Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы геологии угля и горючих сланцев. Учебное пособие
.pdf
11
2 Происхождение твердых горючих полезных ископаемых
В отличие от нефти и газа, о происхождении которых до сих пор нет единого
мнения, растительное происхождение ископаемых углей четко подтверждается
нахождением в них фрагментов растений.
Свойства и качество каждого из членов угольных групп (торф, уголь, сланцы)
определяются следующими показателями:
принадлежностью исходного вещества к высшим или низшим растени-
ям;
характером последующих природных условий, при которых происходи-
ло преобразование исходного вещества.
Образование твердых горючих ископаемых обязано происходящему в расте-
ниях процессу – фотосинтезу, при котором хлорофильная зона растений под влия-
нием солнечных лучей извлекают из атмосферы оксид углерода (СО2) и разлагают
его на углерод и кислород. Углерод идет на построение тела растения, кислород
возвращается в атмосферу и обеспечивает жизнедеятельность живого мира.
2.1 Классификация горючих полезных ископаемых
Главное свойство горючих полезных ископаемых – это способность гореть,
поэтому их элементный состав, в общем, сходен. Главными элементами являются
углерод, водород и гетероэлементы (кислород, азот, сера), соотношение последних
определяет вид или тип горючих полезных ископаемых и их свойства.
Органическое вещество горючих полезных ископаемых состоит из огромного
числа видов молекул, то есть является гетеромолекулярным. Для таких веществ ха-
рактерно непостоянство их свойств.
12
Классические работы Потонье положили начало классификации горючих по-
лезных ископаемых, для которых он ввел термин каустобиолиты (в переводе с гре-
ческого каусто – горючий, био – живой, литос – камень). Это справедливо для углей,
горючих сланцев, твердых природных продуктов преобразования нефти – нафтидов.
По типам исходных биопродуцентов и с учетом химической структуры тканей
все концентрированные формы органического вещества (ОВ) были подразделены
на:
1. Сапропелиты, образующиеся за счет фитозоопланктона, отличительной осо-
бенностью которого являются более высокие содержания жиров, белков, хи-
тина.
2. Гуммиты, формирующиеся за счет остатков высшей наземной растительности,
основу которой составляют углеводы, лигнин и др.
3. Липтобиолиты, исходный материал которых представлен наиболее стойкими
к разложению тканями высших растений, таких как воски, смолы, кутикулы.
В последствие все каустобтолиты подразделили на каустобиолиты угольного
ряда (угли, торф, антрацит, сапропелевые угли и др.) и каустобиолиты нефтяного
ряда, к которым отнесли углеводородные газы, нефти, мальты, асфальты, озокериты
и прочие природные битумы.
Позже были предприняты попытки классификации каустобиолитов на основе
агрегатного состояния, растворимости (Э.Р. Лилль, 1938), на различном элементном
составе (В.А. Клубов, 1948; А.Ф. Добрянский; И.О. Брод, 1957 и др.).
Генетическая классификация каустобиолитов, основанная на геологических
условиях их образования была предложена В.А. Успенским и О.В. Радченко (1961).
Классификация представляет собой блок-диаграмму состоящую из двух ветвей: левой ветви отвечают каустобиолиты угольного ряда, а правой ветви - каустобиолиты
нефтяного ряда. Также на ней отмечены основные категории биопродуцентов. Не-
смотря на то, что не все каустобиолиты отражены на диаграмме, она наиболее полно
отражает суть геологических обстановок углеобразования и битумогенеза.
13
Следует отметить, что до сих пор нет единой обобщающей классификации ка-
Группа углей по исходному
материалу
Класс углей по результатам
накопления и разложения
Примеры
I группа. Гумолиты – про-
исходят из высших расте-
ний
I кл: гуммиты (лигнинно-
целюлозные + кутиновые
элементы и смолы)
а) однородные (дюре-
новые, клареновые,
фюзено-ксиленовые)
б) полосчатые
II кл: липтобиолиты (только
кутиновые элементы и смо-
лы)
а) споровый (тасманит)
б) кутикуловый (барза-
сит)
в) смоляной (радбо-
писит)
г) коровый (лопанит)
II группа. Сапропелиты –
происходят из низших растений и животного планк-
тона
I кл: собственно сапропели-
ты (сохраняют водоросли и
другие планктонные остат-
ки)
а) богхед
б) марагунит
в) кеннель
г) кеннель-богхед
д) касьянит
II кл: Сапрополлиты (водо-
росли не сохраняются, превращены в бесструктурную
массу).
