Научная статья на тему 'Геолого-структурное районирование Восточного Донбасса с привлечением данных по содержаниям ртути и метана в угольных пластах'

Геолого-структурное районирование Восточного Донбасса с привлечением данных по содержаниям ртути и метана в угольных пластах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
279
49
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВОСТОЧНЫЙ ДОНБАСС / ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА / СТРУКТУРНО-ТЕКТОНИЧЕСКИЕ БЛОКИ / УГЛЕПРОМЫШЛЕННЫЙ УЗЕЛ / РТУТЬ / МЕТАН / УГОЛЬ / ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС / РТУТНО-МЕТАНОВАЯ ЭМИССИЯ / EASTERN DONBASS / GEOLOGICAL STRUCTURE / STRUCTURAL AND TECTONIC BLOCKS / COAL-MINING KNOT / MERCURY / METHANE / COAL / HYDROTHERMAL PROCESS / MERCURY AND METHANE EMISSION

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Рылов Виктор Григорьевич, Федоров Юрий Александрович, Гамов Михаил Иванович

По особенностям геологического строения, характеру дизъюнктивной нарушенности и газоносности горно-породного массива, содержанию ртути в углях и вмещающих породах территория Восточного Донбасса разделена на три структурно-тектонических блока Северный, Центральный и Южный. Установленная пространственная связь между аномальными содержаниями метана и ртути на отдельных участках шахтопластов предполагает возможность стационарной природной эмиссии этих высокоподвижных компонентов в окружающую природную среду, которая может усиливаться техногенным вмешательством человека, в том числе в процессе разведки месторождения, добычи и переработки угля

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Geological and Structural Division into Districts of Eastern Donbass with Attraction of the Data under Mercury and Methane Maintenances in Coal Layers

The features of geological structure, nature of the faulting, gas-bearing of rock, mercury content in coal and encloasing strata devide the territory of the Eastern Donbass into three tectonic blocks: the North, Central and South. The determined dimensional kink between anomalous content of methane and mercury in single parts of mine-layer defines possibility of permanent natural emission of these high migratory components in the environment, that can be intensified by anthropogenic impact including exploring, output and processing.

Текст научной работы на тему «Геолого-структурное районирование Восточного Донбасса с привлечением данных по содержаниям ртути и метана в угольных пластах»

УДК 551.7+550.8:553.04

ГЕОЛОГО-СТРУКТУРНОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА С ПРИВЛЕЧЕНИЕМ ДАННЫХ ПО СОДЕРЖАНИЯМ РТУТИ И МЕТАНА В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ

©2012 г. В.Г. Рылов, Ю.А. Федоров, М.И. Гамов

Южный федеральный университет, Southern Federal University,

ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090,

dek_geo@sfedu.ru dek_geo@sfedu.ru

По особенностям геологического строения, характеру дизъюнктивной нарушенности и газоносности горно-породного массива, содержанию ртути в углях и вмещающих породах территория Восточного Донбасса разделена на три структурно-тектонических блока — Северный, Центральный и Южный. Установленная пространственная связь между аномальными содержаниями метана и ртути на отдельных участках шахтопластов предполагает возможность стационарной природной эмиссии этих высокоподвижных компонентов в окружающую природную среду, которая может усиливаться техногенным вмешательством человека, в том числе в процессе разведки месторождения, добычи и переработки угля.

Ключевые слова: Восточный Донбасс, геологическая структура, структурно-тектонические блоки, углепромышленный узел, ртуть, метан, уголь, гидротермальный процесс, ртутно-метановая эмиссия.

The features of geological structure, nature of the faulting, gas-bearing of rock, mercury content in coal and encloasing strata devide the territory of the Eastern Donbass into three tectonic blocks: the North, Central and South. The determined dimensional kink between anomalous content of methane and mercury in single parts of mine-layer defines possibility of permanent natural emission of these high migratory components in the environment, that can be intensified by anthropogenic impact including exploring, output and processing.

