Первичные и вторичные факторы метаморфизма углей Южной Якутии

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Первичные и вторичные факторы метаморфизма углей Южной Якутии

07.09.2020

Выполненный выше разбор общепринятых схем метаморфизма отчетливо показал, что этот процесс очень сложен, многообразен в своей сущности, развивается длительно и стадийно, с той или иной интенсивностью.

Развитие метаморфизма подчинено ряду факторов, из которых одни имеют первичный, исходный характер, а другие вторичный. Влияние вторичных факторов сказывается уже на веществе угля, измененном в первом этапе.

В число первичных факторов принято относить исходный растительный и животный материал, условия его накопления в той или иной степени обводнения, химический характер той среды, где происходят превращения исходной материи путем сложных биохимических и физико-химических процессов. В разряд вторичных факторов метаморфизма входят давление, температура, время.

Отмершая, измельченная масса растений в благоприятных геоморфологических и климатических условиях образует значительные скопления или первичные торфяники. В составе последних, помимо наземных растительных тканей, иногда могут заметную роль играть и остатки водорослей или жировых тканей животного происхождения.

В зависимости от состава исходного растительного и жирового материала и в зависимости от степени обводненности и климатического режима среды скоплений развиваются многообразные биохимические и физикохимические процессы, под влиянием которых формируются бурые, а частично переходные к каменным угли низших степеней метаморфизма. Отсюда становится очевидным, что петрографический состав углей и их химические свойства в той или иной мере являются производными первичного материала, условий его накопления и разложения.

На первых этапах метаморфизма влияние исходного материала, условий его накопления и разложения сказывается особенно отчетливо. Так, аэробная, окислительная среда является благоприятной для фюзенизации растительных тканей и усиления накопления углерода; анаэробная, восстановительная среда способствует их гелификации. Состав и характер первичной растительности определяет в дальнейшем количество и качественное различие содержащихся в угле форменных элементов кутикулы спор, смол, восков и т. д. Однако форменные элементы не всегда достаточно хорошо наблюдаются. В коксовых углях фрагменты водорослей уже заметно теряют свою оптическую индивидуальность и, вероятно, меньше сказываются на химизме угля. Споры и кутикула являются более устойчивыми, они дольше распознаются под микроскопом и дольше влияют на качественную характеристику углей.

Еще устойчивее сохраняют свои свойства фюзенизированные остатки Лигнино-целлюлозных тканей. Они микроскопически распознаются практически в углях всех марок вплоть до антрацитов. Таким образом, в ходе развития процесса метаморфизма разница, зависящая от первичного состава растительного материала и условий его первичного изменения, сказывается все слабее и слабее.

Из других первичных факторов следует подчеркнуть существенное значение минерализованных растворов и кластических примесей, наблюдаемых в угле. Они в конечном итоге оказывают достаточно заметное влияние на спекающие свойства углей и на их теплотворную способность. Таким образом, под воздействием первичных факторов метаморфизма исходное вещество углей приобретает новые свойства и качества, которые резко отличают его от исходного материала. Эта первая стадия протекает под влиянием комплекса биохимических процессов, приводящих к преобразованию сложных органических соединений.

С момента перекрытия первичной залежи породами кровли под воздействием постепенно нарастающего влияния вторичных факторов метаморфизма — давления, температуры и времени — свойства угольной массы резко изменяются: угольная масса приобретает новые качества, становится более устойчивой к влиянию внешних агентов (окисления и выветривания) и, постепенно теряя летучие, обогащается углеродом.

С перекрытием угольной залежи кровлей условия действия биохимических процессов резко спадают. В угольной массе развивается комплекс геохимических реакций, обусловливающих молекулярную перестройку вещества угля. Последнее приводит к большему диагенетическому ее уплотнению: коллоидному старению, полимеризации, конденсации. Все это сопровождается быстро нарастающими явлениями обезвоживания и ухудшением условий, благоприятных для жизнедеятельности бактерий. Процессы изменения органического вещества в период перекрытия первичной залежи породами кровли подразделяются на две существенно различные стадии: стадию бурых углей и стадию каменных углей. Весь путь изменений органического вещества от торфа до бурых углей и каменных углей протекает следующим образом. В начальной стадии изменения исходного органического вещества происходит видоизменение его в смесь гуминовых и жирных кислот. При переходе скоплений в стадию бурых углей углеводы полностью исчезают, и есть основания предполагать, что часть углеводов биохимическими факторами перерабатывается в жирные кислоты. Ho при этом морфологически ткань может еще сохранить следы своей первоначальной структуры. Дальнейшее превращение угольного вещества происходит путем декарбоксилирования гуминовых и жирных кислот, что приводит к резкому повышению процентного содержания углерода в каменных углях. В природных условиях это происходит под влиянием биохимических и термических воздействий.

Влияние вторичных факторов неравноценно. Наибольшее значение принадлежит, как общепризнано, температурному фактору.

За давлением многие исследователи, в том числе и значительное число, химиков, склонны признавать только вспомогательную роль фактора, который стимулирует течение определенных процессов, но отнюдь не обусловливает их.

Так, процессы коллоидального старения и обезвоживания в торфяной и буроугольной стадиях, по-видимому, протекают без влияния давления. На коагуляцию гуминовых веществ оно, очевидно, не оказывает большого влияния.

Процессы полимеризации и декарбоксилирования жирных и гуминовых кислот не обусловливаются только повышенным давлением, но требуют еще и соответственного теплового режима.

Однако многочисленные факты геологических наблюдений показывают, что давление является одним из обязательных факторов при развитии процесса метаморфизма углей.

Давление возникает совершенно естественно в толще пород осадочного комплекса под влиянием постепенно возрастающей нагрузки вышележащих слоев, при достаточно низких температурах. Повышенное давление в осадочном комплексе развивается при процессе тектогенеза, предваряя складкообразование и разрывную деформацию пород. В последнем случае оно приобретает активное значение только при развитии обусловленной им высокой температуры.

