Timing of coalification of the upper carboniferous sediments in the Upper Silesia Coal Basin on the basis of by apatite fission track and helium dating
 
More details
Hide details
1
Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Kraków
 
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2014;30(1):85–104
 
KEYWORDS
ABSTRACT
The apatite fission track and helium dating were used to provide a temporal framework for the coal rank data in the Upper Silesia Coal Basin. Measured apatite fission–track (AFT) central ages from sandstones and tonsteins in the USCB range from 259±11 (Permian) to 103±6 Ma (Early Cretaceous), with mean track lengths ranging from 11.7±0.2 to 13.7±0.1 μm. All AFT ages are younger than sample stratigraphic ages, indicating substantial post–depositional annealing. Samples from the western and central part of the USCB yield AFT ages of Permian to Late Triassic (259±11 to 214±10 Ma). Mean track lengths and unimodal track length distributions of these samples are indicative of a single relatively rapid Variscan cooling event to below 60°C consistent with erosion during the Asturian inversion of the basin. This was followed by slower cooling during the Mesozoic. The samples from the eastern and NE part of the USCB have AFT ages from Late Triassic to Early Cretaceous (210±10 Ma to 103±6 Ma). The relatively shorter mean track length and higher standard deviation, combined with a bimodal and/or mixed fission track length distribution in some samples, is indicative of amore complex thermal history with possibly a thermal event separated by a prolonged period in the PAZ. Apatite helium ages of samples from across the basin range from 144.1±11 to 108.1±8Ma (Early Cretaceous) indicating rather slow, post–Variscan inversion cooling or the possible mid–Mesozoic re–heating where temperatures reached only to 60–70°C. It was high enough for partial He loss from the apatite but not enough to anneal fission tracks in the most areas of the USCB. Only in the NE part of the USCB Mid–Mezozoic re-heating could be able to increase temperature to ~70–85°C causing partially resetting AFT (particularly during long stay in PAZ). Mid–Mesozoic re–heating would be caused by a hot fluid circulation related to extensional tectonic development. The timing and temperature range from thermochronological analysis imply that major coalification processes occurred in the latest Carboniferous period.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Wiek uwęglenia utworów górnokarbońskich w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym w świetle datowań apatytów za pomocą metody trakowej i helowej
Górnośląskie Zagłębie Węglowe, uwęglenie, historia termiczna, metoda trakowa, metoda helowa, apatyt
Przeprowadzono datowania za pomocą metody trakowej i helowej dla apatytów z utworów karbońskich w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym w celu określenia ram czasowych procesów uwęglenia. Pomierzone centralne wieki trakowe apatytów mieszczą się w przedziale od 259±11 (późny perm) do 103±6 milionów lat (wczesna kreda), a średnia długość traków waha się od 11,7±0,2 do 13,7±0,1 μm. Wszystkie wieki trakowe są młodsze od wieku stratygraficznego analizowanych próbek, wskazując znaczne zaawansowanie procesów diagenetycznych. Próbki z zachodniej i środkowej części GZW mają wieki trakowe od późnego permu do środkowego/późnego triasu (259±11 do 214±10 mln lat). Jednomodalne rozkłady długości traków i ich średnie wartości wskazują na pojedyncze, względnie szybkie zdarzenie postwaryscyjskiego wychładzania do temperatury poniżej 60°C, co jest zgodne ze znaczną erozją postinwersyjną utworów górnokarbońskich po fazie asturyjskiej. W pozostałej części mezozoiku następowało wolniejsze wychładzanie. Próbki ze wschodniej i NE części GZW mają wieki trakowe od późnego triasu do wczesnej kredy (210±10 do 103±6 milionów lat). Charakteryzuje je względnie krótsza średnia długość traków i wyższe odchylenia standardowe, a także w przypadku części próbek bimodalny i/lub mieszany charakter rozkładów długości. Jest to razem wskazówką bardziej złożonej historii termicznej, z długim okresem przebywania w PAZ i możliwym drugim zdarzeniem termicznym. Wieki helowe apatytów w całym basenie są wczesnokredowe (144,1±11 do 108,1±8milionów lat), wskazując raczej na wolne postwaryscyjskie wychładzanie lub możliwe mezozoiczne podgrzanie karbonu do temperatury nie większej niż 60–70°C, które spowodowało częściową dyfuzję helu i odmłodzenie wieków helowych, ale równocześnie nie spowodowało znaczącego zabliźniania traków na większości obszaru GZW. Jedynie w NE części GZW podgrzanie mezozoiczne mogło być nieco wyższe, do temperatury 70–85°C, powodując odmłodzenie wieków trakowych, zwłaszcza przy długim okresie przebywania w PAZ. Mezozoiczny impuls termiczny był przypuszczalnie spowodowany cyrkulacją gorących roztworów związaną z procesami ekstensji. Powyższe zakresy temperatur i czas ich występowania świadczą, że uwęglenie materii organicznej w GZW nastąpiło zasadniczo z końcem okresu karbońskiego.
 