Keywords: Eastern Donbass, geological structure, structural and tectonic blocks, coal-mining knot, mercury, methane, coal, hydrothermalprocess, mercury and methane emission.

Среди приоритетных индикаторов загрязнения окружающей природной среды в углепромышленных районах Донбасса важнейшими являются такие оценочные параметры, как обогащённость горно-породного массива ртутью, токсичным элементом 1-го класса опасности, и аномальный характер газоносности угольных пластов [1, 2].

По имеющимся сведениям [3], ртуть остаётся единственным из тяжелых металлов, чьи концентрации в атмосферных осадках, природных водах и донных отложениях региона, по крайней мере до 2006 г., не имели тенденции к снижению. В свою очередь метан, как и углекислый газ, является парниковым газом, негативное воздействие которого на атмосферу в региональном и глобальном масштабах хорошо известно. Эти обстоятельства, а также часто регистрируемая связь концентраций ртути и потоков метана в окружающей природной среде [4] предопределили необходимость данного исследования.

Ртутная минерализация весьма характерна для древних рифтогенных палеоструктур, к которым относится Восточный Донбасс [5, 6]. К Восточному Донбассу принято относить российский сектор территории Донецкого складчатого сооружения, ограниченный на западе поперечным Ровенецким поднятием, а на востоке - Сальско-Котельниковским валом. Отличительной особенностью строения и металлогении угленосных осадочно-породных бассейнов, приуроченных к таким структурам, является ограничение их зонами долгоживущих глубинных разломов, по которым могла происходить инфильтрация минерализованных гидротермальных флюидов сначала в бассейн седиментации и торфонакопления [7], а на последующих этапах тектоно-магматической активизации (Р2-Гь J1-2, J2-3) совместно с золотом и полиметаллами - в дислоцированную угленосную толщу [8].

В Центральном Донбассе, по данным украинских геологов [1], аномальные концентрации ртути сопря-

жены с мультипликативными ореолами халькофиль-ных (РЬ, 2п, Sb, As, Ag) элементов и приурочены к кварц-пирит-арсенопиритовым прожилкам в гидротермально измененных терригенных отложениях складчатого карбона. При этом считается, что основными проводниками гидротермальной ртутной минерализации являлись осевые разрывные нарушения, осложняющие своды крупных линейно-гребневидных складок - Главной и Северной антиклиналей.

Шарнирами указанных антиклиналей территория Восточного Донбасса разделена на три структурно-тектонических блока (Северный, Центральный и Южный, рис. 1), отличающиеся темпами осадконако-пления, интенсивностью палеонапряжений, развивавшихся в периоды инверсии и дислокационного метаморфизма, марочным составом углей и их природной газоносностью.

Рис. 1. Блок-диаграмма палеозойского структурного этажа

Восточного Донбасса в зоне сочленения с Сальско-Котельниковским валом, отстроенная по изопахитам угленосных отложений башкирского яруса среднего карбона. Структурно-тектонические блоки: 1 - Северный; 2 - Центральный; 3 - Южный

Северный блок представлен узкой (15-25 км) полосой мелкой складчатости, обрамляющей в широтном направлении северную окраину Донецкого кряжа между Каменским и Северным разломами. В него входят Донецкий, Волченский, Каменско-Гундоров-ский, Белокалитвенский, Коксовый, Горняцко-Шолоховский и Тацин-ский углепромышленные узлы в основном с завершенной добычей каменных углей марок К, Ж, ОС, Т. Шахтопласты обладают повышенной природной газоносностью (1520 см3/г с.б.м.) и высокой газоот-дающей способностью углей.

