Геодинамика и метаморфизм углей

Поскольку ведущим фактором углефикации считается температура, в работах по исследованию диа- и катагенетичсских изменений OB одной из основных задач является выяснение палеотемпературного режима преобразования пород в недрах. Еще Ю.А. Жемчужников и Е. О. Погребицкий в 40-х и 50-х годах подчеркивали, что для понимания закономерностей метаморфизма угольного вещества необходимо изучить конкретную геологическую обстановку его проявления и всю геологическую историю региона. При этом основной теоретической базой послужили представления классической геосинклинальной теории.
В последние годы в угольных и других осадочных бассейнах, в связи с изучением рассеянного OB осадков, все чаще стали выявляться случаи нарушения правила Хильта и такие колебания геотермического градиента в толщах, не содержащих магматических образований, которые трудно объяснить с позиций геосинклинальной концепции. С развитием идей плитной или новой глобальной тектоники появились работы, в которых геотермическая история осадочных бассейнов связывается с определенными геодинамическими обстановками. Геотермический режим областей осадконакопления определяется динамикой геологических событий, происходящих в осадочных толщах. Каждый бассейн может, с одной стороны, находиться на любом этапе эволюции, а с другой — в определенных геодинамических условиях. Учение о тектонике плит позволяет сегодня найти место разным осадочным бассейнам в общем ряду их исторической и геодинамической эволюции.
Многие особенности бассейнов связаны прежде всего с процессом погружения осадочных толщ. Можно назвать многочисленные причины, обусловливающие проявление и смену этого процесса в пространстве и во времени. В большинстве случаев вначале погружение подчиняется тектоническим факторам, которые с позиций геодинамики относятся к двум основным типам, характеризующимся различным геотермическим режимом:
— проявлением процессов рифтогенеза, вызванным растяжением коры и сопровождаемым мощным геотермическим потоком;
— образованием складок в виде синклиналей в режиме преобладания напряжений сжатия чаще всего в областях субдукции, сопровождаемым слабым геотермическим потоком.
Анализ большого фактического материала по метаморфизму OB пород и углей с позиции геодинамики позволяет разделить осадочные бассейны по характеру палеогеотермического режима на три группы: «нормальные», гипотермические и гипертермические. По сравнению с предшествующими исследованиями, в которых преобладали представления о главной роли в углефикации глубины погружения осадков и о незначительных колебаниях геотермического градиента в геологической истории бассейна, в современных работах отмечается существование определенных геотермических аномалий, связанных с подкоровой эволюцией областей седиментации и геодинамически неодинаковыми обстановками. Это подтверждается данными по осадочным бассейнам Европы, Африки, Америки и Австралии.
В бассейнах с «нормальным» геотермическим режимом, тепловой поток составлял около 1,4 HFU, или 60 mVm-2, геотермический градиент — около 28 °С/км. Градиент изменения отражательной способности витринита R° обычно равен 0,15 %/км. Эти данные в целом совпадают с представлениями И.И. Аммосова, М.В. Голицына, Г.А. Иванова и других. В гипотермических областях геотермический градиент не превышает 18—20, а в гипертермических — 40—100, достигая в отдельных случаях 200 °С/км.
Предложена следующая группировка осадочных бассейнов по их геотермической характеристике и геодинамической обстановке формирования. Бассейны с «нормальной» геотермией отвечают пассивным океаническим окраинам или платформам разного геологического возраста. В качестве примера первых рассматриваются Гвинейский и Мексиканский заливы, где современный геотермический градиент составляет 25—35 °С/км. Отражательная способность OB достигает 0,5 % на глубине 3 км. Основные колебания геотермического градиента в этих районах связаны с различной теплопроводностью осадочных пород. В качестве примера бассейнов второй подгруппы приводятся известные древние слабометаморфизованные породы окраины Балтийского щита. Отражательная способность OB в них не превышает 0,7, а в кукерситах (сапропелевое OB) составляет 0,3—0,4 %. Такая же картина наблюдается в нефтеносной толще бассейна Иллизи (Сахара), где показатель отражения витринита пород на глубине 2500 м не превышает 0,6—0,7 %. К этой подгруппе относится и нижнекарбоновая буроугольная толща Подмосковного бассейна, где показатель отражения витринита углей равен 0,4 %. Правда, в этом районе, как известно, и глубина погружения осадков была незначительной.