REFERENCES (74)
1.
Adamczyk, Z. i Porszke, A. 2002. The role of diagenetic variability of Carboniferous from Drogomyoel IG1 borehole in evaluation of its gas-bearing potential. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 18, s. 67–82.
 
2.
Bełka, Z. 1993. Thermal and burial history of the Cracow–Silesia region assessed by conodont CAI analysis. Tectonophysics 227, s. 161–190.
 
3.
Botor, D. 2010. Stopień uwęglenia utworów nadkładu mezozoicznego (trias, jura) GZW. [W:] Lipiański, I. red. Materiały 33 Sympozjum Geologia Formacji Węglonośnych Polski. Kraków, 21–22.04.2010, s. 15–20.
 
4.
Botor, D. i Anczkiewicz, A.A. 2010. Zastosowanie metody trakowej i helowej do rekonstrukcji termicznej basenów sedymentacyjnych. Technika Poszukiwań Geologicznych 1–2/2010, s. 133–149.
 
5.
Buła, Z. i Kotas, A. 1994. Atlas geologiczny GZW. Mapy strukturalne. PIG Warszawa.
 
6.
Chmura, K. 1970. Własności fizykochemiczne skał karbońskich w GZW. Katowice: Wydawnictwo Śląsk, 219 s.
 
7.
Chodynicka, L. i Sankiewicz, J. 1972. Magmatic intrusion in Lower Namurian in the Marklowice region. Rocznik Polskiego Towarzystwa Geologicznego 42, s. 309–326.
 
8.
Chodynicka, L. i Sankiewicz J. 1978. Bazaltes from Suminy area (Rybnik Coal Area). Kwartalnik Geologiczny 22, s. 119–130.
 
9.
Donelick i in. 2005 – Donelick, R.A., O’Sullivan, P.B. i Ketcham, R.A. 2005. Apatite fission–track analysis. Reviews in Mineralogy and Geochemistry 58, s. 49–94.
 
10.
Dumitru, T. 1993. A new computer–automated microscope stage system for fission–track analysis. Nuclear Tracks and Radiation Measurements 21, s. 575–580.
 
11.
Dunkl, I. 2002. Trackkey: a Windows program for calculation and graphical presentation of fission track data. Computer and Geosciences 28, s. 3–12.
 
12.
Farley, K.A. 2002. Helium dating: techniques, calibrations, and applications.W: Noble gases in Geochemistry and Cosmochemistry. Reviews in Mineralogy and Geochemistry 47, s. 819–844.
 
13.
Farley i in. 1996 – Farley, K.A., Wolf, R. i Silver, L. 1996. The effects of long–stopping distances on helium dates. Geochimica and Cosmochimica Acta 60, s. 4223–4229.
 
14.
Gabzdyl, W. 1990. Petrograficzna charakterystyka tonsteinów GZW. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej – Seria Górnictwo 187, s. 76–88.
 
15.
Gabzdyl, W. i Probierz, K. 1987. The occurrence of antracites in the area characterised by low–rank coals in the USCB. International Journal of Coal Geology 7, s. 209–225.
 
16.
Galbraith, R.F. 1990. The radial plot: graphical assessment of spread in ages. Nuclear Tracks and Radiation Measurements 17, s. 207–214.
 
17.
Green, P.F. 1986. On the thermo–tectonic evolution of the Northern England: evidence from fission track analysis. Geological Magazine 123, s. 493–506.
 
18.
Harańczyk, C. 1979. Metallogenic evolution of the Silesia–Cracow region. Prace Państwowego Instytutu Geologicznego 95, s. 1–87.
 
19.
Heijlen i in. 2003 – Heijlen, W., Muchez, P., Banks, D.A., Schneider, J., Kucha, H. i Keppens, E. 2003. Carbonate–hosted Zn–Pb deposits in Upper Silesia, Poland: origin and evolution of mineralizing fluids and constraints on genetic models. Economic Geology 98, s. 911–932.
 
20.
Hurford, A.J. 1990. Standardization of fission track dating calibration: recommendations by the Fission Track Working Group of the I.U.G.S. Chemical Geology 80, s. 171–178.
 
