Угленосная формация

Угленосная формация — комплекс осадочных полифациальных, т.е. образованных в разных условиях/ морские, переходные и континентальные/ пород, содержащих пласты углей.

Угольные пласты, переслаиваясь с осадочными породами /песчаники, алевролиты, аргиллиты, известняки и др./, образуют угленосную формацию /угленосную толщу или угленосные отложения/, которая характеризуется определенной мощностью и площадью распространения. Типы угленосных формаций выделяют по стратиграфическому /нижне - и среднекаменно-угольная формации ископаемых углей Донбасса, палеогеновая формация бурых углей Правобережной Украины и т.д./ и по географическому /Донецкая, Кавказская угленосные формации и др./ принципам, по составу пород /глинистая, песчанистая угленосные формации и др./.

Образование угленосных формаций, как и толщ осадочных пород, происходит на общем фоне погружения площади с попеременным чередованием восходящих и нисходящих движений, сопровождающемся сносом в пониженный участки продуктов размыва пород повышенных частей рельефа. При переносе осуществляется разделение /дифференциация/ рыхлого материала по крупности и плотности обломков. Последовательность отложения осадков такова: в прибрежной полосе - торфяники, далее в сторону моря - береговой ил, пески, глины и известняки /рис.10/. При подъеме площади понижается уровень воды /регрессия моря/, в сторону моря перемещается прибрежная полоса, где формируется торфяник, а вслед за ним откладываются береговой ил, пески, глины и известняки. Торфяник, ранее сформировавшийся и оказавшийся на поверхности континента, разрушается эрозионными процессами /рис.13, позиции 2, 3/.

Благоприятные для формирования угольного пласта условия создает опускание площади и наступление моря /трансгрессия моря/, что приводит к перемещению прибрежной полосы в сторону континента. На торфянике откладывается береговой ил, из которого в процессе диагенеза образуются аргиллиты и алевролиты, пески /песчаники/, глины /аргиллиты/ и известняки /рис.13, позиции 5, 6/.

Из осадочных пород, слагающих угленосную формацию, наиболее распространены песчаники /пески/, алевролиты /алевриты/, аргиллиты /глины/ и известняки. Иногда аргиллиты называют глинистыми сланцами, алевролиты - песчаными или песчанистыми сланцами, а их переслаивание - песчано-глинистыми сланцами. Употребление термина "сланец" неверно, так как он применяется при характеристике метаморфических пород /кристаллические сланцы, слюдяные сланцы и т.д./. В метаморфических породах сланцеватость возникает в условиях одностороннего давления за счет вышележащих толщ при повышенных температурах и выражается ориентированным расположением образованных при метаморфизме новых минералов /слюда, амфиболы и др./. Еe не следует путать со слоистостью осадочных пород, слагающих угленосные формации, обусловленной поступлением различного по составу обломочного материала на дно бассейна в процессе накопления осадков. Среди метаморфических пород существование ископаемых углей и углистых пород невозможно, так как они в процессе метаморфизма были бы превращены в шунгиты, графиты и графитсодержащие сланцы. Необходимо обратить внимание на то, что угли подвергаются метаморфизму различной интенсивности, о чем свидетельствует разнообразие марок от Б до А. Но процессы преобразования пород осадочной угленосной формации не проявились настолько глубоко, чтобы их можно было бы отнести к метаморфическим.

Залегающая в почве угольного пласта порода /аргиллит, алевролит, реже - песчаник/, содержащая корни растений, и поэтому характеризующаяся нарушенным /"кучерявым"/ сложением, называется "кучерявчиком". "Кучерявчик" - ископаемая почва торфяника. В пластах углей иногда присутствуют маломощные прослои глинистого состава, сложенные вулканическим пеплом, которые называются тонштейнами.

Горелые породы, или горельники, - обожженные поверхностным или подземным пожаром плотно спекшиеся и трудно поддающиеся разрушению породы различного состава.

Конкреции /стяжения/ - самостоятельные тела карбонатного и сульфидного составов округлой или эллипсоидальной формы размером до 1 м более, размещающиеся согласно со слоистостью в осадочных породах и образовавшиеся в процессе диагенеза осадков /превращение осадка в породу/.

Характерная особенность угленосных формаций - ритмичность строения, обусловленная цикличностью колебательных движений области осадконакопления. В интервалах залегания выделяют полные /последовательная смена в разрезе пород от углей к известнякам и обратно/ и неполные /отдельные типы пород выпадают/ритмы.

