Рассеянное органическое вещество древних черносланцевых толщ и методика его изучения

Несмотря на большое внимание, которое уделяется в последние годы черносланцевым, или углеродистым, отложениям, рассеянное органическое вещество (РОВ), содержащееся в них, остается еще слабоизученным. Объясняется это, с одной стороны, сложностью объекта (тонкодисперсное распределение и микронные размеры углеродистых частиц, их высокий метаморфизм), а с другой — отсутствием разработанной химико-петрографической методики изучения РОВ древних, нижнепалеозойских и докембрийских толщ.

В настоящее время в исследовании РОВ осадочных пород нефтегазоносных бассейнов широкое применение нашли углепетрографические и углехимические методы. Они используются для изучения нерастворимого, дебитуминированного органического вещества (OB). Особенно широко распространен анализ растворимой части РОВ, битумоидов, находящихся в осадочных породах, сравнительно слабо преобразованных в катагенезе.

На поздних этапах литогенеза и при метаморфизме в OB остается все меньше растворимых веществ. Так, на антрацитовой стадии они составляют лишь сотые доли процента всего OB. Однако традиционно, как и в нефтяной геохимии, в имеющихся пока еще немногочисленных работах, которые посвящены РОВ метаморфизованных черных сланцев, основное внимание уделяется изучению битумоидов, т. е. весьма незначительной части углеродистого материала. Между тем очевидно, что наибольший интерес представляет нерастворимая часть РОВ метаморфических пород, которая составляет более 99,5% всего заключенного в них углеродистого вещества.

В основе примененной авторами методики лежат углепетрографические и углехимические методы изучения нерастворимой части РОВ древних черносланцевых толщ. Дополнительно используются термический и рентгеноструктурный анализы, изотопия углерода и сканирующая электронная микроскопия.

После макроскопического описания образцов с одновременным отбором проб для химической обработки в них определялось содержание органического углерода (Cорг). Изготавливались также штуфовые аншлифы. Методом кислотной деминерализации пород, т. е. посредством обработки их соляной и плавиковой кислотами без подогрева, получали концентраты РОВ, из которых также изготавливались аншлифы — брикеты для микроскопического изучения. Одновременно выполнялись элементный и технический анализы. Часть концентратов использовалась для изотопного и термического анализов OB, а также для нейтронно-активационного (или рентгеноспектрального) анализа на различные металлы.

Структура органических частиц изучалась в аншлифах и аншлифах-брикетах в поляризованном свете, с иммерсией при увеличениях до 1350 раз. Замеры отражательной способности были выполнены на приборе ПООС-1 при увеличении 450 раз, в иммерсии (R0, %) или в воздухе (R0, %) по методике, принятой для углей.

Результаты изучения образцов нижнего палеозоя и докембрия представлены в таблице. Для сравнения в ней приведены аналитические данные, полученные при исследовании полуантрацита Донбасса и так называемого докембрийского «угля» — метаантрацита из Мичигана (США), образцы которого представлены в наше распоряжение профессором Дж. Шопфом. Микрофотографии некоторых морфологических компонентов РОВ древних пород приведены в фототаблице.

Выполненные исследования показали, что углеродистый материал в изученных образцах является биогенным и представлен большей частью сапропелевым, иногда сапропелево-гумусовым веществом. Как видно на фотографиях, для РОВ докембрийских пород характерны овальные или округлые образования с более или менее отчетливой ячеистой структурой, которые имеют сходство с достоверно установленными остатками синезеленых водорослей в ордовикском сланце (фототаблица, 7). Гумусовый материал, кроме углей, отмечен также в филлитовых сланцах Камчатки и аргиллитоподобных сланцах Западного Узбекистана (фототаблица, 8).

Соотношение неорганических и органических частиц в аншлифах показывает, что последние сингенетичны минеральной части породы, ориентированы параллельно первичной слоистости, что исключает вероятность миграционной, иначе аллохтонной, природы OB. Только в шунгитсодержащих породах Карелии наряду с рассеянными остатками водорослей встречается углеродистый материал, заполняющий трещины (фототаблица, 10). Иногда по этим же трещинам наблюдаются пластинки сульфидов и других минералов.

Судя по отражательной способности и данным химических анализов, степень преобразования OB в указанных образцах отвечает широкому диапазону катагенеза и метаморфизма — от коксовой — отощенно-спекающейся и тощей стадий (по шкале углефикации) до антрацитовой и графитовой. С увеличением в OB углерода, как правило, возрастает отражательная способность органических частиц и часто величина дву-отражения, особенно при графитизации. Вместе с тем следует отметить и некоторые отклонения от этой закономерности, которые могут быть обусловлены разным составом и неодинаковым ходом превращения растительного материала (фюзенизация, гелификация). Кроме того, в сильно метаморфизованных породах, на стадии графитизации, РОВ иногда представлено очень тонкодисперсным материалом, в котором определения отражательной способности часто дают заниженные результаты. Степень сохранности исходной структуры OB, или степень его гомогенизации, также влияет па точность замеров.

Рассеянное органическое вещество пород, отвечающих зеленосланцевой фации метаморфизма, соответствует по степени преобразования в основном антрациту (R0max в пределах 3—6%), а иногда частично графиту. В амфиболитовой фации оно представлено графитом или веществом, соответствующим метаантрациту: R0max возрастает до 9—10%. Графитовые частички в отличие от вещества углей характеризуются значительно большей разницей между R0max и R0min, т. е. четко выраженной анизотропией.