Центральный блок с шестью высокопродуктивными углепромышленными узлами (с запада на восток) - Бургустинским, Гуково-Зве-ревским, Лиховским, Красносулин-ским, Садкинским, Краснодонецким -охватывает южное крыло Колпаков-ско-Замчаловской антиклинали и две крупные сопряженные котловины - Должано-Сулинскую и Сад-кинскую, заключенные между Су-лино-Константиновским и Север-

ным разломами. Шахтопласты здесь представлены преимущественно высокогазоносными, но слабо отдающими метан [9] антрацитами марок 11А-12А (по донецкой шкале метаморфизма) с ^ р от 2,2 до 3,4. Для данного блока установлено снижение метанонос-ности ископаемых углей от 26,8 см3/г с.б.м. (участки Краснодонецкий, Садкинский-Северный) до следовых значений (шахты Гуково-Зверевского района) при пропорциональном увеличении отражательной способности витринита (К°тах) от 3,64 до 5,25-6,1 %.

Южный блок с четырьмя крупными углепромыш-леными узлами - Самбековским, Несветаевским, Аю-тинским и Шахтинским - соответствует донной части древнего авлакогена, наиболее интенсивно погружавшейся в восточном направлении. В структурном плане угленосная толща, заключенная между Сулино-Константиновским (с севера) и Персиановским (с юга) разломами, смята в крупную синклинальную складку, осложненную более мелкими оперяющими тектоническими нарушениями сбросо-сдвигового характера. Шахтопласты сложены антрацитами марок 13А-14А и располагаются в зоне конверсионных (миграционных) газов, представленных главным образом углекислотой с примесью водорода, радона и метана.

Для углей Северного, Центрального и Южного структурно-тектонических блоков Восточного Донбасса произведен расчет средних содержаний ртути по результатам спектрального анализа проб товарной продукции 44 обогатительных фабрик и шахт [10], отрабатывавших угольные пласты в условиях их благоприятного залегания (табл. 1).

Как видно из приведенных данных, порайонные фоновые концентрации ртути, рассчитанные для каменных углей Северного блока, соответствуют клар-ковым значениям [11]. В то же время для антрацитовых марок углей они существенно отличаются: Центрального блока - в сторону занижения и Южного - в сторону завышения. При этом какой-либо зависимости между «сингенетичной пирокластикой» [12] -

Таблица 1

Средние содержания ртути в каменных углях* и антрацитах** Восточного Донбасса, рассчитанные по данным опробования товарной продукции шахт и концентратов обогатительных фабрик [10]

Структурно- Углепромыш- Количество Среднее содержание, мкг/г

тектонический ленный узел учтенных по шахте, по блоку

блок шахт, ЦОФ ЦОФ в целом

Каменско- 4 0,07 0,08*

Северный Гундоровский

Горняцко- 2 0,08

Шолоховский

Лиховской 5 0,03 0,04**

Гуково-Зверевский 8 0,04

Центральный Бургустинский 1 0,03

Красносулинский 3 0,06

Краснодонецкий 1 0,04

Шахтинский 7 0,25 0,15**

Аютинский 2 0,10

Южный Новошахтинский 10 0,10

Самбековский 1 0,11

Итого Восточный 44 0,09 0,09

Донбасс

Примечание. Кларк ртути для каменных углей, рассчитанный по результатам 48,6 тыс. анализов, составляет 0,10 ± 0,01 мкг/г [11].

потенциальным рудогенерирующим фактором - и содержанием ртути в синхронных антрацитовых пластах нами не установлено.

Относительное обогащение ртутью углей Южного блока (в региональном плане) является, по-видимому, результатом близости мест пробоотбора к долгожи-вущему Сулино-Константиновскому разлому, находящемуся в приосевой части Главной антиклинали Донбасса. Этот линеамент и оперяющие его нарушения послужили проводниками ртутоносных эманаций в угленосные отложения карбона на разных этапах геодинамического развития авлакогена. В результате фоновые содержания ртути в антрацитах Южного блока оказались максимальными для Восточного Донбасса (0,1-0,25 мкг/г), тогда как геохимический фон И§ в соседнем (Центральном) блоке не превышал 0,03-0,06 мкг/г.