21.
Jura, D. 2002. Coalification of organic matter related to fluid migration, deep situated fractures and tectonic junction in the USCB. Documenta Geonica 1, s. 95–104.
 
22.
Jura, D. i Trzepierczyński, J. 1996. Relationship between the tectonic structure and coal quality field in the USCB. Prace Naukowe Uniwersytetu Śląskiego 1602, s. 21–29.
 
23.
Jurczak-Drabek, A. 1996. Atlas petrograficzny jakości węgla GZW. Warszawa: Państwowy Instytut Geologiczny.
 
24.
Karwasiecka, M. 2001. Wyniki badań dojrzałości termicznej materii organicznej w GZW. [W:] Plewa, S. red. Rozpoznanie pola cieplnego ziemi w obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego dla potrzeb górnictwa i ciepłownictwa. Kraków: Wydawnictwo IGSMiE PAN 90, s. 85–102.
 
25.
Ketchum i in. 2000 – Ketchum, A., Donelick, R. i Donelick, M.B. 2000. AFTSolve: a program for multi–kinetic modeling of apatite fission track data. Geological Materials Research 2. s. 1–32.
 
26.
Kędzior, S. 2008. Potencjał zasobowy metanu pokładów węgla w Polsce w kontekście uwarunkowań geologicznych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 24, s. 155–173.
 
27.
Kędzior, S. 2009. Accumulation of coal-bed methane in the south-west part of the Upper Silesian Coal Basin. International Journal of Coal Geology 80, s. 20–34.
 
28.
Kędzior, S. 2011. The occurrence of a secondary zone of coal-bed methane in the southern part of the Upper Silesian Coal Basin (southern Poland): potential for methane exploitation. International Journal of Coal Geology 86, s. 157–168.
 
29.
Kędzior, S. i Jelonek, I. 2013. Reservoir parameters and maceral composition of coal in different Carboniferous lithostratigraphical series of the Upper Silesian Coal Basin, Poland. International Journal of Coal Geology 111, s. 98–105.
 
30.
Kędzior i in. 2013 – Kędzior, S., Kotarba, M.J. i Pękała, Z. 2013. Geology, spatial distribution of methane content and origin of coalbed gases in Upper Carboniferous (Upper Mississippian and Pennsylvanian) strata in the south-eastern part of the Upper Silesian Coal Basin, Poland. International Journal of Coal Geology 105, s. 24–35.
 
31.
Kołcoń, I. i Wagner, M. 1983. Węgiel brunatny z dolomitów kruszconośnych złoża cynku i ołowiu Pomorzany koło Olkusza. Kwartalnik Geologiczny 27, s. 739–754.
 
32.
Komorek, J. 1996. Anizotropia optyczna węgla w pokładach typu 31 do 42 w GZW. Prace Geologiczne PAN 140, s. 1–71.
 
33.
Komorek, J. i Morga, R. 2002. Relationship between the maximum and the random reflectance of vitrinite for coal from the Upper Silesian Coal Basin (Poland). Fuel 81, s. 969-971.
 
34.
Kosakowski i in. 1995 – Kosakowski, P., Botor, D. i Kotarba, M. 1995. Próba oceny wielkości erozji i warunków paleotermicznych w GZW. [W:] Ney, R. i Kotarba, M. red. Opracowanie modeli oraz bilansu generowania i akumulacji gazów w serii węglonośnej GZW. Kraków: Wydawnictwo CPPGMiE PAN, s. 41–51.
 
35.
Kotarba, M.J. 2001. Composition and origin of coalbed gases in the Upper Silesian and Lublin basins, Poland. Organic Geochemistry 32, s. 163–180.
 
36.
Kotas, A. 1971. Uwagi o metamorfizmie węgla w GZW. Zeszyty Naukowe AGH – Geologia 14, s. 7–25.
 
37.
Kotas, A. 1982. Zarys budowy geologicznej GZW. [W:] Różkowski, A. i Ślusarz, J. red. Przewodnik LIV Zjazdu Polskiego Towarzystwa Geologicznego, s. 45-72.
 
38.
Kotas, A., 1995. Litostratigraphy and sedimentologic–paleogeographic development, Upper Silesia Coal Basin. [W:] Zdanowski, A. i Żakowa, H. red. The Carboniferous System in Poland, Prace Państwowego Instytutu Geologicznego 148, s. 124–136.
 
