CC BY
99
№ 301
УДК 551. 243 + 553.94(571.17)
ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Август
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Е.В. Кудинов
2007
ГЕОЛОГО-ТЕКТОНИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ГАЗОНОСНОСТЬ УГЛЕНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ВЕРХНЕБАЛАХОНСКОЙ ПОДСЕРИИ ПРОКОПЬЕВСКО-КИСЕЛЕВСКОГО СЕГМЕНТА ПРИСАЛАИРСКОЙ ЗОНЫ КУЗБАССА
На основе структурно-тектонической типизации района выделены наиболее высокогазоносные участки региона. Показан структурный и петрографический контроль газоносности толщ, который позволяет дать предварительную характеристику газовых свойств толщ при проведении разведочных работ.
В пределах Прокопьевско-Киселевского сегмента При-салаирской зоны Кузбасса угленосные отложения верхне-балахонской подсерии нижней перми состоят из трех свит [1] - промежуточной, ишановской, кемеровской. Осадки района на северо-востоке ограничены крупноамплитудными разломами - Калзыгайским и Афонино-Киселевским. На юго-западе район граничит по Тырганскому надвигу с
Салаирским кряжем, сложенным в основном нижне- и среднепалеозойскими образованиями. Главными для региона являются высокая степень дислоцированности и линейный характер складчатости. Автор выделяет в субши-ротном направлении в строении Прокопьевско-Кисе-левского сегмента Западную (Притырганскую), Центральную и Восточную (Маганакскую) зоны (рис. 1).
Рис. 1. Общая схема тектоноблокового строения Прокопьевско-Киселевского сегмента Присалаирской складчатой зоны
Для Притырганской зоны характерно с преобладанием согласных взбросов (45%), широкое участие форм несогласных взбросов, отдвигов, создающих порой сложную мозаично-блоковую структуру [5-7]. При этом активное участие принимают древние дизъюнкти-вы отдвиги, несогласные надвиги (70-75% от их общего известного участия в структурном комплексе района). Как наиболее мобильная зона сегмента западная зона отражает реакционный характер структур, непосредственно примыкающих к Салаиру. Большинство складчатых форм этой зоны (I и II Тырганская антиклиналь, Нулевая и I синклинали) характеризуется многочисленными осложняющими микроскладками (антиклинали «а», «б», Дополнительная, синклиналь «в» и др.).
Среди дизъюнктивных форм Центральной зоны, занимающей в плане участок между региональными нарушениями М и В, преобладают взбросово-надвиговые структуры (взбросы согласного и несогласного типа, отдвиги и несогласные надвиги составляют 85-90% от всех типов, причем на долю первых приходится около 60-65%). Основным видом нарушений являются согласные взбросы с углами падения сместителя более 45°, редко углы падения сместителя пологие (10-45°). Менее развиты несогласные взбросы - Калзыгайский, II, IV, А, В, К и взбросонадвиги складчатого типа - нарушения, оперяющие Афонино-Киселевский взброс, Я, IV, N. К собственно надвигам могут быть отнесены нарушения, расположенные в зоне Змеинского взброса. Дизъюнктивная тектоника зоны также представлена многочисленными нарушениями - по размерам от весьма крупных, выраженных мощными зонами дробления (до первых десятков метров), до средних и мелких.
Восточная зона сочетает в себе черты Западной с множеством нарушений взбросо-надвигового типа, из которых приблизительно 45% отнесены к согласным и
25 % - к несогласным нарушениям. В то же время здесь проявляются специфические черты: присутствие в значительном количестве (до 23-24%) согласных и несогласных подбросов, дополнительная осложненная складчатость. Так, у отнесенной к этой зоне Сложной Маганакской антиклинали количество мелких антиклинальных и синклинальных складок составляет 14.
Множество таких же микроскладок наблюдается и для V, VI, VII синклиналей, разделенных Голубевской и Малой антиклиналями.
В этой зоне, так же как и в Притырганской, имеется ряд древних крупных разломов (О-О, К-К, И и др.), возникших до основного максимума сжимающих нагрузок Салаира и впоследствии захваченных в процесс основного складкообразования в регионе.
