Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Спеціальність: 04.00.16 “Геологія твердих горючих копалин”

РЕКОНСТРУКЦІЯ УМОВ КАРБОНОВОГО ТОРФОНАКОПИЧЕННЯ ЗА ПАЛІНОЛОГІЧНИМИ ТА ВУГЛЕПЕТРОГРАФІЧНИМИ ДАНИМИ

(НА ПРИКЛАДІ ДОНЕЦЬКОГО БАСЕЙНУ)

ПАНКОВА МАРИНА ГРИГОРІВНА

Дніпропетровськ - 2007

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Відповідно до стратегії видобутку вугілля в Україні, спрямованої на створення надійної сировинної бази й підвищення енергетичної безпеки країни, пріоритетом є найбільш раціональне відпрацьовування вугільних родовищ. Це ставить перед геологорозвідувальною практикою та наукою завдання підвищення ефективності робіт і наукового обґрунтування прогнозів з пошуку, розвідки родовищ, достовірності їх геолого-промислової оцінки на основі вдосконалення та розробки методів вивчення вугільних пластів. Потрібний також і подальший розвиток вчення про механізм формування вугільних родовищ, тому що і досі відсутні єдині науково обґрунтовані уявлення щодо цього питання. Отже виявлення умов древнього торфонакопичення є однією з важливих проблем вугільної геології. Для її вирішення необхідно не тільки комплексне використання палінологічного та вуглепетрографічного методів, але й подальша розробка палеоекологічого підходу до інтерпретації отриманих даних. Ці знання дадуть можливість обґрунтувати наукові положення і виробити нові методологічні прийоми для зіставлення та стратифікації розрізів вугільних пластів з виділенням надійних критеріїв. Крім того, дані з реконструкції обстановок торфонакопичення необхідні для рішення і низки інших практичних завдань: переоцінки запасів з метою розширення сировинної бази, вивчення якості вугілля, раціонального його використання, морфології вугільних пластів, тощо.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планових досліджень з наукової тематики Дніпропетровського відділення Українського державного геологорозвідувального інституту на основі договорів з Міністерством геології УРСР (у подальшому перейменованого в Державний комітет геології та використання надр України) і в Інституті геологічних наук Національної академії наук України. Номера державної реєстрації НДР: 01830063864, 01850063606, 0100U001283, 0102U003663. Тематичні дослідження виконувалися в плані програми “Зміцнити мінерально-сировинну базу коксівного вугілля Української РСР на період 1982-2000 рр.”, “Комплексної міжвідомчої програми з наукового і методичного забезпечення регіональних геологічних досліджень (2003-2010 рр.)” і “Концепції нарощування мінерально-сировинної бази, як основи стабілізації економіки України на період до 2010 року”.

Мета й завдання досліджень. Метою роботи є здійснення реконструкції умов карбонового торфонакопичення за палінологічними та вуглепетрографічними даними на прикладі Донецького басейну.

Для досягнення поставленої мети у дисертації вирішувалися такі основні завдання:

-удосконалити методику палінолого-вуглепетрографічних досліджень вугільних пластів і використати її для рішення наукових і прикладних завдань;

-розробити методичні аспекти палеоекологічного аналізу реконструкції умов торфонакопичення;

встановити мікроспори рослин-торфоутворювачаів і їх зв'язок з речовинним складом вугілля;

-виявити особливості формування покладів торфу нижнього і середнього карбону за палінологічними і вуглепетрографічними даними;

-вирішити питання стратифікації й кореляції ряду вугільних пластів нижнього й середнього карбону;

-розробити генетичну класифікацію вугілля за ботанічною приналежністю торфоутворюючих рослин;

-вивчити технологічні параметри виділених генетичних груп вугілля.

Ідея роботи - встановлення закономірних генетичних зв'язків палінологічних та вуглепетрографічних даних з позицій палеоекологічного аналізу щодо реконструкції умов карбонового торфонакопичення.

Об'єкт дослідження карбонове торфонакопичення на території Донбасу.

Предмет дослідження вугільні пласти нижнього і середнього карбону Донецького басейну: с₇^н+в, с₈^н+в, с₁₀, с₁₁, k₂^н, k₈, l₂, l₆.

Методи дослідження. Поставлені завдання вирішувалися за допомогою комплексу досліджень. При цьому для вивчення вугільних пластів у польових умовах, речовинного складу вугілля, його технологічних властивостей застосовувалися традиційні геологічні методи дослідження: макровивчення розрізів, випробування й підготовка проб, удосконалений автором палінологічний і вуглепетрографічний, дилатометричний (ІГІ-ДМетІ).

Реконструкція умов торфонакопичення здійснювалася за допомогою вдосконаленого автором палеоекологічного аналізу, що дає змогу на основі виділення мікроспор-едифікаторів встановлювати палеоекологічні цикли торфонакопичення (ПЕЦТН). Використовувалися також методи математичної статистики, концептуальний і інші.

Основні наукові положення, що захищаються автором

1. У ранньому карбоні торфонакопичення відбувалося в умовах багняних і лісо-багняних боліт. Основними рослинами-торфоутворювачами були трав'янисті плауновидні рослини - селагінели.

Торфонакопичення у середньому карбоні відбувалося в умовах лісових торф'яних боліт. Основними рослинами-торфоутворювачами були деревовидні плауновидні рослини, серед яких переважали лепідодендрони.

2. Виявлені палеоекологічні цикли торфонакопичення (ПЕЦТН) відображають поліфаціальну будову вугільних пластів і є основою їх стратифікації та кореляції. Кожний ПЕЦТН розглядається як повний осадочний цикл І порядку в мініатюрі, що утворився на тлі загальних геотектонічних умов в області седиментації. Ритмічна зміна трансгресивних і регресивних циклів і фаз впродовж накопичення покладів торфу свідчить про їх генетичний зв'язок з мікроколивальними рухами. Вони контролюють зміну обводнення торф'яника, що впливає на формування різноманітного речовинно-петрографічного складу вугільних шарів.