В начальные стадии метаморфизма давление играет, по-видимому, роль аккумулирующего фактора, частично затрудняя удаление летучих; и газообразных продуктов. Впоследствии роль давления повышается, так как наличие давления, вероятно, необходимо для перехода угля в ту или иную стадию метаморфизма.

Давление оказывает заметное влияние на уплотнение структуры углей. Степень физического изменения, ассоциирующегося с коллоидальным уплотнением под действием силы сжатия, установлена Далханти при изучении коллоидной природы углей. Исследование показало, что при данной силе давления уплотнение породы протекает да тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между силой сжатия и внутренним давлением адсорбированной воды. Этим объясняется, что развивающееся коллоидальное уплотнение при постоянной температуре зависит от постепенного возрастания силы сжатия.

Давление начинает приобретать еще большее значение в стадии повышенной карбонизации углей, когда ему, по-видимому, принадлежит роль фактора, облегчающего рост кристаллизации.

Особое значение давления выявляется при вызванном им трении. В этом случае возникают значительные температуры, которые и вызывают совместно с давлением изменение качества углей.

Температурный фактор принадлежит к наиболее признаваемым факторам метаморфизма. Степень его воздействия усиливается при переходе ко все более и более высоким степеням метаморфизма.

Тепло содействует развитию процессов химического изменения угля. Оно способствует как ароматизации, так и полимеризации угольного вещества, и эти процессы протекают с выделением газообразных продуктов.

Влияние теплоты является при этом главным метаморфизующим фактором, однако остается еще неустановленным отношение между степенью изменений и температурой.

Температура как бы облегчает и ускоряет развитие химических изменений при метаморфизме. Ho это ускорение наблюдается только до некоторого критического предела, выше которого наступает термальное разложение вещества угля вместо его углефикации.

Геологическое значение температурного фактора сказывается отчетливее всего там, где уголь непосредственно подвергается нагреву под влиянием контактового метаморфизма, т. е. при воздействии магматических очагов. Однако в этом случае процесс изменения углей идет иначе и более сходен с коксованием.

Вопрос влияния времени на развитие метаморфизма является наиболее сложным и дискуссионным.

Считается несомненным, что длительность геологического воздействия должна способствовать протеканию процессов, совершающихся при минимальных, предельных значениях температуры и давления.

Давление и температура в различных сочетаниях с фактором времени составляют так называемые основные геологические факторы метаморфизма углей. Эти геологические факторы действуют после перекрытия органической массы торфяника породами кровли. Действие их протекает обычно очень медленно и длительно. Они оказывают коренные, очень сильные метаморфизующие воздействия на вещество угля, обусловливая потерю им влажности и летучих и постепенное повышение процентного содержания углерода. Повышение содержания углерода является следствием удаления газов метаморфизма.

По своему характеру и интенсивности воздействия различают следующие разновидности метаморфизма:

1) статический метаморфизм — метаморфизм статической нагрузки, обусловленный весом перекрывающих угольный пласт пород кровли и всей восходящей стратиграфической колонны отложений;

2) региональный метаморфизм — характерный для геосинклинальных структур и обусловленный суммарным воздействием высокого внутреннего напряжения (стресса) и повышенной температуры, развиваемых в процессе погружения угленосной толщи в определенные зоны метаморфизма;

3) контактовый метаморфизм — возникающий в виде термического воздействия интрузивных и эффузивных масс при непосредственном соприкосновении их с угленосным комплексом и пластами углей;

4) термальный метаморфизм (но не контактовый) — метаморфизм органической массы угля, развивающийся под влиянием прогрева крупными массами интрузивных пород, находящихся за пределами угленосного комплекса;

5) динамометаморфизм — метаморфическое изменение органической массы угля под влиянием уплотнения, развивающегося в результате интенсивных напряжений, вызываемых при разрывных дислокациях или при складчатости;

6) фрикцио-мобильный метаморфизм, или фрикциометаморфизм, — метаморфизм органической массы угля, развивающийся при переходе упругой деформации пород в пластическое послойное движение, связанное с трением (по В.В. Мокринскому);

7) метаморфизм спонтанных реакций — развивающийся под влиянием течения спонтанных химических реакций (признаваемый химиками).

Статический метаморфизм, обусловленный размерами нагрузки вышележащих пород, может проявляться в чистом виде, очевидно, только в первую, наиболее тектонически спокойную стадию, при сравнительно низких температурах. Необходимая минимальная температура при этом, по-видимому, лежит в пределах не выше 200°, а вероятнее всего ближе к 100°.

Вес осадков, отложившихся над угольным пластом, составляет вертикальную силу сжатия. При этом, естественно, наблюдается значительное уменьшение мощности первоначального пласта за счет уменьшения объема угольного вещества.

Уменьшение объема угольного вещества происходит путем уплотнения частиц растительного материала: вследствие полимеризации молекул. Превращение первичной залежи органического вещества в бурый, а далее в каменный уголь связано поэтому со значительным сокращением первоначальной мощности. Образовавшийся пласт угля всегда представляет лишь небольшую ее часть.

Если воды, находящиеся в угольном пласте, сообщаются с водами вышележащих слоев, развивается гидравлическое давление. Как гидравлическое, так и артезианское давление, в случае, если оно существует, действуют в сторону снижения веса пород. Вес пород уменьшается на величину, равную весу воды, вытесняемой этими породами.

Для целей подсчета величин давлений Далханти приводит следующие цифры: для силы сжатия 2.06 кг на 1 см2, для гидравлического давления 0.407 кг на 1 см2 на каждый метр мощности породы.

При корреляции свойств угольных пластов, обусловленных статическим метаморфизмом, должна быть, конечно, учтена толща пород, уничтоженных денудацией и другими- причинами.

Метаморфизующее влияние со стороны статического давления большинством геологов не учитывается и, по существу, отрицается. Незначительная часть геологов ориентированному, статическому давлению приписывает лишь незначительную роль, истолковывая ее только как фактор» обусловливающий некоторое повышение температуры.

