Позднемеловое торфоугленакопление на северо-востоке России

Позднемеловое торфоугленакопление на северо-востоке России

Accumulation and development of peats which had been consequently transformed into various coals were conditioned by such factors as: geological settings including structural position, climate, species composition of peat-forming plants, and geochemical conditions. These parameters are considered for the Late Cretaceous epoch in the Russian North-East.

1. Структурное положение и геологическое строение позднемеловых угленосных впадин

Позднемеловое торфонакопление происходило в позднесенонское время (кампанском и маастрихтском веках) и датском веке, что, в целом, соответствует интервалу 85-65 млн лет. По сравнению с раннемеловым оно сместилось на восток и охватило Северо-восток России. В Яно-Колымской складчатой системе, Индигиро-Колымской области и Охотской ветви Охотско-Чукотского вулканического пояса торф накапливался в континентальных впадинах (прогибах), а на значительной части Анадырско-Корякской системы - в прибрежно-морских обстановках (рис. 1). В каждой из перечисленных структур существовала своя угленосная провинция со свойственным ей геологическим режимом и строением, рельефом, климатом, растительностью и геохимическим фоном торфонакопления.

Яно-Колымская угленосная провинция представлена Аркагалинской группой межгорных впадин, включающей Аркагалинскую, Верхне-Нерскую, Средне-Берелехскую, Малык-Сиенскую и Хиникенскую впадины. Все они образовались в конце первой половины позднего мела и приурочены к глубинным разломам. В основании позднесенонских угленосных отложений с резким угловым несогласием на породах триасово-юрского верхоянского комплекса залегают конгломераты и континентальные красноцветные осадки. Во впадинах преобладают делювиально-пролювиальные осадки, кверху сменяющиеся аллювиальными и иногда озерными. Мощность угленосных отложений провинции 400-600 м [5, 6, 10]. Количество угольных пластов от двух до пяти. Угли каменные длиннопламенные.

В Индиргиро-Колымской провинции известен Зырянский угольный бассейн, представляющий собой группу впадин, сформированных в позднеюрскую-раннемеловую эпохи. Верхнемеловые угленосные отложения залегают с угловым несогласием на поверхности размыва нижнемеловых, также угленосных, отложений. Здесь развиты, в основном, аллювиальные, меньше озерные осадки, представленные песчаниками, алевролитами, углями и конгломератами. Угли бурые, переходные к каменным.

Рис. 1. Схема тектонического районирования Северо-востока России по [17, 18] с упрощениями и дополнениями автора

Условные обозначения. 1 - Сибирская платформа, 2 - Верхояно-Чукотская складчатая область, системы: ЯК - Яно-Колымская, ЧС - Чукотская; 3 - Индигиро-Колымская область, 4 - Кони-Тайгоносская система, 5 - Анадырско-Корякская система, 6 - Охотско-Чукотский вулканический пояс; 7 - позднемеловые угленосные прогибы (впадины): АР - Аркагалинский, З - Зырянский, У - Ульинский, П - Первомайский, П-М - Пенжинско-Марковский, А - Анадырский, БР - Беринговский

В Охотской провинции торф накапливался в Ульинской и Первомайской межгорных впадинах. Угленосные отложения Ульинской впадины мощностью 450 м залегают на вулканитах среднего состава [2] и сложены вулканическими породами - липаритами, дацитами, их туфами, туфопесчаниками и углями [12]. В Первомайской впадине угленосные отложения мощностью 120 м подстилаются кислыми эффузивами. Внизу они сложены конгломератами, выше - песчано-глинистыми отложениями с пластами высокозольных углей, переходных от бурых к каменным.

В Анадырско-Корякской провинции торф накапливался в Пенжинско-Марковском, Анадырском и Беринговском прогибах - на приморских низменностях, иногда заливавшихся морем. Угленосные отложения мощностью в среднем 1000 м представлены обломочными породами - от конгломератов до глин и углей. Количество пластов угля от 4 до 20. Их наибольшая мощность (до 11 м) на северо-востоке - в Пенжинско-Марковском прогибе, к юго-востоку мощность пластов уменьшается. Угли каменные длиннопламенные и газовые.

