7.1.2. Происхождение ископаемых углей

Угли – один из наиболее распространенных видов полезных ископаемых. Они выявлены на всех континентах земного шара. Известно около 3000 угольных месторождений и бассейнов.

Ископаемые угли – твердая горная порода, образовавшаяся из остатков отмерших растений в результате биохимических, физикохимических и физических преобразований. Кроме органических составляющих, в углях всегда присутствуют минеральные примеси, содержание которых колеблется в широких пределах (от 1–2 до 50%).

Состав и свойства углей определяются природой их материального вещества, т.е. исходного растительного материала, эпохой и условиями протекания первой стадии углеобразования, а также метаморфизмом, т. е. изменениями угольного вещества, связанными с последующей историей их формирования.

Ископаемые угли в значительной своей части образовались из остатков растительного мира прошлых геологических периодов при активном участии микроорганизмов. Вместе с тем для их образования было необходимо не только наличие таких остатков, но и требовались определенные условия, при которых эти растительные остатки могли бы накапливаться в огромных количествах на значительных площадях, сохраняться и в последующее время глубоко преобразовываться, переходя в конечном итоге в ископаемые угли, горючие сланцы или участвуя в создании нефтяных месторождений.

Образование углей происходило на протяжении многих геологических периодов, в течение которых неоднократно изменялись климат и рельеф земной поверхности, а следовательно, и растительный мир. Соответственно создавались благоприятные или неблагоприятные условия для образования углей.

Пласты углей встречаются в осадочных породах всех геологических периодов начиная с силурийского возраста, а остатки вообще углистых веществ, по-видимому, органического происхождения известны в значительно более древних породах докембрия.

Исходная растительность. В результате детального изучения остатков древесины, коры, ветвей, листьев или их отпечатков, сохранившихся в пластах каменных углей, представилось возможным восстановить первоначальные формы, размеры, строение растений прежних геологических периодов, способы их размножения и даже условия их произрастания. В самые ранние геологические периоды накопление органического материала происходило за счет наиболее примитивных представителей растительноживотного мира. Именно так образовались огромные массы карбонатных пород – известняков, мергелей, доломитов, однако считается, что в отдельных случаях они давали начало и углистым образованиям, сохранившимся до наших дней. Примером могут служить так называемые «шунгиты», встречающиеся среди докембрийских кристаллических сланцев Карелии.

В последующие геологические периоды происходило развитие более сложных организмов – многоклеточных сине-зеленых водорослей, которые явились исходным материалом для некоторых месторождений горючих сланцев. Например, из таких водорослей в нижнесилурийский период образовались горючие сланцы – «кукерситы» – в Эстонии.

Родственное углю твердое горючее ископаемое – горючий сланец – состоит преимущественно из минеральной составляющей (70–90%), а содержание органического вещества (керогена) не превышает 30%.

В связи с преобладанием сапропелитовой компоненты в керогене сланцев при их нагреве от 50 до 98% органической массы выходит в виде летучих и, главным образом, жидких продуктов – сланцевых масел, что дает еще больше оснований, чем в случае сапропелитовых углей, называть горючие сланцы «твердой нефтью».

Запасы керогена горючих сланцев в земной коре более чем в 30 раз превышают запасы нефти.

Некоторые страны, например Эстония и Израиль, рассматривают горючие сланцы как единственный местный топливный ресурс, а Австралия планирует довести переработку своих сланцев в смолу до масштабов, обеспечивающих полную независимость страны от ввоза нефти.

Стоимость продуктов, получаемых из горючего сланца (ихтиол и другие фармацевтические препараты, бензин, керосин, смазочные и топливные масла, парафин, лаки и мастики, сырой бензол и др.), в несколь3 ко раз превышает стоимость исходного сырья.

На территории Украины расположены крупные месторождения горючих сланцев (Карпатское и Болтышское) с общими запасами более 500 млрд.т. Их разработка сдерживается главным образом из-за того, что не внедряются эффективные технологии переработки сланцев и разделения полученных при этом жидких продуктов.

