Твердые горючие ископаемые Вопрос №1 Состав и свойства твердых горючих ископаемых

Твердые горючие ископаемые
Вопрос №1. Состав и свойства твердых горючих ископаемых.
Ответ
Ископаемым твердым топливом (твердым горючим ископаемым) называются естественные твердые горючие вещества органического происхождения, образовавшиеся из остатков отмерших растений и планктонов в результате бактериального воздействия. В земной коре твердые горючие ископаемые находятся в виде углеродистых осадочных пород, образующих месторождения или бассейны. Все ископаемые твердые топлива по материалу, из которого они образовались, делятся на сапропелиты и гуммолиты.
Сапропелиты возникли в результате восстановительного разложения остатков сапропеля – илистых отложений, образовавшихся на дне водных бассейнов из планктона и низших растений. К сапропелитам относятся горючие битуминозные сланцы и некоторые другие ископаемые.
Гуммолиты возникли в результате окислительного разложения остатков высших растений. Они подразделяются на:
гуммиты, состоящие в основном из гумусовых веществ;
линтобиолиты, образовавшиеся из стойких структурных элементов низших растений (споры, пыльца и т.п.).
Основные виды ископаемых твердых топлив (торф, бурые и каменные угли, антрацит) относятся к гуммитам.
Глубина превращения исходных биогенных материалов в результате углеобразования в твердые топлива характеризуется так называемой степенью их углефикации (метаморфизма), под которой понимают среднее содержание углерода в топливе (в мас.%, или дол). По возрастанию степени углефикации твердые гуммитовые топлива образуют генетический ряд:
Торф → бурые угли → каменные угли → антрацит.
К твердым горючим ископаемым относятся:
– каменный и бурый уголь;
– горючие сланцы;
– нефтеносные сланцы;
– нефтеносные пески;
– торф.
Степень углефикации их приведена в таблице 1.
Таблица 1 – Степень углефикации ископаемых твердых топлив
Топливо Торф Бурые угли Каменные угли Антрацит
Степень углефикации, мас.% 58-62 61-15 16-92 93-96
Твердые топлива составляют основную массу известных ископаемых топлив на планете. Их суммарные запасы на несколько порядков превосходят запасы жидкого (нефть) и газообразного топлива.
Торф – продукт неполного разложения растительных остатков. Невооруженным глазом можно наблюдать части растений. Основная часть представляет собой сплошную аморфную массу – это продукты более глубокого разложения. Большое количество воды в торфах обусловлено широко развитой системой капилляров в остатках растительных организмов. По групповому составу торф отличается от растительных остатков наличием гуминовых кислот – продуктов окисления составных частей растений.
Бурый уголь свое название получил за бурую окраску. 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. В буром угле отсутствуют неразложившиеся растительные остатки. В зависимости от условий образования бурые угли различаются на землистые, плотные и лигниты. 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 являются самыми распространенными твердыми горючими ископаемыми. Каменные угли: черные, реже буровато-черные массы; иногда они обладают жирным или смоляным блеском. Излом – раковистый или занозистый. Угли пачкают руки. От торфа и бурого угля отличаются черным блестящим цветом и твердостью. По химическому составу отличаются от бурых углей меньшим содержанием кислорода и отсутствием органических гуминовых кислот. Одним из критериев отличий бурого угля от каменного является величина теплоты сгорания: угли с теплотворной способностью более 5700 ккал/кг (в пересчете на беззольный уголь) относят к каменным, а с меньшей – к бурым. Калорийность каменных углей колеблется в пределах 6600-8750 калорий.
Антрациты наиболее метаморфизованные, т.е. преобразованные твердые горючие ископаемые, содержащие в основном углерод и очень мало водорода и кислорода. Антрациты – 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.
Сапропелиты представляют собой однородную твердую битумоподобную массу. По внешнему виду они подразделяются на плотные и слоистые. Сапропелиты, соответствующие буроугольной стадии, называют богхедами, а каменноугольной – кенелями.
Сланцы представляют вид твердых горючих ископаемых, содержащих большое количество неорганического материала (40-80%). Сланцы относятся, в основном, к ископаемым сапропелитового происхождения. Органическую массу сланца называют керогеном. Для керогена сланцев характерно высокое содержание водорода (8-11%).
Горючие сланцы – 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. Горючие сланцы образовались в разное геологическое время. Цвет горючих сланцев – от желтоватого до коричневого и синевато-серого.
Нефтеносные сланцы представляют собой отложения горных пород с большим содержанием органических веществ. Такие сланцы могут быть использованы непосредственно как топливо или переработаны с получением синтетических нефти или газа. Основная часть сланцевых отложений расположена в Австралии, Бразилии, Эстонии, Израиле, Иордании, Марокко, Таиланде и США. Для получения 1 т нефти, необходимо, в среднем, переработать 10 т песка или 14 т сланцев. 
