Національна Академія Наук України

Національна Акціонерна Компанія “Нафтогаз України”

Інститут геології і геохімії горючих копалин

Бучинська Ірина Володимирівна

УДК 553.94: 552.51 (477.6+477.8)

КАТАГЕНЕТИЧНІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ПІСКОВИКІВ РІЗНИХ ГЕНЕТИЧНИХ ТИПІВ КАМ'ЯНОВУГІЛЬНИХ ВІДКЛАДІВ ДОНЕЦЬКОГО ТА ЛЬВІВСЬКО-ВОЛИНСЬКОГО БАСЕЙНІВ

Спеціальність 04.00.16 – геологія твердих горючих копалин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Львів – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геології і геохімії горючих копалин НАН України та НАК “Нафтогаз України”

Науковий керівник академік НАН України

Офіційні опоненти: доктор геол. наук Баранов Володимир Андрійович, Інститут гео-технічної механіки НАН України, провідний науковий співробітник відділу геології вугільних родовищ великих глибин

(м. Дніпропетровськ);

кандидат геол.-мін. наук Лелик Богдан Іванович, Центр альтернативних видів палива НАН України та Мінпаливенерго України,

заступник директора (м.Київ);

Провідна установа Національна Гірнича Академія України Міністерства освіти України (геологічний факультет, кафедра геології і розвідки корисних копалин), м.Дніпропетровськ

Захист відбудеться 13.12.2002 р. 13.30 о год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.152.01 в Інституті геології і геохімії горючих копалин НАН України та НАК “Нафтогаз України” (79053, м. Львів, вул. Наукова, 3а).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геології і геохімії горючих копалин НАН України та НАК “Нафтогаз України” (м. Львів, вул. Наукова, 3а).

Автореферат розісланий 11.11.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат геол.-мін. наук О.В. Хмелевська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми досліджень. Україна володіє великими запасами кам'яного вугілля, які зосереджені в Донецькому і Львівсько-Волинському басейні. Збільшення видобутку вугілля і зменшення його собівартості дозволило би вирішити ряд складних енергетичних та соціальних проблем.

Теригенні породи, як правило, складають 90-95% всієї товщі. Їх вивчення є однією з головних задач, які необхідно розв'язувати в ході експлуатації вугільних родовищ. З нагромадженням даних про катагенез вуглевмісних пісковиків постало питання про його відповідність ступеню вуглефікації органічної речовини. Вирішальним фактором для перетворення органічної речовини є температура, а для осадових пісковиків – тиск. Реакція вугілля та вмісних пісковиків на тектонічні напруги відрізняється. Постдіагенетичні перетворення вуглевмісних порід, і зокрема пісковиків, є однією з найважливіших причин розмаїття їх структурних і мінералого-петрографічних особливостей. Пісковики, що містять вугілля однакових марок, можуть відрізнятися за фізико-механічними та колекторськими властивостями. Пояснення цих розбіжностей криється у відмінностях генетичного типу пісковиків (умови седиментації), у ступені їх катагенетичних перетворень, які можуть ефективно визначатися комплексом літолого-петрографічних досліджень пісковиків в цілому та окремих мінералів-індикаторів зокрема.

Вивчення стадійності катагенетичних перетворень пісковиків різних генетичних типів та її відповідність для районів з відмінною тектонікою є актуальним при комплексному дослідженні вуглевмісних пісковиків, як можливих колекторів супутного газу-метану та у звя'зку з їх викидонебезпечністю.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати досліджень автора знайшли відображення у науково-дослідній роботі по держбюджетних темах ІГГГК НАН України “Вугленосність осадових відкладів Південно-Західної і Південної окраїн Східно-Європейської платформи і закономірності розташування родовищ вугілля” (UA01001904Р, 1993р.), “Умови утворення і шляхи раціонального використання бурого і кам'яного вугілля західних областей України” (Б-11/94, 1998р.), "Газогенераційний потенціал кам'яновугільних басейнів України" (0101U005260, 2001р.).

Мета та об'єкт досліджень – встановити закономірності перетворення пісковиків однакового літогенетичного типу в вугленосних районах з різною тектонікою, дослідити вплив ступеню катагенезу вуглевмісних пісковиків на зміни їх пористості. Об'єктом дослідження були пісковики русел, підводних виносів рік та узбережжя моря, що містять вугілля однакових груп метаморфізму в Донецько-Макіївському, Красноармійському геолого-промислових районах Донбасу та Південно-Західному вугленосному районі Львівсько-Волинського басейну (ЛВб).

Задачі досліджень: 1) вивчити мінеральний склад, структури і катагенетичні перетворення пісковиків континентальної, морської і перехідної від континентальної до морської фацій, які містять вугілля від довгополуменевого до пісного для Донецько-Макіївського і Красноармійського районів Донбасу та газове, жирне, коксівне — для Південно-Західного району ЛВб; 2) проаналізувати закономірності катагенетичних перетворень основних породоутворюючих мінералів пісковиків однакових фацій, які містять рівнометаморфізоване вугілля; 3) порівняти ступінь катагенетичних перетворень пісковиків районів з різною тектонікою; 4) узагальнити дані про стадійність катагенетичних перетворень пісковиків та їх вплив на пористість.

Методи досліджень. Для виконання поставленого завдання використовувалися структурно-текстурний аналіз, комплекс петрографічних методів, результати рентгенівських і хімічних аналізів.

Наукова новизна. 1). Встановлено, що наростання катагенетичних перетворень пісковиків конкретно для певної окремо взятої фаціальної відміни (русел рік, підводних виносів рік, узбережжя моря) простежується з послідовним збільшенням ступеня метаморфізму вугілля.

2). Виявлено закономірності постдіагенетичних перетворень мінералів-індикаторів (біотит, польові шпати, глинисті мінерали, кварц і регенераційний кварц) і структур пісковиків, пов'язаних з цими перетвореннями. 3). Встановлено ступінь катагенетичних перетворень пісковиків, що містять вугілля від довгополуменевого до пісного, на прикладі Донецько-Макіївського і Красноармійського геолого-промислових районів Донбасу та Південно-Західного вугленосного району ЛВб. 4). Доведено, що границі між зонами катагенезу залежать від генетичного типу вуглевмісних пісковиків і геологічної будови району (вплив стресових тектонічних напруг).

