3.2. Углефикация
После покрытия торфа минеральной кровлей процессы гумификации в погребённом торфянике замедляются и затем вовсе прекращаются. Начинается очень медленное превращение торфа в бурый уголь, т.
е. наступает фаза углефикации [7, 16].О характере и направлении процессов, протекающих при диагенезе, можно судить на основании сравнения свойств торфа и бурых углей. Наиболее заметны различия в них по групповому составу. Если в торфах ещё содержатся составные части, присущие исходным растениям (углеводы, лигнин и др.), то в бурых углях они практически отсутствуют. Гуминовые кислоты присутствуют как в торфе, так и в бурых углях. Но при торфообразовании происходит образование и накопление гуминовых кислот, а в процессе диагенеза количество гуминовых кислот уменьшается. Содержание углерода в органической массе бурых углей больше, чем в торфе, а кислорода – меньше. Бурые угли в кусках более плотные, чем торф, и отличаются заметно меньшей влажностью.
При погребении торфяники начинают постепенно обезвоживаться и уплотняться и обезвоживаться под давлением кровли. Параллельно плоскости напластования уменьшается пористость и увеличивается оптическая анизотропия. Уменьшение содержания влаги также связано с разрушением гидрофильных функциональных групп гуминовых кислот, особенное групп ОН, число которых значительно уменьшается на ранней стадии образования бурых углей. Кроме гидроксильных групп ОН происходит отщепление карбоксильных СООН, метаксильных СН3О, карбонильных СО групп и кольцевого кислорода, что обусловливает постепенное увеличение содержания углерода. Это свидетельствует о том, что при диагенезе в основном происходят химические реакции восстановительного характера.
При диагенезе деятельность бактерий постепенно прекращается. Главную роль играют геологические и физико-химические факторы – давление, повышение температуры, в частности, в результате действия термофильных бактерий, каталитическое действие неорганических примесей и химические особенности окружающей среды (химический состав грунтовых вод, характер газов и др.).
Дальнейшее протекание процессов углеобразования – метаморфизм – приводило к постепенному превращению бурых углей в каменные, а каменных углей – в антрациты.
При метаморфизме химические превращения гумитов происходят в том же направлении, что и при диагенезе: происходят в основном восстановительные процессы, т. е. протекают реакции дегидратации, декарбоксилирования и дегидрирования. В каменных углях гуминовые кислоты уже практически не обнаруживаются. Уменьшается также влажность и повышается плотность в ряду метаморфизма углей. Бурый цвет сменяется чёрным, усиливается степень блеска. Увеличивается содержание углерода в ряду метаморфизма каменных углей и, соответственно, снижается содержание водорода и особенно кислорода.
Процесс углефикации связан не только с уменьшением количества кислорода, но и с качественными изменениями кислородсодержащих групп [6]. На стадии бурых углей (65-75% С) более 75% имеющегося кислорода находится в форме функциональных групп. Основными формами активного кислорода являются карбоксильные группы и фенольные гидроксиды, содержание которых сильно уменьшается с повышением степени углефикации. Количество фенольных гидроксидов растёт, а карбоксильных резко падает (табл. 3.2). При содержании углерода в углях более 80% (на стадии каменных углей) активный кислород устанавливается в основном в двух формах: фенольной и карбонильной. В углях с содержанием углерода более 90% превалирует карбонильный кислород. При малом содержании кислорода (2,5%) карбонильные функциональные группы составляют 16% от всего количества кислорода, а остальные 84% находятся в форме так называемого неактивного кислорода.
Таблица 3.2 – Содержание функциональных групп в гуминовых кислотах углей разной степени углефикации на суммарный кислород. %
| Степень углефикации | Функциональные группы | |||||
| С | О (общ.) | СООН | ОН (фе-нольный) | СО | ОСН3 | О (неак-тивный) |
| 65,2 | 28,7 | 30,4 | 35,6 | 16,3 | 1,4 | 16,3 |
| 69,9 | 23,4 | 15,4 | 41,1 | 16,7 | 3,8 | 23,0 |
| 74,6 | 16,8 | 8,9 | 48,2 | 16,1 | 0,0 | 26,8 |
| 77,3 | 15,4 | 7,8 | 52,0 | 18,8 | 0,0 | 21,4 |
| 80,0 | 13,4 | 3,7 | 52,5 | 2,7 | 0,0 | 34,4 |
| 82,8 | 10,7 | 0,9 | 11,2 | 5,6 | 0,0 | 82,3 |
| 85,0 | 8,2 | 0,0 | 4,9 | 4,9 | 0,0 | 90,2 |
| 89,7 | 3,7 | 0,0 | 2,2 | 16,2 | 0,0 | 81,2 |
| 90,3 | 3,4 | 0,0 | 0,0 | 14,7 | 0,0 | 85,3 |
| 92,8 | 2,5 | 0,0 | 0,0 | 16,0 | 0,0 | 84,0 |
В процессе метаморфизма главную роль играют геологические факторы: длительность процессов во времени, температура и давление горных пород на угольные пласты. Геологический возраст углей имеет лишь второстепенное значение.
