Размещено на http://www.allbest.ru/

Месторождения горючих и неметаллических полезных ископаемых

Курс лекций

Высоцкий Э.А.

2003 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Изучением условий образования полезных ископаемых и выяснением закономерностей их пространственного размещения занимается специальная отрасль геологических знаний - учение о месторождениях полезных ископаемых. Учебная дисциплина «Месторождения горючих и неметаллических полезных ископаемых» является одним из интегральных учебных геологических курсов, отвечающих принципам комплексного университетского образования.

Главная цель данной дисциплины - дать студентам представление о геолого-промышленных типах твердых горючих и неметаллических полезных ископаемых, их ресурсах и запасах, закономерностях размещения, условиях залегания, структурно-текстурных особенностях и вещественном составе руд.

В структуре курса лекций выделяются две самостоятельные части: первая посвящена месторождениям твердых горючих ископаемых, вторая - месторождениям неметаллических полезных ископаемых. В первой части рассматриваются вопросы условий образования, генетическая и технологическая классификации твердых горючих ископаемых, химический состав углей, строение угленосных и сланценосных формаций и геология месторождений каустобиолитов. Во второй части приведена информация о неметаллических полезных ископаемых, причем описание и характеристика их выполнены в соответствии с номенклатурой, предложенной академиком В. И. Смирновым. Одно из центральных мест отведено описанию конкретных видов минерального сырья - фосфатов, калийных и калийно-магниевых солей, серы, боратов, графита, асбеста, слюд, алмазов и др. Помимо широко известных в мире месторождений, приведена необходимая информация о важнейших месторождениях твердых горючих и неметаллических полезных ископаемых Беларуси.

Книга составлена на основе материалов, используемых автором при чтении курса «Месторождения горючих и неметаллических полезных ископаемых» для студентов-геологов Белорусского государственного университета. Использована также классическая литература (В. И. Смирнов, П. М. Татаринов, А. А. Гапеев, Н. И. Еремин, А. И. Кравцов, А. К. Матвеев и др.). Информация, приведенная в данном курсе лекций, может представить интерес для геологов, занимающихся изучением неметаллических полезных ископаемых. Критические замечания будут приняты автором с благодарностью и учтены в работе по дальнейшему совершенствованию курса лекций.

ЧАСТЬ I. МЕСТОРОЖДЕНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ. ГЕОХИМИЯ УГЛЕРОДА И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Развитие учения о твердых полезных ископаемых. Горючие полезные ископаемые обычно называют каустобиолитами (kausto - горючий, bios - жизнь, litos - камень). Этот термин введен в науку немецким палеоботаником Г. Потонье. Каустобиолиты являются одним из источников энергии, важным технологическим топливом в черной металлургии, а также используются в химической промышленности.

Научные представления об органическом происхождении каустобиолитов (уголь) впервые были высказаны учеными еще в первой половине XVI в. М. В. Ломоносов в своей работе «О слоях земных», напечатанной в 1763 г., изложил соображения о происхождении каменного угля из торфяников. В дореволюционной России изучением геологии угольных месторождений начали заниматься позже, чем за границей. В 1721 г. был открыт Донецкий, в 1722 г. - Подмосковный и Кузнецкий угольные бассейны. Особый прогресс был достигнут в связи с организацией в 1882 г. Геологического комитета. Одной из крупных его работ явилось составление геологической карты Донецкого бассейна в масштабе 1:42 000. В это время были заложены основы геологии каустобиолитов. Огромный вклад в развитие учения о твердых полезных ископаемых внесли следующие геологи: А. П. Карпинский, Л. И. Лутугин, П. И. Степанов, А. А. Гапеев, В. И. Яворский и др. В 1912 г. курс «Каменный уголь и другие виды твердого ископаемого топлива» (Н. Лебедев) был одним из первых опубликован в России, в Екатеринославе.

За годы Советской власти учение о геологии каустобиолитов получило дальнейшее развитие: изменился подход к изучению месторождений и бассейнов, больше внимания стало уделяться условиям образования каустобиолитов, исследованию вещества угля, геохимии, различным технологическим процессам и т. д. В 1937 г. опубликована крупная коллективная работа под редакцией П. И. Степанова «Геология месторождений ископаемых углей и горючих сланцев». После Великой Отечественной войны были изданы карты, атласы и учебники.

Во второй половине ХХ в. развитие мировой угольной науки и практики отмечено большими достижениями в области учения об угленосных формациях, условиях их образования, закономерностях размещения месторождений и бассейнов, изучения вещественного состава углей и горючих сланцев. Значительные успехи получены в развитии скважинных геофизических исследований, позволивших резко повысить информативность геологоразведочных данных и степень изучения качества углей.

В Беларуси изучением твердых каустобиолитов (бурый уголь, горючие сланцы, торф) занимались Д. М. Корулин, А. Н. Брусенцов, Ю. И. Горький, Л. Ф. Ажгиревич, П. А. Пидопличко, И. Я. Яременко и др.

Топливно-энергетические ресурсы. На земном шаре известно более 2900 месторождений угля с общими запасами 14,3 трлн т (12,0 трлн тут Тут - тонна условного топлива с удельной теплотой сгорания 29,303 МДж/кг.), сотни месторождений горючих сланцев с запасами сланцевой смолы 550 млрд т и многие тысячи месторождений торфа с общими запасами 350 млрд т (105 млрд тут). В общих мировых запасах ископаемого топлива на долю углей, горючих сланцев и торфа приходится 93 %, а на долю нефти и газа около 7 % (условного топлива соответственно 74 и 26 %). В то же время в топливно-энергетическом балансе мира соотношение этих источников энергии обратное: доля нефти и газа превышает 65 %, а твердого топлива менее 30 %.

Во второй половине ХХ в. в результате проведения интенсивных геологоразведочных работ были открыты крупные месторождения не только в наиболее богатых углем и сланцами странах Евразии и Северной Америки, но и в Австралии, Южной Америке и Африке, а также в Беларуси. Во многих странах разрабатываются и реализуются программы по расширению добычи и использованию угля и горючих сланцев.

Геология углерода и происхождение твердых горючих ископаемых. По исходному органическому веществу, условиям его накопления и последующему геологическому изменению между всеми горючими ископаемыми существует генетическая связь.