Основні положення, що захищаються: 1. Пісковики різних генетичних типів, які містять рівнометаморфізоване вугілля, змінені не однаково. За кількісними і якісними показниками катагенетичні перетворення мінералів (кварц, вторинний кварц, біотит, глинисті мінерали цементу) ці зміни зменшуються в ряді: руслові пісковики – пісковики підводних виносів рік – пісковики узбережжя моря. Ця закономірність простежується в усіх зонах катагенезу.

2. Ступінь катагенетичних перетворень пісковиків, їх структур, постдіагенетичні зміни поротоутворюючих мінералів залежать від тектонічної будови родовищ. Для районів, які вивчалися, вплив тектонічних напруг зменшується в ряді: Донецько-Макіївський (Донбас) ® Красноармійський (Донбас) ® Південно-Західний (ЛВб). Інтенсивність катагенетичних змін пісковиків, що містять вугілля однакового ступеня метаморфізму, підлягає цій же закономірності.

3. У вуглевмісних пісковиках, що зазнали катагенетичних перетворень, вторинні карбонати (кальцит, сидерит) гальмують процес регенерації кварцового матеріалу. При великому вмісті вторинних карбонатів структурні перетворення в пісковиках є незначними.

4. Катагенетичні перетворення вуглевмісних пісковиків впливають на їх пористість. Пісковики русел та підводних виносів рік при переході від стадії початкового до глибинного катагенезу характеризуються стрибкоподібним зменшенням пористості.

Практичне значення. На основі проведеного комплексу досліджень і співставлення ступеню катагенетичних перетворень пісковиків (якісні і кількісні зміни мінералів-індикаторів, структур) встановлено, що показник ступеню метаморфізму вугілля, виражений в його марочному складі, не є однозначним критерієм для характеристики вторинних змін пісковиків, які містять це вугілля. Детальне літолого-петрографічне дослідження пісковиків із встановленням їх генетичного типу та врахуванням інтенсивності катагенетичних змін дає можливість передбачати небезпечні зони, які можуть акумулювати супутний газ метан і бути небезпечними по газовикидам при розробці вугільних пластів.

Особистий внесок здобувача. В статті “Порівняльна характеристика постдіагенетичних змін пісковиків зони глибинного катагенезу Донецького і Львівсько-Волинського вугільних басейнів” (співавтор Шевчук О.М., 1994) та у статтях без співавтора безпосередньо здобувачем на підставі власних петрографічних досліджень та за результатами хімічних і рентгенівських аналізів встановлено поступове наростання катагенетичних змін вуглевмісних порід, дана оцінка структурних перетворень з визначенням типу контактів між зернами та підрахунком коефіцієнту метаморфічності, кількості контактів на зерно. Автором проводилася інтерпретація отриманого фактичного матеріалу.

Апробація роботи. Основні результати досліджень на окремих етапах їх виконання доповідались на семінарі молодих вчених, ІГГГК АН УРСР і ЛДУ (Львів, 1989), 6-тій конференції молодих вчених, ІГГГК АН УРСР (Львів, 1990), міжнародній конференції “Современные проблемы геологии и геохимии твердых горючих ископаемых” (Львів, 1991), конференції молодих вчених “Сучасні проблеми геології і геохімії корисних копалин” (Львів, 1993), науковій конференції “Проблеми геологічної науки та освіти в Україні” (Львів, 1995), Першому (Львів, 1997) та Другому (Дніпропетровськ, 1998) наукових читаннях пам'яті академіка НАН України В.Ю. Забігайла, науковій конференції "Сучасні проблеми літології" до 100-річчя з дня народження Д.П. Бобровника (Львів, 2000), міжнародній науково-практичній конференції "Метан вугільних родовищ" (Дніпропетровськ, 2001), міжнародній науковій конференції "Геологія горючих копалин" до 50-річчя ІГГГК НАН України (Львів, 2001).

Публікації. Результати досліджень викладені в 14 друкованих працях, з яких 7 – статті, що надруковані у фахових виданнях за геологічними спеціальностями, та 7 – тези доповідей конференцій, а також у розділах до 3-х науково-дослідних звітів.

Об'єм і структура роботи. Дисертація складається з вступу, 7 розділів і висновків; її загальний обсяг 115 сторінок машинописного тексту. Робота ілюстрована 25 рисунками та 30 таблицями. Список використаних джерел включає 123 роботи.

Автор глибоко вдячна науковому керівнику академіку НАН України, доктору геолого-мінералогічних наук, професору В.Ю. Забігайлу. Висловлюю щиру подяку члену-кореспонденту НАН України, доктору геол.-мін. наук Ю.М. Сеньковському за змістовні консультації;. співробітникам ІГГГК НАН України доктору геол.-мін. наук В.І. Узіюку, кандидатам геол.-мін. наук М.Ф. Ненчуку, Є.С. Бартошинській, Р.М. Смішку, провідним інженерам О.М. Шевчук, П.М. Явному та іншим за консультації, критичні зауваження та постійну підтримку підчас виконання роботи, а також співробітникам лабораторії Артемівської ГРЕ – кандидату геол.-мін. наук Г.У. Соколовій, інженерам Ю.П. Тарасенко, П.І. Комар за сприяння в роботі і співпрацю. Велику допомогу в оформленні роботи надали інженери ІГГГК НАН України С.П. Мельничук, А.В. Бучинська, М.Б. Кошіль. Висловлюю всім колегам, які сприяли виконанню роботи, щиру подяку.

