Закономерности углеобразования в системе мезозоид и кайнозоид северо-востока России

Часть II. Условия углеобразования.

История углеобразования

На протяжении триаса и большей части юрского периода на описываемой территории существовал морской режим осадконакопления. Первые признаки промышленной угленосности на Северо-Востоке связаны с верхнеюрскими (волжский век) слабоугленосными отложениями орогенных прогибов, приуроченных к зонам крупных разломов в районах сочленения Колымо - Омолонского и Охотского жестких блоков с мезозоидами Яно-Колымской и Чукотской складчатых систем (Омолонский, Челомджинский бассейны). Верхояно-Чукотская складчатая область в поздней юре переживала заключительную фазу геосинклинального развития и почти целиком была покрыта морскими водами. На временно возникавших островах появлялась растительность, а в болотах успевали накопиться небольшие торфяники. Этому способствовал и умеренно-теплый гумидный климат. Территория Корякско - Камчатской области продолжала развитие в геосинклинальном режиме.

Проявившиеся на границе поздней юры и раннего мела тектонические движения Колымской фазы повлекли за собой полное прекращение процессов торфонакопления в течение всей первой половины раннего мела. С этого времени на территории мезозоид наступил континентальный режим осадконакопления. В Корякско-Камчатской геосинклинали по-прежнему сохранялся морской режим.

Благоприятные для торфонакопления условия были созданы в середине мелового периода. Верхояно-Чукотская область, пережив в начале мела общее поднятие, в апт-альбе превращается в ороген, во впадинах и грабенах которого, особенно на границе с Колымо-Омолонским жестким блоком, накапливались угленосные молассы. К таким впадинам приурочены угольные бассейны: Зырянский, Омсукчанский, Анюйский и др. Накопление угленосных моласс происходило преимущественно в прибрежно-бассейновой обстановке, не связанной непосредственно с морем. Продолжал наращиваться молассовый угленосный комплекс на площадях Омолонского и Челомджинского бассейнов. Ландшафты раннемеловой эпохи торфонакопления представляли собой огромные низменности с расположенными на них крупными пресноводными бассейнами. Мощность угленосных отложений в разных бассейнах изменяется от нескольких сотен (Чаун-Чукотский) до нескольких тысяч (Зырянский) метров; количество угольных пластов - от единиц (Чаун-Чукотский) до ста и более (Зырянский). В альбских отложениях буоркемюсской свиты Зырянского бассейна впервые для Северо-Востока отмечаются достоверные остатки покрытосеменных растений. Таким образом, альб выделяется как век крупнейшего перелома в эволюции меловых флор Северо-Востока.

В течение значительной части мелового периода вдоль границы между Верхояно-Чукотской складчатой областью и Колымо-Омолонским жестким блоком с одной стороны и Корякско-Камчатской областью с другой по системе глубинных разломов происходили мощные излияния лав и выбросы туфов с одновременным внедрением крупных гранитоидов. Эти тектоно-магматические процессы привели к образованию Охотско-Чукотского вулканогенного пояса (ОЧВП).

В первой половине позднего мела палеогеографические обстановки в регионе незначительно изменились по сравнению с концом раннемеловой эпохи. Морской режим по-прежнему существовал только на территории Корякско-Камчатской геосинклинали. Охотско-Чукотский вулканогенный пояс в это время представлял собой огромную вулканическую дугу, обрамляющую с севера и запада Корякско-Камчатскую геосинклинальную область. Здесь в это время происходили мощные лавовые извержения. Несмотря на то, что климат в первой половине позднего мела на большей части территории Северо-Востока был относительно прохладным (Красилов,1989; Лебедев,1992) и вполне позволял существовать болотным растениям, тем не менее, торфонакопление здесь практически прекратилось. Главной причиной этого было интенсивное горообразование по периферии области седиментации и неустойчивый тектонический режим, обусловленный развитием вулканизма на территории ОЧВП.

