Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Каустобиолиты

 Общая характеристика каустобиолитов

Каустобиолиты – большая группа пород, сложенных органическими компонентами (греч. «каустос» – горючий, «биос» – жизнь и «литос» – камень), а именно торф, угли, горючие сланцы, твердые битумы.
По мнению В.Т. Фролова, сюда входят также и жидкие горные «породы» – нефти (возможно, и газ).

Твердые каустобиолиты

Твердые горючие ископаемые представлены гумолитами, сапропелитами и органофлюидолитами.
К ним примыкают горючие сланцы. В них органическое вещество хотя и не преобладает, но как полезные ископаемые они тяготеют к каустобиолитам.

ТипыПодразделения типов
Основные генетические типы твердых горючих ископаемых
I. Гумолиты 1. Гумиты – в основном из лигнин-целлюлозных веществ
2. Липтобиолиты – из смол, восков, оболочек спор, кутикулы
II. Сапропелиты 3. Телосапропелиты – сохраняется форма или анатомическое строение водорослей и других богатых жирами организмов
4. Сапроколлиты – исходный сапропелевый материал на месте залегания превращен в бесструктурную массу
III. Органофлюидолиты 5. Нафтолиты – из мигрировавших углеводородных флюидов разного генезиса
6. Антрафлюидолиты – из мигрировавших термогенных углеводородных флюидов угольного ряда
7. Некромофлюидолиты – в основном из некрокислот, мигрировавших за пределы торфяника в виде растворов, суспензий и эмульсий. Сорбированное ОВ черносланцевых толщ

Гумолиты – угли, образовавшиеся из остатков высших растений, главным образом из их лигнино-целлюлозных тканей при недостатке кислорода во влажной среде, сначала в результате микробиологических процессов – гумификации, а потом в результате термобарических превращений – углефикации.Гумолиты

В 1919 г. М. Стопс в каменных углях выделила четыре макроскопических ингредиента: витрен, кларен, дюрен и фюзен. Когда микроскопическое изучение углей усовершенствовалось, стало возможным различать микрокомпоненты. Классификация углей основана на сочетаниях микрокомпонентов. Выделяют 24 микрокомпонента в бурых углях и 17 – в каменных. Они объединяются в шесть групп.

  1. Альгинит – основной микрокомпонент сапропелевого ископаемого органического вещества, образующийся из водорослей.
  2. Альговитринит – промежуточная между альгинитом и витринитом группа, образовавшаяся из гумусового и сапропелевого материала.
  3. Витринит (гуминит – для бурых углей) – наиболее распространенный микрокомпонент большинства углей, образуется из лигнина и целлюлозы на ранней стадии разложения растительной ткани без доступа кислорода, твердый, блестящий, бесструктурный или с частично сохраняющимся клеточным строением.
  4. Инертовитринит – промежуточные между 3-й и 6-й группами мацералы , возникающие при частичном окислении еще на торфяной стадии.
  5. Липтинит, или экзинит, объединяющий споринит (из оболочек спор), поллинит (из пыльцы), кутинит (из кутикул листьев и хвои, т. е. из наружных слоев), резинит («resinia» — смола), липтодетринит (обломочной структуры), а в бурых углях — еще и суберинит («suber» — пробка) и хлорофиллинит, слагающиеся наиболее стойкими растительными фрагментами, хорошо сохраняющими форму при углефикации.
  6. Фюзинит, или инертинит легко устанавливается по шелковистости, волокнистости, черному и желтоватому цветам, сажистости, наибольшей матовости, непрозрачности в шлифах, наивысшей отражательной способности, самому высокому содержанию углерода, часто по клеточному строению. Образуется при окислительном превращении лигнино-целлюлозных тканей растений, часто целых единых их фрагментов при недостаточной обводненности, т. е. обычно выше уровня грунтовых вод, нередко по обугленным при лесных пожарах частям деревьев.

Минеральные примеси в углях встречаются часто, и их количество варьирует от 0 до преобладания, когда породу следует относить к соответствующим некаустобиолитовым образованиям. Наиболее часто в углях встречаются каолинит, иллит, пирит, сидерит, анкерит, кальцит, кварц, в торфе – вивианит. Весьма характерны для углей тонштейны, сложенные крупнокристаллическим (до 1 мм), часто червеобразным идиоморфным аутигенным каолинитом и углистым веществом.
Обобщенным выражением количества примесей является плотность. Угли чистые и слабо загрязненные имеют плотность менее 1,5 г/см3. Угольно-минеральные ассоциации с плотностью 1,5—2,0 г/см3 называются карбоминеритами. Это соответствует примеси глинистого вещества, кварца или карбонатов в 20—60%. Если плотность более 2,0 г/см3, то это отходы или пустая порода.