3. Встановлена ботанічна приналежність торфоутворюючих рослин дозволяє виділити найбільш характерні генетичні групи гумусового вугілля нижнього карбону Донбасу за природою вихідного рослинного матеріалу, що є основою його класифікації і прогнозування технологічних параметрів.

Наукова новизна отриманих результатів роботи полягає в тому, що:

-встановлений генетичний зв'язок мікрокомпонентів вугілля з рослинами-торфоутворювачами на основі порівняльного аналізу палінологічних та вуглепетрографічних даних, що дало змогу виявити їх природу і в кінцевому результаті - вихідну рослинну речовину вугільних пластів нижнього і середнього карбону Донбасу;

-виявлені особливості процесу накопичення торф'яної маси у зв'язку з палеогеографічними, палеофаціальними, палеогеотектонічними та іншими умовами, що існували на території поширення древніх торф'яних боліт;

-одержало подальший розвиток вчення про циклічність будови вугільних пластів, що дає змогу розглядати їх як поліфаціальні геологічні тіла;

-уперше розроблені основні положення класифікації гумусового вугілля нижнього карбону Донбасу за ботанічною природою вихідної речовини і встановлена можливість прогнозування технологічних параметрів для виділених генетичних груп вугілля.

Практичне значення одержаних результатів полягає в універсальності розроблених методичних аспектів палеоекологічного аналізу, що дозволяють успішно вирішувати питання реконструкції умов торфонакопичення різновікових вугільних пластів, у різних (у геотектонічному плані) областях Донбасу. Доведена можливість застосування цих прийомів для стратифікації та кореляції пластів як простої, так і складної будови, на стадії експлуатації вугільних родовищ і при геологорозвідувальних роботах, коли необхідно порівняти пласти від малих до значних відстаней. При цьому підвищується надійність геологорозвідувальних робіт і попереджаються помилки при ідентифікації, а в кінцевому результаті при підрахунку запасів вугільних родовищ.

Результати палеоекологічного аналізу палінолого-вуглепетрографічних даних сприятимуть вирішенню і інших проблемних питань вугільної геології, які стосуються, зокрема, речовинно-петрографічного складу і хіміко-технологічних властивостей вугілля.

Реалізація роботи в промисловості. На ділянках Богданівський Південний I (Північний Донбас), Краснодонський Північний (північно-східна частина Краснодонського району), а також на ділянці Сутаган Пологий (західна частина Луганського району), Чапаєвський Рудник (схід того ж району) була здійснена кореляція вугільних пластів з встановленням їх синоніміки, що показало надійність, достовірність і економічну ефективність використання розроблених методичних прийомів для проведення подібного роду робіт. На цій основі підготовлені практичні рекомендації, які були реалізовані Луганською ГРЕ.

В результаті досліджень була розроблена методична рекомендація щодо кореляції вугільних пластів, яка передана у “Схід ДРГП” для впровадження у практику робіт геологорозвідувальних експедицій.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації обґрунтована ідея і шляхи практичного вирішення проблеми реконструкції умов карбонового торфонакопичення Донбасу за палінологічними та вуглепетрографічними даними, визначені мета і завдання досліджень, сформульовані наукові положення, що захищаються. Автор особисто брала участь у випробуванні, виборі методів вивчення, макроописі вугілля, проведенні вуглепетрографічних, палінологічних, дилатометричних досліджень. На підставі палеоекологічної інтерпретації палінолого-вуглепетрографічних даних автором виділені нові структурні критерії для пошарової кореляції і детальної стратиграфії вугільних пластів, визначені умови формування торф'яних покладів у нижньому і середньому карбоні; проведена пошарова кореляція й детальна стратифікація ряду вугільних пластів; розроблена генетична класифікація вугілля за ботанічною приналежністю торфоутворюючих рослин; проведені дослідження технологічних показників для виділених генетичних груп вугілля з встановленням можливості їх прогнозування.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи на окремих етапах її виконання доповідалися на 21 міжнародних, всеукраїнських, регіональних наукових конференціях, сесіях, семінарах. У тому числі на: ХХII sympozjum “Geologia formacji weglonosnych Polski” (Krakow, Poland, 1999), 3^th European coal conference (Gliwice, 1999), наукових конференціях у НГА України (Дніпропетровськ, 2000, 2001.), Міжнародній конференції “Форум гірників - 2003” (НГУ, Дніпропетровськ, 2003), Міжнародній науково-техн. конференції, присвяченій 75-річчю інституту УкрНДМІ НАН України (Донецьк, 2004), Третій міжнародній науково-практичній конференції (ІГТМ, Дніпропетровськ, 2004), науковій конференції, присвяченій 50-річчю створення КВ УкрДГРІ (ІМР) (Сімферополь, 2006).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 26 наукових роботах, з них 12 без співавторів. Статей у наукових фахових виданнях - 7; інших наукових статей та тез доповідей на наукових конгресах, симпозіумах і конференціях - 19.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Обсяг дисертації становить 189 сторінок друкованого тексту, у тому числі 120 сторінок основного тексту; містить 22 ілюстрації, 3 таблиці; список використаних джерел з 180 найменувань, 2 додатків.

Автор щиро вдячна науковому керівнику доктору геолого-мінералогічних наук В.Ф. Шульзі за велику науково-методичну допомогу, надану у процесі виконання роботи.

Крім того, автор висловлює свою вдячність співробітникам сектору геології вугільних родовищ ДВ УкрДГРІ (на чолі із завідувачем В.М. Антоновим) за допомогу у збиранні матеріалів, за поради і зауваження, а також керівникам виробничих підприємств за сприяння у проведенні польових робіт. Особлива подяка завідувачу сектором біостратиграфії ДВ ДІМР В.К. Тетерюку за наукові консультації і практичну допомогу у проведенні досліджень на різних етапах підготовки дисертації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення результатів, наведені дані про структуру роботи, апробацію та рекомендації з використання розробок.

У розділі 1 стисло наведені відомості з особливостей геологічної будови і історії розвитку Донецького басейну, у межах якого виділяється ряд великих, відмінних один від одного у геологічному відношенні районів. Мета і завдання дисертаційної роботи були вирішені на прикладі Павлоградсько-Петропавлівського, Красноармійського, Луганського, Краснодонського геолого-промислових районів, а також Північного Донбасу (Старобільська вугленосна площа).