Площади непрерывного распространения угленосных формаций колеблются от нескольких квадратных километров до сотен тысяч квадратных километров, мощность - от десятков метров до 10 км и более.

В зависимости от геотектонического режима осадконакопления угленосные формации подразделяются на геосинклинальный, переходный и платформенный генетические типы.

Признаками угленосных формаций геосинклинальиого типа являются широкое площадное распространение/до нескольких тысяч квадратных километров/, значительная мощность /от сотен до нескольких тысяч метров/; выдержанность разреза угленосных отложений на большой площади, значительное количество угольных пластов /от десятков до сотен; десятки пластов рабочай мощности/, выдержанное и относительно выдержанное строение пластов углей средних и тонких по мощности, разнообразие марок углей /от бурых до антрацитов/ и др. Геосинклинальное происхождение имеют, в частности, угленосные формации Донецкого, Кузнецкого, Карагандинского бассейнов, платформенное - Подмосковного, Канско-Ачинского, Днепровского и некоторых других бассейнов.

В крупных регионах может происходить накопление двух и более разновозрастных угленосных формаций /например, на Украине в карбоне -геосинклинальная формация каменных углей в Донбассе и в палеогене -платформенная бурых углей в Днепробассе/.

Угленосные формации характеризуются коэффициентом угленосности и углеплотностью.

Коэффициент угленосности представляет собой отношение суммарной мощности h угольных пластов к мощности угленосной формации H, %:

Для Донбасса коэффициент угленосности составляет 0,6-0,7 %, для Кузбасса - 1.6-1, 8%, Экибастузского бассейна – 25 %, Канско-Ачинского бассейна – 45 %.

Углеплотносгь характеризуется отношанием количества запасов в тоннах к площади угленосной формации в квадратных километрах /см. табл.2.2/.

4.5. Угленосные провинции, угольные бассейны и месторождения

Академик П.И.Степанов в 1937 г. выдвинул концепцию "поясов и узлов углеобразования" /рис.14/. Пояс углеобразования - древняя зона на земной поверхности, на территории которой в определенный геологический период обильно накапливались угленосные отложения и растительнaя масса. Узел углеобразования - изолированная наиболее угленасыщенная площадь в составе пояса углеобразования, в пределах которой сосредоточена основная масса запасов углей соответствующего возраста.

Угленосная провинция по смыслу идентична узлу углеобразования и представляет собой огромную площадь, включающую в себя угольные бассейны и месторождения с одновозрастным осадконакоплением и углеобразованием в близких физико-географических условиях, приуроченных к крупной региональной структуре. В СНГ выделяются, в частности, такие угленосные провинции: карбоновые Донецко-Кавказская, Московско-Уральская и Казахстанская; пермские Печорская, Карагандинская; нижнемезозойские Восточно-Уральская, Среднеазиатская; верхнемезозойские Забайкальская, Ленская и др., кайнозойские Украинская, Камчатская.

Угольный бассейн - крупная /десятки - сотни тысяч квадратных километров/ площадь сплошного или прерывистого развития угленосных отложений со значительными запасами угля, характеризующаяся общностью осадко- и угленакопления, приуроченная к единой тектонической структуре.

В зависимости от степени обнаженности угленосной толщи выделяются различные типы бассейнов:

открытые, где угленосные отложения обнажаются на дневной поверхности, но могут быть перекрыты наносами /например, Кузбасс/;

полуоткрытые или полузакрытые, где только часть угленосных отложений обнажается на дневной поверхности, остальное скрыто под отложениями более молодого возраста /например. Донецкий и Карагандинский бассейны/;

закрытые, где угленосные отложения сплошь перекрыты более молодыми осадочными породами /например. Челябинский бассейн/. В пределах бассейна может находиться несколько угольных месторождений.

Угольное месторождение - занимающее определенное стратиграфическое положение в осадочной толще земной коры естественное скопление угленосных отложений с пластами углей на площади десятки - сотни квадратных километров, которое экономически целесообразно разрабатывать.

Иногда вместо термина "месторождение" употребляют термин "угленосный район". Это - совокупность угольных месторождений, разобщенных в результате тектонических или эрозионных процессов. В Донецком бассейне известно 30 угленосных /геолого-промышленных/ районов /Алмазно-Марьевский, Селезневский и др./.

Большие угленосные площади, на которых не доказано непрерывное развитие угленосных отложений с пластами углей, называют угленосными площадями и угленосными областями.