К статическому метаморфизму необходимо относить и так называемое Оправило Хильта».

Хильт в 1873 г., исследуя угли бассейна в Саарбрюкене, показал, что отношение «нелетучего углерода» к летучим веществам возрастает с глубиной. В данное время правило Хильта понимают так, что выход летучих в угольных пластах уменьшается с увеличением глубины.

Правило это применимо, однако, к угольным пластам, рассматриваемым в любой точке только в их естественной, вертикальной последовательности.

Правило Хильта не дает объяснений для истолкования регионального изменения выхода летучих.

Таким образом, в своей сущности правило Хильта состоит в том, что степень метаморфизма определяется нагрузкой (статический метаморфизм), имевшей место до того, как угольные пласты подверглись дополнительному влиянию тектонических сил или температур. Отклонение от правила Хильта в различных пластах является следствием первичного различия в исходном материале и поэтому не имеет прямого отношения к общей тенденции закономерного изменения. Хотя изложенное и обнаруживает, что необходимой ясности в вопросе о значении статического метаморфизма еще не существует, но несомненно то, что этот вид метаморфизма оказывает вполне реальное влияние на изменение качества углей.

Региональный метаморфизм, или метаморфизм «глубинный», отражает основную геологическую причину данного явления — погружение угленосной толщи на значительную глубину, в соответствующую зону метаморфизма. Этот вид метаморфизма свойствен главным образом геосинклинальным прогибам, где метаморфизм обусловлен высоким внутренним напряжением (стрессом) и повышенной температурой. Из всех показателей количественной оценки степени метаморфизма угля наибольшее значение и распространение придают выходу летучих, а также различиям в макро- и микропетрографических признаках, значению коэффициента преломления гелифицированного вещества и т. д.

Несмотря на общее признание геологами влияния регионального метаморфизма на изменение химических и физических свойств угля и вмещающих их пород, существует ряд высказываний, отвергающих основные положения этого вида метаморфизма.

Однако последнее совершенно не согласуется с данными А.Т. Донабедова, установившего, что угли бурые, длиннопламенные и газовые встречаются в породах со средней плотностью вмещающих пород от 2.15 до 2.35. Уголь более высоких степеней углефикации, в пределах марок ПЖ, К и ПС, встречается в породах со средней плотностью вмещающих пород 2.35—2.6. Наконец, угли марки T и антрациты встречаются в породах с плотностью от 2.6 до 2.75.

По А.Т. Донабедову, угленосные районы с высокой плотностью вмещающих пород, пониженной пористостью, высокой скоростью распространения упругих волн и высоким электрическим сопротивлением характеризуются углями с относительно высокой степенью метаморфизма, и наоборот.

Остается, однако, неясным, зависит ли региональный метаморфизм только от глубины погружения или он усиливается и дифференцируется под влиянием начавшейся складчатости при развитии явлений инверсии в геосинклинали.

При обсуждении вопроса о значении регионального метаморфизма должно быть учтено несомненно и влияние геотермического градиента.

Геотермический градиент вне зависимости от того, является ли он результатом давления вышележащих толщ или результатом излучения внутреннего тепла земли, создающегося в процессе радиации элементарного распада, или иных причин, представляет довольно внушительную постоянную величину, но различную для каждого бассейна и месторождения. Геотермический градиент возрастает с глубиной. Новейшие геофизические данные показывают, что величина геотермического градиента в геосинклинальных условиях и на платформах различна. В геосинклиналях она меньше, так как здесь тенденция постоянного погружения встречает, очевидно, меньшее сопротивление, чем на платформах, где действует направленное давление подъема. Геотермический градиент может иметь роль регионального фактора при метаморфизме углей. Некоторые химики, как указывалось выше, не находят ясных признаков того, что угли Донецкого бассейна испытывали в прошлом температуру 300° и выше. Ho фактические данные, почерпнутые из реальных замеров геотермического градиента, показывают, что при градиенте 1° на 20—25 м, который наблюдается в Донбассе, погружение угля на 5—6 км создаст температуру не менее 300°. При погружении пласта угля на 12 км и глубже температура может достигнуть 500—600°, т. е. величины, теоретически достаточной для образования антрацитов.

Широкие изменения значения геотермического градиента являются, по-видимому, характерными для различных условий, существующих в том или ином бассейне. Это делает весьма вероятным то, что геотермические градиенты в различных местах значительно изменялись в течение геологического времени. Во всяком случае выяснение как хронологического, так и географического изменения геотермического градиента представляется делом сложным, почему и рассчитать общий средний градиент для целей сопоставления температуры с глубиной захоронения угольных пластов в различных бассейнах очень трудно.

Наконец, радиоактивность определенных минеральных примесей также, очевидно, может при достаточно длительном воздействии значительно ускорять метаморфическое изменение вещества углей.

Однако несомненно, что радиоактивное излучение для метаморфизма углей может иметь только весьма подчиненное значение.

Контактовый метаморфизм, т. е. метаморфизм, возникающий в углях в контакте с изверженной породой, является неоспоримым, часто наблюдаемым явлением. Этот метаморфизм, вообще говоря, может иметь только ограниченное распространение, поскольку, по наблюдениям у даек изверженных пород, изменение в угольном пласте при удалении от зоны контакта крайне быстро затухает. Уголь в контакте превращается обычно в кокс, а далее наблюдается повышенная степень метаморфизма угля, быстро, на протяжении нескольких метров, переходящая в нормальную, свойственную пласту степень метаморфизма.

Однако можно с уверенностью утверждать, что контактовый метаморфизм, обусловленный непосредственным воздействием изверженной породы на уголь, производит своеобразное воздействие, напоминающее коксование. Это воздействие имеет узко местное, локальное значение и не может быть источником видоизменения углей на большом расстоянии.

