Генетические особенности рудоносности бурых углей Приморья

Гамов Михаил Иванович; Наставкин Алексей Валерьевич; Труфанов Алексей Вячеславович; Шарова Татьяна Викторовна

Гамов Михаил Иванович - доктор геолого-минералогических наук, доцент, заведующий кафедрой месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: kpirgu@mail.ru.

Наставкин Алексей Валерьевич - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, кафедра месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: nastavkin@sfedu.ru.

Gamov Mikhail Ivanovich - Doctor of Geological and Min-eralogical Sciences, Associate Professor, Head of Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, e-mail: kpirgu@mail.ru.

Nastavkin Aleksey Valerievich - Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Associate Professor, Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, e-mail: nastavkin@sfedu.ru.

Труфанов Алексей Вячеславович - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, кафедра месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: SMAF2007@mail.ru.

Trufanov Aleksey Vyacheslavovich - Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Associate Professor, Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, e-mail: SMAF2007@mail.ru.

Шарова Татьяна Викторовна - кандидат геолого-минералогических наук, старший преподаватель, кафедра месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: kianitt@mail.ru.

Sharova Tatiana Victorovna - Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Senior Lecturer, Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, e-mail: kianitt@mail. ru.

Приводятся результаты изучения генетических особенностей рудоносности бурых углей трех разрабатываемых месторождений Приморского края. Были выполнены углепетрографические, термобарогеохимические исследования, включающие вакуумную декриптометрию и газовую хроматографию, полуколичественный спектральный анализ. Показаны высокие перспективы Бикин-ского месторождения по обнаружению в нем потенциально ценных элементов.

Ключевые слова: бурый уголь, геохимия углей, элементы-примеси, Приморский край, генезис оруденения.

In the article results of studying of the genetic features of metalliferous brown coals of three mined deposits ofPrimorsk Region are resulted. The coal petrography, thermobarogeochemistry researches, including vacuum decryptometry and gaseous chromatography, the semiquantitative spectral analysis have been executed. High prospects of the Bikine deposit on detection in it ofpotentially valuable elements are shown.

Keywords: brown coal, coal geochemistry, admixture elements, Primorsk Region, genesis of metallization.

Угленосные отложения в Приморском крае охватывают почти десятую часть территории региона, где насчитывается около 100 угольных месторождений и проявлений. Среди буроугольных месторождений одно - Бикинское - отнесено к крупномасштабным, 13 - к средним и 20 - к малым. Общие прогнозные ресурсы Приморского края составляют 4 млрд т. В добыче бурые угли составляют более 80 %. Некоторые месторождения перспективны для извлечения из углей редкоземельных элементов, в первую очередь германия (Бикинское, Павловское, Шкотовское).

В ближайшее время электроэнергетика южной части Приморского края будет развиваться за счет бурых углей Павловского месторождения, где планируется вывести на проектную мощность два разреза -«Павловский-2» (4,5 млн т) и «Северо-Западный» (0,45 млн т в год).

Павловское буроугольное месторождение относится к Ханкайскому угольному бассейну и расположено в 30 км к северу от города Уссурийска. Общая площадь месторождения - 500 км2. Оно представлено отдельными угленасыщенными структурами (мульдами), выделенными в виде самостоятельных участков. Мульды выполнены кайнозойскими

угленосными отложениями мощностью от первых десятков до 400-500 м. Все угленосные структуры месторождения являются платформенными образованиями и приурочены к южной окраине Ханкайско-го срединного массива.

В геологическом строении фундамента наиболее широко распространены среднепалеозойские гранито-иды. В основании отложений кайнозойского платформенного чехла залегает угленосная толща, названная павловской свитой, возраст которой датируется от оли-гоцена до нижнего-среднего миоцена [1].

Угленосные отложения Павловского месторождения - лимнического типа, имеющие значительную фациальную изменчивость. На месторождении установлено восемь групп угольных пластов (снизу вверх): Нижняя, 1-УП (рис. 1).

