Стадии углеобразования

Углеобразование - последовательное превращение отмерших растений в торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит и графит. Оно условно разделено на биохимическую и геологическую стадии.

На биохимической стадии происходит накопление, биохимическое разложение и химическое преобразование растительного вещества. Эти процессы протекают на земной поверхности, в болоте в течение тысячелетий и заканчиваются превращением растительного вещества в торф.

Накопление исходного растительного материала может быть автохтонным и аллохгонным. При автохтонном /от греч. авто – сам и хтон -земля/ накоплении горючее ископаемое залегает на месте произрастания растений, при аллохтонном /от греч. аллос- другой, чужой/ растение произрастает в одном месте, а после гибели переносится в другое, где подвергается дальнейшему разложению и преобразованию. К признакам автохронного накопления растительного вещества относятся присутствие в почве пласта корешков и пней деревьев, наличие и хорошая сохранность растительных остатков, небольшая примесь минерального вещества, постоянство мощности пластов. Аллохтония характеризуется отсутствием в почве корней и пней, наличием грубых растительных остатков, высокой зольностью углей и невыдержанной мощностью угольных пластов. Различают аллохтонию первичную /перенос отмерших растений водой и ветром/и вторичную /переотложение торфа и угля в результате размыва водой, ледниковой деятельности, развития оползней, карстов и других явлений/.

После накопления происходит разложение растений, характер которого зависит от кислородного и водного режима среды, в которую они попадают после гибели. Агентами разложения являются грибки /в 1 г растительного вещества насчитывается 26000 особей/, бактерии /до 10000/ и микробы. При погружении в водную среду на глубину до 20-40 см главная роль принадлежит аэробным /т.е. развивающимся при наличии кислорода/ бактериям, затем до глубины 1,5-3,0 м - анаэробным /способным жить при отсутствии кислорода/.

Таким образом, наземные и болотные растения подвергаются тлению, перегниванию и оторфованию, водные организмы - гниению. Тление, протекающее при обильном доступе кислорода в увлажненное растительное вещество, заключается в полном окислении /уничтожении/ органической части растения; в результате образуются улетучивающиеся газообразные соединения /пары воды, оксид углерода /1У/ и др./ и минеральное вещество /зола/. Перегнивание - неполное тление при ограниченном доступе кислорода в увлажненную растительную массу, при котором происходит частичное окисление и образуется перегной, содержащий твердые богатые кислородом соединения. Оторфование - неполное разложение при ограниченном доступе кислорода и в условиях высокой влажности /застойные воды/, в процессе которого накапливаются твердые богатые углеродом скопления /торф/. При перегнивании и оторфовании из лигнино-целлюлозных тканей образуются гуминовые кислоты /гумификация/. Гниение — разложение водорослей и простейших живых организмов в застойной водной среде без доступа кислорода - протекает в восстановительной обстановке; при этом накапливаются твердые продукты, обогащенные водородом /из водорослей образуется сапропель/.

Растения, разложившиеся под влиянием биохимических агентов, затем подвергаются химическому преобразованию в направлении создания однородной коллоидальной массы - гумификации, гелификации, фюзенизации и битумизации/см. подразд.2.5/.

Геологическая стадия состоит из ряда последовательных превращений:

торфа - в бурый уголь; бурого угля - в каменный; каменного - в антрацит и далее в графит. Перечисленные процессы начинаются посла перекрытия торфяника кровлей, протекают в недрах Земли среди пластов горных пород в течение длительного периода времени /от нескольких миллионов до сотен миллионов лет/ под влиянием давления вышележащих толщ и сравнительно высоких температур. Превращение органического вещества /углефикация/ сопровождается обезвоживанием, уменьшением в объеме /бурые и каменные угли занимают объем соответственно в 3,5 раза и в 12 раз меньший, чем исходная органическая масса/, изменением физических и технологических свойств, химического состава. Углефикация подразделяется на диагенез /преобразование торфа в бурый уголь/ и метаморфизм /преобразование бурого угля в каменный и далее в антрацит и графит/.

Бурый уголь - низший член углефикационного ряда гумусовых углей, переходная форма от торфа к каменному углю. От торфа он отличается более высокой степенью превращения остатков растений, обогащением /до 70 %/ углеродом. Для угля этого вида характерна бурая /иногда - черная/ черта. Благодаря присутствию в нем гуминового вещества происходит окрашивание раствора щелочи в темно-бурый цвет и раствора разбавленной азотной кислоты - в цвета от ярко-желтого до красно-бурого. Плотность бурого угля - 0,8-1,35 г/см³. Уплотнение торфа под действием повышающейся температуры и тяжестью перекрывающих песчано-глинистых пород обусловливает переходы от землистых бурых углей к более плотным, приближающимся к каменным. Различают землистые, лигнитовые, плотные матовые и плотные блестящие бурые угли. Землистый бурый уголь - рыхлый, слабосцементированный, пористый с однородным или комковатым сложением представлен мелкозернистой бурой массой, которая при высыхании превращается в порошковатое вещество. Лигнитовый уголь /от лат. lignum -древесина/ характеризуется лигнитовой /древесной/ структурой и при высыхании раскалывается на слои, соответствующие годичным кольцам. Он залегает среди бурого угля слабой степени углефикации, переслаиваясь c ним или образуя самостоятельные пласты. Плотный матовый бурый уголь -сцементированный уголь, сложенный углеобразующими компонентами, имеющими признаки каменного и землистого бурого угля. При высыхании растрескивается. Плотный блестящий бурый уголь - порода черного цвета со слабозаметным буроватым оттенком и смолистым блеском. Наблюдаются трещины уcыхания. Бурые угли могут быть сложены гумитами, сапропелитами и смешанными природными типами.