Среди генетических типов нарушений сегмента выделены 2 группы, каждая из которых включает несколько подгрупп:
Первая группа: а) связанные с глубинными и коро-выми разломами или являющихся их отражением в осадочном чехле региональные разрывы (протяженность 1 = п-100 км, амплитуда смещения А = п-1000 м) с большими зонами дробления (Тырганский, Афонино-Киселевский, Киселевский, Кутоновский и др.), приуроченные к зонам антиклиналей; б) генетически связанные с подгруппой а) надвиги К1, К2, Т1 участвуют в процессах складкообразования.
Вторая группа - разрывы, возникшие в результате скалывающих напряжений в осадочной толще на результирующей стадии: а) доскладчатые, возникшие в моноклинально падающей толще (Ь-Ь, Я-Я и др. до 25°, по В.И. Скоку) (рис. 2); б) пликатогенные (со-складчатые), оперяющие взбрососдвиги (Я-Я, Я2-Я2 и Я1-Я1; в) возникшие в бортах более крупных разрывов; г) разрывы, возникшие в результате внутри и меж-слойных движений.
Рис. 2. Схема формирования структур Притырганской зоны: древние надвиги Ь-Ь, Я-Я и др. (геологический разрез по 18 р.л., по автору)
Раздувы и пережимы угольных пластов распространены преимущественно в Притырганской и Восточной (Маганакской) зонах сегмента, особенно на участках
крутого залегания и в зонах влияния крупных разрывов. Особенно часто встречаются они на полях шахт им. Калинина, «Тайбинская» и «Тырганская».
В литологическом составе угленосных отложений Прокопьевско-Киселевского региона преобладают песчаники, алевролиты, аргиллиты, угли. В районе исследований коэффициент угленосности для подсерии изменяется от 9,84 (на Прокопьевском месторождении) до 11,95% (на Киселевском месторождении). Максимум угленосности приурочен к средней части верхнебала-хонской подсерии (ишановская, кемеровская свиты), по площади нарастание общей угленосности происходит с юго-востока на северо-запад. Отмечено нарастание мощности и количества угольных пластов в низах верх-небалахонской подсерии в обратном направлении на юго-востоке региона, где пласты «Прокопьевские» и «Лутугинские» расщепляются на несколько пачек.
В ишановской и промежуточной свитах по направлению на северо-восток, по материалам глубокого бурения завершенного в 1986 г., и исследованиям забоев в карьерах, происходит увеличение мелкообломочных пород, самые низы промежуточной свиты сложены здесь преимущественно алевролито-аргиллитовым комплексом пород. Суммарная мощность пород свиты колеблется от 160 м в южной части до 175 м - на севере. Песчаники обычно светло-серые, на севере серые, средне-, крупнозернистые, по текстурным особенностям -косослоистые, параллельно-слоистые, реже неяснослоистые, полимиктовые с высоким содержанием обломков кремнистых, эффузивных, осадочных пород (более 5060%) с глинисто-кремнистым, реже карбонатным цементом порового и контактного типа. Алевролиты серые, монотонные, по составу полевошпато-кварцевые с глинисто-кремнистым цементом порового типа. Аргиллиты часто почти черные, нередко углистые. Мощность угольных пластов очень изменчива, имеются переходы угольных пластов в углистые аргиллиты, часто наблюдается бифуркация.
Фациальные обстановки формирования данной части разреза по палеонтологическим данным [2, 8-11] и по набору литолого-фациальных признаков (высокая изменчивость мощностей пород, расщепление пластов угольных пластов, косая слоистость, плохая сортиро-ванность) трактуются автором как преимущественно дельтовые (в частности, в верхней части промежуточной свиты), дельтовые и озерные (открытых озер) в нижней части ишановской свиты. От верхних к нижним пластам углей балахонской подсерии наблюдается следующая закономерность в петрографическом составе углей: с ростом глубины снижается содержание микрокомпонентов группы витринита. Так, по определениям автора, для верхних пластов углей кемеровской свиты микрокомпо-нентный состав колеблется в пределах 58-65% - витри-нита, 3-5% - семивитринита, а для углей ишановской и, тем более, промежуточной свит общее содержание микрокомпонентов группы витринита уменьшается: витри-нита - 38-55%, семивитринита - 4-9%. Усятская свита в своем составе содержит угли преимущественно полу-блестящих и блестящих типов, суммарное количество которых изменяется от 47 до 65%. Кемеровская свита содержит пласты полуматовых углей с подчиненными слойками полублестящих и матовых углей.
