие диастеранов указывает на формирование органического вещества в окружении карбонатных отложений. Параметры катагенетической зрелости соответствуют Ro – 0,47-0,5 (между каменным и бурым углем).

Для выявления закономерностей распределения рассеянных элементов, связи с фазовым составом минерального вещества и выяснения вопросов генезиса было произведен анализ геохимических данным методами математической статистики. Для удобства статистический анализ проводился раздельно для различных групп рассеянных элементов. Изучение основной массы рассеянных элементов основано на данных стандартного спектрального атомно-эмиссионного анализа (26 элементов). В ходе статистической обработки выделена группа индикаторных элементов (12 элементов), которые характеризуются наибольшей вариативностью распределения и максимально отражают геохимические и генетические особенности углей - P, Ti, Zr, Y, Yb, Mn, Cu, Pb, Ba, Ni, Mo, Zn. В связи с особенностями геохимического поведения и спецификой аналитического определения отдельно рассмотрена группа РЗЭ, а также Th и Se.

Значения средних содержаний рассеянных элементов в образцах углей визейского возраста (Южно-Нурлатская и Сунчелеевская залежи) приведены в таблице 1, там же - среднее содержание РЭ по 4 залежам Татарстана и средние мировые значения для каменных углей (Юдович, 1985).

При статистической обработке данных химического анализа была построена матрица корреляционных отношений РЭ в визейских углях. Высокими значениями корреляционных связей обладают P, Ti, Zr, Y,Yb, Mn, Pb, Ba, Zn. Медь ассоциирует с никелем.

Факторный статистический анализ показывает (таблица 2), что накопление элементов Zn (0,95), Zr (0,91), Ti (0,89), Y (0,85), Yb (0,85), Mn (0,83), шло параллельно, и за это отвечал один процесс (F1 – 47%), не связанный с накоплением Cu (0,86), Ni (0,74) (F2 – 20%). Третьим фактором можно пренебречь из-за его низкого веса.

Первый фактор, обусловлен высокой корреляционной связью Zr, Ti, Y, Yb. Можно предположить, что он связан с привносом в торфяник терригенного (обломочного и глинистого) материала с кор выветривания на древней поверхности турнейской карбонатной толщи. Обогащение данными элементами могло происходить при сносе устойчивых к выветриванию аллотигенных минералов титана (рутил, ильменит) и циркония (циркон). Второй фактор может быть интерпретирован как действие сульфидного диагенеза в осадке, вызванного разложением органики в анаэробной среде и развитием процессов бактериальной сульфатредукции (Япаскурт, 2008; Бахтин, 2007). С этим процессом связана концентрация Cu и Ni, которые обнаруживаются в пиритовых включениях.


Таблица 1

Содержание РЭ в углях Республики Татарстан (г/т)


Объект

P

Ti

Zr

Y

Yb

Mn

Cu

Pb

Ba

Ni

Mo

Zn

Сунчелеевская залежь (визе)

215

762

139

16

2

18

7,4

5

7,2

12,5

1,4

41

Юж.Нурлатская залежь (визе)

59,8

2125

102

17

2

23

18

8

28

15,1

5,1

29

Среднее РТ (визейские угли)

238

1648

245

21

3

58

18

13

59

27,1

5,3

52

Среднее для камен.углей мира

200

500

41

6

1

95

19

25

130

16

3

22

Среднее РТ (казанские угли)

770

1661

113

23

4

451

39

42

466

92,9

32

56

Среднее для бурых углей мира

130

500

30

7

1

100

7,5

3

120

8

2,4

18


Таблица 2

Таблица факторных нагрузок (варимикс исходных данных)




