Ископаемые угли

Ввиду большой важности угля как энергетического сырья в западном мире большое количество работ было написано об его свойствах, условиях залегания, происхождении, добыче и использовании. Среди наиболее фундаментальных трудов об угле можно назвать работы Мура, Рейстрика и Маршалла, Томкейеффа.

Общая характеристика и классификация. Уголь является горючим непрозрачным (исключение представляют только очень тонкие пластинки) некристаллическим твердым веществом, окраска которого варьирует от бурой до черной. Он может быть тусклым и блестящим, имеет малую плотность (от 1,0 до 1,8). Твердость изменяется в пределах от 0,5 до 2,5. Он хрупок и имеет неровный, занозистый или раковистый излом. Эти свойства изменяются в зависимости от типа или класса угля.

Уголь классифицируется по классам (маркам) и в зависимости от физического состава. Первая классификация предшествует второй и прежде всего базируется на степени метаморфизма угля: эту классификацию в основном используют при торговле углем. Вторая классификация является биопетрологической и основывается в значительной степени на микроскопическом изучении угля.

Классы угля зависят от степени углефикации. Они более или менее произвольны. Помимо общих свойств используются тщательно отобранные химические критерии, которые характеризуют каждый класс (рис. 11-38). Обычно выделяют следующие классы угля: 1) бурые угли, или лигниты, 2) суббитуминозные, 3) битуминозные, 4) полубитуминозные, 5) полуантрацитовые и 6) антрацитовые. Кроме того, выделяют некоторые другие типы углей, не входящие в обычный углефикационный ряд. К ним относятся кеннельские и зольные угли.

Бурый уголь, или лигнит, является низшим членом углефикационного ряда. Он имеет бурый, буровато-черный и редко черный цвет; обычно сохраняет структуру первичной древесины; содержит много влаги; характеризуется низкой теплотворной способностью и плохо высыхает. Он быстро сгорает с дымящимся пламенем. Большая часть лигнитов имеет меловой или более молодой возраст.

Битуминозный уголь характеризуется более высокой степенью углефикации, т. е. содержит более высокий процент углерода и меньше воды. Он легко горит и при выходе на поверхность не так легко распадается. Большинство битуминозных углей имеет тонкую полосчатость, образующуюся в результате переслаивания блестящих и тусклых пластов угля (рис. 11-39).

Антрацитовый уголь характеризуется ярким, почти полуметаллическим блеском и раковистым изломом. У него высокое содержание связанного углерода (беззольной части кокса) и низкое — летучих углеводородов. Он горит не так быстро, как более низкосортные виды угля, и сгорание происходит с небольшим пламенем, которое дает много тепла и мало дымит. У него довольно большая зольность.

Суббитуминозные, полубитуминозные и полуантрацитовые угли — переходные типы угля,

Кеннельский уголь является неслоистым углем, черным, битуминозного типа с раковистым изломом (рис. 11-40). Он сгорает быстро, образуя длинное дымное пламя. Характеризуется высоким содержанием летучих компонентов.

Зольный уголь содержит большое количество примесей, характеризуется высоким процентным содержанием (33% или более) золы.

Термин графитоид применяется к углям, метаморфизованным сильнее антрацита.

Химический состав угля Уголь состоит главным образом из углерода, водорода и кислорода. Азот и сера содержатся в меньшем количестве. Минеральное вещество (зола) — переменный компонент. Содержание главных компонентов изменяется в зависимости от класса угля. Изменение основных компонентов — углерода, азота, водорода и кислорода, начиная с древесины и кончая антрацитом, представлено в табл. 11-9.

Содержание водорода, азота и кислорода на 100 частей углерода показано в табл. 11-10.

Очень наглядно постоянное уменьшение содержания водорода и кислорода при переходе от торфа к различным классам угля. Более того, пропорциональное уменьшение содержания кислорода больше, чем водорода. В целлюлозе (C6H10O5) эти два элемента существуют точно в таких же пропорциях, как и в воде (1:8). В древесине водород находится в избытке, превосходя это отношение (1:7), и избыток постоянно увеличивается до тех пор, пока соотношение в антраците не становится равным приблизительно 1:1. Изменение состава (основывающееся на данных табл. 11-9) показано на рисунке 11-38.

Компоненты угля. Существует два научных направления в области номенклатуры и классификации компонентов угля: американское и британское. Американская номенклатура является ботанической и генетической и может быть применена только после микроскопических исследований. Британская классификация, или классификация Стопса, является преимущественно мегаскопической и описательной и, следовательно, применима для макроскопических образцов. Каждая из этих систем имеет своих сторонников; были предприняты попытки примирить или скомбинировать эти схемы и создать приемлемый международный стандарт. Результатом является классификация Стопса—Хирленда (табл. 11-11).

В любом образце обычного битуминозного угля можно видеть невооруженным глазом три или четыре разновидности угля. Каждый тип характеризуется своими особенностями. Эти компоненты, которые в той или иной степени объединены в полосы, являются составными частями угля и обозначаются как витрен, кларен, дюрен и фюзен (см. рис. 11-39).