К началу девонского периода водоросли в своем эволюционном развитии сделали значительный шаг вперед, приспособившись к существованию в прибрежной части суши. Эта первая полуназемная растительность – псилофиты (без настоящих листьев и корней) – местами давала значительные заросли, из которых впоследствии образовались уже настоящие угли (месторождения по р. Барзас в Кузнецком бассейне, угли Медвежьего острова в Баренцовом море).

Гумусо-сапропелитовая природа и условия образования углей Донецкого бассейна связаны с периодическим затоплением его территории морем, из-за чего в нем насчитывается до 150 угольных пластов, образовавшихся в различное время.

Менее 20% отмершей растительности аккумулируется в виде торфа, средняя скорость аккумуляции торфа составляет 1 мм в год, а из 1 м торфа может получиться до 20 см каменного угля.

Наиболее пышного расцвета наземная растительность достигает в каменноугольный период (рис. 7.5), когда на смену псилофитам приходят тайнобрачные (древовидные папоротники, огромных размеров хвощи) и плауновые (каламиты, лепидодендроны, сигиллярии), которые размножались спорами. Заселяя низменные берега прибрежно-морских и континентальных водоемов, эта растительность явилась исходным материалом, из которого формировались такие крупнейшие угольные бассейны, как Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский, Подмосковный и многие другие в различных районах земного шара.

В последующее время по мере эволюции растительного мира тайнобрачные постепенно вытесняются голосемянными, являвшимися прообразом современных хвойных,

– кордаитами. Господство кордаитов наступает в юрский и нижнемеловой периоды. В результате имело место образование многих угольных месторождений Сибири и Дальнего Востока (Канско-Ачинский, Иркутский, Буреинский бассейны).

В нижнемеловом периоде появляется еще более совершенная растительность из числа покрытосемянных, уже близкая к современной. Гигантские деревья достигают 100 м высоты при диаметре стволов до 15 м. Новый пышный расцвет растительного мира наблюдался в третичном периоде.

Таким образом, за время, прошедшее с момента появления органической жизни, на Земле неоднократно возникали особо благоприятные условия для развития растительного мира. В каменноугольный, пермский, юрский, меловой и третичный периоды они обеспечили образование основной массы угольных месторождений.

Климатические условия. Для усиленного развития растительного мира необходим прежде всего благоприятный климат, влияние которого сказывается не только на росте растений, но и на строении и составе флоры. Так, растения каменноугольного периода достигали большой высоты, имели толстые, мягкие, большие листья, обладали слабой корневой системой. Годовые кольца у них отсутствовали. Несомненно, что они произрастали в условиях теплого, влажного и равномерного климата. Примерно такой же климат был в юрский период и в начале третичного.

Вместе с тем значительные количества растительного материала накапливаются в современных торфяниках в районах умеренно-холодного климата. Это показывает, что и в прошлые геологические периоды примерно в таких же климатических условиях могло происходить накопление торфа – исходного материала для образования угля.

Рельеф поверхности. Важным фактором для углеобразования является характер рельефа поверхности, от которого зависят условия произрастания растений и накопления их остатков. Накопление значительных количеств растительных остатков возможно только в областях пониженного рельефа, с заболоченными площадями, подобных современным торфяникам. Кроме того, равнинно-низменный рельеф, особенно в прибрежно-морских условиях, благоприятствовал существованию равномерного и влажного климата, а тем самым способствовал усиленному произрастанию и общему расцвету растительного мира.

Автохтонное накопление. Основная масса материнского вещества угля в форме растительных остатков накапливалась на месте произрастания растений. Такой вид накопления называется автохтонным. Наглядное представление об условиях автохтонного накопления дают современные торфяники. Торфяные болота образуются в результате зарастания наземными и водными растениями различных водоемов со стоячей или малоподвижной водой (болот, озер, заливов и лагун морей и океанов). В застойных водах при недостатке кислорода растительный материал предохраняется от полного окисления и, кроме того, в них слабо развиваются микроорганизмы, разрушающие растения.