а) матаганский
б) хахарейский
устобиолитов, и, очевидно, создание ее по единому принципу затруднено вслед-
ствие наличия переходных форм при различии исходного ОВ нефти и угля.
Попытки генетической классификации твердых горючих ископаемых, в том
числе, угля известны еще с 18 века (Беролдинген). Ископаемые угли, представляю-
щие основную группу среди каустобиолитов, он разделил на гумусовые, липтобио-
литы и сапропелиты. Последующие исследователи разрабатывали генетическую
классификацию углей (М.Д. Залесский, 1928; Ю.А Жемчужников, 1935; Г.П. Стад-
ников, 1933; Г.А. Иванов, 1938; О.Д. Русанова, 1956 и др.).
Наиболее признанной оказалась классификация Ю.А Жемчужникова, которая
представлена в таблице 3.
Таблица 3 - Генетическая классификация углей (по Ж.А. Жемчужникову)
копаемые были подразделены на 2 группы: гумолиты и сапропелиты.
Таким образом, по исходному органическому веществу твердые горючие ис-
14
Гумолиты – группа твердых горючих ископаемых, образовавшихся из остатков высших растений.
Сапропелиты – включают группу горючих ископаемых, в образовании кото-
рых главное участие принимают представители низших растений и животного мира
в виде мертвого планктона.
Современная генетическая классификация углей базируется на классификации
Ю.А Жемчужникова с дополнениями И.Э Вальц, А.И. Гинзбург, Н.М. Крыловой
(1968). Суть современной классификации заключается в перегруппировке по веще-
ственно-петрографическим признакам всех известных типов гумусовых углей, а
также в создании терминологии, отражающей их состав (таблица 4).
2.2 Круговорот органического углерода в природе
Круговорот органического углерода в природе состоит из четырех циклов.
Первый цикл составляют организмы, осуществляющие жизнедеятельность за
счет фотосинтеза и извлечения углерода из атмосферы (мхи, травы, деревья).
Атмосфера имеет следующий состав: 78 % - азот, 21 % - кислород, 1 % - аргон,
0,1 % - углекислота, кроме того в ней содержатся водород, неон, гелий, криптон,
ксенон и др. – 0,01 %.
Второй цикл заключается в том, что растения первого цикла отмирают и используются в качестве продуктов жизнедеятельности для других организмов. Аген-
тами разложения служат грибки, микробы, бактерии. При этом в атмосферу выделя-
ется СО
.
2
Третий цикл. Основным процессом этого цикла является седиментация продуктов второго цикла. Из подвижного или взвешенного состояния они переходят в
15
Таблица 4 – Вещественно-петрографическая классификация углей (по
Группа
Класс
Подкласс
Тип
Типы углей (по Ю.А Жемчужнико-
ву, А.И. Гинзбург)
Гумо-
литы
Гелитоли-
ты
Гелиты
л-гелиты
ф-гелиты
л-ф-гелиты
Ультраклареновый (витреновый),
клареновый с липоидными, кларе-
новый с фюзенизированными, вит-
реновый, клареновый с липоидны-
ми и фюзенизированными компо-
нентами
Гелититы
л-гелититы
ф-гелититы
л-ф-гелититы
Дюрено-клареновый с липоидными, дюрено-клареновый с фюзенизированными, дюрено-клареновый
с липоидными и с фюзенизирован-
ными компонентами
Фюзеноли-
ты
Фюзиты
г-фюзиты
л-фюзиты
г-л-фюзиты
Дюреновый с фюзенизированными
компонентами, фюзено-
ксиленовый
Фюзититы
г-фюзититы
л-фюзититы
г-л-фюзититы
Кларено-дюреновый с фюзенизи-
рованными компонентами
Липоидо-
литы
Липоидиты
г-липоидиты
ф-липоидиты
г-ф-липоидиты
Дюреновый с липоидными компо-
нентами
Липоидоти-
ты
г-липоидотиты
ф-липоидотиты
г-ф-липоидотиты
Кларено-дюреновый с липоидными
компонентами
Микстогу-
молиты
Микстогуми-
ты
Микстогуми-
титы
-
Кларено-дюреновый с липоидными
и с фюзенизированными компо-
нентами
Сапро-
гумо-
литы
Сапрогели-
толиты
Альгито-гелиты, альгитогелититы
-
Сапро-
пелиты
Гумито-
сапропели-
ты
Гумито-альгиты, гумито-альгититы
-
Собсвенно
сапропели-
ты
Альгиты, альгититы
-
И.Э Вальц, А.И. Гинзбург, Н.М. Крыловой и др.)
