Горючие полезные ископаемые и их образование
В отличие от нефти и газа, о происхождении которых до сих пор нет единого мнения, растительное происхождение ископаемых углей четко подтверждается нахождением в них фрагментов растений.
Свойства и качество каждого из членов угольных групп (торф, уголь, сланцы) определяются следующими показателями:
- – принадлежностью исходного вещества к высшим или низшим растениям;
- – характером последующих природных условий, при которых происходило преобразование исходного вещества.
Образование твердых горючих ископаемых обязано происходящему в растениях процессу – фотосинтезу, при котором хлорофильная зона растений под влиянием солнечных лучей извлекают из атмосферы оксид углерода (СО2) и разлагают его па углерод и кислород. Углерод идет на построение тела растения, кислород возвращается в атмосферу и обеспечивает жизнедеятельность живого мира.
Классификация горючих полезных ископаемых
Главное свойство горючих полезных ископаемых – это способность горсть, поэтому их элементный состав, в общем, сходен. Главными элементами являются углерод, водород и гстсроэлсмснты (кислород, азот, сера), соотношение последних определяет вид или тип горючих полезных ископаемых и их свойства.
Органическое вещество горючих полезных ископаемых состоит из огромного числа видов молекул, то есть является гетеромолекулярным. Для таких веществ характерно непостоянство их свойств.
Классические работы Потоньс положили начало классификации горючих полезных ископаемых, для которых он ввел термин каустобиолиты (в переводе с греческого каусто – горючий, био – живой, литое – камень). Это справедливо для углей, горючих сланцев, твердых природных продуктов преобразования нефти – нафтидов.
По типам исходных биопродуцентов и с учетом химической структуры тканей все концентрированные формы органического вещества (ОВ) были подразделены на:
- 1. Сапропелиты, образующиеся за счет фитозоопланктона, отличительной особенностью которого являются более высокие содержания жиров, белков, хитина.
- 2. Гуммиты, формирующиеся за счет остатков высшей наземной растительности, основу которой составляют углеводы, лигнин и др.
- 3. Липтобиолиты, исходный материал которых представлен наиболее стойкими к разложению тканями высших растений, таких как воски, смолы, кутикулы.
В последствие все каустобтолиты подразделили на каустобиолиты угольного ряда (угли, торф, антрацит, сапропелевые угли и др.) и каустобиолиты нефтяного ряда, к которым отнесли углеводородные газы, нефти, мальты, асфальты, озокериты и прочие природные битумы.
Позже были предприняты попытки классификации каустобиолитов на основе агрегатного состояния, растворимости (Э.Р. Лилль, 1938), на различном элементном составе (В.А. Клубов, 1948; А.Ф. Добрянский; И.О. Брод, 1957 и др.).
Генетическая классификация каустобиолитов, основанная па геологических условиях их образования была предложена В.А. Успенским и О.В. Радченко (1961). Классификация представляет собой блок-диаграмму состоящую из двух ветвей: левой ветви отвечают каустобиолиты угольного ряда, а правой ветви – каустобиолиты нефтяного ряда. Также на ней отмечены основные категории биопродуцентов. Несмотря на то, что не все каустобиолиты отражены на диаграмме, она наиболее полно отражает суть геологических обстановок углеобразования и битумогенеза.
Следует отмстить, что до сих пор нет единой обобщающей классификации каустобиолитов, и, очевидно, создание ее по единому принципу затруднено вследствие наличия переходных форм при различии исходного ОВ нефти и угля.
Попытки генетической классификации твердых горючих ископаемых, в том числе, угля известны еще с 18 века (Бсролдингсн). Ископаемые угли, представляющие основную группу среди каустобиолитов, он разделил на гумусовые, липтобио-литы и сапропслиты. Последующие исследователи разрабатывали генетическую классификацию углей (М.Д. Залесский, 1928; Ю.А Жемчужников, 1935; Г.П. Стадников, 1933; Г.А. Иванов, 1938; О.Д. Русанова, 1956 и др.).
Наиболее признанной оказалась классификация Ю.А Жемчужникова, которая представлена в таблице 3.
