Горные горючие ископаемые, обогащенные органическим веществом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Данная работа посвящена изучению горючих полезных ископаемых органического происхождения, представляющих собой продукты преобразования остатков растительных, реже животных, организмов под воздействием геологических факторов - каустобиолитов.

В наше время ежедневно добывают полезные ископаемые, которые нельзя заменить. И я хотела бы поподробнее рассмотреть их содержание.

1. Каустобиолиты

Каустобиолиты (в переводе с греческого означает «горючий камень органического происхождения») - это горные горючие ископаемые, обогащенные органическим веществом. При этом под органическим веществом понимается вещество, сложенное органическими компонентами в форме мономеров или полимеров, которые прямо или косвенно возникли из живого вещества. Минеральные компоненты: раковины, кости, зубы не входят в его состав.

К каустобиолитам относятся торф, сапропель, ископаемые угли, горючие сланцы. Нефть и горючие газы геологически и генетически связаны с каустобиолитами, но они имеют существенные отличия от других горючих полезных ископаемых.

Во-первых, не все придерживаются представлений об органическом происхождении нефти. Во-вторых, закономерности образования и размещения нефти в значительной мере связаны с её подвижностью, мобильностью, существенными перемещениями в земной коре после образования. Наконец, к настоящему времени учение о нефти выделилось в специальную дисциплину: геологию нефти и газа.

Вещество каустобиолитов образуется из органических соединений, которые синтезируются животными и растительными организмами из газов атмосферы, воды, минеральных солей. Вода при этом содержит фосфор, калий и другие элементы.

2. Состав каустобиолитов

Органические соединения в земной коре могут возникать из различных источников и различными путями. В настоящее время можно указать следующие достоверные и предполагаемые источники образования каустобиолитов.

1. Остатки отмерших растительных и животных организмов и

2. органических продуктов их жизнедеятельности.

3. Абиогенные реакции в литосфере, дающие продукты органического состава.

4. Магматический синтез.

Преобладающим является первый из указанных источников. Основная масса каустобиолитов (во всяком случае, все ископаемые угли и, по всей вероятности, основная масса нефти) имеют своим исходным материалом отмершие организмы. В настоящее время известны лишь единичные случаи нахождения органических продуктов абиогенных реакций в литосфере. Нет оснований отрицать широкое распространение таких реакций, однако возможно, что продукты их недостаточно устойчивы в земной коре.

Что касается третьего источника - синтеза органических соединений в магме, то вопрос о нем в настоящее время является предметом оживленных дискуссий. Накопленный материал не оставляет места для сомнений в том, что на определенной стадии остывания магмы в ней происходят реакции синтеза водорода и углерода с образованием простейших углеводородов. В результате различных процессов молекулы их усложняются и дают начало образованиям, па составу и свойствам вполне аналогичным нефтяным каустобиолитам. Разногласия касаются лишь масштабов магматического нефтеобразования. Существуют две крайние точки зрения. Одни исследователи, во главе с автором магматической гипотезы Н. А. Кудрявцевым, все запасы нефтяных каустобиолитов, заключенные в недрах нашей планеты, приписывают магматическому генезису; другие (большинство геологов-нефтяников), допуская (или не допуская) в незначительных масштабах магматическое нефтеобразование, приводящее лишь к минералогическим скоплениям, считают, что все запасы нефтяных каустобиолитов имеют биогенное происхождение. Ниже мы рассмотрим различные гипотезы нефтеобразования, а сейчас остановимся подробнее на главнейшем источнике подавляющего большинства каустобиолитов - остатках отмерших организмов.

Биосфера, т. е. оболочка Земли, населенная организмами, охватывает часть атмосферы, гидросферу и поверхностные слои литосферы. Верхний предел биосферы ограничен тропосферой; в гидросфере организмы распространены до самых больших океанических глубин. Нижний предел обитания организмов в литосфере оценивается различно, но, во всяком случае, не глубже 3000 м, причем уже на небольших сравнительно глубинах становится возможным существование только анаэробных организмов. По Вернадскому, общий вес биомассы достигает 1014 т. Наибольшую количественную роль в биомассе играют простейшие, обладающие колоссальной быстротой размножения. Преобладающая часть живых организмов обитает в водной среде. Так как доля животных организмов в биомассе по сравнению с растительными ничтожна, то последние являются главнейший исходным материалом каустобиолитов. Главными компонентами, из которых состоят живые растительные организмы, являются: клетчатка (целлюлоза), легнин, белки, жнры, воски, кутин, споронины, полленины, суберин, смолы. По степени химической устойчивости их можно разбить на две группы: относительно малоустойчивые (целлюлоза, лигнин, белки, жиры) и высокоустойчивые.