Литотипы гумусовых углей

Витрен (блестящий уголь) – черные слои с сильным блеском, часто хрупкие, густо вертикально трещиноватые, распадающиеся на кубики при разработке, с раковистым изломом более толстых слоев, толщиной от 3 до 10 мм. Встречается часто

Кларен – тонкорасслоенные (слои тоньше 3 мм) черные угли с промежуточным между витреном и дюреном блеском, т. е. полублестящие

Дюрен (матовый уголь) – черный или серый, часто со слабым жирным блеском, очень твердый, колющийся на крупные куски, с шероховатым изломом, мощностью слоев более 3—10 мм, иногда до 10 см, слои выдержаны по простиранию и почти всегда более толстые, чем слои витрена и кларена

Фюзен сходен с древесным углем, черный, шелковистый, нередко волокнистый, мягкий, сажистый, пачкает руки, а также твердый, когда полости клеток заполнены карбонатом, кварцем или другими минеральными примесями

Сапропелиты

Сапропелевые угли (греч. «сапрос» – гнилой, «пелос» – ил), или сапропелиты состоят преимущественно из микрокомпонентов группы альгинита.

От гумусовых углей они резко отличаются изотропностью, однородностью, высокой прочностью. Дают много газа и смолы. Являются каустобиолитами битумного или нефтяного ряда. Они матовые, пелитоморфные, массивные, имеют раковистый излом, светло- и темно-коричневые, вязкие, загораются от спички. Залегают линзами или прослоями в гумусовых углях или образуют самостоятельные слои.

На стадии осадка сапропелевые угли представлены сапропелем, или гиттией – илом с преобладанием органического вещества. Сапрпель образуется в озерах, болотах и лагунах при разложении органического вещества без доступа кислорода.

Сапропелиты связаны постепенным переходом с гумитами через кеннельские угли, или кеннели (англ. «candle» – свеча), – черные матовые и со слабым жирным блеском породы с раковистым изломом. Кеннели являются сапропелито-гумитами.

Настоящие сапропелиты – богхеды – через кеннель-богхеды и богхед-кеннели связаны переходом с кеннельскими углями. Богхеды черные, матовые, землистые, пелитоморфные, неслоистые и с неясной слоистостью, плотные, крепкие, хрупкие, иногда маркие, загораются с трудом, дают пламя, являются литифицированным сапропелем.

Кеннели и богхеды при перегонке дают продукты, сходные с нефтью.

Горючие сланцы

Горючие сланцы – чаще всего глинистые, карбонатные или кремневые пелитоморфные горные породы, обогащенные органическим, в основном сапропелевым, веществом на 15—40%. Органическое вещество (ОВ) сланцев обычно называется керогеном (т. е. «воск рождающим» с греческого). В нем повышенные концентрации урана, железа, ванадия, никеля и молибдена. Минеральное вещество горючих сланцев разнообразно. Обычно преобладает глинистое вещество, тонкоотмученное или с алевритом. Карбонаты – планктоногенные, биодетритовые или хемогенные. В кремневом веществе преобладают диатомеи. Обычны сидерит, пирит и другие сульфиды.

Горючий сланец

Органофлюидолиты

Это гетерогенные образования, имеющие лишь одно общее – исходную флюидную фазу. На всех стадиях ОВ и каустобиолиты отделяют флюиды, которые мигрируют, взаимодействуют с другими органическими и неорганическими флюидами и породами.

Наиболее обширна и лучше изучена группа нафтолитов. Различаются нафтолиты асфальтенового и нафтенового рядов.
Протокатагенез представлен имматуритами: асфальтом, гильсонитом и греэмитом.
Мезокатагенез охарактеризован адультитами: импсонитами, асфальтитами и альбертитами,
а метагенез, – антраксолитами: кискеитом, тухтолитом и шунгитом.