Согласно петрографическим особенностям углей и вмещающих пород кемеровской свиты верхнебалахон-ской подсерии для этого периода характерно ритмиче-
ское накопление отложений пролювиально-аллювиа-льного шлейфа, которые иногда носят следы обработки осадков временными потоками. В кемеровской свите песчаников в среднем содержится до 50%, алевролитов - 35-46%, аргиллитов - 6-11%. Для нижней части верхнебалахонской подсерии диагностируются озернодельтовые условия образования угленосных отложений. Угли района характеризуются показателем отражения витринита от 0,70 до 2,20%, что соответствует изменению степени углефикации от II до VI стадий ГОСТа 21489-76 [13]. Малометаморфизованные угли западной части района для коксования используются редко. Распространены они в Нулевой и частично I синклиналях. Показатель отражения витринита этих углей не превышает 1,15%, содержание отощающих компонентов - 25-60%, выход летучих - 21-38%, толщина пластического слоя - 6-12 мм. Высокометамор-физованные неспекающиеся угли марки Т занимают северную (углеразрез «Краснобродский», участки «Калзыгайские»), центральную (шахта «Краснокамен-ская») и юго-восточную (шахты «Центральная», «Красный Углекоп») части района, отсутствуя только в замках П-УГ синклиналей и Маганакской антиклинали. Показатель отражения витринита для них более 1,75%, сумма отощающих компонентов для углей пластов «Мощный», «Безымянный», «Двойной» достигает 6080%, выход летучих веществ менее 12%.
Изучение газоносности углей района исследований происходило как по результатам проведенных ранее геолого-разведочных работ почти по всем участкам района, так и в рамках реализуемой с 1997 г. программы «Метан Кузбасса», в которой участвует и автор статьи. В пределах района на каждом из участков наблюдается изменение состава основных газовых компонент от азотно-углекислых, углекисло-азотных к метаново-азотным, азотно-метановым и чисто метановым составляющим. Поверхность метановой зоны прослеживается в антиклинальных складках вблизи абсолютных отметок +300 м + +325 м, в синклиналях - от +225 до +250 м и в единичных случаях на отметках +150 м + +200 м, что определяется тектоническим строением, интенсивностью трещиноватых зон отдельных участков шахтных полей и степенью расчлененностью рельефа.
Основным компонентом природных газов угольных пластов Прокопьевско-Киселевского района, не затронутых процессами газового выветривания (деметани-зации), является метан [12]. Его концентрации в смеси природных газов угольных пластов в пределах зоны метаморфогенных газов составляют 60-98%, в виде примесей (до 22-26%!) присутствуют (с неравномерным распределением) гомологи метана (тяжелые углеводородные газы - этан, пропан, бутан) и в микроконцентрациях (до 3-4%, иногда до 15%) нерегулярно встречается водород. Интересен факт увеличения в отдельных пробах содержания углекислого газа от 14 до 40%, отмеченный на множестве участков в пределах II Тырганской, Тайбинской антиклиналей в интервале от 200 до 830 м, антиклинали «М» в интервалах глубин 565-740 вблизи выгоревшей части пластов Прокопьев-ского I, Мощного ишановской свиты. Данный признак при ведении геолого-разведочных работ позволяет однозначно выявлять зоны горелых пород и может быть
использован как дополнительный поисковый и корел-ляционный признак при анализе выгораний пластов углей (рис. 3).
