ОСОБЕННОСТИ ТЕКТОНИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ ГЕОСИСТЕМЫ КУЗНЕЦКОЙ РАВНИНЫ

2014г.
Медведева Марина Андреевна
Бобровников Артур Евгеньевич
Бобровников Андрей Евгеньевич
Актуальность работы заключается в своевременном создании альтернативных теорий, связанных с генезисом каменных углей
в Кузнецкой котловине на фоне участившихся случаев проявления тектоно-вулканической деятельности в регионе.
Цели работы. Привлечь внимание исследователей к Кузбассу, как геологическому объекту. Выявить причинно-следственную
связь между факторами, участвующими в развитии Кузнецких геоструктур, путём систематизации и обобщения многочисленных
геологических фактов и наблюдений в области проявлений геологической деятельности на территории Кузнецкой равнины,
игнорируемых традиционной экономической геологией угольных месторождений. Разработка на основании имеющихся фактов
(наблюдений) теорий о геологических процессах, идущих в угленосной толще, а также восстановление предшествующих
геологических событий.
Методы исследования: сбор геологических фактов и их всесторонний анализ.
Результаты. В последовательно изложенной работе сформулирована основная идея геоструктур Кузнецкого региона, вскрыты
причины геоэкологического дисбаланса в геосистеме Кузнецкой равнины. Схематично очерчен фрагмент контура Кузнецко-
Байкальского сектора докембрийской рифтовой долины. Кратко восстановлена палеовулканическая обстановка на Кузбасском
участке геологического фундамента с учётом фаз тектогенеза и геохронологического времени, а также отражены изменения в
палеогеоморфологическом структурировании земной коры региона. Выдвинута теория вулканогенного генезиса каменных углей,
в рамках которой установлена причина опасных концентраций в подземных горных выработках метана и углекислого газа,
непосредственно связанных с выходом на поверхность сероводородных источников. Поставлена задача обязательного
всестороннего исследования Кузнецких геоструктур.
ВВЕДЕНИЕ
Не так давно появилась новая дисциплина – геоэкология, где приоритеты заслуженно отводятся геологии, объясняющей
первопричины последующих явлений на поверхности Земли с момента её образования. Теория геосистем удачно совместила два
параллельных учения и открыла новые перспективы для исследований геологических процессов в функционировании природных
комплексов [2]. Следует уточнить, что во времена расцвета научных идей, когда целый ряд геологических дисциплин занимался изучением Земли, - исследования велись, в основном, в области экономической геологии. Все более глубокие исследования методами геоморфологии, геофизики, геохимии, геотектоники, минералогии, петрографии и т.д. незаслуженно обошли стороной геологический фундамент Кузбасса. Причины столь узкой направленности кроются в приоритетах антропогенной деятельности и создают геоэкологический дисбаланс в кузбасской геосистеме [3,4].
Прежде всего, обозначим геосистему, как участок геологического фундамента, который своим происхождением обусловил
морфологию рельефа, гидрогеологию, климатические условия, петрографические наборы, а также состав почв, биоценозы,
способы взаимодействия и эволюцию природных систем.
ТЕКТОНИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ ГЕОСИСТЕМЫ КУЗНЕЦКОЙ РАВНИНЫ
Здесь будет предложена концепция развития геосистемы Кузнецкой равнины и, частично, Кузнецких гор (Кузнецкий Алатау, Горная Шория), построенная при помощи анализа изученного библиографического материала геологических дисциплин и географии, социологических опросов, уже известных фактов и собственных наблюдений.
Гипотеза тектонического развития Кузнецких горных геосистем будет предложена отдельно.
Если рассматривать биоценоз черневой тайги как зональную структуру, в ней можно выделить две геосистемы – равнинную и
горную, с общим геологическим фундаментом, но совершенно различными рельефом, гидрогеологическими и климатическими
условиями, составом почв и фитоценозов. Для того, чтобы объяснить существование двух различных геосистем на общем фундаменте, сначала смоделируем становление и тектоническую эволюцию данного участка земной коры с учётом общеизвестных фактов региональной геологии [6 - 11]:
1. Кузбасс – это уникальная крупнейшая топливно-энергетическая база российского значения с огромными запасами углей
различного марочного состава.
