Задать вопрос
+7-932-129-43-76
+7-932-129-48-92
Задать вопрос
Быстро и надежно

Как образовался каменный уголь

Каменный уголь – это порода растительного происхождения. Его образование началось 450 миллионов лет назад. Наиболее интенсивно угольные пласты откладывались в период от 350 до 250 миллионов лет назад. Таким образом, возраст каменного угля может достигать почти полумиллиарда лет.

Исходный материал полезного ископаемого – болотные растения, в меньшей степени – планктон. Они способны синтезировать из углекислого газа органические соединения, используя солнечную энергию. В торфе, а затем в угле накапливается углерод. При сгорании он отдает энергию. Вот почему уголь называют кладовой солнца.

В этой статье мы подробнее расскажем обо всех стадиях и процессах углеобразования. Опишем условия, при которых оно возможно.

Если коротко, то принято выделять две основные стадии образования угля:

  1. Торфообразование
  2. Углефикацию

На этапе торфообразования болотная флора разлагается в среде с ограниченным доступом кислорода. В результате получается гумус, в котором встречаются остатки растений. С течением времени торфяные пласты опускаются вглубь земли. Болота могут пересыхать, затапливаться морем. На них наслаиваются осадочные породы.

Под воздействием температуры и давления торф превращается в бурый уголь. С этого этапа начинается собственно углефикация. Бурые угли переходят в каменные, затем в антрацит и графит. Процесс длится миллионы лет.

Далее мы разберем все этапы подробнее. Но сначала коротко расскажем о том, в каких условиях началось углеобразование и что ему предшествовало.

Когда начался процесс образования угля

Первые признаки жизни на Земле появились еще в Архейскую эру, 2-3 миллиарда лет назад. В Протерозойскую эру морские существа эволюционировали от одноклеточных к многоклеточным организмам, появились водоросли, беспозвоночные и хордовые животные. Останки первых живых существ превратились в карбонатные породы – известняк, доломит, мергели.

Углистые соединения стали появляться в конце Протерозоя и Палеозое. Одним из ярких представителей этого периода является шунгит. Это черный или бурый камень, на 98% состоящий из углерода. Его залежи встречаются в Карелии, Челябинской области, на Камчатке. Небольшое количество находят в Австрии, Индии, Конго.

Первые периоды Палеозойкой эры (кембрий, ордовик) характеризуются бурным развитием водорослей и планктона. Они откладывались на морском дне, образуя сапропель. Это вещество богато продуктами распада липидов и жиров. Вследствие биохимических и физических процессов сапропель превращается в битум — основу горючих сланцев и сапропелитовых углей. В битуме много смол и летучих соединений. Иногда сапропелиты и сланцы еще называют твердой нефтью, так как они являются источниками смол и жидкого топлива.

В силуре (около 450 млн. лет назад) на землю выходят первые растения – псилофиты. Они напоминают водоросли без корней и стеблей. Псилофиты образовали мощные заросли в прибрежной зоне. Это первые растения, из которых образовались настоящие угли. К силурийскому периоду относятся месторождения возле реки Барзас на Кузбассе, на Медвежьем острове в Баренцевом море.

В девоне на земле появились первые споровые растения – грибы, лишайники, чуть позже – мхи, папоротники, плауны, хвощи. Настоящего расцвета они достигли в каменноугольный период (карбон). В это время обширные леса покрывали земную поверхность. Болота достигали площади в тысячи километров. После отмирания растений образовались залежи торфа в несколько десятков метров, которые потом превратились в уголь.

В карбоне возникли самые крупные угольные бассейны мира. К этому периоду относятся Кузнецкий, Подмосковный, Донецкий и Львовско-Волынский (Украина), Карагандинский и Экибастузский (Казахстан), Рурский (Германия), Верхнесилезский (Польша), месторождения в Бельгии, Великобритании, Испании, Франции. В США с карбоном связаны Иллинойский, Техасский, Пенсильванский, Аппалачский бассейны. В Австралии — месторождения в Новом Южном Уэльсе и Боуэне.