Таким образом, на Северо-Востоке России в позднем мелу торфоугленакопление происходило, главным образом, во внутриконтинентальных прогибах и только в Анадырско-Корякской провинции - на прибрежно-морской равнине, иногда заливавшейся морем. Показателем влияния морских вод на торфяники является сернистость углей. В углях, образовавшихся в континентальных условиях, серы, как правило, не более 0,2-0,3 %. В углях Анадырско-Корякской провинции - 0,5-0,75 %, а в некоторых месторождениях Анадырского и Беринговского прогибов, расположенных вблизи морского побережья, достигает 2-3 %.

2. Климат и растительность

В позднем мелу на Северо-востоке России выделено три типа климата: теплоумеренный континентальный, умеренно-холодный континентальный влажный и субтропический (рис. 2).

Рис. 2. Палеогеографическая и палеоклиматическая схема для позднего мела Северо-Востока России

Условные обозначения. 1 - море, 2-4 - рельеф: 2 - низменности, временами заливавшиеся морем, 3 - холмистые равнины, плато и низкие горы, 4 - аккумулятивно-вулканогенный рельеф Охотско-Чукотского окраинно-континентального вулканического пояса. 5-7 - Климаты: 5 - субтропический, 6 - теплоумеренный континентальный, 7 - умеренно холодный континентальный. 8-10 - Господствующие растительные формации: 8 - широколиственные с участием вечнозеленых, 9 - мелко- и широколиственные с участием хвойных, 10 - мелколиственные и хвойные. 11 - угленосность, мощность отложений в метрах, 12 - границы палеорельефа (сплошные линии) и палеоклиматов (пунктирные линии)

В Яно-Колымской и Индигиро-Колымской провинциях торф накапливался в условиях теплоумеренного континентального климата, причем во второй провинции, благодаря близости моря, располагавшегося северо-восточнее Зырянского угольного бассейна, климат был несколько теплее. В составе растительности, произраставшей в этом климате, было много тепло- и влаголюбивых форм.

Во время накопления нижней части угленосных отложений преобладали лиственно-хвойные леса с преобладанием елей и сосен, а также широкоми участками папоротников и мхов. Хвойные деревья и сфагновые мхи росли на горных склонах, окружающих впадины, в центральной части которых больше было покрытосеменных растений. В это время главными торфообразующими растениями были сфагновые мхи, осмундовые и полиподиевые папоротники и плауновидные, а участие хвощевых и схизейных папоротников было незначительным.

Верхняя часть угленосных отложений формировалась в период преобладания лиственных лесов с некоторой примесью хвойных. Среди лиственных форм стало больше ивы, ольхи, берез и теплолюбивых платановых. Среди голосеменных появились таксодиевые и гинкговые, но потеряли прежнее значение сосна и ель и более редкими стали сфагновые мхи. Роль папоротников была еще велика. Угли образовались здесь в основном, из древесных форм - ивы, березы и таксодиевых. Роль травянистых осмундовых папоротников и плауновидных в торфонакоплении возросла, сфагновых мхов - уменьшилась, а схизейных и хвощевых осталась на том же уровне.

В Охотской провинции по остаткам растительности в отложениях Ульинской и Первомайской впадин реконструируется умеренно-холодный континентальный влажный климат. Здесь основная роль (40-50 %) принадлежала хвойным, а покрытосеменные составляют 25 % [8] (во впадинах Аркагалинской группы их 36-70 %). Теплолюбивых форм среди покрытосеменных не установлено. Гинкговые и цикадофиты очень редки. Среди споровых заслуживают внимания глейхениевые и некоторые другие папоротники, современные представители которых обитают во влажных, нередко горных районах, или селятся на продуктах вулканических извержений [5].