Донбас є складним багатофазним складчастим спорудженням, що характеризується різноманітністю як плікативних, так і розривних форм. У будові басейну, так само як і обраних районів дослідження, беруть участь відкладення різного віку. Найбільш древніми є кристалічні породи докембрію, що складають нижній структурний поверх, на якому незгідно залягає товща осадочних порід палеозою, мезозою і кайнозою, які становлять 2 ряди формацій. Кам'яновугільна система уявляє собою відкладення всіх трьох відділів. Вугленосність, в основному, відноситься до відкладень нижнього й середнього відділів карбону, які істотно розрізняються як за складом порід, що вміщають, і особливостями будови, так і за речовинним складом і якістю вугілля, являючи собою два різних типи вугленосних формацій.

Особливості геологічної будови і розвитку Донбасу були враховані при виборі об'єктів вивчення. Досліджувалися вугільні пласти, як нижньо-, так і середньокарбонової вугленосної формацій. При цьому враховувалася їх промислова значимість, вугленосність, витриманість на площі поширення, особливість їх будови, а також приналежність до різних структурних областей. В основу дисертаційної роботи лягли матеріали вивчення вугільних пластів с₇^н+в, с₈^н+в , с_10, с₁₁ самарської світи (верхи візе - низи серпухова), до якої практично відноситься вся промислова вугленосність нижнього карбону, а також пласти к₂^н, к₈ (світа С₂⁵ ) і l₂, l₆ (світа С₂⁶) московського ярусу середнього карбону. Досліджені пласти нижнього карбону характеризуються робочою потужністю, витримані на площі, що забезпечило високу вірогідність досліджень. Вони розташовані в західній периферійній частині басейну (схил УКЩ - борт Дніпровсько-Донецької западини), де відсутня складчастість і були випробувані як по свердловинам, так і у гірничих виробках шахт.

Пласти середнього карбону були випробувані: к₂^н по свердловинах у північно-східній частині Донбасу (монокліналь); к₈ на шахті “Україна” у південно-західній частині Донбасу; l₂ і l₆ по свердловинах у межах Північної зони дрібної складчастості.

Такий підхід до вибору об'єктів дослідження, на основі аналізу геологічної будови Донецького басейну, забезпечив можливість досягнення поставленої в дисертаційній роботі мети.

У розділі 2 зроблений аналітичний огляд робіт з реконструкції умов древнього торфонакопичення, який показав, що вже ранні дослідження М.Д. Залесського, Ф. Лодзе, Ф. Симпсона, Л. Слетера, М.С. Стопс, Р. Тиссена та ін. щодо вивчення умов утворення вугілля були б не можливі без становлення вуглепетрографії та палінології як мікроскопічних методів аналізу речовинного складу вугілля. Надалі І.Е. Вальц і А.А. Любер одні з перших почали займатися питаннями реконструкції торфонакопичення, детальною стратиграфією вугільних пластів палінологічним методом.

Встановленню численних палінолого-вуглепетрографічних корелятивів щодо зіставлення вугільних пластів присвячені роботи Є.К. Вандерфліт, І.І. Горського, К.І. Іносової, А.М. Іщенко, Г.М. Ковальчук, Р. Козанке, Г. Кремпа, А.Х. Крузіної, А.М. Лаптєвої, В.Л. Лебедєвої, І.М. Покровської, Р. Потоньє, В.К. Тетерюка, В.І. Узіюка, А.М. Фесенко, Є.Г. Шварцман і ін. Проте, досвід робіт показав, що достовірні результати з цього питання не можуть бути отримані без попереднього вивчення вугільних пластів петрографічним методом.

У дослідженнях А. Сміта і його послідовників Р. Грота, В.К. Тетерюка, Д. Хабіба, вже більша увага приділяється зв'язку мікроспор відомої ботанічної приналежності з літотипами вугілля. Але вирішення питань природної історії формування вугільних пластів на стадії торфонакопичення стало можливим з встановленням циклічності їх будови (В.І. Узіюк) і відкриттям функціональної залежності вмісту мікроспор різної життєвої форми і екології в кожному конкретному шарі вугілля (М.Г. Панкова, В.К. Тетерюк).

Зазначений палеоекологічний напрямок одержав свій подальший розвиток у дослідженнях А.В. Іваніної, В.О. Привалова, Р. Сахсенхофера, В.І. Узіюка В.Ф. Шульги і інших. В роботах цих авторів наведені палінологічні, петрографічні та геохімічні показники, розроблені з позицій палеоекологічного методу для вивчення як вугілля карбону Донбасу, так і вугленосних відкладів Львівсько-Волинського басейну. Особливе місце відведено вивченню вихідного рослинного матеріалу вугілля середнього карбону на основі фітерального, анатомо-морфологічного та інших методів. Але щодо ранньокарбонового вугілля, яке відрізняється штриховатою структурою, їх застосування менш ефективне.

Таким чином, аналіз робіт показав, що багато питань, що стосуються природи речовинного складу вугілля, особливо ранньокам'яновугільного віку, його генетичної класифікації, вивчення якості й прогнозування технологічних властивостей не розроблені взагалі або розроблені недостатньо. Ефективне їх рішення неможливе без вивчення умов древнього торфонакопичення з палеоекологічних позицій на основі сполучення палінологічних і вуглепетрографічний досліджень.

У розділі 3 відзначено, що оскільки предметом вивчення є вугільні пласти, методика досліджень, у першу чергу, ґрунтується на використанні вуглепетрографічних і палінологічних методів. Крім того, були застосовані та інші способи вивчення властивостей та якості вугілля, а також розроблені автором методичні основи палеоекологічної реконструкції умов торфонакопичення.

По 66 розрізам вугільних пластів з гірничих виробок трьох шахт і восьми свердловин, розташованих в різних частинах Донбасу, було відібрано 1800 штуфних, 100 середньопластових і 160 пластово-диференційованих вугільних проб; виготовлено понад 1900 прозорих шліфів вугілля, понад 1200 мацерацій (продуктів мацерування), 400 аншліф-брикетів.

