4.1 ОСНОВНЫЕ СЛАНЦЕНОСНЫЕ ФОРМАЦИИ

Применительно к горючим сланцам В.А.Котлуков предложил следующее определение сланценосных формаций: «Это парагенетически связанные комплексы осадочных или осадочно-вулканогенных пород, включающих горючие сланцы в таких концентрациях, которые позволяют рассматривать их как полезное ископаемое». Накопление OВ связано с формированием определенного комплекса пород в определенных палеогеографических условиях соответствующего геологического периода.

Выделение и изучение сланценосных формаций прежде всего имеет практическое значение при перспективной оценке того или иного района. В зависимости от масштабов проявления, условий залегания сланцевых толщ, качества сланцев и других факторов выделяются предпосылки промышленного освоения горючих сланцев.

Ниже приведено описание основных сланценосных формаций мира.

Сапропелевый тип. 1-2. Кембрийская формация Оленекского бассейна Якутии. Формация сланценосной известково-глинисто-кремнистой толщи пород куонамской свиты ленского и амгинского ярусов Оленекского бассейна распространена на площади свыше 500 тыс.км2 на северо-востоке Сибирской платформы. Образование сланцев в центральной части бассейна приурочено к Суханскому прогибу, который осложнен серией впадин, разделенных валообразными поднятиями.

Сланценосная толща куонамской свиты подразделяется на нижнюю и верхнюю подсвиты. Нижняя, глинисто-известковая, содержит многочисленные и нередко мощные пласты горючих сланцев; верхняя сложена переслаивающимися слоями кремнисто-глинистых, известково-глинистых пород и горючих сланцев. Мощность продуктивной свиты 25-90 м.

Терригенный материал отсортирован, сланцы обладают тонкой горизонтальной слоистостью, сланценосная толща распространена на большой площади и пачки сланцев выдержанны. Сланцы темно-коричневого, серого, коричневого и черного цвета, тонкослоистые, расщепляются па тончайшие пластинки. Содержат примеси кремнезема, кальцита, гидролизов железа. ОВ заключено в алеврито-глинистой массе в виде неправильных линзочек или в виде участков клиновидной формы. Содержание ОВ в сланцах 15-25%,

Качественная характеристика горючих сланцев, %: влага - 1,2-4,1, зола 61-79, СО2 25-23,7, сера 0,8-2.4. Теплота сгорания сланцев 4186-10353 кДж/кг. Выход смолы 5-10%, редко больше. Элементарный состав ОВ (%): С - 70-79, Н - 8-10, N - 1.5-7,6, О - 4-15, S - 6,9.

Прогнозные запасы сланцев оцениваются в 300 млрд. т.

Сапропелевый тип. -S.

В Швеции известны многие месторождения горючих сланцев кембрийско-силурийского возраста морского образования. В полезной толще залегают два пласта сланцев (Нерке) мощностью по 7-9 м каждый. Сланцы добываются открытым способом, поскольку залегают неглубоко. Выход и состав смолы сланцев Швеции приводятся ниже:

Зола, % 70-73

Теплота сгорания, кДж/кг 7536-9420

Выход смолы, % 3-7,0

Элементарный состав ОВ, %: С - 70-79, Н - 8-10, О - 4-15, N - 1,5-7,6, S - 6,9.

В Швеции горючие сланцы перерабатываются с целью получения топливных продуктов, а главное, для извлечения урана и других металлов. Запасы сланцевой смолы известных месторождений Швеции (Нерке, Остерготланд, Вестерготланд, Оланд и др.) 600 млн. т.

Сапропелевый тип. O1. Ордовикская формация диктионемовых сланцев Прибалтийского бассейна. Сланцы распространены на значительной площади Эстонии, частично на территории Ленинградской, Новгородской и Вологодской областей - свыше 12 тыс.км2. В Эстонии сланцы прослеживаются в виде полосы субширотного направления длиной 250 км, шириной 15-20 км на востоке и до 80 км на западе.

Название «диоктионемовые сланцы» произошло от присутствия в аргиллитах, обогащенных на 10-20% ОВ, остатков дендроидей - Dictyonema. Накопление сланцев происходило в эпиконтинентальном заливообразном бассейне в самом начале раннего ордовика.