P

Ti

Zr

Y

Yb

Mn

Cu

Pb

Ba

Ni

Mo

Zn

Дисп

Вес

F1

0,6

0,9

0,9

0,9

0,9

0,8

0,1

0,8

0,6

0,1

-0,1

0,9

6,7

0,47

F2

0,1

0,1

0,0

0,3

0,4

0,0

0,9

-0,1

0,3

0,7

0,0

0,2

2,8

0,20

F3

0,2

0,1

0,1

0,1

0,1

-0,2

-0,1

-0,1

0,1

-0,4

-0,9

0,0

1,2

0,08


Таким образом, рассмотренные химические элементы по характеру распределения отчетливо подразделяются на две группы: 1) Ti, Zr, Y, Yb; и 2) Cu, Ni, каждая из которых характеризует определенный осадочно-геохимический процесс. С позиций геохимической классификации Zr, Ti, Y, Yb являются типичными элементами-гидролизатами, а Cu и Ni относятся к сульфофилам и сидерофилам, соответственно. Концентрация элементов-сульфофилов в визейских углях превышает мировой угольный кларк в 2-5 раз. Установлена положительная корреляция содержания элементов-сульфофилов с общей зольностью углей.

^ Редкоземельные элементы рассматриваются как весьма стабильная группа химических элементов, концентрация которых в осадочных породах носит закономерных характер, что приводит к их осадочной дифференциации (Копорулин, 2009). Благодаря этому РЗЭ используются для решения ряда геологических проблем, в частности, установления минерального состава питающих областей. В результате ранее проведенных исследований (Хасанов, 2006), установлено обогащение легкой группой РЗЭ и преимущественно приконтактовый характер обогащения на границе пластов углей и вмещающих пород. Для дополнительного изучения концентрации редкоземельных элементов проведены анализы образцов углей ранее не изученных визейских залежей угля скв. 20010 (Кукмор), скв. 4021 (Ивинской площади), а также уже изученная Сунчелеевская залежь (скв. 2156) 2 образца: уголь и сульфидные включения в угле.

Визейские угли Татарстана характеризуются (Хасанов, 2006) повышенной концентрацией элементов легкой цериевой группы, что характерно при привносе большей части РЗЭ с терригенным материалом. Источником элементов цериевой группы является, видимо, кальцит в составе известняков и доломитов в обрамлении визейских торфяников (угольных залежей). Отношение легких РЗЭ к тяжелым в углях Северо-Татарского свода равно 2,4, Южно-Татарского свода – 7,9. Меньшее значение данного параметра в углях Северо-Татарского свода может быть связано с разным составом питающей провинции. В обрамлении палеоторфяников Северо-Татарского свода выше доля терригенных пород. Латеральные вариации концентраций РЗЭ контролируются также различиями в гидрохимическом режиме подземных вод в разных участках развития угленосных отложений. Повышенные концентрации РЗЭ отмечаются также и в сульфидных включениях углей. Содержание Ce в них достигает 252 г/т. При нормировании содержаний РЗЭ в углях по содержаниям в хондритах (Boynton, 1984), установлено, что распределение РЗЭ в углях визе носит нормальный характер, а также имеет место отрицательная аномалия европия (рис. 1). Вынос Eu происходил в экзогенных окислительных средах и связан с переменным валентным состоянием данного элемента.

Отношение легких РЗЭ к тяжелым в сульфидных включениях близко по значению к аналогичному показателю для самих углей (7,9 и 7,8 соответственно). Несмотря, на большую разницу в содержаниях химических элементов, такое отношение является показателем, указывающим на существование определенного геохимического фона, ответственного за концентрацию легких и тяжелых редкоземельных элементов.