16
неподвижный осадок. На третьем цикле образуются ТГПИ. При этом из органиче-
ского вещества также выделяется в атмосферу часть углерода в виде СО2..
В период четвертого цикла в результате метаморфизма происходит полное
выделение органического углерода в виде газов и кислот и перестройка его атомов в
упорядоченное кристаллическое состояние. При этом образуется графит и алмазы.
На этом круговорот углерода заканчивается, а весь углерод, выделившийся во
втором, третьем и четвертом циклах возвращается в атмосферу и включается в по-
следующие обороты по рассмотренной схеме.
Кроме растительного мира в круговороте углерода участвует фауна (живот-
ный мир), и промышленная деятельность человека. Считается, что ежегодный при-
рост углерода в атмосфере составляет до 0,4 %, причем происходит это, по большей
части, в результате сжигания горючих ископаемых. Поскольку круговорот углерода
в природе до конца не исследован, и он включает в себя процессы, длящиеся сотни
лет, последствия такого нарушения природного цикла невозможно предугадать.
2.3 Исходное углеобразующее вещество
По строению, составу и условиям жизни исходные для образования твердых
горючих ископаемых растения разделяются на две основные группы: высшие и
низшие.
Высшим растениям свойственны отчетливо выраженная корневая система,
ствол, стебель, листья, они приспособлены к жизни в наземных условиях.
Низшие растения лишены вегетативных органов. Эта группа растений сложе-
на преимущественно одинаковыми клетками и обитает в воде.
Высшие растения состоят, главным образом, из целлюлозы – до 50 % (клет-
чатки), белков, жиров, смол.
Кроме того, каждая растительная клетка содержит некоторое количество ми-
неральных веществ, дающих при сжигании золу.
17
В низших растениях преобладают жиры, воски, смолы (до 30 %).
Накопление исходного вещества при образовании углей происходит двумя пу-
тями – автохтонным, если горючие ископаемые залегают на месте обитания расте-
ний и аллохтонным, если растения после гибели транспортируются с этого места.
(Авто - сам, хтон – земля, алло – другой, чуждый).
Главным признаком автохтонии служат хорошо сохранившиеся растительные
остатки и небольшое количество минеральных примесей. Для аллохтонного накоп-
ления характерны плохая сохранность и измельченность растительных остатков и
высокая минерализация ископаемых.
2.4 Стадии преобразования органического вещества
Характер разложения растительности зависит от среды, в которую она попа-
дает после гибели. Выделяются следующие виды разложения: тление, перегнивание,
оторфения и гниение.
Тление происходит при полном доступе кислорода, вследствие чего органиче-
ская часть растения окисляется и уходит в форме газов в атмосферу.
Перегнивание и оторфение происходит при недостаточном содержании кис-
лорода и изменении водной среды.
Процесс гниения идет в восстановительной среде.
Выделяется три стадии преобразования исходного вещества.
На первой – биогенной стадии агентами разложения являются грибки, микро-
бы, бактерии, перерабатывающие в процессе жизнедеятельности, погибшие расти-
тельные организмы. Вначале основными переработчиками являются грибки, но по
мере погружения большую роль играют бактерии и микробы. При погружении на
глубину более 2 м в водную среду, бактерии погибают, и на этом заканчивается первая биогенная стадия.
18
Вторая химическая стадия преобразования включает происходящие в течение
длительного срока химические реакции. При этом образуется коллоидная масса
сложного химического состава.
В условиях обводненности без доступа воздуха происходит процесс гелефика-
ции с образованием аморфной коллоидной массы – геля.
При ограниченном доступе кислорода, создающем окислительную реакцию,
происходит процесс фюзенизации, при котором вещество превращается в твердый
коллоид – фюзен.
