Угли ископаемые

Ископаемые угли (fossil coals) относятся к твердым горючим полезным ископаемым осадочного происхождения и представляют собой продукт преобразования высших и низших растений с участием микроорганизмов планктона, минеральные примеси (условно не более 50 %) и влаги.

Угли залегают в земной коре в виде пластов, пластообразных и линзовидных залежей, имеют землистую, массивную, слоистую или зернистую текстуру; цвет от коричневого до черного. По составу органического вещества основного компонента углей их можно подразделить на 3 генетические группы: преобладающие гумолиты (гумусовые угли), сапропелиты и сапрогумолиты.
Исходным материалом для гумусовых углей служат остатки высших наземных растений, отлагавшихся преимущественно в болотах, занимавших низменные побережья морей, заливов, лагун, пресноводных бассейнов (озер и рек). Такое накопление носит название - автохтонного (autochthonous). Более ограниченным было отложение при сносе растительного материала и продуктов его преобразования с прилегающих участков суши в застойные водные бассейны - аллохтонное (allochthonous) накопление. Накапливавшийся растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался в торф, при этом значительное влияние оказывали обводненность и химический состав водной среды [68; 81].
Анаэробные (в водной среде) условия приводят к гелификации органического материала - основы образования блестящих витринитовых, или гелинитовых углей.
Аэробные условия и окислительная среда способствуют фюзенизации тканей и образованию волокнистых и сажистых фюзенитовых углей. Элювиация (вымывание проточными водами продуктов окисления лигнино-целлюлозных тканей) сопровождается обогащением органической массы остатками наиболее устойчивых частей растений (оболочками спор, кутикулой, смоляными тельцами, пробковой тканью коры и т. п.), характерных для матовых лейппинитовъщглей.. Угли, сложенные почти полностью стойкими форменными элементами (растительными остатками, сохранившими свое строение и очертания), выделяются в особую группу - липтзбиолиты [42; 68].
Сапропелиты (сапропелевые угли) - продукт преобразования низших растений и микроорганизмов планктона, накапливавшихся в органогенном иле озер и морских лагун. На равных стадиях преобразования органического вещества сапропелиты отличаются от гумолитов более высоким выходом летучих веществ (60-80 %) и содержанием водорода (8-12 %).
Сапрогумолиты — переходная разность ископаемых углей, представляющая собой продукт преобразования высших, а также низших растений (богхеды, кеннели).
Сапропелиты и сапрогумолиты обычно залегают в виде прослоев и линз среди гумусовых углей. Высокозольные разности сапропелитов называют горючими сланцами; они нередко образуют самостоятельные бассейны (например, Прибалтийский сланцевый бассейн) и месторождения.
В органической массе углей, в тонкодисперсном состоянии содержатся минеральные примеси, находящиеся либо в виде тончайших прослоек и линз, а также кристаллов и конкреций. Источником примесей в углях могут быть: неорганические составные части расте- ний-углеобразователей; терригенный материал, приносимый в области торфообразования водой и ветром, а также минеральные новообразования, выпадающие из растворов вод, циркулирующих в торфяниках. В составе минеральных примесей отмечены - кварц, глинистые минералы (главным образом каолиниты), полевые шпаты, пирит, марказит, карбонаты и др. соединения, содержащие Si, Al, Fe, Ca, Mg, К, Na, Ti, редкие и рассеянные элементы (U, Ge, Ga, V и др.). Содержание минеральных примесей изменяется в широких пределах; большая часть из них при сжигании углей превращается в золу [32; 71; 84].
Различия в исходном материале, степени обводненности торфяников, химическом составе среды и фациальных обстановках осадко- и торфонакопления, обусловливающие направленность и интенсивность протекания окислительных и восстановительных микробиологических процессов, позволяют выделять различные генетические типы ископаемых углей: бурые угли, каменные угли, антрациты, каждый из которых формируется в определенную фазу углефикации (coalfication). Различия в их вещественном составе и степени углефикации выражаются широким диапазоном колебаний основных качественных показателей [50].
I
I              Углефикация - процесс последовательного преобразования захороненного I в недрах земли торфа при соответствующих температурах и давлениях в I течение длительного геологического времени сначала в бурый уголь, за- I тем в каменный уголь и антрацит (вплоть до его превращения в графит).
Выделяют две стадии углефикации: диагенез и метаморфизм углей. При диагенезе завершается гумификация растительного материала, старение и затвердевание коллоидов, осуществляются диагенетические преобразования органики и минеральных компонентов. На этой стадии происходит формирование петрографического состава будущего ископаемого угля. На последующей стадии метаморфизма происходит структурно-молекулярное преобразование микрокомпонентов угля, характеризующееся существенным изменением его химического состава и физических свойств.
По совокупности основных показателей состава и свойств выделяют три степени углефикации: низшую (буроугольную), среднюю (каменноугольную) и высшую (антрацитовую), отражающие палеогеотермические условия, существовавшие по мере погружения углей вглубь Земли (рис. 2.3).