ЗМІСТ РОБОТИ

У розділі 1 “Стан вивченості проблеми” викладено уявлення про постдіагенетичні зміни порід, які були нагромадженні в ході розвитку геологічної науки. Розробці питання термінології щодо постдіагенетичних змін присвячені роботи Л.Б. Рухіна, М.М. Страхова, М.В. Логвиненка, Н.Б. Вассоєвича. З нагромадженням даних про катагенетичні зміни пісковиків була встановлена їх зональність. М.В. Логвиненко запропонував виділяти зони початкового і глибинного катагенезу та початкового метагенезу. Важливе значення в різнобічному вивченні катагенетичних змін і їх зональності мають роботи Л.В. Пустовалов, С.І. Малінін, І.І. Аммосов, А.Г. Коссовська, В.Д. Шутов, Г.В. Карпова, Г.Н. Перозіо. Новий виток досліджень постдіагенетичних змін пов'язаний з постановкою проблеми викидонебезпечності пісковиків. В.Ю. Забігайло, А.Е. Лукін, В.В. Лукінов, К.А. Моссур, М.Г. Кучеренко, В.І. Ніколін, А.З. Широков та інші дослідники аналізували ступінь змін вуглевмісних пісковиків Донбасу різних генетичних типів (русел і підводних виносів рік, узбережжя моря).

Вивченням вуглевмісних товщ Львівсько-Волинського басейну в різні роки займалися Д.П. Бобровник, Є.С. Бартошинська, Б.І. Ісаєв, В.О. Кушнірук, М.І. Струєв, П.Л. Шульга, В.Ф. Шульга, В.Б. Шпаков, В.З. Єршов та ряд інших дослідників.

Питання відповідності катагенезу вуглевмсіних порід та метаморфізму вугілля вирішується неоднозначно. М. Тайхмюллер і Р. Тайхмюллер, І.І. Аммосов, М.В. Логвиненко, А.Г. Коссовська, А.Г. Донабєдов та ряд інших дослідників вважають, що катагенез вугілля і вмісних пісковиків, як правило, протікає паралельно. Деяка невідповідність властивостей пісковиків в зонах розвитку рівнометаморфізованого вугілля вважається виключенням з правил. В.Б. Порфір'єв, С.І. Малінін, М.М. Страхов, В.Ю. Забігайло, М.Л. Левенштейн, В.Л. Свєржевський прийшли до висновку, що метаморфічні ряди вугілля і вмісних пісковиків непаралельні. Головним у катагенезі пісковиків є їх ущільнення, пов'язане з відтисканням води і втратою відкритої пористості. М.М. Страхов виділяв два типи тисків, що діють на породу: тиск навантаження (геостатичний тиск) та односторонній тиск (стрес), що виникає при утворенні складчастості. Динамічні напруги інтенсивних дислокацій (стресові тектонічні напруги) різко підвищують ступінь катагенезу вмісних пісковиків, але не мають помітного впливу на ступінь перетворення органічної маси. І навпаки, термальний чинник (нагрівання до 300-500°С) може довести вугільну масу до вищого ступеня метаморфізму (антрацит) без суттєвого впливу на вмісні породи.

Отже, показники марочного складу вугілля (відбивна здатність вітриніту, вихід летких речовин, товщина пластичного шару) не можуть бути однозначним показниками стадій катагенезу порід, оскільки не відображають всього комплексу змін, що відбувалися під дією тектонічних сил. Щоб достовірно судити про відмінність пісковиків, які містять вугілля однакової групи метаморфізму, необхідно аналізувати лише ті з них, що відповідать однаковим генетичним типам. Фаціальна характеристика породи визначає первинний речовинний склад, структурні і текстурні особливості та характер новоутворень. Необхідний комплексний підхід (детальний літолого-фаціальний аналіз пісковиків, вивчення структурних і мінеральних змін з врахуванням їх стадійності) до проблеми катагенезу пісковиків, що містять вугілля однакової групи метаморфізму в районах з різною тектонікою. Такий підхід і був взятий за основу при проведенні досліджень пісковиків вугленосних товщ Донецького і Львівсько-Волинського басейнів.

Розділ 2 “Геологічна характеристика районів” знайомить з геологічною будовою Донецько-Макіївського і Красноармійського районів Донбасу та Південно-Західного району Львівсько-Волинського басейну.

Донецько-Макіївський район Донбасу є одним з найбільш складних за тектонічною будовою (після Центрального) районів басейну. Тут широко представлені складки з крутим і перекинутим заляганням, велика кількість розломів, зсувів, насувів. Свердловина Щ-1027 (глибина 2400 м), породи якої були об'єктом наших досліджень, пробурена на межі Калинівської і Чайкінської флексур. Падіння пісковиків в Калинівській флексурі – 60-80о, місцями до перекинутого, в Чайкінській – 30-50о. Вугленоснi вiдклади, що розкритi даною параметричною свердловиною,відносяться до світ: , , , , , , а вугiлля — до груп метаморфізму 2Г, 3Г, 4Ж, 5К, 6ПС, 7П.

Красноармійський район Донбасу виділяється в границях великої моноклiналi пiвденно-захiдного крила Кальмiус-Торецької улоговини. Основне простягання порiд пiвнiчно-захiдне. Кути падіння порід до 15о. Моноклiналь Красноармiйського району вiдноситься до найбiльш спокiйних структурних елементiв Донбасу, на який накладена Волчанська синклiналь. З пiвнiчного сходу вона обмежена субширотною валоподiбною сідловинною структурою, крайньою захiдною ланкою якої є Очеретинське пiдняття, де і була закладена параметрична свердловина К-900 (глибина 2980 м). Значним фактором є розривні порушення, які січуть породи карбону з кутом падіння зсува 20-40о. Найближчим крупним розривним порушенням до свердловини К-900 є Селiдовський насув, який виходить на поверхню карбону в 12 км на пiвденний захiд вiд св. К-900. В цiлому по розрiзу свердловини К-900 трiщинуватiсть порiд незначна. Очеретинська параметрична свердловина розкриває вугленоснi вiдклади свiт , , , , . Вугiлля вiдноситься до груп метаморфізму 1Д, 2Г, 3Г, 4Ж, 5К, 6ПС, 7П.