39.
Kotas, A. 2001. Niektóre aspekty interpretacji gradientów dojrzałości termicznej osadów karbońskich GZW. [W:] Lipiarski, I. red. Materiały 24 Sympozjum Geologia Formacji Węglonośnych Polski, 14–15.04.2001, Kraków, s. 45–51.
 
40.
Kotas i in. 1983 – Kotas, A., Gądek, S., Buła, Z., Kwarciński, J. i Malicki, J., 1983. Atlas geologiczny GZW. Mapy jakości węgla (1:100 000). Warszawa, Państwowy Instytut Geologiczny.
 
41.
Kotas, A. red. 1994 – Coal–bed methane potential of the Upper Silesia Coal Basin, Poland. Prace Państwowego Instytutu Geologicznego 142, s. 1–181.
 
42.
Kozłowski, A. 1995. Origin of the Zn–Pb ores in the Olkusz and Chrzanów districts: a model based on fluid inclusions. Acta Geologica Polonica 45, s. 84–141.
 
43.
Kuhl, J. i Drewniak, R. 1977. Hydrothermal mineralization of the Siodłowe Beds in the Szombierki Coal Mine. Bulletin of the Polish Academy of Science 25, s. 23–29.
 
44.
Kurek, S. 1988. Mineralizacja Zn–Pb w górnopaleozoicznych utworach NE części GZW. Przegląd Geologiczny 36, s. 396–401.
 
45.
Łapot, W. 1992. Petrografia tonsteinów z GZW. Prace Naukowe Uniwersytetu Śląskiego 1540, 110 s.
 
46.
Lewchuk, M.T. i Symons, D.T.A. 1996. Age and duration of MVT ore mineralizing events. Geology 23, s. 233–236.
 
47.
Marynowski, L. i Wyszomirski, P. 2008. Organic geochemical evidences of early–diagenetic oxidation of the terrestrial organic matter during the Triassic arid and semi–arid climatic conditions. Applied Geochemistry 23, s. 2612–2618.
 
48.
Marynowski i in. 2007 – Marynowski, L., Zatoń, M., Bernd, R.T., Simoneit, Otto, A., Jędrysek, M.O., Grelowski, C. i Kurkiewicz, S., 2007. Compositions, sources and depositional environments of organic matter from the Middle Jurassic clays of Poland. Applied Geochemistry 22, s. 2456–2485.
 
49.
Mazurek i in. 2006 – Mazurek, M., Hurford, A.J. i Leu, W. 2006. Unravelling the burial history of the Swiss Molasse Basin: integration of apatite fission track, vitrinite reflectance and biomarker isomerisation analysis. Basin Research 18, s. 27–50.
 
50.
Misiak, J. 2011. Microlithotype profile of the coal seam no. 116/2 (Libiąż beds) with facial interpretation – ZG Janina (USCB). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 27, s. 5–15.
 
51.
Misiak, J. 2006. Petrography and depositional environment of the No. 308 coal seam (Upper Silesian Coal Basin, Poland) – a new approach to maceral quantification and facies analysis. International Journal of Coal Geology 68, s. 117–126.
 
52.
Morga, R. 2000. Anizotropia optyczna węgla w pokładach zaburzonych tektonicznie w GZW. Prace Geologiczne PAN 148, 86 s.
 
53.
Narkiewicz, M. 2007. Development and inversion of Devonian and Carboniferous basins in the eastern part of the Variscan foreland (Poland). Geological Quarterly 51, s. 231–256.
 
54.
Nawrocki i in. 2010 – Nawrocki, J., Krzeminski, L. i Pańczyk, M. 2010. Ar–Ar ages of rocks and minerals from the Kraków–Lubliniec Fault Zone, and their relation to the Paleozoic structural evolution of the Małopolska and Brunovistulian terranes. Geological Quarterly 54, s. 289–300.
 
55.
Nowak, G.J. 1999. Thermal maturity of organic matter in the Miocene sediments of the Carpathian Foredeep as revealed by optical methods. [W:] Peryt, T. red. Analysis of the Tertiary Basin in the Carpathian Foredeep. Prace Państwowego Instytutu Geologicznego 168, s. 211–220.
 
56.
Oberc, J. 1993. Deep seated–fault zones and influence strip–slip fracture (Hamburg–Kraków) on development of the major folding zone in Moravo–Silesia Mobile belt. Kwartalnik Geologiczny 37, s. 16–19.
 
57.
Pilcher i in. 1991 – Pilcher, R.C., Biblie, C.J., Glicker, R.,Machesky, L., i Williams, J.M. 1991. Assessment of the potential for economic development and utilization of coal–bed methane in Poland. Report of the United States Environemntal Protection Agency, 89 s.
 