Но в осадочных породах захоранивается не всё органическое вещество растений и животных, а лишь его часть, которая не подверглась разложению в условиях гипергенеза. Н. Б. Вассоевич считает, что среднее содержание органического вещества составляет 15-20 кг/м3 породы. Общая его масса, заключенная в осадочной оболочке континентального сектора, включая шельфы, достигает 1016 тонн, что в тысячи раз превышает все известные скопления угля, нефти и газа. Важно и то, что для образования каустобиолитов необходимо не только наличие органического вещества, но и особые условия его накопления и захоронения.

Рисунок - Средний элементарный состав живых организмов и каустобиолитов разной степени преобразования

3. Подразделения каустобиолитов

Твердые горючие ископаемые относятся к породам биогенного происхождения и делятся на 3 группы:

· гумусовые каустобиолиты;

· липтобиолиты;

· сапропелиты.

Гумусовые каустобиолиты образуются из гомогенезирующихся (однородных) скоплений остатков высших растений (корни, кора, листья, ветви, стволы). К ним относятся торф, бурый и каменный уголь, антрацит. Это продукты единого ряда преобразования органического вещества растительного происхождения в диагенезе, катагенезе и метагенезе. Из остатков водорослей, низших растений могут образоваться редко встречающиеся сапропелевые угли.

Растительный материал в процессе формирования каустобиолитов гумусового ряда подвергается разложению в условиях обилия влаги, резко ограниченного доступа кислорода или без него (на дне озер, в болотах), и перекрывается вышележащей толщей осадков. В результате органическая масса углефицируется, уплотняется, превращается в твердое вещество, в нем уменьшается содержание кислорода и водорода, возрастает содержание углерода. В зависимости от условий захоронения органики и углеобразования ход процесса может изменяться, что сказывается на типовых особенностях конечного продукта.

Торф состоит из образующихся в болотах скоплений малоизмененных остатков растительной ткани. Цвет серо-желтый, буроватый, серо-черный. Его слагают различные виды болотной растительности: травы, мхи, камыш, осока, хвощ и др. Содержание растительного материала в осадке при образовании торфа по Ф. Петтиджону достигает 70-90%. В состав торфа входят воски, смолы, жирные кислоты, целлюлоза. Отличительная черта торфа в естественном залегании - высокое содержание воды (65-90%). Высушенный торф на 40-60% состоит из целлюлозы. В торфе без изменений остаются наиболее устойчивые ткани растений.

Отложения торфа способствуют быстрый рост растений и весьма угнетенная жизнедеятельность микроорганизмов. В стадийности породообразования возникновение торфа соответствует диагенезу

Наиболее интенсивно торфообразование идет в северных широтах в обширных пресноводных болотах, в прибрежных мангровых болотах, затапливаемых солоноватой морской водой. Скопления торфа имеют четвертичный возраст, в том числе образуются в настоящее время. В странах с гумидным умеренным и тропическим климатом месторождения торфа многочисленны.

Физико-механические свойства торфа

Пористость, реологические свойства, прочность и несущая способность торфяных залежей, внешнее и внутреннее трение.

Торф - упруго-пластично-вязкое тело и при деформировании подчиняется основным законам реологии. Реология торфа рассматривает процессы, связанные с текучестью, пластичностью и упругостью торфяных систем. В зависимости от влагосодержания торфяные системы могут быть жидкообразными структурированными и твердообразными условно-пластичными с преобладанием коагуляциоиных структур, или структур переплетения. Реологическое поведение торфа оценивается уравнением Шведова-Бингама. Основными реологическими характеристиками торфа являются пластическая вязкость, предельное напряжение сдвига, модули деформаций, периоды релаксации напряжений и др. Реологические свойства торфа широко используются при расчетах процессов течения, формования и сушки торфа. Процессы искусственного обезвоживания торфа, прочность и деформируемость торфяных залежей как оснований инженерных сооружений, уплотнение торфа при производстве различных видов продукции обычно оценивают на основе компрессионных и прочностных свойств.