После карбона следовала пермь. В этот период климат на земле стал более сухой. Появились предшественники голосемянных – кордаиты. Углеобразование немного затормозилось, но не прекратилось полностью. К этой эпохе относятся такой крупный бассейн как Печорский, частично Кузнецкий, некоторые месторождения в Восточной Азии и Австралии.

Расцвет кордаитов приходится на Мезозойскую эру (юрский и нижнемеловой периоды), когда влажность повысилась и опять появились обширные торфяные болота. В конце мелового периода исчезают крупные папоротники, их пространство занимают покрытосемянные. Деревья в это время достигают гигантских размеров, до 100 м в высоту.

С серединой и концом Мезозоя связаны в основном месторождения бурого угля. Они расположены в Сибири и на Дальнем востоке (Канско-Ачинский, Зырянский, Ленский, Иркутский, Буреинский бассейны, верхние горизонты Кузбасса), в Китае, Австралии, Казахстане, Монголии, США (бассейн Альберта).

В Кайнозойскую эру продолжает меняться климат, сокращается площадь болот. Первое место среди растений занимают покрытосемянные. Процессы углеобразования замедляются и практически прекращаются к концу неогена. Вот почему уголь называют невозобновляемым ресурсом. В наше время трансформация торфа в это полезное ископаемое уже не происходит.

Вернемся к этапам образования угля. Итак, ранее мы уже говорили, что оно состоит из торфообразования и углефикации. Далее поговорим подробно о каждом.

Торфообразование

Первый этап образования угля – накопление торфа. Этот природный материал – продукт разложения растений в среде с ограниченным доступом кислорода.

Для полноценного процесса важны следующие природные условия:

  1. Климат
    Для образования торфа необходим влажный климат. Сейчас этот процесс интенсивно происходит в северных и умеренных широтах. Хотя часть современных торфяников образуется в тропической и экваториальной зоне.
    В средине палеозойской и мезозойской эры на земле был теплый влажный климат. Это способствовало образованию крупных болот с буйной растительностью, которая постепенно превращалась в торф.
  2. Высокое расположение водоносных горизонтов
    Болота образуются в местах, где грунтовые воды подходят близко к поверхности. Уровень их поднимается при большом количестве осадков.
  3. Рельеф
    Полноценное накопление торфа возможно на равнинах, окруженных возвышенностями. В такой ситуации местность защищена от затопления морскими водами. В низинах задерживаются осадки.

Мертвые растения на торфяных болотах частично разлагаются под воздействием кислорода. При этом выделяется вода и углекислый газ. Но большая часть материала подвергается превращению в анаэробной среде под воздействием микроорганизмов. Процесс окисления и разрушения органических веществ происходит медленно. При этом выделяется небольшое количество СО2 и метан (СН). Органика превращается в гумус.

В торфяники может заноситься сапропель из морского дна, озер или самого болота. Под влиянием анаэробов проходит его битумизация. С водой и ветром попадают минеральные вещества, горные породы, вымываются коллоиды и растворимые соединения. Подробнее о торфообразовании вы можете прочитать в статье «Торф». Этот процесс не прекратился, он продолжается до сих пор. В год на современных торфяных болотах накапливается приблизительно 1 мм материала.

Древние торфяники возникали чаще всего у морского побережья, в лагунах и заливах. Реже торф накапливался внутри континентов, возле рек и озер. Периодически территории затапливались морем. Торф смешивался с сапропелем, а затем покрывался осадочными породами. Под давлением воды и грунта его слои спрессовывались и уходили все глубже под землю. Когда море отступало, торфообразование возобновлялось. Так возникали пласты, разделенные прослойками песка, глины, известняка и сланцев.