Ведущим показателем процесса углефикации является последовательное нарастание в элементарном составе количества органического вещества углей, относительного содержания углерода, сопровождающееся параллельным снижением содержания кислорода, а на высших стадиях азота и водорода. С ростом степени углефикации растут блеск углей и их отражательная способность, оптическая анизотропия и микротвердость. От степени углефикации зависят: химический состав углей, их физические и ехнологические свойства, которые являются определяющими в вопросах рационального использования ископаемых углей (табл. 2.2) [53].
Рис. 2.3. Зависимость выхода летучих
веществ и отражательной способности
витринита от погружения угля
при региональном метаморфизме
(по В.Р. Клеру, 1987)
Таблица 2.2
Классификация углей по стадиям метаморфизма (ГОСТ 21489-46)

Группа	Стадия метаморфизма	Показатель отражения витринита		Класс
		В воздухе ЮхИи3, усл. ед.	В иммерсионном масле, Ro, %
Буроугольная	99	Менее 58	Менее 0,30	0,1
		58-66	0,30-0,39	0,2
		67-69	0,40-0,49	0,3
Каменноугольная	I	70-76	0,50-0,4	10
	i-ii	77-79	0,65-0,74	11
	II	80-82	0,75-0,84	12
	II-III	83-86	0,85-0,99	13
	III	87-90	1,00-1,14	14
	iii-iv	91-93	1,15-1,29	15
	IV	94-97	1,30-1,49	16
	iv-v	98-102	1,50-1,74	17
	V	103-107	1,75-1,99	18
	VI	108-116	2,00-2,49	19
Антрацитовая	vii-viii	117-129	2,50-3,40	21
	viii-ix	130-138	3,41-4,40	22
	IX	139-150	4,41-5,50	23
	X	более 150	более 5,50	24

