Химия и физика горючих ископаемых

Для утворення торфу необхідно, щоб рівень ґрунтової води протягом року стояв над земною поверхнею  чи близько до неї, і рослинний матеріал, що відмирає, не міг розкладатися. Подібні умови найбільш часто зустрічаються на рівних прибережних ділянках, де морська вода підпирає прісну воду, що притікає із суші, у зв'язку з чим більшість боліт зв'язана з морськими узбережжями чи з берегами великих озер.

Протягом усіх геологічних періодів відбувалося постійне підняття й  опускання земної кори з різною інтенсивністю. Усі вугленосні формації в цьому  відношенні поділяють на дві групи: крайові (геосинкліналі) і платформні. Платформні басейни мають малу потужність вугленосної товщі, 2-3 пласта вугілля низького ступеня вуглефікації і горизонтальне залягання.

Відклади торфу зберігаються тільки в районах занурення, багаті родовища вугілля приурочені до областей крайових прогинів, причому утворення торфу  зв'язане із часом існування континентальних  умов. Для вугільних родовищ, які  утворилися в крайових прогинах, характерні потужні осадові товщі, що включають пласти вугілля, потужністю до 2 м, розповсюджені на величезних площах і перешаровані численними прошарками морських осадів (Донбас, Рур). У районах великих складчастих гірських поясів, у тилових ділянках моря, де занурення йде звичайно повільніше, кількість вугільних пдастів невелика.

У помірному кліматі середньорічна  швидкість росту торфу на болотах 0,55-1,0 мм, а на верхових болотах 1-2 мм. У тропічному кліматі вона значно вище. При переході від стадії утворення торфу через стадію бурого вугілля до кам'яного спостерігається значне ущільнення торфу, ступінь якого залежить від фації. Лісовий торф ущільнюється менше, ніж очеретяний, у якому міститься велика кількість води. Вважають, що ущільнення вихідної рослинної речовини до торфу, а потім до бурого і кам'яного вугілля виражається співвідношенням 6:3:1, тобто 1м торфу дає 20 см кам'яного вугілля.

Умови утворення торфу обумовлюють  генетичний тип вугілля чи вугільну фацію, яка визначається вмістом  мацералів і мінералів у вугіллі, хімічними властивостями, які в основному не залежать від ступеня метаморфізму (вміст сірки й азоту, відношення водню до вуглецю у вітриніті та ін.), а також рядом текстурних особливостей.

Основні властивості вугілля у  пластах визначаються способом нагромадження, рослинним матеріалом, який утворює торф, умовами середовища відкладення (надходженням вихідних речовин, рН середовища, життєдіяльністю бактерій, надходженням сірки, температурою торфу й окиснювально-відновним потенціалом).

Торф, що сформувався з різного рослинного матеріалу, є причиною утворення різних літотипів і мікролітотипів вугілля, що мають різні фізичні, хімічні і технологічні властивості.

Утворення (діагенез) торфу відбувається під впливом мікробів і хімічних реакцій. Найбільш істотні зміни відбуваються при обмеженому доступі кисню на поверхні матеріалу, який розкладається, і в безпосередній близькості від неї в так званому торфогенному шарі, приблизно до глибини 0,5 м. У цій області активно діють аеробні бактерії, актиноміцени і нижчі гриби. Зі збільшенням глибини їх заміняють анаеробні бактерії, діяльність яких згасає на глибині до 10 м. Нижче відбуваються тільки хімічні зміни -- головним чином реакції відновлення, полімеризації і поліконденсації.

У верхньому шарі розрізу торфу вміст вуглецю зростає з 45-50 до 55-60 % і потім зі збільшенням глибини майже не змінюється. Вміст вологи з глибиною різко падає, характеризуючи ступінь діагенезу торфу. Кількість вільної (не змішаної з лігнітом) целюлози також є показником ступеня діагенезу торфу.

Оскільки перехід торфу в  буре вугілля відбувається поступово, важко встановити чітку границю  між ними, хоча рекомендуються показники, що дозволяють відрізняти торф від  землистого бурого вугілля (табл. 2.1).

 

 

Таблиця 2.1. Розходження між торфом і бурим вугіллям

 

 

Показник	Торф	Буре вугілля
Вміст вологи, % Вміст вуглецю (Сdaf), % Наявність вільної целюлози Здатність розрізатися	>75 в основному <60 є розрізається	<75 в основному >60 відсутня не розрізається

 

 

Наявність різного вихідного матеріалу в минулі геологічні періоди, варіації умов його розкладання і перетворення в торф є однією з причин утворення вугілля з неоднаковими хімічними, фізичними і технологічними властивостями при однаковому ступені вуглефікації.