Динамометаморфизм обычно понимается как изменение органической массы углей под влиянием уплотнения в результате интенсивных дислокационных напряжений и подвижек. Большинство химиков полностью отрицает влияние давления на процесс обуглероживания углей.

Динамометаморфизм многими рассматривается как воздействие тектонических напряжений, действующих одновременно с вызванной ими температурой. При этом предполагается, что повышение содержания углерода и потеря летучих происходят во всех стадиях углефикации угля.

Однако далеко не всегда активное воздействие тектоники приводит к метаморфизму углей. Так, например, в Средней Азии сильно дислоцированные месторождения, содержат бурые угли. В Донецком бассейне изоволи пересекают линии разломов, и вдоль последних не наблюдается вон повышенной метаморфизации.

И.И. Молчанов, работавший в Прокопьевском районе Кузнецкого бассейна, отрицает прямое действие динамометаморфизма в чистом его виде. Однако он признает наличие дополнительного тектонического воздействия, повышающегося от замков антиклинальных к замкам синклинальных складок, от висячих тектоноблоков к лежачим (восточным) и в целом с запада на восток, к центру Кузнецкого бассейна.

Один из наиболее активных сторонников признания прямого влияния динамометаморфизма на изменение угольной массы, А.Б. Травин, на примерах, почерпнутых также из геологии Кузбасса, признает, что повышение степени метаморфизма произошло под влиянием бокового давления, которое угольные пласты испытали в одну из главных фаз складчатости. Складкообразование совершалось на большой глубине, под большим давлением. В такой обстановке развивались колоссальные динамические напряжения в веществе угля и создавался тепловой эффект, который приводил к повышению степени метаморфизма.

Таким образом, суммарное воздействие на уголь как со стороны регионального метаморфизма, так и со стороны динамотермального метаморфизма сказалось сильнее в синклинальных прогибах складок (сжатие) и усилило действие первого. Из сказанного очевидно, что степень метаморфизма органического вещества угля в изучаемом районе находится в тесной взаимной связи с пликативными и дизъюнктивными структурами и изменение ее подчинено закономерности, сохраняющей значение для всей угленосной площади.

А.Т. Донабедов путем сравнительного литологического метода исследования вмещающих пород установил, что степень метаморфизма углей находится в определенном соотношении с характером изменения физических свойств пород. Угли больше метаморфизованные сопровождаются породами большей плотности (2.6—2.75). Это показывает, что уплотнение пород под влиянием нагрузки вышележащих пород и давления возникает в результате тектонических причин, имеющих, таким образом, влияние на степень метаморфизма углей.

И.И. Горский отмечает: «В условиях Западно-Уральского бассейна можно видеть, что динамометаморфизм в чистом виде, при отсутствии контактового метаморфизма и при сравнительно невысокой и одинаковой степени регионального метаморфизма окраинной переходной зоны геосинклинали, не производит ощутимого влияния на марочный состав углей. В этих условиях влияние динамометаморфизма не может быть выделено и не поддается количественной оценке ... с другой стороны, в условиях не геосинклинального накопления осадков динамометаморфизм имеет существенное значение». Так, при большей сложности тектонических форм в северных месторождениях Восточной зоны (Елкино—Буланаш) наблюдаются и наиболее метаморфизованные угли. Здесь, говорит И.И. Горский, «намечается связь интенсивности тектонических процессов с повышением степени метаморфизма углей, имеющая не местное, но общее для Восточной зоны значение, и, таким образом, вырисовывается существенная, в данном случае, роль динамометаморфизма».

А.В. Липовская, занимавшаяся изучением пород антрацитового района Донбасса, пришла к выводу, что характерным признаком динамометаморфизма является превращение глин, отлагавшихся в каменноугольном бассейне, в глинистые сланцы и затем дальнейшая раскристаллизация, приближающая их к кристаллическим сланцам.

Она приводит целый ряд изменений вмещающих уголь пород: раскристаллизация цемента в песчаниках; хлоритизация пород; усиление химического выветривания полевых шпатов, серицитизация; каолинизация; карбонитизация; раздавленность зерен кварца и полевых шпатов; закономерное расположение чешуйчатых минералов перпендикулярно направлению давления и т. д. Все эти процессы нового минералообразования несомненно связаны с явлениями уже динамотермального метаморфизма.

Таким образом, динамометаморфизму отводится не вполне определенное место. Он рассматривается главным образом как дополнительный фактор по отношению к региональному метаморфизму, которому приписывается более эффективное значение.

Термальный метаморфизм в последнее время рассматривается как регионально выдержанный по площади прогрев угленосного комплекса и пластов углей интрузивными массами. В аспекте этого представления не исключена возможность переноса тепла термальными растворами и эманациями магмы, при одновременном действии этих растворов и эманаций как минерализаторов.

Сущность термального метаморфизма ближе всего, вероятно, может быть уяснена на примере уральских месторождений углей из зоны герцинских интрузий.

И.И. Горский отнес воздействие этих интрузий к проявлению контактового метаморфизма, поскольку резкое различие в качестве угля обязано действию дополнительного фактора, а этим фактором в данных условиях мог быть только контактовый метаморфизм.

Однако, подходя к определению масштаба рисуемого проявления, И.И. Горский говорит, что здесь имели влияние не единичные обособленные тела, вызывающие ограниченные ареалы контактового воздействия, а множественное проявление единого магматического очага, действие которого носило региональный характер. Это заставляет считать, что и здесь проявлялся термальный метаморфизм, понимаемый как метаморфизм органического вещества под влиянием подогрева крупных интрузивных масс.

А.Б. Травин, однако, справедливо считает, что в геосинклинальных бассейнах региональный метаморфизм нельзя отделять от динамотермального и ограничиваться лишь односторонним признанием одного из них. Они дополняют друг друга и проявляются тем резче, чем больше глубина геосинклинального погружения. Оба типа метаморфизма неотделимы друг от друга, так же как неотделимы друг от друга влияние температуры и давления, которые проявляются одновременно и не могут рассматриваться изолированно как самостоятельные факторы метаморфизма углей; кроме случая контактового прогрева.