Для оценки ртутоносности основных шахтопластов Восточного Донбасса (12\ к2, к2\ к5, 13, 16 и ш81 угленосных свит С24, С25, С26, С27) на участках сложного горногеологического строения и высокой природной газоносности углепородного массива в интервале глубин от 300 до 1000 м (Сулинский № 1 и Садкинский-Северный) в процессе разведки было отобрано 165 пластово-дифференциальных керновых проб, в том числе 135 - по чистым угольным пачкам и 30 - по вмещающим породам - углистым сланцам.

Определение ртути произведено атом-но-абсорбционным методом в соответствии с методическими рекомендациями по определению массовой доли ртути в углях атомно-абсорбционным методом на приборе АРП-1 с чувствительностью п*10-7 %. Использованный позднее для внешнего контроля метод атомно-абсорбционной спектрофотометрии (метод «холодного пара» - ПНД Ф 16.1:2.3:3.10-98), не требующий предварительного озоления органического вещества углей, показал шую сходимость результатов анализа (± 8-25 %).

На разведанных участках Центрального блока среднее содержание ртути в зонах высокой природной газоносности угольных пластов составило 0,66 мкг/г (при стандартном отклонении ±1,497), причем в 23 пробах содержания ртути превышали 1 мкг/г. Но даже на этом фоне в 2 пробах участка Сулинский № 1 сты 12\ к5) и в 8 пробах пласта ш81 участка Садкинский-Северный выделяются резко аномальные значения ртути - от 5,2 до 11,1 мкг/г (рис. 2).

Анализ показывает, что в распределении ртути, подчиняющемуся логнор-мальному закону, усматривается отчетливая полимодальность, позволяющая произвести ранжирование массива геохимических данных по четырем дискретным интервалам (табл. 2): менее 0,01 мкг/г -

содержание элемента в пробе ниже предела тельности анализа (38 проб); 0,01-0,1- фоновые чения (34 пробы); 0,1-1,0 - аномальные значения (47 проб); более 1 мкг/г - резко аномальные (до ных) значения - 23 пробы.

Принято считать, что аномальные содержания ртути, зафиксированные в Донбассе и других бассейнах мира, обусловлены рассеянной ртутной минерализацией в органическом веществе углей, в том числе и в виде метилртутных соединений [13], а резко аномальные связаны с сульфидами, обогащенными ртутной минерализацией [11]. При этом обращается внимание на наличие тектонического контроля ртутоносности углей: в антиклинальных структурах региональный фон ртути более высокий, чем в синклинальных, и гораздо выше её процентная доля в мультипликативных геохимических аномалиях.

п=30 проб

IXXIXXI

Нц.М'ч!/'

11=21 проб

б

Рис. 2. Гистограммы распределения ртути в углистых сланцах (а) и антрацитах (б, в), отобранных на участках высокогазоносных шахтопластов Центрального блока Восточного Донбасса: Садкинско-Северном (а, б) и Сулинском № 1 (в). Опробованные угольные пласты: 1- ш8' свиты С27; 2 - 13, 16 свиты С26; 3 - к2, к2', к5 свиты С25; 4 - свиты С24

а

Таблица 2

Оценка содержаний ртути в антрацитах аномально газоносных зон Восточного Донбасса по интервалам ранжирования, частотам встречаемости и средним значениям коэффициента концентрации (углефильности)

Места отбора проб Количество проб Интервалы ранжирования по Hg, мкг/г

Участок Свита Угольный пласт менее 0,01 0,01-0,10 0,10-1,00 более 1,00

Садкинский-Северный С2' ш8' 19 9/- нет 4/6,8 6/62,5

Сулинский № 1 С26 1б 17 3/- 7/0,6 6/7,7 1/40,0

1з 17 4/- 8/0,7 5/3,8 Нет

С25 k5 21 6/- 3/0,5 11/4,4 1/30,0

V 20 4/- 7/0,8 4/2,5 5/26,0

k2 32 10/- 5/0,7 10/5,3 7/20,0

С24 121 16 2/- 4/0,5 7/3,6 3/45,3

Итого с24-с2' i2' - Ш81 142 38/- 34/0,6 47/4,9 23/32,0

Примечание. В числителе - накопленные частоты встречаемости (из общего числа проанализированных проб); в знаменателе - среднее значение коэффициента концентрации (углефильности) ртути для интервала ранжирования.