Гипотермически с бассейны в зонах конвергенции соответствуют субдукционным впадинам. «Холодными» являются крупные океанические желоба, которые характеризуются тепловым потоком менее 1 HFU. В качестве примера можно привести миоценовые угольные месторождения о. Хоккайдо, где на глубине 4 км угли остаются бурыми и имеют показатель отражения витринита 0,5 %. Сходные условия наблюдаются в Верхней Баварии. По скв. Мисбах в меловых породах на глубине 5500 м отражательная способность витринита 0,6 %. Современный геотермический градиент здесь не превышает 23,5 °С/км. Предполагается, что в прошлом он был меньше.
Гипертермические бассейны связаны с двумя типами геодинамических обстановок: а) дуговые и задуговые бассейны; б) зоны растяжения земной коры. Первые входят во внутренние области конвергентных систем. Примерами являются районы развития современных и миоценовых отложений Японии, занимающих внутреннюю часть островной дуги. Гипертермические аномалии дуговых бассейнов связаны с магматизмом, вызванным плавлением пород вдоль зоны Беньофа. Гипертермия задуговых бассейнов обусловлена явлениями растяжения в тыловой части островной дуги. На западной окраине Японского архипелага тепловой поток превышает 2 HFU, миоценовые угли достигают антрацитовой стадии (R° витринита 2—3 %) на глубинах от 100 до 600 м на севере Хонсю и западе Кюсю.
Аналогичные обстановки известны и во многих горных областях (Кордильеры, Сьерра-Невада и др.). Гипертермический градиент совпадает с тыловой частью зон субдукции. Гипертермия развивается в течение длительного времени, сопровождая становление островных дуг (в Японии, например, этот период продолжается 200 млн лет).
С зонами растяжения земной коры связаны наиболее изученные гипертермические аномалии, которые широко распространены как в современных, так и в древних бассейнах. Среди них можно выделить три типа:
а) океанические рифты, являющиеся самыми «горячими» современными областями. Тепловой поток в них достигает 3—4, а иногда даже 5—6 HFU. Близлежащие континентальные области характеризуются геотермическим градиентом до 200 °С/км (например, Королевская долина в Калифорнии). Интенсивный термический режим установлен для плейстоценовых отложений Калифорнийского залива. При мощности пород всего 500 м по степени преобразованности OB они достигают начала главной фазы нефтевыделения. Показатель отражения витринита 0,5 %;
б) континентальные рифты, в настоящее время хорошо изученные по осадочным сериям, которые заполняли их в начальные фазы формирования. Геотермический градиент в современных системах этого типа высокий, °С/км: более 50 на окраине Красного моря, до 100 в Рейнском грабене. В древних бассейнах установлена значительная степень метаморфизма OB: отражательная способность витринита в миоценовых породах Красного моря составляет 2, в меловых отложениях Конго 2—3, в верхнем мелу района Логбаба в Камеруне 3,3, в пермской толще бассейна Купер (Австралия) 5 %. По-видимому, к этому же типу относится и Пенсильванский угольный бассейн, в котором карбоновые угли достигают антрацитовой стадии;
в) впадины типа предгорных прогибов (орогеническис области) представляют собой области интенсивного растяжения и погружения. Их древние толщи детально изучены и характеризуются высокой степенью термической зрелости OB. В Рурском бассейне при сравнительно небольшом погружении угленосной толщи отражательная способность витринита карбоновых углей превышает 2, пород вельда в массиве Брамш достигает почти 4, в юрских отложениях по скважинам вблизи Пиренеев 2,5—3 %. При рассмотрении гипертермических бассейнов имеются в виду только районы развития регионального метаморфизма углей и OB пород, не включающие в себя области проявления магматизма и вулканизма.
