ГЕОХИМИЯ, 2011, № 9, с. 971-980
ОБ ОБРАЗОВАНИИ ВОДОРОДА ПРИ РАДИОЛИЗЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННОЙ ВОДЫ КАРНАЛЛИТА И ВОЗМОЖНЫЕ
СЛЕДСТВИЯ ЭТОГО ЯВЛЕНИЯ
© 2011 г. А. Ф. Сметанников
Горный институт УрО РАН 614007г. Пермь, ул. Сибирская 78 а e-mail: tm_djucha@mi-perm.ru Поступила в редакцию после доработки 15.06.2010 г.
Получены новые данные об образования водорода при радиолизе кристаллизационной воды карналлита на примере Верхнекамского месторождения солей. Показано, что генератором и коллектором микровключенного и свободного водорода являются карналлитовые породы, приуроченные к карналлитовой зоне калийной залежи в разрезе месторождения. Радиолиз кристаллизационной воды карналлита связывается с влиянием K и 87Rb. Высокая степень трещиноватости карналлитовых пород в сравнении с сильвинитами и каменной солью является следствием радиолиза. Рассматриваются другие, возможные следствия этого явления.
Ключевые слова: Верхнекамское месторождение солей, карналлитовые породы, сильвиниты, водород, радиолиз.
В соляных породах Верхнекамского месторождения, широко распространены микровключенные (рассеянные) и свободные газы [1]. Существенную часть этих газов составляет водород, сосредоточенный, главным образом в карналлитовой зоне калийной залежи. Наличие водорода является крайне острой проблемой, поскольку это связано с применением мер безопасности при отработке месторождения.
Верхнекамское месторождение солей (ВКМС) расположено в центральной части Соликамской впадины Предуральского краевого прогиба и представлено мощной (свыше 500 м) соляной толщей, которая подразделяется (снизу вверх) на подстилающую каменную соль (ПдКС) мощностью 320—400 м, калийную залежь (70—100 м) и покровную каменную соль (20 м). Соляная толща подстилается глинисто --ангидритовыми отложениями мощностью 200—220 м и перекрывается соляно-мергельной, терригенно-карбонатной и пестроцветной толщами уфимского яруса верхнего отдела перми. Комплекс соляных пород относится к иренскому горизонту кунгурского яруса нижнего отдела пермской системы. Соляная толща месторождения имеет площадь 8100 км2, площадь калийной залежи 3750 км2 [2—4] .
В калийной залежи выделяется сильвинитовая и карналлитовая зоны. Сильвинитовая зона сложена пластами красных сильвинитов (Кр III, Кр11, Кр1), полосчатого сильвинита (А) и разделяющих их пластов каменной соли (КрП-КрШ, Кр1-Кр11, А-Кр1). Толщина сильвинитовой зоны составляет 20—25 м.
Наиболее мощным является пласт Кр11 (до 6 м), в котором выделяется 7 слоев. Нечетные слои сложены богатым сильвинитом (KCl более 18%), четные — бедным сильвинитом (KCl 5—18%). Остальную массу сильвинитов составляет галит (NaCl). Как сильвиниты, так и каменная соль содержат нерастворимый в воде остаток (Н.О.).
В нижней части пластов каменной соли, между пластами Кр11, АБ и В выделяются коржи. Структурно корж — это переслаивание глинисто-ангидритового материала и каменной соли, мощностью 20— 30 см с высоким содержанием Н.О. (до 15—40%).
Карналлитовая зона сложена пластами K-Mg солей (9 пластов от Б до К) и каменной соли (8 пластов от Б—В до И—К). На части площади карналлитовые породы замещаются пестрыми сильвинитами, которые, в свою очередь, могут замещаться каменной солью. В пласте Б пестрый сильвинит развит на 90% площади его распространения, В — на 36%, Г — на 28%, Д — 13.5% и выше, не более 15%. Мощность зоны составляет 50—70 м [5—9].
Отрабатываются пласты Кр11, АБ и пласт В кар-наллитового и сильвинитового состава. Обобщенный разрез калийной залежи соляной толщи представлен на рис. 1.
