Углефикация и метаморфизм углей Южной Якутии

Из существующих, обобщающих работ по метаморфизму углей остановимся сначала на работе А. Б. Травина «К вопросу о метаморфизме ископаемых углей».

На основании обзора значительного литературного материала и главным образом на основании высказываний Ю.А. Жемчужникова, В.Б. Порфирьева и личных наблюдений А.Б. Травин пришел к выводу, что «процесс углефикации носит неравномерный характер». Этот процесс развивается в углях с различной скоростью и интенсивностью, обусловленными характером исходного растительного вещества, условиями его накопления и последующими превращениями. Такие скачки неравномерного превращения углей уже давно установлены и общеизвестны на границах перехода: торфа — в бурый уголь, бурого угля — в каменный уголь, каменного угля — в угли тощие и ографиченные.

В связи с этими резкими изменениями в свойствах углей углефикация А.Б. Травиным разбивается на фазы: 1 — первичную, или торфяную; 2 — диагенетическую, в свою очередь расчленяющуюся на более раннюю, буроугольную, и более позднюю, каменноугольную, стадии; 3 — метаморфическую фазу углефикации, обнимающую тощие угли и графиты (рис. 103).

Весь процесс углефикации, таким образом, рассматривается им как единый процесс накопления углерода в исходном веществе углей, происходящий по закону непрерывно-прерывистого развития.

Биохимические процессы, согласно этому представлению, имеют превалирующее развитие только в первичную, торфяную стадию углефикации. Эта стадия углефикации в зависимости от обстановок накопления исходного растительного вещества и развивающихся биохимических процессов сводится к гумификации, витренизации или фюзенизации угольного вещества.

С буроугольной стадией углефикации связано значительное уплотнение вещества угля, дегидратизация его и развитие коллоидного старения. В период диагенетической и метаморфической углефикации в углях развиваются уже преимущественно физико-химические процессы.

В каменноугольную стадию происходят дальнейшее уплотнение, дегидратизация и декарбоксилирование угольного вещества, придающие ему характер каменных углей, обладающих свойствами марок Д—Г—ПЖ—К—ПС. Более высокая метаморфическая (по А.Б. Травину) углефикация ведет к образованию тощих углей и антрацитов, а в конечной своей стадии обусловливает переход угольного вещества в графиты.

Эта довольно закономерная картина перехода торфа в бурые угли, а затем в каменные угли и графиты не только подчеркивает непрерывнопрерывистое развитие процесса углефикации, но и хорошо увязывает виды образующегося топлива с физическими и химическими их свойствами, обусловленными сложным сочетанием влияния биохимических, химических и физических процессов (рис. 103).

Из изложенного следует, что «метаморфизм» в его привычном содержании нельзя отождествлять с более широким термином «углефикация». Углефикация обнимает более широкий процесс угленакопления и превращения исходного вещества. Метаморфизм же — это более узкий процесс, характеризующийся изменением в качестве и свойствах углей по мере их перехода из каменных углей в угли отощенные и графит.

Ю.А. Жемчужников в статье «Об углефикации и метаморфизме углей» возражает против признаваемого А.Б. Травиным непрерывного углеродонакопления, он считает, что обуглероживание — чисто химический термин и ни в коем случае не может быть отождествлен с углефика-цией, хотя при углефикации и происходит накопление углерода. С этой точки зрения отношение углефикации к обуглероживанию может быть только отношением части к целому. Однако это целое очень многообразно и с качественной стороны распадается на ряд неравнозначных процессов: образование фюзена, последовательное изменение гелифицированного вещества, образование кокса при контактовом метаморфизме, переход угля в графит и т. д. Таким образом, Ю.А. Жемчужников считал необходимым сохранить термин «углефикация» в прежнем, установленном еще З.В. Ергольской понимании, где углефикация несколько шире метаморфизма. Отсюда в понятие углефикации не может быть, по его представлению, включена графитизация, являющаяся процессом совершенно иного содержания. Бурые же угли также обычно не включаются в группу метаморфических образований.