Сланец от темно-коричневого до черного цвета, слоистый. Плотность 1,5-1,9. Теплота сгорания 4280-5800 кДж/кг. Выход смолы на сланец 2-4, на ОВ 18-20%. Элементарный состав ОВ (%) С - 67-76,0. Н - 7,4-7,6, 0 - 12-18.5, N - 1,9-3,6, S - 2,6. Повышенное содержание азота в керогене свидетельствует о животном происхождении его материнского исходного вещества.

В диктионемовом сланце содержатся Fe2O3, P2О5, V2O5, а также сульфаты кальция и магния. Установлено присутствие редких и рассеянных элементов в повышенных количествах.

Запасы сланцев свыше 600 млрд.т.

Сапропелевый тип. О2. Ордовикская карбонатно-кукерситовая формация Прибалтийского бассейна. Формация образована в платформенных условиях. Расположена она на южном склоне Балтийского щита. Пологое моноклинальное погружение осадочных пород кукерского горизонта среднего ордовика на юг и юго-восток в основном отвечает погружению поверхности ниже расположенного кристаллического фундамента.

В пределах Прибалтийского бассейна известно несколько месторождений горючих сланцев, но наиболее разведанными и изученными являются Эстонское на западе и Ленинградское на востоке. Площадь распространения сланцевой толщи - около 100 тыс. км2.

ОВ - сапропелевого состава. Для сланценосной толщи Прибалтийского бассейна характерна частая смена ритмов в сланценакоплении. Горючие сланцы Прибалтийского бассейна богаты ОВ (22-52%). Выход смолы на сланец 13-40%. Теплота сгорания сланцев 9200-19200 кДж/кг. Выход летучих веществ 27-55%. Элементарный состав ОВ (%): С - 74-77,8, Н - 9,3-9,9, О - 9-10, N - 0,3-0,4, S - 1,6-1,9, Сl - 0,60-0,90. Выход смолы на кероген 30-68, реже выше 70%. Теплота сгорания керогена 37260 кДж/кг. Смола содержит свыше 20% фенолов.

Добыча горючих сланцев бассейна организована шахтным и открытии (разрезы) способами. Сорт сланца 0-25 мм (мелкозернистый сланец) используется для энергетических целей, сорт 25-125 (технологический сланец) поступает в газогенераторные и камерные печи, а также на установку УТТ (с твердым теплоносителем), а сорт крупностью более 125 мм подвергается дополнительному дроблению. На рис.1 приводится принципиальная схема комплексного энерготехнологического использования горючих сланцев.

Запасы сланцев с учетом забалансовых 24 млрд.т.

Рис.1. Схема комплексного энерготехнологического использования горючих сланцев.

Гумусово-сапропелевый тип. D3. Формация доманиковых сланценосных отложений европейской части России. Формация распространена на обширной площади северо-востока европейской части России - от Тимана до Урала. На накопление осадочного комплекса пород и условия их залегания существенное влияние оказали крупные структурные элементы, возникшие в варисскую эпоху тектогенеза складчатая область Тимана, Печорская синеклиза, геосинклинальная область Урала и Предуральский краевой прогиб (рис.2). В различных районах доманиковые отложения имеют довольно сложное строение: в Ухтинском районе наблюдается переслаивание черных и серых битуминозных окремненных известняков, горючих сланцев, мергелей и кремней с прослоями глин, в Ижевском районе - переслаивание битуминозных глин с прослоями мергеля, глин, битуминозных аргиллитов, горючих сланцев и черных кремнистых пород, на Среднем Тимане распространены аргиллиты, песчаники, глины и т. д.

Доманиковые отложения распространены на площади в сотни тысяч квадратных километров. Образование доманиковых отложений происходило в морском мелководном бассейне. Планктон был богат гониатитовой и пелециподовой фауной. Содержатся остатки лингул, гониатитов, птеропод, брахиопод, остракод, цефалопод.