За аналогією з існуючою практикою градації методичних способів у літологічних дослідженнях, наведеної у роботах І.А. Вилцана і А.Ф. Беженцева (1983, 1985), всі використані нами методи були теж підрозділені на три групи.

Прямі методи застосовувалися на перших етапах збору геологічної інформації з предмету дослідження. До них відносяться польовий опис і власно випробовування розрізів вугільних пластів, макро- і мікровивчення складу й властивостей вугільної речовини вуглепетрографічним, палінологічним, дилатометричним (ІГІ-ДМетІ) методами.

Польовий опис вугільних пластів і власно випробовування проводилися згідно з інструкцією і методичними вказівками, наведеними у роботах І.Е. Вальц (1941) і А.І. Гінзбург (1968), а макровивчення відібраних штуфних зразків - за рекомендаціями Ю.А. Жемчужнікова, А.І. Гінзбург (1960), В.В. Кірюкова (1970).

Вуглепетрографічні дослідження здійснювалися шляхом вивчення шліфів і аншліф-брикетів, а також використання кількісного петрографічного аналізу. Зміст і послідовність цих видів робіт викладені в роботах Г. С. Калмикова (1960) і А.І. Гінзбург (1968). Одночасно з вивченням прозорих шліфів у прохідному світлі (збільшення 86-100^х) проводилося визначення петрографічного складу органічної частини вугілля й мінеральних домішок у відбитому світлі за ДСТом 9414-74. У кількісний петрографічний аналіз було внесено низку доповнень, які описані в роботі.

При палінологічному аналізі вугілля вивченню мацерацій передували роботи зі збору інформації щодо систематичної приналежності спор на основі відомостей, які містяться в роботах Р. Потоньє (1954, 1962). Це дало можливість встановити мікроспори-едифікатори, які відносяться до рослин відомої ботанічної приналежності і екології виростання. Отримані дані є основою для вдосконалення способів вивчення і кількісної оцінки вмісту мікроспор у вугіллі, що докладно описано у відповідному розділі. При цьому використовувалася методика, яка застосовувалася при пилковому аналізу торфу (І.М. Покровська, 1950) з нашими доповненнями. Підрахунки обраних видів-едифікаторів здійснювалися поетапно в чотири прийоми. Запропонований спосіб більш економічний за часом і дає можливість контролювати вірогідність цих робіт. Мацерування зразків вугілля на спорово-пилковий аналіз здійснювалося відповідно до методичних вказівок І. Е. Вальц (1941). Визначення і підрахунки мікроспор торфоутворюючих рослин виконувалися при робочому збільшенні мікроскопу (450-500^х).

Для вивчення деяких технологічних властивостей виділених генетичних груп вугілля застосовувався прискорений метод ІГІ-ДметІ (ДСТ 14056-77) визначення дилатометричних параметрів, які є основними показниками спікливості і придатності до коксування слабометаморфізованого, маловідновленого вугілля.

Непрямі методи. До них належить удосконалений автором палеоекологічний аналіз палінологічних та вуглепетрографічних даних, що відноситься до способу інтерпретації результатів, отриманих прямими методами. Методика палеоекологічних досліджень розроблялася, виходячи з раніше висунутих теоретичних положень, викладених, в першу чергу, в роботі Г.О. Іванова (1967). У ній також враховані прийоми виділення петрогенетичних горизонтів, літолого-тафономічного та фаціально-палеоекологічного методів, наведених у роботах Г.П. Радченко (1964) і М.В. Ошуркової (1981), змінених й доповнених у відповідності до предмету наших досліджень.

Концептуальний метод застосовувався на заключному етапі вивчення розрізів вугільних пластів щодо вироблення концепції формування кам'яновугільних торф'яників. В його основі лежить узагальнення й синтез всіх критеріїв, отриманих прямими і непрямими методами шляхом методологічних прийомів. Вищевказаний комплекс досліджень завершується модельним зображенням об'єкту дослідження - умов карбонового торфонакопичення на території Донбасу.

У розділі 4 зазначається, що для відтворення палеообстановок, що існували в кам'яновугільний час на території Донецького басейну, автором запропонований палеоекологічний метод, що ґрунтується на вивченні рослин-торфоутворювачів, природи речовинного складу вугілля, типу і структури рослинних асоціацій, а також на виявленні динаміки їх розвитку. При цьому встановлюються найважливіші фактори торфонакопичення, якими є вихідний рослинний матеріал і обводненість палеоторф'янику.

Визначення рослин-торфоутворювачів карбону, особливо ранньокам'яновугільного віку, проводилося за допомогою палінологічних досліджень, тому що часто у пластах відсутні фітеральні залишки, за якими можна встановити вихідний рослинний матеріал вугілля. При цьому, основна увага приділялася вивченню мікроспор, виявлених в органах спороносіння рослин відомої ботанічної приналежності, екології і автохтонності поховання, дані за які наведені у роботах Р. Потоньє (1954, 1968). Були виявлені генетичні зв'язки розсіяних у спорово-пилкових спектрах мікроспор, встановлених за штучною формальною класифікацією, з рослинами, які визначені по природно-морфологічній класифікації. Такий підхід забезпечив виявлення рослин-едифікаторів вугільних пластів, що чуйно реагують на зміну умов з виростання (обводненість торф'яного болота).