Разделяют два типа торфообразования:

  1. Автохтонное
    Так называется тип, при котором торф и уголь накапливаются в тех же местах, где произрастала первичная флора.
    Его признаки:
    — Стигмарии – останки корней растений в пластах пустой породы, окружающей залежи угля
    — Обуглившиеся пни
    — Наличие вертикальных стволов деревьев в угольной толще
    — Боковые корни хвощей и папоротников, пронизывающие пласт
    — Известковые почки с сохранившимися останками растений
    — Постоянная мощность пластов на обширных территориях
    — Низкое содержание минеральных солей
  2. Аллохтонное
    Аллохтонный тип образования торфа и угля связан с переносом. Вследствие затопления, землетрясений, изменений рельефа торфяные залежи перемещались на территории, отдаленные от первоначальных болот. В аллохтонных слоях угля встречается больше примесей осадочных пород, крупных валунов, минеральных солей. Структура угля более упорядоченная, слоистая, что связано с воздействием потоков воды во время переноса. Толщина пластов неравномерная, встречаются разрывы, вклинивания и другие нарушения.

Этапы углефикации

Древние торфяные болота существовали миллионы лет. По мере накопления субстрата нижние слои погружались вглубь земли. Время от времени изменялся рельеф. Болота затапливались морем, вследствие природных катаклизмов засыпались обломками горных пород. Со временем процесс возобновлялся, образовывались новые пласты торфа.

Сначала разложение органики происходило под влиянием анаэробных бактерий. По мере продвижения вглубь земли биологические процессы прекращались, начиналась собственно углефикация.

Она состоит из двух основных этапов:

  1. Диагенеза
  2. Метаморфизма

Диагенез

Диагенез включает в себя завершающие этапы торфообразования и переход к бурому углю. В его процессе формируется петрографический состав угля. Растительные элементы окончательно теряют свою структуру и превращаются в коллоид, по структуре напоминающий гель. Такой процесс называется гелификацией. Под влиянием температуры и давления он затвердевает. В будущем субстанция превращается в витринит.

При частичном доступе кислорода разложение растительных останков проходит по типу фюзенизации. Лигнин и целлюлоза частично сохраняют свою структуру. Строение фюзена волокнистое, клеточные оболочки и пространство между нитями целлюлозы часто заполнены минералами.

Под давлением торф уплотняется, теряет воду. В конечном итоге из 1 м материала образуется 10-20 см угля. Разложение идет и на молекулярном уровне. Сначала распадаются гидролизные связи, кислородсодержащие соединения. Процесс охватывает в основном периферическую часть крупных органических молекул. Они распадаются на более мелкие. При этом выделяется метан, углекислый газ, в незначительных количествах летучий азот.

Метаморфизм

Когда полностью завершается гумификация торфа, коллоиды превращаются в твердую субстанцию, начинается процесс углефикации, или метаморфизма угля.

Он состоит из нескольких стадий:

  1. Бурого угля
    На стадии бурого угля крупные молекулы продолжают распадаться. Из пласта выделяются летучие кислородсодержащие соединения. Материал состоит из разрозненного конгломерата органических и неорганических веществ. Количество углерода в нем едва превышает 80%, остается много водорода. Уголь хрупкий, легко распадается, молекулярные связи в нем слабые. Цвет материала темно-коричневый, блеск матовый.  Стадию еще называют дополимерной.
  2. От бурого к жирному углю
    При переходе от бурого угля к жирному порода уплотняется, продолжают выделяться летучие вещества. Концентрация углерода возрастает, а кислорода и водорода – падает. Значительно изменяются периферические части молекул, начинают формироваться полимерные связи.
  3. От жирного к полуантрацитам
    На третьем этапе в центре молекул образуются ароматические циклические соединения. Концентрация углерода увеличивается медленнее. На стадии тощих углей резко падает количество азота. Снижается скорость выхода летучих веществ. Плотность угля возрастает.
  4. От полуантрацитов к антрацитам
    Четвертая стадия характеризуется окончательным формированием полимерной структуры. В некоторых участках образуются кристаллические сетки. Состав ископаемого стабилизируется, концентрация углерода превышает 90%. Материал обретает насыщенный черный цвет и блеск.

