Исходное углеобразующее вещество
По строению, составу 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 лишены вегетативных органов. Эта группа растений сложена преимущественно одинаковыми клетками и обитает в воде.
Высшие растения состоят, главным образом, из целлюлозы - до 50 % (клетчатки), белков, жиров, смол.
Кроме того, каждая растительная клетка содержит некоторое количество минеральных веществ, дающих при сжигании золу.
В низших растениях преобладают жиры, воски, смолы (до 30 %).
Накопление исходного вещества при образовании углей происходит двумя путями - автохтонным, если горючие ископаемые залегают на месте обитания растений и аллохтонным, если растения после гибели транспортируются с этого места. (Авто - сам, хтон земля, алло другой, чуждый).
Главным признаком автохтонии служат хорошо сохранившиеся растительные остатки и небольшое количество минеральных примесей. Для аллохтонного накопления характерны плохая сохранность и измельченность растительных остатков и высокая минерализация ископаемых.
Стадии преобразования органического вещества
Характер разложения растительности зависит от среды, в которую она попадает после гибели. Выделяются следующие виды разложения: тление, перегнивание, оторфения и гниение.
Тление происходит при полном доступе кислорода, вследствие чего органическая часть растения окисляется и уходит в форме газов в атмосферу.
Перегнивание и оторфснис происходит при недостаточном содержании кислорода и изменении водной среды.
Процесс гниения идет в восстановительной среде.
Выделяется три стадии преобразования исходного вещества.
На первой - биогенной стадии агентами разложения являются 1рибки, микробы, бактерии, перерабатывающие в процессе жизнедеятельности, погибшие растительные организмы. Вначале основными переработчиками являются грибки, но по мере погружения большую роль играют бактерии и микробы. При погружении на глубину более 2 м в водную среду, бактерии погибают, и на этом заканчивается первая биогенная стадия.
Вторая химическая стадия преобразования включает происходящие в течение длительного срока химические реакции. При этом образуется коллоидная масса сложного химического состава.
В условиях обводненности без доступа воздуха происходит процесс гелефика-ции с образованием аморфной коллоидной массы геля.
При ограниченном доступе кислорода, создающем окислительную реакцию, происходит процесс фюзенизации, при котором вещество превращается в твердый коллоид - фюзен.
Третья, геологическая стадия, начинается с захоронения осадка под минеральной кровлей, в результате чего осадок становится горной породой. Исходное органическое вещество изменяется под воздействием повышающихся температуры и давления. Процесс изменения органического вещества в период геологической стадии носит название углефикации.
При этом процессе осадок обезвоживается, в 5 - 6 раз уплотняется, жидкие вещества превращаются в твердые.
Все изменения органического вещества по мерс погружения на глубину и ужесточения термобарических условий приводят, в конечном итоге, к преобразованию ОВ, обладающему кристаллической структурой - графиту.
Основу угля составляют конденсированные соединения, например, такого типа:
Это так называемые конденсированные, полициклические или полиядерные ароматические углеводороды, у колец которых имеются общие атомы углерода (как бы несколько сросшихся бензольных колец).
Боковые радикалы нс показаны. Как раз в них находится водород, кислород (в виде различных функциональных групп, например, ОН, СОН. СООН и др.) и гетероэлемснты. Таких соединений от 70 % весовых у углей марки Г (газовые) до, практически, 100 % у антрацита (марка А).
Причем у газовых углей число сросшихся бензольных циклов, в основном, 2-3, а у антрацитов - 5-6, что уже можно считать зародышем элементарной ячейки графита:
Таким образом, первые стадии формирования - диагенез или торфянобуроугольная стадии, на которых развивались процессы при низкой температуре, в водной или влагонасьиценной среде, без доступа воздуха (набухание, пептизация, микробиологическая дезинтеграция, коллодированис, гумификация). На этой стадии углефикации образовались торфа, бурые угли.
Последующая стадия - катагепетическая или каменноугольная, па ней развивается высокотемпературная (термическая) деструкция органического материала с одновременной рекомбинацией и гетерополиконденсацией химических соединений. В зависимости от степени удаления продуктов реакции на этой стадии продуктов реакции на этой стадии образуются каменные угли и антрациты. Это и есть метаморфизм, то есть длительный (миллионы лет) пиролиз в отсутствии кислорода, при повышенной температуре и давлении укрывающих горных пород.
При постепенном повышении температур во времени и при наличии гидростатического давления вышележащих пород протекает комплекс физико-химических реакций с образованием в ископаемых углях ценных компонентов носителей требуемых технологических свойств. В частности, повышенное содержание витринита обеспечивает хорошую спекаемость угля. Высокая скорость нарастания температу ры (воздействие интрузий и др.) приводит к резкому снижению содержания витринита и ухудшению спекаемости угля.
Чем глубже метаморфизм, тем ближе по составу уголь к чистому графиту.
Физические и технологические свойства углей сильно зависят от глубины метаморфизма. Принято в соответствии с этой глубиной делить угли на следующие марки:
Д ДГ Г ГЖО ГЖ Ж КЖ К КО ОС КС СС Т Л Глубина метаморфизма
Из них средняя часть спектра (жирный шрифт) - коксующиеся угли, а края (очень молодые и очень старые) - энергетические, то есть просто топливо.