Из изложенного видно, что вопрос о роли термального метаморфизма не разработан с необходимой полнотой. Большинством геологов еще смешиваются понятия «термальный» и «контактовый» метаморфизм. Однако существует ряд угольных месторождений, где вопрос о воздействии изверженных пород на угленосный комплекс не вызывает никаких уже сомнений. Эти месторождения должны стать объектами для дальнейших детальных исследований.

Фрикцио-мобильный метаморфизм, или фрикциометаморфизм, выделяется мной как особый вид динамометаморфизма, в котором решающая роль принадлежит трению, возникающему при послойных движениях, развивающихся в пластических породах в результате разрядки упругой деформации.

Общеизвестно, что трение, возникающее в трущихся частях машин, при их движении, может вызывать значительное повышение температуры, приводящее даже к «горению», например букс в вагонах железнодорожного транспорта, если произошло нарушение в их смазке. Резкое торможение вагонов движущегося поезда, как известно, приводит к трению колес о рельсы, что вызывает возникновение значительных температур, обусловливающих сгорание пылевидных частиц металла и песка (искрение).

Дж. Робертс сообщает, что Бовденом и его сотрудниками при опытах замера температуры, возникшей при трении, были получены температуры, превышающие 1000°. По Бовдену, когда одно твердое тело скользит по другому, большая часть работы, затраченной на преодоление трения, препятствующего движению, освобождается в виде тепла между поверхностями, хотя вся масса металла остается совсем холодной. Такое явление наблюдается в случае кратковременного трения, сосредоточенного в одной плоскости.

В природных условиях в породах при испытываемом ими большом давлении тектоническая деформация приводит к трению по многочисленным поверхностям. Это обусловливает заметное общее повышение температуры.

Дж. Робертс считает, что в породах, подвергшихся горообразующим процессам, создаются бесчисленные плоскости движений, на каждой из которых возникает тепло. Он подсчитал, что в юго-западной Англии на протяжении одной только линейной мили наблюдалось до 750 тысяч плоскостей кливажа, на которых были заметны следы трения. Каждая из этих плоскостей, как считает Робертс, при движениях складкообразования испытала повышение температуры, что могло значительно увеличить общую температуру пород. Такого же мнения придерживается и Троттер, который пишет, что при формировании складок развиваются дифференциальные движения вдоль бесчисленных плоскостей, в конечном итоге образуется «складка-взброс». Движение пород, в ней совершается без смазки и, естественно, сопровождается выделением теплоты трения.

Таким образом, вопрос о возникновении повышенных температур при тектонической деформации пород в естественных условиях не вызывает сомнений.

Законы механики свидетельствуют, что температура, развиваемая трущимися частями (телами), зависит: 1) от нагрузки, испытываемой телами; 2) от коэффициента трения, различного для разных тел; 3) от скорости их взаимного перемещения; 4) от их теплопроводности.

Обычно при возможности произвести замеры этих показателей теоретический подсчет согласуется с данными эксперимента.

Изучая метаморфизм углей Южного Уэльса, Дж. Робертс выделил особую зону: зону плавкости и текучести. В этой зоне раздробленный уголь становится снова плотным. Последнее обусловливается, по Робертсу, как карбонизацией, так и полуплавлением под влиянием интенсивного давления, сопровождающегося выделением заметной теплоты трения.

В подтверждение своих выводов Дж. Робертс ссылается на Догаллиера, который в районе Монблана наблюдал, как пластичность, развивавшаяся в антраците, позволила последнему внедриться во все трещины и щели прилегающих пород. При этом Дж. Робертс указывает, что при складкообразовании наиболее сопротивляющиеся породы, т. е. жесткие, образуют особый вид структуры («сотовой» по Маргери), напоминающей мелкие блоки смещения.

Температура образования перантрацита, определенная Д. Робертсом методом начального разложения, принимается в 680°.

Троттер в 1924 г. разработал теорию карбонизации для объяснения происхождения антрацита. Согласно этой теории, антрацит представляет собой естественный продукт низкотемпературной карбонизации, образующийся при температуре 500—550° из основного вещества блестящего угля-кларенового или витренового типа.

Начальные температуры разложения некоксующихся углей из месторождения Суматры были определены, как известно, в 280°, а для коксующихся углей в 340°. Исходя из этих данных, Дж. Робертс полагает, что температуры 340° должно быть вполне достаточно, чтобы повысить качество некоксующегося угля до приобретения им свойств коксующегося.

Свои теоретические расчеты Дж. Робертс проверил на данных, полученных на уэльских полубитуминозных углях. Он убедился, что уголь с выходом летучих 14% начинает давать жидкие дистилляты примерно при 430°.

Таким образом, для образования углей коксовых марок (ПЖ—К—ПС) не требуется особо высоких температур. Последние несомненно могут быть получены в результате развития трения во время развальцовывания углей при послойных подвижках.

Можно привести высказывания ряда авторов, которые признают, что при известных условиях упругая деформация пород может переходить в пластическую. При этом энергия деформации в виде внутримолекулярного трения может перейти в теплоту. К такого рода заключениям относят данные Гука и Карвейла, Троттера, М. и Р. Тейхмюллер и др.

В виде одного из примеров влияния трения можно привести данные по Сутанскому взбросу (надвигу) в рурском карбоне у Бохума. Там на расстоянии в несколько километров по простиранию, в пласте Зоненшайн, в непосредственной близости от плоскости нарушения, была установлена (по данным Бетхера и Тейхмюллера) потеря летучих от 6 до 10%.

Однако в большинстве случаев как у Сутана, так и в других взбросах, нарушающих рурский карбон, выход летучих в угле уменьшается всего лишь на 1—2%.