У результаті проведених досліджень встановлено, що основними типами торфоутворювачів карбону є плауновидні (Lycopsida) рослини. Це деревовидні (лепідодендрони, сигілярії, поліспорії), що продукцювали як домінуючі у спорово-пилкових спектрах (до 80%) мікроспори роду Lycospora, так і мікроспори-акцесорії (у середньому до 5%) родів Crassispora і Endosporites; трав'янисті і форми, що в'ються (селагінели різних видів), представлені мікроспорами-домінантами роду Densosporites (до 60%) і акцесоріями (у середньому до 3%) роду Cirratriradites. Нашими дослідженнями також встановлено, що для реконструкції умов торфонакопичення при палеоекологічних побудовах досить вибрати 2-3 виду мікроспор, що зустрічаються у спорово-пилкових спектрах спільно, але приналежних рослинам-торфоутворювачам з різною екологією виростання. Для вугілля нижнього карбону - це співвідношення вмістів мікроспор родів Lycospora і Densosporites. Для вугілля середнього карбону мікроспори лепідодендронових рослин (Lycospora) виключаються з підрахунку, тому що при їх максимальному вмісті (до 80%) у пошарових спектрах вони не відображають циклічність торфонакопичення. З цієї причини підраховувалися тільки три акцесорних компоненти Cirratriradites - Endosporites - Crassispora.

До торфонакопичувачів карбону також відносяться членистостеблові рослини (родина Arthroрsida). Це клінолисти, що продукцюють рід Laevigatosporites. У палеоекологічних дослідженнях вони можуть розглядатися у пошарових спектрах разом з мікроспорами роду Punctatosporites деревовидних папоротей родини маратієвих. Зміни їх вмістів у спорово-пилкових спектрах чітко вказують на реакцію відповідних материнських рослин на гідрологічний режим древнього торф'яного болота. У порівнянні з клінолистами маратієві папороті жили в умовах відносного обводнення, що підтверджується й роботами П. Хакбарда (1957).

При вивченні речовинного складу вугілля використалися вуглепетрографічні показники, розроблені А.М. Лаптєвою (1968, 1972), Л.І. Сарбєєвою (1968), Є.С. Бартошинською (1971), К.І. Іносовою (1972), І.Е. Вальц (1982), В.І. Узіюком (1970, 2004) та іншими дослідниками.

У результаті палеоекологічних досліджень встановлено тісний зв'язок мікрокомпонентного складу вугілля з рослинами, які утворили торф. Крім того, було виявлено, що в окремо виділених петрогенетичних шарах цей склад має більш-менш одну ботанічну природу. Так, у припідошвеній частині пластів ранньокам'яновугільного віку (с₇^н+в, с₈,^н+в с₁₀, с₁₁) кларенове і дюрено-кларенове вугілля містить у спорово-пилкових спектрах більше 50% (іноді до 80-90%) мікроспор роду Lycospora, що належать прісноводним деревовидним рослинам. Залягаючі вище по розрізу дюренові і кларено-дюренові різності вугілля містять у спектрах більше 60% (іноді до 90%) мікроспор роду Densosporites -трав'янистих плаунів. Таким чином, підтверджено і конкретизовано висновок щодо зв'язку мікроспор певних рослин-торфоутворювачів з літотипами вугілля.

Петрогенетичні шари є найбільш зручними об'єктами і щодо вивчення природи окремих мікрокомпонентів вугілля. Відомості про особливості анатомічної будови рослин, з яких у карбоні утворився торф, наведені в роботах В. Халонера (1953) і А.М. Криштофовича (1957), дали змогу внести істотні корективи в це питання. Встановлено, що з інтервалами переважного розвитку трав'янистих плауновидних рослин - селагінел зв'язана спостережувана у шліфах непрозора основна маса (мікриніт). Найбільший її розвиток (до 60% вугільної речовини) спостерігається в складі групи фюзенізованих мікрокомпонентів вугілля нижнього карбону. В роботах К.І. Іносової (1963), Е. Штаха, М.-Т. Тейхмюллера (1978) і інших дослідників указується, що для встановлення генезису різних мікрокомпонентів вугілля істотне значення мають дані про умови перетворення вихідного рослинного матеріалу до і протягом стадій торфоутворення. Важлива роль у цьому належить ступеню вуглефікації, оскільки різні групи мікрокомпонентів не однаковою мірою перетворюються у процесі вуглеутворення. У світі цих уявлень розходження між компонентами в межах однієї групи можна пояснити рівнем фюзенізації і геліфікації. За палінологічними та вуглепетрографічними даними встановлено, що ступінь цих процесів перебуває у прямій залежності від фізико-хімічних і механічних властивостей тканин різних життєвих форм рослин. Так, формування в торф'яних покладах шарів з високим вмістом мікриніту відбувається в результаті перетворення залишків трав'янистих рослин - селагінел. Поряд з мікринітом у цих же шарах зустрічаються й окремі лінзи фюзену, кількість яких у розрізі вугільного пласту зростає пропорційно збільшенню частки у спорово-пилкових спектрах деревовидних рослинних форм. Аналогічні залежності мають місце і при утворенні геліфікованої речовини. Звідси можна зробити висновок, що структурні геліфіковані і фюзенізовані компоненти є продуктами фізико-хімічних і мікробіологічних перетворень переважно залишків деревовидних рослин, а безструктурні- результат переробки залишків трав'янистих рослинних форм.

За співвідношеннями мікроспор материнських рослин відомої ботанічної приналежності і різних умов існування була виявлена також структура і динаміка розвитку асоціацій торфоутворюючої рослинності. За допомогою цих факторів встановлені кількісні закономірності будови вугільних пластів. карбон торфонакопичення палеоекологічний вугілля

Як показали дослідження, співвідношення рослинних форм з різними умовами виростання періодично змінюється по розрізах вугільних пластів. У сполученні з результатами вуглепетрографічного аналізу це дало змогу виділити палеоекологічні цикли торфонакопичення (ПЕЦТН), що представляють собою інтервали розрізів вугільних пластів, у яких періодично чергуються переважні вмісти мікроспор-едифікаторів однієї групи, або намічається тенденція до їх зміни на іншу. Пояснити виявлену періодичність (циклічність) зміни домінуючих форм рослин торфоутворюючих асоціацій, з огляду на погляди Г.А. Іванова (1967), можна, допустивши, що в області торфонакопичення на фоні загального опускання території відбувалися дрібноамплітудні мікроколивальні рухи земної кори. Це ж підтверджується дослідженнями І.В. Єрьоміна (1975), К.І. Іносової (1975), І.Б. Волкової (1986), В.І. Узіюка (2004) та інших щодо закономірної зміни літотипів у розрізах вугільних пластів і смугастості вугілля. На фоні загальних геотектонічних умов в області седиментації кожен ПЕЦТН розглядається як повний осадочний цикл I порядку в мініатюрі, що утворюється в процесі мікроколивальних рухів. Встановлені ПЕЦТН є характерною структурною ознакою вугільних пластів, в яких нами розрізняються запропоновані автором регресивні (нижня частина циклів) і трансгресивні (верхня частина) екологічні фази торфонакопичення, докладний опис яких наведено у відповідному підрозділі дисертаційної роботи.