2. Процесс тектонической эволюции земной коры региона соответствует расширенной шкале фаз складчатости Г. Штилле,
(дано в приложении А).
3. Хребет Кузнецкий Алатау представляет собой региональный разлом меридионального направления.
4. Максимальная глубина Кузнецкой котловины, заполненной комплексом угленосных отложений, составляет 10 000 - 11 00
метров.
5. Начало образования угленосных формаций Кузбасса (Барзасское месторождение) датируется девоном, окончательно
процесс угленакопления прекратился в юре.
6. Закономерность чередования пластов угля с пластами конгломератов, брекчий, песчаников и т. д. различной мощности;
значительный перерыв в угленосных осадках между Балахонской и Кольчугинской сериями.
7. Локальные выходы известняков датируются, в основном, кембрием и девоном (в основном, для горных геосистем).
8. Конфигурация гидросети (как региональная, так и локальная) обусловлена тектоническим развитием.
9. Салаирский кряж имеет обособленное положение, его наивысшая отметка равна 816 метров.
Предположим, что прежде, чем стать геосистемами, интересующий нас фрагмент земной коры был частью рифта, входившего в состав сложной системы океанических хребтов и перешедшего в
континентальный режим в кембрии. Контур длинной линейной
впадины прослеживается в меридиональном направлении вдоль всего Кузнецкого бассейна, начиная с его северной части, включает юго-запад Шории, самую восточную окраину Алтайского края; далее по территории Горного Алтая через Телецкое озеро; затем, изменив направление на широтное, он проходит через Тыву и южную часть Монголии, захватывая Бурятию, к южному краю озера Байкал и вдоль него до северной оконечности [12].
Возможно, отрезок рифтовой впадины с условным названием Кузбасс – Байкал и являлся зоной спрединга, находясь в океаническом режиме, но, в результате некорректного перехода в континентальный (падение астероида?), он преобразовался в длинный линейный водоём. При этом его донная кора оставалась тонкой, подвижной, с проходящим по ней глубинным разломом, с повсеместными разрывами и трещинным вулканизмом.По шкале фаз складчатости это
планетарное событие приходится на начальную фазу Каледонского цикла тектогенеза, названную Салаирской. Дело в том, что территория Салаира являлась окраиной соседней континентальной плиты и примыкала к океанской плите, фактически находясь на дне океана. Поэтому и Салаир, и Кузнецко-Саянский хребет вступили в континентальный режим одновременно.
Каледонский цикл, начавшись в среднем кембрии, длился около 150 млн. лет до среднего девона.
Салаирская фаза заняла отрезок времени примерно в 5 - 10 млн. лет. Первоначально, после Салаирской фазы, Кузнецкая котловина представляла собой самое глубокое место (возможно, около 15-20 000м) в общей линии водоёма. Вдоль её восточного края с севера на юг протягивался Кузнецко-Саянский хребет с превышением над уровнем дна, составляющим больше 15 000 метров. Большей части Шорского складчатого комплекса вообще не существовало, так как
его территория была донной частью впадины. За неимением достоверной сводной информации о расположении и петрографических наборах Чулымо-Енисейской и Приобской впадин не представляется возможным продолжить на север от Кузбасса контур всей линейной впадины, появившейся во время Салаирской фазы. Можно лишь предположить, что он прослеживается до просторов Северного Ледовитого океана.
В течение Каледонского цикла исследователями Западной Европы выделено ещё восемь активных фаз развития земной коры,
следующих за Салаирской. Земная кора нашего региона в эти периоды не менее активно подвергалась тектоно-вулканическим
воздействиям с образованием складчатых областей, появлением новых разломов в системе разрывных нарушений и вулканами
различных типов вдоль них. Котловина заполнялась вулканитами, частично перекрывающими старые системы трещин; уровень
дна впадины поднимался. Кузнецко-Саянский хребет тоже разрастался в результате процессов складчатости, занимая прилежащие площади и поднимаясь в высоту.
