Введение 1 страница.

За годы Советской власти учение о геологии каустобиолитов получило дальнейшее развитие: изменился подход к изучению месторождений и бассейнов, больше внимания стало уделяться условиям образования каустобиолитов, исследованию вещества угля, геохимии, различным технологическим процессам и т. д. В 1937 г. опубликована крупная коллективная работа под редакцией П. И. Степанова «Геология месторождений ископаемых углей и горючих сланцев». После Великой Отечест­венной войны были изданы карты, атласы и учебники.

Во второй половине ХХ в. развитие мировой угольной науки и практики отмечено большими достижениями в области учения об угленосных формациях, условиях их образования, закономерностях размещения месторождений и бассейнов, изучения вещественного состава углей и горючих сланцев. Значительные успехи получены в развитии скважинных геофизических исследований, позволивших резко повысить информативность геологоразведочных данных и степень изучения качества углей.

В Беларуси изучением твердых каустобиолитов (бурый уголь, горючие сланцы, торф) занимались Д. М. Корулин, А. Н. Брусенцов, Ю. И. Горький, Л. Ф. Ажгиревич, П. А. Пидопличко, И. Я. Яременко и др.

Топливно-энергетические ресурсы. На земном шаре известно более 2900 месторождений угля с общими запасами 14,3 трлн т (12,0 трлн тут*), сотни месторождений горючих сланцев с запасами сланцевой смолы 550 млрд т и многие тысячи месторождений торфа с общими запасами 350 млрд т (105 млрд тут). В общих мировых запасах ископаемого топлива на долю углей, горючих сланцев и торфа приходится 93 %, а на долю нефти и газа около 7 % (условного топлива соответственно 74 и 26 %). В то же время в топливно-энергетическом балансе мира соотношение этих источников энергии обратное: доля нефти и газа превышает 65 %, а твердого топлива менее 30 %.

Во второй половине ХХ в. в результате проведения интенсивных геологоразведочных работ были открыты крупные месторождения не только в наиболее богатых углем и сланцами странах Евразии и Северной Америки, но и в Австралии, Южной Америке и Африке, а также в Беларуси. Во многих странах разрабатываются и реализуются программы по расширению добычи и использованию угля и горючих сланцев.

Геология углерода и происхождение твердых горючих ископаемых. По исходному органическому веществу, условиям его накопления и последующему геологическому изменению между всеми горючими ископаемыми существует генетическая связь.

Круговорот углерода в природе. Образование твердых горючих ископаемых обязано происходящему в биосфере, в частности в растениях, процессу фотосинтеза. Кларк углерода в литосфере равен 0,23 % (по А. П. Виноградову). Среднее содержание углерода составляет (%): в ультраосновных и основных породах – 0,01, в средних – 0,02 и в кислых – 0,03. В осадочных породах 4/5 углерода находится в карбонатной форме, значительная доля приходится на органический углерод (угли, горючие сланцы, нефть и т. д.).

Общее количество углерода в природе достигает 610 ^. 10⁹ т. Ежегодно не менее 1 млрд т углерода захороняется в осадок на длительное время, а значительное количество его навсегда уходит из системы атмосфера–гидросфера–биосфера. За 1–1,5 тыс. лет весь углерод атмосферы мог быть связан в карбонатных и органических отложениях. Однако этого не происходит в связи с систематическим пополнением углекислого газа атмосферы за счет вулканических эманаций.

Часть органического вещества после отмирания организмов подвергается разложению бактериями с выделением при этом углерода в газообразном состоянии в виде СО₂ и СН₄. Другая часть органического вещества минерализуется, и углерод переходит в состав минеральных соединений (СаСО₃, MgСО₃, FeСО₃ и др.). Минеральные соединения углерода в процессе погружения осадочных образований при нагревании разлагаются, в результате чего образуются СО₂ и частично СH₄, которые снова возвращают углерод в атмосферу. Циклический процесс круговорота углерода в природе имеет очень большое геохимическое значение. По подсчетам В. А. Успенского, длительность круговорота углерода колеблется от 100 до 300 лет.

Исходное углеообразующее вещество. По составу, строению 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 сложены преимущественно одинаковыми клетками и обитают в водной среде. Высшие растения состоят главным образом из целлюлозы, или клетчатки, лигнина, белков, жиров, восков и смол, а также гемицеллюлозы. Кроме того, каждая растительная клетка содержит некоторое количество минеральных веществ, дающих при сжигании смолу. Из-за преобладания в растениях тех или иных тканей, как, например, в высших растениях целлюлозы и лигнина, а в низших – жиров, восков и смол, химический состав различных групп растений (альги, папоротника, хвоща, хвойных и лиственных деревьев, травы) существенно различен.