Состав растительности указывает, что климат был гумидным умеренно холодным и, по сравнению с климатом впадин Яно-Колымской провинции, занимавших более низкое положение в рельефе, был более прохладным. От влияния тепла юго-восточных морей Охотская провинция была отгорожена вулканическим нагорьем.

Многие авторы считают, что вулканизм создает путем выброса в атмосферу двуокиси и окиси углерода так называемый парниковый эффект, который стимулирует развитие растительности. В нашем же случае, наоборот, климат похолодал и биопродуктивность уменьшилась. Это могло быть связано с горообразованием и, возможно, выбросом в стратосферу аэрозолей, ослабивших коротковолновую радиацию [3].

В Анадырско-Корякской провинции торфонакопление происходило в субтропическом теплом океаническом климате. Здесь господствовали широколиственные леса с участием вечнозеленых, в которых не менее половины составляли покрытосеменные растения. Среди них значительной была роль тропических и субтропических растений - миртовых, протейных и пальм, а также растений умеренных широт - берез и ольхи. Из голосеменных были распространены сосновые и таксодиевые, а из споровых - разнообразные папоротники семейства полиподиевых [1, 16]. В юго-восточном направлении среднегодовая температура и влажность возрастали, уменьшалась роль хвойных, сфагновых мхов и становилось больше тепло- и влаголюбивых тропических и субтропических форм. Торфообразующие растения представлены разнообразными полиподиевыми папоротниками, а роль осмундовых папоротников и сфагновых мхов была небольшой. Из голосеменных преобладали таксодиевые и реже сосновые.

Таким образом, позднемеловой климат Северо-востока России с юга на север и с запада на восток становился более теплым и влажным и, соответственно, в этих же направлениях росла роль теплолюбивых и влаголюбивых растений.

Известно, что потепление климата и рост влажности повышают биопродуктивность болот. Например, в современных заболоченных тропических лесах растительная масса составляет 500 т/га, а ежегодная продукция 25 т/га. В болотах же таежных лесов умеренного пояса эти величины составляют соответственно 80 и 4 [11]. С другой стороны, в лесах влажных тропиков, благодаря действию микробов, растительный материал разлагается быстрее, и в них практически нет лесной подстилки. Отношение подстилки к годовому опаду (подстилочный индекс) там менее 0,1, в то время как в заболоченной тайге и тундре оно более 50. Возможно, поэтому в Анадырско-Корякской провинции в условиях субтропического влажного климата накопились пласты угля малой мощности - 0,5-1,5 м, а во внутриконтинентальных Яно-Колымской и Индигиро-Колымской провинциях с более сухим и прохладным климатом, несмотря на невысокую биопродуктивность болот, мощность пластов угля, как правило, большая (5-15 м). В последнем случае разложение и минерализация исходного растительного материала сдерживались, с одной стороны, низкой температурой деятельного слоя торфяников, а с другой тем, что в составе торфа было много хвойных и сфагновых мхов, выделявших вещества, защищающие растительный материал от разложения. Если же среднегодовая температура становилась еще ниже, происходило образование подзола и дальнейшее уменьшение продуктивности растительности. По-видимому, в Охотской провинции в таких условиях формировались пласты высокозольных углей малой мощности.

3. Геохимическая среда торфоугленакопления

Этот фактор - один из важнейших в формировании петрографического состава углей. Среду характеризуют кислотно-щелочные (рH) и окислительно-восстановительные (Eh) условия болотной среды, в которой выделяют среды: по рH - нейтральную (pH = 7), кислую (менее 7) и щелочную (более 7); по Eh - окислительную, восстановительную без сероводорода (глеевую) и восстановительную сероводородную. Высокогорный рельеф и неустойчивый водный режим смещают среду в сторону окислительной, в которой формируются угли с низким содержанием серы (0,2 -0,3 %). В приморских низменностях среда смещается в сторону восстановительной с сероводородом, и содержание серы в углях, формировавшихся в этих условиях, более 1 %. В промежуточных условиях - восстановительной (глеевой) среде образуются угли, в которых серы от 0,2-0,3 до 1 %.