Метаноносность угольных пластов в зоне метановых газов возрастает с увеличением глубины залегания
угольных пластов по криволинейному закону от 3-4 м (на горизонте +300 м) до 15-22 м3(на горизонте ±0 м) на тонну сухой беззольной массы угля. На нижнем горизонте (300 м) метаноносность достигает 24-28 м3/т сухой беззольной массы угля.
Рис. 3. Нарастание газоносности углей в метановой зоне по трем выделенным тектоноблоковым зонам (по автору)
Газодинамические проявления особенно характерны для Восточного (Маганакского) блока, а именно для южной его части, где для шахт данной зоны общее количество внезапных выбросов угля и газа составило более 50 случаев за 2006 г. Угольные пласты в мощных зонах дробления отличаются высокой метаноносностью, что свидетельствует об экранирующей роли нарушений.
В угольных пластах отмечается присутствие тяжелых углеводородов (этана, пропана, бутана). Суммарное удельное содержание гомологов метана изменяется от следов до 1,5 м3/т сухой беззольной массы угля. Содержание водорода в угольных пластах незначительно всего до 0,12-0,25 м3/т сухой беззольной массы угля.
Для сравнения автором приведены данные по северной части Прокопьевско-Киселевского сегмента Присалаирской зоны (рис. 4), по которым видно, что в целом для пластов углей Присалаирской зоны харак-
терно довольно существенное изменение содержаний водорода. Такой разброс значений объясняется несколькими факторами. Во-первых, это миграционная способность водорода. Он может образовывать довольно крупные скопления в угольных пластах на поверхности угля, которая является естественным природным сорбентом. Данные процессы могут объяснить присутствие его в повышенных концентрациях в угольных пластах верхней части верхнебалахонской подсерии. Во-вторых, накопление водорода связано и с самим фактором регионального метаморфизма, который способствует формированию из первично углефи-цированных тканей растений водородных газов. Этим можно объяснить повышенные содержания водорода в нижней части ишановской свиты верхнебалахонской подсерии (максимумы по пластам Прокопьевскому I, Мощному, Лутугинскому).
Рис. 4. Изменение содержания водорода в углях Притырганской зоны (северная часть)
На угольных месторождениях Прокопьевско-Кисе- щих пород керногазонаборниками. Метан присутст-
левского района за период с 1960 г. по настоящее вует практически во всех газовых пробах отобранных
время проведено массовое опробование углевмещаю- пород в концентрациях от 0,6 до 83%. Тяжелые угле-
водороды отмечаются в единичных пробах углистых пород в концентрациях от 0,2 до 11,5% (по хроматографическим определениям). Углевмещающие породы, по результатам опробования керногазонаборни-ками, независимо от глубины залегания, характеризуются низкими значениями метаноносности, которая изменяется от 0,008-0,2 мЗ/т в песчаниках до 0,50,73 мЗ/т в алевролитах и достигает максимальных величин в углистых аргиллитах до 2-3,3 м3/т. Тяжелые углеводороды в песчаниках отмечены с суммарным содержанием от 0,001 до 0,05 м3/т, в алевролитах от 0,05 до 0,3 м3/т и в аргиллитах от 0,1 до 0,9 м3/т. Содержание водорода по всем литологическим разностям изменяется от 0,001 до 0,52 м3/т.
Таким образом, основываясь на тектоническом строении и фациальности осадочных комплексов, наиболее интенсивные и продолжительные газовыде-ления, связанные со вскрытием скважинами скоплений свободных газов, наблюдались в скважинах, расположенных в присводовых частях основных антиклинальных структур района (I Тырганская, II Тыр-ганская, Новосергеевская, Тайбинская, Абинская, Ма-ганакская, «Н», Калзыгайская, «Муравейник», Караульная антиклинали). Распределение скоплений сво-
бодных газов по площади прогнозируется, в основном, структурным фактором, а их распределение в разрезе угленосной толщи определяется литологическим составом угленосных отложений, наличием в разрезе пластов-коллекторов.
