18.01.2021

Каменные угли


Нет сомнения в том, что каменные угли образовались за счет растений, потому что они не только включают различимые растительные остатки, но и потому что можно видеть переходы между явными скоплениями растительного вещества, например, торфами и между лигнитами или бурыми углями, и типичными каменными углями и антрацитами. Эта серия пород — торф — лигнит — гумусовые угли — антрацит — называется «угольной серией». Положение углистой породы в этой серии определяет качество угля. Поэтому лигнит — это весьма низкокачественный уголь, тогда как антрацит, занимающий другое крайнее положение в ряду — это высококачественный уголь. Внешний облик, физические свойства и химический состав углей изменяются в этом ряду и определяют их технологические характеристики, например теплотворную способность, коксообразующую способность и способность к пропусканию газов. Таким образом, знание степени углефикации угля может помочь его рациональному использованию.

Te изменения, которым растительное вещество подвергается в ходе его превращения в каменный уголь, называются созреванием, или углефикацией. В созревании выделяется две стадии — стадия торфообразования и стадия захоронения. В стадию торфообразования растительный материал подвергается мощной биохимической деградации, а после захоронения постепенное увеличение давления нагрузки и температуры приводит к динамотермическому созреванию, в результате которого торф медленно преобразуется в каменный уголь. Стадия торфообразования имеет решающее значение для образования каменного угля.

В нормальных условиях, когда растения отмирают, они подвергаются воздействию воздуха и разрушаются главным образом в результате окисления, а также за счет деятельности различных организмов, особенно грибов и аэробных бактерий. Если же растительные остатки накапливаются в болотах, то они насыщаются водой. Аэробное разложение вскоре приводит к полному извлечению кислорода из воды, аэробные организмы отмирают и начинают действовать анаэробные бактерии. Эти анаэробные бактерии существуют без кислорода, но они также могут разлагать органическое вещество как и аэробные. Так как воды болот застойные, то продукты бактериального разложения не удаляются, а насыщают интерстициальные воды, что в конечном итоге делает среду стерильной. Поэтому бактериальная деятельность замирает, и частично разложенный растительный материал остается в состоянии приостановленного разложения. В этом состоянии растительный материал представляет собой торф. Если торф дренируется, то токсические материалы выносятся, разложение начинается снова, и торф в конце концов может разрушаться. Если торф не дренируется, а перекрывается относительно непроницаемыми отложениями, то есть вероятность того, что он сохранится в геологической колонке.

Каменные угли состоят из трех элементов — углерода, водорода и кислорода и содержат немного серы, азота п минеральных примесей. Минеральные примеси после сгорания угля остаются в виде золы, поэтому ясно, что высокое содержание золы нежелательно. Реликтовой серы обычно немного и ока, вероятно, заимствована из сернистых протеинов первичных растений. Высокое содержание серы в некоторых углях обусловлено присутствием рассеянного пирита, что также вредно сказывается на качестве угля, так как при его сгорании образуются сернистые газы. Хотя азота содержится немного, но он имеет практическую ценность для производства аммония в виде побочного продукта газификации угля,

Динамотермальные процессы диагенеза каменного угля при его захоронении ведут к изменению содержаний углерода, водорода и кислорода, что сопровождается созреванием. Если на диаграмме (фиг. 45) показать элементарный состав углей (по 3 компонентам), то можно заметить, что угли попадают в узкую зону, называемую угольным поясом. Содержание углерода возрастает постепенно с повышением зрелости, а содержание водорода остается довольно постоянным (5—7% в гумусовых углях) и затем резко уменьшается в полуантрацитах и антрацитах. Содержание кислорода уменьшается с увеличением степени зрелости.
Каменные угли

Химические изменения, которые происходят при созревании или углефикации, еще не вполне изучены, но они несомненно ведут к образованию углекислого газа и метана, Некоторые проявления природного газа, например в красном лежене (пермском) Голландии и в южных частях Северного моря, по-видимому, обусловлены дегазацией подстилающих вестфальских углей.

В общих чертах зрелость углей с возрастом повышается, так как большинство лигнитов и бурых углей имеют третичный или мезозойский возраст, тогда как каменные угли — верхнепалеозойский. Однако возраст — это только косвенный фактор, и главное влияние, по-видимому, имеет глубина захоронения. В любой нормальной вертикальной последовательности отложений гумусовых углей содержание углерода, т. е. зрелость, повышается с глубиной. Эта зависимость называется законом Хилта, и вероятно, что увеличение температуры с глубиной захоронения — важный фактор в созревании угля.

Много было споров о причинах превращения угля в антрацит. В некоторых случаях это может быть обусловлено природным непрерывным термальным созреванием, но во многих случаях каменный уголь переходит в антрацит в латеральных направлениях в зонах тектонических нарушений. Последнее видно на месторождениях Южного Уэльса, где каменные угли в западном направлении переходят в антрацит, как только они входят в зону надвига, ассоциирующую с Аммонфордским сжатием. Подобным образом в Северной Америке пенсильванские угли в латеральном направлении переходят в антрациты в полосе Аппалачских складок. Каменные угли могут подвергнуться дегазации путем термального метаморфизма в местах внедрения в них интрузивных пород. Примеры этого можно видеть там, где третичные дайки секут вестфальские угольные толщи на северо-востоке Англии. Хотя макроскопически каменные угли изменяются только в полосе шириной несколько метров, прилегающей к одному контакту даек, дегазация, выраженная в увеличении содержания углерода, распространялась регионально.