Наиболее благоприятными для развития наземно-водных растений и накопления их остатков являются низинные болота, питающиеся грунтовыми водами, богатыми минеральными солями. При этом особенно большое значение для углеобразования имеют болота – топи, в которых уровень грунтовых вод всегда стоит несколько выше торфяного слоя. В зарастании водоемов озерно-болотной растительностью существует закономерная последовательность. В прибрежной – самой мелководной – части произрастает осока, с увеличением глубины начинают преобладать тростники, затем камыши, а глубже 3–4 м образуется подводная зона из кувшинок и водяных лилий. На открытой поверхности водоемов в большом количестве развивается так называемый «планктон», состоящий из свободно плавающих микроводорослей. Из остатков болотной травяной растительности впоследствии и образуется торф – осоковый, тростниковый, камышовый. Планктон же микроводорослей при отмирании падает на дно и, смешиваясь с глинистыми частицами, образует сапропель – гнилостный ил.

В дальнейшем на поверхности заросшего торфяного болота развиваются мхи, способные существовать за счет влаги атмосферных осадков, затем с берегов начинает продвижение травянистая, а за ней и древесная растительность (ольха, береза).

Большинство современных торфяников образуется на континентах с умеренно-холодным и относительно влажным климатом. В прошлые геологические периоды накопление остатков растительности происходило главным образом в огромных приморских лагунах и заливах в условиях более теплого и влажного морского климата. Однако аналогичные условия, хотя и в меньших масштабах, имеются и в настоящее время. Примером может служить огромный торфяник «Гиблое болото» в Северной Америке, расположенный на берегу Атлантического океана. Здесь исходным материалом для образования торфа является древесная растительность (кипарисы, тополи, кедры), приспособленная к жизни в болотных условиях.

Известное представление о торфяниках, образующихся в условиях жаркого климата, дают современные мангровые болота морского побережья Индии и Цейлона, где накапливается большое количество растительного материала и органического ила.

Большинство угольных месторождений имеет автохтонное происхождение. Угли автохтонного происхождения обладают некоторыми особыми признаками, главные из которых следующие:

• Наличие корневых остатков в почве угольных пластов. Часто в глинистой почве угольных пластов наблюдаются остатки и обрывки корешков растений (стигмарии). У донецких шахтеров такие слои получили специальное название «кучерявчик».
• Почвы с обуглившимися пнями деревьев.
• Вертикально стоящие пни иногда встречаются в большом количестве при разработке угольных пластов, представляя собой как бы остатки ископаемого леса.
• Боковые корневые побеги. Некоторые растения (тростники, хвощи), поднимаясь все выше и выше по мере роста торфяника, дают дополнительные корневые побеги, которые и встречаются в углях.
• Известковые почки. Под этим названием понимаются конкреции, чаще всего округлой формы, по своему химическому составу близкие к доломиту. В этих конкрециях нередко находят минерализованные остатки растений совершенной сохранности, что исключает возможность их переноса. Чистота угля, т. е. незначительное содержание в нем золы, также является одним из признаков его автохтонного образования, так как при переносе растительных остатков текучими водами последние всегда несут и песчано-глинистый материал, который дает повышенную зольность угля.
• Постоянная мощность угольных пластов на больших протяжениях. Очень часто пласты каменных углей расположены на площадях в сотни и даже тысячи квадратных километров при небольших колебаниях в их мощности. Это возможно только при условии их образования на месте произрастания растительности, так как только в таком случае можно допустить равномерное накопление огромных масс растительных остатков.

Аллохтонное накопление. Часть угольных месторождений образовалась в результате переноса и переотложения растительного материала текучими водами. Реки часто переносят на большие расстояния стволы деревьев и другой растительный материал, который на участках с замедленным течением, в заводях, широких устьях, дельтах задерживается и, оседая на дно, может давать значительные накопления.

Рис. 7.5. Ландшафт продуктивной эпохи каменноугольного периода

Таблица 7.1. Важнейшие показатели бурого и каменного углей

Показатели	Буры й уголь	Каменны й уголь
Цвет	Бурый , реж е черный	Черный
Черта	Бурая	Черная
Блеск	Матовый , иногд а блестящий	Блестящий , иногд а матовый
Плотность	Меньше	Больше
Окрашивани е КОН	Желтое	Н е окрашивает
Окрашивание разбавленно й НNО 3	О т ярко-желтог о д о красно- бурого	Н е окрашивает

Признаки образования угольных месторождений аллохтонным способом в общем противоположны признакам их возникновения автохтонным способом. Кроме того, для угольных пластов, образовавшихся аллохтонным способом, весьма характерно расщепление на несколько выклинивающихся пачек.