Из токсичных элементов в углях установлены (в г/т): бериллий - до 70, фтор - до 500, ванадий - до 100, свинец - до 50 и марганец - до 1000. Угли с повышенным содержанием токсичных элементов зафиксированы в единичных пробах и имеют небольшие локальные площади распространения. При отработке они перемешиваются, что приводит к выравниванию концентраций.

60 и

40-

го 0-1

141

20

100 -

Схема распространения угленосности центральной части поля шахты им. Артема Шкотовского месторождения (по [1] с упрощениями)

146

пл.7

jui.76

47.24

211

143

т -

-----

------

^Лл

586

1.3

2.0 2.8

2.4 1.2

5.8 4.2

пл. VII пл. VI

пл.У

пл.IV ■ ii.i.lll

■ хп.11

8.2 Ипл.1

4.6

пл. Нижний

Основные угольные пласты Павловского месторождения (по [1] с упрощениями)

Схема распространения угленосности в разрезе верхней угленосной толщи Бикинского месторождения пласты 7-9-й групп (по [1] с упрощениями)

, Ш

1 - бурые угли; 2 - базальты; 3 - конгломераты; 4 - пески, песчаники; 5 - алевриты, алевролиты; 6 - глины, аргиллиты; 7 - галечники; 8 - углистые аргиллиты; 9 - породы фундамента

Рис. 1. Угленосность основных угольных месторождений Приморского края

Согласно ГОСТу 25543-88 [2], угли Павловского месторождения относятся к подгруппе 2БВ.

Основным полезным элементом в углях Павловского месторождения является германий. Почти все пласты, в том числе и высокозольные, содержат германий в количестве от 2 до 8 г/т золы, углистые глины - от 0,02 до 14 г/т золы. Известны отдельные скважины с содержанием германия более 10 г/т золы.

На поле разреза «Павловский-2» разведано германий-угольное месторождение с промышленными содержаниями германия в углях и вмещающих породах. К рудоносным пластам приурочены также высокие содержания бериллия (50-70 г/т), вольфрама (120190), бора (200-265 г/т угля).

В угольных пластах и породах вскрыши участка «Лузановский» выявлены повышенные концентрации вольфрама, бора, бериллия, лития, фтора, олова. Установлено непосредственное соприкосновение северных флангов Павловского месторождения с зонами интенсивной грейзенизации Вознесенского рудного узла, характеризующегося промышленными концентрациями цветных и редких металлов, а также флюорита. Отложения палеоген-неогеновой угленосной формации могут стать объектом изучения с целью поиска новых проявлений и месторождений металлов и редких элементов экзогенного генезиса, особенно на северных флангах месторождения.

Шкотовское буроугольное месторождение относится к Угловскому угольному бассейну и расположено в 30 км северо-восточнее г. Владивостока. Оно

приурочено к одноименной приразломной впадине, которая протягивается на 37 км в виде узкого прогиба северо-северо-восточного простирания. Максимальная ее ширина на юге - 9 км. Здесь же установлена наибольшая глубина - 800 м.

Угли бассейна бурые марок 2БВ и 3БВ. Установлена определенная закономерность в повышении степени их углефикации с востока на запад и со стратиграфической глубиной залегания угольных пластов. Горно-геологические условия эксплуатации на месторождении сложные, обусловленные интенсивной разрывной нарушенностью, особенно мелкоамплитудной, и пучением пород, разрушающим крепление горных выработок. Максимальные глубины добычи на Шкотовском месторождении - 150-200 м. Метано-обильность горных выработок достигает 1 м3/т добычи. Углекислотообильность горных выработок шахт составляет 10-15 м3/т.

Среди отложений месторождения выделяются образования палеозойско-мезозойского фундамента и кайнозойского чехла. Фундамент сложен верхнепермскими эффузивно-терригенными образованиями. На них залегают нижнетриасовые карбонатно-терриген-ные породы, которые с размывом перекрываются нижнемеловыми слабоугленосными и верхнемеловыми туфогенно-терригенными (коркинская серия). Чехол Шкотовской впадины представлен отложениями палеогена, неогена и четвертичной системы.