Таблица 3 – Генетическая классификация углей (по Ж.А. Жемчужникову)
Группа углей по исходному материалу | Класс углей по результатам накопления и разложения | Примеры |
I группа. Гумолиты – происходят из высших растений | I кл: гуммиты (лигнинно-целюлозные + кутиновые элементы и смолы) | а) однородные (дюрс- новые, клареновые, фюзсно-ксилсновыс) б) полосчатые |
II кл: липтобиолиты (только кутиновые элементы и смолы) |
писит) г) коровый (лопанит) | |
II группа. Сапропелиты -происходят из низших растений и животного планктона | 1 кл: собственно сапропелиты (сохраняют водоросли и другие планктонные остатки) |
|
II кл: Сапрополлиты (водоросли не сохраняются, превращены в бесструктурную массу). |
|
Таким образом, по исходному органическому веществу твердые горючие ископаемые были подразделены иа 2 ipymibi: гумолиты и сапроиелиты.
Гумолиты – группа твердых горючих ископаемых, образовавшихся из остатков высших растений.
Сапропслиты – включают группу горючих ископаемых, в образовании которых главное участие принимают представители низших растений и животного мира в виде мертвого планктона.
Современная генетическая классификация углей базируется на классификации Ю.Л Жемчужникова с дополнениями И.Э Вальц, Л.И. Гинзбург, Н.М. Крыловой (1968). Суть современной классификации заключается в перегруппировке по вещественно-петрографическим признакам всех известных типов гумусовых углей, а также в создании терминологии, отражающей их состав (таблица 4).
Стадии образования
В настоящее время различают три стадии (или три возраста) образования твердых горючих:
- торфяная
- буроугольная
- каменноугольная
Торфяная стадия
Торфяная стадия характеризуется наличием химически неизменных мало форменных элементов растений в основной аморфной, иногда в пластической массе. Растительный материал претерпевает разложение трех типов: тление, перегнивание и образование торфа, причем последнее – превращение органического вещества практически без доступа воздуха под действием анаэробных бактерий под слоем волы.
Торф в естественном состоянии это довольно сухая рассыпчатая масса бурого цвета или обводненная пластическая масса до черно-бурого цвета. Она является продуктом разложения опавших листьев, хвои, веток и поваленных деревьев.
В отличие от торфа сапропели (или жировые торфы) представляют собой мягкие резиноподобные образования, легко горят с выделением густого черною дыма. Исходным веществом сапропелей служат водоросли и мельчайшие микроорганизмы. Торф содержит, углерода 70 – 80, водорода 10 – 12, азота 0,6 – 0,7, кислорода 7 – 14 и 0,1 – 10 %.
Буроугольная стадия
Буроугольная стадия характеризуется кислотными свойствами всей или части аморфной массы, потерей пластичности и полным отсутствием неразложившихся элементов растений. Бурый уголь может представлять собой: однородную, землистого вида бурую или черную массу, микроскопически однородную и не содержащую включений. Он содержит много влаги и на ощупь похож на свежевыкопанную землю.
Есть разновидность бурых углей – богхеды, или чисто сапропелитовые угли.
Каменноугольная стадия
Угли имеют черный цвет, бывают матовыми или блестящими, в них полностью отсутствуют вещества, растворимые в горячей водной щелочи. Ряд каменных углей заканчивается антрацитами – совершенно черными блестящими образованиями с высокой твердостью и плотностью. Они содержат самый высокий процент углерода. Встречаются каменные угли, имеющие вид серовато-черной массы (матовые угли), угли с меняющимися слоями (полосчатые) и угли, похожие на древесный уголь (волокнистые угли).
Сланцы
Сланцы занимают обособленное место среди твердых горючих ископаемых из-за высокого содержания в них минеральных веществ. По составу органической массы они относятся к сапропелитовым образованиям (но условия их происхождения отличаются).
Месторождений сланцев много и делятся они на малосернистые (до 2 % серы) и сернистые (2-8 % серы). К первым относятся эстонские сланцы, ко вторым – сланцы Среднего и Нижнего Поволжья. Органическую массу сланцев называют керогеном, причем содержание его в сланцах от светлого до темно-бурого цвета составляет 35 % (до 55 %), в коричневых и черных сланцах – до 35 %, а зольность их в среднем равна 60-65 %. Органическая масса сланцев состоит из углерода (66-77 %), водорода (7,5-9,5 %), серы (1,8-10 %), кислорода (11-15 %) и азота (0,4-1 %).
Битумы
Твердые горючие ископаемые существенно различаются по элементному составу и еще больше по химическому анализу продуктов их экстракции (битумов) различными растворителями. В зависимости от природы твердого топлива выход и свойства битумов сильно меняются.
