Состав и свойства угля различных месторождений

Примечания: 1 – антрацит, Донбасс, Боково; 2 – тощий уголь, Донбасс, Краснодон; 3 – коксовый уголь, Донбасс, Донецк; 4 – длиннопламенный уголь, Донбасс, Алмазная; 5 – бурый уголь, Украина, Екатеринпольское месторождение; 6 – лигнит, Украина, Вышгородское месторождение.

Генезис углей рассматривается как последовательное прохождение трех стадий, что сопровождается постепенным возрастанием степени их метаморфизации. На первой стадии (седиментогенеза) происходило накопление органического вещества и превращение его в торф. Благоприятными для этого зонами являлись обширные заболоченные аллювиальные равнины, покрытые лесом, и прибрежно-морские обстановки, прилегающие к лесным районам. Одно за другим множество поколений растений сменяли друг друга на одной и той же территории, погибали, и продукты их разложения постепенно накапливались (автохтонные залежи). При перемещении морскими течениями, волнами или реками они могли концентрироваться в других местах (аллохтонные залежи).

Процессу образования торфа способствовали затрудненный доступ кислорода и участие бактерий в разложении растительных тканей. Формирование торфяных накоплений шло по пути гелификации (разбухания органической массы и превращения ее в коллоид) или фюзенизации (обугливания). Это определялось водным режимом болот.

Вторая стадия (диагенеза) заключалась в превращении торфа в бурый уголь. Необходимой предпосылкой для этого являлось погружение толщи торфяников на определенную глубину в стратисферу и перекрытие ее различными осадками (морскими, озерными и т.д.). Торф в условиях повышенной температуры и давления подвергался различным процессам диагенеза – уплотнению, обезвоживанию и т.д. Итогом являлось увеличение содержания углерода.

Третья стадия (катагенеза, иногда с включением начального метагенеза) – переход бурых углей в каменные и антрацит. Перед этим прослои бурых углей погружались на глубину порядка 5-10 км, где температура повышалась до 100-300ºС, а давление – до 1-3 тыс. атм. Процессы преобразования бурых углей, в основном, происходили на стадии раннего катагенеза, а антрациты возникали уже на стадии позднего катагенеза и на границе с метагенезом. Признаками метаморфизации углей являются уменьшение содержания летучих, повышение содержания углерода, изменение структуры, появление анизотропии. Наиболее важными эпохами углеобразования являются каменноугольно-пермская (41% запасов углей земного шара), юрская (4%) и палеоген-неогеновая (54%).

Угли являются ценным полезным ископаемым. Они применяются как топливо, служат сырьем для химической промышленности, используются для изготовления кокса при выплавке металлов.

Месторождения углей весьма многочисленны. Наиболее крупные угольные бассейны мира расположены в России, США, Великобритании, Бельгии, Голландии, ФРГ, Польше, Украине, Китае. В России особенно важными угольными бассейнами являются Кузнецкий, Печорский, Тунгусский (пермского возраста), более мелкие бассейны расположены в Южной Сибири, на Дальнем Востоке, в Подмосковье.

Нефть. Этот природный продукт представляет собой вязкую маслянистую жидкость обычно темного цвета с различной консистенцией и со специфическим запахом, состоящую из различных углеводородов. Она является смесью жидких углеводородов с примесью сернистых, азотистых и кислородных соединений. Основными химическими компонентами нефтей являются углерод (82-87%), водород (11-14%), азот (0,2-0,7%) и сера (0,09-0,5%).

Углеводороды, присутствующие в составе нефти, содержатся в газообразном, жидком и твердом агрегатных состояниях. С физической точки зрения нефть представляет собой жидкость, в которой растворены твердые и газообразные вещества. Среди основных углеводородов выделяется три группы:

1) насыщенные, или парафиновые, с общей формулой C_nH_2n+2;

2) ненасыщенные, или нафтеновые, – С_nH_2n;

3) ароматические - C_nH_2n-x, где х=6,8,10 и т.д.

