Каустобиолиты

Глава 1

Введение 

Данная работа посвящена изучению горючие полезные ископаемые органического происхождения, представляющих собой продукты преобразования остатков растительных, реже животных, организмов под воздействием геологических факторов - Каустобиолитов.

В наше время  ежедневно добывают полезные ископаемые, которые нельзя заменить. И я хотела бы поподробнее рассмотреть их содержание.

Каустобиолиты

Каустобиолиты ( в переводе с греческого означает  «горючий камень органического происхождения») – это горные горючие ископаемые, обогащенные органическим веществом. При этом под органическим веществом понимается вещество, сложенное органическими компонентами в форме мономеров или полимеров, которые прямо или косвенно возникли из живого вещества. Минеральные компоненты: раковины, кости, зубы не входят в его состав.

 
К каустобиолитам относятся торф, сапропель, ископаемые угли, горючие сланцы. Нефть и горючие газы геологически и генетически связаны с каустобиолитами, но они имеют существенные отличия от других горючих полезных ископаемых.

 
Во-первых, не все придерживаются представлений  об органическом происхождении нефти. Во-вторых, закономерности образования  и размещения нефти в значительной мере связаны с её подвижностью, мобильностью, существенными перемещениями  в земной коре после образования. Наконец, к настоящему времени учение о нефти выделилось в специальную  дисциплину: геологию нефти и газа.

Вещество  каустобиолитов образуется из органических соединений, которые синтезируются  животными и растительными организмами  из газов атмосферы, воды, минеральных солей. Вода при этом содержит фосфор, калий и другие элементы.

 

 

Глава 2

Состав каустобиолитов.

Органические  соединения в земной коре могут возникать  из различных источников и различными путями. В настоящее время можно  указать следующие достоверные  и предполагаемые источники образования  каустобиолитов.

1. Остатки отмерших растительных и животных организмов и 
   органических продуктов их жизнедеятельности.
2. Абиогенные реакции в литосфере, дающие продукты органического состава.
3. Магматический синтез.

Преобладающим является первый из указанных источников. Основная масса каустобиолитов (во всяком случае, все ископаемые угли и, по всей вероятности, основная масса  нефти) имеют своим исходным материалом отмершие организмы. В настоящее  время известны лишь единичные случаи нахождения органических продуктов  абиогенных реакций в литосфере. Нет оснований отрицать широкое  распространение таких реакций, однако возможно, что продукты их недостаточно устойчивы в земной коре.

 

Что касается третьего источника – синтеза  органических соединений в магме, то вопрос о нем в настоящее время  является предметом оживленных дискуссий. Накопленный материал не оставляет  места для сомнений в том, что  на определенной стадии остывания магмы  в ней происходят реакции синтеза  водорода и углерода с образованием простейших углеводородов. В результате различных процессов молекулы их усложняются и дают начало образованиям, па составу и свойствам вполне аналогичным нефтяным каустобиолитам. Разногласия касаются лишь масштабов магматического нефтеобразования. Существуют две крайние точки зрения. Одни исследователи, во главе с автором магматической гипотезы Н. А. Кудрявцевым, все запасы нефтяных каустобиолитов, заключенные в недрах нашей планеты, приписывают магматическому генезису; другие (большинство геологов-нефтяников), допуская (или не допуская) в незначительных масштабах магматическое нефтеобразование, приводящее лишь к минералогическим скоплениям, считают, что все запасы нефтяных каустобиолитов имеют биогенное происхождение. Ниже мы рассмотрим различные гипотезы нефтеобразования, а сейчас остановимся подробнее на главнейшем источнике подавляющего большинства каустобиолитов – остатках отмерших организмов.

 

Биосфера, т. е. оболочка Земли, населенная организмами, охватывает часть атмосферы, гидросферу и поверхностные слои литосферы. Верхний предел биосферы ограничен  тропосферой; в гидросфере организмы  распространены до самых больших  океанических глубин. Нижний предел обитания организмов в литосфере оценивается  различно, но, во всяком случае, не глубже 3000 м, причем уже на небольших сравнительно глубинах становится возможным существование  только анаэробных организмов. По Вернадскому, общий вес биомассы достигает 1014 т. Наибольшую количественную роль в  биомассе играют простейшие, обладающие колоссальной быстротой размножения. Преобладающая часть живых организмов обитает в водной среде. Так как  доля животных организмов в биомассе по сравнению с растительными  ничтожна, то последние являются главнейший исходным материалом каустобиолитов. Главными компонентами, из которых состоят живые растительные организмы, являются: клетчатка (целлюлоза), легнин, белки, жнры, воски, кутин, споронины, полленины, суберин, смолы. По степени химической устойчивости их можно разбить на две группы: относительно малоустойчивые (целлюлоза, лигнин, белки, жиры) и высокоустойчивые.