Как воски, так и смолы торфяных битумов содержат свободные кислоты и омыляемые вещества. Среди неомыляемых обнаружены триаконтан С33Н68 и пентатриаконтан С35Н72, а также предельный спирт С27Н50ОН и другие кислородсодержащие соединения. В торфах кроме перечисленных веществ содержатся органические кислоты, начиная с гомологов уксусной кислоты и кончая сложными.
Битумы богхедов, выделенные спирто-бензольной смесью, представляют собой смесь высокомолекулярных кислот и их ангидридов в неполимеризованном виде. Битумы слоистых богхедов почти целиком состоят из насыщенных углеводородов и ангидридов насыщенных кислот, кетонов и лактонов.
В битумах бурых углей в больших количествах входят смеси кислот и омыляемых веществ. Были выделены спирты С24Н49ОН (тетракозан), С2бН53ОН (цериловый) и СзоН61ОН (мирициловый), а также кислоты С25 – С30.
Битумы более зрелых бурых углей отличаются от битумов землистых бурых углей: они заметно заполимеризованы, поэтому сохраняют кислотные свойства, типичные для битумов буроугольной стадии.
Битумы каменных углей нейтральны, т.е. не содержат ни свободных кислот, ни ангидридов. Нейтральна и гумусовая составная часть этих углей. Выделенные из битумов каменных углей циклические углеводороды представляют составную часть бальзамов растений, превратившихся в уголь и оставшихся без всяких изменений.
Было показано, что если экстракцию бензолом или спирто-бензольной смесью проводить при 250 – 270оС и давлении 5,0 – 5,5 МПа, выход битумов может быть существенно повышен (до 2,4 – 5,0%).
Из каменных и бурых углей экстракцией растворителями выделяют воски – высокомолекулярные высокоплавкие (температура плавления 80 – 120оС) воски. Они представляют собой твердые кристаллические преимущественно н-алкановые углеводороды.
В настоящее время под каменным углем понимают уголь, имеющий высшую теплоту сгорания более 5700 ккал/кг. Угли классифицируют на классы по выходу летучих (от 0 – 3 до > 33%), теплоте сгорания (от 5700 – 6100 до 7750 ккал/кг) и на группы – по способности углей спекаться.
Без горючих полезных ископаемых — нефти, природного газа, угля, торфа — нет энергетики. Для любой страны они являются стратегическим сырьём. Их добыча ведётся с незапамятных времён.
Ископаемый уголь. Каменный уголь — ровесник древних геологических эпох Земли. Один из периодов геохронологической шкалы в его честь назван каменноугольным, или карбоном. Именно тогда, около 354—286 млн лет назад, поверхность суши покрывали густые тропические леса, состоящие из гигантских древовидных папоротников и хвощей.
Климат той эпохи был тёплым и влажным. Старые падающие деревья уступали место новым. Громадные слои из отживших деревьев накапливались в мелководных водоёмах, превращаясь в мощные пласты каменного угля – прим. от geoglobus.ru. Таким путём образовалось более 30% всех мировых запасов угля.
На нашей планете месторождения ископаемого угля — не редкость, они находятся на каждом континенте и многих островах. Не исключение и Антарктида: предполагают, что под огромными толщами покровных ледников залегают такие же месторождения, как и в Европе.
Горючие свойства угля были известны ещё нашим далёким предкам. «Горючие камни» медленно раскалялись в огне, но зато затем очень долго отдавали тепло. В зависимости от условий образования ископаемый уголь различен. Самый высококачественный и плотный уголь — антрацит, менее плотный — бурый уголь, а совсем «рыхлый» и лёгкий — торф. Последние менее ценны в энергетическом плане, но быстрее воспламеняются – прим. от geoglobus.ru. Ископаемый уголь используют как топливо для доменных печей при производстве чугуна и стали.
Нефть и газ. Скопление нефти и газа возникают благодаря наличию природных «ловушек» в недрах Земли — слоев проницаемых осадочных пород между слоями непроницаемых. В них накапливается маслянистая горючая жидкость, которая поднимается из глубин по трещинам. Горючие свойства нефти связаны с её составом — это смесь углеводородов, серы, кислородных и азотистых соединений. Нефть сопровождают природные газы, которые, как более легкие, залегают над нефтяной линзой.
