Образование торфа

Торф - ценнейший природный биологический материал. Из всех видов твердых топлив - это самое молодое отложение, образующееся естественным образом, путем разложения отмерших частей деревьев, кустарников, трав и мхов, в условиях повышенной влажности и ограниченного доступа кислорода.

Место образования торфа — торфяные болота, встречающиеся как в долинах рек (поймы, террасы), так и на водоразделах.

Процесс образования твердых топлив можно разделить на стадии и представить в следующем виде:

Сухое вещество торфа состоит из продуктов распада, растительных остатков и минеральных включений. Растения-торфообразователи могут принадлежать к различным ярусам растительных сообществ. Все они при определенных условиях - торфообразователи . Отдельные слои торфа включают остатки нескольких торфообразователей , поэтому торф разнороден по ботаническому составу.

Растения-торфообразователи. Растительность болот по видовому составу довольно разнообразна. По этому показателю выделяются три группы:

1)Мхи представлены в основном белым (сфагнум) и зеленым (гипнум), реже кукушкиным льном. Сфагнувые мхи произрастают при очень бедном минеральном питании. Они составляют главную часть торфообразователей залежей верхового типа. Характеризуются низким содержанием целлюлозы и небольшим количеством битумов. В отличие от них зеленые мхи, свойственные переходному и низинному типам торфяных болот, обладают повышенной зольностью, высокой концентрацией азотсодержащих веществ и большей устойчивостью против разлагающих агентов.

2)Травянистые растения представлены тростником, камышом, пушицей, осоками и др. Эта группа торфообразователей характерна для низинного и переходного типа торфяников. В них наблюдается более высокое (до 38 %) содержание целлюлозы, а также повышенное по сравнению с другими растениями количество белковых веществ и относительно высокое содержание битумов.

3)Древесные торфообразователи чаще всего представлены сосной, елью, лиственницей, березой, ольхой, ивой, а полукустарниковые – багульником, подбелом, голубикой, кассандрой, клюквой, вереском и др. Торфяные болота зарастают не одним каким-то типом растений, а растительными ассоциациями.

Группы растений атмосферного питания образуют торф верхового типа, а торфообразователи , питающиеся грунтовыми водами, - низинный торф. В зависимости от возраста и условий образования (исходный материал, климатические условия) торф имеет различную степень разложения и цвет от светло-коричневого до коричнево-черного. От этих же условий зависит его структура, кислотность (РН), влагоемкость , содержание макро и микроэлементов, энергетическая ценность и другие параметры.

При образовании торфа, растения после отмирания попадают в сильно увлажненную, бедную кислородом среду. Здесь они не разлагаются полностью, как в почве, а только частично, поэтому их остатки из года в год накапливаются.

Отмершая часть растений, как уже было отмечено выше, подвергается в основном биохимическому разложению. Значительная потеря их в весе на первых этапах деструкции происходит вследствие интенсивной деятельности микроорганизмов и выщелачивания. Процесс разложения растений заканчивается в верхнем (глубина 0,2-0,9 м) торфогенном слое залежи под воздействием гетеротрофных почвенных организмов-деструкторов, среди которых многочисленны беспозвоночные животные и микроорганизмы (бактерии, грибы). Разложение растительных остатков на поверхности и в торфогенном слое происходит преимущественно в тёплый период года, при пониженных уровнях грунтовых вод.

Интенсивность и степень разложения биомассы зависит от вида растений, их химического состава (содержание протеинов, азота, кальция, легкогидролизуемых углеводов и водорастворимых органических соединений), кислотности среды, климатических условий, водо- и воздухонасыщенности торфогенного слоя, состава поступающих минеральных веществ и других факторов. От 8 до 33% биомассы превращается в торф. Остальная часть разлагается до полной минерализации, усваивается живыми растениями, улетучивается в атмосферу или вымывается фильтрационным потоком, в т.ч. часть органических веществ в виде гуминовых, фульвокислот и других соединений. Образовавшийся торф захороняется накапливающейся фитомассой, выводится из торфогенного слоя и изолируется от воздушной среды. Разложение растительных остатков в нём почти прекращается, и он сохраняет свои свойства на протяжении тысячелетий. Средняя скорость накопления торфа различна и зависит от преобладающих исходных растительных группировок (см. Торфяно-болотные фитоценозы), географической и климатической зональности, гидрологических и других условий и изменяется от 0,2- 0,4 мм (болота лесотундры) до 1 мм (хвойно-широколиственная подзона).