Рассмотрим особенности состава соляных пород. В каменной соли ПдКС галит составляет 97— 99%, Н.О. — 3—1%. В сильвинитах калийной залежи от 5 до 55% сильвина, от 95 до 45% галита, Н.О. от 2.5 до 6%. Карналлитовые породы представлены карналлитом KMgCl2 • 6H2O (до 55%) и галитом (до
к &
а
И-К
И
З-И =3= Ж-З -ж-
Е-Ж
Е
Д-Е
Д
Г-Д
В-Г
В
Б-В
Б
А
А-Кр1
-Кр1—
Кр1-Кр11
Кр11
Кр11-Кр111а —Кр111а — КрШа-КрШб
Кршб_
КрШб-КрШв П Кр111в -
л « 8 я
5 ^ Я о
ч *
........
+ + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + + 1МИ1Ш1ИМ^.4
+ + + + + + + +
ПШШ^Е
+ + + +1 + + + +
+ + + +1
г
+ + + + + + + +
г
ГТЧ
+ + + +
Р
+ + + + ШЕ
+ + + +
+ + + +
+ + + +
§ й £ о
л Э и О
ГТТ0"
6.1
ТТ
2.2 :0.7: 3.2 :0.8; 4.2
5.7
3.4
6.0
2.9
5.5
2.2
5.Т
Т.6
Т.9
Т.4
2.0
Т.Т Т.4
4.Т
Т.8
Т.0 0.8 Т.4 Т.6 0.8
Рис. 1. Стратиграфический разрез калийной залежи ВКМС.
1 — каменная соль; 2 — карналлитовая порода; 3 — пестрый сильвинит; 4 — красный сильвинит; 5 — полосчатый сильвинит.
45%), количество Н.О. до 6%. В межпластовой каменной соли калийной залежи — основной компонент галит (до 92%), количество Н.О. составляет 10-12%.
Состав Н.О. (по убыванию) — ангидрит, доломит, кварц, полевые шпаты, кальцит, гипс, гидрослюды, хлорит, пирит, окислы и гидроокислы Fe, органическое вещество (ОВ).
Минералы Н.О. каменной соли ПдКС сконцентрированы в межзерновом пространстве галита и (или) формируют глинисто-ангидритовые прослои. В калийной залежи минералы Н.О., представлены минеральным пигментом соляных минералов и минеральной массой межзернового пространства в сильвините и карналлитовых породах.
Пигмент сильвина формируют гетит + гематит, доломит, кварц и ОВ. Состав межзернового Н.О. — ангидрит, доломит, кварц, полевые шпаты, кальцит, хлорит, гидрослюды, ОВ, гематит + гетит, пирит, сфалерит. Количество пигмента в сильвините составляет 0.2—0.4%. Общее содержание Н.О. в сильвините составляет 3—6%.
Микропримеси в пигменте сильвина и межзернового Н.О — пирит, пирротин, халькопирит, сфалерит, касситерит, барит, циркон, силикаты 8п (сто-кезит), циркон, самородные металлы и интерметал-лиды N1, Fe, 8п, Лё, Си, Ли [10]. Традиционные примеси — ЯЪ, С7, П, Вг, I, Мп, Ва. Присутствуют также Нё, Сё, Л§, Тп, РЪ, Си [9]. Благородные металлы (Ли, Лё, Р^, Рё) сконцентрированы в Н.О. и связаны с ОВ [11].
Состав ОВ в калийной залежи практически не меняется [12]. В составе газово-жидких включений в соляных минералах, прослеживаются эпигенетические изменения, имеющие зональный характер [13]. Отмечается перекристаллизация соляных минералов с увеличением ее интенсивности снизу вверх по разрезу. Изменения обусловлены последовательностью образования минеральных ассоциаций, их сменой снизу вверх по разрезу, вместе с изменением состава вмещающих пород и сменой гидрохимических солевых фаций [11].
Прослеживается три типа зональности в толще солей:
1. Минералогическая зональность (смена гидрохимических солевых фаций).
2. Слабо проявленные изменения в составе ОВ калийной залежи в сравнении с ПдКС.
3. Эпигенетическая зональность, выраженная в изменении состава газово-жидких включений, состава микровключенных и свободных газов, перекристаллизации минералов.