Виходячи з вищевикладеного, автором була запропонована схема реконструкції умов торфонакопичення в Донбасі, у якій такі фактори, як клімат і рівень води в торф'яному болоті розглядаються лише у зв'язку з умовами, що періодично й закономірно змінюються у всій області торфонакопичення. Це відповідає також уявленням А.М. Криштофовича (1957), М.М. Страхова (1960) і ін., згідно яких Донбас протягом нижнього й середнього карбону перебував у Вестфальській (Єврамерійській) палеофлористичній зоні з теплим кліматом, подібним до того, який є у сучасних вологих тропіках і субтропіках. При розгляді умов торфонакопичення враховувалося, що нижньо- і середньокарбонові вугленосні формації утворилися в неоднакових умовах, що характерно для різних етапів розвитку Доно-Дніпровського прогину (ДДП) (В.Ф. Шульга, 1981, 1987. Цим пояснюються особливості петрографічного, спорово-пилкового складу вугілля, а також геотектонічного режиму області торфонакопичення.

На підставі палеоекологічної інтерпретації результатів палінолого-вуглепетрографічних досліджень, у ранньокам'яновугільну епоху процес заболочування місцевості проходив в умовах приморських рівнин з переважним розвитком на них трав'янистих плауновидних рослин (селагінел) при рівні води, близькому до рівня виположеній поверхні області торфонакопичення, у період завершення регресивної фази циклу осадконакопичення. Припідошвений шар вугільного пласту з переважним вмістом у його спорово-пилкових спектрах мікроспор деревовидних лепідофітів починав формуватися в неповний трансгресивний екоцикл торфонакопичення. Це явище характерне для всіх вивчених пластоперетинів вугільних пластів нижнього карбону Західного Донбасу. Потім уверх по розрізу пласта вугілля в спорово-пилкових спектрах спостерігається повна заміна основного едифікатора - мікроспор Lycospora (деревовидних плауновидних рослин) на Densosporites (трав'янисті плауни). З огляду на екологію їх виростання, це свідчить про поступове зменшення обводненості торф'яника, обумовленої позитивними мікроколивальними рухами в області торфонакопичення. Негативні рухи в період формування трансгресивної екофази фіксуються за тенденцією деякого збільшення вмісту спор деревовидних плаунів і зменшення трав'янистих. Вугілля нижнього карбону - переважно дюренового і кларено-дюренового складу, що свідчить про перевагу аеробних процесів розкладання вихідного рослинного матеріалу. На підставі цих факторів зроблено висновок, що торфонакопичення у нижньому карбоні відбувалося в умовах застійних і слабопроточних багняних і рідше лісо-багняних боліт.

У средньокам'яновугільну епоху, судячи з екології виростання деревовидних рослин, ступінь обводненості торф'яних боліт була досить значною. Закономірності зміни ступеня обводненості торф'яного болота встановлювалися за даними числових функціональних розподілів мікроспор-акцесоріїв вищевказаних рослин-едифікаторів середнього карбону. Видовий склад спорово-пилкових спектрів вугільних проб з пластів південно-західної частини Донбасу (пласт к₈) за мікроспорами-акцесоріями відрізняється від спектрів проб з пластів, що перебувають у центральній частині і на сході Донбасу (пласти к^н₂, l₂ і l₆). Очевидно це зв'язано зі ступенем прогинання території басейну і зміною інтенсивності коливальних рухів. В цілому в середньокам'яновугільний період процес торфонакопичення постійно відбувався нижче рівня вод. Вугілля середнього карбону кларенового і дюрено-кларенового складу, а торфонакопичення в цей період протікало переважно в умовах лісового торф'яного болота.

У розділі 5 розглянуто результати досліджень по застосуванню нових принципів і критеріїв щодо детальної стратиграфії й кореляції вугільних пластів, розробки класифікації за ботанічною приналежністю торфоутворюючих рослин і прогнозування технологічних властивостей вугілля.

Встановлено, що надійною основою стратифікації і зіставлення вугільних пластів є інтервали їх розрізів (шари) з індивідуальними ознаками, які відповідають фазам ПЕЦТН. В розділі наведено докладний їх опис у конкретних вугільних пластах.

Як приклад щодо вугільних пластів нижнього карбону, наведені стратифікація і кореляція пласта с₈^н+в (горизонт 140 м шахти “Павлоградська”, Західний Донбас), що є типовим для більшості вивчених вугільних пластів даного віку. Порівняння результатів кількісного аналізу пошарових спектрів пласта с₈^н+в за вивченими пластоперетинами показало, що для проведення палеоекологічних досліджень найбільш ефективними є дані співвідношень мікроспор деревовидних і трав'янистих плаунів, які, як було встановлено, є едифікаторами вугільних пластів нижнього карбону. У пластоперетинах пласта с₈^н+в встановлено шість ПЕЦТН. У спорово-пилкових спектрах першого горизонту (ПЕЦТН) спостерігається різка перевага мікроспор деревовидних плаунів (Lycospora) над трав'янистими (Densosporites), співвідношення яких становить у середньому 73:27 (в %). Це свідчить про накопичення торф'яної маси в умовах високої обводненості болота лісового типу, тобто в трансгресивну фазу ПЕЦТН. Другий і наступні виділені горизонти характеризуються зміною домінант у складі рослин-едифікаторів. Як правило, у нижній частині кожного з цих горизонтів у спорово-пилкових спектрах переважають мікроспори трав'янистих плаунів, співвідношення яких до деревовидних становить у середньому 79:21 (в %), що свідчить про зміну лісових торф'яних боліт першого горизонту лісо-багняними. Таким чином, нижня частина торф'яних покладів накопичувалася переважно (у середньому на 2/3 потужності) в умовах регресивної екофази, коли торфогенний шар нарощувався за рахунок щільного травостою. Верхня ж частина цих горизонтів (трансгресивна екофаза) була відносно короткочасною. Специфіка умов утворення зазначених горизонтів підтверджується вуглепетрографічними даними, вугілля яких має перехідний вигляд від кларено-дюренових (регресивна фаза) до дюрено-кларенових (трансгресивна фаза).