Богатейшие страны мира обладают самыми значительными запасами нефти – прим. от geoglobus.ru. Некоторые страны, например США, имеют огромные разведанные запасы нефти, но не используют их в полном объёме, предпочитая сберечь «чёрное золото» законсервированным для будущего.
Самые богатые месторождения находятся в Кувейте, Саудовской Аравии, России, Азербайджане, Канаде, США, Мексике, Индонезии. В России одним из самых богатых месторождений нефти является Самотлорское в Западной Сибири, там же расположены крупнейшие газовые месторождения, среди которых Бованенковское, Уренгойское и Ямбургское в Тюменской области.
Добыча нефти ведется не только на суше, но и на шельфе многих морей с помощью буровых установок на плавучих платформах. Большое количество нефти добывается на шельфах Северного моря и в Мексиканском заливе.
Энергетика и химическое производство — далеко не полный список применения нефти.
Горючий сланец — полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Сланцы в основном образовались 450 миллионов лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков. Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных и органических частей (кероген), последняя составляет 10—30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50—70 %. Органическая часть является био и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей, сохранившим клеточное строение (талломоальгинит) или потерявшим его; в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений. Общие потенциальные ресурсы горючих сланцев в мире оценены в 650 трлн т (26 трлн т сланцевой смолы). Основные ресурсы — около 430—450 трлн т (24-25 трлн т сланцевой смолы) сосредоточены в США (штаты Колорадо, Юта, Вайоминг) и связаны с формацией Грин-Ривер. Большие запасы горючих сланцев есть в Бразилии, КНР, меньшие — в Болгарии, Украине,Великобритании, России, ФРГ, Франции, Испании, Австрии, Канаде, Австралии, Италии, Швеции, на территории бывшей Югославии.
Торф (нем. Torf) — горючее полезное ископаемое; образовано скоплением остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот. Содержит 50—60 % углерода. Теплота сгорания (максимальная) 24 МДж/кг. Используется комплексно как топливо, удобрение, теплоизоляционный материал и так далее. Для болота характерно отложение на поверхности почвы неполно разложившегося органического вещества, превращающегося в дальнейшем в торф. Слой торфа в болотах не менее 30 см, (если меньше, то это заболоченные земли). По разным оценкам в мире от 250 до 500 млрд т. торфа (в пересчете на 40 % влажность), он покрывает около 3 % площади суши. При этом в северном полушарии торфа больше чем в южном, заторфованность растёт при движении к северу и при этом возрастает доля верховых торфяников (см. раздел Классификация). Достаточные запасы торфа имеются на Украине (месторождение Морочно-1). Также большие запасы торфа имеются в Индонезии, Канаде, Белоруссии, Ирландии, Великобритании, ряде штатов США. На первом в мире месте по запасам торфа (170 млрд т) — Канада, на втором — Россия (150 млрд т).
Особую группу полезных ископаемых образуют различные виды топлива: в них как бы аккумулированы солнечное тепло и энергия, которые освобождаются при сжигании. Торф, уголь, горючие сланцы, нефть и горючие газы содержат углерод, соединение которого с кислородом при горении сопровождается выделением тепла. Теплотворная способность горючих веществ, в том числе и горючих ископаемых, определяется количеством калорий, выделяемых при сжигании 1 кг топлива.
Торф представляет собой полуперегнившую растительную массу, образовавшуюся на дне болот или заболоченных озер. Торф состоит из неполностью разложившихся растений (осоки, тростника, камыша, болотного разнотравья, мха), часто остатков различных деревьев (ели, ольхи, березы), продуктов полного разложения растительных остатков, называемых гумусом, и минеральных веществ — песка, глины, ила.
В естественном состоянии торф содержит много воды (примерно 80— 90%). Чем выше степень разложения растительных остатков, тем торф богаче углеродом, а следовательно, и калорийность его выше. Лучшие сорта торфа дают только 2% золы. По количеству выделяемого тепла торф превосходит дрова, но значительно уступает каменному углю и нефти, поэтому перевозить его на дальние расстояния экономически невыгодно. Удобнее сжигать его на месте в топках электростанций, заводов и фабрик.