В результате превращений в полезном ископаемом резко возрастает содержание углерода, падает содержание кислорода и водорода. Изменяются текстура и молекулярная структура, плотность материала возрастает.

При дальнейшем метаморфизме начинается стадия графитизации. В угле увеличивается число кристаллических связей. Он практически полностью состоит из углерода. Останки растений практически не выявляются. Графитизации подвергаются очень древние пласты времен силура и девона.

Условия углеобразования

На первом этапе углеобразования основное влияние оказывает рельеф, состав грунтовых вод, климат, болотная флора. Когда торфяные пласты опускаются вглубь земли, биохимические процессы прекращаются. Метаморфизм происходит за счет физических и химических изменений породы. Начинается этап углефикации.

На образование угля в толще земли влияют три основных фактора:

  1. Температура
  2. Давление
  3. Время

Каким образом каждый из факторов влиял на превращение торфа в уголь, мы расскажем дальше.

Температура

Высокая температура – это основной фактор превращения торфа в уголь. Под ее влиянием происходит распад крупных органических молекул, выделение газов, коллоиды становятся твердыми, образуются полимерные соединения. При сильном нагревании возникают ароматические и кристаллические связи между атомами углерода.

Температура изменяется по мере углубления в недра земли. Каждые 100 м повышается приблизительно на 1-8°С. В древние периоды этот показатель, возможно, был даже выше. Влияние температуры было доказано в эксперименте. При нагревании без доступа кислорода торф превращается в субстанцию, похожую на антрацит.

Для перехода торфа в бурый уголь нужна температура выше 35°С. Такие условия обеспечиваются на глубине в несколько сотен метров от поверхности Земли. Для превращения субстанции в антрацит нужно нагревание до 250-300°С, а при 390-400°С уголь переходит в графит.

Влиянием температуры можно объяснить, почему в древних залежах иногда выявляют бурый уголь, а в более молодых — антрацит. В зависимости от геологических условий пласты нагревались по-разному. Если они не опускались на большую глубину или на каком-то этапе поднялись на поверхность, уголь остался бурым, и дальнейший его метаморфизм не произошел.

Давление

Роль давления в образовании угля до конца не ясна. В ходе экспериментов не удалось добиться углефикации исключительно под его влиянием. Несомненно, давление имеет значение на этапе диагенеза. От его воздействия уплотняется торф, уменьшается его пористость и влажность. Давление способствует упорядоченности макромолекул, формированию слоистой структуры.

Начиная от стадии бурых углей, роль давления неоднозначная. Оно способствует дальнейшему уплотнению материала, но одновременно замедляет химические процессы. Высокое давление препятствует выходу газов. В залежах, похороненных под мощными пластами пустых пород, накапливается метан. В них находится больше угля на ранних стадиях метаморфизма.

При переходе к тощим углям и антрацитам значительно меняется их структура. Становится практически незаметной слоистая текстура. Такие изменения также приписывают влиянию давления. Но они могут происходить и под воздействием температуры.

Время

Фактор времени – самый неоднозначный. До сих пор идут дискуссии, насколько оно влияет на углефикацию. Одни считают, что время полностью компенсируется температурой. При благоприятных условиях превращение торфа в уголь может длиться от несколько сотен тысяч до миллиона лет.

Другие ученые твердят, что при минимальной температуре 35°С нужно 5 млн. лет для метаморфизма. Дальше процесс приостанавливается, и даже повышение температуры не изменяет тип угля. При более высоких показателях углефикация идет быстрее.

Вопрос влияния времени на углефикацию требует дальнейшего изучения. Но большинство ученых считают, что сейчас оно не играет роли. Климат изменился, а температура в недрах Земли снизилась. Даже через миллионы лет вряд ли современный торф при таких условиях превратиться в уголь. Поэтому время имеет значение только при наличии других факторов метаморфизма.

Виды метаморфизма угля

Метаморфизм угля проходит в разных геологических условиях. На него влияет глубина залегания пластов и температура в недрах Земли, рельеф местности, наличие вулканической активности.

