04.03.2021

Влияние метаморфизма на форме нахождения и физические свойства углеродистого вещества в осадочно-метаморфических породах Украинского щита


В последнее время уделяется значительное внимание изучению графита в докембрийских осадочно-метаморфических комплексах. Интерес к этому минералу определяется прежде всего многочисленными данными, свидетельствующими об определенной зависимости между степенью метаморфизма пород и свойствами захороненного в них углеродистого вещества. Графит — особенно благоприятный объект для подобных исследований, так как, обладая постоянным составом, он способен реагировать на метаморфические преобразования лишь посредством изменений агрегатного и структурного состояний.

Основная масса углеродистого вещества в осадочно-метаморфических породах Украинского щита представлена графитом. В соответствии с классификацией, предложенной Св.А. Сидоренко, встречающиеся здесь формы графита можно отнести к трем морфогенетическим типам — тонкодисперсному, межзерновому (межкристаллическому) и трещинному. Первый из названных типов характерен для первично-осадочных пород Криворожского района, измененных в условиях зеленосланцевой фации метаморфизма. Мельчайшие (размером 0,002—0,006 мм) частицы графитового вещества более или менее равномерно распределены в породах. Кроме того, тонкодисперсный графит нередко концентрируется в слойках, обогащенных слюдистыми минералами, что подчеркивает тонкую полосчатость пород. Морфологически графит встречается в виде хлопьевидных и лапчатых выделений, лишенных четкой кристаллографической огранки, реже — в виде удлиненных чешуек и гексагональных кристаллов, фиксирующихся только под электронным микроскопом.

Межзерновая (или межкристаллическая) форма выделения графита является наиболее распространенной. Она свойственна широкому литологическому спектру первично-осадочных пород, метаморфизированных в условиях от эпидот-амфиболитовой фации до гранулитовой включительно, и встречается в пределах Криворожского, Приазовского и Побужского районов. Детальные исследования ориентированных аншлифов позволили выявить связь морфологии межзернового графита с определенным типом метаморфических пород. Так, в кварцитах и кварцито-гнейсах, в мраморах и кальцифирах он представлен нечетка выраженными ромбоэдрическими кристаллами, реже — древовидными и роговидными (ласточкин хвост) сдвойникованными агрегатами. В биотитовых гнейсах графит тесно ассоциирует с биотитом, а в амфиболовых — с зернами роговой обманки и встречается в виде гексагональных чешуек и пластинок. Размеры кристаллов межзернового графита варьируют от 0,006 до 1 мм и более, закономерно увеличиваясь с ростом степени метаморфизма.

Последняя из изученных форм проявлений графита — трещинная — свойственна, как правило, наиболее метаморфизованным породам Приазовского и Побужского районов (амфиболитовая и гранулитовая фации метаморфизма). Размеры выделений, относящихся к этому морфогенетическому типу, изменяются от микроскопических (сотые и десятые доли миллиметра) до гигантских (первые десятки сантиметров). В такой форме находится углеродистое вещество большинства графитовых месторождений Украинского щита.

Различные типы углеродистого вещества в осадочно-метаморфических породах связаны одни с другими постепенными переходами, но, как показал анализ их взаимоотношений, первичной следует считать точечную (тонкодисперсную) форму выделений. Остальные являются производными от нее, т. е. вторичными, и связаны, вероятно, с определенной подвижностью углерода при метаморфизме. Следует напомнить, что графит устойчив в кислой среде и подвижен в щелочной. Этим обстоятельством можно объяснить увеличение размера чешуек графита в зонах гранитизации метаморфических толщ, характеризующихся проявлением щелочного метасоматоза. Углерод, приобретая в щелочной среде некоторую подвижность, не вступает в соединения с другими минеральными фазами и образует более крупные кристаллы, поскольку играет в этом случае роль избыточного компонента. В ходе метаморфизма происходила, очевидно, не только сегрегация и перекристаллизация графита, но и его миграция за пределы пласта, содержащего исходное углеродистое вещество, с образованием трещинно-прожилкового типа минерализации.