Но в  осадочных породах захоранивается не всё органическое вещество растений и животных, а лишь его часть, которая не подверглась разложению в условиях гипергенеза. Н. Б. Вассоевич считает, что среднее содержание органического вещества составляет 15-20 кг/м3 породы. Общая его масса, заключенная в осадочной оболочке континентального сектора, включая шельфы, достигает 1016 тонн, что в тысячи раз превышает все известные скопления угля, нефти и газа. Важно и то, что для образования каустобиолитов необходимо не только наличие органического вещества, но и особые условия его накопления и захоронения.

Рис. 2.1

Средний элементарный состав живых  организмов и каустобиолитов разной степени преобразования

 

 

Глава 3

Подразделения каустобиолитов.

Твердые горючие ископаемые относятся к  породам биогенного происхождения  и делятся на 3 группы:

• — гумусовые каустобиолиты;
• — липтобиолиты;
• — сапропелиты.

Гумусовые каустобиолиты

Образуются  из гомогенезирующихся (однородных) скоплений остатков высших растений (корни, кора, листья, ветви, стволы). К ним относятся торф, бурый и каменный уголь, антрацит. Это продукты единого ряда преобразования органического вещества растительного происхождения в диагенезе, катагенезе и метагенезе. Из остатков водорослей, низших растений могут образоваться редко встречающиеся сапропелевые угли.

Растительный  материал в процессе формирования каустобиолитов гумусового ряда подвергается разложению в условиях обилия влаги, резко ограниченного доступа кислорода или без него (на дне озер, в болотах), и перекрывается вышележащей толщей осадков. В результате органическая масса углефицируется, уплотняется, превращается в твердое вещество, в нем уменьшается содержание кислорода и водорода, возрастает содержание углерода. В зависимости от условий захоронения органики и углеобразования ход процесса может изменяться, что сказывается на типовых особенностях конечного продукта.

Торф состоит из образующихся в болотах скоплений малоизмененных остатков растительной ткани. Цвет серо-желтый, буроватый, серо-черный. Его слагают различные виды болотной растительности: травы, мхи, камыш, осока, хвощ и др. Содержание растительного материала в осадке при образовании торфа по Ф. Петтиджону достигает 70-90%. В состав торфа входят воски, смолы, жирные кислоты, целлюлоза. Отличительная черта торфа в естественном залегании – высокое содержание воды (65-90%). Высушенный торф на 40-60% состоит из целлюлозы. В торфе без изменений остаются наиболее устойчивые ткани растений.

Отложения торфа способствуют быстрый рост растений и весьма угнетенная жизнедеятельность микроорганизмов. В стадийности породообразования возникновение торфа соответствует диагенезу. 
Наиболее интенсивно торфообразование идет в северных широтах в обширных пресноводных болотах, в прибрежных мангровых болотах, затапливаемых солоноватой морской водой. Скопления торфа имеют четвертичный возраст, в том числе образуются в настоящее время. В странах с гумидным умеренным и тропическим климатом месторождения торфа многочисленны.

Физико-механические свойства торфа:

Пористость, реологические свойства, прочность и несущая способность торфяных залежей, внешнее и внутреннее трение.

Торф - упруго-пластично-вязкое тело и при деформировании подчиняется  основным законам реологии. Реология торфа рассматривает процессы, связанные  с текучестью, пластичностью и  упругостью торфяных систем. В зависимости  от влагосодержания торфяные системы  могут быть жидкообразными структурированными и твердообразными условно-пластичными с преобладанием коагуляциоиных структур, или структур переплетения. Реологическое поведение торфа оценивается уравнением Шведова-Бингама. Основными реологическими характеристиками торфа являются пластическая вязкость, предельное напряжение сдвига, модули деформаций, периоды релаксации напряжений и др. Реологические свойства торфа широко используются при расчетах процессов течения, формования и сушки торфа. Процессы искусственного обезвоживания торфа, прочность и деформируемость торфяных залежей как оснований инженерных сооружений, уплотнение торфа при производстве различных видов продукции обычно оценивают на основе компрессионных и прочностных свойств.