В начале среднего девона начался Герцинский цикл тектогенеза, длившийся около 200 млн. лет до триаса и включивший в себя девять фаз интенсивной тектоники. Кардинальные изменения Кузнецких морфоструктур на этот раз снова произошли в первую фазу цикла – Тельбесскую. В результате сильнейших потрясений и
непрекращающегося вулканизма на протяжении примерно 10 млн. лет Горная Шория поднялась над котловиной и стала складчатым комплексом, создав «перемычку» в Кузнецко-Байкальской впадине. Кузнецко-Саянский хребет испытал сильное резкое поднятие на всём протяжении, вследствие чего появился Кузнецко-Алатауский региональный разлом меридионального направления, дублирующий систему разломов основного донного дизъюнктива. Вся Кузнецко-Байкальская впадина оказалась разбитой на отдельные блоки с разной
глубиной. Дно Кузнецкой впадины частично осушилось, остались неглубокие водоёмы, заполняющие неровности трапповой
поверхности дна котловины. Вулканы, оставаясь трещинными, сместились на восточную и западную периферии и перешли в
наземный режим с извержениями «палящих туч», где продуктами извержения стали тучи раскалённого пепла и газообразных
соединений с высоким содержанием углерода и серы [13]. На участках же, ставших горными, – в Горной Шории и на западных склонах Кузнецкого Алатау, по обновившейся во время Тельбесской фазы тектогенеза системе разломов и разрывов поступал лавовый и кластический материал. Салаир, как краевая часть литосферной плиты, был вовлечён в сейсмо-вулканические процессы косвенно и испытывал постепенные небольшие поднятия с образованием структурных разломов, которые также стали путями выхода на поверхность вулканических продуктов.
Согласно исторической геологии, с середины девона получила развитие наземная растительность [14]. Это событие как раз
соответствует промежутку между первой (Тельбесской) и второй (Акадской) фазами Герцинского цикла и занимает по шкале
геохронологии отрезок в 5 – 8 млн. лет. За это время вся территория Кузнецкой впадины, находясь в относительном состоянии покоя, покрылась первозданной растительностью. С наступлением Акадской фазы на цветущую Кузбасскую долину из наземных трещинных вулканов обрушились извержения направленных взрывов. Результатом взаимодействия фитомассы с раскалёнными тучами газа и небольшого количества пепла на дне обширной и глубокой котловины стали первые пласты каменных углей. Период интенсивной тектоники продлился около 5 - 10 млн. лет. Именно Акадскую фазу тектогенеза следует считать началом рождения Кузнецкого угленосного комплекса.
Таким образом, возраст самых древних угленосных формаций Барзасского месторождения – приблизительно 330 млн. лет. Каждая последующая угленосная формация приурочена к определённым фазам Герцинского и первой половины Мезозойского циклов. Перемежающиеся с угольными пласты песчаников, брекчий и т. д. представлены разновидностями игнимбритов и прочих продуктов эксплозивных извержений[15,16], иногда сортированных водными потоками.
К эпохе поздней юры, что соответствует середине Мезозойского цикла, условий для углеобразования, длившихся в течение 210 млн. лет, не стало. Объясняется это тем, что Кузнецкая котловина заполнилась отложениями «угленосных траппов», достигшими критической мощности. Кузнецкий разлом земной коры остался на глубине от 6 000 до 10 000 метров, сохраняя под угленосными толщами вулканические условия. Последние 155 млн. лет морфоструктура впадины функционирует как равнинная геосистема, подвергаясь во время фаз
активного тектогенеза непродолжительным (1 – 2 млн. лет) движениям земной коры глыбово-сводового типа, присущим Альпийскому циклу горообразования нашей современности.
СОВРЕМЕННЫЕ ЧЕРТЫ КУЗНЕЦКОЙ РАВНИНЫ [1,17]
Видимым показателем равнинной геосистемы является рельеф. Принято считать, что рельеф равнины включает в себя не только ровные поверхности, но и предгорную периферию с высотными отметками до 850 метров. Это утверждение даёт основания считать частью геосистемы Кузнецкой равнины предгорья хребта Кузнецкий Алатау и западный сектор Горной Шории. И ещё раз указывает на Салаирский кряж, как на переходное звено между равнинными морфоструктурами различного генезиса, а именно: между Западно-Сибирской и Кузнецкой равнинами. В конечном итоге, Салаирский кряж можно считать возвышенностью Западно-Сибирской равнины.