В большинстве своем бурые угли или лигниты имеют явно древесный облик, блеск у них отсутствует, и они непрочно связаны; с другой стороны, гумусовые угли обычно не имеют древесного облика в штуфах. Они характеризуются отчетливой слоистостью и изменчивым блеском — от яркого до тусклого. На основе блеска и физического облика гумусовые угли разделяются на четыре типа: витрен, кларен, дюрен и фюзен. Витрен — это угли с ярким блеском. Кларены имеют менее яркий шелковистый блеск, тогда как дюрены — тусклые и матовые. Фюзен — черный и очень хрупкий (рыхлый), так что, в противоположность витрену, кларену и дюрену, он легко крошится в руках, подобно древесному углю. Важно различать тип угля и зрелость угля. Тип угля отражает состав первоначального растительного материала, тогда как зрелость — это мера степени созревания, или диагенеза, которому подвергалось растительное вещество. Некоторые угольные пласты сложены углями преимущественно одного типа, но многие пласты — чередующимися прослойками витрена, кларена, дюрена и фюзена различной мощности.

Обычно каменный уголь разламывается по трем направлениям на грубые призматические блоки. Две из этих поверхностей представляют собой плоскости отдельности и называются соответственно «кливажем» и второстепенным кливажем. Кливаж — наиболее сильно развитая плоскость отдельности, и во времена ручной разработки пластов эта плоскость часто определяла план подземных выработок. Третья поверхность скола проходит параллельно слоистости и обычно совпадает с фюзеновыми прослойками. Именно эти фюзеновые прослойки на блоке угля пачкают пальцы.

Как и в большинстве других пород, каждый тип угля сложен рядом дискретных компонентов, называемых мацералами (приставка «мац» означает, что они представляют собой мацерированные растительные остатки, а окончание «рал» указывает на то, что они аналогичны минералам). В названиях мацералов применяется суффикс «инит», чтобы различить их от названия типа угля, оканчивающегося на «ен». Мацералы все представляют собой прежние растительные ткани или продукты разложения растений, которые видоизменились Химически при диагенетических процессах, т. е. при созревании. Обычно они выражены витринитом — главным компонентом витрена и двумя разновидностями — телинитом и коллинитом. Под микроскопом в телините видна деформированная ячеистая структура, которая прежде представляла собой древесную ткань или ксилен, тогда как коллинит, который имеет сходные оптические характеристики, является бесструктурной массой. Суберинит, кутинит и экзинит — это мацералы, образованные при углефикации соответственно коры, кутикул листьев и оболочек спор. Фюзенит отличается от других мацералов тем, что он представлен почти чистым углеродом. В фюзените под микроскопом часто видна ячеистая структура. Стенки ячеек обычно сохраняются в виде массы разрушенных фрагментов, собранных и складки. Эта структура явно отличается от растительных тканей, сохраняющихся в виде телинита, в котором стенки ячеек были деформированы, но не разломаны при уплотнении. Следовательно, по-видимому, если ячеистые ткани сохраняются в виде фюзенита, то изменения должны были происходить в самом начале стадии созревания, несомненно до значительного уплотнения под давлением вышележащих отложений. Предполагалось, что фюзенит мог образоваться в течение стадии торфообразования при процессе, аналогичном «сухому корню», или при лесных пожарах. Микринит — общий термин, применяемый к агрегатам очень мелкозернистых мацерированных растительных материалов, большинство из которых слишком мелки, чтобы их можно было идентифицировать.

Витрен сложен в основном витринитом, а с увеличением содержания других мацералов он переходит в кларены и дюрены. Дюрены характеризуются наличием микринита и (или) экзинита, а некоторые серые дюрены очень богаты экзинитом.

Степень созревания витринита и экзинита можно оценить оптически под микроскопом по изменению их окраски в обычном проходящем свете. В гумусовых углях витринит по мере повышения зрелости угля меняет цвет от желтого (просвечивающий) до оранжевого, красного и густокрасного. Экзинит сохраняет желтые оттенки в широком спектре гумусовых углей и темнеет с появлением оранжевой и красной окраски только в углях более высоких марок, например, в полуантрацитах. На окраске мацералов сказывается и толщина шлифа, и поэтому определение ее должно быть сделано на тонких шлифах со строгим контролем толщины. Витринит можно также изучать в отраженном свете и, используя методы рудной микроскопии, замерять его отражательную способность. Отражательная способность витринита изменяется с увеличением зрелости и может быть использована как показатель созревания. Споры и осколки витринита присутствуют в небольших количествах во многих отложениях, а не только в углях, и определение степени их созревания может служить хорошим индикатором термальной истории включающих их пород.

Знание этой истории имеет большое значение для подземной разведки потенциальных на нефть формаций, так как созревание жидких углеводородов протекает параллельно с созреванием углей.

Большинство угольных пластов, по-видимому, образовалось in situ, т. е. углеобразующий торф накапливался в том же месте, где растения произрастали и отмирали. Некоторые угольные пласты, по-видимому, имеют аллохтонное происхождение, когда растительные остатки были перемещены, например в виде плавника, к месту их отложения. Образование in situ доказывается присутствием корней и корешков, которые проникают вниз от угля в подстилающую ископаемую почву или подугольные земли. Подугольные земли заслуживают интереса сами по себе, благодаря их хорошим огнеупорным свойствам. Богатые глиной подугольные земли, называемые файрклеями (огнеупорными глинами), сложены главным образом каолиннтовыми минералами (неупорядоченным каолинитом) и широко используются в производстве огнеупорного кирпича. Песчанистые подугольные земли, «ганнстеры», представляют собой почти чисто кварцевые породы и используются в производстве силикатных огнеупорных кирпичей. Нет сомнения в том, что подугольные земли отложились первоначально в виде обычных глин и песков, но затем из них были вынесены щелочные металлы, и они видоизменились под воздействием гумусовых кислот, поступивших из перекрывающих их торфов.





Яндекс.Метрика