Витрен образует тонкие горизонтальные слои до 20 мм.

Это блестящий стекловидный, похожий на вулканическое стекло, агатоподобный уголь, переслаивающийся с более мощными пропластками углей другого типа. Витрен хрупкий, имеет раковистый излом и гладкий на ощупь. При исследовании невооруженным глазом он выглядит однородным и бесструктурным (эувитрен). В других случаях он проявляет «бороздчатость», характерную для растительных структур (провитрен).

Кларен представляет собой уголь, пласты или полосы которого, в отличие от витрена характеризуются слоистостью. Он имеет гладкий излом, характеризуется блестящим или сверкающим блеском и особенно отличается своим шелковистым видом, который является результатом мельчайшей слоистости. Шелковистый блеск кларена — отличительная черта по сравнению с гладким блеском витрена в том же угле.

Дюрен представляет собой матовый уголь, для которого характерно отсутствие блеска, тусклый или землистый вид и черный или свинцово-серый цвет. Залегает в виде твердых слоев, которые обладают твердым плотным строением. Внутренняя слоистость обычно отсутствует.

Фюзен, или «минеральный древесный уголь», легко определяется по его сходству с обычным древесным углем. Если фюзен не минерализован, то он очень рыхлый и высокопористый. В некоторых случаях поры заполнены кальцитом или пиритом. В шлифах непрозрачный, сильноячеистый (рис. 11-41). В образцах фюзен образует неправильные клинья, подходящие к плоскостям напластования под различными углами.

Исследование под микроскопом приводит к уточнению и более дробному подразделению этих терминов, выделенных по макроскопическим признакам (см. табл. 11-11). Типы угля считаются разновидностями породы («литотипы»), сложенной мацералами (аналогами минералов неуглесодержащих пород). Мацерал является органическим образованием, т. е. единичным обломком растительного остатка или материалом, образовавшимся из него. Основным мацералом витрена является витринит, состоящий из коллинита и телинита. Коллинит представляет собой бесструктурный, гелефицированный растительный остаток, тогда как телинит представлен полупрозрачным золотистым гелем, который частично сохраняет ячеистую структуру. Мацералы кларена и дюрена относятся к группе липтинит а или экзинита, которые представляют собой преимущественно более мелкие, более устойчивые обломки растений. Сюда же входит альгинит (водорослевого происхождения), споринит (спорангии), резинит (смола) и кутинит (измельченные обломки кутикул). Споры представляют собой желтые, полупрозрачные тела (во многих случаях разрушенные) как небольших, так и крупных споровых образований (микро- и мегаспор) (рис. 11-42). Резинит встречается в виде небольших изолированных полупрозрачных красноватых тел, Фюзен состоит из мацералов интертинита, которые включают микринит, фюзенит и склеротинит. Микринит — непрозрачный остаток, является доминирующим компонентом дюрена, так же как и фюзена. Фюзенит — это углефицированные ячеистые образования, с непрозрачными стенками, характерными для фюзена. Склеротинит образуется из склероции грибов.

Несколько типов битуминозного угля состоят из этих мацералов, представленных в различных пропорциях (см. табл. 11-11). Классифи кация типов углей (литотипов) и их мацералов Стопса — Хирленда основывается на результатах изучения битуминозных углей. Классификация в меньшей степени подходит к бурым углям — особенно к мягким бурым углям, поэтому прилагаются усилия к разработке приемлемой системы для них.

Тиссен и некоторые другие американские специалисты в области петрологии углей считают, что уголь состоит из двух основных компонентов, названных антракс и лоном и аттритом. Их соотношение определяет вид угля. Блестящий (глянцевый) уголь состоит главным образом из антраксилона, тогда как матовый (тусклый или твердый) уголь состоит в основном из аттрита. По Тиссену, блестящие слои образовались преимущественно из древесных частей растений (антраксилона). Более мощные слои представляют ветви или стволы деревьев; менее мощные — это более мелкие ветви или прутья. Кроме того, выделяется несколько типов антраксилона в зависимости от типа растений, из которых они образовались. Антраксилон явно полупрозрачен. Аттритом, с другой стороны, называют все материалы, которые не являются антраксилоном. В отличие от антраксилона и фюзена, которые представляют собой массу объединенной растительной ткани, сохранившейся в целом виде и имеющей ячеистую структуру, аттрит является размягченным и разрушенным растительным материалом. Он матовый и полупрозрачный.

Согласно этой системе, распространенными типами угля являются блестящий уголь, полутвердый, твердый, кеннельский и богхед.

Под микроскопом витрен выглядит преимущественно антраксильным; кларен состоит из полупрозрачного аттрита и тонких чешуек антраксилона. С другой стороны, дюрен выглядит состоящим в основном из непрозрачного аттрита.