Максимальная величина в CCCP - 2 мм - отмечена для болот Рионской низменности

Принцип образования торфяной залежи представлен в следующей схеме:

Рис. 1. Пояса торфонакопления (по Н.А. Никонову и В.П. Слука):

1 – интенсивного, 2 – слабого умеренных широт, 3 – слабого тропиков и субтропиков, 4 – слабого горных областей, 5 – слабого полярных областей, 6 – ничтожного

.

Стратиграфическая классификация торфа, разработанная в CCCP, основана на соотношении содержаний остатков растений разной трофности (олиготрофных и эвтрофных) и разных групп (жизненных форм) — древесных, травянистых и моховых.

В соответствии с составом растительных остатков и их трофностью торф относят к одному из 3 типов:

1) верховой – на водоразделах;

2) переходный – на террасах склона водораздела;

3) низинный – в поймах.

Каждый тип по содержанию в торфе древесных остатков подразделяется на 3 подтипа: лесной, лесо-топяной и топяной. Торф различных подтипов отличается по степени разложения. Торф лесного подтипа имеет высокую степень разложения (40-60%), у топяного торфа — минимальная степень разложения (5-25%), лесо-топяной торф занимает промежуточное положение.

Подтипы торфа делятся на группы, состоящие из видов. Вид — низшая таксономическая единица классификации торфа, отражающая исходную растительную группировку (фитоценоз) и первичные условия образования торфа, характеризуется определённым составом и преобладанием остатков отдельных видов растений, например сфагновый низинный, осоково-гипновый, сосново-пушицевый, пушицево-сфагновый. Каждый вид торфа имеет определённый интервал изменения качественных показателей.

Низинный тип торфов возникает в условиях богатого минерального питания и увлажнения. Здесь формируется большое разнообразие фитоценозов и, следовательно, видов торфа.

Низинный торф состоит из мелких частиц, слеживается, образует комки, впитывает много воды, а также характеризуется:

- повышенной зольностью;

- нейтральной или щелочной реакцией;

- небольшим содержанием битумов и углеводов.

В низинном торфе выделяют лесной, лесо-топяной и топяной подтипы и шесть групп:

- древесную группу (степень разложения 45-60%);

- древесно-травяную группу (степень разложения 30-50%);

- древесно-моховую группу (степень разложения 30-45%);

- травяную группу (степень разложения 25-40%);

- травяно-моховую группу (степень разложения 25-35%);

- моховую группу (степень разложения 15-25%).

Переходный тип торфов образуется в условиях несколько обедненного минерального питания в слабокислой среде и с пониженным привносом аллохтонного материала.

Переходный торф характеризуется

- низкой зольностью;

- слабокислой реакций; и

- степень разложения в пределах 15-60%.

Торфы верхового типа формируются в условиях бедного минерального питания с разнообразной, перемежающейся степенью увлажнения.

Верховой торф характеризуется:

- низкой зольностью;

- высокой теплотворной способностью;

- высокой влагоемкостью;

- повышенной кислотностью;

- повышенным содержанием битумов и углеводов;

- низкой степенью разложения.

В верховом торфе выделяют лесной, лесо-топяной и топяной подтипы и шесть групп:

- древесную группу (степень разложения 45-60%);

- древесно-травяную группу (степень разложения 40-60%);

- травяную группу (степень разложения 35-55%);

- древесно-моховую группу (степень разложения 35 - 45%);

- травяно-моховую группу (степень разложения 20-40%);

- моховую группу (степень разложения 5-25%).

Эта классификация разработана на основе видов торфа, встречающихся большей частью в залежах Средней и Северо-Западной частях Европейской территории CCCP и Западной Сибири. Наиболее распространённые из них: магелланикум, комплексный верховой, древесный низинный, осоковый. В некоторых регионах CCCP и других стран в связи с местными экологическими особенностями формировались иные фитоценозы, поэтому могут выделяться и другие виды торфа.

Современные отложения торфа сформировались за 10-12 тысяч лет. В голоцене на огромной территории CCCP (свыше 100 млн. га) широко развиваются болото- и торфообразовательные процессы. Погребённый торф, накопившийся в периоды между оледенениями, в результате изменения базиса эрозии перекрывался рыхлыми отложениями разной мощности. Его возраст исчисляется десятками тысячелетий; в отличие от современного торфа, погребённый — характеризуется меньшей влажностью и более высокой зольностью.