Установлено, что наиболее высокой газоносностью обладают угли коксовые, газово-жирные, сложенные преимущественно блестящими и полублестящими ли-тотипами, витреновые и клареновые по микрокомпо-нентному составу, относящиеся к Центральному и Ма-ганакскому тектоническим блокам. Существует связь между проявлениями сопутствующих гомологов метана (ТУВ) и водорода со структурным планом района и микрокомпонентным составом углей, максимальные концентрации которых контролируются разломами глубинного заложения (Тырганский, Калзыгайский, II, IV, Афонино-Киселевский).
Такая прогнозная оценка по типизации структур с характерным показателем и характером газоносности толщи была применена авторами при выявлении закономерностей распределения свободной газоотдачи пластов верхнебалахонской подсерии в условиях Кемеровского района, где намечены структурно-приуроченные высокогазоносные площади [3].
ЛИТЕРАТУРА
1. Решения Всесоюзного совещания по разработке унифицированных стратиграфических схем докембрия, палеозоя и четвертичной системы
Средней Сибири (средний и верхний палеозой). Новосибирск, 1982. 129 с.
2. Станов В.В. О тектонике Кузбасса и возможной его грабен-рифтовой природе // Советская геология. 1986. № 11. С. 66-74.
3. Семеркин В.И. Тектоническое строение Кузнецкого прогиба по геолого-геофизическим данным // Геотектоника. 1971. № 3. С. 87-94.
4. Угольная база России. Т. 2: Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский бассейны,
месторождения Алтайского края и Республики Алтай). М.: Геоинформцентр, 2003. 604 с.
5. Кудинов Е.В., Стреляев В.И. Тектоноблоковое строение угленосной толщи и его влияние на качественные характеристики углей Прокопьев-
ско-Киселевского района (Кузбасс) // Материалы ХЫ1 Международной научной студенческой конференции «Студент и научнотехнический прогресс». Секция «Геология горючих полезных ископаемых». Новосибирск: НГУ, 2004. С. 88-89.
6. Кудинов Е.В. Геотектонические особенности процессов и механизмов углеобразования (на примере Киселевского каменноугольного место-
рождения Кузбасса) // Эволюция процессов в истории Земли: Матер. молодежной школы-конференции XXXVII Тектонического совещания. М.: Геос, 2004. С. 179-182.
7. Кудинов Е.В. Исследование газоносности углей и геологический прогноз выделения свободного метана в различных элементах структур
Кемеровского района Кузбасса // Тезисы докладов Третьей Сибирской конференции молодых ученых по наукам о Земле. Новосибирск: ОИГГМ СО РАН, 2006. С. 132-133.
8. Кузбасс - ключевой район в стратиграфии верхнего палеозоя Ангариды // Сборник научных трудов. Новосибирск, 1996. Т. 1. 122 с.; Т. 2.
109 с.
9. Бетехтина О.А., Горелова С.Г., Дрягина Л.Л. и др. Верхний палеозой Ангариды. Новосибирск: Наука, 1988. 265 с.
10. Горелова С.Г., Будников И.В. Основные этапы изучения стратиграфии верхнего палеозоя Кузбасса // Кузбасс - ключевой район в стратиграфии верхнего палеозоя Ангариды. Новосибирск, 1996. Т. 1. С. 7-11.
11. Сивчиков В.Е., Ярков В.О. Некоторые закономерности проявления косой мегаслоистости // Материалы научно-практической конференции «Геологическое строение и полезные ископаемые западной части Алтае-Саянской складчатой области». Кемерово; Новокузнецк, 1999. С. 64-67.
12. Кудинов Е.В. Влияние региональных геологических факторов газоносности, тектоники, петрографического состава на процессы самовозгорания углей в Прокопьевско-Киселевском районе Присалаирской зоны Кузбасса // Вестник Томского государственного университета: Бюл. опер. науч. информ. 2006. № 104. С. 89-93.
13. ГОСТ 21489-76. Угли бурые, каменные и антрациты. Разделение на стадии метаморфизма и классы по показателю отражения витринита. М.: Изд-во стандартов, 1976. 19 с.
Статья поступила в редакцию журнала 4 декабря 2006 г., принята к печати 11 декабря 2006 г.