Однако Ю.А. Жемчужников признал, что если все бурые угли образуются под влиянием метаморфизующих факторов, то для углей понятия углефикации и метаморфизма полностью совпадут, а степени углефикации и метаморфизма будут синонимами.

Как Ю.А. Жемчужников, так и А.Б. Травин процесс углефикации, протекающий после перекрытия торфяной залежи породами кровли, подразделяют на диагенетическую и метаморфическую фазы. Однако в понятия диагенеза и метаморфизма ими вкладываются неоднородные объемы и содержание (рис. 103).

Ю.А. Жемчужников под диагенетической фазой понимает лишь буроугольную стадию при переходе торфа в уголь, относя к метаморфизму все остальные изменения угольного вещества бурых углей до превращения их в каменные угли и антрациты.

А.Б. Травин на основании анализа данных по работам 3.В. Ергольской и Л.И. Сарбеевой и личных исследований приходит к выводу, что степень дифференцирован-ности угля на составляющие макрокомпоненты последовательно усиливается от бурых углей к коксовым. Угли становятся все более отчетливо полосчатыми, штриховатыми, линзовидными и т. п., т. е. петрографические составные части их делаются макроскопически все более явно различимыми. Эти представления, однако, противоречат наличию фактических данных, показывающих, что подавляющее число витренов в той или иной мере сохраняет признаки растительной ткани. Поэтому представление о концентрации витрена путем диффузии через органические и кристаллические решетки, что допускают некоторые авторы, требует доказательства.

Процесс диагенетических изменений, начавшись в стадии бурого угля, по А.Б. Травину, не затухает, а, наоборот, развивается далее в стадии каменных углей. Это выражается в дальнейшей дифференциации, например, петрографического состава углей, которая все время возрастает и только с углей марки ПС начинает слегка понижаться. У тощих же углей она быстро убывает, а у донецких, например, антрацитов уголь становится уже почти однородным.

Последовательно сопоставляя основные физические и химические свойства, характерные для углей марок от Д до ПС и Т, Травин обращает внимание на резкое скачкообразное изменение всех свойств углей на интервале ПС—Т: их цвета, цвета черты, упругости, трещиноватости, вязкости, блеска, удельного веса, выхода-летучих на горючую массу и т. д.

Опираясь на цифровые данные, заимствованные из работы Л.И. Сарбеевой, он построил графики, на которых наглядно иллюстрировал, что резкий перелом в изменении всех свойств угля, принадлежащего к одному и тому же типу, начинается не с 15, а с 17% выхода летучих (на горючую массу), что несколько заходит за пределы обычной градации, принятой для марок ПС—T (15—5%). Границу в 17% выхода летучих (на горючую массу) А.Б. Травин признает «более соответствующей действительности». Эта граница совпадает с наиболее резким скачком в непрерывно-прерывистом развитии материи. Остальные более мелкие скачки отражают промежуточные стадии углефикации.

Таким образом, можно считать общепризнанным, что углефикация начинается раньше, чем метаморфизм, охватывая все начальные стадии изменения угольного вещества. Процесс метаморфизма заканчивается позднее, чем углефикация, так как он включает и образование графита, который редставляет собой конечную стадию концентрации углерода, обнаруживая отчетливо выраженные свойства кристаллического строения. Ввиду этого последнюю, графитовую стадию изменения угольного вещества нерационально относить к углефикации, происходящей, как мы видели, только в пределах изменений свойств, характерных для углей (аморфная или стекловидная структура).

Изложенное показывает, что понятия «углефикация» и «метаморфизм», как отмечено уже выше, по данным Жемчужникова и Травина, можно считать полностью тождественными на интервале между бурыми углями и углями отощенными (Д—ПC).

Схема образования углей по И.И. Аммосову ближе всего напоминает схему Ю.А. Жемчужникова. Подобно последнему он включает в стадию углеобразования весь цикл изменений угольного вещества: торф — бурый уголь — каменный уголь до антрацита включительно.

За исходный материал им принимаются лигнин, целлюлоза, протеин, жиры и водоросли. По условиям накопления И.И. Аммосов различает пять групп. Лигнин в смеси с целлюлозой и протеином образует первые три группы — высокозольных гумусовых торфов, малозольных торфов и смешанных гумусово-сапропелевых образований. В последних частично уже присутствуют животные жиры и водоросли. Остальные две группы образованы чистыми сапропелями и высокозольными сапропелями. Процесс торфонакопления сопровождается выделением газов.