Бурый уголь. Это горючее непрозрачное некристаллическое вещество бурой, темно-коричневой, буро-черной до черной окрасок. Обычно сохраняет структуру первичной древесины. Содержание влаги ниже, чем в торфе - до 30% от общей массы, количество целлюлозы незначительно. Содержание углерода 60-75% на органическую массу. Бурый уголь обогащен лигнитом и гумусовыми соединениями. Обладает низкой теплотворной способностью и плохо высыхает. Образование бурого угля соответствует ранней катагенетической подстадии преобразования органического материала («обуглероживание» торфов), начинающейся после перекрытия залежи торфа глинистой или песчано-глинистой толщей. При этом происходит обезвоживание, биохимические процессы изменения органических гумусовых веществ с участием бактерий, грибов.

Большая часть бурых углей имеет мезозойско-кайнозойский возраст от триаса до антропогена. Месторождения бурого угля многочисленны. Выделяются Челябинский буроугольный бассейн, Канско-Ачинский бассейн. Здесь пласты угля имеют мощность несколько десятков метров до 100-200м.

Каменный уголь образуется при погружении угленосных толщ на большие, в сотни метров и более, глубины в результате прогибания участков земной коры. Для перехода бурого угля в каменный требуются высокие давления и температура порядка 100-300?С.

Физико-механические свойства угля:

а) упругость - способность восстанавливать свои первоначальные размеры после снятия нагрузки;

б) пластичность - способность сохранять деформацию до предела текучести после снятия нагрузки;

в ) твердость - способность сопротивляться упругим и пластическим деформациям при местной силовом воздействии на поверхность тела;

г) прочность - способность сопротивляться разрушению под действием напряжений;

д) хрупкость - способность разрушаться без заметного поглощения энергии;

е) дробимости - свойство, которое определяется совокупностью твердости, вязкости и трещиноватости;

ж) прочность - условное понятие, которое символизирует совокупность механических свойств и проявляется в различных технологических процессах при добыче и переработке угля.

Наиболее крупные бассейны и месторождения бурых углей характерны для мезозойско-кайнозойских отложений. Исключение составляют нижнекаменноугольные бурые угли Восточно-Европейской платформы (Подмосковный бассейн). В Европе залежи бурых углей связаны почти исключительно с отложениями неоген-палеогенового возраста, в Азии -- преимущественно юрского, в меньшей степени мелового и палеоген-неогенового, на остальных континентах -- мелового и палеоген-неогенового. В России основные запасы бурых углей приурочены к юрским отложениям.

Значительная часть бурых углей залегает на небольших глубинах в угольных пластах (залежах) мощностью 10-60 м, что позволяет отрабатывать их открытым способом. На отдельных месторождениях мощность залежей 100-200 м.

Материалом для образования бурого угля послужили различные кониферы, пяльпы, лиственные деревья и торфяные растения, постепенное разложение которых под водой, без доступа воздуха, под прикрытием и в смеси с глиной и песком, постепенно ведёт к обогащению истлевающих растительных остатков углеродом при постоянном выделении летучих веществ. Одной из первых стадий такого истлевания, после торфа, является бурый уголь, дальнейшее разложение которого завершается превращением в каменный уголь и антрацит и даже графит.

Такой переход растительных остатков от слабо истлевшего состояния торфа через лигнит, бурый, каменный уголь и антрацит, наконец в чистый углерод - графит совершается, конечно, крайне медленно и вполне понятно, что, чем разновидности ископаемых углей богаче углеродом, тем древнее и геологический их возраст. Графит и шунгит приурочены к азойской группе, антрацит и каменный уголь -- к палеозойской, а бурый уголь к мезозойской и преимущественно кайнозойской. Впрочем, каменный уголь встречается также и в мезозойских отложениях и, ввиду существования постепенного перехода между бурым и каменным углем, многими принято ископаемые угли моложе меловой системы называть бурым углем, а более древние -- каменным углем, хотя по своим признакам они и заслуживали бы скорее названия бурого угля.

Общие мировые ресурсы бурых углей оцениваются (до глубины 600 м) в 4,9 трлн. т (1981), из них точно подсчитаны 1,3 трлн. т, измеренные 0,3 трлн. т. Основные запасы сосредоточены в России, Германии, Чехословакии, Польше и Австралии. Из них Германия является основным поставщиком бурых углей, Россия на втором месте.