Таким образом, геотермическая история осадочных бассейнов связана с их геодинамическим развитием. Фазы интенсивных изменений геотермического градиента совпадают с периодами активизации. Главные проявления гипертермии, сопровождающие образование крупных орогенических систем, происходят до складчатости, в предварительную фазу растяжения. Если сопоставить явления гипертермии со временем интенсивной седиментации, то здесь устанавливается много совпадений. В Рейнском грабене повышенный геотермический градиент отвечает времени интенсивного опускания. В Конго очень активная фаза седиментации в рифтовой зоне является также периодом самого высокого геотермического градиента. Отмечается региональное совпадение областей опускания с фазами гипертермии. Последние исчезают с окончанием процесса рифтогенеза.
Каждый изученый бассейн имеет свой период наибольшей активности, сопровождаемый геотермическими изменениями, свойственными тому или иному типу. Наиболее часто наблюдаемые аномалии являются гипертермическими, и они связаны с активностью зон растяжения. Зоны конвергенции могут быть гипотермальными — они отвечают низкотемпературным фациям метаморфизма во многих складчатых системах. Гипертермический режим и наибольшее опускание характерны для стадии «молодости» бассейна.
Основами для палеогеотермических реконструкций и выяснения закономерностей метаморфизма OB, независимо от их генетической трактовки, являются детальное исследование петрографических признаков и химических свойств угольного вещества как в разрезе, так и на площади осадочных бассейнов, выявление их изменчивости в ряду углефикации. Изучение метаморфизма углей ряда бассейнов России и прилегающих государств показывает, что среди них могут быть выделены области с различными геотермическими режимами, которые обусловлены не только наличием интрузивных тел, но и особенностями их геодинамического развития. Причем для разных частей разреза или участков бассейна эти условия нередко бывают неодинаковыми, изменяются в пространстве и во времени.
Так, Южно-Якутский бассейн характеризуется в целом повышенным палеогеотермическим полем. Об этом свидетельствует общий высокий уровень метаморфизма углей. В этом районе глубина погружения пластов для достижения одной и той же стадии углефикации была в 1,5—2 раза меньше, чем в Донецком или Печорском бассейнах. По мнению В. В. Кулакова и др., значительный палеогеотермический градиент в мезозое обусловлен приближением мобильного гранитного фронта к земной поверхности. Они считают, что южноякутские угли испытали как геотермический, так магматермический метаморфизм. Дефицит мощностей в бассейне был компенсирован покровом кристаллических пород докембрия Станового хребта. Еще раньше Ш.А. Сюндюков и В.И. Фролов отмечали повышенный метаморфизм углей приразломной зоны Алдано-Чульманского района (по сравнению с углями северного крыла депрессии) и связывали его с существованием здесь мощного надвигового аллохтона. Этот надвиг служил своеобразным экраном, препятствовавшим распространению тепловых глубинных потоков, что способствовало сильному прогреванию пород и образованию каменных углей до коксовой стадии.
Вертикальные градиенты метаморфизма, если судить по отражательной способности витринита и выходу летучих, изменяются как по разрезу угленосной толщи (для ее разных интервалов), так и на площади бассейна и даже в пределах одного месторождения. Так, на Кабактинском месторождении по скв. 2777 R°/1000 м составляет 0,053, а по скв. 2784—0,084; на Чульманском месторождении средний градиент равен 0,05—0,06 %/100 м. Выше отмечалось, что для «нормальных» бассейнов этот градиент обычно составляет 0,15 R на 1 км. В Южно-Якутском бассейне он выше в несколько раз: 0,5—0,8 %/км, что свидетельствует о гипертермическом режиме преобразования угольного вещества. Это обусловлено геологическими особенностями и геодинамической эволюцией данного региона, относящегося к первому типу орогенной группы осадочных бассейнов.