Рис.2. Схематическая геологическая карта выходов доманиковой свиты в Южном Приуралье. 1 - выход доманиковых отложений; 2 - дизъюнктивные нарушения; 3 - месторождения горючих сланцев (цифры в кружках): 1 - Лемезинское, 2 - Ашанское. 3 - Зилимское; 4 - проявление сланценосности в бассейне р.Зиган.

Мощность сланцевой толщи непостоянна (10-75 м). Количество пластов горючего сланца в разрезе сланцевой толщи также непостоянно даже в пределах одного и того же района. Изменчиво и качество сланцев. В доманиковом горизонте Ухтинского района выделил 248 прослоев пород, в том числе 163 слоя и прослоя горючих сланцев (табл.1):

Таблица 1. Характеристика пород доманикового горизонта Ухтинского района.

Мощность пластов и слоев сланцев 0,1-2,2 м. Каждый пласт нередко состоит из серии маломощных слоев, разделенных прослоями пород. Сланцы листоватые, тонко- и микрослоистые, плотные. ОВ неоднородно по составу и по цвету - от черного до темно-бурого и желтого, реже красно-бурого, встречается в виде сгустков, линзовидных скоплений и тонких прожилков, или окаймляет обломки фауны, породы, или пронизывает породу. Присутствуют обломки кларена и касьянита, обрывки кутикулы. Плотность сланца 1,47-2,28. Содержание ОВ 10-30%. Теплота сгорания сланцев 4000-14600 кДж/кг, выход смолы на сланец 5-15, реже 30%. Сланцы от мало- до высокосернистых. Элементарный состав ОВ (%): С - 63-81, Н - 7-10, S - 2-6.

Горючие сланцы распространены на обширной площади. По перспективной оценке суммарные вероятные и возможные запасы сланца составляют 15,5 млрд.т, а по некоторым данным - 400 млрд. т.

Сапропелевый тип. D3. Формация горючих сланцев Припятской впадины. Формации данково-лебедянского горизонта фаменского яруса Припятской впадины распространена на значительной площади Белоруссии. Накопление сланценосной толщи приурочено к западному окончанию Припятского прогиба и происходило в лагунных и лагунно-морских условиях. Внутри прогиба выделяются несколько депрессий - Шатилковская, Туровская, Ельская и др. Развитие Припятского прогиба и отдельных его структур было сложным и длительным.

Туровское месторождение представлено одним пластом сланца простого строения мощностью 0,13-3, в среднем 1,65 м. В верхней части разреза сланцы постепенно переходят в сапропелевые мергели. Падение пласта пологое (1-2°). Качественная характеристика (%): зола 62-82, массовая доля серы 1,5-4,0. Выход смолы 6-14, в среднем 8%. Теплота сгорания 4180-9100 кДж/кг. Запасы сланцев 5124 млн.т.

Запасы сланцев по бассейну 11 млрд. т.

Гумусово-битуминозный тип. D3-С1. Формация черных сланцев Онтарио США, Канады. Формация распространена в Северной Америке на территории США и Канады. В США, в восточной и центральной части страны, сланцы формации занимают площадь более 650 тыс. км2.

Отличительная особенность сланцев формации - черный цвет. Массовая доля ОВ не постоянна (5-25%), в соответствии с этим значительно изменяются теплота сгорания (4000-8300 кДж/кг) и процент выхода смолы па сланец (4-10%).

В сланцах обнаружено присутствие урана, что увеличивает к ним интерес промышленных организаций.

Запасы черных сланцев США оцениваются в триллионы тонн.

Сапропелево-гумусовый тип. D3-P1. Формация угольно-сланцевая Кендерлыкского бассейна Казахстана. Формация приурочена к крупному Кендерлыкскому грабену Зайсанской впадины, возникшему в позднем карбоне, когда вначале происходило накопление континентальных угленосных отложений - аканскайская свита, а затем в лагунах в солоноватоводной среде образовались сланценосные отложения - кендерлыкская (С3) и караунгурская (P1) свиты. В конце ранней перми лагунный тип сменился континентальным (сайканская свита).