Изменение растительных остатков. Образование торфа, бурых углей, сапропелитов, липтобиолитов. На открытом воздухе растительность после отмирания подвергается медленному окислению или тлению. При тлении образуются газообразные продукты (СО2), вода и небольшое количество золы. При ограниченном доступе кислорода растительность полностью не разлагается и возникает так называемый перегной. Изменение же растительных остатков с образованием торфа может происходить только в относительно более глубоких частях водоемов без доступа кислорода воздуха. Здесь в разложении остатков основная роль принадлежит микроорганизмам, так называемым анаэробным бактериям, способным существовать в безвоздушной среде. Таким образом, процесс формирования торфа по существу биохимический и представляет собой медленное и постепенное окисление за счет кислорода самого растительного материала. При этом кислород стремится перейти в СО2, а водород в СН4.

С разложением растительных тканей под водой всегда связано образование органических гуминовых кислот, а сам процесс разложения носит общее название гумификации.Образовавшиеся из торфа угли принято называть гумитами,или гумусовыми углями. После образования над торфяником минеральной кровли биохимические процессы постепенно замедляются и начинаются дегидратация торфа (потеря воды), его уплотнение и уменьшение количества гуминовых кислот. Изменение элементного состава органической массы сводится в основном к уменьшению процентного содержания кислорода и увеличению доли углерода. В совокупности все эти факторы и определяют постепенный переход торфа в бурый уголь.

Бурый уголь, который еще сохранил ясное строение древесины, называется лигнитом, являющимся как бы промежуточным образованием между торфом и бурым углем. В особые группы выделяются так называемые липтобиолиты и сапропелиты – угли, по исходному веществу и условиям образования отличные от гумусовых углей.

К липтобиолитам относят угли, состоящие из остатков наиболее устойчивых частей высших растений – спор, смолы, кутикулы (кожицы), пробковой ткани коры. Они могут накапливаться на месте полного разложения менее устойчивых частей растений, образуя самостоятельные прослои липтобиолитов среди бурых или каменных углей. В других случаях – при размыве торфяника – наиболее устойчивые части растительной массы, переносимой водой, отлагаются в пониженных местах рельефа и могут образовать слой липтобиолитов. Именно так, например, образуются скопления споровых, или «бумажных» (состоящих из обрывков кутикулы), углей.

На дне водоемов со стоячей и малоподвижной водой, как уже было указано, накапливаются остатки низших водорослей и планктон животных микроорганизмов. Разлагаясь, они преобразуются в бесструктурную студнеобразную массу – сапропель, или гнилостный ил. При этом белки и жиры, которыми богаты низшие организмы, превращаются в жирные кислоты – битумы, почему и сам процесс называют битуминизацией. Сапропель является главным исходным материалом для сапропелевых углей – сапропе3 литов – и горючих битуминозных сланцев.

Собственно сапропелиты отличаются тонкозернистым строением, вязкостью, раковистым изломом и состоят из скоплений хорошо сохранившихся микроскопических водорослей, сцементированных бурой основной массой. Содержание золы в них не превышает 40%. Такие сапропелиты носят общее название богхедов. Они всегда содержат какую-то часть примеси гумуса; в зависимости от его количества образуются переходные типы углей между сапропелевыми и гумусовыми, которые соответственно называют полубогхеды, кеннель-богхеды и т. д. К сапропелитам относят также горючие сланцы, обычно содержащие свыше 40% золы.

Переход бурых углей в каменные. Образование каменных углей происходит в результате воздействия высокой температуры и давления. Нижележащие пласты имеют более высокую степень метаморфизма, чем пласты, залегающие выше, когда они медленно погружаются в глубинные зоны земной коры.