Усть-Давыдовская угленосная свита (^М) имеет устойчивую мощность от 300 до 400 м, широкое пло-

щадное распространение, значительную угленасы-щенность, включает в себя 1-УШ группы угольных пластов (см. рис. 1).

Для угленосных отложений Шкотовской впадины установлена определяющая роль фундамента при формировании нарушений чехла. Наиболее нарушен чехол над мезозойским фундаментом и вблизи зон разломов, наименее - над палеозойским фундаментом.

В углях Шкотовского месторождения по отдельным пробам обнаружены повышенные содержания токсичных элементов (в г/т): фтора - до 300-600, ртути - до 6-8, хрома - до 100-400, ванадия - до 400, фосфора - до 400-1000, что значительно превышает предельно допустимые значения. Однако не были выявлены закономерности локализации токсичных элементов в пределах участков, так как аномальные значения приурочены к единичным пробам отдельных пластов. Угли Шкотовского месторождения характеризуются повышенными содержаниями германия, галлия, достигающими в отдельных пробах 150 г/т. Средние содержания этих элементов составляют соответственно 2,6 и 20 г/т угля (угловская свита). Однако неравномерное распределение этих элементов в угольных пластах требует их детального изучения с целью оконтуривания локальных участков, пригодных для попутного извлечения германия и галлия.

Угли месторождения труднообогатимые, склонные к окислению и самовозгоранию, очень опасные по взрываемости их пыли. Степень углефикации углей, согласно ГОСТу 21489-76, соответствует буроуголь-ной стадии 02, а по ГОСТу 25543-88, угли относятся к подгруппе 2БВ (второй бурый витринитовый).

Бикинское месторождение бурых углей относится к Бикино-Уссурийскому угольному бассейну и является самым крупным в Приморском крае по запасам. Оно расположено на севере края и приурочено к при-разломной впадине, имеющей в плане форму неправильного овала, вытянутого на 35 км с юго-запада на северо-восток при максимальной ширине до 20 км и предполагаемой мощности выполняющих ее отложений около 2 км.

В геологическом строении месторождения принимают участие образования фундамента и угленосного чехла. Фундамент представлен кремнисто -сланцевыми отложениями триаса и юры. Угленосные отложения чехла впадины залегают с резким угловым и стратиграфическим несогласием на образованиях фундамента. Они разделяются на три толщи (снизу вверх): нижнюю угленосную, среднюю безугольную и верхнюю угленосную.

Верхняя угленосная толща является наиболее полно изученной как по керну буровых скважин, так и по бортам действующего угольного разреза. Она сложена тонкообломочными породами - тонко- и мелкозернистыми песчаниками, алевролитами, аргиллитами и углистыми породами, содержит 15 групп угольных пластов и является наиболее угленасыщенной на месторождении. Максимально вскрытая мощность верхней угленосной толщи - 750 м. Общая схема ее угленосности приведена на рис. 1.

Угли месторождения плотные, вязкие, при длительном хранении покрываются многочисленными трещинами усыхания. Они среднезольные, с низкой теплотой сгорания, неустойчивые к самовозгоранию,

опасные по взрываемости угольной пыли, труднообо-гатимые, в соответствии с ГОСТом 25543-88 отнесены к марке 2БВ (второй бурый витринитовый).

Из редких элементов в углях промышленный интерес представляет германий, который отмечен в маломощных высокозольных пластах и углистых породах. Площадь рассматривается как крупное германий-угольное месторождение эпитермального типа, локализованное вдоль крупной зоны разлома сдвигового типа северо-западного борта Бикинской впадины [1].

В углях Бикинского месторождения выявлены содержания редкоземельных элементов, в том числе иттрия, представляющие промышленный интерес.

Угли Бикинского месторождения склонны к самовозгоранию. Угли пластов с зольностью >27 % являются умеренно опасными по взрываемости угольной пыли, а при снижении зольности они переходят в группу очень опасных, требующих дополнительной взрывозащиты.