Щодо вивчених вугільних пластів средньокам'яновугільного віку показовим у плані встановлення синоніміки є вугільний пласт l₂, (Луганський геолого-промисловий район). Пошарова кореляція здійснена за двома пластоперетинами, що знаходяться один від одного на відстані 19 км (ділянка Сутаган Пологий - на заході району і ділянка Чапаєвський Рудник - на сході). В результаті палінологічних досліджень було встановлено, що речовина вугільного пласта утворилася в основному з залишків рослин родин Lepidodendraceae і Marаttiaceae. Характерною особливістю вугілля пласта є те, що його нижня пачка (l₂) формувалася з залишків майже одних плауновидних рослин тоді, як верхня (l₂¹) складається з переміжених шарів вугілля, що утворилися із залишків деревовидних плаунів і папоротей. В результаті у нижній пачці пласта l₂ на ділянці Сутаган Пологий встановлено чотири, а у верхній - два ПЕЦТН. Розріз же пласта на ділянці Чапаєвський Рудник за палінологічними даними розчленовується на три ПЕЦТН, які ідентичні за складом і розподілом вмістів мікроспор з верхньою пачкою (l₂¹) пласта на ділянці Сутаган Пологий і легко корелюється з нею.

Викладені матеріали, а також дані про інші пласти вугілля вказують на загальну регресивну спрямованість торфонакопичення як у ранньому, так і у середньому карбоні.

Визначення систематичних ознак рослин-едифікаторів, а також генетичного зв'язку рослин з мікрокомпонентами вугілля були покладені в основу розробленої автором класифікації нижньокарбонового вугілля Донбасу за ботанічною приналежністю вихідного рослинного матеріалу. Вона відрізняється від існуючих класифікацій Ю.А. Жемчужникова, А.І. Гінзбург (1960), П.П. Тимофєєва, Л.І. Боголюбової і В.С. Яблокова (1962), які по суті є петрографічними, і повною мірою не враховують анатомічний склад і ботанічну приналежність вихідного рослинного матеріалу. В цьому плані до наших досліджень (Панкова, 1986; Панкова, Тетерюк, 1991) найбільш близька генетична класифікація кларенового вугілля середнього карбону Донбасу, яка розроблена В.І. Узіюком і Є. В. Узіюком (1992).

Основним структурним елементом запропонованої класифікації є групи вугілля, що відображають едифікатори рослинних асоціацій торф'яних боліт: лепідодендронові, селагінелево-лепідодендронові, лепідодендроново-селагінелеві, селагінелеві і змішані (папоротево-плауновидні і плауновидно-папоротевих рослин). Групи вугілля містять у собі підгрупи, які виділяються за типом речовини вуглеутворюючих компонентів і за ступенем цільності його структури. Наприклад, серед кларенового вугілля (Vt>80%) виділяються гелініти ксиленової, ксиленовітренової і вітренової структури. Аналогічно серед дурено-кларенового, кларено-дюренового, деренового і ультрадюренового вугілля виділяються підгрупи семігелінітів, семіфюзинітів і фюзинітів з відповідною структурою вугільної речовини. Кількісні співвідношення вуглеутворюючих і другорядних мікрокомпонентів з урахуванням вихідного матеріалу в межах кожної підгрупи характеризують типи вугілля. Таким чином, кожна група є сукупністю типів вугілля, об'єднаних єдністю вихідного рослинного матеріалу і розрізняються між собою речовиною вуглеутворюючих мікрокомпонентів, а також ступенем цільності їх структури. Крім того, встановлено, що лепідодендронове вугілля представлено клареновими, дюрено-клареновими різностями; селагінелево-лепідодендронове і лепідодендроново-селагінелеве - в основному дюрено-кларенами і кларено-дюренами і тільки частково кларенами й дюренами; селагінелеве - дюреновими і ультрадюреновими різностями (красидюрени); змішане - всіма різновидами вугілля, крім кларенового і ультрадюренового. Розроблена класифікація наочно демонструє приуроченість класів з різним типом речовини вуглеутворюючих літотипів до певних груп, виділених за ботанічною природою вихідного рослинного матеріалу. Її впровадження в практику вивчення речовини вугілля дає змогу прогнозувати його властивості і якість ще до проведення спеціальних досліджень, буде сприяти вибору раціональних напрямків використання вугільної сировини.

На прикладі вугільних пластів с₈^н+в та с₁₁ Павлоградсько-Петропавлівського району Західного Донбасу показана ефективність використання розробленої класифікації щодо оцінки хіміко-технологічних властивостей вугілля, яке відноситься до різних груп за ботанічною природою вихідної речовини.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науковою працею і дає нове рішення актуального наукового завдання встановлення умов карбонового торфонакопичення в Донбасі.

Основні результати проведеної роботи полягають у наступному.

1. Вперше у нижньокарбоновому вугіллі Донбасу встановлене значне поширення трав'янистих плауновидних - селагінел.

2. Виявлені і вивчені генетичні зв'язки між петрографічним складом вугілля і палінологічними комплексами рослин, встановленої ботанічної приналежності і екології, які і є материнськими торфоутворювачами вугільних пластів Донбасу. У зв'язку з цим встановлена природа мікрокомпонентів вугільної речовини та виявлено закономірний зв'язок їх розподілу в розрізі з палеоекологічними умовами торфонакопичення.