Породи Південно-Західного району ЛВб в структурному плані утворюють Тяглівську і Карівську синкліналі, які характеризуються падінням пісковиків від 1 до 7о. Розривні порушення представлені Хлівчанською зоною насувів з максимальним кутом падіння зміщувача до 40о. На захiд Бутинь-Хлiвчанська зона переходить в Карiвську синклiналь, обмежену на пiвденному заходi Жовкiвською зоною насувiв. Синклiналь асиметрична iз зануренням шарнiру в пiвнiчно-захiдному напрямку пiд кутом 2-3° . Пiвнiчно-схiдне крило, яке обмежується Бутинь-Хлiвчанською зоною насувiв, прослiджується у виглядi смуги шириною до 6 км, пiвденно-захiдне – значно вужче. Падiння порiд в пiвнiчнiй частинi пiвнiчно-схiдного крила 11-13°, а пiвденнiй стає більш пологим до горизонтального (0-2°). Пiвденно-захiдне крило складки має падiння до 7-8°. Карiвська синклiналь ускладнена повздовжнім насувом пiвнiчно-захiдного простягання амплiтудою 15-25 м. Падiння площини змiщувача пiд кутом 40-45°. Вугленосними є вiдклади вiзейського, серпуховського i башкирського ярусiв нижнього i середнього карбону. Вугiлля відноситься до груп метаморфізму 2Г, 3Г, 4Ж, 5К.

Аналізуючи наведений матеріал можна зробити висновок, що вплив стресових тектонічних напруг на породи зменшується в ряді Донецько-Макіївський район Донбасу – Красноармійський район Донбасу – Південно-Західний район ЛВб.

Розділ 3 “Методи і обсяг досліджень” знайомить з використанням структурно-текстурного аналізу для встановлення певних генетичних типів пісковиків. Об'єктами досліджень стали вуглевмісні пісковики, які містять вугілля марок від довгополуменевих (Д) до пісних (П), двох глибоких свердловин Красноармійського (К-900) і Донецько-Макіївського (Щ-1027) районів Донбасу та газове, жирне, коксівне вугілля ряду геолого-розвідувальних свердловин Любельської площі та Тяглівського родовища ЛВб.

За допомогою макроскопічних досліджень з врахуванням всього комплексу ознак (гранулометричний склад, зміна величини зерен, їх відсортованість, окатаність, текстурні особливості, характер шаруватості, її тип) встановлювалися генетичні типи пісковиків. Використовуючи класифікацію Л.М. Ботвінкіної (1956), виділялися наступні типи пісковиків: руслові (Р), підводних виносів рік (ПВР), узбережжя моря (ПМ).

Вивчення пісковиків та постдіагенетичних перетворень окремих мінералів проводилося в шліфах з використанням мікроскопу МИН-8. Детально досліджувалися взаємовідношення і розподіл уламкових зерен та цементу, склад цементу, його тип. Підраховувалися мінеральні компоненти: кварц, польові шпати, слюдисті та глинисті мінерали, акцесорні мінерали, рослинний детрит. Ступінь катагенетичних змін визначався за парагенезом аутигенних мінералів, за навоутвореннями слюд, плагіоклазів і карбонатів. Підрахунок регенераційного кварцу служить кількісним показником постдіагенетичних змін в пісковиках. Особлива увага приділялася детальному вивченню контактів між зернами, їх довжині та характеру зчленувань. Зміна контактів між зернами, поява конформних, інкорпораційних структур і стилолітових швів характеризує певний ступінь перетворення пісковиків. Типи контактів між зернами в шліфах визначалися за морфолого-генетичною класифікацією (Д. Тейлор, С.С. Савкевич, 1965). Для кількісної оцінки інтенсивності катагенетичних перетворень вираховувався коєфіцієнт метаморфічності “С” (О.Є. Черніков, 1963) та кількість контактів на одне зерно “А”, що визначається як відношення загальної кількості міжзернових контактів до числа підрахованих зерен (200 шт).

Особисто автором вивчено ~ 8600 м кернового матеріалу з відбором проб пісковиків та встановленням їх генетичних типів; проаналізовано 600 шліфів, опис яких супроводжувався кількісним підрахунком компонентів; визначено типи контактів між зернами з підрахунком коефіцієнту метаморфічності (450 шт.) та кількості контактів на зерно (500 шт.). Глинисті мінерали цементу пісковиків вивчалися за допомогою 95 хімічних та 120 рентгенівських аналізів, що проводилися у відповідних лабораторіях Артемівської ГРЕ ПГО “Донбасгеологія” (аналітики: П.І. Комар, Е.Н. Едельман).

У розділі 4 “Групи метаморфізму вугілля та зональність вуглевмісних пісковиків” дана характеристика груп метаморфізму вугілля (від 1Д до 7П) за показниками вуглефікацї органічної речовини (відбивна здатність вітриніту, вихід летких речовин, товщина пластичного шару); вказано, на яких глибинах свердловинами в досліджуваних районах розкриті пісковики, які містять вугілля цих груп і стали об'єктом нашого вивчення.

У розділі 5 “Характеристика вуглевмісних пісковиків та основні закономірності їх катагенетичних змін в процесі метаморфізму вугілля” викладено результати петрографічних досліджень пісковиків русел і підводних виносів рік та узбережжя моря. Основна увага приділялася характеристиці уламкового і регенераційного кварцу, польових шпатів, слюд, карбонатів, типу цементу пісковиків. Наводяться дані про зміни розміру уламкових зерен, коефіцієнту метаморфічності, кількості контактів на зерно та їх типів, величини пористості. Це дало змогу співставити катагенетичні зміни пісковиків різних генетичних типів, що містять рівнометаморфізоване вугілля для районів з неоднаковим впливом тектонічних напруг. Кількісні показники викладеного матеріалу наводяться в таблиці 1.

Розділ 6 “Мінерали – індикатори катагенетичних змін вуглевмісних товщ”. Стадійність катагенетичних перетворень пісковиків досліджувалася на основі вивчення окремих мінерелів-індикаторів цих змін.