В углях Восточного Донбасса значительные колебания содержаний ртути во многом зависят от мест их отбора. В частности, на ликвидированных шахтах Глубокая и им. Артема (Южный блок) локальное обогащение ртутью (от 3,8 до 40,9 мкг/г) было зафиксировано в верхних, наиболее сернистых (Б^ =4,5-7 %) угольных пачках пластов 13в и к5. Аномальные и резко аномальные содержания ртути (4,1 и 10,6 мкг/г) в антрацитах этого же блока, установленные Л.Я. Ки-зильштейном [14] по данным нейтронно-актива-ционного анализа, были характерны для угольных проб почвы и кровли пласта 12\ также обогащенных сульфидной серой.

Установленный высокодисперсный характер распределения ртути в антрацитах Восточного Донбасса свидетельствует о том, что ее накопление в угленосных свитах происходило под воздействием полихрон-ных и полигенных (преимущественно осадочно-диа-генетических, ката- и эпигенетических) процессов. Проявление первых двух процессов привело к образованию наиболее высоких фоновых концентраций ртути (0,15-0,25 мкг/г) в антрацитовых пластах троговой части палеорифта (Шахтино-Несветаевский район) и пониженных относительно угольного кларка (0,040,08 мкг/г) - в углепромышленных узлах, расположенных на его крыльях.

С эпигенетическими процессами связано перераспределение и локальное накопление ртути в зонах структурно-тектонической нарушенности угольных пластов. Установленные здесь резко аномальные концентрации Н^ и наиболее высокие значения природной газоносности, вероятно, обусловлены наложенными гидротермально-метасоматическими процессами, протекавшими по типу углеводородной флюидизации [15]. На такой механизм формирования аномалии, выявленной в западной части Садкинской котловины, указывает приуроченность резко аномальных концентраций элемента (как в углях, так и во вмещающих породах) к шахтопласту ш8: свиты С27 с наиболее низкими значениями угольного кларка (см. рис. 2).

Из приведенных данных следует, что важнейшим рудоконтролирующим фактором, обусловившим аномальную ртутоносность и высокую природную газоносность углей в зонах флюидогенного преобразования шахтопластов, является пликативная и дизъюнктивная тектоника, определившая не только особенности строения углепородного массива, но и характер нарушенности геологической среды.

С учетом локализованных концентраций ртути и эмиссионных потоков метана была осуществлена оценка уровня опасности ртутного загрязнения окружающей среды, нарушенной в результате функционирования горнодобывающего и перерабатывающего производств, с разделением территории Восточного Донбасса на три геоэкологических района - Северный, Центральный и Южный [3], располагающихся в границах одноименных структурно-тектонических блоков. Потенциальная опасность загрязнения ландшафтов ртутью, обусловленная процессами угледобычи, углепереработки, отсыпки и последующей трансформации шахтных отвалов, была оценена для выделенных районов, соответственно, как средняя, низкая -средняя (локально) и высокая.

Таким образом, характер и масштабы техногенной нагрузки на окружающую среду в пределах территорий ликвидированных и действующих угольных шахт в значительной степени обусловлены структурно-тектоническими и геодинамическими особенностями состояния горного массива, нарушенного проведением подземных горных выработок, что необходимо учитывать при выборе как геолого-экологической основы, так и оптимально необходимых (рациональных) методов проектируемых мониторинговых и геотехнологических исследований.

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы.

1. Восточный Донбасс по приоритетным показателям нарушенности геологической среды - локальной обогащенности горно-породного массива ртутью (токсичным элементом 1-го класса опасности), коррелирующей с высокой газоносностью угольных пластов, разделен на три структурно-тектонических блока (Северный, Центральный, Южный), границы которых совпадают с одноименными техногенно-геоэко-логическими районами.