3. Проведена реконструкція умов торфонакопичення на основі палінолого-вуглепетрографічних даних. При цьому встановлено, що у ранньому карбоні основне торфонакопичення відбувалося в умовах багняних, рідше лісо-багняних боліт з перевагою у рослинних асоціаціях трав'янистих плауновидних - селагінел. В середньому карбоні накопичення материнської речовини вугілля відбувалося переважно у лісових торф'яних болотах. Основними рослинами-вуглеутворювачами були деревовидні плауновидні.

4. Вперше виділені і встановлений механізм утворення палеоекологічних циклів і фаз торфонакопичення (ПЕЦТН), що відображають розвиток рослинних асоціацій і умови обводнення торф'яного болота. Як найбільш дрібний біостратиграфічний інтервал (стратон), ПЕЦТН є основою детального розчленування і пошарової кореляції вугільних пластів.

5. Розроблені методичні аспекти палеоекологічного аналізу умов карбонового торфонакопичення, які ґрунтуються на: встановленні генетичних зв'язків мікрокомпонентів вугілля з рослинами-вуглеутворювачами; виявленні нових структурних критеріїв стратифікації і кореляції вугільних пластів (ПЕЦТН); особливостей процесу накопичення торф'яної маси.

6. Розроблені методичні способи детального розчленування і пошарової кореляції вугільних пластів з урахуванням виявлених палеоекологічних циклів торфонакопичення і закономірних зв'язків між вуглепетрографічним і палінологічним складом вугільної речовини.

7. Вперше розроблена генетична класифікація вугілля нижнього карбону Західного Донбасу за ботанічною приналежністю вихідного рослинного матеріалу. Показана можливість її практичного використання для прогнозування якості вугілля.

Отримані результати мають важливе значення щодо вирішення низки науково-методичних і практичних завдань. В першу чергу це стосується розроблених автором методичних положень реконструкції умов торфонакопичення за палінологічними і вуглепетрографічними даними; відкриваються більші перспективи щодо комплексного історико-генетичного аналізу вугленосних формацій, стратифікації і кореляції пластів вугілля, прогнозу їх якісної характеристики. Відтворення умов карбонового торфонакопичення в Донецькому басейні розширює усталені нині уявлення про процес вуглеутворення в цілому, розкриває їх системні зв'язки з загальними закономірностями динамічних режимів області седиментації. Проведені дослідження дали можливість вирішити одне з найважливіших питань вугільної геології басейну - встановлення природи різного речовинного складу вугілля нижнього і середнього карбону. Подальші роботи повинні бути спрямовані на вдосконалення методики палеоекологічого аналізу, розширюючи області її застосування (як і палеоботанічна класифікація вугілля) не тільки для пластів Донецького, але й інших вугільних басейнів України.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТА РЕЗУЛЬТАТИ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

Статті у наукових виданнях:

1. Панкова М.Г. Палеоэкологические исследования в познании вещественного состава и строения угольных пластов/ М.Г. Панкова, В.К. Тетерюк// Геологический журнал. - 1986. - Т.46. - № 4. - С.85-91.

2. Панкова М.Г. Використання палеоекологічного методу для стратифікації і кореляції вугільних пластів середнього карбону// Мінеральні ресурси України. - 1996. - № 4. - С.33-35.

3. Панкова М.Г. Новые принципы разработки генетической классификации нижнекарбоновых углей// Уголь Украины. - 1998. - № 8-9. - С.62-63.

4. Панкова М.Г. Выявление цикличности торфонакопления при палеоэкологических исследованиях// Наук. вісник НГАУ. - 2000. - № 3. - С. 43-44.

5. Панкова М.Г. К вопросу о взаимосвязи генетической природы углей нижнего карбона Западного Донбасса с их технологическими свойствами// Наук. вісник НГАУ. - 2001. - № 4. - С.80-81.

6. Зубенко Є.М. Про розширення сировинної бази теплоенергетики за рахунок використання забалансових запасів вугілля за умов впровадження новітніх технологій його термопереробки / Є.М. Зубенко, М.Г. Панкова // Наук. вісник НГУ. - 2003. - №2. - С. 92-95.

7. Панкова М.Г. Применение палинологического метода для реконструкции условий торфонакопления в Донецком бассейне// Наук. вісник НГУ. - 2005. - № 6. - С.33-35.

Інші наукові праці та тези доповідей:

Всього 19 публікацій, у тому числі:

8. Комплексная оценка пригодности запасов углей Менчикуровского участка Донецкого бассейна для слоевого коксования/ В.С. Савчук, С.Д. Пожидаев, П.Г. Бойко, М.Г. Панкова// Проблемы металлургического производства. - К.: Техника. - 1989. - С.10-14.

9. Analiza porownawcza skladu karbonskich wegli kamiennych zaglebi: Lwowsko-Wolynskiego, Donieckiego i Przeddobrudzanskiеgo/ A. Iwanova, V. Shulga, L. Zaytseva, M. Pankova and oth.// Mat. XXII sympozjum “Geologia formacij weglonosnyck Polski”. - Krakowie, Wyd. AGH, 1999. - S.51-56.

10. Change of the substantial composition and quality of coals along the stages of coal accumulation during the Carboniferous in the Ukraine / V. Shulga, V. Savchuk, A. Ivanina, M. Pankova et al // European coal conference.- Gliwice, 1999. - S.74-79.

11. Панкова М.Г. Основні принципи розширення сировинної бази енергетичного вугілля за рахунок некондиційних запасів і перспектив їх використання // Сб. научн. докл. междунар. научно-техн. конференции, посвящённой 75-летию института УкрНИМИ НАН Украины, Донецк, 11-15 октября 2004 г. - Донецк, 2004. - С.94-97.

12. Панкова М.Г. Изучение вещественного состава угольных пластов методом палеоэкологической реконструкции (на примере Западного Донбасса)// Геотехническая механика: Межвед. Сб. научн. Трудов ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2005. - Вып. 53.- С.179-182.

13. Панкова М.Г. Методические аспекты способа палеоэкологической реконструкции торфонакопления для детального исследования строения угольных пластов // Материалы научной конференции, посвященной 50-летию образования КО УкрГГРИ (ИМР), Симферополь, 29 июня - 1 июля 2006 г. - Симферополь, 2006. - С.118-119.