» » Метаморфизм углей

Метаморфизм углей

02.08.2016

Метаморфизм углей — необратимый процесс преобразования бурых углей в каменные и далее в антрациты под воздействием естественных геологических процессов. В результате метаморфизма происходит структурно-молекулярная перестройка органического вещества, сопровождаемая постепенным изменением его химического состава, внутреннего строения, физических и технологических свойств. При метаморфизме в ряду от бурых углей к антрацитам возрастает концентрация углерода на фоне снижения содержаний водорода и кислорода, влажности и выхода летучих компонентов. Метаморфизм углей в природных условиях происходит в результате повышения температуры и давления при участии фактора времени (продолжительность течения процесса). По продолжительности воздействия этих факторов и площадному распространению изменений угля выделяют региональный, термальный и контактовый метаморфизм углей.
Региональный метаморфизм углей — это комплекс последовательных метаморфических изменений углей на значительной площади, обусловленный суммарным действием давления и температуры, возрастание которых обусловлено степенью погружения угольных залежей в условиях нисходящих колебательных движений блоков земной коры.
Термальный метаморфизм углей происходит при главенствующем воздействии на угольное вещество тепла, выделяемого интрузивными телами, внедрявшимися в угленосную толщу без непосредственного контакта с углем.
Контактовый метаморфизм углей обусловлен воздействием температуры интрузивов, прорывающих угольные залежи.
Региональный метаморфизм отмечается в большинстве известных угольных бассейнов и месторождений. Он имеет наибольшее распространение. Термальный метаморфизм проявляется реже. Как правило, он накладывается на региональный и приводит к более глубокому преобразованию углей в зонах теплового влияния магматических пород. Примером его влияния может служить Норильский район Тунгусского угольного бассейна. Здесь в результате термального воздействия крупных интрузивов габбро-диабазового состава в зоне их теплового влияния произошло увеличение степени метаморфизма углей на значительных площадях.
Контактовый метаморфизм, обусловленный термальным воздействием интрузивных тел, внедрившихся в угленосную толщу и имеющих непосредственный контакт с угольными пластами, имеет локальное распространение (первые метры, реже первые десятки метров от контакта с интрузивным телом) и встречается нечасто. Проявления его отмечены в Тунгусском и Партизанском бассейнах, а также на ряде месторождений (например, Углегорское) о. Сахалин.
Регионально метаморфизованные угли образуют непрерывный генетический ряд, который разделяется на буроугольную, каменноугольную и антрацитовую группы. В свою очередь, группы делятся на стадии (рис. 3.16).
Метаморфизм углей

Основной кинетический фактор метаморфизма углей — температура. Давление определяет относительную закрытость системы, в которой протекают процессы изменения органического вещества углей в земной коре. В зависимости от давления и состава вмещающих уголь пород система может оказаться неодинаково открытой для различных компонентов. Это иллюстрирует специфический характер изменения элементного состава отдельных микрокомпонентов углей при региональном и термальном метаморфизме, а также искусственный нагрев без доступа воздуха (рис. 3.17).
На рис. 3.17 по оси ординат отложено содержание в микрокомпонентах углерода, а по оси абсцисс — водорода. Для лучшей наглядности характера изменения содержания указанных элементов при метаморфизме углей на рисунке по осям координат принят масштаб, соответствующий их атомным процентам, а направления изменения содержаний С и H на отдельных этапах процесса показаны в виде векторов. Направления векторов (там, где это было возможно) проведены на основе имеющихся данных по изменению состава при метаморфизме одного и того же микрокомпонента, отобранного из угля заведомо одного пласта. Соответствующие точки на рис. 3.17 соединены сплошными линиями. Для сравнения показаны направления изменения состава углей при искусственном нагреве и в результате контактового метаморфизма.
Метаморфизм углей

На первых этапах метаморфизма углей происходят распад кислородсодержащих групп и разрыв гидролизуемых связей. Указанный процесс охватывает в основном периферийные части макромолекул. В результате макромолекулы угля распадаются на отдельные звенья. Освободившиеся валентности образуют связи, устойчивые в новых термодинамических условиях. В свободном виде выделяются вода, диоксид углерода и другие низкомолекулярные соединения. Образуется сложная система молекул органических и неорганических веществ — система, состоящая из компонентов, отличающихся в условиях земных недр совершенно различной подвижностью.
Если низкомолекулярные кислородсодержащие компоненты покидают угольный пласт, то высокомолекулярные компоненты в условиях угольного пласта имеют весьма ограниченную подвижность.
Таким образом, на первых этапах метаморфизма происходит разрушение (разукрупнение) первичных макромолекул с образованием и накоплением органических соединений, характеризующихся меньшей молекулярной массой по сравнению с исходными макромолекулами.
В результате неодинаковой конденсированности основных структурных единиц макромолекул образующиеся звенья отличаются между собой по химическому составу и свойствам. В целом, вещества, слагающие угольный пласт, вследствие отщепления и миграции за пределы системы низкомолекулярных кислородсодержащих соединений становятся более восстановленными. Это четко фиксируется при разделении углей в серии жидкостей различной плотности по возрастанию количества легких фракций витринита. В витрините увеличивается содержание водорода и углерода. В газах, образующихся при метаморфизме угля, содержание тяжелых углеводородов непрерывно возрастает.
При содержании углерода в витрините, равном 84—85 % (переломный этап), увеличивается восстановленность битумов, извлекаемых из угля органическими растворителями, и значительно возрастает их содержание. Витринит углей средних стадий метаморфизма отличается повышенной хрупкостью, что указывает на уменьшение связей между молекулами.
Неодинаковой подвижностью компонентов, образующихся при разрушении первичных макромолекул, определяется весь ход структурных превращений органических веществ в земной коре. По-видимому, вначале преобладает процесс распада макромолекул на более мелкие звенья. Это происходит при разрушении легко гидролизуемых связей и удалении из угля более подвижных низкомолекулярных соединений. Одновременно протекает процесс ароматизации при незначительной конденсации ароматических ядер.
В дальнейшем при увеличении содержания углерода в витрините до 92 % существенно возрастает конденсация ароматических ядер, что приводит к резкому росту микротвердости витринита, снижению в нем концентрации водорода и увеличению его анизотропности. В схематической форме характер структурных превращений органических веществ в процессе метаморфизма представлен в табл. 3.11.
Метаморфизм углей
Метаморфизм углей