Каменный уголь имеет плотное сложение, черный цвет и обладает хрупкостью при твердости 2-2,5. Удельный вес 1,26-1,35 г/см3. В естественном залегании угольные пласты обычно не являются однородными, а представляют собой чередование линз, прослоев черных сажистых, плотных матовых и блестящих углей. Макроскопически различимые растительные остатки отсутствуют. Содержание летучих компонентов уменьшается. Резко возрастает, от 75 до 92%, количество углерода. Отсутствуют гуминовые кислоты.

В строении угольной массы принимают участие несколько разновидностей, отличающихся структурой, состоянием углистого вещества:

1. фюзен - волокнистый матовый уголь со структурой древесины;

2. дюрен - уголь, состоящий из частиц, сохранивших форму спор, кутикул и фюзенизированной клеточной ткани, сцементированных бесструктурной гелеподобной массой. Матовый или землистый, залегает в виде слоев, не имеющих внутренней слоистости;

3. витрен - полностью гелефицированная клеточная ткань, бесструктурная коллоидная масса. Блестящий, стекловидный, обычно переслаивается с более мощными слоями углей иного типа;

4. кларен - гелефицированная масса с примесью спор, смоляных телец. Пласты, линзы кларена, как правило, имеют слоистость.

В углях присутствуют обломочные зерна и часто отмечается примесь глинистого материала. Углепетрографическая систематика основывается на составе исходного материала, либо на его составных частях (кларен, витрен и т.д.), или на свойствах углей (однородные, полосчатые, штриховые, полублестящие, матовые угли).

Антрациты - это продукты преобразования каменных углей в стадию метагенеза (начального метаморфизма). Плотные, блестящие, черные, отличаются наибольшим среди углистых разностей удельным весом, твердостью и однородностью. В составе органической массы преобладает углерод (93-98%), весьма незначительное содержание летучих компонентов (2-5%).

Обобщая данные по составу углей, помимо преобладания в их составе углерода (60-98%), можно отметить присутствие кислорода от 2-х до 5%, водорода 1-12%, азота 1-3%. Отмечаются небольшие количества серы и фосфора. В углях установлена примесь редких, редкоземельных элементов, а содержание германия, урана, ванадия в отдельных случаях могут достигать промышленных концентраций.

Важным параметром качества угля является теплота сгорания: от 3500 ккал/кг у бурых углей до 8000 ккал/кг у антрацита. Зольность углей, определяемая примесью неорганического материала, колеблется от 2-3% до 40-50%. Этот показатель является своего рода таксонометрической границей для углей. Строго к углям можно отнести твердое горючее полезное ископаемое, имеющее зольность ниже 40%. При зольности выше 40% порода считается горючим сланцем.

Своеобразной категорией каустобиолитов являются коксующиеся угли, т.е. угли, которые при нагревании без доступа кислорода на несколько сот градусов (выше 800?С), превращаются во вспученную шлакоподобную массу в результате удаления летучих компонентов.

В природных условиях угольные пласты мощностью 2-3 и более метров объединяются в угольные серии, перемежаясь с глинистыми, песчаными и песчано-глинистыми отложениями. При этом формируются толщи циклического строения. В отдельных случаях мощность пластов угля на месторождениях может достигать 35-200 м. Залегание угольных пластов в угленосных толщах различное. Некоторые угольные пласты прослеживаются на сотни километров, другие - резко расщепляются на коротком расстоянии, образуя веер самостоятельных пластов.

Гумусовые каустобиолиты образуются за счет наземных растений, остатки которых накопились непосредственно на месте произрастания (автохтонные угли) или были перемещены до их захоронения (аллохтонные угли). Чаще всего угли формирует как автохтонный, так и аллохтонный растительный материал. Превращение растительных форм в уголь составляет ряд биогенных процессов (гумификация, затем углефикация), и позже абиогенных процессов (метаморфизация).

В ходе геологической истории углеобразование началось в связи с развитием наземной растительности в девонском периоде и продолжалось вплоть до четвертичного периода включительно. В Китае известны угли кембрийского возраста. Наиболее бурно процесс проявился в каменноугольный и пермский периоды (до 41% всех известных запасов угля). Отложения юрского и частично мелового периодов вмещают 14% запасов, накопления мела - 16%, палеогена и неогена - 18% мировых запасов угля.