Во второй половине позднего мела море незначительно сместилось на восток, благодаря чему в область торфонакопления была вовлечена значительная часть кайнозойской Анадырско-Корякской складчатой системы. Кроме того, накопление торфяников продолжалось и на территории мезозойской Яно-Колымской складчатой системы. По сравнению с раннемеловым этапом масштабы торфонакопления здесь значительно уменьшились, торфонакопление происходило в основном в небольших наложенных грабенообразных впадинах с континентальным режимом осадконакопления. На территории кайнозоид преобладали рифтогенные и внутрискладчатые прогибы, носящие наложенно-унаследованный характер и отличающиеся большей мощностью отложений и чередованием морских и континентальных фаций. Наиболее характерными представителями первых является Аркагалинский бассейн, вторых - Анадырский и Беринговский бассейны.

На границе мела и палеогена и в палеоцене территория мезозоид и вулканогенного пояса представляла собой обширную денудационную сушу. Анадырско-Корякская система в это время пережила общую инверсию в связи с проявлением ларамийской фазы тектогенеза, сопровождавшейся интенсивным базальтовым вулканизмом. Окончательно сформировались ее складчатые структуры с характерным для них северо-восточным простиранием. Море окончательно покинуло и эту территорию. К этому времени относится и затухание развития Охотско-Чукотского вулканогенного пояса. Климат был холодным (Лебедев,1992). В совокупности все это явилось основной причиной прекращения торфонакопления в регионе в палеоцене. Время интенсивного торфонакопления в палеогене на Северо-Востоке отвечает эоцену. Торфонакопление охватило северную окраину Яно-Колымской складчатой системы (Лаптевско-Янский бассейн) и Анадырско-Корякскую систему (Пенжинский, Анадырский, Беринговский бассейны).

Олигоцен на территории Северо-Востока характеризуется тектонической активностью, горообразованием и похолоданием климата (Николаев и др., 1977). В это время в отдельных впадинах происходило накопление преимущественно крупнообломочных плохо сортированных отложений. Благоприятные условия для торфонакопления были созданы в миоцене, что связано с выравниванием расчлененного в олигоцене рельефа. Торфонакопление охватило территории Верхояно-Чукотской складчатой области (Лаптевско-Янский, Аркагалинский, Сеймчано-Буюндинский и Чаун-Чукотский бассейны), Корякско-Камчатской области (Анадырский бассейн) и Охотско-Чукотского вулканогенного пояса (Охотский бассейн).

В плиоцене на всей территории Северо-Востока произошло похолодание, что связано с новым этапом тектонической активизации. По данным Ю.П.Барановой (1977) плиоценовые отложения имеют ограниченное распространение, мощность их 10-300м. Небольшие залежи лигнитов этого возраста известны в Анадырском бассейне.

Факторы торфонакопления

Условия торфонакопления на Северо-Востоке охватывали широчайший диапазон тектонических обстановок - от раннеорогенных до субплатформенных. Здесь сосуществуют блоки континентальной земной коры разновозрастной консолидации, включающие местами фрагменты коры океанического типа. Торфонакопление происходило как на побережье морей, так и во внутриконтинентальных обстановках. Климат изменялся от умеренно холодного и сухого до теплого и влажного. В торфонакоплении принимали участие в разном количественном соотношении споровые, голосеменные и покрытосеменные растения. Геохимическая среда разложения растительного материала по Еh изменялась от окислительной до восстановительной (сероводородной), по рН - от сильнокислой до слабощелочной. Без знания условий торфонакопления прогноз угленосности отложений и качества углей может привести к ошибочным рекомендациям. В диссертации рассмотрено значение таких факторов торфонакопления, как геотектонический и гидрологический режимы, климат, рельеф, состав болотной растительности, геохимическая среда, характер деятельности микроорганизмов и др. Все эти факторы взаимосвязаны и далеко не каждый из них непосредственно определяет процесс торфонакопления. Всё зависит от конкретной геологической и физико-географической обстановки. Один и тот же фактор в одной обстановке может оказаться главным в формировании торфяника, в другой - второстепенным. Торфяники большой мощности могут формироваться как в условиях высокой биологической продуктивности болот, так и низкой продуктивности, но если при этом степень разложения и минерализации растений - торфообразователей будет незначительной. Степень разложения торфа может быть низкой в одном случае из-за быстрого покрытия торфяника водой, в другом - в связи с выделением растениями - торфообразователями антисептиков, препятствующих развитию микробов, и в третьем случае - при неблагоприятной для жизнедеятельности микроорганизмов геохимической среды, например щелочной.