Соотношение основных компонентов определяет цвет и характерные свойства нефтей. Так, парафиновые нефти светлее и относительно более легкие, нафтеновые – темнее и более тяжелые. В природных нефтях нередко присутствуют два или даже три типа углеводородов. Плотность нефти колеблется от 0,75 до 1,016 г/см³. По плотности различают легкие (до 0,81 г/см³), средние (0,81-0,87), тяжелые (0,87-0,90) и очень тяжелые (более 0,90) нефти. Вязкость нефти в пластовых условиях может принимать существенно разные значения – от 0 до 2000 мПа·с. Это свойство нефти имеет важное значение для выбора системы разработки залежи и добычи.

По химическому составу и с учетом присутствия различных типов углеводородов выделяется 6 типов нефтей:

1) метановые,

2) метано-нафтеновые,

3) нафтеновые,

4) нафтено-метано-ароматические,

5) нафтено-ароматические и

6) ароматические.

Породы, вмещающие нефтяные залежи (нефтяные коллекторы), довольно разнообразны – пески, песчаники, алевриты, алевролиты, известняки и другие, обладающие определенной степенью пористости и трещиноватости. Фациальные обстановки нефтенакопления – морские, лагунно-заливные и дельтовые. Различают нефтематеринские породы, в которых происходит образование нефтей, и коллекторы нефти, где она концентрируется в промышленных масштабах и откуда извлекается человеком. Нефтематеринскими породами обычно являются глины и аргиллиты, богатые органическим веществом, реже известняки, доломиты и мергели.

Для накопления нефти и образования месторождений благоприятны положительные тектонические структуры типа куполов, брахиантиклинальные складки, флексуры, ископаемые рифовые массивы и др. Необходимо также чередование в разрезе проницаемых и непроницаемых, пористых и слабопористых пород. В месторождениях нефти происходит расслоение компонентов по плотности: вверху располагается газ, в средней части – нефть, в нижней – вода.

Воды нефтяных месторождений обычно высокоминерализованные, сульфатные и хлоридные, содержат в качестве примесей бром и йод. Вероятно, они представляют собой погребенные морские воды, трансформированные в условиях застойного режима подземных пространств.

Условия, благоприятные для формирования месторождений нефти, создавались на протяжении всей геологической истории Земли – от кембрия до четвертичного периода. При этом максимумы нефтеобразования несколько смещены относительно максимумов углеобразования. Благоприятными площадями для размещения месторождений нефти являются окраины геосинклиналей (подвижных складчатых поясов), платформы и особенно предгорные краевые прогибы.

Генезис. Существует несколько гипотез образования нефти, которые объединяются в две группы: гипотезы органического и гипотезы неорганического происхождения нефти.

Среди гипотез органического происхождения нефти выделяется два направления, сторонники которых связывают нефть с продуктами жизнедеятельности животных или растений. В случае зоогенного происхождения началом процесса нефтеобразования послужила массовая гибель животных, например рыб или простейших. Разложение этих животных в морских илах приводит к образованию углеводородов. Гипотезы фитогенного происхождения нефти исходят из того, что углеводороды образуются в результате разложения массовых скоплений водорослей.

Особое место занимает т.н. дистилляционная гипотеза, согласно которой нефть образуется в результате преобразования угольных залежей под влиянием внедрившихся в них интрузий. В данных условиях происходила перегонка угля без доступа кислорода. В процессе перегонки отделялись газы, которые взаимодействовали в водной среде и давали начало нефтепродуктам.

Среди гипотез неорганического происхождения нефти одной из первых является гипотеза Д.И.Менделеева, который считал, что вода, проникая на глубину, встречала раскаленный карбидный слой и превращалась в пар. Последний, взаимодействуя с карбидами, давал начало углеводородам. Космическая гипотеза объясняет образование нефти в результате гравитационной дифференциации первичного протопланетного вещества, содержащего значительное количество углеводородов.