Нефтяные (битуминозные) пески – горючее полезное ископаемое, один из видов нетрадиционной нефти, которая смешана с песком, глиной и водой. Ее добыча сложна, трудоемка и требует большого количества пресной воды. Нефть образуется вместе с газообразными углеводородами обычно на глубине более 1,2-2 км; залегает на глубинах от десятков метров до 5-6 км. Однако на глубинах свыше 4,5-5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначительным количеством лёгких фракций. Наибольшее количество месторождений нефти располагается в диапазоне глубин от 1 до 3 км. Вблизи земной поверхности нефть преобразуется в густую мальту, полутвёрдый асфальт и др. – например,  битуминозные пески и битумы.

Задание №2. Условия образования и размещения твердых горючих ископаемых.
Ответ
Торф – горючее полезное ископаемое, образовавшееся в результате неполного распада растений и содержащее в сухой массе не менее 50 % органического вещества.
Основные предпосылками торфообразования:
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.
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.
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.
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
Каменный и бурый уголь
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.
Распространение углей на земном шаре подчинено закономерностям его геологического развития и может быть отражено как в количественном выражении, так и в геолого-географическом плане. Основанные на сочетании этих двух критериев закономерности распространения углей впервые были установлены П. И. Степановым, выделившим в 1939 г. площади преобладающего в каждом геологическом периоде угленакопления, а для карбона – протягивающийся через Евразию и Северную Америку в широтном направлении так называемый «карбоновый пояс». В 1960 г. Н. М. Страхов установил распространение на земном шаре благоприятных для углеобразования гумидных зон.
Угли, как бурые, так и каменные, развиты во всех геологических системах, начиная с девона, и на всех континентах. Они занимают большую площадь, особенно в странах, на долю которых приходится более 75 % его запасов: в России, США и Китае. В распределении этих запасов по бассейнам наблюдается резкая диспропорция. Выделяется семь бассейнов-гигантов с запасами более 500 млрд т. Это – Тунгусский, Ленский, Таймырский, Канско-Ачинский, Кузнецкий, Алта-Амазона и Аппалачский. Далее следуют четыре бассейна с запасами угля 200–500 млрд.т. (Донецкий, Печорский, Нижнерейнско-Вестфальский и Иллинойс). Преобладающее большинство бассейнов и самостоятельных месторождений обладает запасами менее 0,5 млн. т.
Стратиграфические закономерности. Впервые стратиграфические закономерности распределения углей в осадочной оболочке Земли были установлены П. И. Степановым. Он выделил три максимума углеобразования: поздний карбон–пермь (I), юра (II), поздний мел–неоген (III) и три минимума, совпадающие с ранним карбоном (I), триасом (II) и поздним мелом (III). Полученные во второй половине ХХ в. новые данные свидетельствуют о том, что стратиграфическое распределение углей в осадочной оболочке несколько иное, чем представлялось, в частности, П. И. Степанову. Так, по новым данным, выделяются три максимума углеобразования: пермь (26,8 % мировых ресурсов угля), карбон (20,5 %) и мел (20,5 %).
Тектонические закономерности. Сопоставление размещений угольных бассейнов с положением основных геотектонических элементов земного шара указывает на ведущее влияние структурно-тектонического фактора не только на пространственное положение бассейнов, но и на сложность их геологического строения. Палеозойские угленосные бассейны, по Г. Ф. Крашенинникову, в тектоническом отношении принадлежат главным образом к краевым и внутренним прогибам геосинклинальных областей. В них обычно развиты толщи паралического характера. Типичные примеры – Донецкий и Печорский бассейны. Нижне- и среднемезозойские угленосные бассейны, как правило, приурочены к межгорным тектоническим впадинам (восточный склон Урала, месторождения Киргизии и др.). Формы залегания углей – линзовидные, сложно построенные залежи, достигающие значительной мощности. В кайнозое, за исключением альпийской зоны складчатости, углеобразование происходило в платформенных условиях.
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.
Выделяется семь бассейнов-гигантов с запасами более 500 млрд. т. Это – Тунгусский, Ленский, Таймырский, Канско-Ачинский, Кузнецкий, Алта-Амазона и Аппалачский. Далее следуют четыре бассейна с запасами угля 200–500 млрд.т. (Донецкий, Печорский, Нижнерейнско-Вестфальский и Иллинойс). Преобладающее большинство бассейнов и самостоятельных месторождений обладает запасами менее 0,5 млн. т.
Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) является одним из самых крупных угольных месторождений мира, расположен на юге Западной Сибири. Кузнецкий угольный бассейн располагается на территории Кузнецкой котловины. Общая площадь котловины составляет около 70 тыс. км2, из них 26,7 тыс. км2 заняты угленосными отложениями.