Влияние климата на масштабы древнего торфонакопления прослежено путем сравнения масштабов углеобразования в различных климатических поясах на территориях, близких по тектоническим режимам и палеогеографическим обстановкам. Рассматриваемая в диссертации территория во все эпохи углеобразования находилась в пределах одного пояса - северного гумидного, отделенного от экваториального аридным климатическим поясом. Согласно представлениям А.Б. Ронова и А.Н. Балуховского (1981) в северный пояс углеобразования входят умеренный гумидный и прилегающие к нему субтропический и тропический гумидные пояса. Сравнение распространения накопленной фитомассы, гумуса и торфа по северному и экваториальному гумидным поясам в современную эпоху показывает, что количество их в экваториальном поясе значительно уступает умеренному поясу, несмотря на значительно больший объем производимой здесь фитомассы. Причины этого связаны с климатом, определяющим биохимические условия разложения растительного опада, и динамикой поверхностных вод. Экваториальному поясу отвечает наиболее благоприятная среда обитания для бактерий, разлагающих растительный опад в почвах и торфогенном слое. Быстрому разложению растительного опада в экваториальном поясе способствует и повышенное содержание в составе растений глюкозы и целлюлозы и низкое лигнина, смол и жиров. Низкую скорость накопления растительного опада в экваториальном поясе определяет и динамика поверхностных вод, связанная с повышенным их стоком. Распространив полученные представления об условиях современного торфонакопления последовательно на неогеновое и палеогеновое торфонакопление, выяснилось, что и в кайнозое в экваториальном гумидном поясе по сравнению с умеренным гумидным поясом интенсивность торфонакопления была ниже. Как и в современную эпоху торфонакопление сдерживалось большими масштабами разложения торфообразующей растительности и интенсивным выносом её из торфяников поверхностными водами. Рассчитанные по всем кайнозойским месторождениям мира средние мощности угольных пластов показали, что в умеренном гумидном поясе они составили 13,0м., в тропическом и субтропическом гумидных поясах-8,5м, в экваториальном гумидном поясе - 2,3м. В мелу масштабы углеобразования в умеренном поясе по сравнению с экваториальным выражены еще более контрастно. На территории первого были сформированы сотни месторождений, второго-единицы. Наши данные по мощностям угольных пластов Северо-Востока из отложений мелового, эоценового и миоценового возраста полностью подтверждают сделанные выше выводы относительно влияния климата на масштабы угленосности.

Тектоническому фактору принадлежит ведущая роль в создании общих условий формирования угленосных отложений, масштаба их распространения, мощности и состава, а также количества и мощности угольных пластов. При определении его роли учитывалось, что современные контуры большинства угольных бассейнов, особенно мелового и палеогенового возраста, значительно сокращены и изменены по сравнению с первоначальными контурами в результате более поздних структурных преобразований и размыва значительной части угленосных отложений. Главная особенность тектонического развития региона заключается в том, что он в мезо-кайнозойское время не вступил в платформенный этап развития. В результате, на большей части его территории отсутствует сплошной платформенный чехол, а образование осадочных, в том числе угленосных, отложений локализовано в разобщенных, относительно небольших, наложенных структурах, возникших в результате складчатости на орогенном этапе развития. Минимумы углеобразования на Северо-Востоке отвечали эпохам активизации тектонических движений, а максимумы - эпохам полной их стабилизации. Активизация тектонических движений в первых половинах раннего и позднего мела, палеоцене и олигоцене приводила к образованию сильно расчлененного рельефа, исключавшего торфонакопление. Стабилизация тектонической активности, выравнивание рельефа способствовали торфонакоплению, а продолжительность и частота этого процесса определяли мощность и количество угольных пластов в бассейне. Анализ влияния тектоники на угленосность показывает, что все основные параметры угленосной толщи зависят от положения угольного бассейна в пределах региональных структур земной коры, стадии их тектонического развития и режима колебательных движений. Отличительные черты угленосности бассейнов разного типа показаны в таблице 2, из которой видно, что наиболее высокой угленосностью характеризуются бассейны, расположенные в пределах складчатых областей.

