CC BY
57
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.
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.