Между бурыми и каменными углями выделены переходные угли - бурые длиннопламенные /БД/. С типичными бурыми углями их сближает плохо выраженный эндокливаж и бурая черта, с каменными -цвет, плотность, вязкость.

Каменный уголь - твердая плотная порода, образовавшаяся в процессе углефикации /метаморфизма/ бурого угля, от которого он отличается физическими и технологическими свойствами и химическим составом. По мере увеличения степени углефикации цвет гумусовых углей изменяется от черного до серо-черного, цвет черты - от коричневой до черной и темно-серой, блеск - от смолистого до яркого алмазного металловидного, снижаются прочность /от высокой до средней/, вязкость, выход летучих /50-10 %/ и доля водорода, возрастают плотность /1,3-1,5 г/см³/, удельная теплота сгорания, массовая доля углерода и др. Каменные угли могут быть сложены гумитами и сапропелито-гумитовыми природными типами. Между каменными углями и антрацитами выделяют переходные угли - полуантрациты /ПА/.

Антрацит - каменный уголь высокой степени углефикации /метаморфизма/ - представляет собой плотную и однородную породу серовато-черного и черно-серого цвета с металловидным или металлическим блеском и бархатисто-черной чертой. Излом раковистый и остроугловатый, края обломков - острые, режущие. От каменных углей отличается также большей плотностью /1,4-1,7 г/см³/, высокой массовой долей углерода /не менее 95 %/, низким выходом летучих веществ /8-2 %/. Антрациты характеризуются высокой электрической проводимостью, стойкостью к воздействию агрессивных сред, к истиранию и пластическим деформациям, низкой реакционной способностью и др. Они могут быть сложены гумитами и сапропелито-гумитами.

Иногда выделяют суперантрациты /перантрацит/ - антрацит высшей степени углефикации /метаморфизма/.

В Карелии в районе Онежского озера /о.Шуньга/ среди метаморфизованных

пород нижнего протерозоя установлен пласт антрацита /мощность 4 м/ высшей степени метаморфизма, который назван шунгитом. Доля углерода в чистых разновидностях шунгита на горючую массу составляет 98 %, выход летучих веществ - около 2 %. В нем обнаружены фрагменты растительной органики, напоминающие древесину, что позволило эти породы отнести к гумитам. Графит органического происхождения заключает углефикационный ряд, возникший из растительного материала. Он образуется при контактовом воздействии интрузий на уголь /Тунгусский и другие угольные бассейны/.

Угольный пласт

Угольный пласт - тело, сложенное углем и вытянутое по простиранию и падению на сотни и более метров, отграниченное от вмещающих пород поверхностями напластования /верхняя - кровля, нижняя - почва/. Пласт -наиболее распространенная форма тел угольных месторождений. Угольный пласт мощностью менее 10 ом называется прослоем или пропластком.

По строению пласты бывают простыми /без породных прослоев/, умеренно сложными /1-3 породных прослоя/ и очень сложными /переслаивание многочисленных угольных и породных прослоев/. В умеренно сложных и очень сложных пластах выделяют пачки - части угольного пласта между породными прослоями.

Мощность пласта - кратчайшее расстояние от кровли до почвы. В угольных пластах различают несколько видов измеряемой мощности.

В зависимости or мощности угольные пласты подразделяются на весьма тонкие /0,5-1,3 м/, средние /1,3-3,5 м/, мощные /3,5-15 м/ и весьма мощные/более 15 м/. В СНГ весьма мощные /60-200 м/ пласты каменного угля известны в Кузнецком и Экибастузском бассейнах, а бурого угля /мощностью 80-100 м/ - в Канско-Ачинском бассейне и на месторождениях Башкирии и Украины. Самые мощные в мире пласты угля известны в Австралии /на месторождении Латроб Вэлли пласт бурого угля мощностью 330 м/ и в Канаде /на месторождении Хат-Крик пласт мощностью 450 м,в верхней части близкий к торфу, в нижней - каменный уголь/.