Рассмотрим особенности распределения карналлита в разрезе соляных пород (табл. 1). Как видно из таблицы, максимальные содержания МёС12 и соответствующие им содержания карналлита фиксируются в корже над пластом Кр11 и в корже
Г
3
Таблица 1. Минеральный состав промышленной зоны калийной залежи (2 Березниковский рудник)
Пласт, слой
Средний размер частиц, мм
Содержание, %
МЕС12
Карналлит Сильвин
Корж пл. Б 1.05 1.14 3.32 0.72 62.70 28.99
Пласт Б 1.32 0.19 0.56 18.40 76.70 5.07
Пласт А 1.32 0.21 0.61 41.0 51.50 4.73
Корж 1 пл. Кр II 1.10 0.55 1.60 2.60 47.40 4.95
Пласт Кр II Слой1 1.36 0.23 0.68 50.50 45.20 3.59
Слой 2 1.29 0.18 0.52 13.70 75.60 7.85
Слой 3 1.35 0.09 0.26 49.70 45.80 2.69
Слой 4 1.24 0.45 1.31 6.00 72.70 10.51
Слой 5 1.21 0.09 0.26 44.40 52.30 2.19
Слой 6 1.11 0.09 0.26 27.10 65.50 5.19
Слой 7 1.16 0.09 0.26 26.30 68.50 2.56
Галит
НО.
Примечание. Средний размер частиц вычислялся по результатам интерпретации данных гранулометрического анализа бороздовых проб.
Таблица 2. Содержание М§С12 и карналлита в разрезах на Березниковском, Дурыманском и Быгельско-Троиц-ком участках месторождения
Участки месторождения
Березниковский (1 рудник). Юг Дурыманский (2 рудник). Быгельско-Троицкий (4 рудник).
Пласт шахтного поля Север шахтного поля Опытная панель
Содержания, вес. %
МЕС12 Карналлит МЕС12 Карналлит МЕС12 Карналлит
ВГ 0.21 0.61 0.50 1.45 0.74 2.15
В 20.16 58.46 0.10 0.29 0.50 1.45
Б-В 0.42 1.22 0.26 0.75 0.57 1.65
Б 1.20 3.50 0.10 0.29 0.33 0.96
А 0.13 0.38 0.05 0.14 0.35 1.01
А-Кр! 0.28 0.81 0.12 0.35 0.31 0.89
Кр! 0.04 0.12 0.06 0.17 0.23 0.67
КрЬКрП 0.11 0.32 0.08 0.23 0.31 0.89
КрП 0.07 0.20 0.07 0.20 0.13 0.38
Примечания. Приведены данные по отдельным разрезам, характеризующим содержание карналлита в определенном участке шахтного поля.
пласта Б (1.60 и 3.33%). Близкие значения приводит Борисенков [14].
Сравним особенности распределения М§С12 и карналлита (табл. 2) в разрезах на 1, 2 и 4-м рудниках Березников (южная часть ВКМС).
Анализ таблицы свидетельствует о возрастании содержания карналлита вверх по разрезу калийной залежи. Причем, сохраняются особенности, выявленные для слоев 1—7 пласта Кр11 (табл. 1), т. е. одновременно с общим возрастанием содержания карналлита вверх по разрезу фиксируются более
высокие его содержания в межпластовой каменной соли (Кр1-Кр11, А-Кр1, Б-В, В-Г) и меньшие — в собственно сильвинитах. Исключением является разрез (1 Березниковский рудник), где в пласте В (карналлитовая зона пласта В) содержание карналлита промышленное, а в пласте Б — предельно высокое для сильвинитов.
С возрастанием количества карналлита увеличивается размер зерен сильвина и, особенно, галита в пластах сильвинита и в межпластовой каменной соли. Размер зерен сильвина и (или) галита в пласте Б,
Таблица 3. Характеристика прочности соляных пород ВКМС [15]
Показатели стсж. - МПа
Каменная соль Сильвинит Карналлитовая порода
Число испытаний 275 50 71
Среднее значение стсж 26.4 23.3 14.2
Min стсж 2.1 9.2 1.0
Max стсж 42.1 32.7 36.9
Среднеквадратичное отклонение стсж 7.1 5.5 10.7
Коэфициент вариации 27 24 75
может колебаться от 3 мм в северной части Дуры-манского участка, от 5 до 10 мм в сильвинитах Быг-ельско-Троицкого участка и до 15—20 мм на Берез-никовском участк
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.