Авторами были проведены углепетрографические исследования. Из представительных проб бурого угля, по ГОСТу 12112-78 [3], были изготовлены аншлиф-брикеты. Минеральный состав углей Павловского месторождения оказался следующим: глинистые минералы - 4 %, сульфиды железа - 6, органическая часть -около 90 %. Ее состав оказался следующим: среднее содержание мацералов группы гуминита составило 71 %, группы липтинита - 11, группы инертинита -18 %. Липтинит разнообразно представлен в виде суберинита (рис. 2а), кутинита, споринита (рис. 2б), резинита (рис. 2в). Инертинит встречается преимущественно в виде обломков мацералов семифюзинита (инертодетринит). Встречаются склероции (рис. 2г, д). Минеральные примеси представлены в основном глинистым веществом (от 1 до 32 %) и обломочным кварцем (от 1 до 42 %). Встречаются карбонаты, сульфиды железа (рис. 2е), зерна полевого шпата.

Для реконструкции физико-химических параметров процессов флюидизации исследуемых углей нами был использован комплекс термобарогеохими-ческих исследований, включающих вакуумную де-криптометрию и газовую хроматографию, выполненных по общепринятым методикам Н.П. Ермакова [4, 5], Ю.А. Долгова [4], В.Н. Труфанова [6] на установках ВД-6 и ЛХМ-8МД.

При проведении термобарогеохимических исследований был выявлен ряд закономерностей, характеризующих как генетические особенности формирования бурых углей вышеописанных месторождений Приморья, так и специфику их флюидизации в связи с потенциальным накоплением в них элементов-примесей (ЭП).

Анализ вакуумных декриптограмм углей Бикин-ского, Шкотовского и Павловского месторождений (рис. 3) указывает на их общее сходство с позиции регистрируемых эффектов газовыделения. Практически все изученные образцы имеют двух- или трехмо-дальные кривые декриптации. Подавляющее количество образцов содержит наибольшие эффекты газовыделения в низкотемпературной зоне от 20 до 120 °С с максимумами газовыделения, приходящимися на 70 °С. Коэффициент флюидонасыщенности колеблется здесь в пределах от 78 до 200 у.е. (при среднем значении около 150 у.е.).

Рис. 2. Основные мацералы и минеральные компоненты углей Павловского месторождения: а - суберинит; б - споринит; в - резинит; г, д - склеротинит различной степени пористости; е - пирит, неправильной формы выделения и отдельные зерна, в аттрите

200 18» ISO' 140' 120" 100 80' 60' 40 20' О

100 200 300 400 500

Fl=200

Робщ-357

_ F2=128

>vj

F3=29

____ уровень вакуума

_' | интенсивность

100 200 300 400 500

газовыделения

Рис. 3. Типовые вакуумные декриптограммы бурых углей Приморского края: а - Шкотовское месторождение; б - Павловское месторождение; в - Бикинское месторождение

Менее ярко выраженный среднетемпературный интервал газовыделения наблюдается в пределах от 140 до 320 °С с максимумом, приходящимся на 240 °С, причем его интенсивность минимальна для углей Павловского месторождения (3 у.е.) и закономерно увеличивается в углях Шкотовского (108 у.е.) и Бикинского (128 у.е.) месторождений. Аналогичная тенденция характерна и для общего коэффициента флюидонасыщенности, который также изменяется в ряду названных месторождений от 98 до 357 у.е.

Относительно высокотемпературный интервал приходится на 380-440 °С, но отмечается не во всех проанализированных пробах. Данный эффект газовыделения характеризуется довольно низкими значениями коэффициента флюидонасыщенности, который варьирует в пределах от 6 до 30 у.е.

Результаты газохроматографического анализа показывают, что практически все регистрируемые эффекты газовыделения в низкотемпературной области связаны с выделением свободной воды, содержание которой в пробах колеблется от 47,7 до 97,8 %. В резко подчиненном количестве присутствует СО2, содержание которого варьирует от 2,1 до 35,9 %. В некоторых углях Бикинского месторождения присутствуют СО (до 34,7 %), СН4 (до 6 %), С2Н6 (до 7,1 %) и следы азота.