Это позволило Тейхмюллеру на основании приведенного примера Сутанского взброса и ряда нарушений у Лангерзее, Осингского и других прийти к выводу, что теплота, вызываемая трением по поверхности взброса, исчезает большей частью настолько быстро, что не оказывает достаточного влияния на повышение метаморфизма углей.

Метаморфизующее воздействие давления сдвига признается и A. Лeхири. Он, ссылаясь на Бэргера, приводит данные о том, что третичные лигниты Джемму (Кашмир, Индия) тектоническим давлением метаморфизованы до полуантрацитов.

Все эти очень интересные и важные данные, позволяющие утверждать значительное влияние тектонических процессов на метаморфизм угля, страдают, однако, недостаточной четкостью своего обоснования. Разрешение столь сложных вопросов требует тщательного отсева всех других причин, влияние которых может затемнить и исказить влияние основного, в данном случае тектонического, фактора.

Отсюда становится необходимым и даже совершенно обязательным для получения бесспорных доказательств в пользу тектонического фактора найти такой объект, в котором влияние других факторов метаморфизма или полностью отсутствовало бы, или чтобы они были явно недостаточными для получения наблюдаемого метаморфизма углей. В то же время влияние самого тектонического фактора должно быть выражено достаточно ясно.

Особенно важным в данном случае является изучение послойных подвижек и связанного с ними развальцовывания углей. Широкое развитие этого процесса, сопровождающегося не только пластичностью угля, но и частичным плавлением поверхностных частей мельчайших линз, может служить хорошим свидетельством в пользу возникновения достаточно высоких температур, порядка 300—400° и выше. Эти температуры, как мы видели выше, признаются вполне достаточными для повышения метаморфизма углей до степени коксующихся (ПЖ—К—ПС).

И.И. Горский считает, что древнекиммерийская фаза, повысившая степень метаморфизма нижнемезозойских углей Урала, повысила одновременно и степень метаморфизма карбоновых углей, доведенных здесь герцинским орогенезом до марок типа ПЖ. Это повышение, небольшое для широты Каменска, однако прогрессировало к северу и довело карбоновые угли Восточной зоны в ее более западных частях до марки К, сохранившейся в подосининских углях.

«Древнекиммерийские движения осуществлялись здесь в условиях наличия жесткого палеозойского фундамента, консолидированного сильнейшей гердинской складчатостью. Угленосные осадки, залегающие с резким несогласием на жестком фундаменте, были гораздо слабее уплотнены и, при преобладающем развитии надвиговых структур в палеозойском ложе под влиянием древнекиммерийских движений, подвергались сильнейшему боковому давлению, вызвавшему передвижение масс в неуплотненных нижнемезозойских осадках. Это сопровождалось, по мнению И.И. Горского, молекулярным трением и повышением температуры. Региональный метаморфизм, связанный с погружением, был очень слаб и преобладающая роль здесь, несомненно, принадлежала динамометаморфизму». А.Б. Травин полагает, что интенсивная углефикация в Прокопьевском районе Кузбасса произошла во время складкообразования и была тесно связана с тектоническими движениями.

Это привело к резкой разнице в гипсометрическом положении между синклинальными и антиклинальными замками складок, и к неодинаковой напряженности вещества угля, а следовательно, и к неодинаковой степени углефикации его в различных участках дислоцированного пласта. А.Б. Травин считает очевидным, что степень метаморфизма органического вещества пластов угля здесь отчетливо находится во взаимосвязи с пликативными и дизъюнктивными структурами, и изменение свойств углей подчинено закономерности, которая сохраняет свое значение-для всей угленосной толщи. Горизонтальное и вертикальное распределение зон метаморфизма зависит от положения в пространстве тектонического блока, крыльев и замка складки. Это в свое время отметил и И.И. Молчанов.

Особенно важен последний вывод А.Б. Травина, который гласит, что выделение тектоно-блоков, включающих угли различной степени метаморфизма, а также установление закономерностей в их пространственном зональном расположении имеет важное практическое значение.

Установление факта наличия тесной взаимосвязи между зонами метаморфизма и тектоническими структурами обязывает изучение вопросов-метаморфизма всегда сочетать с детальным структурным картированием района.

Все эти очень интересные и важные сведения, позволяющие говорить Ф.М. Троттеру о влиянии тектонических воздействий на метаморфизм угля, страдают, однако, недостаточностью обоснований. Разрешение столь сложных вопросов требует тщательного отсева всех других причин, влияние которых может затемнить и исказить влияние основного, в данном случае тектонического фактора.

В. Петрашек, устанавливая соотношение во времени между углефикацией и складкообразованием, различал дотектоническую, паратектоническую и посттектоническую утлефикацию. К дотектонической углефикации он относил те угли, которые подверглись деформации, после углефикации. Движение их частиц в структуре, о масштабах которого можно судить по сильным тектоническим колебаниям мощности пластов, осуществлялось посредством перемещения в рыхлой тонко милонитизированной массе угля. Речь идет, таким образом, просто об частичной миграции угольной пыли, которая при особо высоких давлениях иногда снова затвердевала в естественные брикеты. Однако, отдельные смещенные элементы структуры представляют собой твердые частицы угля.

Примером таких углей могут служить, по В. Петрашеку, милонитовые угли альпийского триаса, многие угли мелового периода с Балканского полуострова, угли карбона Нижней Силезии и антрациты из Альп.

Пример паратектонической и посттектонической углефикации В. Петрашек видит в углях, пласты которых раздуты или утонены, или приобрели внутреннюю складчатость (несогласованную); все они обнаруживают значительное дифференциальное движение в структуре, т. е. обнаруживают значительное перемещение материала внутри угольного пласта, причем угли остаются все же твердыми и прочными.

На блестящих, однородных кусках леобенского бурого угля В. Петрашеку удалось обнаружить корреляционное движение частиц в структуре путем травления полированной поверхности аншлифов. Тогда под микроскопом стали заметны завихрения и петлеобразные складки, оси которых были строго параллельны осям погружения пласта. Однако в отличие от нашего представления, которое излагается ниже, В. Петрашек полагает, что движение произошло еще в обводненном коллоидальном веществе угля, а затвердевание его, а следовательно, и повышение зрелости, имело место в процессе складкообразования или после него. Явления подобного рода обнаружены В. Петрашеком в 1940 г., кроме углей Леобена, и на углях Фонсдорфа и Верхней Баварии.