При региональном метаморфизме угольные пласты, которые образовались первыми, испытывают большее давление и воздействие высокой температуры, чем пласты, залегающие выше. Поэтому ранние по возрасту угольные пласты в одном и том же бассейне обычно оказываются наиболее метаморфизованными.

Контактовый метаморфизм обусловливается тепловым и химическим воздействием магматических пород, внедрившихся в угленосную толщу. В результате бурые угли могут превращаться в каменные угли, антрациты, а иногда в естественные коксы или даже графиты (например, таково происхождение их тунгусских месторождений). Метаморфизм является причиной изменения физических и химических свойств угля: уменьшаются влажность и количество летучих составных частей органической массы, закономерно уменьшается количество кислорода, а содержание углерода возрастает, в связи с чем такой процесс изменения углей называется уг3 лефикацией. Угли приобретают черный цвет, блеск и большую плотность. При дальнейшей углефикации каменные угли переходят в тощие, а затем в антрациты.

Свойства и отличительные признаки углей. Важнейшие свойства и отличительные признаки бурого и каменного углей сравниваются в табл. 7.1, а также описываются ниже.

Плотность. Обусловлена главным образом степенью углефикации и зольностью; для бурых углей она составляет 800–1250, каменных углей – 1260–1330 и антрацитов – 1350–1500 (кг/м 3).

Твердость. Увеличивается с повышением степени углефикации и определяется по шкале Мооса в пределах от 1 до 3.

Рис. 7.6. Элементный состав древесины, торфа и углей, %

Хрупкость. Определяется по степени сопротивления раздавливанию, истиранию и удару. Наиболее хрупкими являются угли фюзенового типа, далее следуют витреновые и клареновые, а наиболее стойкие – дюреновые угли.

Цвет. Бурые угли имеют бурый цвет и на фарфоровой пластинке оставляют бурую черту, так же как и сапропелиты. Каменные угли и антрациты имеют черный цвет и оставляют такую же черту на фарфоровой пластинке.

Блеск. Характер блеска углей зависит от их петрографического состава, степени углефикации и зольности. Стеклянный блеск наблюдается у витрена, жирный – у кларена, шелковый – у фюзена; к матовым относятся дюреновые угли. Антрацит, представляющий собой уголь высшей степени углефикации, обладает сильным блеском с металлическим оттенком.

Излом. По характеру поверхности, которая получается при разломе угля, различают неровный, занозистый, волокнистый, раковистый изломы.

Включения в угле. Чаще всего в углях содержатся скопления новоотложенных минералов (кальцит, кварц, соединения железа), заполняющие открытые трещины в них; разнообразные посторонние примеси – валуны, галька, песок или прослойки песчаников; скопления глинистых минералов, занесенные в торфяники еще в период их образования; доломитовые или известняковые почки, образовавшиеся за счет отложения минеральных солей, растворенных в морской воде.

Элементный состав древесины, торфа и углей различной стадии метаморфизма приведен на рис. 7.6. Особое значение имеют примеси, адсорбируемые углями, например германия, урана и других редких элементов, в связи с чем все чаще зола таких углей, да и сами угли рассматриваются как сырье для получения этих элементов.

Естественная классификация ископаемых углей. В основу естественной классификации углей положены состав исходного материала, из которого они образовывались, и процессы изменения этого материала в природных условиях, обнаруживаемые в результате химических и петрографических исследований. Схематически эта классификация выглядит так:

Класс 1. Гумусовые угли. Образовались из торфа, в основном за счет легко разлагающихся частей высших растений (целлюлоза, древесина, лигнин): лигниты; бурые угли; каменные угли; антрациты; углистые сланцы.

Класс 2. Липтобиолиты. Образовались только из наиболее устойчивых частей высших растений (оболочка спор, смолы, кожица кутикулы). Внутри класса делятся по преобладанию исходного материала: споровые угли; смоляные угли; кутикуловые угли.

Класс 3. Сапропелиты. Образовались из остатков низших организмов (водоросли, планктон). Делятся только по зольности; кроме того, в особый подкласс выделяют богхеды, в которых низшие водоросли не сохранились от разложения и превращены в бесструктурную массу (сапроколлиты): богхеды; сапроколлиты; горючие сланцы.