Круговорот углерода в природе. Образование твердых горючих ископаемых обязано происходящему в биосфере, в частности в растениях, процессу фотосинтеза. Кларк углерода в литосфере равен 0,23 % (по А. П. Виноградову). Среднее содержание углерода составляет (%): в ультраосновных и основных породах - 0,01, в средних - 0,02 и в кислых - 0,03. В осадочных породах 4/5 углерода находится в карбонатной форме, значительная доля приходится на органический углерод (угли, горючие сланцы, нефть и т. д.).

Общее количество углерода в природе достигает 610 . 109 т. Ежегодно не менее 1 млрд т углерода захороняется в осадок на длительное время, а значительное количество его навсегда уходит из системы атмосфера-гидросфера-биосфера. За 1-1,5 тыс. лет весь углерод атмосферы мог быть связан в карбонатных и органических отложениях. Однако этого не происходит в связи с систематическим пополнением углекислого газа атмосферы за счет вулканических эманаций.

Часть органического вещества после отмирания организмов подвергается разложению бактериями с выделением при этом углерода в газообразном состоянии в виде СО2 и СН4. Другая часть органического вещества минерализуется, и углерод переходит в состав минеральных соединений (СаСО3, MgСО3, FeСО3 и др.). Минеральные соединения углерода в процессе погружения осадочных образований при нагревании разлагаются, в результате чего образуются СО2 и частично СH4, которые снова возвращают углерод в атмосферу. Циклический процесс круговорота углерода в природе имеет очень большое геохимическое значение. По подсчетам В. А. Успенского, длительность круговорота углерода колеблется от 100 до 300 лет.

Исходное углеообразующее вещество. По составу, строению и условиям жизни исходные для образования твердых горючих ископаемых растения разделяются на две основные группы: высшие и низшие. Высшим растениям свойственны отчетливо выраженная корневая система, ствол, стебель, листья. Они приспособлены к жизни в наземных условиях. Низшие растения сложены преимущественно одинаковыми клетками и обитают в водной среде. Высшие растения состоят главным образом из целлюлозы, или клетчатки, лигнина, белков, жиров, восков и смол, а также гемицеллюлозы. Кроме того, каждая растительная клетка содержит некоторое количество минеральных веществ, дающих при сжигании смолу. Из-за преобладания в растениях тех или иных тканей, как, например, в высших растениях целлюлозы и лигнина, а в низших - жиров, восков и смол, химический состав различных групп растений (альги, папоротника, хвоща, хвойных и лиственных деревьев, травы) существенно различен.

Типы накопления исходного вещества. Различают два типа отложения исходного вещества - автохтонный и аллохтонный. Автохтонный тип - это такой тип отложения, при котором первичные организмы обитали на местах современного залегания каустобиолитов. Существуют две разновидности автохтонии - водная и наземная. Аллохтонный, или приносной, тип- это такой тип отложения, при котором растения после гибели транспортируются с места произрастания.

Главным признаком автохтонии служат корневые остатки или пни в почве пласта, наличие и сравнительно хорошая сохранность мелких частиц растений, в большинстве случаев не очень большое количество минеральных примесей. Для аллохтонного накопления характерны плохая сохранность и измельченность растительных остатков и в большинстве случаев - высокая минерализация полезного ископаемого.

Процессы разложения органического вещества. Характер разложения растительности зависит от среды, в которую она попадает после гибели, где могут идти четыре различных процесса: тление, перегнивание, оторфение и гниение. Тление происходит при полном доступе кислорода, вследствие чего органическая часть растения полностью окисляется и уходит в форме газов в атмосферу. Из минеральной части растений образуются твердые остатки. Перегнивание - неполное тление при недостаточном доступе воздуха. В результате происходит неполное окисление. Этот процесс характерен образованием твердых продуктов, богатых кислородом, - гумусовых веществ. Оторфение - промежуточное звено между перегниванием и гниением. Образующиеся в результате этого процесса твердые продукты состоят главным образом из гумусовых веществ, в состав которых входят гуминовые кислоты. Гниение - восстановительный процесс, происходящий при полной изоляции от доступа воздуха в илах и застойных водах и приводящий, как правило, к образованию сапропелитов.

Стадии преобразования органических остатков. Выделяются три стадии преобразования органического вещества: биогенная, химическая и геологическая. На первой, биогенной (или биохимической), стадии происходят преобразования исходного вещества, агентами разложения являются грибки, микробы и бактерии, которые в процессе жизнедеятельности перерабатывают погибшие растительные организмы.

Вторая, химическая, стадия преобразования происходит довольно длительный период времени и включает огромное число цепных химических реакций. Эти реакции идут в направлении создания коллоидной массы. В условиях обводненности без доступа кислорода исходное вещество подвергается гелификации. Процесс гелификации - это преобразование исходной растительной массы в коллоидные вещества - гель. Гелифицированные микрокомпоненты углей образуются либо путем набухания гумифицирующихся растительных тканей, либо при коагуляции гумусовых растворов. При спорадически ограниченном доступе кислорода, создающем окислительную реакцию, происходит фюзенизация. Фюзенизация - это процесс изменения углеобразующего растительного материала в окислительной среде, при котором лигнин и целлюлоза превращаются в необратимый твердый продукт - фюзен.

Третья, геологическая, стадия начинается с захоронения осадка под минеральной кровлей. Исходное ОВ претерпевает изменение под воздействием возрастающей температуры и давления. Происходящие в результате этого процессы изменения органического осадка называются углефикацией. При этом осадок обезвоживается, уплотняется в 5-6 раз, полимеризуется, жидкие вещества превращаются в твердые. Гумусовая кислота, окрашивающая болотную воду в коричневый цвет, превращается в твердое гуминовое вещество, слагая так называемую «основную массу» угля. Процесс разложения низших растений и организмов, приводящий к образованию веществ, близких к углеводородам (УВ), называется битуминизацией.