2. В исследованных углепромышленных узлах (Красносулинском и Садкинском-Северном) зафиксированные повышенные концентрации ртути, локализующиеся в виде пятнисто-полосовых аномалий в контурах тектонически нарушенных, флюидизирова-ных участков шахтопластов с высокой (18 - 25 см3/г с.б.м.) природной газоносностью, могут явиться объектами изучения возможности экстракции из органического вещества углей этих компонентов.

3. Установленная пространственная связь между аномальными содержаниями метана и ртути в уголь-

ных пластах предполагает возможность стационарной природной эмиссии этих компонентов в окружающую среду, которая усиливается техногенным вмешательством человека в процессе разведки, добычи и переработки угля, а также в процессе самопроизвольной реализации таких негативных явлений, как угле-газовые выбросы, взрывы угольной пыли и шахтного метана, горение породных отвалов.

4. Выявление активизированных разработкой угольных месторождений локальных участков природной ртутно-метановой эмиссии особенно актуально в настоящее время, когда в рамках Киотского соглашения возникла потребность в оперативном проведении инвентаризации метана как парникового газа и квотирования его выбросов в атмосферу.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (госконтракт 16.515.12.5008).

Литература

1. К геоэкологии Донецкого каменноугольного бассейна / Б.С. Панов [и др.] // Изв. вузов. Геол. и разведка. 1998. № 5. С. 138 - 145.

2. Угольная база России. Т. 1. Угольные бассейны и месторождения Европейской части России. М., 2000. 483 с.

3. Федоров Ю.А., Рылов .В.ЛГеоэкологическое районирование техногенной нарушенности Восточного Донбасса с привлечением данных по концентрациям и эмиссионным потокам ртути и метана // Дегазация Земли: геофлюиды, нефть и газ. Парагенезисы в системе горючих ископаемых. М., 2006. С. 269 - 272.

4. Федоров Ю.А. Стабильные изотопы и эволюция гидросферы. М., 1999. 370 с.

Поступила в редакцию

5. Этапы геодинамического развития южной окраины Восточно-Европейской платформы (территория Ростовской области)) / А.А. Грановский [и др.] // Вопросы геологии и освоения недр юга России. Ростов н/Д, 2007. 380 с.

6. Дворников А.Г., Кирикилица С.И. Ртутоносность углей Донецкого бассейна. М., 1987. 155 с.

7. Комплексообразование ртути с гумусовыми кислотами как важнейший этап цикла ртути в биосфере / Г.М. Вар-шал [и др.] // Геохимия. 1999. № 3. С. 269 - 275.

8. Артеменко В.М., Лебедь Н.И. Золото-ртутное оруде-нение в карбонатных породах Докучаевского рудного района, Южный Донбасс // Минеральные ресурсы Украины. 1999. № 1. С. 14 - 17.

9. Завистовская З.Д. Некоторые результаты изучения газоносности угленосных отложений восточной части Донбасса // Материалы по геологии и разведке углей Донбасса. М., 1969. С. 127 - 132.

10. Ценные и токсичные элементы в товарных углях России : справочник / Ю.Н. Жаров [и др.]. М., 1996. 239 с.

11. Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Проблема ртути в углях // Вестн. Ин-та геологии Коми НЦ Уро РАН. 2004. № 10 (118). С. 6 - 13.

12. О пирокластическом материале в отложениях среднего карбона Восточного Донбасса / И.А. Шамрай [и др.] // Геология и разведка угольных месторождений. М., 1971. С. 36 - 41.

13. Кузубова Л.И., Шуваева О.В., Аношин Г.Н. Метил-ртуть в окружающей среде. Распространение, образование в природе, методы определения : аналитический обзор. Сер. Экология. Вып. 59. Новосибирск, 2000. 82 с.

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

14. Кизильштейн Л.Я. Экогеохимия элементов-примесей в углях. Ростов н/Д, 2002. 296 с.

15. Углеводородная флюидизация ископаемых углей Восточного Донбасса / В.Н. Труфанов [и др.]. Ростов н/Д, 2004. 270 с.

21 декабря 2011 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.