Геологическая история упомянутых здесь областей, по В. Петрашеку, свидетельствует о том, что в случаях сильно милонитизированных углей, т. е. при дотектонической углефикации, главные движения произошли значительно позднее, чем процесс углеобразования, или что серия пластов подверглась действию многих тектонических фаз: в тех же случаях, когда угли были развальцованы, но остались твердыми (паратектоническая и послетектоническая углефикация), пласты испытали воздействие одного лишь главного процесса — тектонического складкообразования вскоре после их отложения. Свои наблюдения и замеры оптической анизотропии углей В. Петрашек делал в тонких шлифах для бурых углей и в аншлифах для углей метаморфизованных.

Описанная В. Петрашеком анизотропия углей не имеет ничего общего с двупреломлением, известным для целлюлозы, так как последней в стадии блестящего бурого угля уже не наблюдается. Речь идет о двупреломлении, вызванном напряжением, которому подверглась коллоидальная субстанция угля под давлением. Двупреломление проявляется, по-видимому, на ранней стадии углефикации и становится все отчетливее при переходе к каменным углям вследствие того, что тонкая структура (мицеллы) ориентируется по направлению напряжения. Всего заметнее это проявляется у антрацита и графита.

Таким образом, В. Петрашек установил, что оптическая анизотропия углей сводится к двупреломлению под воздействием напряжения, которое начинается на ранней стадии углефикации в виде прямого (параллельного слоям) погасания, когда отлого залегающие пласты подвергаются давлению нагрузки, и в виде косого погасания, когда еще незрелые пласты располагаются отвесно, под влиянием горизонтального тектонического давления и при этом одновременно углефицируются.

Тем самым В. Петрашек считает, что роль угля расширяется до роли индикатора вида и рода воздействия орогенического давления. Это следует из того, что структура угля позволяет сделать вывод об однократной или многократной тектонической нагрузке; что степень углефикации позволяет определить абсолютную величину давления складок и что направление погасания в угле позволяет узнать, в каком направлении развивалось тектоническое давление.

Все эти очень интересные высказывания В. Петрашека требуют дополнительного детального изучения. Остается несомненным, что под влиянием давления происходит дифференциальное движение в структуре угля. Это приводит к выделению температуры, повышающей степень метаморфизма угля.

Таким образом, давление горообразующих сил на метаморфизм угольных залежей имеет очень большое влияние. По Троттеру, сжатие много сильнее в синклиналях, чем в антиклиналях. Поэтому признаки снижения выхода летучих в угольных пластах необходимо искать в синклиналях. Это согласуется с тем, что в антиклиналях породы находятся в состоянии растяжения, а в синклиналях в состоянии сжатия.

Троттер утверждает, что удаление летучих из угля является следствием интенсивного давления, складкообразования и сжатия, сопровождаемых выделением теплоты трения.

В одной из своих статей А.Б. Травин приводит микроскопические признаки динамометаморфизма в ископаемых углях.

Наблюдая витренизированное вещество в отраженном свете при скрещенных николях, среди изотропной в целом массы, он установил отчетливо поляризующие участки. Эти участки приурочиваются к зонам микросмятий.

В углях, испытавших сильные динамические напряжения, наблюдается оптическая переориентировка структурных элементов с вероятным качественным изменением вещества углей.

Степень молекулярной перегруппировки и связанных с ней качественных изменений, по А.Б. Травину, должна зависеть от интенсивности динамических напряжений, с одной стороны, и от степени предшествующей метаморфизации органической массы углей, которую они имели к моменту воздействия на них динамических усилий, с другой.

Таким образом, пишет А.Б. Травин, ведущим фактором при развитии анизотропизма в углях является, по-видимому, статическое, а в зонах интенсивной складчатости, кроме того, и тектоническое давление.

На основании достаточно большого объема данных, почерпнутых как из отечественной, так и из зарубежной литературы, в разрез с пессимизмом Тейхмюллера и химиков, отрицающих значительность роли давления, давлению, развиваемому в горных породах тектоническими напряжениями, необходимо уделить серьезное внимание.

Давление имеет характер сжатия или перенапряжения в начальный, предваряющий складчатость момент или перед образованием дизъюнктивной формы деформации пород. Сама складчатость и разрывная тектоника, являясь результатом давления, разрежают это перенапряжение, почему и не могут быть причиной метаморфизации углей. Необходимо иметь в виду и вторую сторону проявлений тектоники. При образовании складок и при дальнейшем их усложнении снова нарастают напряжения, которые приобретают локальное значение, сосредоточиваясь в определенных частях структур (донные части синклиналей, крылья антиклиналей, переходящие во флексуры и др.), где происходит дополнительное сильное сжатие, могущее оказывать влияние как на уплотнение угля, так и на дальнейшую его метаморфизацию.

Наконец, давление при определенном соотношении физических свойств пород, может привести к упругому их сжатию, которое обычно разрешается в пластических породах послойными движениями. Уголь, как и угленосный комплекс вмещающих его пород — аргиллитов и алевролитов, активно воспринимает упругое сжатие и развивает под его влиянием сложные послойные подвижки, приводящие к резкому изменению мощности пластов угля, к их утонению и разбуханию, а при дальнейшем развитии послойных подвижек приводит к разлинзованию при развальцовывании угольного вещества.

В некоторых условиях при послойных подвижках развивается значительное трение, последнее порождает повышение температуры. Трение послойного движения совместно с вызванной им температурой может как служить причиной дальнейшего уплотнения угольного вещества, так и способствовать дальнейшим физико-химическим процессам, приводящим к потере летучих веществ и к конденсации молекул углерода.