Біотит. На початкових стадіях постдіагенетичних змін основні перетворення біотиту полягають в деформації лусочок, яка супроводжується незначною зміною оптичних властивостей. Мінерал при цьому дещо знебарвлюється, набирає зеленкувато-бурих кольорів, зберігає свою звичну схему адсорбції. За результатами наших досліджень деформація і незначне знебарвлення біотиту є характерним для пісковиків Донецько-Макіївського, Красноармійського районів Донбасу і Південно-Західного району ЛВб всіх фаціальних відмін, що містять довгополуменеве і газове вугілля. В пісковиках Р і ПВР Донецько-Макіївського району вже на стадії 2Г відмічаються лусочки біотиту, яким, крім деформації, властиве розбухання, розщеплення мінералу і перехід до слюдистих агрегатів. Для пісковиків Р і ПВР Красноармійського району Донбасу і Південно-Західного району ЛВб, пісковиків ПМ Донецько-Макіївського району ці процеси притаманні лише на стадії 3Г, а для пісковиків ПМ Красноармійського району Донбасу і Південно-Західного району ЛВб – на стадії 4Ж.

Наступним етапом зміни біотиту на вищих ступенях катагенетичних перетворень є розбухання пластинок і розщеплення їх на окремі пакети. Це пов'язано з гідратацією і частковим виносом заліза Fe2+ із кристалічної гратки. В розщеплених пакетах двозаломлення значно знижується (Ng-Np=0,012). Пластинка біотиту, що затиснена кварцовими чи польовошпатовими зернами, зберігає свою кристалічну будову і має нормальні оптичні властивості. У вільному поровому просторі вона перетворюється в згусток різноорієнтованих знебарвлених волокон слюдоподібного мінералу, формування якого пов'язують з появою лугів, що утворилися при руйнуванні біотиту.

Подальша зміна біотиту йде одночасно по двом напрямкам: аморфізація і перехід до хлоритоподібного мінералу (хлоритизація). При аморфізації біотит повністю втрачає кристалічність, перетворюючись в коломорфні скупчення бурого кольору з показником заломлення 1,883. Аморфізація біотиту починається з периферійних ділянок лусочок. Процес хлоритизації біотиту супроводжується утворенням мінералу зеленкавого кольору з різким пониженням двозаломлення (Ng-Np = 0,08–0,06). Часто хлоритизація біотиту відбувається по окремих пакетах. В цьому випадку пластинка являє собою чергування волокон світло-зеленого майже ізотропного хлориту зі знебарвленим гідробіотитом, який зберігає свій плеохроїзм з двозаломленням 0,015–0,010. Аморфізація і хлоритизація ведуть до повної втрати кристалічної гратки, що супроводжується подальшим виносом заліза і фіксацією його у вигляді піриту.

Таблиця 1

КІЛЬКІСНІ ПОКАЗНИКИ КАТАГЕНЕТИЧНИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ ВУГЛЕВМІСНИХ ПІСКОВИКІВ РІЗНИХ ГЕНЕТИЧНИХ ТИПІВ

Група мета-мор-фізму вугіл- ля ДОНБАС ЛВб

Донецько-Макіївський район Красноармійський район Південно-Західний район

Кварц вторин-ний, % Пори-стість, % Коефіцієнт метамор-фічності Розмір зерен, мм Кварц вторин-ний, % Порис-тість,% Коефіцієнт метамор-фічності Розмір зерен, мм Кварц вторин-ний, % Порис-тість, % Коефіцієнт метамор-фічності Розмір зерен, мм

ПІСКОВИКИ РУСЕЛ РІК

1 Д 1-2 1,5 - - - - 9,8-16,2 13,5 - 0,14-0,25 0,18 - - - -

2 Г - 2,7-7 5,4 0,03-0,35 0,19 0,14-0,37 0,25 0-2 1 8,3-13,2 9,5 0,06-0,2 0,16 0,12-0,26 0,18 - - -

3 Г 1-7 3.6 - - - 2-5 4,0 4,8-5,6 5,1 0,08-0,32 0,18 0,14-0,35 0,28 - - - -

4 Ж - 3,1-6,7 4,4 0,13-0,38 0,29 0,15-0,38 0,31 - - - - 0-9 2,8 2,9-10,0 6,9 0,06-0,39 0,17 0,14-0,28 0,21

5 К - - - - 3-6 5,0 3,3-6,0 4,7 0,13-0,62 0,39 0,27-0,41 0,34 2-10 5,8 4,7-10,2 6,5 0,22-0,54 0,36 0,14-0,55 0,31

6 ПС 3-12 7,0 - - - 2-10 6,0 2,8-6,3 4,5 0,17-0,62 0,48 0,16-0,46 0,26 - - - -

7 П 2,1-4,5 2,6 0,2-0,64 0,45 0,16-0,5 0,32 - - - - - - - -

ПІСКОВИКИ ПІДВОДНИХ ВИНОСІВ РІК

1 Д - - - - 0-0,5 0 4,5-16,0 11,1 0,05-0,06 0,04 0,08-0,2 0,15 - - - -

2 Г 0-1 0,5 7,6-9,9 8,1 0,1-0,32 0,13 0,12-0,3 0,2 0-1 0,5 7,2-9,6 8,8 0,06-0,16 0,1 0,08-0,3 0,15 0-4 2,3 1,6-9,3 6,8 0,09-0,29 0,2 0,1-0,56 0,19

3 Г 1-7 3 4,4-7,8 6,4 0,1-0,38 0,23 0,12-0,4 0,25 1-6 3 3,4-5,8 4,7 0,1-0,2 0,13 0,12-0,24 0,18 0-5 2,8 1,4-13,2 6,1 0,1-0,43 0,24 0,14-0,33 0,22

4 Ж 1-8 3.6 3,5-8,4 5,6 0,18-0,56 0,25 0,16-0,3 0,24 2-9 4,5 3,0-7,4 5,2 0,2-0,45 0,25 0,13-0,33 0,23 0-10 3,9 1,9-9,8 6,4 0,1-0,43 0,25 0,12-0,3 0,2

5 К 1-12 5,8 2,4-5,4 3,9 0,25-0,56 0,35 0,12-0,25 0,19 2-6 4,1 3,0-4,4 3,6 0,2-0,45 0,32 0,12-0,4 0,27 1-10 4,0 1,9-9,3 5,8 0,13-0,4 0,25 0,11-0,53 0,22