На Урале угленакопление проявлено в широком стратиграфическом диапазоне. Оно известно в каменноугольном, пермском, триасовом, юрском периодах, а также в палеоген-неогеновый отрезок истории. В результате сформировалось несколько крупных угольных бассейнов, вместивших серию угленосных депрессий. Это Северо-Уральский, Южно-Уральский и Тургайский угольные бассейны.

Липтобиолиты

Липтобиолиты - редкая разновидность углей, не имеющая промышленного значения. Они образованы наиболее стойкими компонентами высших растений, не подверженных разложению: оболочки спор, кутикулы (тонкая пленка на эпидерме листьев, молодых стеблей), кора, скопления смолы. В зависимости от преобладающей компоненты растительной ткани липтобиолиты подразделяются на кутикуловые, споровые и другие разновидности. Липтобиолиты встречаются в виде линз и прослоев среди бурых, каменных углей. Они отличаются повышенным содержанием водорода и летучих веществ.

Сапропелиты

Сапропелиты представляют собой каустобиолиты, органический материал которых содержит очень мало остатков наземных растений. Образуются они за счет углефикации скоплений низших одноклеточных водорослей и состоят из остатков клеточной ткани, спор, кутикулы, а также из основной сапропелевой (битумной) и гумусовой массы желтоватого, бурого, зеленоватого цвета. Залегают в виде прослоев среди гумусовых углей, очень редко в виде самостоятельных пластов. Сапропелиты отличаются высоким содержанием летучих (до 90% органической массы), водорода (7-12%) и первичного дегтя. Они подразделяются на сапропелевые угли и собственно сапропель.

Сапропель это современный гелеобразный черный осадок, накапливающийся на дне болот и озер и состоящий из гниющих в анаэробной среде остатков водорослей. Сапропелевые угли подразделяются на 2 типа: кеннель и богхед. Кеннель представляет собой серый матовый сапропелит, легко загорающийся от спички. В основной массе рассеяны водоросли и споры. Богхед - массивный матовый однородной структуры светло- и темно-коричневого цвета, либо серый, зеленовато-бурый. Для богхедов характерен повышенный выход водорода и первичного дегтя. Сапропелиты являются ценным сырьем для газовой и химической промышленности.

Физико-механические свойства каменных углей похожи на свойства бурых углей.

Каменный уголь возникает при залегании пластов торфа на значительной глубине обычно более 3 км. На более значительной глубине образуется антрацит - высший сорт каменного угля. Однако это не означает, что все угольные месторождения расположены на большой глубине. Со временем под действием тектонических процессов различной направленности некоторые пласты испытывали поднятие, в результате чего оказывались ближе к поверхности.

От того, на какой глубине находятся угленосные породы, зависит и способ добычи угля. Если уголь залегает на глубине до 100 метров, то добыча обычно ведётся открытым способом. Так называется снятие верхнего слоя земли над месторождением, при котором полезное ископаемое оказывается на поверхности. Для добычи с большой глубины используется шахтовый метод, при котором доступ к полезном ископаемым осуществляется посредством создания специальных подземных ходов - шахт. Самые глубокие угольные шахты в России находятся на расстоянии около 1200 метров от поверхности.

Наиболее крупные месторождения каменного угля в России

Эльгинское месторождение (Саха)

Это угольное месторождение, находящееся на юго-востоке Республики Саха (Якутия) в 415 км к востоку от города Нерюнгри, является наиболее перспективным для открытой разработки. Площадь месторождения составляет 246 кмІ. Месторождение представляет собой пологую асимметричную складку.

Угленосными являются отложения верхней юры и нижнего мела. Основные угольные пласты находятся в отложениях нерюнгринской (6 пластов мощностью 0,7-17 м) и ундыктанской (18 пластов мощностью также 0,7-17 м) свит.

Угли здесь в основном полублестящие с очень высоким содержанием наиболее ценного компонента -- витринита (78-98 %), средне- и высокозольные, малосернистые, малофосфористые, хорошо спекающиеся, с высокой теплотой сгорания. Эльгинский уголь с помощью специальной технологии можно обогатить, что позволит получить продукт более высокого качества, отвечающего мировым стандартам. Мощные пологие пласты угля перекрываются отложениями небольшой мощности, что очень важно для добычи открытым способом.