Асафальт

Шунгит

Антраксолит

Геология углей

Уголь залегает слоями или пластами мощностью от миллиметров до сотен метров.
Самый мощный на Земле пласт бурого угля в 450 м – на месторождении Хат-Крик в Канаде,
на втором месте – пласт бурого угля в 330 м в Южной Австралии (штат Виктория, месторождение Латроб-Вэлли),
на третье место претендует 200-метровый каменный уголь Экибастуза (Казахстан), близкой мощности пласты имеются в Канско-Ачинском, Южно-Якутском, Челябинском и Тунгусском бассейнах, а также в Китае и других странах.

Такие сверхмощные пласты характерны для малопластовых угольных бассейнов; они пригодны для открытой разработки. Обычно это лимнические, т. е. болотно-озерные, бассейны.

Паралические (прибрежно-морские) бассейны отличаются огромной мощностью угленосной толщи (до 15 км в Донбассе) и многопластовостью. Например, в Донбассе рабочих пластов до 70, в Кузбассе – до 130.

Выдержанность пластов угля варьирует от десятков метров до первых сотен километров, и чем толще пласт, тем он более выдержан. Однако много и исключений. Так, один из самых мощных пластов бурого угля (330 м) в Латроб-Вэлли (Австралия) протягивается на 80—90 км, а более тонкие (1—2 м) пласты каменного угля в Донбассе прослеживаются на первые сотни километров. Эти различия определяются размерами обстановки торфонакопления.
По мощности угольные пласты разделяются на

  1. весьма тонкие (<0,5>
  2. тонкие (0,5—1,3 м),
  3. средней мощности (1,3—3,5 м),
  4. мощные (3,5—15 м)
  5. и весьма мощные (>15 м).

Площади распространения пластов угля от первых км2 до сотен и тысяч км2.

Одна из интереснейших особенностей пластов угля – их расщепление и слияние.

Цикличность углей и угленосных толщ – практически обязательная особенность их строения. Даже самые простые и маломощные (0,2 м и меньше) пласты почти всегда цикличны.

Типы расщепления угольных пластов (Голицын, Голицын, 1989): 1 – уголь, 2 – аргиллит, 3 – алевролит, песчаник

Циклит – циклотема паралических, дельтовых отложений основания средней юры (аален) Дагестана. Уголь – черный цвет (9)

Происхождение углей

Гумолиты образуются из торфа. Торф – продукт неполного разложения отмерших болотных растений в условиях избыточной влажности и ограниченного доступа кислорода.

Клетки растений имеют оболочку из целлюлозы6Н1005)n, сопровождающейся инкрустирующим ее лигнином, а иногда и пробковой тканью (кутином). Внутри оболочки находится вещество, состоящее из белковых тел (протеинов), жиров и углеводов. В древесине хвойных растений содержится смола, а в стеблях и листьях некоторых болотных растений – воск. Каждая растительная клетка содержит также некоторое количество минеральных веществ, дающих золу. Разложение отмерших остатков растений при образовании торфа происходит при обязательном участии микроорганизмов, главным образом анаэробных бактерий, лучистых и дрожжевых грибков.

После того как торфяник оказывается погребенным под толщей осадочных пород, начинается превращение торфа сначала в бурый, а затем в каменный уголь. Это превращение сопровождается полным разложением растительных веществ. С появлением на торфянике минеральной кровли увеличивается давление и начинаются уплотнение и дегидратация торфа. Неразложенные остатки коры и древесины чернеют, обугливаются, делаются блестящими. Образуются линзы и прослойки блестящего угля – витрена.

Если во время разложения растительных остатков имеет место приток свежей воды, жизнедеятельность бактерий усиливается. Они полностью разлагают целлюлозу, но лигнин и другие стойкие растительные элементы (ткани коры и древесины, споры и кутикулы) сохраняются в значительном количестве. В результате получаются прослои полублестящего угля – кларена.

В дальнейшем исчезают гемицеллюлоза и большая часть лигнина, но сохраняются споры, кутикулы и смоляные тела в коллоидальной массе гуминовых веществ: образуется твердый и вязкий матовый уголь, известный под названием дюрена.

Образование бурого угля в основном происходит в результате деятельности анаэробных бактерий при температурах, не превышающих 60—70°С. Было экспериментально доказано, что переход бурого угля в каменный происходит при температурах около 300—325°С, а при 500°С получается уже антрацит.