Краевые бассейны областей коллизий континентов и наложенные бассейны в зонах аккреции континентальных плит (Печорский и Кузнецкий бассейны) характеризуются, скорее, нормальным геотермическим полем. Особенностями их можно считать неоднородность геотермического режима во времени и в пространстве, прерывистость повышенных тепловых потоков и нередко гипотермический характер преобразования OB. По данным Ю. В. Степанова, изменение углей в бассейне подчиняется в основном закономерностям регионального метаморфизма. По мере приближения к складчатой зоне (Палeoyралу) мощность зон углей одних и тех же стадий углефикации снижается, т. е. возрастает геотермический градиент. Градиент показателя отражения витринита (в воздухе, не в иммерсии) для углей марок Д—Г составляет 0,07—0,08 %/100 м, K—OC — 0,31 — 0,33, для антрацитов — 0,07. В Кузнецком бассейне градиент отражательной способности витринита углей тоже изменяется в заивисимости от абсолютного значения отражательной способности, т. е. от стадии метаморфизма OB. Для углей II и III стадий метаморфизма (с R° = 0,80+1,28 %) вертикальный градиент составляет 0,012—0,037 %/100 м, для IV стадии (с R° = 1,30+1,40 %) — максимальный градиент, 0,038, а для углей более высоких стадий он снижается до 0,037—0,022.
В пределах Северо-Востока России к орогенной группе осадочных бассейнов относится неоком-аптский комплекс отложений Зырянского бассейна. Метаморфизм углей в этом районе изменяется от длиннопламенной до антрацитовой стадий, однонаправленно увеличиваясь с северо-востока на запад в синхронных горизонтах разреза, а также с глубиной.
Эпейрогенные угленосные формации характеризуются нормальным и (или) пониженным геотермическим полем. Платформенным бассейнам свойственна общая стабильность, обусловленная существованием континентальной коры, мощность которой сократилась в большей или меньшей степени при нормальной литосфере и при средних в целом геотермических потоках. Самым наглядным примером этой группы является Подмосковный бассейн, в нижнекарбоновых отложениях которого развиты бурые угли средней углефикации (B2). Показатель отражения витринита в этих углях 0,4—0,5 %. Большое внимание на него оказывают исходный материал углей и фациальные условия среды в связи со слабой степенью измененности OB. То же можно сказать и о бурых углях платформенной части Тунгусского и Ленского бассейнов. Однако в целом в Тунгусском бассейне общая картина метаморфизма углей представляется очень сложной, что обусловлено проявлением термального и контактового метаморфизма.
По мнению Е.И. Стефановой и Ю.Р. Мазора, проявления регионального метаморфизма в Тунгусском бассейне имеют некоторые особенности. Глубины погружения угленосной толщи здесь, по сравнению с другими бассейнами, чрезвычайно малы для соответствующего преобразования угольного вещества. Единственным объяснением этому они считают общий высокий геотермический режим бассейна (средний геотермический градиент 8 °С/100 м). По всей видимости, как на площади, так и во времени палеотемпературные условия углефикации в бассейне подвергались резким колебаниям.
Бассейны в унаследованных впадинах складчатых областей характеризовались, скорее всего, близкими к средним температурами преобразования OB. Так, например, в Шубаркольском месторождении показатель отражения витринита колеблется в пределах 0,55—0,60 %, угли являются переходными от бурых к каменным и занимают среднее положение между углями Прииртышья, Талдыкольского и Дубовского месторождений.
Угольные бассейны рифтогенной группы довольно разнообразны и по марочному составу углей, и по условиям их преобразования в катагенезе. Большинство бассейнов, скорее, следует отнести к гипертермальным. В пределах Северо-Востока России изучались альб-верхнемеловые комплексы Зырянского, Аркагалинского, Омсукчанского бассейнов и кайнозойские отложения Момского рифта. Подавляющее чисто угольных пластов мезозоя стожены каменными углями. В Зырянском бассейне метаморфизм углей нижней части разреза формации (буоркемюсская свита) изменяется от длиннопламенной до тощей стадии, достигая максимальных значений во впадинах юго-восточного замыкания Зыряно-Селеннахского прогиба и резко ослабевая к северо-западу и северо-востоку.