6 ПС 3-10 6,5 1,8-4,8 3,6 0,25-0,52 0,40 0,16-0,42 0,28 2-9 5,2 1,7-3,5 2,0 0,22-0,48 0,38 0,18-0,27 0,25 - - - -

ПІСКОВИКИ УЗБЕРЕЖЖЯ МОРЯ

1 Д - - - - - 8,2-14,5 11,8 0,06-0,1 0,08 0,02-0,16 0,08 - - - -

2 Г - - - - 0-2 1 5,8-11,2 8,5 0,05-0,14 0,08 0,05-0,18 0,12 - - -

3 Г 0-5 2,8 3,1-7,2 4,3 0.08-0,2 0,15 0,08-0,2 0,12 0-3 1,4 2,5-6,5 3,8 0,07-0,15 0,14 0,08-0,14 0,11 0-2,5 0,9 3,5-5,0 4,2 0,09-0,21 0,13 0,09-0,17 0,13

4 Ж - - - - 0-4 2 2,0-4,8 3,0 0,08-0,24 0,19 0,07-0,14 0,12 0-4 1,2 3,0-4,0 3,6 0,14-0,18 0,16 0,09-0,14 0,12

5 К 1-6 3,0 2,2-4,7 5,3 0,10-0,28 0,23 0,08-0,2 0,18 - - - - 0-5 1,5 2,2-6 3,8 0,13-0,29 0,18 0,1-0,14 0,12

6 ПС 2-4 3,0 2,4-3,7 2,9 0,12-0,28 0,25 0,1-0,22 0,18 1-3 2,5 2,0-4,2 3,6 0,1-0,24 0,19 0,08-0,18 0,13 - - - -

Процеси аморфізації і хлоритизації біотиту є характерними для пісковиків Р і ПВР Донбасу, що містять жирне вугілля, а для пісковиків ПМ Донбасу та всіх фаціальних відмін Південно-Західного району ЛВб – для тих, що містять коксівне вугілля.

Співвідношення вторинних змін біотиту вказує на невідповідність темпів катагенетичних перетворень пісковиків різних генетичних типів. Інтенсивність цих перетворень для пісковиків, які містять рівнометаморфізоване вугілля, зменшується в ряді Р – ПВР – ПМ. Активніше вторинні зміни біотиту проявляються в районах складнішої геологічної будови (Донецько-Макіївський район – Красноармійський район – Південно-Західний район ЛВб).

Польові шпати можуть бути індикатором інтенсивності катагенетичних перетворень лише частково. Найбільш характерними вторинними змінами цих мінералів є їх серицитизація і пелітизація, які розвиваються внаслідок вивітрювання алотигенних зерен. Серицитизовані і пелітизовані польові шпати зустрічаються у складі пісковиків усіх генетичних типів груп метаморфізму від 1Д до 7П, але домінують в зонах розвитку довгополуменевого, газового і жирного вугілля. Характер процесів залежить від рН середовища, складу міграційних розчинів і безпосередньо алотигенних польових шпатів. При надлишку в розчинах K+ кислий плагіоклаз в нейтральному і лужному середовищі заміщується серицитом. При низькому вмісті K+ по них буде розвиватися вторинний альбіт. Присутність в розчинах Fe2+ і Mg2+ приводить до новоутворення карбонату і хлориту.

Під впливом температур, тиску і міграційних вод вторинний серицит, що утворився на основі польових шпатів, переходить в каолініт і дикіт. Вже на їх основі розвивається вторинний карбонат. Процес карбонатизації більш характерний для кислих плагіоклазів і мікрокліну та притаманний всім стадіям постдіагенетичних змін. Можна стверджувати, що карбонатизація польових шпатів, як і розвиток вторинного карбонату (кальциту) вцілому більш характерні для вуглевмісних пісковиків морських фацій.

Пісковикам вуглевмісних товщ притаманна фельдшпатизація: утворення вторинних польових шпатів. Новоутворені кристалики мають свіжий вигляд, правильну кристалографічну форму з гострими кутами. Аутигенні польові шпати виникають при взаємодії глинистої алюмосилікатної речовини осаду з лугами, адсорбованими з морської води. Поодинокі новоутворені кристали польових шпатів свіжого вигляду і правильного габітусу зустрічаються: для пісковиків Р – Красноармійський район Донбасу (вугілля групи метаморфізму 5К); для пісковиків ПВР – Донецько-Макіївський район Донбасу (5К, 6ПС), Красноармійський район Донбасу (6ПС); для пісковиків ПМ – Донецько-Макіївський район (5К); Красноармійський район Донбасу (5К, 6ПС); Південно-Західний район ЛВб (4Ж).

Спостерігаються регенерація уламків плагіоклазів з наростанням аутигенних облямівок більш кислого складу (альбіт). Ця зміна складу пояснюється тим, що під впливом тиску активізуються елементи з відносно малими радіусами іонів (Ca2+ і Al3+ відповідно заміщуються Na+ і Si4+), в результаті чого анортитовий компонент переходить в альбітовий. Регенераційні облямівки альбітового складу навколо зерен плагіоклазів зустрічаються: в пісковиках Р – Донецько-Макіївський район Донбасу (вугілля групи метаморфізму 6ПС), в пісковиках ПВР – Донецько-Макіївський район (4Ж, 5К, 6ПС); Красноармійський район (5К, 6ПС); в пісковиках ПМ – Донецько-Макіївський район (5К, 6ПС), Красноармійський район (6ПС).

Механіча деформація зерен плагіоклазів проявляється у вигинанні двійникових швів відповідно до форми сусідніх уламкових зерен, у зміщенні їх один відносно іншого, у виникненні волокнистих агрегатів, а також в подрібненні зерен зі зміщенням їх окремих частин. Серед пісковиків Донецько-Макіївського району частіше зустрічаються деформовані зерна ніж серед пісковиків Красноармійського і Південно-Західного районів.