Углепроявление - угленосная площадь с небольшими или неустановленными запасами углей.

Метаморфизм углей

Метаморфизм углей - превращение бурого угля последовательно в каменный уголь, антрацит и графит преимущественно под влиянием повышенной температуры и давления в земных недрах, сопровождающееся изменением химического состава, структуры и физических свойств. Происходящие изменения состава и свойств в основном затрагивают гелифицированные компоненты. Наиболее податлив к метаморфизму гумусовый уголь наименее - сапропелевый.

По характеру геологических процессов, приведших к преобразованию растительного вещества в недрах Земли, различают следующие виды метаморфизма: региональный, термальный /контактовый и неконтактовый/, динамометаморфизм и радиогенный.

Региональный метаморфизм происходит на больших площадях /регионах/ в период погружения угленосной толщи при одновременном воздействий на угли температуры и давления. Ископаемые угли образуются в интервале температур от 30-40°С /переход бурых углей в каменные/ и до 300°С /образование антрацитов/ и при статическом давлении до 250 МПа.

В угольных бассейнах региональный метаморфизм обусловил существование вертикальной и горизонтальной зональности в распространении углей различной степени метаморфизма. Как заметил К.Хильт еще в 1873 г., с увеличением стратиграфической глубины наблюдается закономерное повышение степени метаморфизма углей /правило Хильта/ при одном и том же составе исходного растительного материала выход летучих веществ, количественно отражающий степень метаморфизма углей в нижележащем пласте меньше, чем в вышележащем. В Донбассе через каждые 100 м отмечено закономерное падение выхода летучих веществ /градиент метаморфизма/ в пределах 0,5-1,4 %, в Кузбассе - 0,5- %, в Рурском бассейна - 2,3

Горизонтальная зональность в размещении углей с одинаковой степенью метаморфизма определяется тектоническими особенностями бассейна. В Донбассе зоны изометаморфных углей расположены почти симметрично по отношеиию к оси Главного антиклинала и соответствуют зонам увеличения мощности угленосной толщи каменноугольных отложений /рис. 16/.

Термальный метаморфизм пoдpaздeляeтся на контактовый и неконтактовый. При контактовом матаморфизме изменение углей происходит' при непосредственном соприкосновении вторгшихся в угленосную толщу изверженных пород. Размеры зон контактовых изменений зависят от состава внедрившихся пород /температура расплава основных пород - 1100-1300 °С, кислых - 800-900°С, их расположения по отношению к угольному пласту /наиболее эффективно при внедрении в почву угольного пласта/, мощности и характера перекрывающих пород /влияет на продолжительность остывания магмы/.

Непосредственное влияние теплоты малых интрузий типа даек, штоков, силлов на вмещающую их угленосную толщу изучено на угольных месторождениях в Донбассе, Кузбассе и на о. Сахалин. Угли на контакте с ними графитизированы, а по мере удаления от контакта можно встретить антрациты, тощие угли, кокс и т.д. Однако общая мощность измененных углей и пород обычно исчисляется несколькими метрами. Если исходный уголь был сильно метаморфизован, то влияние малых интрузий оказывается на нем незначительно. Иногда внедрившаяся магма не имеет непосредственного контакта с угольным пластом. В этом случае преобразование угля происходит под влиянием теплоты остывающего расплава, а степень изменения зависит от размеров и состава магматического тела, расстояния от пласта угля, пористости и теплопроводности вмещающих пород /неконтактовый метаморфизм/.

.Термальный метаморфизм различной степени проявился в Тунгусском, Кузнецком, Донецком и других угольных бассейнах. На территории Тунгусского бассейна в триасе произошло внедрение магмы в пермскую угленосную толщу с образованием секущих тел и стратифицированных залежей /рис.17/.

Тепловое воздействие интрузий привело к изменению марочного состава углей oт бурых до антрацитов и графита. В юго-западном Донбассе между с.Константиновка и ст.Еленовка на площади размером около 50 км² нижне-карбоновые угли имеют аномально завышенную степень метаморфизма. На общем фоне марок Г-Ж и К вклиниваются участки с тощими углями, полуантрацитами и антрацитами. Хотя эта площадь пересечена многочисленными секущими и пластовыми дайками, но высокометаморфизованные угли нередко находятся от них на значительном расстоянии. Это свидетельствует о том, что в данном случае наблюдается не контактное воздействие интрузивного комплекса на уголь, а влияние теплоты внедрившихся магматических тел.