Месторождения. На земном шаре месторождения нефти группируются, образуя огромные по территории нефтеносные провинции. Среди них наиболее крупными являются Малоазиатская, включающая значительные части территорий Ирана, Ирака, Саудовской Аравии, Кувейта, ОАЭ и др., Североамериканская, к которой можно отнести юго-западные штаты США и Мексику, Южноамериканская (Венесуэла, Уругвай, Парагвай, Аргентина), Восточноазиатская (Индонезия, Китай), Кавказская (Азербайджан, Северный Кавказ России), Урало-Поволжье («Второе Баку»), Западносибирская, Североевропейская (приуроченная к акватории Северного моря), Североафриканская (Ливия, Нигерия).

Применение. Нефть – ценнейшее полезное ископаемое, нередко определяющее финансовое благополучие государства. Достаточно привести в качестве примера высокий жизненный уровень населения многих нефтедобывающих стран – Норвегии, Саудовской Аравии, Кувейта, ОАЭ и др. Из нефти получают бензин, керосин и многие другие продукты благодаря технологии органического синтеза. Можно утверждать, что прогресс современного человечества во многом связан с успешным освоением нефтяных месторождений.

Твердые битумы. Твердые битумы обычно представляют собой природные продукты окисления нефтей. Они встречаются поэтому в нефтеносных районах. Наиболее распространенными типами твердых битумов являются озокерит и асфальт.

Озокерит относится к органической породе буровато-желтого, зеленовато-желтого или бурого цвета, состоящей из смеси твердых углеводородов парафинового ряда с небольшой примесью жидких и газообразных. Характерными диагностическими признаками, помимо окраски, являются плоскораковистый и занозистый излом, легкоплавкость (температура плавления 58-85ºС). В связи с низкой температурой плавления в жаркий летний сезон прослой озокерита в обнажении выделяется по мазеобразной консистенции. Нередко формой залегания являются жилы и пласты.

Асфальт – это порода почти черного цвета, твердая и вязкая. Плотность составляет 1,0-1,2 г/см³, твердость 3. Состоит из смеси смол (40-50%), масел (до 40%) и асфальтенов. Содержание углерода 80-85%, водорода до 12%, серы, кислорода и азота до 19%. Обычно образует прожилки в породах.

Горючий газ. В земной коре углеводородные газы могут находиться в следующих состояниях: свободном, растворенном, твердом (газогидраты) и сорбированном. Среди химических компонентов природных газов преобладает метан (до 98%), присутствуют также этан, пропан, бутан, пентан и др. Природный газ содержит большое количество неуглеводородных компонентов – азот, углекислый газ, сероводород, аргон, гелий и др.

Различают природные газы, связанные с угольными месторождениями, и газы, связанные с нефтяными месторождениями. Последние содержат повышенное количество тяжелых углеводородов, и только они имеют практическое значение. По содержанию тяжелых углеводородов различают «сухие» газы, в которых тяжелые углеводороды составляют доли процента, и «жирные» газы (от нескольких единиц до нескольких десятков процентов).

Месторождения известны в северных районах Западной Сибири, Туркмении.

Применение. Горючие газы используются в качестве экологически более чистого, чем уголь, топлива в промышленности и в быту, а также в качестве сырья для получения различных синтетических материалов: пластмассы, искусственного волокна и др.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите известные Вам подгруппы органических веществ.

2. Что такое гиттия?

3. Какие ингредиенты входят в состав каменных углей?

4. Какие разновидности ископаемых углей можно выделить по степени метаморфизации?

5. Какие марки углей Вам известны?

6. Какие периоды в истории Земли характеризуются наибольшим накоплением каменных углей?

7. Перечислите основные ряды углеводородов в составе нефти.

8. Какие типы нефти Вам известны?

9. Какие породы считаются нефтематеринскими?

10. Перечислите гипотезы происхождения нефти.

11. Какие нефтеносные провинции можно выделить в России?

12. Какие твёрдые битумы Вам известны?

13. Каковы области применения каустобиолитов?