Неодинаковая направленность изменений элементного состава углей в процессах регионального и термального (в том числе контактового) метаморфизма — основная причина существенных отличий в технологических свойствах углей, близких по элементному составу, но сформировавшихся в различных термодинамических условиях.
Приуроченность угольных бассейнов и месторождений России и других стран к различным структурным зонам земной коры обусловила неодинаковый метаморфизм органических веществ, слагающих угольные пласты
Как уже отмечалось, основным показателем глубины изменения органического вещества углей при метаморфизме является отражение витринита. Границы изменения этого параметра для основных бассейнов показаны на рис. 3.16; здесь приведены только основные бассейны с пригодными для освоения с запасами от 1 до 200 млрд т.
Метаморфизм углей во всех бассейнах соответствует геотермическим условиям, которые были присущи угленосным толщам в доинверсионный период, В процессе метаморфизма основные свойства углей изменяются с различной интенсивностью и эти изменения имеют необратимый характер. Именно необратимость превращений органического вещества углей в результате метаморфизма и сохранение величины показателя отражения витринита при понижении температуры недр в постинверсионный период позволяют прогнозировать максимальные палеотемпературы в остывших толщах осадочных пород.
Основное значение в большинстве угольных бассейнов и месторождений имеет региональный метаморфизм, который проявляется в увеличении степени метаморфизма углей и пород:
1) со стратиграфической глубиной залегания пластов;
2) в плане по мере возрастания мощности угленосных толщ;
3) в разрезе по падению пластов с увеличением современной глубины их залегания на месторождениях, где пласты были выведены из горизонтального положения до максимального прогрева угленосной толщи.
В Донецком бассейне рост степени метаморфизма углей в каждом пласте в плане происходит непрерывно и параллельно увеличению мощности каменноугольных отложений с запада на восток и от периферии к центру. В Кузнецком, Печорском и Карагандинском бассейнах метаморфизм углей также имеет как глубинную, так и латеральную зональность (рис. 3.18, 3.19).
Метаморфизм углей

В некоторых случаях метаморфизм углей на локальных участках обусловлен внедрением в угленосную толщу магматических пород. Так называемый термальный (в том числе контактовый) метаморфизм широко развит в Тунгусском и Таймырском бассейнах. В меньшей степени он наблюдается в Кузбассе (Томь-Усинский район), на месторождениях о. Сахалин, Северо-Востока России, Казахстана и других стран СНГ.
Как указывалось ранее, характер изменения ряда свойств углей в результате термального метаморфизма резко отличается от регионального. Особенно отчетливо это видно на различии таких важных характеристик, как спекаемость и теплота сгорания.
Если сопоставить изометаморфные угли, сформировавшиеся в условиях термального и регионального метаморфизма, то нетрудно заметить их существенные различия. Первые отличаются пониженной теплотой сгорания, худшей спекаемостью, повышенной плотностью, значительно меньшим содержанием углерода при близких значениях выходов летучих веществ и отражения витринита.
Неодинаковы и физико-механические свойства углей. Угли, сформировавшиеся в условиях термального метаморфизма, отличаются меньшей микрохрупкостью. При одинаковых значениях отражения витринита частота эндогенных трещин в блестящих литотипах угля, подвергшегося термальному метаморфизму, значительно меньше, чем у угля, сформировавшегося в условиях регионального метаморфизма.
Метаморфизм углей

При контактовом метаморфизме на небольших расстояниях от контакта угольных пластов с силлами и дайками внедрявшихся в угленосную толщу магматических пород образуется целая гамма различно метаморфизованных углей.
Основной отличительной особенностью контактовометаморфизованных углей является уменьшение или даже полная потеря спекаемости в случае воздействия изверженных пород на спекающиеся угли низких и средних стадий метаморфизма. При контактовом метаморфизме неспекающихся низкометаморфизованных витринитовых углей даже при достижении средних стадий метаморфизма спекаемость не появляется.