Торфяники распространены почти повсюду (за исключением пустынь). Обычная мощность торфяных залежей 2—3 м, но иногда она достигает 10—12 м. Торф обладает замечательным качеством — запасы его в природе восстанавливаются. Этим он отличается от других горючих ископаемых. Ежегодный прирост торфа на всей площади торфяника равен
1 Кокс — горючий материал, получаемый путем сухой перегонки каменного угля и торфа без доступа воздуха.
Цвет ископаемых углей изменяется от светло-бурого до черного. Угли бывают матовые и блестящие, рыхлые и твердые, как камень. Химический состав ископаемых углей тоже различен. Все свойства углей зависят от материала, из которого они образовались, и от дальнейших изменений. Одни угли образовались из остатков древесной и травянистой растительности, другие — из водорослей, спор и остатков микроорганизмов.
Залежи каменных углей образовывались во многие периоды жизни Земли — в каменноугольный, пермский, юрский, а также в третичное время. По химическому составу, внешним признакам, теплотворной способности и некоторым другим особенностям ископаемые угли разделяются на бурые, каменные и антрациты.
Бурые угли встречаются как в форме плотных, так и землистых рыхлых масс; цвет их темно-бурый или почти черный. Блеск в изломе обычно матовый или тусклый. Твердость небольшая. Нередко в изломе глыбы бурого угля можно невооруженным глазом увидеть растительные остатки. Калорийность бурых углей от 2000 до 6200 калорий. В большинстве своем бурые угли дают много золы (до 40%) и содержат много серы (1 — 2%).
Каменные угли — черные, реже буровато-черные массы; иногда они обладают жирным или смоляным блеском. Излом — раковистый или занозистый. Угли пачкают руки. В микроскоп видно, что они также образовались из растений.
В техническом отношении каменные угли разделяются на спекающиеся (коксовые угли), слабоспекающиеся (слабококсовые угли) и неспекающиеся (тощие порошковатые угли). Калорийность каменных углей колеблется в пределах 6600—8750 калорий.
Антрациты — это плотные смоляносерые или железо-черные массы с металлическим блеском. Иногда на поверхности скола наблюдаются радужные переливы. Руки антрациты не пачкают. Твердость значительно выше, чем у каменных углей. Антрацит загорается очень трудно и горит только при сильной тяге. Калорийность его достигает 8650 калорий. Антрацит может рассматриваться как переходная стадия между каменным углём и графитом.
За последние 50—60 лет очень важное промышленное значение приобрели горючие сланцы.Горючими сланцами называют любые сланцевые глинистые породы, которые содержат в своем составе горючие органические вещества и имеют зольность свыше 30—40%. Горючие сланцы обладают невысокой теплотворной способностью — 1500—3000 калорий. Они сравнительно легко перерабатываются в искусственное жидкое топливо — нефть, бензин.
Нефть — маслоподобная жидкость, вероятно, органического происхождения. Цвет ее обычно темный, но встречаются нефти светлых и светло-желтых, зеленовато-коричневых или красновато-коричневых оттенков. Запах нефти керосиновый, иногда со слабым или сильным сернистым «душком». Теплотворная способность нефти очень высока — 1 кГ при сжигании дает 10 тыс. калорий.
В этом отношении она выше антрацитов и к тому же еще сгорает без остатка. В химическом составе нефти основное место занимает сложная смесь углеводородов, причем углерода в нефти от 84 до 88%, а водорода — около 14%. Кроме того, в состав нефти входят также кислородные, сернистые, азотистые соединения и некоторые неорганические (минеральные) примеси. Нефти различных месторождений часто имеют и различный химический состав.
Месторождения нефти встречаются во всех отложениях, начиная с кембрия до третичных включительно. Нефть залегает в пористых осадочных породах морского происхождения — песках и песчаниках, часто изогнутых в складки, в форме свода. Встречается нефть и в известняках, где заполняет пустоты и трещины.
Горючий природный газ — важный источник для получения бензина и ценное сырье для многих отраслей химической промышленности — производства пластмасс, искусственных тканей и т. д.
Горючие природные газы — это смесь различных газообразных углеводородов, азота, окиси углерода, углекислого газа, кислорода и водорода с некоторой примесью сероводорода и фосфористого водорода. Теплотворная способность горючего газа очень большая и достигает 11 400 калорий. Горючий газ доставляется с мест добычи в районы потребления по газопроводам, длина которых иногда превышает 2 тыс. км (например, Бухара — Урал).
Date: 2016-07-05; view: 628; Нарушение авторских прав