Необходимые предпосылки для углеобразования. Важнейшими предпосылками являются: фитологические, климатические, геоморфологические и тектонические. Фитологические предпосылки создают возможность накопления исходного вещества. Уже в раннем архее (3,7-3,5 млрд лет тому назад) установлено наличие биогенных формаций с относительно высоким содержанием органического углерода. Активное накопление углеобразующей растительности началось в позднем силуре-раннем девоне, когда произошел выход водной растительности на сушу. Весь отрезок времени эволюции растений от кембрийского периода до нашего времени подразделяется на четыре эры развития растительности: талассофит, палеофит, мезофит и кайнофит.

Климатические предпосылки определяют как масштабы накопления исходного материала, так и его морфологию. В глобальном геолого-историческом плане выделялись области с гумидным климатом, благоприятные для торфо- и углеобразования, и области с аридным климатом, менее благоприятные для образования больших масс растительности.

Геотектонические предпосылки играют важную роль в торфо- и углеобразовании, особенно медленные эпейрогенические вековые колебания с преобладанием нисходящих движений. Этими движениями обеспечивается наращивание мощности массива исходного органического материала, компенсирующего амплитуду погружения и его захоронение в недрах.

Геоморфологические предпосылки обусловливают обстановку для сохранения накопившегося массива исходного вещества. Они действуют на стадии торфообразования вплоть до перекрытия торфяного массива осадочными минеральными образованиями.

Лекция 2. ТОРФ

Торф - горючее полезное ископаемое, образовавшееся в результате неполного распада растений и содержащее в сухой массе не менее 50 % органического вещества. По внешнему виду торф в естественном состоянии представляет собой волокнистую или пластинчатую массу не вполне разложившихся растительных остатков от светло-бурого до землисто-черного цвета. По теплоте сгорания органической массы торф занимает промежуточное положение между древесиной и бурыми углями. Современные торфяные залежи относятся к голоцену, занимают при мощности торфа 0,3 м общую площадь около 5 млн км2, или около 3,3 % суши.

Торф не обладает геологической устойчивостью в масштабах геологического времени. Из торфяников современной геологической эпохи в ископаемое состояние с образованием угольных месторождений может перейти лишь незначительная часть существующих залежей, которые территориально располагаются в зоне отрицательных движений земной коры.

Предпосылки торфообразования. Основными предпосылками торфообразования являются: 1) развитие растительности, способствующей накоплению биомассы в значительных масштабах на 1 м2; 2) больший и равный единице коэффициент увлажнения; 3) наличие отрицательной формы макро- или микрорельефа, обеспечивающей развитие водоема, в пределах которого происходит торфообразование; 4) преобладание процесса фотосинтеза над процессом распада.

Торфообразование. Формирование торфяников - сложный биохимический процесс преобразования растительной массы, произрастающей на торфяном болоте, в торф. Все свойства торфа формируются в верхнем «торфогенном» слое торфяного болота. Степень разложения торфа, т. е. соотношение гумусового вещества и сохранившихся растительных остатков, определяется высотой и постоянством уровня грунтовых вод. Процессы диагенеза могут проявляться только в торфах, находящихся под сильным давлением большой мощности минеральных отложений. По данным Л. И. Боголюбовой и П. П. Тимофеева, торф со степенью разложения 0-25, 25-50 и 50-75 % подвергается изменениям главным образом в направлении гелификации, и в нем образуются гелинитовые, постгелинитовые и преколинитовые компоненты.

Типы торфяников. В зависимости от приуроченности к элементам рельефа местности выделяются три типа торфяников: 1) верховой - на водоразделах; 2) переходный - на террасах склона водораздела; 3) низинный - в поймах. Каждый из них подразделяется на подтипы и группы.

Низинный тип торфов возникает в условиях богатого минерального питания и увлажнения. Здесь формируется большое разнообразие фитоценозов и, следовательно, видов торфа. Переходный тип торфов образуется в условиях несколько обедненного минерального питания в слабокислой среде и с пониженным привносом аллохтонного материала. Торфы верхового типа формируются в условиях бедного минерального питания с разнообразной, перемежающейся степенью увлажнения.

Растения-торфообразователи. Растительность болот по видовому составу довольно разнообразна. По этому показателю выделяются три группы: 1) мхи; 2) травы; 3) древесные формы и кустарники. Мхи представлены в основном белым (сфагнум) и зеленым (гипнум), реже кукушкиным льном. Сфагнувые мхи произрастают при очень бедном минеральном питании. Они составляют главную часть торфообразователей залежей верхового типа. Характеризуются низким содержанием целлюлозы и небольшим количеством битумов. В отличие от них зеленые мхи, свойственные переходному и низинному типам торфяных болот, обладают повышенной зольностью, высокой концентрацией азотсодержащих веществ и большей устойчивостью против разлагающих агентов.

Травянистые растения представлены тростником, камышом, пушицей, осоками и др. Эта группа торфообразователей характерна для низинного и переходного типа торфяников. В них наблюдается более высокое (до 38 %) содержание целлюлозы, а также повышенное по сравнению с другими растениями количество белковых веществ и относительно высокое содержание битумов.

Древесные торфообразователи чаще всего представлены сосной, елью, лиственницей, березой, ольхой, ивой, а полукустарниковые - багульником, подбелом, голубикой, кассандрой, клюквой, вереском и др. Торфяные болота зарастают не одним каким-то типом растений, а растительными ассоциациями.

Торфяники тропических широт. Торфяники Северного полушария в Евразии и Америке принадлежат к образованиям умеренных широт и не отвечают условиям происхождения палеозойских и мезозойских крупных угольных бассейнов, чаще всего возникавших вблизи морского побережья. Природной моделью древних торфообразующих болот может служить Большое Дисмальское (Гиблое) болото в штатах Северная Каролина и Виргиния. Оно было изучено еще известным английским геологом Ляйеллем.

Это болото расположено на берегу Атлантического океана и лишь на несколько метров возвышается над его уровнем. Оно простирается на 60 км при ширине 40 км. Вся площадь болота покрыта лесом, причем наиболее характерны следующие древесные породы: болотный кипарис, лавровый тополь, белый кедр, сосна. Наиболее приспособлен для жизни на местах, залитых водой, болотный кипарис, развивающий особые корневые образования - пневматофоры, выступающие из воды и служащие путями доставления необходимого воздуха в корневую систему растения. Стволы деревьев у основания сильно расширены, так как своими корнями не могут в воде глубоко проникать в почву. Для устойчивости они нуждаются в других приспособлениях - в расширенной части ствола с расходящимися во все стороны корнями. Подобные приспособления имели деревья палеозойского возраста, которые были описаны А. А. Гапеевым в угленосной толще Кузнецкого бассейна. При сильном ветре деревья легко падают. В этом бассейне толщина торфа, сплошь состоящего из перегнивших корней, листьев, фрагментов ветвей и семян, доходит до 5 м. Прирост торфа за 1 год может составить 2-2,5 мм.