Типы накопления исходного вещества. Различают два типа отложения исходного вещества – автохтонный и аллохтонный. Автохтонный тип – это такой тип отложения, при котором первичные организмы обитали на местах современного залегания каустобиолитов. Существуют две разновидности автохтонии – водная и наземная. Аллохтонный, или приносной, тип– это такой тип отложения, при котором растения после гибели транспортируются с места произрастания.

Главным признаком автохтонии служат корневые остатки или пни в почве пласта, наличие и сравнительно хорошая сохранность мелких частиц растений, в большинстве случаев не очень большое количество минеральных примесей. Для аллохтонного накопления характерны плохая сохранность и измельченность растительных остатков и в большинстве случаев – высокая минерализация полезного ископаемого.

Процессы разложения органического вещества. Характер разложения растительности зависит от среды, в которую она попадает после гибели, где могут идти четыре различных процесса: тление, перегнивание, оторфение и гниение. Тление происходит при полном доступе кислорода, вследствие чего органическая часть растения полностью окисляется и уходит в форме газов в атмосферу. Из минеральной части растений образуются твердые остатки. Перегнивание – неполное тление при недостаточном доступе воздуха. В результате происходит неполное окисление. Этот процесс характерен образованием твердых продуктов, богатых кислородом, – гумусовых веществ. Оторфение – промежуточное звено между перегниванием и гниением. Образующиеся в результате этого процесса твердые продукты состоят главным образом из гумусовых веществ, в состав которых входят гуминовые кислоты. Гниение – восстановительный процесс, происходящий при полной изоляции от доступа воздуха в илах и застойных водах и приводящий, как правило, к образованию сапропелитов.

Стадии преобразования органических остатков. Выделяются три стадии преобразования органического вещества: биогенная, химическая и геологическая. На первой, биогенной (или биохимической),стадии происходят преобразования исходного вещества, агентами разложения являются грибки, микробы и бактерии, которые в процессе жизнедеятельности перерабатывают погибшие растительные организмы.

Вторая, химическая, стадия преобразования происходит довольно длительный период времени и включает огромное число цепных химических реакций. Эти реакции идут в направлении создания коллоидной массы. В условиях обводненности без доступа кислорода исходное вещество подвергается гелификации. Процесс гелификации – это преобразование исходной растительной массы в коллоидные вещества – гель. Гелифицированные микрокомпоненты углей образуются либо путем набухания гумифицирующихся растительных тканей, либо при коагуляции гумусовых растворов. При спорадически ограниченном доступе кислорода, создающем окислительную реакцию, происходит фюзенизация. Фюзенизация – это процесс изменения углеобразующего расти-
тельного материала в окислительной среде, при котором лигнин и целлюлоза превращаются в необратимый твердый продукт – фюзен.

Третья, геологическая, стадия начинается с захоронения осадка под минеральной кровлей. Исходное ОВ претерпевает изменение под воздействием возрастающей температуры и давления. Происходящие в результате этого процессы изменения органического осадка называются углефикацией. При этом осадок обезвоживается, уплотняется в 5–6 раз, полимеризуется, жидкие вещества превращаются в твердые. Гумусовая кислота, окрашивающая болотную воду в коричневый цвет, превращается в твердое гуминовое вещество, слагая так называемую «основную массу» угля. Процесс разложения низших растений и организмов, приводящий к образованию веществ, близких к углеводородам (УВ), называется битуминизацией.

Необходимые предпосылки для углеобразования. Важнейшими предпосылками являются: фитологические, климатические, геоморфологические и тектонические. Фитологические предпосылки создают возможность накопления исходного вещества. Уже в раннем архее (3,7–3,5 млрд лет тому назад) установлено наличие биогенных формаций с относительно высоким содержанием органического углерода. Активное накопление углеобразующей растительности началось в позднем силуре–раннем девоне, когда произошел выход водной растительности на сушу. Весь отрезок времени эволюции растений от кембрийского периода до нашего времени подразделяется на четыре эры развития растительности: талассофит, палеофит, мезофит и кайнофит.

Климатические предпосылки определяют как масштабы накопления исходного материала, так и его морфологию. В глобальном геолого-исто­рическом плане выделялись области с гумидным климатом, благоприятные для торфо- и углеобразования, и области с аридным климатом, менее благоприятные для образования больших масс растительности.

Геотектонические предпосылки играют важную роль в торфо- и углеобразовании, особенно медленные эпейрогенические вековые колебания с преобладанием нисходящих движений. Этими движениями обеспечивается наращивание мощности массива исходного органического материала, компенсирующего амплитуду погружения и его захоронение в недрах.

Геоморфологические предпосылки обусловливают обстановку для сохранения накопившегося массива исходного вещества. Они действуют на стадии торфообразования вплоть до перекрытия торфяного массива осадочными минеральными образованиями.