Известно, что эволюция форм выделений углеродистого вещества в процессе регионального метаморфизма сопровождается его определенными структурными преобразованиями. Последние, как показали исследования Уббелоде и Льюиса, выражаются в формировании и росте гексагональных сеток атомов углерода, в упаковке их в параллельные слои с образованием пакетов различной толщины и, наконец, во взаимной ориентации углеродных гексагонов в параллельных плоскостях с образованием максимально упорядоченной структуры графита. Отмеченные структурные изменения углеродистого вещества, происходящие при метаморфизме, априори должны выражаться в соответствующих изменениях его физических параметров, что позволяет использовать их в качестве показателя принадлежности вмещающих пород к определенной фации метаморфизма. Такими показателями в настоящее время служат данные рентгеноструктурного и термографического анализов. Используются также методы инфракрасной спектроскопии, но они, как выяснилось, эффектны только при изучении слабо метаморфизованного органического вещества (OB).

В угольной геологии для определения степени катагенетического преобразования углей, как известно, широко применяются отражательная способность и микротвердость. Учитывая, что графит представляет собой конечный продукт метаморфизма OB, мы предприняли попытку выяснить возможность использования этих показателей для определения степени метаморфизма графитсодержащих толщ докембрия.

Измерение отражательной способности производилось в стандартных условиях на фотоэлектронной установке ПООС-1 с минераграфическим микроскопом в поляризованном свете при длине волны 546 мк. Из мерялись максимальный и минимальный показатели отражения в двух взаимно перпендикулярных срезах. Микротвердость графита определялась методом статического вдавливания четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136° и квадратным основанием на приборе ПМТ-3 по методике, разработанной во ВНИГРИуголь.

Количество точек измерения отражательной способности и микротвердости графита в каждом аншлифе составляло около 30, по которым определялись средние арифметические величины. Каждая фация метаморфизма охарактеризована 15—30 образцами. Измерения, проведенные на больших сериях аншлифов, показали, что графит каждой из изученных фаций метаморфизма характеризуется вполне определенными значениями отражательной способности и микротвердости, пределы колебаний которых для каждой фации сравнительно невелики. Оценка достоверности среднего, произведенная с помощью критерия температуры (t) по Стьюденту, показала высокую достоверность этих параметров: во всех случаях вычисленные значения t превосходили значения t при 5%-ном уровне значимости.

Результаты изучения отражательной способности и микротвердости графита в метаморфических породах Украинского щита позволяют сделать следующие выводы.

1. Отражательная способность графита увеличивается в метаморфическом ряду от зеленосланцевой фации до гранулитовой включительно с 5,8 до 21,1% по максимальному показателю отражения (Rmax; рис. 1). Минимальный показатель отражения возрастает вплоть до амфиболитовой фации метаморфизма, а затем несколько снижается в гранулитовой. Такое снижение отражательной способности по минимальному показателю следует связывать с резким возрастанием ее анизотропии, которое, по-видимому, является следствием усиления взаимной ориентации углеродных гексагонов в параллельных плоскостях, что и имеет место на конечных стадиях структурных преобразований графита.

2. Микротвердость графита и степень его метаморфизма связаны обратной зависимостью (рис. 2). Максимальные ее значения характерны для пород зеленосланцевой фации метаморфизма; меньше они в образцах, представляющих эпидот-амфиболитовую и амфиболитовую фации, и минимальные — в породах гранулитовой фации.

3. Границы между фациями метаморфизма, определенные по отражательной способности и микротвердости графита, иногда несколько перекрываются. Это объясняется, по-видимому, неоднородностью изометаморфного графита, что и фиксируется иногда на некоторых стадиях метаморфизма.

Результаты измерений отражательной способности и микротвердости графита в породах разных фаций метаморфизма представлены в таблице. Здесь же для сравнения приведены данные рентгеноструктурного и термографического анализов графита, выполненные нами для контроля. Эти результаты, несомненно, свидетельствуют о наличии устойчивой связи между степенью метаморфизма пород и отражательной способностью и микротвердостью заключенного в них графита.

Таким образом, проведенные исследования отражательной способности и микротвердости графита выявили возможности их использования в качестве новых надежных критериев для определения степени метаморфизма графитсодержащих толщ докембрия. Следует отметить, что как показатели метаморфизма они имеют очевидные преимущества перед другими используемыми в настоящее время параметрами в связи с простотой аналитических операций и большой производительностью методов.





Яндекс.Метрика