Минералого-геохимическая идентификация пирокластического вулканогенного материала карбона-перми в углях Кузнецкого и Минусинского бассейнов

Актуальность работы. За почти вековую историю изучения металлоносности углей
выявлена большая группа разнообразных типов месторождений редких, благородных и
цветных металлов в углях и углистых породах (Середин, 2004; Seredin, Finkelman, 2008; Seredin,
Dai, 2012; Seredin et al., 2013; Арбузов и др., 2014; Dai et al., 2016a, 2016b; Dai et al., 2018). В
настоящее время в промышленных масштабах из угля добываются только германий, литий и
галлий (Seredin, 2012; Lin et al., 2013; Qin et al., 2015), существовало, но прекращено
производство урана (Hurst, 1981; Monnet et al., 2015) и золота (Леонов и др., 1998). Некоторые
типы месторождений редких металлов в углях сформировались под влиянием субсинхронного
вулканизма.
Наличие пирокластического материала отмечено в большинстве угольных бассейнов
мира. А.В. Ван одним из первых с достаточной полнотой оценил исключительную роль
вулканизма в формировании современного облика угленосных отложений Сибирского региона
(Ван, 1967, 1968, 1972, 1973а, 1974). На примере целого ряда угольных бассейнов (Кузнецкий,
Минусинский, Тунгусский), он показал глобальную роль вулканизма в формировании
угленосных отложений (Ван, 1972, 2001).
Фактор синхронного вулканизма оказывает существенное влияние на формирование
геохимического фона редких элементов-примесей в углях (Finkelman, 1993). Вулканогенный
материал встречается в угольных пластах преимущественно в виде маломощных глинистых
прослоев – тонштейнов.
Известно, что тонштейны могут быть источником высоких концентраций большой
группы редких элементов-примесей в углях (Zelenski, 1985; Crowley, 1989; Hower, 1999; Dai,
2003b, 2010, 2012, 2016; Арбузов и др., 2003; Арбузов, Ершов, 2007; Arbuzov et al., 2016).
Металлоносные угли, образованные в процессе преобразования пирокластического
материала в палеоболоте, могут занимать значительные территории. Сохранение высоких
концентраций элементов-примесей в таких углях дает возможность попутного извлечения их
них редких металлов.
С конца XX века в отложениях Минусинского и Кузнецкого бассейнов известны
редкометалльно-угольные месторождения (Горький, 1972; Середин, 1994; Арбузов и др., 2000,
2003; Арбузов и др., 2007). Высказаны предположения о том, что источником оруденения могла
послужить пирокластика кислого и щелочного составов. Однако детальных исследований,
направленных на изучение состава исходного пирокластического материала, не проводилось.
В связи с этим, разработка комплекса критериев идентификации пирокластического
материала в угле является актуальной задачей, решение которой позволит оценить роль
вулканизма в процессе формирования геохимической специализации углей, в образовании
редкометалльно-угольных месторождений и выявить новые месторождения редких металлов в
углях мира.
Цель работы. Изучить минералого-геохимические особенности пирокластического
вулканогенного материала и вмещающих их углей Кузнецкого и Минусинского бассейнов и
разработать минералого-геохимические критерии распознавания состава первичной
вулканогенной пирокластики в углях.
Задачи исследования:
1) Изучить минеральный и химический состав тонштейнов и разработать комплекс
минералого-геохимических критериев для идентификации первичного состава вулканогенной
пирокластики;
2) Реконструировать исходный состав вулканогенной пирокластики из которой
сформировались тонштейны по минералого-геохимическим критериям;
3) Оценить влияние пирокластического материала, сформировавшего тонштейны, на
химический состав вмещающих их углей;
4) Выделить в углях группы химических элементов, источником которых послужил
пирокластический материал различного состава;
5) Установить источники вулканогенной пирокластики, сформировавшей
тонштейны;
6) Оценить перспективы металлоносности углей Кузнецкого и Минусинского
бассейнов, обусловленной влиянием вулканогенной пирокластики.
Фактический материал и методы исследования. В основу работы положены
результаты исследования более 800 проб угля, внутрипластовых вулканогенных прослоев и
углевмещающих пород, отобранных в процессе полевых работ в Минусинском и Кузнецком
угольных бассейнах при непосредственном участии автора.
Отобранные пробы угля озолялись с определением зольности и влажности. Озоление
проб проводилось при 800±15 °С в соответствии с ГОСТ 11022–95 в научно-исследовательской
лаборатории по комплексному использованию горючих ископаемых НИ ТПУ (исполнитель –
С.Г. Маслов).
При выполнении исследования применялся комплекс современных методов нейтронно-
активационного анализа (ИНАА), масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-
МС) и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС).
ИНАА выполнен в ядерно-геохимической лаборатории на исследовательском ядерном
реакторе ИРТ-Т ТПУ (аналитик А.Ф, Судыко). Определение содержания химических элементов
в пробах осуществлялось без предварительного концентрирования для исключения
возможности потерь элементов при озолении.
Исследования методами ИСП-МС и ИСП-АЭС произведены в аналитическом центре
Дальневосточного геологического института ДВО РАН (исполнитель Н.В. Зарубина) и в ООО
«Химико-аналитический центр «Плазма»» (директор – Н.В. Федюнина).
Определение содержания Hg в образцах выполнено методом беспламенной абсорбции на
приборе РА-915+ с пиролитической приставкой ПИРО-915 (метод пиролиза).
Для изучения структурно-текстурных особенностей, минерального состава, характера
органических остатков неугольных прослоев применялся петрографический анализ.
Исследование состава минерального вещества породных прослоев, в том числе
глинистых минералов, произведено методом рентгенофазового анализа (РФА). РФА был
проведен на дифрактометре Bruker D2 Phaser в МИНОЦ «Урановая геология» в отделении
геологии ТПУ (исполнитель А.В. Вергунов) и в лаборатории седиментологии АО
«ТомскНИПИнефть» с использованием рентгеновского дифрактометра RIGAKU Ultima IV c
реализацией съемки рентгенограмм в геометрии Брега-Брентано (исполнитель Ю.М.
Лопушняк).
Изучение микроминеральных форм элементов в углях и золах углей производилось на
сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Hitachi S-3400N в МИНОЦ «Урановая
геология» в отделении геологии ТПУ. Состав включений устанавливался с помощью энерго-
дисперсионного спектрометра Bruker XFlash 4010/5010. Исследование проб выполнялось в
режиме низкого вакуума с детектором обратно-рассеянных электронов.
Защищаемые положения.
1. Установлено, что тонштейны Минусинского и Кузнецкого бассейнов сформировались
из риолитового, андезитового и щелочно-базитового вулканогенного пеплового материала.
Разработан комплекс минералого-геохимических критериев идентификации первичного состава
преобразованной в тонштейны вулканогенной пирокластики (TiO2/Al2O3, диаграмма Nb/Y–
Zr/TiO2, графики распределения РЗЭ, содержание редких и радиоактивных элементов).
2. В процессе преобразования вулканогенной пирокластики при торфообразовании и в
угольном пласте происходит интенсивная миграция, перераспределение и изменение форм
нахождения большинства химических элементов, в том числе слабо подвижных в зоне
гипергенеза Ti, Zr, Nb, Ta, РЗЭ, Th.
3. Пирокластический материал, сформировавший тонштейны Минусинского и
Кузнецкого бассейна, оказал существенное влияние на редкометалльную геохимическую