Критерии прогнозной оценки территорий угля и горючих сланцев

Под прогнозом угленосности понимается научное предвидение возможности ее обнаружении в той или иной структурно-формационной зоне, а в случае, когда само наличие угленосности известно, — обоснование характера ее изменения на площади и в разрезе на основе имеющихся геологических данных. В понятие прогноза включается как общая оценка угленосности, так и предвидение поведения на площади отдельных угольных пластов. Под прогнозом качества угля подразумевается определение с той или иной степенью вероятности основных качественных показателей угля — степени метаморфизма, петрографического состава, степени восстановленности и т. д.

Достоверность и детальность прогнозирования определяется, с одной стороны, надежностью критериев, положенных в его основу, и, с другой — степенью изученности территории. Основой прогнозирования должен являться формационный анализ, цель которого заключается в установлении парагенетических связей между отдельными признаками формаций и их угленосностью. Эти связи можно назвать формационными критериями прогнозирования, которые наряду со стратиграфическими образуют две важнейшие группы признаков, позволяющих прогнозировать угленосность.

Формационные критерии

Угленосные формации обладают комплексом парагенетически связанных между собой количественных и качественных признаков, впервые выделенных в определенной последовательности Г.А. Ивановым. Проводя формационный анализ угленосных толщ, можно восстановить тектонический режим, палеогеографические условия образования, характер последующих изменений угленосных формаций и влияние этих факторов на локализацию угленосности, морфологию угольных пластов и качество углей.

К диагностическим признакам угленосных формаций, которые могут быть использованы для прогноза угленосности, Г.А. Иванов относит:

1) мощность формации и ее изменение в пространстве;

2) соотношение угленосной формации с подстилающими ее образованиями;

3) вещественный (литолого-фациальный и геохимический) состав формации как отражение палеогеографической обстановки углеобразования;

4) характер ритмичности различных порядков по мощности, строению, степени асимметричности ритмов и другим особенностям как отражение геотектонического режима углеобразования;

5) количественные показатели общей и рабочей угленосности;

6) виды и стадии метаморфизма углей (качественные показатели угленосности) и эпигенеза вмещающих пород;

7) степень и характер дислоцированности формаций;

8) характер проявления в угленосной формации магматизма;

9) степень размыва и сохранности формаций;

10) признаки, характеризующие горно-геологические и горно-технические условия месторождений.

Последовательность признаков, в которой они анализируются, определяется в первую очередь значимостью каждого признака для прогноза угленосности и той парагенетической взаимосвязью признаков друг с другом, на основе которой при учете зонального строения формаций и производится прогноз угленосности. Ниже характеризуются некоторые из перечисленных признаков и их связи с угленосностью формаций.

Мощность формации и ее изменение в пространстве. Этот признак является важнейшим количественным диагностическим признаком угленосных формаций, характеризующим их как геологические тела. Мощность формации и закономерности ее изменения определяются типом прогиба, в котором она образуется, а следовательно, по мощности формации можно судить о геотектоническом режиме ее образования. Характером же геотектонического режима определяется не только большинство количественных признаков угленосности (количество, мощность угольных пластов, распределение их в разрезе и др.), но и некоторые качественные, в частности метаморфизм углей.

Изменение мощности формации или какой-либо ее части является достаточно надежным критерием для прогноза угленосности — количества и мощности угольных пластов.

Как известно, мощность пластов угля в основном определяется скоростью опускания области седиментации. Медленное погружение способствует образованию более мощных пластов угля, когда нарастающие торфяники успевают компенсировать погружение. Наоборот, при быстром погружении образуются преимущественно маломощные пласты угля. Поэтому естественно, что с изменением мощности угленосной формации в пространстве, указывающим на изменение геотектонического режима, тесно связано и распределение угленосности. Особенно четко это фиксируется в формациях геосинклинального типа с достаточно резким градиентом изменения мощностей. В субплатформенных зонах этих формаций с малыми их мощностями заключено обычно небольшое количество, но достаточно мощных пластов угля. При переходе в субгеосинклинальную зону формации с увеличением ее мощности возрастает и количество пластов угля, сохраняющих еще рабочую мощность. В собственно геосинклинальной зоне с увеличением мощности формации за счет дальнейшего расщепления пластов угля значительно увеличивается их количество, но сильно уменьшается их мощность, количество рабочих пластов угля падает; многие из них в наиболее глубоких частях прогиба выклиниваются. Вместе с этим происходит изменение фациального состава формации, и из угленосной она может перейти в безугольную. Поэтому для прогноза угленосности помимо признака изменения мощности формации надо учитывать и другие — изменение фациального состава, ритмичности, геохимических условий и др.