Наступною стадією перетворення торфу у вугілля є геохімічна вуглефікація, чи просто вуглефікація. Вона протікає в анаеробних умовах і в ній не беруть участь мікроорганізми.Маса органічної речовини (ОР) за період геохімічної історії від торфоутворення до графітизації постійно зменьшується, що супроводжується виділенням леткчих речовин. Зміни молекулярної структури, які відбуваються при цьому, уявляються лише загалом, а сутність і кількісна сторона відповідних процесів залишаються поки недостатньо конкретизованими. Зі зростанням ступеня вуглефікації внаслідок втрати води, кисню у формі СО₂ і водню у формі метану в вугіллі збільшується вміст вуглецю і співвідношення його з воднем і киснем. Як показники ступеня вуглефікації використовуються відбивна здатність вітриніту (R₀), вміст вуглецю, віднесений до сухої беззольної маси (С^daf), вихід леткчих речовин (V^daf), атомні співвідношення Н/С и О/С, технологічні властивості вугілля.

Різні компоненти торфу і типи вугілля  мають різні властивості і  по-різному змінюються при вуглефікації. Збільшення ступеня вуглефікації на стадії бурого вугілля характеризується зменшенням загального вмісту вологи, що зв'язано зі зменшенням пористості, руйнуванням гідрофільних функціональних груп, особливо гідроксильних, число яких помітно скорочується на ранній стадії бурого вугілля. Крім гідроксильних відщеплюються карбоксильні, метоксильні і карбонільні групи, у результаті чого росте вміст вуглецю.

На стадії бурого вугілля останні  залишки лігніну і целюлози переходять у гумусові речовини, а гумінові кислоти, конденсуючись і втрачаючи кислотні властивості, утворюють нерозчинні в лугах вітриніти. Вихід леткчих речовин на стадії бурого вугілля змінюється слабко, а леткі продукти на цій стадії в основному представлені вуглекислим газом, водою і деякою кількістю метану. При геліфікації (вітринізації) гумусових речовин, відбуваються найбільш істотні зміни, вугілля стає чорним і глянсовим і дуже схожим на кам'яне вугілля.

У кам'яному вугіллі гумінові кислоти  відсутні. Процес вуглефікації кам'яного  вугілля протікає аналогічно процесу вуглефікації бурого вугілля; зменшується вміст вологи і росте теплота згоряння. На більш пізніх стадіях кам'яного вугілля вихід летких речовин, представлених в основному продуктами розкладання неароматичних складових вугілля, швидко зменшується і зростає ступінь ароматизації гумусових комплексів. На цій стадії вуглефікації відбивна здатність росте пропорційно зниженню виходу летких речовин, що зв'язано, мабуть, зі ступенем ароматизації структурних елементів вітриніту.

Антрацитова стадія характеризується різким падінням вмісту водню, атомного співвідношення Н/С, сильним збільшенням відбивної здатності й оптичної анізотропії.

Процес вуглефікації обумовлюється  підвищенням температури, тиском і  тривалістю їхнього впливу. Нормальне  збільшення ступеня вуглефікації з глибиною відомо як правило Хілта і спостерігається в розрізах свердловин. З підвищенням температури з глибиною в залежності від геотермічного градієнта і теплопровідності порід росте ступінь вуглефікації. Розрахунок змін кількості і складу летких продуктів у ряді вуглефікації дозволяє одержати криві спаду компонентів у розрахунку на ОР початку ранньобуровугільної стадії (С^daf = 60 %). Аналіз отриманих даних свідчить про нерівномірність процесу втрати кисню і його форм на різних стадіях вуглефікації і переходом кисню з однієї форми в іншу. Це свідчить про стадійність процесу вуглефікації, яка супроводжується стрибкоподібними переходами у властивостях вугілля. Аналогічні дані отримані і при розрахунку газовиділення при утворенні гумусового кларенового вугілля у ряді вуглефікації. На кривій, яка описує суму летких продуктів вуглефікації, є чотири максимуми, що відповідають стадіям вуглефікації, на яких спостерігається перехід від бурого до кам'яного вугілля, поява і втрата спікливих властивостей. Це свідчить про те, що процеси газовиділення і структурування вугілля протікали одночасно і вони обумовили основні властивості вугілля.

7. Торф 

 

Торф - молоде геологічне утворення, що пройшло початкову стадію перетворення торфоутворювачів в умовах надлишкового зволоження й обмеженого доступу повітря. Вихідним матеріалом при утворенні торфу є мохи, чагарники, трав'янисті і деревні рослини, розвиток яких визначається переважно умовами живлення - атмосферного чи ґрунтового. Сутність біохімічних перетворень полягає в руйнуванні мінливих фрагментів рослин і синтезі нових, більш стійких у даних умовах.