Болота тропического пояса достаточно широко распространены на о. Суматра, на морских побережьях о. Шри Ланка и полуострова Индостан, островах Малайского архипелага и т. д. Здесь широко распространены мангровые деревья. Между их ходулевыми корнями накапливается большое количество материала, привносимого реками и морской водой. Приливы и отливы перемалывают и перетирают этот материал. Полученный из него таким образом черный ил не похож на осадки спокойных вод.

Химический состав торфа. Свойства и химический состав торфа определяются соотношениями образующих его видов растительности и степенью их разложения. Элементный состав горючей массы торфа следующий: углерод 50-60, водород 5-6, кислород 30-40, азот 1-3, сера 1,5-2,5 %. Влажность торфа очень высокая и в естественном состоянии составляет до 96 %. Пористость также высокая и достигает 95 %. У слабо разложившегося торфа теплота сгорания при 40 % влажности составляет 9-10 МДж/кг, а при повышенной степени разложения - до 13 МДж/кг.

В процессе диагенеза торфа происходят изменения в химическом составе: снижается содержание гемицеллюлозы (на 30-60 %), фульвокислот (на 50 %) и негидролизуемого остатка (на 17-35 %), увеличивается содержание гуминовых кислот (на 35-52 %) и битумоидов. По зольности выделяются торфа: 1) бедные золой (содержание золы 0,5-5 %); 2) среднезольные (5-10 %) и 3) богатые золой (10-50 %).

Торфяное месторождение. Торфяным месторождением называется территориально обособленный участок земной поверхности, характеризующийся избыточной увлажненностью, покрытый влаголюбивой растительностью, имеющий торфяную залежь в неосушенном состоянии мощностью не менее 0,7 м и площадью, обеспечивающей возможность практического использования торфа. Месторождения при их объединении во взаимосвязанную систему образуют торфяной бассейн.

Мощность торфяных залежей варьирует от 0,3 до 7-8 м, реже больше. В среднем мощность у торфяников верхового типа с флорой сфагнум-фускум составляет 3,6-4,8 м, у переходного - 2,0-2,5 м, низинного - 1,6-2,0 м.

Закономерности размещения торфяников. Размещение торфяников на земном шаре определяется оптимальным сочетанием предпосылок торфообразования в различных широтах и появлением так называемых поясов торфонакопления. Интенсивное торфонакопление располагается в средних широтах Северного полушария. Протяжность этого пояса составляет 10 000 км, ширина местами превышает 1500 км, а общая площадь составляет 9 млн км2. Ему заметно уступают по протяжности и масштабу торфообразования другие пояса (умеренных широт, полярных и горных областей), в том числе торфяники тропической полосы.

В мировом топливо-энергетическом балансе торф играет незначительную роль: его мировые ресурсы при влажности 30-40 % составляют около 350 млрд т, из них около 150 млрд т сосредоточено в России, по 30-35 млрд т в Канаде и Финляндии, 15 млрд т в США. Мировая добыча торфа составляет 110-140 млрд т.

Торфяные ресурсы Беларуси. В Беларуси около 12,4 % территории покрыто торфяниками. Общая площадь распространения торфяных залежей составляет около 2,5 млн га, в границах промышленных залежей - 1,62 млн га (при мощности пласта не менее 0,7 м). Запасы торфа-сырца оцениваются в 30,4 млрд т. Низинные залежи по площади составляют 80,4 %, по запасам торфа-сырца - 75 %, верховые - соответственно 13,6 и 18,5 %, переходного типа - 6 и 6,5 %.

Естественная влажность современных торфов достигает 88-95 %. Зольность верховых торфов обычно колеблется от 1,5 до 4 %, низинных - от 5 до 15 %. Низинный торф по сравнению с верховым отличается повышенным содержанием СаО (в низинных - 2,25 %, в верховых - 0,28 %) и Fe2О3 (1,33 и 0,13 % соответственно). Элементный состав органической части торфа следующий: углерод 45,5-61,7 %, кислород 28,0-46,1 %, водород 4,8-6,2 % и азот 0,5-2,9 %.

В республике выявлено около 6 500 месторождений торфа. Промышленные запасы торфа составляют 2,5 млрд т, прогнозные ресурсы - 3 млрд т. Разрабатывается несколько сотен месторождений.

Лекция 3. УГОЛЬ: СТАДИЙНОСТЬ УГЛЕОБРАЗОВАНИЯ, СОСТАВ, СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

Стадийность углеобразования. Уголь - горная порода растительного происхождения, состоящая из органического и минерального вещества, прошедшего стадию оторфения. Процесс углеобразования является единым и стадийным - от молодых образований (торфов) до качественных углей и далее антрацитов.

Торфяная стадия. Происходит формирование торфяников главным образом за счет высших растений, которые после отмирания подвергаются различным процессам, приводящим к образованию органических кислот. По степени устойчивости составные части растений располагаются следующим образом: легче всего разлагается протоплазма, за которой следуют жиры, лигнин и целлюлоза, затем кутикула, споры и пыльца, наиболее устойчивыми к разложению являются воски и смолы. В результате разложения преобладающих в растениях лигнино-целлюлозных тканей образуются гуминовые кислоты. Эти кислоты сохраняются в торфе и по мере дальнейшего преобразования переходят в твердое состояние в виде гуминовых веществ, составляющих основу гумолитов.

Установление границы торф-бурый уголь по внешним признакам весьма затруднительно. В качестве пограничных данных чаще всего принимают содержание углерода в бурых углях не менее 64 %, влаги 14 %, теплоту сгорания 20,2 МДж/кг, показатель отражения витринита в масле 0,3.