Рассматривая условия превращения органического материала в торфяной стадии, И.И. Аммосов обращает особое внимание на степень обводненности торфяника и на химический характер среды превращения. Степень обподненности среды обусловливает превращение исходного материала (степень разложения). И витрен, и фюзен образуются из тождественного исходного материала, но в различных по степени обводненности условиях его превращения.

Таким образом, степень обводненности среды существенно влияет на петрографический состав и свойства образующихся углей.

И.И. Аммосов считает также, что минеральные вещества, приносившиеся в торфяник, как катализаторы, существенно влияют на процесс превращения органического вещества углей или вступают с органическим веществом в химические реакции. Здесь могут развиваться восстановительные процессы или процессы образования гуматов железа и кальция. В конечный этап превращения в буроугольной стадии развиваются процессы диагенеза — они приводят к образованию плотных, землистых и битуминозных бурых углей. Таким образом, изменения органического вещества, обусловленные химическим характером среды, и сложные изменения, происходящие под влиянием бактериальных процессов, совершающиеся с заметным выделением газов, составляют завершающую фазу формирования бурых углей.

С.Н. Тюремнов на основании специальных исследований торфяников пришел к выводу, что торфообразование — это биохимический процесс, осуществляемый микроорганизмами в аэробных условиях в поверхностных частях залежи и затухающий при затоплении разлагающейся растительной массы грунтовыми водами. Слой, где наиболее интенсивно протекает процесс торфообразования, получил название «торфогенного слоя». Последний колеблется по мощности всего только от 0.3 до 0.5 м в «верховых» залежах и от 0.05 до 0.1 м в «низинных».

Преимущественно в этом слое происходит интенсивное разрушение тканей микроорганизмами. Достигнутая при этом степень распада сохраняется после погребения слоя.

В дальнейшем по схеме И.И. Аммосова развивается процесс метаморфизма углей. Он имеет стадийный характер и происходит под влиянием особых метаморфизукщих факторов, объединяемых понятиями регионального, контактового метаморфизма и динамометаморфизма.

Из диаграммы И.И. Аммосова, таким образом, следует, что каждый; из показателей, характеризующих состав и свойства углей, зависит от суммарного наложения нескольких факторов. Так, спекаемость углей зависит: 1) от исходного вещества; 2) от состава и количества минеральных веществ, обусловленных условиями накопления углей; 3) от соотношения компонентов группы витрена и фюзена, зависящих от степени обводненности среды, в которой происходило разложение органического материала торфяника; 4) от характера этой среды и, наконец, 5) от геологических факторов, развивающихся позднее. «Зависимость состава и свойств углей от геологических факторов очень велика. Суммарная зависимость от исходного материала, условий накопления, обводненности среды, химического характера среды и постдиагенетических изменений обусловливают в конечном итоге зольность, распределение минеральных веществ, содержание углерода, содержание водорода, спекаемость, выход летучих, выход дегтя, удельный вес, теплотворную способность, характер трещиноватости и растворимость углей в растворителях (рис. 103).

И.И. Аммосов различает девять стадий метаморфизма для каменных углей. Эти стадии формируются последовательно под влиянием геологических факторов метаморфизма, что сопровождается обильным выделением газов. Схема И.И. Аммосова завершается антрацитами.

Таким образом, ни спекаемость, ни содержание битумов, ни выход дегтя при полукоксовании и т. д. не являются свойствами, предопределенными какими-то неизменными особенностями углей.

Все эти свойства зарождаются и развиваются, проявляются и исчезают в процессе изменения исходного материала углей, превращения его в торфяной и буроугольной стадиях, а особенно под влиянием метаморфизма.

Все эти явления и изменения связаны одно с другим и обусловливают друг друга.

Ограничившись лишь этим изложением наиболее широко принятых представлений об объеме и содержании понятия «метаморфизм», мы перейдем к определению возможной роли каждого из факторов метаморфизма в отдельности.