Элементы залегания пласта - линия простирания, линия падения и угол падения. Линия простирания пласта - линия, образующаяся при пересечении поверхности наклонно залегающего пласта с горизонтальной плоскостью. Линия падения пласта - линия, лежащая на его поверхности, перпендикулярная линии простирания и направленная по падению пласта. На практике измеряют азимуты линий простирания и падения пласта. Азимут линии простирания, т.е. угол между направлением на север и линией простирания, имеет два значения, которые отличаются друг от друга на 180° Азимут линии падения - угол между направлением на север и линией падения - имеет одно значение. Азимуты линий простирания и падания могут принимать значения ог 0 до 360°. Угол падения - угол между горизонтальной плоскостью и поверхностью пласта, - как правило, имеет значение 0-90°. Опрокинутые пласты характеризуются углами падения более 90°.

В зависимости от значения угла падения пласты подразделяются на пологие /до 25°/, наклонные /до 45°/ и крутые /свыше 45°/.

Мощность пласта по простиранию и по падению изменяется. У выдержанных по мощности пластов отклонение от средней величины составляет до 25 %, у относительно выдержанных - до 50 %, у невыдержанных - более 50 %.

Изменение мощности угольного пласта может быть обусловлено как особенностями накопления растительного материала /неровное основание ложа торфяника, неравномерное поступление органики, расщепление и размывы, фациальное замещение/, так и процессами, происходившими после образования пласта /тектонические процессы, размывы/.

При накоплении растительного вещества на неровном основании местами может отсутствовать нижняя часть пласта /рис.10,а/, а при наравномерном поступлении органики - верхняя часть /рис.10,б/.

Расщепление выклинивающегося пласта на краю болота происходит в результате различной способности к уплотнению растительного вещества и горной породы. Неравномерное прогибание торфяника может быть причиной того, что местами накапливается не растительное, а минеральное вещество, которое образует породные прослойки в угольном пласте. Расщепляющийся угольный пласт может сохранять общую полезную мощность и через некоторое расстояние слиться в единый пласт /рис.11/.

Известны случаи многократного расщепления основного пласта. Фациальное замещание представляет собой естественное выклинивание угольного пласта, обусловленное прекращением торфообразования и накоплением осадков обломочного, глинистого и карбонатного составов.

Под влиянием тектонических деформаций /складчатые и разрывные/ в одних случаях возникают раздувы, в других - сокращение мощности в пять и более раз. Чаще всего такие явления приурочены к осям крутых антиклинальных складок или к сопряжениям разрывов растяжения. Во всех случаях пласты перемяты, уголь измельчен до пылевидного состояния.

Наиболее распространенной причиной изменения мощности пласта является размыв. На размыв указывают уменьшение мощности пласта на сравнительно коротких расстояниях, присутствие эрозионного вреза, характер линии контакта между углем и замещающей породой, взаимоотношение размыва с породами почвы и кровли. Различают сингенетические и эпигенетические размывы /рис.12/. Сингенетические размывы формировались русловыми потоками и болотными реками, протекавшими через торфяную массу. На месте размытого слоя отлагались привнесенные осадки. Если течение водных потоков ослабевало или прекращалось, накопившиеся отложения покрывались раститольностью, а затем - снова торфяной массой. Эпигенетические размывы угольного пласта связаны с эрозионной деятельностью водных потоков. Они характеризуются глубоким врезом и могут затрагивать не только угольный пласт, но и породы почвы.

В угольных пластах обнаружены валуны, гальки, конкреционные тела и минеральные образования. Валуны и гальки магматических, осадочных и метаморфических пород привносятся в торфяник с корневой системой растений, со скоплениями растительного материала. Известны гальки, сложенные углем. Конкреционные тела по составу могут быть карбонатными /сложены кальцитом, доломитом и сидеритом/, сульфидными /пирит, мархазит/ и др. Они характеризуются округлой и эллипсоидальной формами, размерами до нескольких дециметров. Конкреции образуются в угольном пласте в процессе диагенеза /при превращении торфа в уголь/.

Взаимоотношения пластов углей с вмещающими породами могут быть такими:

I/ пласт угля вмещается значительной по мощности толщей однородной породы, образующей с углем резкий контакт, что свидетельствует о быстрой смене условий накопления;

2/ пласт угля отделяется от вмещающих пород маломощным прослоем породы /часто - углистого состава/, что указывает на постепенный переход к новым условиям накопления;

3/ пласт угля подстилается или перекрывается толщей переслаивающихся песчано-глинистых пород, содержащих маломощные прослои углей, что характерно для неустойчивого режима при отложении осадков.

В Донбассе в большинстве случаев почвой угольных пластов являются аргиллиты и алевролиты. Песчаники в основании угольных пластов встречаются реже, известняки - в исключительных случаях. Породы кровли, как правило, имеют морское происхождение: аргиллиты и алевролиты представляют собой отложения мелководного моря, песчаники - прибрежных условий, а известняки - глубоководные осадки.