Проведенные Дисселом и Оффлером исследования метаморфических пород Австралии показали, что в зеленосланцевой фации R0max углиевых частиц равна 6—6,5%, графит же имеет R0max = 12%. По данным этих авторов, в амфиболитовой фации встречается только графитизированное углеродистое вещество с R0max до 15%. Для установления более точных градаций необходимы дальнейшие исследования РОВ пород разных фаций метаморфизма на широком материале с обязательным учетом природы углеродистого вещества и типа его превращения. Как показало изучение сапропелево-гумусовых антрацитов Донбасса, компоненты группы липтинита — мегаспоры и альгинит — имеют R0max = 6,7%, тогда как витринит — 15%. Другими словами, различная молекулярная структура липтинита и витринита выявляется по отражательной способности и на высоких стадиях углефикации.

Химическое изучение концентратов РОВ из пород подтверждает данные углепетрографического анализа и позволяет высказать следующие соображения.

По химическим параметрам OB, выделеннное из докембрийских пород, которые имеют различный литологический состав и характеризуют разные регионы, разделяется на несколько групп. Каждая из них может быть сопоставлена с гумусовыми углями, отвечающими различным стадиям катагенеза метаморфизма. Расположив выделенные группы в порядке возрастания в РОВ углерода, получаем ряд, каждый член которого имеет свойства, закономерно меняющиеся в том же направлении, что и параметры углей. Крайним членом в ряду углей и в ряду РОВ в большинстве случаев является графит.

В пределах одного региона различия в степени превращенности OB связаны с положением пород в разрезе либо с нахождением пород в зонах, отвечающих различным фациям метаморфизма.

Полученные в дополнение к материалам петрографического исследования данные дают основание считать, что OB изученных нами пород является биогенным и первично-осадочным по происхождению. Как правило, оно достигло высоких ступеней вторичного преобразования. Лишь для РОВ графитовой стадии, где оно более чем на 99% представлено углеродом, возможность абиогенного происхождения не всегда может быть полностью исключена.

Подобно катагенетическому ряду углей, могут быть подобраны образцы РОВ, находящегося на различных стадиях постдиагенетической трансформации, т. е. ряд собственно РОВ в пределах шкалы катагенез — метаморфизм. Действительно, изученные образцы РОВ по степени углефикации менялись от К—ОС и T до А и графита.

Сопоставление РОВ древних пород и углей показывает, что наряду с чертами сходства между ними имеются и определенные различия. Во всех случаях OB древних пород отличается от углей более низким содержанием водорода и значительно более высокими величинами удельного веса органического материала. Возможно, поэтому РОВ имеет более жесткую конденсированную структуру, чем гумусовые угли соответствующей стадии.

С одной стороны, эти отличия можно связывать с природой и ходом преобразования первичного сапропелевого материала. С другой стороны, весьма вероятно, что указанные структурно-химические особенности РОВ связаны с более жесткими условиями метаморфизма докембрийских пород. В частности, сопоставление РОВ с углями, измененными в результате контактового метаморфизма, дает основание предположить более высокий температурный градиент в докембрии по сравнению с фанерозоем.

Таким образом, на основе изучения нерастворимой части РОВ древних черносланцевых толщ методами углепетрографии и углехимии удается выявить исходную природу углеродистого вещества и определить степень его катагенетического и метаморфического преобразования. Благодаря разработанной методике были впервые установлены в шунгитсодержащих породах Карелии и сланцах Кольского полуострова, имеющих возраст более 2,5 млрд. лет, остатки водорослей. Такое изучение в отличие от палеонтологического исследования микрофитофоссилий в мацерационном остатке из дробленой пробы дает возможность определить взаимоотношение органических и неорганических частиц, т. е. судить об их сингенности или эпигенетичности (первично-или вторично-аллохтонное РОВ). В сколах породы или в концентрате РОВ с помощью сканирующего электронного микроскопа может быть изучена более детально биогенная структура органических компонентов.

Определение отражательной способности частиц наряду с данными элементного анализа и других методов позволяет оценить степень катагенеза или метаморфизма OB и судить о возможных палеотемпературах в соответствии со шкалой, разработанной для углей.

И наконец, изучение РОВ имеет важное значение для установления связей OB с металлоносностью черных сланцев. Роль OB в концентрации многих химических элементов, в том числе золота, урана, меди и других, в настоящее время признается большинством исследователей. На торфяной, буроугольной и раннекаменноугольных стадиях преобразования OB обнаружено существование органо-минеральных соединений. Исходя из структурно-химических преобразований углей в ходе катагенеза, теоретически обосновывается возможность лишь сорбционных связей OB с металлами на стадиях выше Ж—К. В то же время известно из практики, что даже OB, преобразованное до графита, может удерживать металлы, и в частности золото, связями более сильными, чем сорбционные.

Дальнейшие исследования структуры и свойств РОВ, накопление данных о характере распределения и роли в нем гетероэлементов, несомненно, помогут пересмотреть известное мнение об относительной химической инертности OB на высоких стадиях метаморфизма и ближе подойти к вопросу о роли OB в процессах оруденения.