Наиболее эффективен метод определения стадии углефикации по отражательной способности витринита ( Vitrinite reflectance Ro).
Если в породе присутствуют его углистые кусочки, то он может быть использован как природный термометр. По отражательной способности витринита можно судить о максимальных температурных воздействиях на породы и определять степень литифи- кации пород, т. е. степень готовности ОВ.
Бурые угли (brown coals) пользуются наиболее широким распространением и представляют собой переходную форму от торфа к каменному углю. От торфа отличаются большей плотностью и меньшим содержанием различимых растительных остатков, от каменных углей - главным образом окраской бурых тонов (от кофейного и палевого до черного).
Бурые угли быстро раскалываются на воздухе на мелкие куски. Доля запасов бурых углей и лигнитов в мировых запасах углей - 42 %. Формируются бурые угли из торфа, путем его преобразования при относительно невысоких температурах и давлении под действием диагенетических (уплотнение, дегидратация осадков, газовыделение) и биохимические процессы восстановительного характера. Ископаемые бурые угли, включающие слабо разложившиеся древесные остатки (главным образом хвойных), сцементированные землистым углем, называются лигнитами (lignite).
Для бурого угля характерно наличие гуминовых кислот, высокая гигроскопичность и влажность. В горючей массе таких углей содержание углерода достигает 55-78 %, водорода 4-6,5 % и более, кислорода 15-30 %; теплота сгорания горючей массы 22,6-31,0МДж/кг (5400-7400 ккал/кг), выход первичной смолы 5-20 % и более; содержание летучих веществ в зависимости от петрографического состава углей колеблется от 65 до 40 %. По внешнему виду различают плотные, землистые или рыхлые разновидности [32;53].
Бурые угли присутствуют в разрезах разных геологических систем (от нижнего карбона до неогена включительно), но главным образом встречаются в отложениях мезозоя и кайнозоя [44;70;85;112;114].
Каменные угли (bituminous coal) представляют собой ископаемый продукт более высокой степени углефикации. Плотные породы чёрного, иногда серо-черного цвета с блестящей, полуматовой или матовой поверхностью, содержащие 75-97 % и более углерода; 1,5-5,7 % водорода; 1,5-15 % кислорода; 0,5-4 % серы; до 1,5 % азота; 45-2 % летучих веществ; количество влаги колеблется от 4 до 14 %; золы - от 2-4 % до 45 %. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу - не менее 23,8 Мдж/кг (5700 ккал/кг).
Образуются каменные угли из продуктов разложения органических остатков высших растений, претерпевших изменения в условиях давления окружающих пород земной коры и сравнительно высокой температуры (стадия метаморфизма).

На средних стадиях метаморфизма каменные угли приобретают спекающие свойства - способность гелифицированных и липоидных компонентов ОВ переходить при нагревании в определенных условиях в пластическое состояние и образовывать пористый монолит - кокс. Относительное количество запасов углей с высокой спекающейся способностью составляет 10-15 % от общих запасов каменных углей, что связано с более высокой интенсивностью преобразования органических веществ на средних стадиях метаморфизма.
Спекающиеся угли возникают при температурах примерно от 130 до 160-180 °С при общем диапазоне температур, обусловливающих протекание метаморфизма У. и., от 70-90 °С для длиннопламенных углей до 300-350 °С для антрацитов. Наиболее высококачественные спекающиеся угли формировались в бассейнах, испытавших региональный метаморфизм при глубоком погружении угленосной толщи. При термальном и контактовом метаморфизме в связи с резким изменением температур и невысоким давлением преобразование органического вещества протекает неравномерно, и качество углей отличается невыдержанностью технологических свойств. Породы угленосных формаций наряду с метаморфизмом углей испытывают катагенетические преобразования.
На последних стадиях углефикации формируется антрацит (anthracite) - ископаемый гумусовый уголь высшей степени метаморфизма. Окраска антрацитов черная, часто с сероватым оттенком, иногда наблюдается пестрая побежалость. Под микроскопом растительные остатки различаются с трудом. На фарфоровой пластинке дает бархатисто-черную черту. Блеск сильный, металлический. Имеет большую вязкость, не спекается, обладает хорошей электропроводностью. Наибольшая твердость по минералогической шкале 2,0-2,5; плотность органической массы 1500-1700 кг/м3. Теплота сгорания органической массы 33,9-34,8 Мдж/кг (8100-8350 ккал/кг) [30;81; 82].
Антрацитовые угли обладают небольшой аналитической влажностью 1-3 % и в горючей массе содержат летучих веществ до 9 %, углерода 93,5-97,0 %, водорода 1-3 %, кислорода и азота 1,5-2,0 %. По объемному выходу летучих веществ делятся на 2 промышленные марки: полуантрациты с содержанием 220-330 л/кг и собственно антрациты с объемным выходом менее 220 л/кг.
Залегают в виде пластов различной мощности, главным образом средней и малой, изредка от 10 до 40 м, в отложениях многих геологических систем от девона до триаса. Общие запасы антрацита невелики и составляют около 3 % мировых запасов углей. Известны залежи антрацитового угля в России (Донбасс, Кузбасс и др.), в Китае, США [1; 45].
Подразделение ископаемых углей на бурые, каменные и антрациты принято в большинстве стран Европы. В США и некоторых др. странах угли подразделяются на лигниты, суббитуминозные, битуминозные угли и антрациты [32].
Петрографическая классификация ископаемых углей. В петрографическом отношении все угли не являются однородными и представляют собой совокупность нескольких составных частей, различимых невооруженным глазом и различных по блеску, физическим свойствам и микроскопическому строению [104]. В их составе можно выделить 4 ингредиента: два простых матовых, представленных одним компонентом - фюзен и дюрен; два блестящих сложных - кларен и витрен и два смешанных - кларено- дюрен и дюрено-кларен [146] (табл. 2.3).
Изучением элементарных компонентов органического вещества угольных пластов, остатков растений, которые в процессе биохимического разложения в торфяную стадию углеобразования в той или иной мере сохранили или утратили свою форму и структуру занимается наука «углепетрография».
В углепетрографии используются оптические методы микроскопических исследований с применением проходящего и отраженного, простого, поляризованного и ультрафиолетового света в воздушной среде и с иммерсией; разделение в тяжелых жидкостях (смеси C6H6, CCl4, CHBr3 и др.) на группы компонентов, близких по плотности; методы мацерации для выделения и последующего изучения устойчивых компонентов, методы травления сильными окислителями для выявления скрытой структуры угля, а также методы термического и химического анализа вещества компонентов или их групп, выделенных из общей массы угля.
Выделяется от 14 до 40 петрографических компонентов углей, объединяемых по исходному материалу и условиям его превращения в торфяной стадии углеобразования в три основные (витринитовые или гелинитовые, фюзинитовые и лейптинитовые) и две промежуточные (слабо гелифицированные и слабо фюзенизированные) группы микрокомпонентов. Количественное соотношение микрокомпонентов и состав исходных растений определяют генетические типы углей, характеризующиеся определенными химическими и технологическими свойствами в пределах каждой данной стадии углефикации [71 ;84;85; 112]. Характеристика основных ингредиентов углей приведена в табл. 2.4.