Буроугольная стадия. На этой стадии углеобразовательного процесса торф превращается в бурый уголь. Бурые угли отличаются от торфов более высокой степенью разложения остатков отмерших растений и большим обогащением их углеродом. Для бурых углей характерна бурая и очень редко черная черта, бурое окрашивание раствора едкой щелочи и густо-желтое (до красно-бурого) окрашивание раствора азотной кислоты.

По степени уплотненности, содержанию гуминовых кислот и приближению по внешнему виду к каменным углям бурые угли обычно разделяют на три группы: 1) землистые (в зарубежной литературе «мягкие») - Б1; 2) матовые - Б2; 3) блестящие - Б3.

На многих месторождениях среди бурого угля слабой степени углефикации встречаются залежи слабо разложившейся, сохраняющей свою структуру древесины - лигнина, иногда образующего самостоятельные пласты среди бурых углей.

Превращение бурых углей в каменные. Следующая, более высокая стадия - образование каменных углей. Для разграничения бурых и каменных углей используют методы черты, окрашивания раствора едкой щелочи (КОН) или кипящего раствора разбавленной азотной кислоты. В отличие от бурых каменные угли содержат больше углерода, меньше кислорода и водорода, не имеют свободных гуминовых кислот и не окрашивают раствор едкой щелочи. Химико-технологические свойства каменных углей отличаются от свойств бурых углей и существенно разнятся между собой в пределах каменноугольных стадий в зависимости от вещественного состава. По принятой в бывшем СССР общей классификации граница между бурыми и каменными углями проводится по содержанию углерода (75 %), летучих веществ (45-50 %) и водорода (не более 5,5 %). Следует отметить, что вопрос о непрерывности процесса перехода бурого угля в каменный при повышении температуры и давления, несмотря на то что большинство ученых придерживаются этого мнения, является дискуссионным.

Антрацитовая стадия. Наиболее углефицированным является антрацит - высокометаморфизованный уголь с повышенной плотностью (1,4-1,7 г/см3), черный с металлическим оттенком, с высоким содержанием углерода (не менее 95 %), низким - летучих веществ (8-2 %). Вследствие сильного уплотнения угля на этой стадии его структура и текстура почти неразличимы, резко возрастает вязкость, показатель преломления увеличивается до 2,06. У антрацита выход летучих веществ менее 10 %, водорода до 3 %, углерода не менее 95 %, азота менее 1 %, температура воспламенения 500-600 о С.

Шунгит. Высокообуглероженное аморфное ОВ, занимающее место между антрацитом и органическим графитом. Химический состав шунгита непостоянен. В среднем он содержит 60-70 % углерода, остальная часть - минеральные примеси. Цвет шунгита черный с сильным блеском, твердость 3-4, плотность 1,8-2,0 г/см3, не горюч. И. Б. Волкова и М. В. Богданова обнаружили в шунгите (близ о. Шунга в Карелии) растительные структуры, весьма схожие с древесиной, и установили таким образом принадлежность его к ряду гумитовых.

Метаморфизм углей. Изучение процессов изменения вещества углей и их происхождения немыслимо без исчерпывающего изучения метаморфизма. Метаморфизм каменных углей - это достаточно длительный и сложный процесс изменения свойств и внутримолекулярного строения углей при последовательном увеличении в них содержания углерода и уменьшении летучих компонентов и кислорода. Установлено, что при одном и том же составе исходного материала выход летучих веществ в нижележащем пласте меньше, чем в вышележащем (правило Хильта - Скока).

Различают три вида метаморфизма: 1) региональный, или глубинный, связанный с погружением осадков на значительную глубину; 2) контактовый, обусловленный тепловым влиянием интрузивных или эффузивных масс; 3) динамометаморфизм, или дислокационный, вызванный процессами складкообразования.

Химический состав углей. В зависимости от назначения углей производятся технический и элементный анализы.

Технический анализ. При техническом анализе в стандартных условиях определяют влагу, зольность, выход летучих веществ, характер коксового остатка, содержание серы, теплоту сгорания. Влага и зола угля как вещества, понижающие теплоту сгорания, считаются балластом, остальная часть составляет так называемую горючую массу.

Влага (W) ископаемого угля состоит из общей (или рабочей) и внутренней (или гигроскопической). Внешняя влага на воздухе улетучивается, и уголь переходит в воздушно-сухое состояние. Гигроскопическая влага (W гигр.) удаляется при нагревании угля при температуре 105 о С, и уголь переходит в абсолютно сухое топливо. Содержание рабочей влаги в торфе до 90 %, в бурых углях до 60 %, в каменных углях менее 15 %, в антрацитах до 3 %.

Зола (А) - это твердый остаток, получаемый при сжигании угля. Для сопоставления различных по зольности углей и углей из разных бассейнов вместо аналитической зольности (Аа) пользуются зольностью, пересчитанной на сухое вещество (Ас). По зольности угли подразделяются на малозольные (Ас < 10 %), среднезольные (Ас = 10-30 %) и высокозольные (Ас > 30 %). При содержании золы более 40-45 % порода считается углисто-глинистой, а не углем.

Летучие вещества - смесь газообразных и парообразных веществ, выделяющихся из угля при нагревании до температуры 850 оС без доступа воздуха. В состав их наряду с парами воды входят диоксид и оксид углерода, УВ, кислород, сернистый газ и др. Содержание летучих веществ обычно вычисляют на безводный и беззольный уголь, на так называемую горючую массу (Vг).

Кокс - нелетучий горючий остаток после термического разложения угля и удаления из него летучих веществ. По внешнему виду и прочности он меняется от порошкообразного (бурые угли и антрациты) до хорошо сплавленного, с серебристым металлическим блеском (коксовые угли, некоторые жирные). Процесс образования кокса сопровождается переходом его в пластическое состояние, при котором происходит связывание отдельных зерен в однородную массу, т. е. его спекание. Спекаемость углей в лабораторных условиях определяется различными методами. Наиболее широко применяется метод Л. М. Сапоженикова и Л. П. Базилевича. По этому методу в процессе термического разложения угля регистрируются ( в пластометрическом аппарате) изменение объема - вспучивание и усадка Х (мм) - и толщина возникшего пластического слоя Y (мм). Последний параметр принят в промышленной классификации углей в качестве основного показателя, имеющего оптимальную величину в среднем 16-20 мм, а для жирных и коксовых углей - более 20 мм.