Рис.1. График распределения РЗЭ в образцах углей визе Ивинской залежи (ЮТС) нормированный по хондриту


Визейские угли содержат участками аномальные содержания РЗЭ. В золе углей зафиксированы суммарные значения лантаноидов 423,4 г/т при зольности 17,2% (Сунчелеевская залежь, южная часть Татарстана) и 489 г/т при зольности 17,1% (Красноярская залежь, северо-восток Татарстана). При этом наблюдается ярко выраженная тенденция к возрастанию концентраций РЗЭ в прикровельной и приподошвенной частях угольных пластов. В целом в визейских углях Татарстана отмечается увеличение суммарного содержания РЗЭ с ростом зольности. Однако прямой зависимости нет. Коэффициент корреляции с зольностью варьирует в широких пределах – от (-0,3) до (0,9), из чего можно предполагать сорбцию части РЗЭ ОВ углей. По результатам исследований (Середин, 2004) до половины содержаний РЗЭ может быть сконцентрировано в гуминовом веществе. С этим утверждением согласуется своеобразное поведение эрбия, содержание которого сильно варьирует в различных пластах с тенденцией к накоплению в их центральных частях. Распределение эрбия резко контрастирует с поведением легких лантаноидов, концентрации которых увеличиваются при приближении к кровле или подошве пласта. О поведении эрбия в углях мало известно, однако, учитывая отрицательные корреляционные связи его содержания с зольностью и фосфором можно предположить, что этот элемент связан с органической частью угля и его накопление, возможно, имеет биогенную природу.

В визейских углях Татарстана отмечается отрицательная аномалия европия. Известно (Сиротин, 2010), что европий наряду с церием (Шатров, 2009) среди РЗЭ обладают наиболее высокой способностью к миграции в окислительной среде, за счет переменного валентного состояния в зоне гипергенеза. Именно высокой миграционной способностью объясняются частые отрицательные аномалии европия в осадочных горных породах. Благодаря способности европия существовать в двух степенях окисления он становится очень подвижен в экзогенных условиях (Шатров, Сиротин, Войцеховский, 2002). Причина аномального для ряда редкоземельных элементов поведения европия заключается в разнице ионных радиусов двух- и трехвалентного Eu.

^ Угли казанского возраста. Угли казанского возраста относятся к паралическому типу. Они отличаются от визейских специфическими условиями торфообразования и характером минерального питания торфяных болот. Существенное влияние на состав неорганического вещества в углях оказывали вмещающие торфяники терригенные отложения казанского возраста, переходящие к востоку в красноцветные, и подстилающие их красноцветные отложения уфимского яруса. Характерной особенностью вмещающих торфяники отложений является кора выветривания, сформированная в аридных условиях с активными процессами окисления и выноса вещества. По своей сути кора выветривания служила промежуточным коллектором минерального вещества, агентами переноса которого служили в основном метеорные и пластовые воды. Терригенные отложения перми на рассматриваемой территории сложены продуктами разрушения Уральских гор и в большом количестве содержат обломки магматогенных минералов и пород. Уфимская красноцветная формация достаточно однородна в минералогическом отношении. В красноцветных глинах преобладают минералы группы смектита с подчиненным количеством гидрослюдистой составляющей, хлорита и гидрооксидов железа. В тяжелой фракции песчаников встречаются зерна цоизита, эпидота, апатита, граната, циркона, биотита, мусковита, роговой обманки и рудных минералов. Состав цемента глинистый с гидрооксидами железа, в котором основная доля принадлежит гематиту. Углевмещающие отложения, залегающие в основании биармийского отдела (казанский ярус) сложены песчаниками, глинами, алевролитами, реже карбонатными породами и углями. Их минеральный состав близок к породам красноцветной формации, благодаря содержанию некоторого количества органического вещества, они имеют сероватый цвет. Основным минералом глин является монтмориллонит, минералы из группы гидрослюд, смектит, хлорит и каолинит, встречаются также включения пирита.