У торфоутворенні беруть участь водорості  найпростіші, дріжджові і цвілі. Ефективність процесу торфоутворення низька. Акумулюється сменше 20% маси відмерлої  рослинності у видгляді торфу. Середня швидкість нагромадження торфу складає близько 1 мм на рік.

Торф'яні родовища по земній кулі розподілені  нерівномірно відповідно до кліматичних  і грунтово-ботанічних зон. Світові  запаси торфу оцінюються в 285 млрд. т. В Азії їх зосереджено близько 50 %, у Європі - 31 %, у Північній Америці -- 11 %, а 8 % в інших частинах світу.

Розподіл торф'яних родовищ зв'язано  з географічною широтою, рельєфом і  геоморфологічною будовою місцевості. В Україні виявлено понад 2500 родовищ  торфу із середньою глибиною залягання 1,4 м і запасами більш 2260 млн. т. На сьогодні в Україні вироблено більш 45 % розвіданих запасів.

Унаслідок різноманіття рослин - торфоутворювачів і широкого діапазону умов торфонакопичування склад і властивості торфу  змінюються у широких межах. Речовина торфу містить частково розкладені рослинні залишки, продукти їхнього розпаду у вигляді темної аморфної гумусової речовини і мінеральну частину. У природному стані торф містить 85-95 % води, а у твердій частині - до 50 % мінеральних сполук. Органічна речовина торфу містить 48-65 % вуглецю, 4,7-7,3 % водню, 24,7-45,2 % кисню, 0,2-1,2 % сірки і 0,5-4,0 % азоту.

Елементний склад відбиває природу  вихідного рослинного матеріалу  і характеру його зміни при  торфоутворенні, а також визначає ботанічний склад торфу, а умови живлення і вид рослин торфоутворювачів визначають вид торфу.

Торф, що утворився з рослин переважно  атмосферного (оліготрофного) живлення із вмістом рослинних залишків не менше 95 % називається верховим, а  з рослин багатого (евтрофного) переважно ґрунтового живлення із вмістом таких рослинних залишків не менше 95 % - низинним. Торф у якому10-90 % залишків рослин одного типу, а інша частина іншого типу, а також є з залишки сфагнових мохів мезотрофного типу, називається перехідним.

Кожен тип складається з підтипів: лісового, лісоболотного і болотного, а підтипи поділяються на групи: деревну, деревинно-дров'яну, деревинно-мохову і мохову. Виділяють 20 видів низинного, 8 перехідного і 12 верхового торфу.

Рівень біохімічного розпаду рослин - торфоутворювачів характеризується ступенем розкладання, який показує частку безструктурного торфу, що втратила клітинну будову, речовини. Ступінь розкладання змінюється від 1 до 75 %.

У залежності від геоботанічної  характеристики істотно змінюється склад торфів (табл. 2.2). При переході від верхового торфу до низинного підвищується вміст азоту, гумінових кислот і фульвокислот, у той час як кількість компонентів, характерних для рослин (бітумів, водорозчинних, легкогідролізуємих, складногідролізуємих речовин і целюлози) знижується в 1,5-3,0 рази. 

 

Таблиця 2.2. - Груповий хімічний склад органічной частини різних типів торфу (% на органічну масу, у чисельнику -- середнє значення, у знаменнику -- min, max) 

 

Компоненти	Тип торфу
	Низинний	Перехідний	Верховий
Бітум
Водорозчинні і легкогідролізуємі
Гумінові кислоти
Фульвокислоти
Целюлоза (важкогідролізуємі)
Лігнін (негідролізуємий залишок)

 

 

Густина сухої речовини торфу залежить від зольності, ступеня розкладання  і хімічного складу, зростаючи  із зростанням зольності з 1570 до 1710 кг/м³ і падаючи із зростанням ступеня розкладання з 1570 до 1400 кг/м³ при зольності 2 %.

Водопоглинання  торфу залежить в основному від  анатомічної будови залишків рослин - торфоутворення, структури торфу, колоїдних властивостей гумусу і  визначається ботанічним складом і дисперсністю, знижуючись із зростанням ступеня розкладання. Вона коливається від 75 до 2000 %, зменшуючись від торфу верхового типу до перехідного і особливо низинного типу.

Дисперсність  в межах одного типу знижується при  переході від торфу деревної групи до мохової, а при одній і тій же мірі розкладання низинний торф володіє більш однорідною дисперсністю і відрізняється від верхового меншим вмістом дрібних частинок.

Кислотність торфу є одним з  факторів, що обумовлюють інтенсивність  мікробіологічної діяльності. Обмінна кислотність, що використовується як додатковий показник якості торфу, знаходиться у прямому зв'язку із вмістом кальцію, який очевидно є головним регулятором кислотності торфу. Показник рН сольової витяжки торфу коливається в межах 2,6-7,4.