Глинисті мінерали можуть служити індикаторами ступеня катагенетичних перетворень. Глиниста речовина цементу пісковиків Донецько-Макіївського і Красноармійського районів Донбасу, що містять вугілля від довгополуменевого до пісного, має полімінеральний склад (гідрослюда, каолініт, хлорит, змішаношаруваті утворення). Гідрослюди по всьому розрізу представлені диоктаедричною відміною політипної модифікації 2М1. На дифрактограмах вони проявляються стійкими рефлексами 001 (10,03 – 10,07 A), 002 (4,99 – 5,01 Е), 112 (2,99 – 3,01 Е), 060 (1,510 – 1,515 Е). ?аявність стійкого ефекту 1,510 – 1,515 A дозволяє говорити про домішку низькотемпературної політипної модифікації 1М, що близька за складом до залізистого мусковіту. В осадових породах поряд з аутигенною гідрослюдою може знаходитися і алотигенна уламкова. Це ускладнює спроби характеризувати кристалічність (ступінь катагенетичних перетворень) цього мінералу за рентгенівськими аналізами.

Каолініт – тонкодисперсний, переважно з невпорядкованою структурою, яка має весь набір hkl-рефлексів, властивих цьому мінералу. Найбільш характерні рефлекси 001 (7,11-7,14 A), 002 (3,53-3,54 Е), 201 (2,560-2,563 Е), 003 (2,36-2,38 Е). ?меншення кількості каолініту пов'язане з переходом мінералу в диоктаедричну гідрослюду типу 1М за рахунок стабільних іонів калію, які вивільняються при руйнуванні польових шпатів. В окремих зразках фіксується повна його відсутність. Одночасно з описаним процесом йде новоутворення каолініту, який є кінцевим продуктом перетворення в ряді гідрослюда – серицит – каолініт. З переходом до глибинного катагенезу каолініт невпорядкованої структури має тенденцію до часткової впорядкованості, яка виражена в появі нових, більш досконалих та впорядкованих структурних форм. В зоні метагенезу каолініт не зникає, хоча його кількість дещо зменшується.

В зоні початкового катагенезу хлорит має характерні рефлекси 001 (14,17-14,29 A), 002 (7,11-7,14 Е), 003 (4,71-4,72 Е), 004 (3,53-3,54 Е). ?х наявність дозволяє стверджувати, що це залізиста відміна хлориту з ортогексагональною коміркою (політип Іb ? = 90°). Вміст хлориту в об'ємі глинистої маси для пісковиків початкового катагенезу складає 8,6-10,0%. При переході від зони початкового до глибинного катагенезу хлорит політипу Ib в=90o трансформується в політип IІb ?=97о. Аутигенні хлорити цього структурного типу служать індикаторами стадії глибинного катагензу. Вважалося, що основним фактором, який контролює появу політипу ІІb ?=97о є температура (інтервал 150о – 210оС). Утворення того чи іншого політипу хлориту залежить не лише від температури, але й від тиску та наявності вільного порового простору ( Walker, 1989).

До зони зміненого глинистого матеріалу (глибинний катагенез) в Донецько-Макіївському районі відносяться породи, що містять вугілля груп метаморфізму 3Г, 4Ж, 5К, в Красноармійському районі – 4Ж, 5К, 6ПС.

Важливим компонентом глинистої маси цементу для зони початкового і глибинного катагенезу є змішаношаруваті утворення (гідрослюда – хлорит, гідрослюда – каолініт), наявність яких фіксується рентгенівським аналізом в зонах початкового і глибинного катагенезу як для Донецько-Макіївського, так і для Красноармійського районів Донбасу. Їх кількість з глибиною зменшується. В породах Донецько-Макіївського району частка змішаношаруватих утворень залишається досить помітною (8-10%), тоді як в Красноармійському зменшується до 2%. Це можна пояснити гальмівним впливом тиску на дегідратацію цих глинистих утворень. Вплив тиску є сильнішим в Донецько-Макіївському районі, що пов'язано з проявом тектонічних рухів у вигляді інтенсивної складчастості (часто з перекинутим заляганням), великої кількості розривних порушень. Породи Красноармійського району утворюють монокліналь, а отже вплив тиску стресу був незначним. Вплив тектонічних напруг найбільше проявляється в наявності змішаношаруватих утворень невпорядкованого типу в зоні глибинного катагенезу.

В цілому глинисті мінерали можуть служити індикаторами ступеня катагенетичних змін. Висновки про інтенсивність перетворень будуть достовірними лише при комплексному дослідженні мінерального складу і структур пісковиків.

Кварц – один з найінформативніших мінералів-індикаторів вторинних змін вуглевмісних товщ. Особливе значення має вивчення форм виділення аутигенного кварцу, структурних перертворень, пов'язаних з його утворенням. Окис кремнію є поганорозчинною сполукою. Основним фактором процесу перетворення кварцу є мінеральний склад пісковиків, тиск, температура, вміст СО2, розмір уламкових зерен, вплив органічної речовини. Розчинність SiO2 збільшується лише при порівняно високих температурах. При підвищенні температури від 0 до 100°С вона зростає від 50–80 до 360–420 мг/л (Краускопф, 1972). Для розчинення кварцу необхідне сильно лужне середовище – рН>9 (Оkamoto, 1957) .

Вуглевмісні пісковики різних генетичних типів по всій потужності в процесі катагенезу зазнають впливу вуглефікованої органіки. Одночасно з ними під впливом геологічних факторів змінюється залишкова органіка, наявність якої приводить до розчинення кварцу при нищих температурах і нейтральному рН (Смішко, 1991).

По мірі зниження вмісту СО2 зменшується концентрація розчиненого SiO2. За нашими спостереженнями в породах з великим вмістом вторинних карбонатів (особливо кальциту) кількість регенераційного кварцу є незначною, суттєво меншою, ніж в пісковиках з їх відсутністю.

На стадії початкового катагенезу розчинення і регенерація кварцового матеріалу незначні. Вторинний кварц утворює різні за будовою (переривчасті, суцільні) і шириною (0,01-0,08 мм) облямівки. Перші виділення аутигенного кварцу з'являються на стадії розвитку газового вугілля.