Влияние вулканизма на продуктивность растительного мира связано с выбросом в атмосферу большого количества СО2 и СО, что создаёт так называемый <парниковый> эффект и способствует продуктивности растительного мира. Кроме этого, наземные продукты вулканических извержений содержат в себе минеральные соединения, стимулирующие развитие растений. В то же время, выбрасывая в атмосферу аэрозоли, ослабляющие поток коротковолновой радиации, вулканические процессы понижают температуру, тем самым, снижая продуктивность растений. Какой из этих факторов оказывал большее влияние на климаты геологического прошлого можно определить, видимо, только путем использования прямых его показателей. Материалы по Северо-Востоку показывают, что в пределах Охотской ветви ОЧВП ( Малтанская угленосная площадь) в позднем мелу вулканическая деятельность сопровождалась похолоданием климата. Рельеф земной поверхности мог исключать процесс торфонакопления или, наоборот, способствовать его широкому развитию. Это происходило в связи с тем, что рельеф оказывал существенное влияние на климат, состав болотных растений и условия их разложения.

Влияние рельефа на торфонаколение неразрывно связано с тектоникой и активностью денудационно-аккумулятивных процессов. Если интенсивная тектоническая деятельность периодически препятствовала торфонакоплению, то денудационно-аккумулятивные процессы, выравнивая рельеф, создавали благоприятные для этого условия. Такие условия на Северо-Востоке были созданы во второй половине раннего и позднего мела, эоцене и миоцене.

Сообщество растений-торфообразователей в комплексе с другими факторами в значительной мере определяли петрографический состав угля и мощность угольных пластов. В зависимости от состава растений - торфообразователей находилась степень разложения торфа. По данным В.Е. Раковского (1978) степень разложения торфа в современных торфяниках сильно зависит от содержания в растениях целлюлозы, которая разлагается в первую очередь. Степень разложения торфа зависит также от содержания в торфянике антисептиков, которых особенно много в сфагновом торфе. Антисептики подавляют деятельность бактерий, тем самым снижая степень разложения торфа. Угли, образовавшиеся из торфов, накопленных с участием сфагновых мхов, характеризуются относительно высоким содержанием телинита и низким коллинита. Сильными антисептическими свойствами в современных торфяниках обладает и фенол-пиносильвин, выделяемый хвойными растениями. Поэтому древесина хвойных оказывается более устойчивой в процессе биохимического разложения. Эти различия отразились на составе углей Северо-Востока. На месторождениях, расположенных во внутриконтинентальных районах, где широкое участие в торфонакоплении принимали хвойные растения, содержание в угле телинита повышенное. На морских побережьях, где большое участие принимали лиственные древесные формы, уголь почти целиком сложен коллинитом. Большое значение для разложения растений-торфообразователей имеет и содержание в их составе минеральных элементов. По данным А.И. Перельмана (1975) и В.Е. Раковского (1978) в опаде хвойных растений по сравнению с опадом лиственных фосфора и калия, стимулирующих развитие бактерий, значительно меньше, а в покрытосеменных растениях, по сравнению с голосеменными и некоторыми споровыми, больше кальция. Возвращаясь в торфяник с опадом, кальций не только способствовал развитию нового поколения растений, но и приводил к нейтрализации кислой среды торфонакопления и тем самым стимулировал жизнедеятельность бактерий. Высокое содержание в торфе кремнезема не способствует активной жизнедеятельности бактерий. Это предопределяет недостаточно глубокое его разложение. Высоким содержанием кремнезема характеризуются сфагновые мхи и хвощи. На рассматриваемой территории везде, где в торфонакоплении широко участвовали сфагновые мхи и хвощи, содержание телинита в углях высокое. Содержание битумов, в том числе и воска, также зависит от состава растений-торфообразователей. В первую очередь связано это с пальмами. На Северо-Востоке везде, где в торфонакоплении широкое участие принимали пальмы, угли характеризуются повышенной битуминозностью.