Сера в углях по типу соединений разделяется на пиритную (колчеданную), сульфатную и органическую. Колчеданная сера наиболее распространена в углях в виде тонких растительных частиц или в виде желваков. Сульфатная сера присутствует в форме гипсовых пленок, содержание ее низкое (не более 0,3 %). Количество органической серы составляет разность между общей серой и суммой пиритной и сульфатной серы:

SОРГ = SОБЩ - (SСУЛЬФ + SПИР).

Удельная теплота сгорания - количество тепла, выделяемого при полном сгорании единицы массы твердого топлива (обычно 1 кг). Этот показатель определяется на рабочее (Qр) и абсолютно сухое топливо (Qс), на аналитическую пробу (Qа) и на горючую массу (Qг). Удельную теплоту сгорания (МДж/кг) можно определить экспериментальным путем с помощью калориметрической бомбы, а также по результатам элементного анализа по эмпирическим формулам. Теплота сгорания органической массы составляет (МДж/кг): торфа 20,9-23,8, бурых углей 29,3-31,10, каменных углей 32-37, антрацита 33,0-35,9.

Элементный анализ. Выполняется с целью определения процентного соотношения химических элементов, входящих в состав угля. При элементном анализе определяют содержание углерода, кислорода, водорода, азота, органической серы, а для установления пригодности коксующегося угля для черной металлургии - содержание серы.

Углерод С определяет удельную теплоту сгорания углей. Содержание углерода служит одним из главных параметров в классификации углей всех стран независимо от направления их использования. По мере перехода углей от бурых к антрациту содержание углерода повышается от 58-75 до 95-98 %.

Водород Н2 повышает удельную теплоту сгорания углей. Содержание водорода уменьшается от бурых углей (4-6 %) к антрацитам. В сапропелитах количество водорода достигает 7-9 % и даже 11 %.

Кислород О2 убывает от бурых углей (10-30 %) к антрацитам, где его содержание составляет всего 1-2 %.

Азот N2, содержащийся в углях, варьирует от 1 до 3 %. В углях более высокой степени углефикации количество его, как правило, уменьшается. В процессе коксования часть азота образует аммиак, который используется для получения нашатырного спирта, азотной кислоты, азотных удобрений и др.

Сера S органическая, связанная с углем химически, входит в состав растений, из которых образовался уголь.

Фосфор Р - очень вредная примесь в коксующихся углях, так как он из кокса полностью переходит в чугун. Содержание фосфора в коксующихся углях не должно превышать 0,03 %.

Петрографический состав углей. В углях различают макроскопически обособленные составные части - ингредиенты: витрен (vitrum - стеклянный); фюзен (fusian - вытянутый); кларен (clarus - светлый, ясный); дюрен (durus - твердый). Эти термины введены в 1919 г. английской ученой леди Маргарет Стопс. Витрен и фюзен - простые ингредиенты, образованные из единого растительного обрывка (фрагмента) растений; дюрен и кларен - сложные, состоят из нескольких разнообразных компонентов, образующих тесное парагенетическое сочетание, относительно обособленное в массе угля.

Витрен - блестящий уголь, почти совершенно утративший признаки какой-либо растительной структуры и представляющий собой коллоидальную массу с раковистым стеклообразным изломом. В угле встречается в виде линзообразных прослойков, резко отграниченных от других ингредиентов, и сравнительно легко отделяется от них ножом. В прозрачных шлифах витрен может быть совершенно однородным и бесструктурным (коллинит) или структурным, сохранившим структуру исходных тканей (телинит), и имеет бурую, оранжевую или красную окраску. В аншлифах цвет его от серого до белого. Витринизированные вещества образуются в процессе гелификации.

Кларен - полублестящий, более вязкий, менее трещиноватый с выраженным наслоением уголь. В нем преобладает основная бесструктурная масса, а среди форменных элементов, кроме спор и кутикулы, встречаются еще измененные ткани коры и древесины. В угольных пластах он нередко слагает мощные пачки. Под микроскопом в шлифах кларен представляет гелифицированное прозрачное вещество, содержащее обрывки спор, кутикулу, смоляные тела, обрывки гелифицированных и фюзинизированных тканей.

Фюзен - волокнистый, с характерным шелковистым блеском, напоминает древесный уголь, мягкий (твердость меньше 2 по шкале Мооса), рыхлый и легко растирается пальцами в порошок. По этим признакам его безошибочно можно определить макроскопически. Цвет его серовато-черный или бархатисто-черный. Под микроскопом в шлифах фюзен непрозрачен и имеет сплошную клеточную структуру; стенки клеток черные и непрозрачные, а их отверстия просвечивают и свободны или заполнены минеральными образованиями.

Дюрен является вторым матовым ингредиентом полосчатых углей, относительно твердый (твердость 3), вязкий, плотный, макроскопически однородный. Цвет преимущественно черный, излом зернистый. Дюрен под микроскопом неоднороден. Его составные части - цементирующая масса, обычно непрозрачная (реже прозрачная), содержит скопления спор, пыльцы, кутикулы, смолы, обрывки гелифицированных и фюзенированных тканей и минеральных примесей. Этот комплекс свидетельствует о неспокойном режиме торфяника, обусловливающем окисление, перераспределение и минерализацию. Типичные дюреновые угли характерны для углей каменноугольного возраста (Подмосковный, Карагандинский, Кизеловский и другие бассейны).

Органические компоненты. Органические компоненты угля представляют собой растительные остатки, которые по степени разложения подразделяются на две группы: 1) не потерявшие исходной растительной структуры - так называемые «форменные (или структурные) элементы»; 2) имеющие вид бесструктурного вещества, так называемая «основная масса». В группу форменных элементов входят оболочки спор, кутикула, смоляные тельца, водоросли и измененные ткани, но сохранившие признаки принадлежности к растительности. Основная масса угля (в гумитах) состоит из «гумусовых» веществ и растительного шлама (дисперсно раздробленных остатков растений).

Неорганические компоненты. Они представлены различными минеральными включениями и примесями, которые переходят в золу при сжигании. В клареновых углях преобладают аутигенные, а в дюреновых - терригенные минеральные включения.

