Литология. Кн. 2 - Фролов В.Т.
ISBN 5—211—02383—8
Скачать (прямая ссылка):
На стадиях катагенеза биохимические процессы сменяются физико-химическими, а главными факторами становятся температура и давление. В течение десятков и сотен миллионов лет совершаются медленные, но глубокие структурно-молекулярные изменения вещества угля — углефикация, т. е. «метаморфизм» угля. Поскольку это в основном не метаморфизм в современном узком (строгом) смысле (см. гл. 3, стадиальный анализ), а лишь преобразования на стадиях катагенеза и метагенеза, т. е. еще в рамках литогенеза, правильнее трактовать как «углеме-таморфизм» или «ранний метаморфизм погружения», совершающийся как «региональный метаморфизм». Локально происходит магмометаморфизм (теплом магматического очага), приво-
дящий к появлению на контакте с магмой кокса и графита. Ди-намометаморфизм больше портит уголь, чем созидает его.
При углефикации, фактически созидающей основные типы углей, увеличиваются отражательная способность, плотность, крепость, содержание углерода, оптическая анизотропия, теплота сгорания и уменьшаются выход летучих, влажность, пористость, разнообразие химических типов, люминесценция, содержание веществ, растворимых в КОН, HNO3 и других растворителях (см. рис. 11.1, 11.2; табл. 11.2, 11.3). Изменение этих параметров и свойств часто происходит скачкообразно, что позволяет наметить границы стадий и подстадий. На стадии бурых углей степень «метаморфизма» характеризуется уменьшением общего содержания влаги (правило Шёрмана): в мягких бурых углях (лигнитах) на 100 м глубины (мощности) она уменьшается на 4%, в матовых бурых — на 1, а в блестящих бурых — на 0,5—0,7% (Штах и др., 1978, с. 56). Уменьшение влажности помимо отжатия воды происходит и в результате разрушения гидрофильных функциональных групп — ОН, COOH (карбоксильная), CH3O (метоксильная), СО (карбонильная группа), а также кольцевого кислорода, и в итоге увеличивается содержание С.
На средней стадии бурых углей (твердых бурых) последние остатки лигнина и целлюлозы переходят в гумусовые вещества, а гуминовые кислоты конденсируются, их молекулы увеличиваются, теряют кислотные свойства и образуют нерастворимые в щелочах гумины. Это примерно совпадает с границей бурых и каменных углей, и граница, таким образом, намечается сравнительно просто: гуминовые кислоты растворяются (это еще бурые угли), а гумины не растворяются в КОН. Выход же летучих (главным образом CO2, воды и метана — из метоксиль-ных групп в лигнине) на стадии бурых углей меняется мало. Граница матовых и блестящих бурых углей обозначена скачком петрографических свойств: бурые угли вследствие гелефи-кации (витринизации), т. е. химических изменений, становятся черными и глянцевыми (блестящими), похожими на каменные, но отличаются от них по физико-химическим свойствам.
Углефикация каменных углей на ранних стадиях (при высоком — >30% Vdaf — выходе летучих) идет, как и у бурых углей: уменьшается содержание влаги, увеличивается содержание С и теплоты сгорания (см. рис. 11.1). Перелом наступает при выходе летучих <30% (<29%) и до 10%: содержание С практически не увеличивается, как и теплота сгорания (она вскоре даже начинает уменьшаться), и только выход летучих сильно и линейно меняется (уменьшается), обозначая прогрессирующую углефикацию. В эти стадии летучие образуются в основном преобразованиями неароматических фракций угля, поскольку удаляются алифатические и алициклические (см. 11.3) группы и увеличивается степень ароматизации гумусовых комплексов (химическая углефикация). Новый перелом насту-
пает на границе полуантрацитов и антрацитов и на протяжении последней: снижается темп уменьшения выхода летучих (с 10 до 5%), снова увеличивается содержание С, хотя и не резко, продолжает линейно уменьшаться выход Н, заметно снижается теплота сгорания и резко возрастает отражательная способность витринита, а также оптическая анизотропия за счет упорядочения ориентировки молекул (физико-структурная углефикация под влиянием давления).
На стадии коксовых (точнее, коксующихся) углей (C= 87—89%) многие свойства достигают максимальных или минимальных значений. На стадиях Д, Г, ПЖ и К теряется большая часть О — за счет высвобождения богатых кислородом CO2 и воды, и общий выход летучих все еще большой (>30—40%). На ранней стадии углефикации (температуры 20—500C) теряется практически только вода; при 30—70° высвобождается (из остатков лигнина) небольшое количество метана; при 70— 1000C уходит CO2, СО и высшие углеводороды и при 160— 2000C выделяется большое количество метана, когда общий выход летучих <29%. Почти одновременно удаляется и азот в больших количествах.
Основная причина углефикации — рост температуры. Действует «закон Хильта»: степень метаморфизма углей увеличивается с глубиной (т. е. с ростом температуры), и градиент степени метаморфизма зависит от геотермического градиента (и обратно пропорционально — от теплопроводности пород). Давление в основном, видимо, замедляет химические реакции при углефикации, в частности мешает оттоку летучих. Оно лишь способствует упорядочению молекул и росту анизотропии, что можно назвать «физико-структурной углефикацией». Температура, необходимая для превращения углей в антрациты, видимо, не достигается (или достигается редко) при обычном погружении слоев на глубины свыше 10 км (температурный градиент 3—40QlOO м). Все чаще устанавливается (Япаскурт,. 1989 и др.), что дополнительное тепло давали скрытые интрузии, например массив Брамше, обнаруженный в северо-западной части ФРГ геофизиками: он дал необходимую температуру 3000C — и антрациты в карбоне и нижнем мелу возникли над ним на глубине, всего 2—3 км. В третичных осадках Верхнерейнского грабена на «горячих» участках с геотермическим градиентом в 7—8°С/100 м стадия каменных углей достигается уже на глубине 1500 м, а на «холодных» (4°С/100 м) — лишь на глубине 2600 м (Штах и др., 1978, с. 64). Для образования каменных углей достаточна температура 100—150°С, т. е. заметно более низкая, чем устанавливаемая в экспериментах, ибо температура, необходимая для выделения газов (что способствует усилению метаморфизма), ниже при более медленном нагревании (влияние времени).