 

Бурый уголь. Это горючее непрозрачное некристаллическое вещество бурой, темно-коричневой, буро-черной до черной окрасок. Обычно сохраняет структуру первичной древесины. Содержание влаги ниже, чем в торфе – до 30% от общей массы, количество целлюлозы незначительно. Содержание углерода 60-75% на органическую массу. Бурый уголь обогащен лигнитом и гумусовыми соединениями. Обладает низкой теплотворной способностью и плохо высыхает. Образование бурого угля соответствует ранней катагенетической подстадии преобразования органического материала («обуглероживание» торфов), начинающейся после перекрытия залежи торфа глинистой или песчано-глинистой толщей. При этом происходит обезвоживание, биохимические процессы изменения органических гумусовых веществ с участием бактерий, грибов.

Большая часть бурых углей имеет мезозойско-кайнозойский возраст от триаса до антропогена. Месторождения  бурого угля многочисленны. Выделяются Челябинский буроугольный бассейн, Канско-Ачинский бассейн. Здесь пласты угля имеют мощность несколько десятков метров до 100-200м.

 
Каменный уголь образуется при  погружении угленосных толщ на большие, в сотни метров и более, глубины  в результате прогибания участков земной коры. Для перехода бурого угля в каменный требуются высокие давления и температура порядка 100-300⁰С.

Физико-механические свойства угля:

а) упругость - способность восстанавливать свои первоначальные размеры после снятия нагрузки;

б) пластичность - способность сохранять деформацию до предела текучести после снятия нагрузки;

в )твердость - способность сопротивляться упругим и пластическим деформациям при местной силовом воздействии на поверхность тела;

г) прочность - способность сопротивляться разрушению под действием напряжений;

д) хрупкость - способность разрушаться без заметного поглощения энергии;

е) дробимости - свойство, которое определяется совокупностью твердости, вязкости и трещиноватости;

ж) прочность - условное понятие, которое символизирует  совокупность механических свойств  и проявляется в различных  технологических процессах при  добыче и переработке угля.

Наиболее  крупные бассейны и месторождения  бурых углей характерны для мезозойско-кайнозойских отложений. Исключение составляют нижнекаменноугольные бурые угли Восточно-Европейской платформы (Подмосковный бассейн). В Европе залежи бурых углей связаны почти исключительно с отложениями неоген-палеогенового возраста, в Азии — преимущественно юрского, в меньшей степени мелового и палеоген-неогенового, на остальных континентах — мелового и палеоген-неогенового. В России основные запасы бурых углей приурочены к юрским отложениям.

Значительная  часть бурых углей залегает на небольших глубинах в угольных пластах (залежах) мощностью 10-60 м, что позволяет  отрабатывать их открытым способом. На отдельных месторождениях мощность залежей 100-200 м.

Материалом  для образования бурого угля послужили  различные кониферы, пяльпы, лиственные деревья и торфяные растения, постепенное разложение которых под водой, без доступа воздуха, под прикрытием и в смеси с глиной и песком, постепенно ведёт к обогащению истлевающих растительных остатков углеродом при постоянном выделении летучих веществ. Одной из первых стадий такого истлевания, после торфа, является бурый уголь, дальнейшее разложение которого завершается превращением в каменный уголь и антрацит и даже графит.

Такой переход  растительных остатков от слабо истлевшего состояния торфа через лигнит, бурый, каменный уголь и антрацит, наконец в чистый углерод - графит совершается, конечно, крайне медленно и вполне понятно, что, чем разновидности ископаемых углей богаче углеродом, тем древнее и геологический их возраст. Графит и шунгит приурочены к азойской группе, антрацит и каменный уголь — к палеозойской, а бурый уголь к мезозойской и преимущественно кайнозойской. Впрочем, каменный уголь встречается также и в мезозойских отложениях и, ввиду существования постепенного перехода между бурым и каменным углем, многими принято ископаемые угли моложе меловой системы называть бурым углем, а более древние — каменным углем, хотя по своим признакам они и заслуживали бы скорее названия бурого угля.