Вещественный состав формации. Угленосные формации образуются в разнообразных палеогеографических и геотектонических условиях: от прибрежно-морских (паралических) до внутриконтинентальных (лимнических), от зон эвгеосинклиналей до синеклиз платформ. Поэтому и вещественный состав угленосных формаций изменяется в значительных пределах. Однако во всех угленосных формациях сохраняются некоторые литолого-геохимические признаки, свойственные только этим формациям. Сюда относится в первую очередь концентрация в аутигенной части (в раннедиагенетических конкрециях и в цементе обломочных пород) закисного железа в форме главным образом карбонатов, реже сульфидов и гидроокислов, часто в сочетании с карбонатами кальция (иногда магния и марганца). Очень характерно образование двойных и тройных карбонатов анкеритового и магний-сидеритового рядов на фоне общей малой карбонатности пород. Исследованиями А.В. Македонова показано, что специфический комплекс конкреций угленосных формаций отсутствует во всех неугленосных формациях.

Только для угленосных толщ характерны также некоторые своеобразные типы пород, являющиеся индикаторами угленосности. К числу их относятся песчаники барового волнового поля с песчано-анкеритовыми или кальцит-сидеритовыми конкреционными линзами и с преобладанием горизонтально-волнистой и линзовидной слоистости, некоторые типы околоугольных аргиллитов с характерными текстурами, железисто-карбонатными конкрециями и растительными остатками.

В угленосных формациях, особенно с преобладанием лагунных и озерных мелководных осадков, существует корреляция коэффициентов угленосности и конкрециеносности. Причем прямая зависимость наблюдается между угленосностью и содержанием смешанно-карбонатных конкреций анкеритового и магний-сидеритового рядов, а обратная — между угленосностью и содержанием в разрезе чисто известковистых конкреций.

Наиболее тесная взаимосвязь существует между угленосностью и песчано-анкеритовыми стяжениями в песчаниках барового волнового поля. Очень существенно то, что мощность песчано-конкреционных линз часто близка средней мощности угольных пластов. Эта закономерность может быть использована в качестве критерия для прогнозирования мощности угольных пластов, расположенных в разрезе ниже конкреционных линз на расстоянии 10—15 м.

Таким образом, отмеченные парагенетические связи между вещественным составом угленосных отложений и их угленосностью могут использоваться в качестве критериев как для дальнего (регионального), так и для ближнего (локального) прогноза угленосности.

Угленосные отложения образуются только при гумидном и семигумидном климате, поэтому появление в разрезе формации признаков семиаридности и аридности (пестроцветы, красноцветы, гипсы и пр.) свидетельствует о скором снижении или полном исчезновении угленосности.

Фациальный состав отложений и определенные наборы фациальных типов пород (седиментационные ритмы) отражают как частную, так и общую палеогеографическую обстановку углеобразования. В фациальных типах пород находят отражение климат, рельеф, гидродинамический режим области седиментации. Поэтому по фациальному облику пород можно в известной мере прогнозировать общин характер угленосности формации: устойчивость угольных пластов на площади, некоторые показатели качества угля (зольность, петрографический состав).

По Г.А. Иванову, углеобразование может происходить в следующих общих фациальных обстановках: прибрежно-морской, прибрежно-континентальной и внутриконтинентальной. Наиболее благоприятной для углеобразования является прибрежно-морская обстановка (паралический тип), при которой образуются угольные пласты большой протяженности, устойчивые и относительно устойчивые но мощности. Очень характерным признаком прибрежно-морского углеобразования является наличие в разрезе баровых песчаников, горизонтов с морской пли солоноватоводной фауной и известняков.

Менее благоприятна для углеобразования прибрежно-континентальная обстановка, в которой образуются угольные пласты, менее устойчивые по мощности и более зольные. Для этой общей обстановки характерны частные фациальные обстановки приустьевых частей рек, дельт, прибрежных озер.

Во внутриконтинентальной обстановке углеобразование связано главным образом с озерными, периодически мелеющими и зарастающими водоемами и в меньшей степени — с пойменными частями долин рек. Для этого типа углеобразования характерна резкая изменчивость мощности угольных залежей, частое выклинивание и расщепление их на коротких расстояниях. Нередко во внутриконтинентальной обстановке образуются мощные и даже сверхмощные угольные пласты.