Влияние состава растений-торфообразователей на мощность угольных пластов было обусловлено, с одной стороны, неодинаковой продуктивностью болот, расположенных в различных ландшафтных зонах, с другой - степенью разложения торфа. На морских побережьях с высокой соленостью вод в сильно восстановительной среде, в которой существование высших растений невозможно, торфонакопление не происходило (Хатырский бассейн в палеогене). На территории предгорных низменностей в мангровых солоновато-водных болотах в восстановительной с H₂S среде формировались пласты угля небольшой мощности (2-3м.). Здесь дефицит кислорода определял относительно низкую биологическую продуктивность болотных растений (месторождение Бухта Угольная в Беринговском бассейне). Во внутриконтинентальных районах в составе болотных растений доминировали хвойные и сфагновые мхи, продуцирующие антисептики. Несмотря на относительно невысокую биопродуктивность торфяников, низкая степень разложения торфа способствовала формированию здесь мощных пластов угля.

Геохимическая среда торфонакопления существенным образом влияет на формирование петрографического состава углей и мощность угольных пластов. Зависимость петрографического состава углей от геохимической среды торфонакопления объясняется разной активностью и жизнестойкостью в различных средах микроорганизмов, которым принадлежит основная роль в разложении растительных остатков. По данным В.Е.Раковского (1978) наиболее благоприятная среда для обитания в торфяниках бактерий и актиномицетов - нейтральная, близкая к слабокислой. По данным А.И.Перельмана (1975) такой среде отвечает и наиболее высокая скорость разложения растительного материала. Угли, образовавшиеся в такой среде, содержат очень мало телинита и много коллинита. По мере смещения среды в сторону кислой или щелочной содержание телинита в углях возрастает, а коллинита падает. При переходе от восстановительной (сероводородной) обстановки к окислительной (кислородной) петрографический состав угля также существенно меняется. В этом направлении в составе угля количество телинита, фюзинита и липтинита в целом возрастает, а коллинита падает. На территории Северо-Востока России, начиная с юры и до неогена включительно, наблюдается постепенное смещение геохимической среды торфонакопления по Еh в сторону восстановительной. Во внутриконтинентальной обстановке она была преимущественно глеевой, в прибрежно-морской - сероводородной. По рН среда постепенно смещалась от кислой до щелочной.

Изменение мощности угольных пластов в зависимости от щелочно-кислотных условий выражается в том, что малые мощности пластов, как правило, отвечают нейтральной и слабокислой средам. По мере роста кислотности или щелочности мощность пластов возрастает. При переходе от восстановительной (сероводородной) среды к окислительной (кислородной) мощность угольных пластов также возрастает. Причиной этого является уменьшение степени разложения растений-торфообразователей. Угли Северо-Востока, сформированные во внутриконтинентальных обстановках, характеризуются более низкой степенью разложения торфа и наоборот, угли, сформированные в прибрежно-морских обстановках, характеризуются более высокой степенью разложения торфа.

В сторону окислительной среду смещает высокогорный рельеф и неустойчивый гидрологический режим. При этом формируются угли с низким содержанием серы (0,2-0,3%). На территории предгорных низменностей вблизи морских побережий среда торфонакопления смещается в сторону восстановительной с Н₂S (сероводородной). Здесь формируются угли с относительно высоким содержанием серы (более 1%). Промежуточное положение между этими средами занимает восстановительная (глеевая). В углях, образовавшихся в такой среде, содержание серы изменяется от 0,2-0,3 до 1,0%. Восстановительная (сероводородная) обстановка торфонакопления не всегда связана с подпитыванием торфяника морской водой. Такая среда может сформироваться и во внутриконтинентальных условиях, если в области денудации размываются сульфатсодержащие породы (пример-Эльгенское месторождение Сеймчано-Буюндинского бассейна). И наоборот, окислительная (кислородная) обстановка торфонакопления не обязательно связана с внутриконтинентальными условиями. Формирование её может происходить и на территории, прилегающей к морю (пример-ряд месторождений Охотского бассейна). Здесь, в связи с тем, что торфяники со стороны континента были окружены горами, откуда в область седиментации поступали в большом количестве пресные воды, смещения среды в сторону восстановительной (сероводородной) не произошло.

Щелочно-кислотные условия торфонакопления в значительной степени определяются составом пород в области размыва. В сторону кислой среда смещается, если в области денудации размываются бескарбонатные терригенные породы, либо магматические породы кислого состава. Если же в области денудации размываются карбонатные породы или магматические основного состава, то среда торфонакопления может измениться до щелочной.