Угли кеннельский и богхед представляют собой чистые, плотные глыбовые угли с массивной текстурой и однородной тонкозернистой структурой. Обычно они серого или черного цвета, имеют жирный блеск и рельефный раковистый излом. Кеннельскому углю слоистость несвойственна. Под микроскопом кеннельский уголь выглядит состоящим почти полностью из микрообломков спор смолы, древесных обломков и матового аттрита. Богхед содержит большое количество маслянистых водорослей. Кеннельский уголь и богхед являются скорее сапропелевыми, чем гумусовыми углями.

Распространение залежей угля. Уголь является относительно редким, хотя и широко распространенным типом породы. Он встречается в породах от раннепротерозойского до третичного возраста, но он не был достаточно распространенным до развития древесной растительности в девонском периоде. Все додевонские угли, по-видимому, сапропелевые и, вероятно, водорослевые. Одни из наиболее древних, если не самые древние угли, обнаружены в аспидных сланцах Мичигам (докембрий), в округе Айрон, штат Мичиган. Этот уголь, возраст которого превышает 1700 млн. лет и который переслаивается с аспидными сланцами, является антрацитовым (около 80% связанного углерода) и имеет высокую зольность. Вероятно, это водорослевой уголь.

Первые обширные залежи угля имеют каменноугольный возраст. Однако даже в угленосной толще карбона уголь редко составляет более 1 или 2% от всего разреза. Мощность отдельных пластов угля изменяется от толщины пленки до пластов мощностью более чем 122 м. Средняя мощность пласта составляет от 0,3 до 0,6 м. Пласты мощностью свыше 3 м обычно встречаются редко. Пласт Питсбург — один из наиболее выдержанных и наиболе продуктивных пластов на месторождениях Центральных Аппалачей в Соединенных Штатах, он сохраняет мощность от 1,8 до 3,0 м на большой площади. Угленосная толща исключительна по своему характеру и занимает территорию 56980 км2, на западе Пенсильвании, в Западной Виргинии и Огайо и имеет пригодную для разработки мощность на площади в 15 540 км2. В любом угленосном разрезе, по-видимому, присутствуют многочисленные пласты как пригодные, так и непригодные для разработки. В западной части Иллинойса в разрезе угленосной толщи насчитывается 18 пластов; на некоторых участках в Огайо и юго-западе Пенсильвании их насчитывается более 40; в Новой Шотландии отмечено более 70 пластов, а на месторождении Вестфалии в северо-западной части ФРГ расположено более 90 пластов, мощность которых составляет в совокупности 84 м. На угольном месторождении Джарня (Гондвана) в Индии насчитывается 24 пласта мощностью более 1,2 м, которые в целом составляют 73 м в разрезе мощностью 610 м. Уголь занимает более 10% всего разреза. Самые мощные отложения угля — пласты Каргали; их мощность составляет 30,5 м. Индийские угленосные породы являются нетипичными в том отношении, что на уголь приходится значительная часть всего разреза, что пласты имеют большую мощность и сами угли характеризуются высокой зольностью.

Уголь нередко переслаивается с обычными осадочными породами. Во многих местах эти толщи имеют циклическое строение и образуют циклотемы. Во многих местах уголь залегает на глинах, имеющих особый характер, известных как подстилающие глины. Некоторые из этих глин имеют настолько малое содержание железа и щелочных металлов, что они представляют собой огнеупорную глину.

Происхождение угля. Наличие органических структур в угле и хорошо установленный ряд углей, начинающийся с древесины и заканчивающийся антрацитом, не оставляют сомнения в том, что уголь имеет растительное происхождение. Однако остается рассмотреть способы накопления растительного вещества и его преобразования в уголь.

По вопросу накопления существуют две точки зрения. Многие исследователи предполагают, что органическое вещество должно накапливаться на месте, тем самым образуя автохтонный уголь. Некоторые исследователи, особенно те, которые изучают индийский уголь серии Гондвана, считают, что органические обломки перенесены с места их роста на другое место, где они накопились и образовали аллохтонный угольный пласт. Несомненно, что образование угля шло тем и другим путем, но для большей части углей превалирует точка зрения, предполагающая накопление их на месте в крупных пресноводных болотах. Неодинаковая мощность, широкое площадное распространение и отсутствие примесей неорганических обломков подтверждают этот вывод. Однако некоторые кеннельские угли могут представлять собой скопления органического детрита.

Процесс превращения древесных торфянистых остатков в уголь называется углефикацией. Частично — это биологический, а частично метаморфический процесс. Обычно растительное вещество окисляется до воды и двуокиси углерода. Однако если растительный материал скапливается под водой, то кислород быстро истощается и происходит только частичное разложение. Растительные остатки окисляются не полностью. Такой неполный распад приводит к накапливанию органических отложений — торфа. Хотя разложение и изменение могут быть частично результатом действия бактерий, обычно токсические условия торфяных болот подавляют или пресекают деятельность таких микроорганизмов. Химия процессов углефикации участвующих в превращении торфа в угли различной степени метаморфизации, не вполне понятна. Преобразованиям способствует захоронение и связанное с ним повышение давления и температуры. Только в сильно смятых пластах достигается стадия антрацита.