58.
Poprawa i in. 2006 – Poprawa, P., Buła, Z. i Jurczak-Drabek, A. 2006. Historia termiczna NE części basenu morawsko–śląskiego: wstępne wyniki modelowania dojrzałości termicznej. [W:] Lipiarski, I. red. Materiały 29 Sympozjum Geologia Formacji Węglonośnych Polski, Kraków, s. 105–113.
 
59.
Poprawa i in. 2002 – Poprawa, P., Pelczarski, A. i Szewczyk, J. 2002. Post–orogenic uplift and erosion of the Polish Carpathian Foredeep – constrains from compaction analysis. Geologica Carpathica 53, s. 251–259.
 
60.
Pozzi, M. 1996. Anizotropia optyczna węgla w pokładach rejonu Jastrzębia jako przejaw naprężeń tektonicznych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej – Seria Górnictwo 229, s. 1–98.
 
61.
Probierz, K. i Marcisz,M. 2010. Changes of coking properties with depth of deposition in coal seams of Zofiówka monocline (SW part of Upper Silesian Coal Basin). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 26, s. 71–87.
 
62.
Ptak, B. i Rożkowski, A. 1995. Atlas geochemiczny złóż węgla w GZW. Warszawa: Państwowy Instytut Geologiczny.
 
63.
Repetski, J.E. i Narkiewicz, M. 1996. Conodont color and surface textural alteration in the Muschelkalk of the Silesia–Cracow Zn–Pb district. Prace Państwowego Instytutu Geologicznego 154, s.113–121.
 
64.
Roscher, M. i Schneider, J.W. 2006. Permo-Carboniferous climate: Early Pennsylvanian to Late Permian climate development of central Europe in a regional context. [W:] Lucas, S. G., Cassinis, G. i Schneider, J. W. red. Non-Marine Permian Biostratigraphy and Biochronology. Geological Society of London Special Publications 265, s. 95–136.
 
65.
Rożkowski, A. 1995. Factors controlling the groundwater flow conditions of the Carboniferous strata in the Upper Silesian coal basin, Poland. Annales Societatis Geologorum Poloniae 65, s. 53–66.
 
66.
Sas-Gustkiewicz, M. i Dłużyński, S. 1998. On the origin of strata–bound Zn–Pb ores in the Upper Silesia, Poland. Annales Societatis Geologorum Poloniae 68, s. 267–278.
 
67.
Sass-Gustkiewicz, M. i Kwiecińska, B. 1994. Humic–sourced organic matter from the Upper Silesia Zn–Pb deposits. International Journal of Coal Geology 26, s. 135–154.
 
68.
Środoń, J. 1995. Reconstruction of maximum paleotemperatures at present erosional surface of the Upper Silesia Coal Basin based on the composition of the illite/smectite in shales. Studia Geologica Polonica 108, s. 9–19.
 
69.
Środoń i in. 2006 – Środoń, J., Banaoe, M., Clauer, N. i Wójtowicz, A. 2006. K–Ar evidence for a Mesozoic thermal event superimposed on burial diagenesis of the Upper Silesia Coal Basin. Clay Minerals 41, s. 669–690.
 
70.
Świerczewska, A. 2005. The interplay of the thermal and structural histories of the Magura Nappe in Poland and Slovakia. Mineralogica Polonica 36, s. 91–144.
 
71.
Szafran, S. i Wagner, M., 2000. Geotektoniczne przyczyny zmian średniej refleksyjności huminitu/witrynitu w materii organicznej miocenu w Zapadlisku Przedkarpackim. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej – Seria Górnictwo 246, s. 517–532.
 
72.
Wagner, M. i Kołcoń, I. 1982. Studium petrologiczne twardego węgla brunatnego z Poręby koło Zawiercia. Kwartalnik Geologiczny, s. 533–544.
 
73.
Wodzicki, A. 1987. Origin of the Cracovian–Silesia Zn–Pb deposits. Rocznik Polskiego Towarzystwa Geologicznego 57, s. 3–36.
 
74.
Żywiecki, M.M. 2004. Określenie maksymalnej temperatury, ciśnienia i chemicznego składu fluidów w GZW. [W:] Ewolucja Geologiczna Zapadliska Górnośląskiego w świetle wyników badań termicznych i tektonicznych. Raport projektu PCZ–07–1. PIG E3, Warszawa, Państwowy Instytut Geologiczny, 19 s.
 
eISSN:2299-2324
ISSN:0860-0953