Геосистема Кузнецкой равнины внешне почти не отличается от равнины Западной Сибири. Гидросеть представлена большими и
малыми реками. Область их питания – пластовые подземные воды. Уровень воды в реках зависит от климатических условий.
Частичные изменения в гидрогеологических условиях, рельефе, почвах и значительно изменённые биоценозы - результат антропогенной деятельности. Негативные изменения в окружающую среду вносятся, в основном, горнодобывающими предприятиями в погоне за выгодным экономическим фактором, т. е. добычей полезного ископаемого без особых капиталовложений. Процесс промышленного освоения месторождений Кузбасса, помимо добычи угля, предполагает большой
объём геологических наблюдений, которые представляют огромный интерес для проведения тектонического анализа земной коры Кузбасского региона. К сожалению, все они находятся в собственности предприятий и воспользоваться ими в частном порядке не
представляется возможным. Но ни для кого не секрет, что при подземной добыче угля перед геологами стоит две проблемы: многочисленные тектонические нарушения в виде систем трещин, часто со смещением и опасная концентрация метана (СН4) и углекислого газа (СО2) в горных выработках. И эти проблемы по сути являются фактами.
Не менее интересен и тот факт, что углепетрографические исследования не привели к единому мнению разногласия по процессу фюзенизации. Один из основных типов углеобразования, сопровождающийся почернением и обугливанием
растительного материала, он лишь немногими исследователями связывался с площадными пожарами в акватории бассейна.
Имена этих исследователей нигде не упоминаются, - и неспроста. Откуда же взяться площадным пожарам в условиях высокой
влажности. Вероятнее всего, ими высказывалось и неудобное со всех сторон предположение о вулканической деятельности. Но тогда генезис угля вместо безобидного накопления древесных осадков на дне обширного болота становится вулканогенным и приобретает беспокоящие черты периодичных тектоно-вулканических потрясений на площади 33 500 км2, значительно осложняющих пресловутый экономический фактор. Поэтому, несмотря на множественные аргументы в пользу вулканогенно-осадочного генезиса углей, стала последовательно разрабатываться и глобализироваться гипотеза
исключительно осадочного происхождения. Хотя даже в средневековой Европе ремесло углежёгов заключалось в том, чтобы в глубокой яме, сверху частично перекрытой, сжигать деревья и получать уголь. Фактически, - это экспериментальное подтверждение вулканогенного образования каменных углей.Наряду с этими геологическими фактами существуют единовременные наблюдения. Например, в долине р. Уса (район устья руч. Крылары) находится искусственный источник воды
(скважина) с запахом сероводорода (Н2S). В долине р. Мрассу регулярно происходят спонтанные выбросы сероводорода в
атмосферу. После взрыва вскрышных работ на одном из разрезов Беловского района в 1975 году образовалось большое озеро, сильно пахнущее сероводородом. В одной из выработок ш. им. Ленина тоже есть источник с запахом сероводорода. Таких примеров множество. Почти на всех шахтах и разрезах известны участки, где выходы на поверхность пластовых вод пахнут сероводородом.
Сюда же можно добавить сульфидизацию, иногда повышенную, в угольных пластах, - наряду с первичным образованием она имеет гидротермальное происхождение, т.е. постмагматическое.
Наконец, сейсмическая обстановка в регионе. Тектонические подвижки с небольшой амплитудой колебаний (1 – 1,5 баллов) по шкале Рихтера происходят единичными случаями и сериями каждый месяц, став уже привычными.
18.06.2013г. в 06ч.03мин. по местному времени в районе с. Старобачаты Беловского района спутником сейсморазведки было
зафиксировано землетрясение с гипоцентром на глубине 9,8 км. и магнитудой в гипоцентре 5,8. В г. Междуреченске это же
землетрясение произошло в 05ч.58 мин. (на 5 мин. раньше), а спустя несколько дней, в ночь на 01.07.2013г., в замкнутом Сыркашинском водоёме (бывшая старица р. Томи) погибла вся рыба, большей частью выбросившись на берег. Пробы воды, взятые Междуреченской службой охраны окружающей среды через сутки, никаких изменений в составе воды не показали.