Физические свойства углей. Физические свойства отражают внутреннюю структуру угольного вещества. В понятие «физические свойства углей» входят: цвет, блеск, отражательная способность, плотность, твердость (или вязкость), излом и др.

Блеск - служит одним из главных диагностических признаков классификации углей. Различают оттенки блеска: смолистый (жирный), стеклянный, алмазный и шелковистый. Смолистый блеск у кларена, стеклянный у витрена, шелковистый у фюзена, матовый у дюрена. По мере увеличения степени углефикации блеск углей усиливается.

Цвет ископаемых углей варьирует от серо-коричневого до черного. Бурый цвет характерен для углей низкой степени углефикации. Каменные угли имеют черный или темно-серый цвет, антрациты - черный с желтоватым или сероватым оттенком.

Плотность - одна из основных физических характеристик угля и выражается в кг/м3. Плотность непрерывно возрастает от рыхлого торфа к антрациту.

Отражательная способность - основной оптический показатель углефикационных изменений, который определяется обычно макроскопически путем сравнения серии образцов, а также фотометрами с графическим изображением результатов измерения.

Хрупкость углей определяют по степени их сопротивления раздавливанию, истиранию и удару. Наиболее хрупкие фюзеновые угли, а наиболее стойкие - дюреновые. Хрупкость углей в значительной мере связана также и со степенью метаморфизма: от антрацитов к газовым углям она понижается.

Твердость измеряется в полевых условиях путем царапания угля эталоном. У бурых углей она составляет 2 (по шкале Мооса), увеличивается у каменных углей, а у антрацитов достигает 3,5-4.

Излом углей раковистый, землистый, занозистый, зернистый, листоватый, волокнистый и неровный. Раковистый излом характерен сапропелевым углям (иногда антрацитам), землистый и неровный - бурым, зернистый - каменным углям.

Трещиноватость углей по генетическому признаку разделяется на первичную, вторичную и гипергенную. Первичная трещиноватость вызвана сокращением объема угольного вещества в процессе метаморфизма («трещины усыхания»), вторичная - возникает при тектонических процессах, гипергенные трещины образуются при выветривании углей.

Люминесценция - характер излучения под действием ультрафиолетовых лучей. Для люминесцентного анализа используются битумы, извлекаемые из углей бензолом.

Классификация углей. Существует несколько направлений классификации углей: генетическое, геолого-генетическое, петрографическое, технологическое и др.

Генетическая классификация. Эта классификация была разработана немецким палеоботаником Г. Потонье. Она достаточно проста и основывается на природе и происхождении твердых горючих ископаемых:

Биолиты: 1) акаустобиолиты; 2) каустобиолиты: сапропелиты, гумусовые породы, липтобиолиты.

Акаустобиолиты представляют собой неорганический остаток, образующийся после полного разложения ОВ растительных и животных организмов. Гумусовые каустобиолиты образуются в результате разложения остатков высших растений (торф, большинство углей). Сапропелиты возникают при восстановительном разложении в основном низших организмов. К ним относятся богхеды и битуминозные сланцы. Липтобиолиты (от греческого слова лейптос - оставлять, остаточный) образуются в проточных болотах, где течение обеспечивает повышенный по сравнению с обычными условиями доступ кислорода. В результате возникают условия для быстрого разложения лигнино-целлюлозных тканей и выноса этих продуктов с одновременным скоплением наиболее стойких форменных элементов - спор, кутикул, коровых элементов и др.

Геолого-генетическая классификация. Разработана Ю. А. Жемчужниковым на основе усовершенствования классификации Г. Потонье. В своей классификации он учел исходный материал и условия его превращения. Согласно этой классификации выделяются две группы твердых горючих ископаемых: 1) гумолиты (происходят из высших растений) и 2) сапропелиты (происходят из низших растений и зоопланктона). Гумолиты разделяются на два класса: 1) собственно сапропелиты и 2) сапроколиты. Сапроколиты - это угли, образовавшиеся из низших растений, которые в процессе углефикации полностью разложились.

Технологическая классификация. При исследовании углей появилась необходимость их классификации по параметрам, отвечающим запросам промышленности. Такие классификации основаны на степени углефикации углей и включают показатели, имеющие большое практическое значение (содержание углерода, выход летучих веществ, теплоту сгорания, спекаемость и др.) В СНГ наиболее широкое распространение имеет технологическая классификация донецких углей (табл. 1).

Таблица 1

Схема донецкой (марочной) классификации углей [10]

Стадия углефикации	Влага лабораторная, %	На беззольное и безводное вещество, %	Теплота сгорания, МДж/кг	Спекаемость, мм
		Выход летучих веществ	Содержание
			Углерода	Водорода	Кислорода
Буроугольная, Б	10-25	39-67	58-67	4,5-5,9	20-29	< 23,9	0
Длиннопламенная, Д	4-10	35-46	76-80	4,9-5,6	15,7	32,2-33,5	0-14
Газовая, Г	1,3-2,5		80,0-84,5	5,4-5,8	Последовательное уменьшение до 0,2-1,5	33,0-35,7	0-30
Жирная, Ж	0,4-1,7	25-40	84-89	4,9-5,7		35,5-35,9	9-40
Коксовая, К	0,3-0,9	18-28	88,5-90,5	4,5-5,0		35,7-36,6	5-32
Отощенно-спекающаяся, ОС	0,5-0,8	14-19	90-91,7	4,5-4,9		36,4-36,8	-
Тощая, Т		7-14	90,7-92,7	3,7-4,3		35,7-36,4	0-25
Полуантрацитовая, ПА	0,7-0,8	5-6	92,2-92,5	3,3-3,5		35,7-35,9	0
Антрацитовая, А	0,9-3,2	1-2	95,1-97,5	0,8-1,9		33,5-34,5	0

Лекция 4. Геология угольных месторождений

Строение и состав угленосных толщ. Под угленосной толщей понимается комплекс осадочных пород, содержащих угольные пласты. Типы угленосных толщ выделяются по многим признакам: вещественному составу, условиям образования, геоморфологическому, стратиграфическому, и в соответствии с этим толщам даются названия: морская, континентальная, озерно-болотная, паралическая, глинистая, песчаная и т. д. Образование угленосных отложений происходит по общему для всех осадочных формаций принципу чередования нисходящих и восходящих движений на общем фоне погружения площади. Многократно сменяющиеся обстановки осадко- и накопления углеобразующей растительности обусловили изменчивость строения угленосных толщ, состав пород, количество, мощность и строение угольных пластов.