Состав ОВ горючих сланцев в разрезе продуктивной толщи неоднороден. Если сланцы кендерлыкской свиты преимущественно сапропелево-гумусового состава, то сланцы караунгурской свиты представляют собой смесь гумусово-сапропелевой массы с минеральной составной частью. Кероген содержит ксилофюзен, витрен, споры, кутикулы.

Смола кендерлыкских сланцев малосернистая. Выход смолы полукоксования на сухой сланец составил: по пласту «Калын-Кара» - 9,4, «Лучший» - 18,2%. Пиролиз смолы показал выход бензиновой фракции 25, дизельной - 36, лигроиновой - 10%.

Запасы сланцев по прогнозной оценке 6020 млн.

Сапропелево-гумусовый тип. Р2. Формация Ирати Бразилии. Формация представлена сланценосными отложениями аргиллитовой фации. Пермские отложения общей мощностью 500--700 м объединяются в серию Пасса-Дайс, в состав которой входит и сланцевая формация Ирати.

В штате Рио-Гранде-до-Сул сланценосная толща содержит два пласта горючих сланцев. Мощность верхнего пласта 9 м с постоянным уменьшением к югу и востоку, нижнего - 4,5 м. К югу также наблюдается уменьшение мощности. Так, в районе Сан-Матеус-до-Сул мощность нижнего пласта 3,21, верхнего - 6,5. Выход смолы на сланец верхнего пласта 6,4, нижнего - 9,1 %. Массовая доля ОВ 20-30%, Сланцы черного цвета дают выход смолы 4%, темно-коричневые - 10-12%. Теплота сгорания сланцев 6280-8370 кДж/кг. Выход летучих 18-31%.

Горючие сланцы формации Ирати распространены на огромной площади. По прогнозным запасам сланцев Бразилия занимает второе место в мире.

Запасы сланцевой смолы оцениваются в 1200 млрд. т.

Сапропелево-гумусовый тип. I1. Формация горючих сланцев лейаса западноевропейских стран. Формация занимает обширные области в странах Западной Европы. Сланценосные толщи лейаса в виде полос простираются на сотни километров в Англии, Франции, ФРГ, ГДР и других странах. Проявление сланценосности формации установлено и на территории Испании и Португалии.

Образование горючих сланцев лейаса в большинстве случаев происходило в морских условиях. ОВ сапропелевое или гумусово-сапропелевое. В сланцах нередко встречаются форменные углистые макрокомпоненты типа витринита, экзинита и фюзинита. Содержание ОВ и 10-20%. Теплота сгорания невысокая - 4186-8373 кДж/кг. Выход смолы 3-15%.

Прогнозных обобщающих данных по запасам сланцев Западной Европы нет.

Сапропелевый, сапропелево-гумусовый тип. I3. Формация верхнеюрских сланценосных отложений Волжского бассейна. Формация широко распространена в восточной части Русской платформы. Эти отложения в виде широкой прерывистой полосы протягиваются от Белого моря на севере до Каспийского на юге. В обшей сложности их площадь свыше 350 тыс. км2.

Пласты горючих сланцев залегают почти горизонтально. Количество пластов в разрезе полезной толщи непостоянно (1-5 и более, иногда 15-20 маломощных слоев). Мощность пластов сланцев различна (0,30-3, даже 5 м), на отдельных участках месторождения изменяется в широких пределах.

Горючие сланцы сланценосной толщи отличаются друг от друга по содержанию СаСО3: сапропелевые слабоизвестковистые (СаСО3 до 10%), сапропелевые известковистые (СаСО3 до 25%), сильно-известковистые (СаСО3 свыше 25%). Сланцы всего бассейна высокосернистые, в среднем выше 3,0%. Качество сланцев нестабильно даже в пределах одного и того же месторождения. Содержание ОВ в сланцах 20-30%. Элементарный состав ОВ (%): С - 56-79, Н - 6,5-10,9, O+N - 13-35, S - 1,2-11,8.

Прогнозные запасы Волжского бассейна сланцев 500 млрд. т, смолы 45 млрд. т.