Лекция 2. ТОРФ

Торф – горючее полезное ископаемое, образовавшееся в результате неполного распада растений и содержащее в сухой массе не менее 50 % органического вещества. По внешнему виду торф в естественном состоянии представляет собой волокнистую или пластинчатую массу не вполне разложившихся растительных остатков от светло-бурого до землисто-черного цвета. По теплоте сгорания органической массы торф занимает промежуточное положение между древесиной и бурыми углями. Современные торфяные залежи относятся к голоцену, занимают при мощности торфа 0,3 м общую площадь около 5 млн км², или около 3,3 % суши.

Торф не обладает геологической устойчивостью в масштабах геологического времени. Из торфяников современной геологической эпохи в ископаемое состояние с образованием угольных месторождений может перейти лишь незначительная часть существующих залежей, которые территориально располагаются в зоне отрицательных движений земной коры.

Предпосылки торфообразования. Основными предпосылками торфообразования являются: 1) развитие растительности, способствующей накоплению биомассы в значительных масштабах на 1 м²; 2) больший и равный единице коэффициент увлажнения; 3) наличие отрицательной формы макро- или микрорельефа, обеспечивающей развитие водоема, в пределах которого происходит торфообразование; 4) преобладание процесса фотосинтеза над процессом распада.

Торфообразование. Формирование торфяников – сложный биохимический процесс преобразования растительной массы, произрастающей на торфяном болоте, в торф. Все свойства торфа формируются в верхнем «торфогенном» слое торфяного болота. Степень разложения торфа, т. е. соотношение гумусового вещества и сохранившихся растительных остатков, определяется высотой и постоянством уровня грунтовых вод. Процессы диагенеза могут проявляться только в торфах, находящихся под сильным давлением большой мощности минеральных отложений. По данным Л. И. Боголюбовой и П. П. Тимофеева, торф со степенью разложения 0–25, 25–50 и 50–75 % подвергается изменениям главным образом в направлении гелификации, и в нем образуются гелинитовые, постгелинитовые и преколинитовые компоненты.

Типы торфяников. В зависимости от приуроченности к элементам рельефа местности выделяются три типа торфяников: 1) верховой – на водоразделах; 2) переходный – на террасах склона водораздела; 3) низинный – в поймах. Каждый из них подразделяется на подтипы и группы.

Низинный тип торфов возникает в условиях богатого минерального питания и увлажнения. Здесь формируется большое разнообразие фитоценозов и, следовательно, видов торфа. Переходный тип торфов образуется в условиях несколько обедненного минерального питания в слабокислой среде и с пониженным привносом аллохтонного материала. Торфы верхового типа формируются в условиях бедного минерального питания с разнообразной, перемежающейся степенью увлажнения.

Растения-торфообразователи. Растительность болот по видовому составу довольно разнообразна. По этому показателю выделяются три группы: 1) мхи; 2) травы; 3) древесные формы и кустарники. 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.

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.

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.

Торфяники тропических широт. Торфяники Северного полушария в Евразии и Америке принадлежат к образованиям умеренных широт и не отвечают условиям происхождения палеозойских и мезозойских крупных угольных бассейнов, чаще всего возникавших вблизи морского побережья. Природной моделью древних торфообразующих болот может служить Большое Дисмальское (Гиблое) болото в штатах Северная Каролина и Виргиния. Оно было изучено еще известным английским геологом Ляйеллем.

Это болото расположено на берегу Атлантического океана и лишь на несколько метров возвышается над его уровнем. Оно простирается на 60 км при ширине 40 км. Вся площадь болота покрыта лесом, причем наиболее характерны следующие древесные породы: болотный кипарис, лавровый тополь, белый кедр, сосна. Наиболее приспособлен для жизни на местах, залитых водой, болотный кипарис, развивающий особые корневые образования – пневматофоры, выступающие из воды и служащие путями доставления необходимого воздуха в корневую систему растения. Стволы деревьев у основания сильно расширены, так как своими корнями не могут в воде глубоко проникать в почву. Для устойчивости они нуждаются в других приспособлениях – в расширенной части ствола с расходящимися во все стороны корнями. Подобные приспособления имели деревья палеозойского возраста, которые были описаны А. А. Гапеевым в угленосной толще Кузнецкого бассейна. При сильном ветре деревья легко падают. В этом бассейне толщина торфа, сплошь состоящего из перегнивших корней, листьев, фрагментов ветвей и семян, доходит до 5 м. Прирост торфа за 1 год может составить 2–2,5 мм.

Болота тропического пояса достаточно широко распространены на о. Суматра, на морских побережьях о. Шри Ланка и полуострова Индостан, островах Малайского архипелага и т. д. Здесь широко распространены мангровые деревья. Между их ходулевыми корнями накапливается большое количество материала, привносимого реками и морской водой. Приливы и отливы перемалывают и перетирают этот материал. Полученный из него таким образом черный ил не похож на осадки спокойных вод.