Петрографическая классификация углей (по Г. И. Теодоровичу, 1958)

Название группы угля	Преобладающий компонент и тип угля
	Фюзен и фюзенизированные растительные (клеточные) ткани (фюзен, ксиленофюзен, витренофюзен)	Структурный витрен, бесструктурный витрен, ксилен	Битуминозные тела (споры и кутикулы, смоляные тельца и водоросли)	Непрозрачная основная масса («фюзенизированная»)	Прозрачная основная гумусовая масса («гелефицированная»)
Волокнистый уголь (фюзеновый)	Фюзеновый; Ксиленофюзеновый; Витрено-фюзеновый; Смешанный
Матовый уголь («дюреновый»)			Споровый; Кутикуловый; Кутикулово-споровый; Смоляной; Водорослевый; Спорово-водорослевый; Смешанный	Основная масса непрозрачная
Полублестящий уголь (однородный «клареновый»)				Менее блестящий со спорами и кутикулой; с фюзеном и ксиловитреном; смешанный; с ксиловитреном; со структро-витреном	Более блестящий со спорами (пыльцой) и кутикулой; с водорослями; с ксиленом; с форменнъши элементами без водорослей; с форменнъши элементами и частью водорослей
Полублестящий клареновый уголь тонколинзовиднослоистый			С битуминозными телами	Основная масса непрозрачная

Блестящий уголь (:lt; витреновьш »)

Бесструктурно- витреновый; структурно- витреновый; смешанно-витреновый

Таблица 2.4

Характеристика литотипов углей (по Г.И. Теодоровичу, 1958)