Основное влияние на изменение свойств углей при метаморфизме оказывают повышенные температура и давление. Выделить роль каждого из этих факторов невозможно, т. к. они чаще всего сопутствуют друг другу. В связи с этим, обычно рассматривают зависимость степени метаморфизма углей не от влияния отдельных факторов, а от вида метаморфизма. 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.Региональный (глубинный) метаморфизм связан в обширных районах с опусканием угольных пластов в зоны более высоких температур и давлений. Повышенное давление в данных условиях создаётся вышележащей толщей пород. Повышение температуры определяется геотермическим градиентом. Современный геотермический градиент в угольных бассейнах неодинаков и меняется от 10С/100 м (Подмосковный бассейн) до 3-4,5 (Львовско-Волынский бассейн, Западная Камчатка) и даже до 7-80С/100 м (отдельные участки Верхне-Рейнского грабена).
Сущность регионального метаморфизма сводится к повышению степени метаморфизма с возрастанием стратиграфической глубины залегания угольных пластов (правило Хильта). Наблюдается, что в одном и том же бассейне угли, с увеличением стратиграфической глубины обедняются от пласта к пласту летучими компонентами и обогащаются углеродом (рис. 3.1).
Рисунок 3.1 – Изменение выхода летучих веществ (а) и содержания углерода (б) с глубиной залегания пластов
Так для углей Донбасса градиент изменения выхода летучих веществ колеблется от 0,5 до 1,4% на 100 м стратиграфической глубины.
Изменение выхода летучих веществ по правилу Хильта иногда нарушается различными факторами: петрографическим составом угля; близостью тектонических разрывов и складкообразованием; выветриванием на небольших глубинах; высоким содержанием минеральных примесей, особенно карбонатов, существенно влияющих на выход летучих веществ.
Контактовый метаморфизм характерен следующими основными особенностями:
– зона метаморфизации проходит вдоль контакта с внедрившимися изверженными породами и имеет сравнительно небольшую ширину (десятки метров);
– на небольшом расстоянии от интрузии наблюдаются резкие изменения в составе углей, которые быстро затухают и становятся едва заметными по мере удаления от контакта с интрузивным телом;
– в непосредственном контакте с интрузией часто образуется естественный кокс или происходит полное выгорание угля, несколько дальше появляется графитизация углей, или обогащение их до стадии антрацита, затем следуют угли, в содержании которых замечается постепенное возраcтание количества летучих веществ.
Ценность угольных месторождений при наличии явлений контактового метаморфизма иногда сильно снижается из-за графитизации углей, образования естественного кокса, уступающего по качеству искусственному.
Динамометаморфизм. Явления динамометаморфизма свойственны геосинклинальным областям с максимально выраженной складчатостью. Основной причиной, повышающей степень зрелости углей для данного вида метаморфизма, являются складкообразовательные силы, обусловливающие процессы горообразования. При горообразовании развивается настолько большое давление, что оно вызывает метаморфические изменения углей.
Типичным примером влияния динамометаморфизма являются различия в свойствах углей Кизеловского и Подмосковного бассейнов. Относясь к одному и тому же геологическому периоду (нижний карбон) и являясь продуктами превращения однотипной растительности, подмосковные угли – бурые, а кизеловские – каменные. Это явилось результатом протекания горообразовательных процессов и действия более высоких давлений (порядка 150-300 МПа) и температур на кизеловские угли.
Наибольшее влияние на процессы изменения зрелости ископаемых углей оказывает глубинный метаморфизм. Остальные виды метаморфизма имеют локальное распространение и наложены на первоначальный фон любых вариантов регионального метаморфизма.