Динамометаморфизм /дислокационный или тектонический/ - преобразования углей под влиянием теплоты, выделяющейся при тектонических процессах. Из-за малого количества выделяемой при тектонических процессах теплоты этот вид метаморфизма признают не все геологи.

Радиогенный метаморфизм протекает под воздействием теплоты, выделяющейся при распаде радиоактивных элементов в минералах /уранинит, уранофан и др./. Он отмечается в угольных пластах, находящихся близ источника радиоактивной теплоты.

Подразделение ископаемых углей на группы и стадии метаморфизма /ГОСТ 21489-76/ производится по показателю отражения витринита в воздухе и в иммерсионном масле /габл. 4.2/.

Таблица 4.2 – Группы и стадии метаморфизма углей

Выветривание углей

Выветривание угля - совокупность изменений горючего ископаемого под влиянием кислорода, воды, разности температур и других факторов, происходящих при нормальном давлении вблизи дневной поверхности в зоне аэрации. Изменение совершается в процессе как физического /механического/. так и химического /окисление/ выветривания. Оба процесса протекают одновременно, тесно связаны мечту собой и приводят к появлению окисленных углей. Физическое выветривание происходит под действием колебаний температур и при участии воды, способствует дроблению угля, приводит к увеличению поверхности обломков, благоприятствует поступлению кислорода и окислению каустобиолита. Химическое выветривание протекает при участии кислорода /растворенного в воде и находящегося в составе воздуха/, активность которого увеличивается при возрастании температуры, приводит к изменению химического состава и технологических свойств горючего ископаемого.

Интенсивность выветривания углей определяется климатом, рельефом местности, скоростью эрозионных процессов, мощностью и составом перекрывающих угольные пласты пород, гидрогеологическим и газовым режимами месторождения, условиями залегания и литологическим составом угленосной толщи, петрографическим составом, степенью метаморфизма и трещиноватостью углей. Глубина зоны выветривания может достигать сотен метров. Нижней границей считается глубина залегания угля, начиная с которой он имеет постоянный и близкий к нормальному состав.

По времени различают древнее и современное выветривание.

В процессе выветривания происходит изменение мощности пласта, физических /цвет, блеск, плотность, структура и др./ и технологических /влажность, зольность, выход летучих, коксуемость, удельная теплота сгорания, выход гуминовых кислот и смолы/ свойств и химического состава /доля углерода, водорода и кислорода/.

Мощность угольных пластов уменьшается в 8-10 раз, вблизи дневной поверхности уголь превращается в рыхлое землистое вещество. Это происходит в связи с раздавливанием или выдавливанием рыхлого угля, растворением и выносом органической части горючего ископаемого.

Цвет у бурых углей изменяется от темно-коричневого и буровато-черного до бурого, у каменных - от черного до темно-коричневого или бурого, что связано с образованием гуминовых кислот, придающих углям бурый цвет. Антрациты при выветривании сохраняют черный цвет. Вследствие разложения контактирующего с углем известняка окисленный каустобиолит приобретает белесоватую окраску. В Донбассе выходы такого угля называют "меловкой". Блеск у витреновых и клареновых углей теряется, они становятся тусклыми и матовыми. Угли из зернистых превращаются в землистые и сажистые, плотность их снижается.

В углях уменьшается содержание углерода /в окисленных антрацитах Донбасса доля элемента составляет 60%/ и водорода /0,3%, т.е. в 12 раз меньше/, но повышается доля кислорода /с 1,15 до 39,10%/.

При выветривании возрастают влажность/до 21%, т.е. в 9 раз/, зольность /до 42%, или в 6 раз/, выход летучих /в 1,5-2,0 раза/; в каменных углях появляются гуминовые кислоты. При этом снижаются удельная теплота сгорания, коксуемость и выход смолы.

В процессе выветривания в отличие от метаморфизма качество углей ухудшается. По устойчивости к выветриванию твердые горючие ископаемые располагаются в такой последовательности: торф - бурый уголь - каменный уголь - антрацит.

В связи с развитием открытого способа разработки месторождений /как наиболее дешевого/ добыча и использование выветрелых /окисленных/ углей ежегодно возрастают. В нашей стране почти половина угля добывается открытыми работами. Поэтому появилась необходимость классификации окисленных горючих ископаемых. Им присваивается марка неокисленного угля, дополняемая группой степени окисленности. Например:

2ГОК - второй газовый окисленный первой группы.