Метаморфизм послойного движения, вызываемый трением, или фрикциометаморфизм, как особый вид динамометаморфизма, обычно трудно уловим, так как производимые им изменения недостаточно значительны, а само явление послойных подвижек имеет ограниченное и по масштабу, и по распространению проявление.

Однако иногда послойные подвижки в угольных пластах и связанное с этим развальцовывание углей приобретают широкое региональное развитие, и тогда с ними могут быть связаны значительные изменения углей, составляющие немаловажную часть общего метаморфизма углей, характерного для данного района.

Ниже на примере метаморфизма углей Южноякутской угленосной площади мы покажем действительные, достаточно крупные масштабы такого проявления.

Изложенное выше со всей очевидностью показывает, что метаморфизм углей необходимо рассматривать как очень сложный, многообразный процесс изменения органического вещества, подчиненный ряду биологических, химических, физических и геологических факторов.

Течение и развитие этого процесса определяется длительным временем, прошедшим от накопления первичного торфяника и до наших дней включительно. За этот интервал времени, измеряемый геологическими масштабами, развитие процесса протекает с неодинаковой быстротой и интенсивностью.

Процесс метаморфизма развивается в каждом бассейне и в каждом отдельном месторождении углей с учетом субъективных черт истории их развития, почему и не может обобщаться в универсальные схемы обязательного приложения по всем угленосным площадям.

Субъективные особенности в развитии метаморфизма углей для различных площадей, бассейнов и месторождений объясняют различия в диапазоне наблюдаемых стадий метаморфизма углей и различия в зональности их размещения, свойственные данному угленосному объекту, и зависят в основном от наложения первичных и вторичных факторов метаморфизма и от их интенсивности.

Первичные факторы, как мы отметили выше, имеют превалирующее значение в первые стадии развития метаморфизма и выражаются в развитии биологических, химических и физических процессов, намечающих основные предпосылки для последующего развития видоизменений угольного вещества. Вторичные факторы вступают в силу главным образом после перекрытия первичной залежи породами кровли. Они создают особые условия благоприятного развития сложных физико-химических процессов и реакций, приводящих в конечном итоге к уплотнению угольного вещества, потере им влаги, летучих веществ и к постепенной аккумуляции углерода и к его кристаллической упорядоченности.

Сложность процесса метаморфизма углей, зависимость его течения от большого количества разнообразных факторов делает научно мало обоснованным и практически нецелесообразным введение его в рамки каких-либо строгих математических формул. Этим объясняется крушение сделанных в этом направлении ранее попыток.

Таким образом, при изучении процесса метаморфизма углей той или иной угленосной площади, бассейна или месторождения должны быть сделаны максимальные усилия для выяснения влияния каждого из факторов метаморфизма в отдельности. Большое внимание должно быть уделено при этом, по-видимому, структуре углей (в частности, стекловидной), их плотности, пористости и связанной с ней внутренней поверхности увлажнения.

Признавая широкое, повсеместное распространение влияния регионального (глубинного) метаморфизма, необходимо помнить, что проявление его вследствие необратимости процесса метаморфизма углей почти всегда должно усложняться наложением влияний других факторов метаморфизма.

Ни характер исходного материала первичной залежи, ни условия ее накопления и изменений, ни термальное воздействие, ни давление и т. д., взятые порознь, не в состоянии объяснить всей сложной картины развития метаморфизации углей.

Из геологических факторов наибольшее значение при метаморфизме углей несомненно принадлежит температуре, поскольку уголь из всех горных пород к ней, по-видимому, наиболее чувствителен.

Давление также имеет большое значение, обусловливая уплотнение структуры углей (плотность) и влияя совместно с развиваемой им температурой на развитие физико-химических реакций в угле. Время же является тем основным фоном, на котором развиваются все процессы и реакции. Время нельзя игнорировать, поскольку каждый процесс вне зависимости от его важности нуждается в сроках для своего возникновения, протекания и завершения. К тому же вопрос о спонтанных реакциях, раз возникших и не требующих дополнительных воздействий, как нам представляется, не может считаться полностью отвергнутым.

Поиски температурного фактора в готовом для подогрева угленосного комплекса виде (от лакколитов и батолитов до надвигов) не решают проблемы в целом и часто приводят к грубым ошибкам, когда после разработки стройной гипотезы и ее защиты этих лакколитов, батолитов или надвигов не оказывается в натуре.

Изменение углей, переход их в более высоко метаморфизованные разности происходит, как мы убедились из всего изложенного выше, не в один прием, а последовательно и на некоторых интервалах скачкообразно, например при переходе из торфа в бурый уголь, из бурого в каменный, из паровично-спекающегося угля в тощий.

Влияние (наложение) каждого нового фактора приобретает, однако, реальное значение и вносит заметное изменение в свойства углей только в том случае, если сумма нового воздействия (давление, температура и и др.), как мы уже отметили, будет сильнее предыдущих.

Из графика сопоставления схем метаморфизма углей различных авторов отчетливо видно, что каменноугольная стадия метаморфизма в пределах марок ПЖ—T подчинена интенсивному развитию физикохимических процессов.

Последние возникают несомненно под влиянием и в сопровождении интенсивного развития давления и температуры, что входит в объем и содержание геологических факторов.

Отсюда совершенно очевидным становится то, что принятая в данное время классификация углей по марочному составу, на основании только химико-технологических (выход летучих, содержание углерода, водорода и отчасти пластометрические данные) и петрографических показателей (тип угля, окраска шлифа и т. д.), не является исчерпывающей. Остаются не полностью учтенными физические свойства как самих углей, так и вмещающих их пород. Так, редко, а чаще совсем не учитываются плотность, отражательная способность, удельное электрическое сопротивление углей, пористость и т. д.

В этом отношении заслуживает особого выделения работа по составлению углехимической карты Донбасса, в которой разделение углей ниже марки ПС выделено с учетом степени их метаморфизма.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: