Каа-Хемское каменноугольное месторождение (S ≈ 180 км2) расположено в восточной части Улуг-Хемского угольного бассейна, с восточной стороны месторождение обрамляют гранитоиды таннуольского комплекса, с севера – кембрийские карбонатные толщи (Ондумские известняки) [1]. Угленосная толща представлена породами эрбекской (J2er) свиты, разделенной на верхнюю и нижнюю подсвиты. Отложения нижней (J2er1) эрбекской подсвиты (мощность 90–160 м) сложены чередованиями из разнозернистых песчаников и гравелитов, мелкогалечных конгломератов, алевролитов с пластами и пропластками угля и завершается выдержанным мощным угольным пластом Улуг с преобладающей мощностью 3–6 м. Верхняя (J2er2) эрбекская подсвита (мощность ~360 м) сложена из чередующихся разнозернистых песчаников, алевролитов, редких прослоев гравелитов и угольных пластов; последние не выдержаны по мощности и площади распространения, их строение как простое, так и сложное. Нижняя граница подсвиты четкая и проводится по подошве горизонта песчаников, залегающих непосредственно над угольным пластом Улуг [2, с. 325].
Целью работы явилось исследование вещественного и химического состава породного прослоя (партинг) угольного пласта Улуг на разрабатываемых участках разреза «Каа-Хемский», расположенного в северной части месторождения. Изучение химического состава партинга актуально для выяснения ряда вопросов, в их числе уточнение геохимических условий торфонакопления на угленосной территории, влияние партинга на качество и технологические свойства угля, на состав выбросов углесжигания и др. Распределение породообразующих элементов в угле рассмотрено с привлечением данных из материалов Геологического фонда Тувинской ГРЭ. Впервые представлены результаты количественных масс-спектрометрических определений элементов-примесей (ЭП) в двух пробах партинга каа-хемских углей и, для сопоставления, статистические данные по их полуколичественным спектральным анализам из геологических отчетов.
Материалы и методы исследования
Опробование пород проведено в зоне залегания неокисленных углей действующего разреза Каа-Хемский в двух точках (участки «Север» и «Юг»), удаленных на расстояние 20 км. В каждой из них отобрано по одной пробе угля (среднепластовый), партинга, кровли и подошвы согласно ГОСТ 10742-71 (СТ СЭВ 752-77). Пробы породы песчаника (кровля) отобраны со слоя (h = 5 см), залегающего непосредственно на угольном пласте Улуг; пробы углефицированного алевролита (подошва) отобраны с приугольного слоя (h = 10 см), сложенного непосредственно под пластом Улуг. На северном и южном забоях мощность песчаника соответственно (30–35) и (45–50) м, угольного пласта 2 и 6 м, партинга 3 и 5 см. Линия контакта между угольным пластом и кровлей (и подошвой) резкая и четкая. Зольность проб определяли при (815 ± 10) °С согласно ГОСТ 11022-95 (ИСО 1171-97).
Содержание макроэлементов в золе угля, партинге и углевмещающих породах анализировали методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) на приборе СРМ-25, пробоподготовку осуществляли путем сплавления с тетраборатом лития. Содержание общей серы определяли на спектрометре Bruker S4 Pioneer. Содержание элементов-примесей (микроэлементы) определено на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS). Структурный и вещественный состав пород изучен на поляризационном микроскопе ПОЛАМ Л-213М.
Содержание породообразующего элемента (макроэлемент) в партинге сравнивали с его распределением в золе среднепластового угля, вмещающих породах и породах обрамления. Усредненный состав макроэлементов в золе угля рассчитан для выборки n = 16 с привлечением данных геологических отчетов по химическим анализам пласта Улуг в 14 скважинах месторождения. Углефильность элемента (в оксидной форме) определяли по коэффициенту концентрации КК = Сiзола/Сiвм. пор., где Сiзола – среднее содержание оксида элемента в золе среднепластовых проб угля, Сiвм.пор. – среднее содержание элемента во вмещающих породах месторождения. Степень углефильности элемента оценивали как в [3, с. 492], по группам: высокоуглефильные (КК > 5), углефильные (КК = 2–5), умеренно углефильные (КК = 1–2), неуглефильные (КК < 1).
Результаты исследования и их обсуждение
Распределение макроэлементов в угольном пласте Улуг и партинге. Содержание макроэлемента в пробах породного прослоя угля, кровли и подошвы, среднее содержание элемента в золе среднепластовых проб углей каахемского месторождения и их коэффициенты концентрации приведены в табл. 1. Для оценки сравнительных накоплений породообразующих окислов с их содержанием в породах обрамления в таблицу внесены данные по химическому составу плагиогранита из [4], для Ондумских известняков использованы данные из Отчета о геолого-разведочных работ, проведенного в месторождении в 1954 г. А.Г. Китаевым (г. Свердловск).
Зольность угольного пласта Улуг. Средняя зольность пласта Улуг Ad 8.4 %. По составу основных компонентов тип золы железисто(20 %Fe2O3)-кальциево(22 %CaO)-кремнистый(29 %SiO2). Сравнение среднего содержания макроэлемента в золе угля с его средним содержанием во вмещающих породах (кровля + подошва) показывает на бoльшее накопление в углях (относительно местного геохимического фона) кальция, магния, железа, алюминия и фосфора (в оксидной форме): CaO(32.1) > MgO(12.2) > > Fe2O3(8.9) > Al2O3(1.1) > P2O5(1.0), в скобках нижнего индекса приведены их коэффициенты концентрации КК = Сiзола/Сiвм.пор.. На основе этих данных можно сделать вывод, что в угольном пласте Улуг каа-хемского месторождения высокоуглефильны Ca, Mg, Fe, умеренно углефильны Al, P.
В сравнении с породами плагиогранита (обрамление) [4, с. 1587] в золе угля отмечается концентрирование оксидов кальция, железа, магния, алюминия: CaO(6.6) > Fe2O3(6.4) > > MgO(6.2) > TiO2(1.7) > Al2O3(1.1).
Зольность углефицированного партинга. Зольность проб партинга с северного и южного участков угольного разреза, определенная в форме потери при прокаливании (п.п.п.) при температуре до 1000 °С, cоставила 50 % и 57 % соответственно. Обе пробы партинга углефицированы в пределах от 43 до 50 %.
По химическому составу образец партинга на северном участке магниево(3 %MgO)-железисто(5 %Fe2O3)-кремниево(15 %SiO2)-кальциевый(25 %CaO), на южном участке магниево(3 %MgO)-железисто(3 %Fe2O3)-кальциевый(36 %CaO).
Структурно-вещественный состав партинга. Электронные снимки породы партинга показаны на рисунке. По вещественному составу партинг существенно карбонатный, с прослоями углистого вещества.
На участке «Север» партинг трещиноват и деформирован, окраска в разных частях шлифа изменяется от бесцветной до жёлто-бурой, что обусловлено присутствием в составе породы окисла железа. Прерывисто-линзовидные ветвящиеся образования черного углистого вещества сосредоточены в прослое размером около 6 мм (рисунок, а). Около 90 % светлых кристаллов кальцита имеют размеры 0,1–0,2 мм, заметно присутствие и крупных кристаллов размером до 3–4 мм.
На участке «Южный» известняк тонкозернистый, с углистым веществом; уголь катаклазирован и сцементирован в трещинах (рисунок, б). Витринит, переотложенный в трещинах, просвечивается в шлифе (без анализатора) красным цветом (рисунок, в). В составе партинга определяется зерно минерала ларнита (2CaO·SiO2) с высоким рельефом белого цвета (рисунок, г).
Согласно обобщенным данным геологоразведочных изысканий [2, с. 291] угольный пласт Улуг в Улуг-Хемском бассейне в подавляющем большинстве пластопересечений (общее количество исследованных 758) характеризуется простым строением, и лишь в 80 из них (~11 %) встречаются породные прослои из алевролитов, углистых алевролитов, иногда песчаников, мощностью от 10 до 60 см, которые быстро выклиниваются по мере перемещения к внутренним частям бассейна на расстояние 0,5–2 км; породные прослои пласта Улуг на Каа-Хемском месторождении из высокозольного угля или углистых алевролитов имеют мощность от 5 до 40 см [2, с. 325].