В зависимости от условий углеобразования выделяют такие виды метаморфизма:

  • Региональный
  • Термальный
  • Контактный
  • Редкие виды

Детальнее о них мы расскажем дальше.

Региональный метаморфизм

Пласты торфа, которые погружаются вглубь Земли, нагреваются за счет ее теплового потока. Его интенсивность измеряется геотермическим ингредиентом (ГГ) – повышением температуры на определенную величину каждые 100 м. Современные показатели колеблются от 1°С до 8°С.

Увеличение температуры в толще Земли в эпоху углеобразования принято называть палеогеотермическим ингредиентом (ПГГ). Его значения были выше, чем современные. Они возрастали в районах активных платформ, которые постоянно сдвигались относительно друг друга. Средние показатели наблюдались предгорьях, низкие – в районах пассивных стабильных платформ.

На активной платформе располагался Тунгусский бассейн. В некоторых его участках ПГГ достигал 9-10°С. Сейчас ГГ снизился до 0,7-2,9°С. В предгорьях находятся Львовско-Волынский, Тургайский, Челябинский угольные бассейны. ПГГ в них составляет 3,5-4,5°С. На пассивных платформах расположены Подмосковный, Днепровский, Камский, Припятский бассейны. В них ПГГ всего 1-1,5°С. Это объясняет, почему уголь здесь остается бурым, несмотря на древность отложений.

Уплотнение породы, снижение влажности, пористости, формирование структуры происходит за счет давления осадочных пород. Природные факторы при региональном метаморфизме равномерно влияют на всю залежь. Уголь в пластах одного уровня имеет одинаковую степень зрелости. Она высокая в нижней части залежи и более низкая в верхней. Например, на глубине 100 м залегает антрацит, на 500 м – каменный уголь, а на 100 м — бурый.

Признаки регионального метаморфизма есть во всех угольных бассейнах. Ведь тепловой поток Земли приблизительно равномерно распределен по всей коре. Давление всегда усиливается при опускании пластов на глубину. Но в определенных регионах на формирование полезного ископаемого влияют и другие факторы. Они могут ускорять метаморфизм в определенных участках.

Термальный метаморфизм

Вследствие геологических процессов горячая магма может подниматься в верхние слои земной коры. Если она подходит близко к формирующимся пластам угля их метаморфизм резко ускоряется. Происходит это за счет повышения геотермального ингредиента.

При термальном метаморфизме уголь даже на небольшой глубине претерпевает сильные изменения. В результате у самой поверхности может образоваться антрацит, жирный или тощий каменный уголь. Температура распределяется равномерно по всему пласту.

Контактный метаморфизм

Механизм возникновения этого вида метаморфизма такой же, как у термального. В результате сдвигов земной коры магма подходит близко к поверхности. Но она воздействует не на весь пласт, а на его отдельные участки. Возникают интрузии (вклинивания) разогретых горных пород в угольную толщу. Площадь контакта может достигать тысяч метров. Изменения, вызванные интрузией, иногда проваляются на расстоянии в несколько километров от места соприкосновения с магматической породой.

Горячая порода вызывает спекание углей. На самой границе с магмой можно увидеть трещины, заполненные пеком (расплавленной смолой). Дальше в пласте резко увеличивается зрелость полезного ископаемого. Бурый уголь превращается в молодой каменный, а тот в антрацит. Метаморфизм наблюдается даже у зрелой сформировавшейся породы, которая в других условиях остается неизмененной.

Основное влияние на пласт оказывает высокая температура. Частично изменения связаны с резким повышением давления газов, которые выделяются при расплавлении угля. Полезное ископаемое вблизи контакта полностью теряет спекаемость, возрастает его зольность, падает теплота сгорания. В окружающих зонах образуется природный кокс – материал с матовым блеском и высокой прочностью.

Редкие виды метаморфизма

В большинстве угольных бассейнов метаморфизм происходит за счет трех описанных выше механизмов. Они воздействуют по-отдельности или одновременно. Кроме этого существуют виды, которые встречаются довольно редко.