Среднетемпературная область отличается повышенным содержанием углекислоты при значительном снижении количества паров воды. Для этого интервала также характерно повышение доли углеводородных газов и СО, максимальные значения которых отмечаются для углей Бикинского месторождения (СО - 17,1 %; С2Н6 -4,8 %; СН4 -1,6 %), в то время как для углей Шкотовского и Павловского месторождений их доля несколько ниже (на Шкотовском - 7,2; 3,9 и 0,1 %; на Павловском - 6,3; 10,6; 0,5 % соответственно). В большинстве проб отмечается увеличение содержания азота при максимальных значениях 1,7 %.

Для большинства исследуемых углей в высокотемпературном интервале характерно значительное увеличение доли СО2 от 10,1 до 96,5 % и СО от 3,7 до 42,8 % (Павловское месторождение); для Бикинского эти значения варьируют от 50,1 до 98,5 % и от 6,7 до 26,7 %, соответственно. В углях Шкотовского месторождения эти показатели изменяются в пределах от 32,6 до 92,5 %

в

и от 10,3 до 51,5 %. При этом содержание воды падает практически до нуля (Шкотовское месторождение), лишь в единичных пробах достигая значений 27,6 (Павловское месторождение) и 13,7 % (Бикинское месторождение). С этим же интервалом связано и повышение содержания непредельных углеводородов, которое достигает 8,1 %.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Полуколичественный спектральный анализ, проведенный на рентгенофлуоресцентном энергодисперсионном спектрометре Epsilon 5, позволил сопоставить содержания металлов со значениями F-показа-телей флюидонасыщенности бурых углей всех вышеописанных месторождений Приморья.

В табл. 1 приведены полученные корреляционные зависимости между определяемыми признаками для 7 проб углей пласта VII Павловского месторождения.

Рассмотрим лишь те элементы, которые являются потенциально промышленно значимыми для данного месторождения.

Германий оказался тесно связан с сурьмой (r=1,00) и вольфрамом (r=0,99). При этом он связан обратной

Корреляционные зависимости для

корреляционной зависимостью с общим показателем флюидонасыщенности (г = - 0,86).

Вольфрам связан обратной корреляционной зависимостью с общим показателем флюидонасыщен-ности (г = - 0,86), но имеет прямую положительную корреляционную связь с сурьмой (г = 1,00) и германием.

Иттрий имеет гораздо больше корреляционных связей, чем названные выше германий и вольфрам. Он, также как и вольфрам, характеризуется обратной корреляционной связью с общим показателем флюи-донасыщенности (г = - 0,93). Этот элемент оказался тесно положительно связан с оксидом серы SO3 (г = = 0,84), что может быть интерпретировано как минеральная фаза под названием гуссакит, являющаяся разновидностью ксенотима. Обращает на себя внимание связь иттрия с полонием (г = 0,77), что также говорит в пользу его минеральной фазы - ксенотима. Иттрий также тесно положительно связан с оксидом железа Fe2O3 (г = 0,76), никелем (г = 0,77), мышьяком (Г = 0,86).