Таблица 1
Содержание породообразующих окислов в осадочных породах Каа-Хемского каменноугольного месторождения (мас., %)
|
Окись |
Наименование осадочной породы |
Обрамление |
КК = Сiзола/Сiвм.пор. |
||||||
|
Партинг |
Зола Улуг |
Подо-шва |
Кровля |
Известняк Ондумский |
Плагио-гранит [4] |
||||
|
север (n = 1) |
юг (n = 1) |
(n = 16) |
ст. откл, s |
(n = 2) |
(n = 2) |
(n = 7) |
(n = 7) |
||
|
SiO2 |
15,4 |
0,3 |
28,8 (7,1–44,0) |
11,2 |
54,6 |
72,5 |
6,5 |
69,2 |
0,5 |
|
Al2O3 |
1,8 |
0,3 |
12,6 (6,2–19,2) |
4,3 |
10,2 |
12,5 |
0,3 |
16,0 |
1,1 |
|
Fe2O3 |
4,7 |
3,1 |
20,4 (12,0–32,0) |
7,2 |
1,1 |
3,5 |
1,5 |
3,2 |
8,9 |
|
CaO |
24,5 |
36,2 |
21,9 (11,2–38,4) |
8,2 |
0,1 |
1,3 |
53,2 |
3,3 |
32,1 |
|
MgO |
2,5 |
2,7 |
5,6 (3,1–8,2) |
1,3 |
0,4 |
0,5 |
3,0 |
0,9 |
12,4 |
|
TiO2 |
0,3 |
0,01 |
0,5 (0,2–0,7) |
0,1 |
1,0 |
0,4 |
0,3 |
0,7 |
|
|
MnO |
0,1 |
0,2 |
0,3 (для n = 2) |
0,01 |
0,08 |
0,05 |
6,7 |
||
|
Na2O |
0,1 |
0,1 |
1,1 (0,4–1,9) |
0,4 |
0,1 |
2,4 |
4,4 |
0,9 |
|
|
K2O |
0,3 |
0,01 |
0,9 (0,6–1,3) |
0,3 |
1,7 |
2,1 |
1,7 |
0,5 |
|
|
P2O5 |
0,02 |
0,01 |
0,05 (для n = 2) |
0,02 |
0,08 |
0,1 |
1,0 |
||
|
SO3 |
0,08 |
0,10 |
5,9 (3,2–10,6) |
2,0 |
0,1 |
0,0 |
0,0 |
||
|
п.п.п. |
49,9 |
56,7 |
1,4 (0,2–6,2) |
1,5 |
30,4 |
4,6 |
36,1 |
0,8 |
|
|
Ad |
50,8 |
52,0 |
8,4 (3,5–13,7) |
11,8 |
72,2 |
||||
а) в)
б) г)
Микроснимки шлифов партинга каа-хемского угольного пласта Улуг в проходящем свете (режим обыкновенный), увеличение: а, б – 25х, ник.+; в – 100х; г – 100х, ник.+
Результаты представленных в данной работе исследований структурно-вещественно-химического состава партинга угольного пласта Улуг в двух точках разреза «Каа-Хемский» впервые свидетельствуют о его существенно карбонатной природе (по внешнему виду углефицированный карбонатный партинг практически неотличим от углефицированного алевролита). Можно предположить, что карбонатный состав внутрипластового породного прослоя является одной из геохимических особенностей, связанных с условиями древнего торфонакопления на угленосной площади. Очевидно, что водно-минеральное питание углеобразующего торфяника с обрамляющих месторождение кембрийских карбонатных толщ (Ондумские известняки) определяло не только диагенетическую карбонатную минерализацию золы углей (по кальцию, железу, магнию), но и способствовало сингенетической и эпигенетической карбонатной минерализации партинга.
Микроэлементный состав партинга угольного пласта Улуг. В табл. 2 представлены результаты количественных анализов элементов-примесей в двух пробах партинга на масс-спектрометре, а также (для сравнения) диапазон значений по их полуколичественным содержаниям из геологических отчетов (определенные на дифракционном спектрографе ДФС-8).
По значениям кларков концентраций КК = Сiпартинг/СiОП (нижний индекс) можно выделить элементы, у которых содержания в партинге кратно превышают кларки в осадочных породах земной коры, к ним относятся: Sr11.3 > Sb8.7 > Mn2.4 > Ba2.0. Эти четыре микроэлемента являются геохимическими спутниками карбонатных минералов [5]. На основании приведенных данных можно сделать вывод, что породный прослой пласта Улуг на Каа-Хемском месторождении формировался по типу Sr, Sb, Mn, Ba-содержащих карбонатов.
В существенно карбонатном партинге каа-хемских углей среднее содержание высокоуглефильного Sr (0,30 %) существенно выше (~8 раз) кларка в безугольных карбонатных породах (0,03–0,04 %).