Кузнецкий угольный бассейн по своему структурному положению является составной частью Алтае-Саянской складчатой области.
Первое проявление угленосности относится к среднему девону. Выше залегают неугленосные (преимущественно морские) отложения верхнего девона и нижнего карбона, на них – мощный (до 9 км) комплекс угленосных верхнепалеозойских (визе – верхний пермь), безугольных триасовых и угленосных юрских образований.
Угленосная толща содержит около 260 угольных пластов различной мощности, неравномерно распределённых по разрезу: в кольчугинской и балахонской – 237, в тарбаганской – 19 и барзасской – 3 (суммарная максимальная мощность 370 м). Преобладающая мощность пластов угля от 1,3 до 3,5 м. Имеются пласты в 9-15 и даже в 20 м, а в местах раздувов до 30 м. Общие геологические запасы до глубины 1800 м составляют 725 млрд. т.
Печерский угольный бассейн. Восточная часть Печорского угольного бассейна входит в состав Предуральского краевого прогиба (к западу он постепенно переходит в Печорскую синеклизу). Бассейн относится к геосинклинальному типу согласно классификации Иванова.
Угленосные пермские отложения мощностью от 2 км на юго-западе до 7 км на северо-востоке залегают трансгрессивно на каменноугольных морских отложениях и перекрываются с небольшим размывом слабоугленосными триасовыми образованиями. Угли отличаются высоким качеством.
Угленосная формация содержит 150-250 угольных пластов и пропластков. Наибольший промышленный интерес представляют отложения рудницкой подсвиты и интинской свиты. Общая площадь бассейна составляет около 90 тыс. км². Общие геологические запасы исчисляются в 344,5 млрд.тонн.
Донецкий угольный бассейн образовался на заливах и лиманах давно не существующего моря.
Донецкий каменноугольный бассейн возник на южном крае Русской платформы. Длинный и узкий прогиб образовался в среднем девоне в результате региональных разломов между Воронежским и Украинским кристаллическими массивами.
Суммарные запасы до глубины 1800 м – 140,8 млрд. т. В угленосной толще каменноугольного возраста до 300 пластов; ср. мощность рабочих пластов 0,6-1,2 м.
Аппала́чский каменноу́гольный бассе́йн находится на востоке США. Бассейн расположен в передовом прогибе Аппалачей, имеет асимметричное строение. Угли каменноугольного и пермского возраста; основная промышленная угленосность связана с пенсильванскими отложениями (верхнекаменноугольные) мощностью 360–1670 м, содержащими более 75 рабочих пластов. Запасы до глубины 900 м – 1600 млрд. т, доказанные запасы до глубины 305 м в пластах мощностью около 1 м – 102 млрд. т, из которых 14,3 млрд.т. пригодны для открытой разработки.
Горючие сланцы – это карбонатно-глинистые, глинистые, известковые или кремнистые породы с содержанием 10 % и более керогена, обладающие способностью загораться от спички, издавая при этом специфический запах горящей резины. В отличие от битумов, которые эпигенетически пропитывают песчаные породы, битумы в собственно горючих сланцах сингенетичны вмещающим породам. Содержащееся в горючих сланцах ОВ низших растений в процессе преобразования сохраняет иногда их клеточное строение, образуя так называемые талломоальгиниты, или же теряет его, переходя в коллоидоподобную массу – коллоальгиниты. В горючих сланцах нередко содержатся гумусовые компоненты преимущественно в диспергированном виде.
Горючие сланцы являются чисто водными образованиями. В отличие от угленосных толщ, формирующихся в основном в условиях влажного климата, при образовании горючих сланцев климат не играет решающей роли.
Фациальные условия образования горючих сланцев определяются в основном двумя факторами – накоплением в осадках достаточного количества ОВ и наличием восстановительной среды, обеспечивающей сохранность (не окисление) в илах отмерших растительных организмов с последующим их превращением в кероген.
Горючие сланцы образуются в разнообразных условиях:
1) открытые морские бассейны во время медленных региональных трансгрессий;
2) лагуны и большие лиманы;
3) пресноводные озера – от небольших водоемов до обширных внутриконтинентальных или межгорных бассейнов (например, эоценовые сланцы формации Грин-Ривер в США).
Сопоставление микроэлементов горючих сланцев показало, что главная масса их накапливалась в краевых участках морских бассейнов в обстановке сероводородного заражения, определявшей восстановление многих металлов из вод с последующей их сорбцией донными илами.
Месторождениям горючих сланцев несвойственна избирательная способность по отношению к глобальным геоструктурам: они приурочены в одинаковой степени и к различного типа платформам, и к внешним областям геосинклиналей, и к переходным между ними областям, но в целом тяготеют к древним устойчивым платформам. Оптимальные обстановки для накопления горючих сланцев существовали во время стабилизации морских трансгрессий, следовавших за фазами складчатости.