Для порід, що містять вугілля групи метаморфізму 2Г – максимально змінені пісковики Р Донецько-Макіївського району Донбасу (кількість вторинного кварцу 1,5%, коефіцієнт метаморфічності – 0,19, кількість контактів на зерно 1,6). Серед форм виділення аутигенного кварцу переважають переривчасті облямівки, контакти між теригенними зернами переважно первинні або лінійні, чи точкові вторинні;

Для порід, що містять вугілля групи метаморфізму 3Г – максимально змінені пісковики Р Красноармійського району Донбасу (кількість вторинного кварцу 4,0%, коефіцієнт метаморфічності – 0,18, кількість контактів на зерно 1,8) і пісковики ПВР Донецько-Макіївського району (відповідні показники 3,0%, 0,23, 2,1). Цим породам більш властиві суцільні облямівки регенерації, зустрічаються окремі невеликі (до 5 індивідів) ділянки злитого кварцу з мозаїчною структурою, лінійними і опукло-увігнутими вторинними контактами.

Глибинний катагенез і початковий метагенез характеризуються розчиненням кварцових уламкових зерен під дією температури і тиску зі зміною структури породи в цілому. Збільшується кількість опукло-увігнутих і стилолітових контактів. У відповідності до характеру дотичності зерен виділяють три типи структур, що властиві високим ступеням катагенетичних перетворень: конформна, інкорпораційна, мікростилолітова. Їм притаманна велика кількість вторинних лінійних і опукло-увігнутих контактів. Мікростилолітова структура вирізняється специфічними контактами у вигляді синусоїдально-хвилястих або пилковидних швів, по яких частина зерна вростає в інше. Мікростилолітові шви розвиваються як між мінералогічно однорідними зернами (кварц-кварц), так і між зернами різного складу (кварц-польовий шпат). Описані структурні перетворення починають проявлятися на стадії глибинного катагенезу. Зі збільшенням ступеня метаморфізму йде поступове наростання кількості ділянок зі зміненою структурою, причому для пісковиків, що містять вугілля марок 4Ж і 5К, переважають конформні структури, а для пісковиків, що містять вугілля групи метаморфізму 6ПС – інкорпораційні і мікростилолітові.

Породи, що містять вугілля групи метаморфізму 4Ж – максимально змінені пісковики Р Донецько-Макіївського району Донбасу (вміст вторинного кварцу – 3,6%, коефіцієнт метаморфічності – 0,29, кількість контактів на зерно 2,8) і пісковики ПВР Красноармійського району Донбасу (відповідні показники – 4,5%, 0,25, 2,3). Переважно вторинний кварц представлений суцільними облямівками різної ширини (максимальна до 0,08 мм). Рідко зустрічаються кварцитовидні ділянки зі зростанням в середньому до 5-10 індивідів і виділення вторинного кварцу, як цементу регенераційного типу. Їм притаманні конформні та інкорпораційні структури з лінійними і опукло-увігнутими контактами. В пісковиках Р Донецько-Макіїівського району зустрічаються мікростилолітові шви. Пісковики ПМ, що містять вугілля групи метаморфізму 4Ж, досліджувалися в Красноармійському районі Донбасу і Південно-Західному районі ЛВб. Вони характеризуються незначним ступенем перетворення кварцового матеріалу.

Породи, що містять вугілля групи метаморфізму 5К – максимально зміненими є пісковики Р Красноармійського району Донбасу (вміст вторинного кварцу – 5,0%, коефіцієнт метамор-фічності – 0,39, кількість контактів на зерно 2,9), пісковики Р Південно-Західного району ЛВб (відповідні показники – 5,8%, 0,36, 2,5), пісковики ПВР Донецько-Макіївського району Донбасу (відповідні показники – 5,8%, 0,35, 2,8). Ділянки злитого кварцу з інкорпораційними і конформними структурами набувають значного розвитку. Серед вторинних контактів переважають опукло-увігнуті, лінійні, але досить частими є мікростилолітові шви між зернами одного мінерального складу (Донецько-Макіївський район), що свідчить про значний вплив тиску.

Для пісковиків Р і ПВР суттєве значення має кварцово-регенераційний цемент. Для пісковиків ПМ аутигеннний кварц переважно фіксується у вигляді переривчастих і суцільних облямівок. Вміст вторинного кварцу для відкладів ПМ Донецько-Макіївського району (1–6%, при середньому значенні 3%), в Південно-Західному районі ЛВб (0–5%, при середньому значенні 1,5%). Коефіцієнт метаморфічності становить 0,23 і 0,18, кількість контактів на зерно – 1,8 і 1,3.

Породи, що містять вугілля групи метаморфізму 6ПС – максимально змінені пісковики Р Красноармійського району Донбасу (вміст вторинного кварцу – 6,0%, коефіцієнт метаморфічності – 0,38, кількість контактів на зерно – 2,7). Структурні перетворення пісковиків значні. Ділянки злитого кварцу з конформною та інкорпораційною структурою охоплюють 7-15 індивідів. Вторинні контакти між зернами опукло-увігнуті, конформні, інкорпораційні, мікростилолітові. Характерними є мікростилолітові зчленування між зернами різного мінерального складу. Вторинний кварц утворює переважно цемент регенераційного типу. Рідше зустрічаються чіткі облямівки, нарости, шипи, які є основою мікростилолітових утворень.

Пісковики ПМ змінені менше. Основною формою виділень вторинного кварцу залишаються регенераційні облямівки. Процес перетворення кварцового матеріалу гальмується значною кіль-кістю карбонатів, глинисто-карбонатним цементом, дрібним розміром уламкових зерен. Структур-ні перетворення конформного та інкорпораційного типу зустрічаються рідко. Пісковикам ПМ властиві лінійні, опукло-увігнуті вторинні контакти, в поодиноких випадках мікростилолітові шви.

Породи, що містять вугілля групи метаморфізму 6ПС за ступенем змін можна вважати наближеними до зони метагенезу. В пісковиках Р і ПВР структурні перетворення проявляються інтенсивніше і досягають максимального розвитку в зоні початкового метагенезу.

Пісковики, які містять вугілля групи метаморфізму 7П (зона початкового метагенезу).