Таблица 2
Содержание элементов-примесей в партинге пласта Улуг на Каа-Хемском месторождении и Улуг-Хемском бассейне, г/т
|
Элемент |
Ci на Каа-Хемском месторождении, (n = 2) |
Среднеее Ci в Улуг-Хемском бассейне, (n = … до 16) |
Элемент |
Ci на Каа-Хемском месторождении, (n = 2) |
Среднеее Ci в Улуг-Хемском бассейне, (n = … до 16) |
||||||
|
уч. Север |
уч. Юг |
число проб, n |
Ci |
s |
уч. Север |
уч. Юг |
число проб, n |
Ci |
s |
||
|
Be |
0,3 |
0,03 |
La |
3,9 |
3,2 |
9 |
97 (60–150) |
28 |
|||
|
Sc |
6,7 |
0,5 |
1 |
1 |
Ce |
7,2 |
5,5 |
||||
|
Ti |
2959 |
104 |
16 |
4263 (100–8000) |
2087 |
Pr |
0,8 |
0,6 |
|||
|
V |
27,0 |
2,0 |
16 |
67 (5–120) |
37 |
Nd |
3,3 |
2,3 |
|||
|
Cr |
23,0 |
5,4 |
14 |
71 (30–150) |
35 |
Sm |
0,6 |
0,4 |
|||
|
Mn |
1108 |
2882 |
16 |
828 (30–5000) |
1472 |
Eu |
0,1 |
0,05 |
|||
|
Co |
2,0 |
1,0 |
15 |
5 (1–15) |
4 |
Gd |
0,6 |
0,3 |
|||
|
Ni |
<ПО |
<ПО |
16 |
12 (2–30) |
9 |
Tb |
0,1 |
0,04 |
|||
|
Cu |
46,0 |
13,5 |
16 |
56 (10–100) |
28 |
Dy |
0,8 |
0,3 |
|||
|
Zn |
23,0 |
15,0 |
16 |
82 (20–400) |
97 |
Ho |
0,2 |
0,05 |
|||
|
Ga |
5,9 |
0,8 |
16 |
15 (1–30) |
9 |
Er |
0,8 |
0,1 |
|||
|
Ge |
<ПО |
<ПО |
13 |
2 (1–5) |
1 |
Tm |
0,1 |
0,02 |
|||
|
Rb |
15,0 |
<ПО |
Yb |
0,8 |
0,1 |
||||||
|
Sr |
2563 |
3538 |
11 |
564 (100–2000) |
724 |
Lu |
0,1 |
0,02 |
|||
|
Y |
5,7 |
1,1 |
8 |
14 (10–20) |
5 |
Hf |
0,8 |
0,3 |
|||
|
Zr |
73,0 |
10,4 |
16 |
112 (30–250) |
69 |
Ta |
0,6 |
0,02 |
|||
|
Nb |
5,4 |
0,4 |
3 |
2 (1–3) |
1 |
W |
0,6 |
0,1 |
|||
|
Mo |
1,0 |
1,1 |
16 |
2 (1–4) |
1 |
Tl |
0,01 |
0,1 |
|||
|
Ag |
15 |
11 (0,1–50) |
16 |
Pb |
5,5 |
2,7 |
16 |
20 (1–80) |
|||
|
Sn |
1,6 |
0,3 |
16 |
3 (1–5) |
1 |
Bi |
0,4 |
0,2 |
|||
|
Sb |
15,0 |
5,8 |
Th |
2,4 |
0,6 |
||||||
|
Cs |
0,8 |
<ПО |
U |
2,3 |
0,3 |
||||||
|
Ba |
900 |
760 |
15 |
460 (200–3000) |
713 |
||||||
Примечание. В скобках показано содержание элемента в диапазоне значений «от – до»; s – стандартное отклонение; <ПО – содержание элемента ниже предела обнаружения.
Выводы
1. Впервые показано, что углефицированный партинг пласта Улуг на Каа-Хемском месторождении является существенно карбонатным. По химическому составу образец партинга с участка «Север» магниево(3 %MgO)-железисто(5 %Fe2O3)-кремниево(15 %SiO2)-кальциевый(25 %CaO), с участка «Юг» магниево(3 %MgO)-железисто(3 %Fe2O3)-кальциевый(36 %CaO).
2. Микроэлементный состав породного прослоя пласта Улуг на Каа-Хемском месторождении сформирован по типу Sr, Sb, Mn, Ba-содержащих карбонатов.