Обычно угленосная толща представлена чередованием песчаных, песчано-глинистых и глинистых пород. Реже встречаются известняки, мергели, конгломераты и вулканогенные породы. Песчаники составляют основную часть разреза угленосных толщ. В ряде бассейнов наблюдаются тонштейны, залегающие в виде небольших прослоев. Эти глинистые образования содержат вулканогенный пепел, имеют широкое распространение по площади, занимают четкое стратиграфическое положение и поэтому являются хорошими маркерами.

Коэффициент угленосности. Угли в разрезе угленосной толщи занимают обычно около 1 % ее мощности. Насыщенность угленосной толщи определяется коэффициентом угленосности, который представляет собой выраженное в процентах отношение суммарной мощности всех пластов угля к общей мощности угленосной толщи. Коэффициент угленосности рассчитывается по каждой конкретной скважине. В разных бассейнах этот коэффициент имеет разную величину (%): в Донецком 0,4-0,6, Кузнецком 1,6-1,8, Экибастузском около 25, в Канско-Ачинском доходит до 45. Углеплотность - величина запасов угля на 1 км2 горизонтальной поверхности месторождения.

Угольный пласт. Угольным пластом называется геологическое тело, сложенное углем и неорганическими включениями, ограниченное более или менее параллельными друг другу поверхностями напластования.

Строение угольного пласта. Угольные пласты обычно бывают сложены из нескольких пачек угля, разделенных углистыми слоями пород, называемых прослойками пустой породы. Строение угольных пластов меняется от простого (без прослоев пустой породы), умеренно сложного (с одним или несколькими породными прослоями) до очень сложного (переслаивание в разрезе многочисленных угольных и породных прослоев и слоев). Одной из характерных форм угольной залежи являются мощные угольные пласты, расщепляющиеся в определенном направлении на серию относительно тонких пластов до полного их исчезновения - выклинивания.

Мощность угольного пласта. По мощности угольные пласты разделяются на весьма тонкие (до 0,5 м), тонкие (0,5-1,3 м), средней мощности (1,3-3,5 м), мощные (3,5-15 м) и весьма мощные (более 15 м). В пластах сложного строения выделяют мощность трех видов: 1) общую; 2) полезную; 3) рабочую. Общая мощность - это мощность пласта от почвы нижней пачки угля до кровли верхней пачки угля со всеми породными прослоями. Полезная мощность - это суммарная мощность пачек угля, составляющих пласт, т. е. суммарная мощность угольной массы в пласте. Рабочий пласт - это часть разреза пласта (или весь пласт простого строения), подлежащая выемке. Бурые угли разрабатываются при мощности пласта более 2 м, а каменные - 0,5-0,7 м и более. На земном шаре в угольных бассейнах развиты пласты различной рабочей мощности - от 0,5-1 до 200 м. Выявлены два пласта сверхгиганта: 420-метровый на месторождении Хет Крик в Канаде и 300-метровый на месторождении Латроб-Велли в Австралии.

Сопутствующие полезные ископаемые угленосных толщ. В угленосной толще и в углях содержится комплекс сопутствующих полезных ископаемых, промышленная ценность которых в ряде случаев не уступает ценности заключенных в этой толще углей. По стратиграфическому положению, характеру распространенности и ценности полезных ископаемых выделяют три зоны: 1) доугленосную с корами выветривания (огнеупоры, бокситы, каолины и др.); 2) угленосную, в которой присутствуют уран, рений, германий и другие элементы; 3) надугленосную - с относительно бедным комплексом полезных ископаемых в виде песков, гравийного материала, легкоплавких глин и других строительных материалов.

В собственно угольных пластах особый интерес представляют малые элементы. Наибольшее практическое значение, кроме урана, имеют германий и галлий.

Германий - по существу единственный элемент, для которого угли являются основным источником его получения. Содержание германия в углях колеблется от 1 г до 2 кг на 1 т сухого топлива. В большинстве случаев германий в повышенных концентрациях сосредоточен в нижней и верхней частях пласта, а в пределах месторождений - в периферийных их частях. При прочих равных условиях наибольшее количество германия наблюдается в углях более низких стадий метаморфизма.

Галлий в углях находится в различных формах и связан как с ОВ, так и с минеральной частью угля. Главным носителем галлия являются глины. Основное накопление галлия связано с привносом его в торфяники. Концентрации галлия не коррелируются ни с геологическим возрастом углей, ни со степенью их метаморфизма.

Угленосные бассейны, месторождения, районы, провинции. В геологии угля основной таксономической единицей является понятие «месторождение». Под угольным месторождением понимается естественное скопление угленосных отложений с пластами угля, занимающих определенное стратиграфическое положение в осадочной толще земной коры и разработка которых в настоящее время экономически рентабельна.

Угленосный бассейн - это обширная площадь сплошного, часто непрерывного развития угленосных отложений с подчиненными им пластами угля, связанных единством процессов образования и последующих изменений.

Угленосный район - это совокупность угольных месторождений, обычно разобщенных в результате интенсивного проявления тектонических или эрозионных процессов и приуроченных к какому-либо административному району.

Угленосные провинции - обширные сплошные или прерывистые площади, попадающие в одну и ту же возрастную фазу благодаря основным сходствам геологических условий образования угленосной толщи. По масштабу распространения и положению на земном шаре провинции разделяются на три ранга: 1) мегапровинции; 2) мезопровинции; 3) локальные провинции. Мегапровинция включает разобщенные в настоящее время гондванские угленосные площади Бразилии, юга Африки, Индии, Австралии и Антарктиды, характеризующиеся аналогией стратиграфического положения угленосной толщи, ее вещественного состава и условий образования. К такому же рангу относится позднекайнозойская Тихоокеанская угленосная провинция Тихоокеанского подвижного пояса, располагающаяся по восточному и западному побережьям океана вдоль американского и евроазиатского континентов и на южных островах последнего.