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.

В процессе диагенеза торфа происходят изменения в химическом составе: снижается содержание гемицеллюлозы (на 30–60 %), фульвокислот (на 50 %) и негидролизуемого остатка (на 17–35 %), увеличивается содержание гуминовых кислот (на 35–52 %) и битумоидов. По зольности выделяются торфа: 1) бедные золой (содержание золы 0,5–5 %); 2) среднезольные (5–10 %) и 3) богатые золой (10–50 %).

Торфяное месторождение. Торфяным месторождением называется территориально обособленный участок земной поверхности, характеризующийся избыточной увлажненностью, покрытый влаголюбивой растительностью, имеющий торфяную залежь в неосушенном состоянии мощностью не менее 0,7 м и площадью, обеспечивающей возможность практического использования торфа. Месторождения при их объединении во взаимосвязанную систему образуют торфяной бассейн.

Мощность торфяных залежей варьирует от 0,3 до 7–8 м, реже больше. В среднем мощность у торфяников верхового типа с флорой сфагнум-фускум составляет 3,6–4,8 м, у переходного – 2,0–2,5 м, низинного – 1,6–2,0 м.

Закономерности размещения торфяников. Размещение торфяников на земном шаре определяется оптимальным сочетанием предпосылок торфообразования в различных широтах и появлением так называемых поясов торфонакопления. Интенсивное торфонакопление располагается в средних широтах Северного полушария. Протяжность этого пояса составляет 10 000 км, ширина местами превышает 1500 км, а общая площадь составляет 9 млн км². Ему заметно уступают по протяжности и масштабу торфообразования другие пояса (умеренных широт, полярных и горных областей), в том числе торфяники тропической полосы.

В мировом топливо-энергетическом балансе торф играет незначительную роль: его мировые ресурсы при влажности 30–40 % составляют около 350 млрд т, из них около 150 млрд т сосредоточено в России, по 30–35 млрд т в Канаде и Финляндии, 15 млрд т в США. Мировая добыча торфа составляет 110–140 млрд т.

Торфяные ресурсы Беларуси. В Беларуси около 12,4 % территории покрыто торфяниками. Общая площадь распространения торфяных залежей составляет около 2,5 млн га, в границах промышленных залежей – 1,62 млн га (при мощности пласта не менее 0,7 м). Запасы торфа-сырца оцениваются в 30,4 млрд т. Низинные залежи по площади составляют 80,4 %, по запасам торфа-сырца – 75 %, верховые – соответственно 13,6 и 18,5 %, переходного типа – 6 и 6,5 %.

Естественная влажность современных торфов достигает 88–95 %. Зольность верховых торфов обычно колеблется от 1,5 до 4 %, низинных – от 5 до 15 %. Низинный торф по сравнению с верховым отличается повышенным содержанием СаО (в низинных – 2,25 %, в верховых – 0,28 %) и Fe₂О₃ (1,33 и 0,13 % соответственно). Элементный состав органической части торфа следующий: углерод 45,5–61,7 %, кислород 28,0–46,1 %, водород 4,8–6,2 % и азот 0,5–2,9 %.

В республике выявлено около 6 500 месторождений торфа. Промышленные запасы торфа составляют 2,5 млрд т, прогнозные ресурсы – 3 млрд т. Разрабатывается несколько сотен месторождений.

Лекция 3. УГОЛЬ: СТАДИЙНОСТЬ
УГЛЕОБРАЗОВАНИЯ, СОСТАВ, СВОЙСТВА
И КЛАССИФИКАЦИЯ

Стадийность углеобразования. Уголь – горная порода растительного происхождения, состоящая из органического и минерального вещества, прошедшего стадию оторфения. Процесс углеобразования является единым и стадийным – от молодых образований (торфов) до качественных углей и далее антрацитов.

Торфяная стадия. Происходит формирование торфяников главным образом за счет высших растений, которые после отмирания подвергаются различным процессам, приводящим к образованию органических кислот. По степени устойчивости составные части растений располагаются следующим образом: легче всего разлагается протоплазма, за которой следуют жиры, лигнин и целлюлоза, затем кутикула, споры и пыльца, наиболее устойчивыми к разложению являются воски и смолы. В результате разложения преобладающих в растениях лигнино-целлюлозных тканей образуются гуминовые кислоты. Эти кислоты сохраняются в торфе и по мере дальнейшего преобразования переходят в твердое состояние в виде гуминовых веществ, составляющих основу гумолитов.

Установление границы торф–бурый уголь по внешним признакам весьма затруднительно. В качестве пограничных данных чаще всего принимают содержание углерода в бурых углях не менее 64 %, влаги 14 %, теплоту сгорания 20,2 МДж/кг, показатель отражения витринита в масле 0,3.