Гумусовый тип. Р3. Формация менилитовых сланцев Карпат. Формация распространена на обширной площади Карпат и прослеживается на территории Польши, Чехии, Словакии, Венгрии и Румынии. Флишоидная формация геосинклинальных сланцевых образований имеет сложное тектоническое строение.

На территории России практический интерес представляет нижнеменилитовая свита, поскольку в слагающих ее породах содержится ОВ повышенной концентрации. Для менилитовых сланцев характерен их постепенный переход к аргиллитам и алевролитам. Линзовидные прослои сланцев не выдержаны по простиранию и падению. ОВ распределено неравномерно и составляет 15-20%, реже больше. Теплота сгорания сланцев 4200-7700 кДж/кг, редко выше. Выход смолы 3-6% на сланец.

Фракционный состав смолы полукоксования (%): перегоняется до 150°С - 9, 200° С - 24,5, 300° С - 60,5, 325° С - 66,0, 350° С - 75. Групповой состав смолы на сланец (%): фенолы + карболовые кислоты - 8,7, азотистые основания - 1,2, парафины - 1,5, нейтральные кислородные соединения - 15. Минеральная часть сланцев относится к алю-мосиликатному типу (%): SiO2 - 50-64, Аl2О3 - 7-13, Fe2O3 - 3-б, СаО - 0,3-15, MgO - 0,8-1,8, K2О+Na2O - 0.4-3. Минеральная (зольная) часть сланцев пригодна для производства многих строительных материалов.

Запасы смолы, 15-20 млрд. т, газа - 25865-109 м3.

Сапропелевый тип. Р1. Алеврито-аргиллито-сланцевая формация Болтышской и Ротмистровской впадин Украины, Формация приурочена к впадинам, образованным в докембрийских кристаллических породах Украинского массива. Накопление сланценосных пород происходило в мелководных, прибрежно-морских и озерных условиях.

Элементарный состав ОВ (%): С - 62-72, Н - 9-10, О - 15-21, N - 1,2-2,3, Sорг - 1-2. Выход летучих веществ - 75-85%. Смола малосернистая, но содержит до 4,6% азотистых оснований и до 8,4% парафинов.

Выход бензиновой фракции 18,5, дизельной - 38, тяжелой - 40-44,3%. Минеральная часть в основном алюмосиликатная. Содержание А12О3 в отдельных пластах составляет 27%. Она пригодна для производства аглопорита, ячеистого бетона, минеральной ваты и каменного литья.

Запасы сланцев с выходом смолы более 10% составляют 3,5 млрд. т. При теплоте сгорания 6280 кДж/кг запасы увеличатся в несколько раз.

Сапропелево-гумусовый тип. Р2 Формация сланценосных гринриверских отложений США. Формация распространена на площади 65 тыс. км2. Сланценакопление происходило в структурных формах, возникших в Скалистых горах в результате ларамийского орогенеза. В эоценовую эпоху возникают такие крупные бассейны, как Грин-Ривер и Вошейки (штат Вайоминг), Пайсенс-Крик (штат Колорадо), Уинта (штат Юта) и др. Мощные сланценосные отложения на протяжении 10 млн. лет заполняли межгорные впадины.

Кероген имеет неароматическую структуру, содержит дикарбоновые кислоты. Пиролиз при 500° С показал выход (%): смолы - 66, газа - 9, воды - 5 и углекислого остатка - 20. Кероген является макромолекулярным веществом, имеет линейно-конденсированное, насыщенное цикличное строение с гетероатомами кислорода, азота и серы. Элементарный состав (%): С - 80,5, Н - 10,3, N - 2,4, О - 5,8 и S - 0,1.

Содержание ОВ в горючих сланцах 8-50% Распределение его неравномерно, выделяются пласты, богатые и бедные керогеном. Пласты сланцев не выдержанны, количество их в разрезе отдельных бассейнов достигает 70, а мощность варьирует от нескольких метров до 600 м и более. Выход смолы 3-15%. Теплота сгорания 3340-8373, в среднем 6280 кДж/кг.

Запасы смолы в сланцах Грин-Ривер определены в 1200 млрд. т.

Сапропелевый тип. Р2 Формация сузакских горючих сланцев Узбекистана и Таджикистана. Формация широко распространена па территории Узбекистана и Таджикистана, в предгорной части Гиссарского хребта.