Горючие сланцы. Это осадочные породы, тонкоплитчатые аргиллиты или мергели со значительным, до 50-60%, содержанием битуминозных веществ. По сути они являются глинистыми или известковыми углями-сапропелитами, загорающимися от спички. Горят коптящим пламенем, издавая запах жженой резины. Отличаются от углей большей зольностью и меньшей теплотворной способностью. В категорию горючих сланцев включают сланцы, содержащие гумусовое вещество, тождественное с гумусовым веществом бурых и каменных углей, кеннелевые и богхедовые сланцы, а также сланцы асфальтовые и породы, пропитанные нефтью. В горючей массе сланцев повышено содержание водорода, летучих веществ, присутствуют остатки водорослей, иногда раковины морских организмов. Из органических веществ в состав горючих сланцев входят петролены, битум, гумусовые вещества, присутствуют неорганические составляющие - алюмосиликаты, гидраты окислов железа, кальцит, гипс, пирит, сера и др. Цвет сланцев серовато-желтый, до бурого и черного. Формируются из осадков морских, озерных водоемов, лагун при одновременном осаждении глинистых и карбонатных частиц, тонкого органического ила, состоящего из мельчайших водорослей и других организмов. Разлагаясь под водой, без доступа воздуха, органические остатки постепенно превращают ил в темное горючее вещество, затвердевающее при диагенезе. Слагают протяженные пласты мощностью 15-20 м.

При нагревании горючих сланцев в специальных перегонных аппаратах из них получают напоминающее нефть вещество, при последующей переработке дающее парафин, бензин, керосин, смазочные масла и некоторые ценные химические вещества (ихтиол, фенол, битумы).

Важнейшие месторождения горючих сланцев известны в Прибалтике (диктионемовые сланцы), в Среднем Поволжье (близ Ульяновска), около Сызрани (каширские сланцы), а также в Заволжье, в районе Общего Сырта.

Отличительные признаки

Для горючего сланца характерны сланцеватое строение, черный, желтый цвет. Горючие сланцы напоминают глинистые сланцы. Отличаются горючие сланцы от глинистых тем, что обладают способностью гореть, и более легки, по сравнению с глинистыми сланцами.

Происхождение

Горючие сланцы образовались на дне морей благодаря одновременному отложению органического и неорганического ила.

Применение

Горючие сланцы - топливо и технологическое сырье. Из горючих сланцев получают масла и смолы. Первые идут в качестве топлива на электростанции, а смолы являются ценным химическим сырьем для производства почти пятидесяти различных продуктов. Эстонская и Прибалтийская ГРЭС - крупнейшие в мире электростанции, работающие на сланцах. Горючие сланцы используются для получения бензина, бытового газа, фенола, ароматических углеводородов, электродного кокса, бензола, синтетического дубителя, клея для строительной индустрии (для скрепления блоков домов), пластмасс, гербицидов, дорожных битумов. Сланцы называют топливом будущего, потому что их мировые запасы во много раз превышают запасы других горючих ископаемых (нефть, природный газ, каменный уголь), вместе взятых. Сланцевая смола является хорошим изолятором, «защитником» от коррозии, в ряде случаев заменяет пайку и сварку. Она также используется для удобрения почвы. Сланцевая зола используется в производстве вяжущих веществ и строительных деталей. Смола находит применение в производстве химических препаратов.

Месторождения

Месторождения их имеются в Белоруссии (Полесье), Эстонии (Кохтла-Ярве, Йыхви), в России (Сланцы - Ленинградская область), Среднем Поволжье (Ульяновск, Сызрань). Богатейшие залежи горючих сланцев имеются также в США, Канаде, Бирме, Бразилии, Италии, Конго и во многих других странах.

Твердые продукты поликонденсации называются керогеном. Кероген - это органическое вещество, нерастворимое в органических растворителях, щелочах и кислотах. Химически кероген представляет собою трехмерную макромолекулу, которая составлена конденсированными циклическими ядрами, соединенными гетероатомными связями. Такое строение керогена обеспечивает его свойствами молекулярного сита. В матриксе (структура) керогена, как в молекулярном сите могут находиться липиды, углеводороды и другие ОВ.

Твердость керогена, нерастворимость его в органических и минеральных кислотах, обусловливает его устойчивость и способность сохраняться в осадочных породах Земли в течение миллионов лет. Вполне заслуженно кероген приобрел второе название - геополимер

Наиболее часто кероген рассеян в минеральной массе пород в виде мелких буроватых, слабо прозрачных частиц. В связи с этим за керогеном закрепилось еще одно, менее корректное называние - рассеянное органическое вещество (РОВ). Однако нередки случаи, когда кероген образуют скопления, давая начало угольным пластам, нефтематеринским толщам, горючим сланцам,

В зависимости от условий седиментационно - диагенетического преобразования кероген имеет разные свойства принято различать три типа керогена.