Третья, геологическая стадия, начинается с захоронения осадка под минераль-
ной кровлей, в результате чего осадок становится горной породой. Исходное орга-
ническое вещество изменяется под воздействием повышающихся температуры и
давления. Процесс изменения органического вещества в период геологической ста-
дии носит название углефикации.
При этом процессе осадок обезвоживается, в 5 - 6 раз уплотняется, жидкие
вещества превращаются в твердые.
Все изменения органического вещества по мере погружения на глубину и
ужесточения термобарических условий приводят, в конечном итоге, к преобразова-
нию ОВ, обладающему кристаллической структурой – графиту.
Основу угля составляют конденсированные соединения, например, такого ти-
па:
Это так называемые конденсированные, полициклические или полиядерные
ароматические углеводороды, у колец которых имеются общие атомы углерода (как
бы несколько сросшихся бензольных колец).
Боковые радикалы не показаны. Как раз в них находится водород, кислород (в
виде различных функциональных групп, например, ОН, СОН, СООН и др.) и гете-
19
роэлементы. Таких соединений от 70 % весовых у углей марки Г (газовые) до, прак-
Н
Н
Н
Н
Н
Н
+ Н
2
Н
Н Н Н Н Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
тически, 100 % у антрацита (марка А).
Причем у газовых углей число сросшихся бензольных циклов, в основном, 23, а у антрацитов – 5-6, что уже можно считать зародышем элементарной ячейки
графита:
Таким образом, первые стадии формирования – диагенез или торфянобуроугольная стадии, на которых развивались процессы при низкой температуре, в
водной или влагонасыщенной среде, без доступа воздуха (набухание, пептизация,
микробиологическая дезинтеграция, коллодирование, гумификация). На этой стадии
углефикации образовались торфа, бурые угли.
Последующая стадия – катагенетическая или каменноугольная, на ней разви-
вается высокотемпературная (термическая) деструкция органического материала с
одновременной рекомбинацией и гетерополиконденсацией химических соединений.
В зависимости от степени удаления продуктов реакции на этой стадии продуктов
реакции на этой стадии образуются каменные угли и антрациты. Это и есть метаморфизм, то есть длительный (миллионы лет) пиролиз в отсутствии кислорода, при
повышенной температуре и давлении укрывающих горных пород.
При постепенном повышении температур во времени и при наличии гидроста-
тического давления вышележащих пород протекает комплекс физико-химических
реакций с образованием в ископаемых углях ценных компонентов – носителей тре-
буемых технологических свойств. В частности, повышенное содержание витринита
обеспечивает хорошую спекаемость угля. Высокая скорость нарастания температу-
20
ры (воздействие интрузий и др.) приводит к резкому снижению содержания витри-
нита и ухудшению спекаемости угля.
Чем глубже метаморфизм, тем ближе по составу уголь к чистому графиту.
Физические и технологические свойства углей сильно зависят от глубины ме-
таморфизма. Принято в соответствии с этой глубиной делить угли на следующие
марки:
Д ДГ Г ГЖО ГЖ Ж КЖ К КО ОС КС СС Т А
Глубина метаморфизма
Из них средняя часть спектра (жирный шрифт) – коксующиеся угли, а края
(очень молодые и очень старые) – энергетические, то есть просто топливо.
2.5 Пространственно-временные закономерности углеобразования
В начале ХХ века предпринимаются попытки к отысканию стратиграфических
и палеогеографических закономерностей размещения угольных залежей на Земном
шаре. В результате наметилось три подхода к решению этой задачи:
1. Палеоботанический (Цейлер, Готан, Потонье, Ионгманс, Залесский и др.).
2. Геотектонический (Штиле, Бубнов, Тетяев).
3. Палеоклиматический, иногда на основе мобилистических представлений (Ве-
генер, Кеппен, Зимрот, Страхов и др.).
Но, ни один из перечисленных подходов не дал цельной картины размещения
углей на геоиде.
П.И. Степанов создал концепцию глобального размещения угольной массы,
провел стратиграфический и палеогеографический анализ масс запасов углей, что
позволило обнаружить узлы и пояса угленакопления. Таким образом, угленосные
площади были выявлены по географо-статистическому, а не геолого-генетическому
принципу (таблица 5).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]