Кислотно-щелочные условия торфонакопления во многом зависят от состава пород области питания болот, а также от состава исходного растительного материала. например, голосеменные (сфагновые мхи и хвойные) снижают pH до 3,2-4,5 [7, 11], а покрытосеменные (березы, ивы и др.) повышают ее, благодаря более высокому содержанию в них кальция. В сторону кислой среду смещают поступление в болота безкарбонатных обломочных или кислых магматических пород. Это же происходит, когда торф образуется из сфагновых мхов, сосны, ели и таксодиевых и впоследствии преобразуется в угли с низким содержанием в золе CaO, Fe₂O₃, MgO и высоким - SiO₂. При поступлении же карбонатных или основных магматических пород, а также при участии в накоплении торфа покрытосеменных (березы и ольхи) среда смещается в сторону щелочной. При этом в золе углей содержание SiO₂ снижается, а CaO и MgO растет.

Отмеченные различия позднемелового климата Северо-Востока и особенно растительности влияли в какой-то мере и на химические обстановки среды торфонакопления.

В Яно-Колымской провинции по pH выделяются кислая и слабокислая среды торфонакопления. Кислая среда свойственна времени образования нижней части угленосной толщи, а слабокислая - верхней. Кислую среду обусловило преобладание в составе болотных растений сфагновых мхов и хвойных и поступление в торфяники частиц песчано-глинистых сланцев, содержащих мало кальция. Смещение среды в сторону слабокислой было вызвано уменьшением в составе исходной растительности роли сфагновых мхов и хвойных и увеличением роли покрытосеменных - березы и ивы, а также преобладанием глинистой составляющей в почве угольных пластов. Установлено [17], что в этом случае кислотность (pH = 6,5-7,5) ниже, чем на песчаных почвах (pH = 4,5-6,5). По Eh среда, в целом, была здесь восстановительной глеевой (без сероводорода). В сторону восстановительной среду смещало образование органических кислот в результате разложения растений в торфянике. Сильных восстановителей, например, сероводорода, здесь было мало, так как область накопления торфа находилась внутри континента и не имела связи с морем. Смещению среды в сторону окислительной препятствовала высокая обводненность торфяников, обусловленная интенсивным поступлением грунтовых вод и высокой влагоемкостью сфагновых мхов.

В Индигиро-Колымской провинции химическая среда была такой же, как для верхней части угленосной толщи Яно-Колымской провинции, и по тем же причинам.

В Охотской провинции среда по pH была кислой или сильно кислой, а по Eh - восстановительной глеевой. Здесь основным компонентом торфа были хвойные растения. В Ульинскую впадину поступали продукты размыва основных и средних вулканитов, в которых много кальция, а в Первомайскую - кислых вулканитов, обедненных этим элементом. Среда Первомайской впадины была более кислой.

В Анадырско-Корякской провинции среда торфонакопления по pH была близка к нейтральной, благодаря значительному поступлению в торфяники кальция, источником которого были базальты и андезитобазальты вулканического пояса [9, 15]. Поэтому содержание CaO в углях здесь высокое - до 5,5-14 % [4]. По Eh среда была восстановительной - от глеевой до сероводородной, поскольку, благодаря влиянию моря, содержание серы в углях возрастает в юго-восточном направлении от 0,4 до 2,0 %.

Почему же торфонакопление не получило распространения в первой половине позднего мела ?

В Верхояно-Чукотской и Индигиро-Колымской областях, огражденных Охотско-Чукотской вулканической горной грядой от влажного воздуха морей, расположенных юго-восточнее, с конца раннего мела началось выравнивание горного рельефа и формирование красноцветных кор выветривания в сухом и прохладном климате. Такие условия были неблагоприятны для формирования торфяников.