Кероген типа - I имеет химический состав, в котором отношение Н/С > 1,5, О/С < 0,1 и много липидного материала. При пиролизе (550-600 °С) он продуцирует широкую гамму летучих компонентов и наибольшее количество нефти по сравнению с другими и типами керогенов,

Формирование керогена типа - I происходит в озерных обстановках, в мелких морях, болотах и лагунах, в условиях обильного накопления и слабого микробиального разложения водорослевого и планктоногенного материала в слабо - восстановительной среде. Примером керогена типа~1 является органическое вещество кукерских горючих сланцев Эстонии, тасманитов и куронгитов Австралии, богхедов Франции, торбанитов Шотландии, горючих сланцев Грин-Ривер (США).

Кероген типа - II имеет химический состав, в котором отношение Н/С относительно высоко (1,5-1,0), а значение О/С - низкое (0,1-0,2). Значительную роль в составе играют полиароматичвские ядра, сложноэфирные связи, сульфидные связи, битумоиды. При пиролизе кероген - II дает меньший выход продуктов, чем кероген-I. Однако они представлены нефтью и газом и составляют ~60% от всего органического вещества.

Образуется кероген типа - II в морских резко - восстановительных обстановках, в осадках, обогащенных детритом зоо- и фитопланктона, разложенного бактериями. Кероген типа - II слагает нефтематеринские породы нижнетоарских горизонтов Парижского бассейна, пенсильванских горизонтов Северной Америки, доманиковых отложений Волго-Уральского, Прикаспийского и Западно-Сибирского бассейнов менилитовых сланцев Прикарпатья, хадумитовых сланцев Предкавказья, Сузакских сланцев Средней Азии, черных сланцев куонамской и малгинской свит Восточной Сибири. Наиболее ярким представителем керогена типа - II является захороненное органическое вещество баженовской свиты Западной Сибири.

Зарубежными исследователями доказано, что и в зернистых фосфоритах рассеянное органическое вещество представлено керогеном типа - II.

Кероген типа - III имеет низкие значения Н/С (менее 1,0) и высокие значения атомного отношения О/С, достигающие 0,2-0,3. Строение его молекул напоминает строение молекул керогена - П, но он не содержит сложно эфирных группировок. При пиролизе он выделяет очень мало нефтепродуктов и, несравненно, больше газа.

Образуется кероген типа - Ш из разложенных остатков высших наземных растений. Разложение происходит в субаэральных речных, в неморских паралических условиях. Их микробиальному разложению препятствует большая скорость накопления осадков и быстрое захоронение в мощных осадочных толщах континентальных окраин.

Примером керогена типа Ш может служить захороненное органическое вещество юрских отложений васюганской и тюменской свит Западной-Сибири, карбоновых отложений Кузбасса, сланцев Чаттагуга (США).

Рисунок

4. Преобразование каустобиолитов на стадиях катагенеза и метагенеза

В условиях эволюции земной коры, погружения и поднимания осадочных бассейнов происходит преобразование не только пород, их минерального и газо-водной составляющих, но и захороненного в них органического вещества - керогена.

Преобразование керогена на стадиях ката- и метагенеза происходит в результате увеличения Т и Р. Повышение температуры во время погружения осадочных отложений вызывает постепенную, перестройку структуры керогенов. Сначала в керогенах происходит разрыв слабых связей. При этом выделяется вода, углекислый газ и некоторые более сложные соединения. Позднее, в среднем катагенезе, высвобождаются углеводороды, образуется нефть, а затем и жидкий газ

В метагенезе керогены перестраиваются наиболее существенно. Слагающие их компоненты собираются в крупные агрегаты, выделяют сухой газ, преобразуются в высокоуглородистые соединения. Постепенно остается единственный выделяющийся углеводородный газ - метан. Соотношение Н/С и О/С падает.

Однако в преобразовании разных типов керогенов и слагаемых ими пород имеются и свои характерные особенности.

Кероген типа I и горючие сланцы, основу которых он составляет, в стадиальном эпигенезе выделяют молекулы азотистых, сернистых' и кислородных соединений. Они не имеют готовой нефти и выделяют в незначительных количествах битумоиды и газообразные углеводороды.