Отсюда можно сделать выводы –
1) это был сернистый газообразный выброс;
2) данный участок старого русла р. Томи представляет собой структуру разрывного нарушения, по которому к поверхности поднимаются вулканические газы.
Приведённые факты и наблюдения связаны между собой и могут говорить об одном – в основании угленосных отложений
вулканические процессы не прекращались и, более того, временами становятся весьма интенсивными. Рассмотрим подробнее.
Характерной чертой июньского землетрясения 2013 года является глубина его гипоцентра, - она соответствует границе толщи угленосных формаций с подстилающими вулканическими породами. Разница в 5 минут тоже имеет значение: она говорит о том, что очаг землетрясения был не точечным, как утверждается, а линейным. Уголь – это аморфная форма углерода (C). На глубинном контакте угля с вулканическими породами ведущими факторами являются:
1) геотермический градиент угольных месторождений;
2)температуры гидротермальной и газовой фаз расплавов, мигрирующих в трещинных системах глубинного разлома;
3) давление пород мощностью 6 – 10км..
То есть, сформированы термодинамические условия. Допустим, что со времени Салаирской фазы и по сей день в периоды тектонических фаз из системы глубинных трещин в земной коре в огромных количествах поступает водород и его соединения.
В сложившихся условиях «законсервированного вулканизма» на глубине в 10 км и при температуре 500 - 800 градусов водород (Н) вступает в реакцию с углеродом (С) и образует углеводородные соединения. Среди них простейшее – летучий газ метан (СН4), - легко преодолевает толщу угленосных отложений по системам разрывных нарушений и выходит на дневную поверхность, улавливаясь по пути подземными выработками. На нижних уровнях остаются тяжёлые углеводороды, включая нефть[18].В свою очередь, химически активный водяной пар глубинных расплавов также поднимается с нижних горизонтов по разрывным нарушениям и является составляющей частью области питания водоносных горизонтов грунтовых вод. Из этого следует, что подземные воды Кузнецкой равнины по типу их принадлежности относятся к категории трещинно-пластовых, чем и объясняется устойчивый запах сероводорода при выходе их на поверхность [1]. Все наблюдаемые явления подобного рода – следствие фумарольных процессов, происходящих непосредственно под угленосными толщами, поэтому требуют более пристального внимания. В геологии фумаролы известны как горячие источники газа или водяного пара с вариацией температур от 90 до 1000 град. Цельсия. Первичные фумаролы действующих вулканов содержат
водород (Н), сероводород (Н2S) или сернистый газ(SО), серную и азотную кислоты, углекислый газ (СО2), щёлочи и т. д. [19, 20]. По всей вероятности, в нашем случае «погребённых фумарол» данный процесс не имеет описания, так как до сих пор на него не обратили внимания.
Накопленные факты не только подчёркивают правильность предположений, но и, возможно, свидетельствуют о начале перехода
от эпейрогенических колебаний земной коры кузнецкого фундамента к очередной фазе тектогенеза незаконченного Альпийского цикла.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, геосистема Кузнецкой равнины формировалась непосредственно под воздействием сил глубинного разлома, на что
указывает геоморфологический анализ структур. В настоящее время она продолжает формироваться по законам
тектонической эволюции в континентальном режиме. Но тектонический анализ развития морфоструктур показывает, что
Кузнецкий геологический фундамент относится к подвижному поясу земной коры материка, и при этом никак не является
земной корой континентального типа, которую предлагает теория геосинклиналей. Более того, возможно, для всех
угленосных комплексов учение о геосинклиналях окажется вообще несостоятельным.