В Анадырско-Корякской системе в первой половине позднего мела накапливались морские, реже континентальные безугольные отложения. Климат был здесь несколько прохладнее, чем во второй половине позднего мела, но он вполне позволял существование болотных растений. Здесь были широко распространены как влаголюбивые папоротники и таксодиевые, так и умеренно теплолюбивые араукариевые и платановые. По-видимому, главной помехой накоплению торфа было горообразование по периферии области осадконакопления и неустойчивый тектонический режим, обусловленный широким развитием вулканизма в Чукотской ветви вулканического пояса. Это определило формирование крупнообломочных, а не тонкозернистых осадков, с которыми обычно ассоциируются угли. На северо-западе Пенжинско-Марковского прогиба, прилегающего в сеномане-туроне к области питания бассейнов торфонакопления, конгломераты и гравелиты составляют до 85 % мощности отложений. С удалением от области питания крупнообломочных отложений становится меньше, но все же они преобладают. Это привело к тому, что торфяники накапливались только эпизодически на небольших площадях.

Литература

1. Белая Б.В., Дорт-Гольц Ю.Е., Терехова В.Е. Кайнозойские отложения бассейна р. Анадырь // Кайнозой Северо-Востока СССР. Магадан. 1975. С. 86-99.

2. Белый В.Ф. К стратиграфии позднемезозойских образований центральных районов побережья Охотского моря // Мезозой Северо-Востока СССР. Магадан. 1975. С. 87-88.

3. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 351 с.

4. Бялобжеский С.Г., Григорьев В.Н. Сравнительная гидрохимическая характеристика базальтоидов Корякского хребта в связи с тектоническим развитием района // Геотектоника, 1981. № 3. С. 94-105.

5. Егоров А.И., Пензин Ю.П. Угленакопление в кайнофите на Северо-востоке СССР. Ростов-на-Дону. 1987. 179 с.

6. Желамский А.Г. О меловых отложениях на Худжахском крыле Верхне-Нерской впадины // Колыма. 1968. № 4. С. 36-39.

7. Лапо А.В. Следы былых биосфер. М.: “Знание”, 1979. 172 с.

8. Лебедев Е.Л. Меловая флора бассейна р. Ульи (Западное Приохотье) // Мезозой Северо-Востока СССР. С. 126-127.

9. Марков М.С., Пущаровский Ю.М., Тильман С.М. и др. Тектоника Востока Азии и Дальневосточных морей // Геотектоника. 1979. № 1. С. 3-21.

10. Наталенко В.Е., Хайкина С.Л., Белая Б.В. Меловые отложения Хиникенской впадины // Материалы по геологии и полезным ископаемым Северо-Востока СССР. Вып. 18. Магадан. 1966. С. 102-108.

11. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Высшая школа. 1975. 341 с.

12. Попов Г.Г. Зырянский каменноугольный бассейн // Геология месторождений угля и горючих сланцев. М.: Госгеолтехиздат, 1962. Т. 10. С. 32-96.

13. Тектоническая карта Востока СССР и сопредельных областей. Масштаб 1:2 500 000. Под ред. С.М. Тильмана и др. Магадан. 1979.

14. Тильман С.М. Тектоника и металлогения Северо-востока СССР // Сов. геология. 1982. № 1. С. 27-35.

15. Филатова Н.И. Меловой-палеогеновый вулканизм зоны перехода Верхояно-Чукотской и Корякско-Камчатской областей // Геотектоника. 1979. № 5. С. 98-116.

16. Хайкина С.Л. Спорово-пыльцевые комплексы из меловых и палеогеновых отложений бассейна р. Анадырь и района бухты Угольной // Материалы по геологии и полезным ископаемым Северо-Востока СССР. Вып. 19. Магадан. 1965. С. 77-171.

17. Штах Э.М., Маковски Т., Тейхмюллер М. и др. Петрология углей. М.: Мир, 1978. 554 с.