Из них извлекается значительное количество сланцевой смолы - до 40% органического вещества, Сланцевые смолы содержат 30-50% олифинов - соединений, которых практически, нет в природной нефти. Кроме того, для них характерно значительное содержание азота и серы.

Кероген типа I и слагаемые им породы относятся к нефтаматеринским. Это связано с особенностью керогена - II, вслед за выделением воды и обильного СО2 генерировать значительное количество нефти и других углеводородов.

Состав нефти сложен. В нем выделяются насыщенные углеводороды, ароматические углеводороды, смолы, асфальтены, сернистые, азотистые соединения, металлоорганические компоненты.

С увеличением глубины, температуры и времени формирования нефти уменьшается ее плотность и содержание серы, но увеличивается концентрация легких углеводородов (алканов).

Кероген типа - III и слагаемые им угли и углистые сланцы на стадиях катагенеза и метагенеза меняются существенно. Они проходят последовательный ряд углефикации, т.е. физико-химического и термобарического преобразования с увеличением количества углерода.

Следует подчеркнуть, что этот ряд непрерывный и линейный. В нем последовательно изменяются физические свойства: уменьшается влажность, пористость, прозрачность, увеличивается плотность, показатель преломления, отражательная способность - RО. Химические изменения включают продолжающуюся конденсацию, полимеризацию и потерю функциональных групп с кислородом, азотом и серой.

Непрерывность, последовательность и закономерность изменения свойств керогена типа III позволила использовать их для создания шкалы углефикации, а затем и шкала ката- и метагенеза. В ряду последовательного преобразования керогена типа III углефицируется, а породы, испытывая постепенные преобразования, меняются в ряду: торф - бурый уголь - каменный уголь - углистый сланец - антрацит - аспидный сланец.

При преобразовании углистых пород и керогена типа III происходит выделение воды, углекислоты, низкомолекулярных углеводородов, в частности, метана. Наиболее интенсивные выделения метана начинаются тогда, когда степень углефикации соответствует каменным углям.

Высокомолекулярные углеводороды практически не генерируются. Видимо, в керогене типа - III, углях и углистых сланцах нет механизма выделения и миграции жидких углеводородов.

Итак, в эволюции керогенов разных типов есть общие и отличительные особенности. К общим особенностям относятся: упорядочение структуры атомов углерода, удаление продуктов упорядочения, препятствующих этому процессу; выделение в начале катагенеза воды, углекислоты, гетероатомных соединений; в середине и конце катагенеза - нефти и жирного газа; в метагенезе - сухого газа.

Искусственная эволюция керогенов при нагревании (пиролизе) обнаруживает интересные их особенности. Все они разлагаются, последовательно выделяют продукты пиролиза, процесс протекает в интервале температур до 500-600° С, но есть особенности. Кероген типа I и кероген типа - II выделяют эстеры - ферменты, содержащиеся в животных и микроорганизмах, кероген типа - II их не выделяет совсем.

Общность некоторых свойств керогенов типа - I и типа - II подкрепляет имеющееся за ними общее название "сапропелиты" в отличие от "гумолитов", соответствующих керогену типа - III. Исследования, проводимые на кафедре минералогии и петрографии ТПУ, показали, что кероген типа - III имеет специфические ядерно - геохимические особенности. Именно они ответственны за механизм формирования и эмиграции жидких и газообразных углеводородов.

каустобиолиты полезные ископаемые геологический

Вывод

В настоящее время в угольной геологии закрепилось представление о формировании большинства месторождений на базе лесных болот, на месте произрастания растительности. Согласно этой точке зрения угли являются автохтонными образованиями. Однако это не единственная точка зрения. Некоторые ученные придерживаются несколько иной точки зрения, считая органический материал во многих случаях аллохтонным, привнесенным водными потоками. Перенос очень легких по удельному весу частиц растений может осуществляться в водной среде с весьма слабой энергией, что характерно для водных потоков, действующих в условиях обширных аллювиально-озерных заболоченных равнин.

Ежедневно только в нашей стране добывают огромное количество полезных ископаемых, необходимое в жизни.

Литература

1. Иванова Г.М., Столбова Н.Ф. Практикум по петрографии осадочных пород.

2. Муратов В.Н. Геология каустобилитов

3. Интернет-источники

Размещено на Allbest.ru