Распространение углей

Первые на Земле угли из остатков наземной растительности встречены в КНР, они имеют кембрийский возраст. В России известны углепроявления в силуре. Первые промышленные месторождения появляются в девоне, на Барзасском месторождении востока Кузбасса. Они происходят из остатков псилофитов.

Настоящий расцвет или даже взрыв углеобразования начинается с каменноугольного периода и завершается в перми. Триас отмечен только Челябинским бассейном и некоторыми другими небольшими месторождениями. Второй цикл начинается с юры и продолжается, с некоторыми затуханиями, до настоящего времени.

Угольные месторождения встречаются на всех материках, но распределены неравномерно.

Доказанные запасы угля на 2014 год в млн тонн
Страна Каменный уголь Бурый уголь Всего %
США 108501 128794 237295 26,62 %
Россия 49088 107922 157010 17,61 %
Китай 62200 52300 114500 12,84 %
Австралия 37100 39300 76400 8,57 %
Индия 56100 4500 60600 6,80 %
МИР 403199 488332 891531 100

 

Практическое значение

Применение каменного угля многообразно. Он используется как бытовое, энергетическое топливо, сырьё для металлургической и химической промышленности, а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов. Очень перспективным является сжижение (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Для производства 1 т нефти расходуется 2—3 т каменного угля.

Уголь – основной источник энергии. Лишь с середины 50-х годов угли уступили первое место нефти, но уже наметилась тенденция повторного выхода углей вперёд.
При скором сокращении добычи нефти ее заменителем выступят горючие сланцы.

Очень важное значение имеют коксующиеся угли в черной металлургии для выплавки чугуна.

Газификация угля используется для производства синтез-газа, смеси монооксида углерода (CO) и водорода (H2). Синтез-газ используется для сжигания в газовых турбинах при производстве электроэнергии. Синтез-газ также может быть преобразован в моторное топливо (бензин и дизельное топливо). Также синтез-газ может быть преобразован в метанол, который либо непосредственно смешивается с топливом, либо преобразуется в бензин. Во время газификации уголь смешивается с кислородом и паром, нагревается и сжимается. Во время реакции молекулы кислорода и воды окисляют уголь в монооксид углерода (CO), одновременно выделяя газообразный водород (H2).

3C (как уголь) + O2 + H2O → H2 + 3CO

Схема установки для двухступенчатой газификации угля

Выводы

  1. Каустобиолиты – группа пород, более чем на 50% сложенных органическими компонентами.
  2. Твердые горючие ископаемые представлены гумолитами, сапропелитами и органофлюидолитами.
  3. Классификация углей основана на сочетаниях микрокомпонентов, также называемых «мацералами».
  4. Литотипы гумусовых углей включают витрен, кларен, дюрен и фюзен.
  5. Сапропелевые угли состоят преимущественно из микрокомпонентов группы альгинита. Они связаны постепенным переходом с гумитами через кеннельские угли.
  6. Горючие сланцы – глинистые, карбонатные или кремневые породы, обогащенные органическим веществом на 15—40%.
  7. Органофлюидолиты образуются из флюидов каустобиолитов, которые мигрируют, взаимодействуют с другими органическими и неорганическими флюидами и породами.
  8. Уголь залегает слоями или пластами мощностью от миллиметров до сотен метров. По мощности угольные пласты разделяются на весьма тонкие (<0,5 м),="" тонкие="" (0,5—1,3="" м),="" средней="" мощности="" (1,3—3,5="" м),="" мощные="" (3,5—15="" м)="" и="" весьма="" мощные="" (="">15 м).
  9. Угольные месторождения распределены неравномерно. Основные разведанные запасы угля находятся в США, России, Китае, Австралии и Индии.
  10. Каустобиолиты имеют важное практическое значение. Основное использование – выработка электроэнергии. Очень важное значение имеют коксующиеся угли в черной металлургии.

Вопросы для самопроверки

  1. Какие породы относятся к группе каустобиолитов?
  2. Каковы основные группы каустобиолитов?
  3. Что такое «гумолиты»?
  4. Каковы основные микрокомпоненты углей?
  5. Какие литотипы выделяют в гумолитах?
  6. Какие породы относятся к сапропелитам?
  7. Что такое «кеннель» и «богхед»?
  8. Какие породы относятся к горючим сланцам?
  9. Какие породы относятся к органофлюидолитам?
  10. Каково практическое значение каустобиолитов?