Характер ритмичности угленосной формации. Этот признак угленосных формаций может быть использован для более точного прогноза угленосности в количественном отношении, в частности для прогноза распределения пластов угля различной мощности по разрезу формации. Это может быть достигнуто путем выделения в разрезе формации ритмов, или циклов осадконакопления различных порядков (I порядка — основных, II порядка — мезоритмов, III порядка — макроритмов, IV порядка — мегаритмов т. д.). Причем наибольшее значение имеет учет строения и мощности основных ритмов — I порядка.

Рядом исследователей эмпирически устанавливались достаточно четкие количественные изменения угленосности в зависимости от порядка (мощности), строения, фациального состава и других особенностей ритмичности (цикличности).

Так, например, в Печорском бассейне четко установлено, что с увеличением мощности лагунных ритмов увеличиваются мощности пластов угля, находящихся в их основании, и мощности песчаников в средних частях ритмов, а в некоторых случаях и мощности конкреционных линз в песчаниках. Аналогичные зависимости угленосности от ритмичности были установлены Ю.А. Жемчужниковым для Кузбасса и в дальнейшем подтверждены в Ленском и Тунгусском бассейнах, где установлены и пределы изменения мощностей ритмов, при которых сохраняются эти закономерности.

При выделении в мезо- и более крупных ритмах регрессивных, однородных и трансгрессивных рядов ритмов более мелкого порядка было обнаружено, что в регрессивных рядах мощности угольных пластов максимума достигают в верхней части, в однородных — в средней и в трансгрессивных — в нижней части ритмов более высокого порядка. Это явление легко объясняется замедлением (в регрессивных рядах) или ускорением (в трансгрессивных рядах) направленного погружения, изменение скорости которого отражается на мощностях угольных пластов и их распределении по разрезу.

М.И. Ритенберг эмпирически установила ряд закономерностей (явления суммирования, унаследованности и др.) в распределении пластов угля различной мощности по разрезу. Учет этих явлений также способствует более обоснованному прогнозу угленосности.

Виды и стадии метаморфизма углей. Важнейшим фактором, определяющим качество угля, наряду с петрографическим составом и зольностью является метаморфизм угля. При этом для оценки масштабов метаморфических изменений углей необходимо установить вид метаморфизма: региональный, термальный или контактовый.

Региональный метаморфизм теснейшим образом связан с изменением мощности угленосных формаций и возрастает вместе с ее увеличением. Особенно отчетливо он проявляется в формациях, образовавшихся в крупных прогибах орогенного этапа и зон активизации. Здесь вследствие погружения угольных пластов на различную глубину образуется отчетливая вертикальная и горизонтальная зональность регионального метаморфизма углей. Пo существу, распределение углей разных стадий метаморфизма в плане отражает палеотектоническую обстановку бассейна углеобразования к моменту начала инверсии.

Учитывая отмеченную выше связь между мощностью формаций, их угленосностью и качеством углей, при составлении карт прогноза важнейшую роль играет карта изопахит угленосной толщи. Именно она в совокупности с палеогеографическими картами и схемами является основой для научного прогнозирования угленосности и качества углей.

Стратиграфические критерии

Установлено, что наибольшая угленосность приурочена к формациям карбона, перми, юры и мела, хотя она и известна во всех стратиграфических подразделениях, начиная от девона и до неогена включительно.

В возрастном отношении угле- и сланцеобразование подчинено определенным закономерностям. Еще 40 лет назад П.И. Степанов отметил существование главнейших эпох с интенсивным углеобразованием. Первое место по запасам занимают угли пермского возраста, которые составляют 49% общих геологических запасов (Тунгусский, Кузнецкий, Таймырский, Печорский бассейны). На втором месте угли позднемезозойского возраста — 25% от общих геологических запасов (Ленский бассейн). Третье место занимают угли раннемезозойского возраста — 14% общих геологических запасов (Канско-Ачинский, Иркутский, Южно-Якутский бассейны). Четвертое место принадлежит углям карбонового возраста — 7% от общих геологических запасов. На пятом месте находятся угли кайнозойского возраста — 5% от общих геологических запасов.

Из горючих сланцев 72% общих запасов относится к кембрийскому возрасту (Оленекский бассейн). Второе место занимают горючие сланцы позднеюрского возраста — 15% общих запасов (Воронежский бассейн). Третье место принадлежит горючим сланцам ордовикского возраста — 8% общих запасов (Прибалтийский бассейн). На четвертом месте находятся горючие сланцы верхнедевонского возраста — 4% общих запасов (Припятский район). Пятое место занимают горючие сланцы неогенового возраста — 1% общих запасов (Казахстан, Средняя Азия).