Предстоящий этап эволюции будет нам не известен до тех пор, пока геологические исследования не перестанут быть
выборочными, а горнодобывающие предприятия не введут параллельно с производственными программами научные, пока не
будет создана действующая геологическая исследовательская служба Кузбасса. Главные причины ясны:
1)геосистема Кузнецкой равнины представляет собой, как палеоструктура, часть континентального рифта;
2)по шкале тектогенеза настоящее время соответствует Альпийскому тектоническому циклу материковой земной коры и
длится уже на протяжении 80 – 100 млн. лет;
3)события тектонической фазы в зоне глубинного разлома нам известны и вполне предсказуемы.Не будем забывать, что
геология - наука, построенная на теориях. И не зря великий русский учёный М. В. Ломоносов призывал «из наблюдений
устанавливать теорию, через теорию исправлять наблюдения есть лутчей всех способ к изысканию
правды». Конечно, вновь предложенные гипотезы требуют подтверждения, основанного на более углубленном и тщательном
изучении некоторых аспектов, необходимы инструментальные разработки специалистов-угольщиков, геохимиков,
гидрогеологов, геоморфологов и т. д.. Поэтому темы ближайших исследований, связанных с вулканогенным генезисом углей
Кузнецкой впадины, могут звучать примерно так:
1) Морфология Кузнецкой равнины и Салаирского кряжа.
2) Угленосные формации как разновидности палеовулканических игнимбритов.
3) Гидрогеология Кузнецкой равнины.
4) Погребённые фумаролы Кузнецкой равнины.
5) Систематизация и анализ землетрясений на территории Кузнецкого региона за последние 100 лет.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Шубаев Л. П. Общее землеведение. - М.: «Высшая школа», 1997. – С. 392 – 394. С. 330 - 363. С. 298 -304.
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Геоэкология.
3.Аллен Р. Библиотечная серия. Как спасти Землю (Всемирная стратегия охраны природы). - М.: "Мысль", 1983. - 171с..
4.Бобровников Ар. Е., Бобровников Ан. Е. Проблемы геоэкологии при подземной разработке угольных пластов Томь –
Усинского месторождения // Работа III научно-практической конференции ОАО «Южный Кузбасс» «Молодёжь. Наука. Будущее:
технологии и проекты». – Междуреченск, 2013.
5.Немков Г. И., Левицкий Е. С. и др. Историческая геология. - М.: «Недра», 1986. - С. 29 - 88.
6.Миронов К.В. Справочник геолога-угольщика. - М.: «Недра», 1991. – С.204 – 211.
7.Штиле Х. Введение в формирование Америки. - Берлин: издательство фон Г. Борнтраегера, 1940. - 717с.
8.Войлошников В. Д. Полевая практика по геологии. – М.: «Просвещение», 1977. – С. 113 – 115.
9.Данные геологосъёмочных работ ЗСГУ М 1:200 000.
10. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Салаирский кряж.
11.Вергельская Н. В. Современные процессы накопления и преобразования органического вещества //VII Всероссийское
литологическое совещание «Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической
истории». – Рос. акад. наук, Науч. совет по проблемам литологии и осадочных полезных ископаемых при ОНЗ; Сиб.
отд-ние, Ин-т нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука., 2013. – Т. 1. – С. 141-142.
12.Баскакова Л. А., Спижарский Т. Н., Сытин Ю. И. и др. Геологическое строение СССР. Том II. Тектоника. - М.: «Недра»,
1968. - 533с.
13.Лучицкий И. В. Палеовулканология. - М.: «Наука», 1985. – С. 10 – 247.
14.Гречишникова И. А., Левицкий Е. С. Практические занятия по исторической геологии. - М.: «Недра», 1979. - 168с.
15.Малеев Е. Ф. Критерии диагностики фаций и генетических типов вулканитов. – М.: «Наука», 1975. - С. 85 - 194.
16.Левинсон-Лессинг Ф. Ю., Струве Э. А. Петрографический словарь. М.: Государственное научно-техническое издательство
по геологии и охране недр, 1963. - С. 125.
17. http://postnauka.ru/faq/26523 Геоморфология - Пост Наука.
18.Ходаков Ю. В. и др. Неорганическая химия. Учебник для 9 класса. - М.: «Просвещение», 1976. - С. 81 - 92.
19.Геологический словарь. Том второй. - М.: «Недра», 1973. - С. 394 - 395.
20.Барабанов В. Ф. Геохимия. - М.: «Недра», 1985. С. 20 - 45.