Таблица 1

углей Павловского месторождения

n=7 -общ. SO3 Fe2O3 Ni Ge As Y Sb W Po

-общ. -0,65 -0,51 -0,55 -0,86* -0,67 -0,93* -0,86* -0,86* -0,74

SO3 -0,65 0,92* 0,99* 0,30 0,99* 0,84* 0,30 0,30 0,51

Fe2O3 -0,51 0,92* 0,92* 0,26 0,94* 0,76* 0,26 0,25 0,40

Ni -0,55 0,99* 0,92* 0,20 0,97* 0,77* 0,20 0,19 0,41

Ge -0,86* 0,30 0,26 0,20 0,32 0,74 1,00* 0,99* 0,62

As -0,67 0,99* 0,94* 0,97* 0,32 0,86* 0,33 0,32 0,53

Y -0,93* 0,84* 0,76* 0,77* 0,74 0,86* 0,75 0,75 0,77*

Sb -0,86* 0,30 0,26 0,20 1,00* 0,33 0,75 1,00* 0,66

W -0,86* 0,30 0,25 0,19 0,99* 0,32 0,75 1,00* 0,72

Po -0,74 0,51 0,40 0,41 0,62 0,53 0,77* 0,66 0,72

n=4 K2O CaO Ti Cr Ga Br Rb Nb

K2O -0,98* 0,99* 0,45 0,96* -0,94 0,99* 0,45

CaO -0,98* -0,95* -0,49 -0,97* 0,93 -0,97* -0,49

Ti 0,99* -0,95* 0,49 0,96* -0,95* 1,00* 0,49

Cr 0,45 -0,49 0,49 0,68 -0,72 0,53 1,00*

Ga 0,96* -0,97* 0,96* 0,68 -0,99* 0,98* 0,68

Br -0,94 0,93 -0,95* -0,72 -0,99* -0,97* -0,72

Rb 0,99* -0,97* 1,00* 0,53 0,98* -0,97* 0,53

Nb 0,45 -0,49 0,49 1,00* 0,68 -0,72 0,53

Примечание. Здесь и в табл. 2 звездочкой отмечены значимые коэффициенты корреляции.

Таблица 2

В исследуемых образцах углей Би- Корреляционные зависимости для углей Шкотовского месторождения кинского месторождения содержания потенциально промышленно значимых для данного месторождения элементов -германия и иттрия - оказались ниже предела чувствительности рентгено-флуоресцентного энергодисперсионного спектрометра.

В табл. 2 приведены полученные корреляционные зависимости между определяемыми признаками для 4 проб углей пласта VII Шкотовского месторождения. В исследуемых образцах содержания потенциально про-мышленно значимых для данного месторождения элементов - германия и ванадия - оказались ниже предела чувствительности рентгенофлуоресцентного энергодисперсионного спектрометра. Хром коррелирует только с одним элементом - ниобием, но зато очень тесно (г = 1,00). Взаимосвязи галлия гораздо обширнее и неоднозначнее: он тесно положительно коррелирует с оксидом калия К20 (г = 0,96), титаном (г = 0,96), рубидием (г = 0,98) и отрицательно коррелирует с оксидом кальция СаО (г = -0,97) и бромом (г = -0,99).

Таким образом, учитывая структурно-тектонические позиции изученных месторождений бурых углей Приморского края, а также их геохимическую спе-

циализацию и термобарогеохимические особенности,

можно констатировать, что Бикинское месторождение представляется наиболее перспективным объектом с точки зрения обнаружения в нем потенциально ценных элементов, которые могли быть привнесены в результате мощной флюидной проработки всей системы перегретыми циркулирующими гидротермальными растворами.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (государственный контракт №16.515.12.5008).

Литература

1. Угольная база России. Т. 5. Книга 1. Угольные бассейны и месторождения Дальнего Востока (Хабаровский край, Амурская область, Приморский край, Еврейская АО). М., 1997. 371 с.

2. ГОСТ 25543-88. Угли бурые, каменные и антрациты. Классификация по генетическим и технологическим параметрам. М., 1988. 19 с.

3. ГОСТ 12112-78. Угли бурые. Метод определения петрографического состава. М., 1987. 19 с.

4. Ермаков Н.П., Долгов Ю.А. Термобарогеохимия. М., 1979. 271 с.

5. Ермаков Н.П. Геохимические системы включений в минералах. М., 1972. 376 с.

6. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Дудкевич Л.К., Майский Ю.Г., Труфанов А.В. Основы прикладной термобарогеохи-мии : учебник. Ростов н/Д, 2008. 280 с.

Поступила в редакцию

27 апреля 2012 г.

Генетические особенности рудоносности бурых углей Приморья Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

The Genetic Features of Metalliferous of Brown Coals of Primorsky Krai

Текст научной работы на тему «Генетические особенности рудоносности бурых углей Приморья»