В результате проведенных исследований были установлены повышенные концентрации ряда элементов-сульфофилов, выделена геохимическая связь с рудной минерализацией меди стратиформного типа, локализованной на территории, примыкающей к области распространения казанских углей. Для геохимической характеристики бурых углей казанского возраста была применена вышеописанная методика анализа. Средние концентрации РЭ по казанским углям и средние мировые концентрации РЭ в бурых углях (Юдович, 2002) приведены в таблице 1. В результате статистического анализа выделена группа РЭ, распределение которых характеризует специфику и основные закономерности геохимии пермских углей - P, Ti, Zr, Y, Yb, Mn, Cu, Pb, Ba, Ni, Mo. Концентрации РЭ в бурых углях казанского возраста превышают средние мировые содержания тех же элементов в бурых углях. В силу этого все рассмотренные РЭ характеризуются высокими значениями коэффициента обогащения (отношение среднего содержания элемента в рассматриваемых углях и мировых). Его значения распределяются следующим образом: Pb – 16,7, Mo – 13,3, Ni – 11,6, P – 5,9, Cu – 5,2, Yb- 4,6, Mn – 4,5, Ba – 3,9, Zr – 3,8, Ti – 3,3, Y - 3,3. Перечисленные элементы являются постоянными компонентами магматических пород. По всей видимости, их высокие концентрации связаны со специфическими условиями минерального питания торфяников в казанского века, которые формировались в обстановке бассейна форланда. Минеральное питание палеоторфяников происходило в условиях интенсивного сноса на равнину обломочного материала с разрушающегося Урала.

С целью выяснения геохимических и генетических особенностей углей казанского возраста нами был проведен факторный статистический анализ концентраций РЭ. При статистической обработке данных была построена матрица корреляционных отношений РЭ. Можно выделить ряд химических элементов, обладающих похожим поведением: 1) Ti, Zr, Cu, Pb, Ni, Yb, Y, Mn, Ba, Mo. Эта группа представлена смешением типичных аллотигенно-обломочных компонентов, связанных с континентальным сносом, и в свою очередь разбивается на несколько ассоциаций элементов с высокими корреляционными связями между собой; 2) P. Фосфор не проявляет значимых связей с другими элементами. В целом его происхождение, видимо, носит гетерогенный характер и связано как с накоплением в органическом веществе, так и привносом в составе обломочного компонента (апатит).

Статистический анализ показывает наличие 4 факторов, ответственных за распределение РЭ в казанских углях (таблица 3).

F1 на 27% определяет распределение РЭ и характеризуется высокими значениями Mo (0,86), Mn (0,81), Ti (0,71), а также значимой связью с Ni, Yb, Ba. Можно предположить, что F4 представляет собой ассоциацию РЭ, входящих в состав темноцветных минералов мафит, -ультрамафитовой формации магматических и метаморфических комплексов Урала.

F2 характеризует распределение РЭ в углях также на 27% и представлен Cu (0,9), Pb (0,72) и менее значимой, но надежной связью с Zr и Ni. Данная ассоциация РЭ, очевидно, связана с медной минерализацией, проявленной в пределах узкой полосы северо-западного простирания. Рудная зона образована в переходной окислительно-восстановительной полосе на границе континент – море. В пределах Вятско-Камской меденосной полосы установлена связь с органическим веществом (Япаскурт, 2008; Кринари, 2005), накапливающимся в переходной гумидной зоне, формирующей локальные геохимические восстановительные барьеры.

Таблица 3

Таблица факторных нагрузок (варимикс исходных данных)




P

Ti

Zr

Y

Yb

Mn

Cu

Pb

Ba

Ni

Mo

Дисп

Вес

F2

0,0

0,4

0,7

0,1

0,3

0,4

0,9

0,7

0,1

0,6

0,2

3,5

0,27

F3

0,0

-0,1

0,5

0,9

0,7

0,1

0,2

0,2

0,7

0,2

0,2

2,3

0,17

F4

0,9

0,2

0,2

0,0

0,1

-0,3

0,1

0,5

-0,1

-0,2

0,3

1,4

0,11

F1

0,0

0,7

0,2

-0,2

0,6

0,8

0,2

0,2

0,5

0,6

0,9

3,6

0,27

База данных защищена авторским правом © kursovaya-referat.ru 2017
При копировании материала укажите ссылку