Степень метаморфизма углей часто не связана с их положением в стратиграфическом разрезе, а зависит от положения углевмещающих грабенных структур по отношению к теплопроницаемым зонам. Вмещающие породы буорксмюсской свиты, как правило, слабо литифицированы, что при сравнительно высоких стадиях метаморфизма углей служит косвенным указанием на высокие тепловые потоки в палеобассейнах угленосной седиментации (рис. III.7). Вертикальный градиент метаморфизма в Зырянском бассейне, R°/100 м: для углей стадий Д—Г и Г — 0,055, стадий Г—Ж — 0,05 и стадии Ж — 0,06. Бурые угли отмечены только в верхней части разреза формации (встречнинская свита).

Угли Аркагалинской угленосной площади длиннопламенные и газовые. Наблюдается рост степени метаморфизма углей вниз по стратиграфическому разрезу и к юго-востоку от Верхнеаркагалинского месторождения к Нижнеаркагалинскому. В Верхнеаркагалинском встречены угли стадии Д, со средним показателем отражения витринита R°ср = 0,51+0,56 %, что по ГОСТ 21489—76 соответствует стадии 1 (Д). Угли Hижнеаркаталинского месторождения считаются газовыми, хотя по показателю отражения витринита (R°cp = 0,61-0,74 %) они относятся к стадии I—II (Д—Г).
Характерным для Омсукчанской угленосной площади является наличие в ее пределах изверженных пород (гранитоидов, кварцевых диоритов, диоритовых порфиритов и др.), прорывающих угленосные отложения и образующих крупные массивы площадью несколько десятков километров. В связи с этим под влиянием термального метаморфизма на Омсукчанской площади распространены угли стадий T и А. На одном из месторождений бассейна (Кеновском) единичное измерение показателя отражения витринита показало, что R°max здесь достигает 4,50 %, R°cp = 3,65 %, что по ГОСТ 21489—76 соответствует стадиям VIII—IX (A2). Вблизи изверженных пород угли под воздействием контактового метаморфизма графитизированы, иногда превращены в чистый графит. Отдельные пласты графита и графитизированного угля достигают мощности более 5 м.
Угли кайнозойских отложений Момского рифта повсеместно бурые, причем их изменчивость коррелируется с возрастом осадков: от B3 в эоценовых формациях до Б, в миоценовых.
Донецкий бассейн, который изучался многими исследователями, обычно рассматривается как классический пример регионального (глубинного) метаморфизма углей. Однако до сих пор нет единой точки зрения на природу метаморфизма OB в разных частях бассейна. Работы последних лет выявили существенную неоднородность геотермического поля в Донбассе. Плотность теплового потока в Донбассе в пределах крупных антиклиналей составляет 58, в синклиналях — 42, средний показатель — 54 мВт/м2. По этим данным Донбасс должен быть отнесен к «нормальным» по геотермическому режиму бассейнам. Однако в антрацитовых районах Донбасса, судя по показателям отражения витринита и другим свойствам углей, палеогеотермичсская активность была очень высокой. Углефикация OB закончилась в период главной фазы складчатости, совпадая во времени с варисцийском орогенезом.
Градиент изменения среднего показателя отражения витринита составляет в бассейне 0,4—0,5 %/км, а в зоне антрацитов увеличивается до 2 %/км. Геотермический градиент, °С/100 м, для отдельных районов юго-западной части Донбасса:

Судя по этим данным, рассматриваемые районы можно отнести к геотермически «нормальным» месторождениям. Однако в пределах такой огромной структуры, как Донбасс, условия метаморфизма углей, конечно, не оставались однотипными ни во времени, ни в пространстве.
Таким образом, обобщение данных по составу и метаморфизму углей показывает, что природа растительного материала и типы его превращения во многом определяются условиями торфонакопления. Вторичные постдиагенетические преобразования угольного вещества осадочных бассейнов тесно связаны с геодинамической обстановкой. Палеотемпературы областей осадконакопления зависят от их геодинамической позиции и изменений геотермического режима в ходе развития бассейнов. Приведенные данные позволяют по-новому объяснить ряд известных аномалий углефикации и более обоснованно прогнозировать метаморфизм углей в осадочных бассейнах. Следует заметить, что связь метаморфизма OB с геодинамической историей бассейнов по существу только начинает изучаться в нашей стране. Они требуют дальнейшего комплексного исследования с участием как геологов, так и специалистов по угольному веществу осадочных пород.