Торфяная залежь от поверхности до минерального дна или до отложений сапропеля состоит чаще из нескольких видов торфа. На характер строения торфяной залежи определённой климатической зоны влияют геологические, геоморфологические, гидрогеологические, гидрологические условия каждого конкретного участка болота. Классификация торфяных залежей основана на вариантах сочетаний отдельных видов торфа по глубине, в соответствии с которыми выделяют низинную, переходную, верховую и смешанную залежи. Низшая таксономическая единица классификации — вид торфяной залежи. В Европейской части CCCP насчитывается 25 основных видов торфяных залежей, в Западной Сибири — 32.

Рис. 2. Основные виды строения торфяной залежи.

Химический состав торфа. Свойства и химический состав торфа определяются соотношениями образующих его видов растительности и степенью их разложения. Элементный состав горючей массы торфа следующий: углерод 50–60%, водород 5–6%, кислород 30–40%, азот 1–3%, сера 1,5–2,5 %. Влажность торфа очень высокая и в естественном состоянии составляет до 96 %. Пористость также высокая и достигает 95 %. У слабо разложившегося торфа теплота сгорания при 40 % влажности составляет 9–10 МДж/кг, а при повышенной степени разложения – до 13 МДж/кг.

Поисково-разведочные работы на торф — совокупность взаимосвязанных исследований и операций, направленных на выявление торфяных месторождений, геолого-экономическую их оценку и подготовку к разработке. Конечной целью этих работ является обеспечение народного хозяйства запасами торфа, достаточными для развития добычи в необходимых размерах. Поисково-разведочные работы проводятся в определённой последовательности и делятся на 3 стадии: поисковую, предварительной и детальной разведки. В состав каждой стадии входят подготовительные, полевые и лабораторно-камеральные работы.

Поисковая стадия проводится на крупных мало изученных регионах и предусматривает выявление торфяных месторождений для возможной постановки разведочных работ. Выполняется в 2 подстадии. Во время этой стадии выявляются общие контуры торфяного месторождения, его геоморфологическое положение, тип растительности, гидрография, климатические, почвенные и другие характеристики. В полевых условиях на выделенных аналогах или маршрутах производят определение глубины залежи, отбор проб на ботанический состав, степень разложения, влажность и зольность торфа. Полученные данные принимают в качестве прогнозных на все выявленные торфяные месторождения с одинаковым геоморфологическим положением, сходной типичной растительностью и другими параметрами.

Стадия предварительной разведки осуществляется на торфяных месторождениях площадью свыше 1 тысяч га в границах промышленных глубин 0,7 м для определения целесообразности использования в народном хозяйстве и для обоснования постановки детальной разведки. На этой стадии составляется план торфяного месторождения, даётся его высотное обоснование, производится определение глубин залежи (зондирование) и всевозможные виды опробования (ботанические, гидрологические, гидрогеологические и другие виды исследований); строятся стратиграфические и гидрогеологические разрезы, разрезы сечений водоприёмников. По результатам обработки этих данных даётся оценка разведанных запасов торфа, определяется направление его использования, возможность осушения, обосновывается необходимость и формулируются задачи детальной разведки.

Детальная разведка проводится на месторождениях площадью свыше 10 га для составления проекта освоения торфяного месторождения. Проводятся детальные лесотаксационные и инженерно-геологические исследования, выявляются все водоприёмники и водоисточники. По сравнению с предварительной разведкой увеличивается объём и детальность всех видов исследования. Подробно изучаются растительный покров (состав, полнота, лесотаксационные показатели), пнистость торфяных залежей, химический состав и другие показатели воды с разнотипных участков месторождения (жёсткость, цвет, окисляемость, содержание гуминовых и взвешенных веществ, катионов и анионов), гидрологические показатели водных объектов и гидрогеологические данные (уровни грунтовых вод, состав грунтов) и др. По результатам детальной разведки составляется проект разработки торфяного месторождения. На всех стадиях используются материалы космической и аэрофотосъёмок, топографические карты, а также результаты научных обобщений материалов, отбираются и анализируются пробы торфа, воды. Помимо стандартных методов разработаны и внедряются геофизические методы исследования — электрокаротаж, пенетрация, радиолокационное зондирование и профилирование. При определении количественных и качественных характеристик торфяных месторождений для возможного их промышленного освоения проводятся также исследования в природоохранных целях: устанавливается наличие и продуктивность участков с ягодниками, лекарственными растениями, местами обитания редких и исчезающих видов растений и животных, выявляются залежи торфа и сапропелей для бальнеологического использования, участки и целые месторождения — регуляторы гидрологического режима рек и озёр и др. Проектирование разработки и способа переработки торфа предусматривает дифференцированное и комплексное использование торфяных залежей и выработанных торфяных .