Название литотипа	Состав	Цвет	Блеск		Характерные признаки
Дюреи	Содержит до 30 % гелефицированных, 70 % фюзенизированных и липоидных микрокомпонентов	Черный	Матовый, иногда маслянистый	Образует полосы разной толщины, иногда слагает целые пласты	Плотный, твердый, часто вязкий, с неровным изломом и шероховатой поверхностью
Кларен	В составе преобладают гелефицированные микрокомпоненты группы витринита (75 %) и липоидные и фюзенизированные компоненты (25 %)	Черный	Блестящий	Образует полосы разной толщины, иногда слагает целые пласты	Трещиноватый, хрупкий, с угловато-неровным изломом и полосчатой текстурой
Витрен	Содержит микрокомпоненты группы телинита	Светлый	Сильный блеск	Присутствует в виде линз или полос разной толщины	Раковистый и полураковистый излом,
Фюзен	Микрокомпоненты группы инертинита, сцементированного небольшим количеством витринита	Черный или сероваточерный	Шелковистый	Образует линзы и примазки по плоскостям напластования мощностью до 0,4-1 мм, реже 1 см.	Повышенное содержание углерода; пониженный выход летучих веществ; полное отсутствие спекающих свойств

Витрен (vitrain) (от лат. Vitrum - стекло) представляет собой наиболее блестящую составную часть ископаемых углей, продукт гелификации исходного материала, сохранивший или не сохранивший признаки клеточной структуры. По химическим свойствам витрен сходен с гумусовыми веществами торфов. В витрене углей наблюдается повышение содержания углерода, уменьшение количества H2O и летучих веществ по мере перехода от бурых углей к антрацитам. Обычно витрен присутствует в виде линз или слоев различной толщины и является наименее зольной составной частью угля. Под микроскопом имеет в проходящем свете оранжево-красный до красноватокоричневого, в отраженном свете - серый или бело-серый.
Фюзен (fusain) представляет собой наиболее матовый литотип, имеющий черный, шелковистый цвет, волокнистую структуру - хрупок, марает пальцы, внешне напоминает обычный древесный уголь. В проходящем свете черный с отчетливой клеточной структурой; в отраженном свете - желто-белый, с резко повышенной отражательной способностью, высоким содержанием углерода, пониженным содержанием водорода. Нередко бывает сильно минерализован в связи с пористым строением. В процессе углефикации, благодаря повышенной карбонатизации менее других подвержен изменениям. Фюзен присутствует в углях всегда в виде мелких обломков древесных тканей, что свидетельствует о предварительном раздроблении растительных остатков. В угольных пластах образует линзы и примазки по плоскостям напластования мощностью 0,4-1 мм, редко до 1 см.
Кларен (clarain) или полублестящий уголь, представляет собой сложный компонент, состоящий из гелефицированной (витренизированной) массой с погруженными в нее лейптинитовыми и фюзенизированными микрокомпонентами (не более 25 %). В зависимости от состава микрокомпонентов различают: кларен споровый, кутикуло- фюзенизированный, и др. разновидности.
Дюрен (durain) - матовый угольный литотип содержит не менее 70 % фюзенизи- рованных или лейптинитовых микрокомпонентов. Основная его масса в проходящем свете под микроскопом может быть непрозрачной, если представлена мелкоаттритовым материалом или же прозрачной, гелефицированной. Дюрен встречается мощными пластами и прослоями, обладает плотным строением, без четко выраженной слоистости, сам характеризуется зернистым строением [104].

Еще по теме Угли ископаемые:

1. 102. Угли погасшего пожара
2. 10.3. Оценка полезных ископаемых Республики Беларусь
3. Полезные ископаемые
4. 10.2. Общая характеристика и классификация полезных ископаемых
5. Полезные ископаемые
6. ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ ДОКЕМБРИЯ
7. Определение возраста ископаемых остатков
8. Добываем ископаемые — ВИДИМ САМИХ СЕБЯ
9. Ископаемые переходные формы
10. Палеонтологические (филогенетические) ряды ископаемых форм
11. Ископаемый человек и человекообразные обезьяны
12. Недра, полезные ископаемые
13. § 2. «Ископаемое» население Сибири в философской телескопии П.Я. Чаадаева