К ним относятся:

  • Тектотермический, или динамометаморфизм
    Возникает в местах тектонических сдвигов, при образовании складчатых горных массивов. Признается не всеми исследователями. Следы такого метаморфизма наблюдаются в древних пластах, относящихся к Архейской и Протерозойской эрам. Основное влияние оказывают температура и резко возрастающее давление.
  • Гидротермический
    Возникает в зоне контакта угольного пласта с горячими подземными водами. Чаще всего такое происходит при повышенной вулканической активности, выходе в поверхностные слои коры магмы. Она разогревает подземные воды до высоких температур, превращает в пар. Такое состояние воды может сохраняться достаточно долго, даже после частичного остывания магмы. Сейчас мы можем наблюдать подобные процессы на месте горячих источников и вулканических гейзеров.
  • Радиационный
    Существуют лишь единичные наблюдения за метаморфизмом угля под воздействием радиации в лабораторных и естественных условиях. Этот механизм требует дальнейшего изучения.
  • Импактный
    Экзотический вид метаморфизма, возникает в угольных пластах после падения метеоритов. Изменения в породе происходят моментально.

Редкие виды метаморфизма играют вспомогательную роль в образовании угля. Они воздействуют на ограниченные участки пласта. Могут изменять уже сформировавшуюся породу.

Альтернативные теории образования угля

Существуют альтернативные теории углеобразования. Большинство имеют слабые аргументы и легко отвергаются официальной наукой. Некоторые из них просто фантастические.

Одна из самых популярных теорий – абиогенная. Утверждается, что уголь образовался в результате пиролиза метана. Как доказательства приводятся лабораторные эксперименты. В результате пиролиза газа получают графит. Сторонники теории утверждают, что растительные останки либо попадают в уголь на поздних этапах, либо являются просто кристаллическими структурами.

Теория не объясняет, откуда в толще земли взялся метан. Ведь у этого газа органическое происхождение, он является продуктом распада растений и животных. Трудно предположить, что древние растения попали в угольные пласты случайно. И уж тем более нельзя говорить, что это просто кристаллические структуры. Ведь в полезном ископаемом находят споры, кутикулу и древесину с хорошо сохранившейся структурой.

Вторая теория касается автохтонного торфообразования. Приводятся доказательства, что уголь образовался в основном из аллохтонных залежей. Она основана на том, что слоистая структура угля больше напоминает аллохтонный торф и могла сформироваться только под воздействием потоков воды, которые переносили залежи. Вертикальные стволы деревьев были также привнесены в торф извне, как и крупные валуны. Еще один аргумент – подошва угольных пластов. В ней нет признаков плодородной почвы. Теория требует дальнейшего изучения.

В спорах ученых присутствует вопрос, образовался ли уголь вследствие катастрофы. Многие объясняют процесс крупными наводнениями, резкими изменениями климата после землетрясений, извержений вулканов или падений метеоритов. Такое объяснение используют люди, считающие причиной образования угля Всемирный Ноев потоп. Если выключить библейскую историю, теория потопа имеет под собой основания. Ведь многие пустые породы между угольными пластами имеют морское происхождение. Скорее наводнения были локальными, связанными с повышением уровня моря или циклическими изменениями климата в определенных регионах.

Самая фантастическая теория – марсианское происхождение угля. Ее сторонники считают, что на Красной планете существовала жизнь. Она была уничтожена мощным метеоритным дождем. Частицы растений и осадочных пород занесло на землю. Они осели в основном в Северном полушарии. Затем из этой субстанции получился уголь.

В механизмах углеобразования есть много неясных моментов. Но ученые сходятся во мнении, что полезное ископаемое сформировалось из торфяных залежей, которые под воздействием температуры и давления превратились в твердую породу. Процесс занял миллионы лет и уже не повторяется. Это связано с остыванием ядра Земли, изменениями климата и другими причинами. Запасов угля хватит приблизительно на 500 лет. Но уже сейчас человечество ищет и начинает использовать альтернативные источники энергии и органических веществ.