Отложения эоцена представлены глинами, мергелями и горючими сланцами. Образование горючих сланцев Байсунского месторождения Узбекистана происходило в неглубоком морском бассейне. Месторождение расположено на северо-западном крыле Байсунской синклинали. На территории Таджикистана горючие сланцы сузакского слоя приурочены к Южно-Таджикской депрессии. В Узбекистане на Байсунском месторождении среди глин залегает пласт сланца мощностью 0,40-0,72 м, а в Таджикистане в аналогичных геологических условиях залегают два пласта горючих сланцев мощностью 1 и 2 м. Горючие сланцы близки по составу (%): влага - 1,6-11,2, зола - 62-89, сера - 4-5,9. Теплота сгорания 6280-13400 кДж/кг. Выход смолы на сланец - 4-11,8%. Выход летучих веществ - 26-36%.

Сланцы распространены на обширной площади. При комплексной разработке сланцы данной формации могут оказаться прочной базой получения химических продуктов и извлечения ценных металлов, а на основе минеральной части - производства аглопорита, каменных литых изделий и др. Сланцесмоляные продукты пригодны для получения гербицидов и других продуктов для нужд сельского хозяйства. В зоне выветривания сланцы заметно беднее.

Запасы сланцев в пределах изученных площадей по Узбекистану 1392 млн. т, по Таджикистану - 2902 млн. т.

Сапропелево-гумусовый тип. Р-N. Формация фушуньских угольно-сланценосных отложений Китая. Фушуньская формация угольно-сланценосных отложений КНР распространена на обширной площади на северо-востоке, в провинции Ляонин, и на юге, в провинции Гуандун и в Гуанси-Чжуаиском автономном районе. В этих провинциях известны промышленные угольно-сланцевые месторождения, образованные в палеоген-неогеновый период, близкие по составу и качеству.

Качество горючих сланцев (%): влага - 5, зола - 78-80, содержание ОВ в сланцах - 25; теплота сгорания 3300-6200 кДж/кг. Выход смолы 3-7, реже 10-15%. Смола высокопарафинистая (15-17% парафинов). Выход газа на 1 т сланца 42 м3. Химический состав золы (%): SiО2 - 62,3, А12О3-26,7. Fе2О3 - 61, СаО - 0,10, MgO - 1,8.

В нижней части сланценосной толщи имеется много остатков растений.

В сланцах Фушуньского месторождения содержатся такие химические элементы, как торий - 0,2%, ниобий и тантал - 0,1-0,3%, молибден и вольфрам.

В течение многих лет сланцы подвергают термической переработке, в результате чего получают бензин, парафин, дизельное топливо и другие продукты.

Прогнозные запасы горючих сланцев Фушуньского месторождения оцениваются в 360 млрд. т.

«Торфяная» стадия водорослевых сланцев. Кайнозой. Q4. В современных лагунных и озерных условиях происходит процесс образования балхашита и коронгита - представителей начальной стадии зарождения водорослевого керогена. Образование балхашита и коронгита происходит в водной среде с различным рН в аэробных условиях.

Образование коронгита и, вероятно, балхашита протекает в такой последовательности: сначала бактерии в аэробных условиях преобразуют водорослевый материал, что сопровождается возникновением масляной пленки на поверхности воды; скапливается гелеобразная масса липидного состава, ОВ сгущается, полимеризуется и твердеет с превращением в плотную массу, одновременно уменьшается ненасыщенность, увеличиваются инертность и нерастворимость.

Элементарный состав (%): коронгита - C - 77,5, Н - 11,0. N+S - 0,60-1,5; балхашита - С - 73,76, Н - 10,61, О - 13,74, N + S - 1,59.

Коронгит и балхашит представляют собой раннюю стадию образования водорослевого керогена и что их основными характерными чертами являются избыточная, липидная природа матрицы водорослевых плюсок и высокая химическая ненасыщенность. Образования коронгита и балхашита самостоятельного промышленного значения не имеют. Они прежде всего представляют интерес для научных исследований.