VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Каменный уголь является одним из самых древних источником энергии, сопровождающих человека с давних пор. Однако, несмотря на столь долгую историю, уголь таит в себе множество загадок. Во-первых, до сих пор не существует единого мнения, какой же горной породой считать уголь, метаморфической или осадочной. С одной стороны, уголь представляет собой минерал, который образовался из растительного вещества в процессе метаморфизма – изменений под действием высокого давления и температуры. С другой стороны, в литературе часто приходится видеть упоминания о том, что каменный уголь – осадочная горная порода. Не полностью определён и химический состав каменного угля: это сложная смесь химических веществ, состоящих из углерода, водорода и кислорода, а также примеси азота, серы и ряда других элементов. Определили, что этими веществами являются вода и высокомолекулярные полициклические ароматические соединения. Примесные элементы образуют различные минеральные соли, которые при сжигании каменного угля переходят в золу. Фрагмент молекулярной структуры каменного угля представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Вариант молекулярной модели угля.

Существуют и разные взгляды на процесс образования каменного угля. Общепризнанна теория, по которой уголь является продуктом особого процесса распада остатков древнейших растений – папоротников, хвощей и плаунов, которые не подверглись простому разложению из-за ограничения доступа воздуха. На первой стадии такого процесса под воздействием грибов и бактерий образуется торф, лигнит, а впоследствии – бурый уголь, каменный уголь, антрацит, которые отличаются друг от друга степенью углефикации, а, следовательно, составом и плотностью . В торфе содержится 50 % углерода (ρ = 1,0-1,2 г/см³), в лигните – порядка 62 %, в буром угле – 65-70 % (ρ = 1,2-1,5 г/см³), в каменном угле – 75-95 % (ρ = 1,5-1,7 г/см³), в антраците – 95% углерода. В каком случае мог произойти такой процесс, как торф мог подвергнуться воздействию высоких температур и давления? Очевидно, он должен был попасть в толщу земли, возможно, в результате тектонических колебаний. Однако на нашей планете, в том числе и в Кузбассе, существует ряд угольных месторождений для добычи открытым способом, в карьерах. И это не только бурый, но и каменный уголь, который, по предсказания учёных, должен образовываться на глубине не менее 3 км. Кроме того, известны места со строго горизонтальным расположением угольных пластов, что не могло бы случиться, если месторождения подвергались тектоническим сдвигам.

Подсчитано, что для накопления буроугольного пласта толщиной 500 метров нужно, чтобы слой торфа был более 2000 м. Следовательно, слой растений, из которых образуется торф, должен быть гораздо больше. Для накопления такого растительного слоя потребовались бы огромные временные промежутки порядка сотен миллионов лет с неизменными климатическими условиями. Кроме того, если проанализировать карту угольных месторождений нашей планеты, представленную на рисунке 2, то видно, что на поверхности суши их не так уж и много, распространены они далеко не повсеместно, расположены не рядом друг с другом, и границы месторождений обрываются крайне резко.

Рисунок 2. Главные угольные бассейны и месторождения

Ряд учёных объясняет данный факт тем, что угольные месторождения находятся в складках земной коры. Однако это противоречит наличию большого количества месторождений на поверхности.

По так называемой термической теории, остатки древних лесов постепенно покрывались осадочными горными породами, подвергались медленному тлению при малом количестве кислорода, превращаясь при этом в древесный уголь, который в процессе дальнейших преобразований переходил в каменный уголь. На наш взгляд, при таких процессах в угле не смогли бы остаться фрагменты растений, которые иногда находят в угольных пластах.

Нерешённым является и вопрос о возрасте угля. Сколько времени нужно остаткам растений, чтобы превратиться в уголь? Найдены месторождения, датированные как 416 млн. лет, так и 260-320 млн. лет назад. В то же время моделирование процессов воздействия бактерий, проводимое учёными, свидетельствует о том, что они могут развиваться в геометрической прогрессии. Это приводит к версии о том, что образованные в разное время угольные пласты подвергались воздействию совершенно разных бактерий, а может быть, механизм процесса был совсем другим. Так, учёные из Германии, воздействуя на навоз, опавшую листву деревьев и воду повышенным давлением, провели процесс «холодного обугливания» при температуре 180–320°C и получили уголь в виде порошка, сократив тем самым процесс углефикации до 6-12 ч. Такая высокая по сравнению с процессами, проходящими в природе скорость реакции была достигнута применением катализаторов.

В печати встречается информация об интересных артефактах, связанных с образованием угля. Например, в угольных пластах находят золотые украшения, металлические изделия. Если считать эти сообщения достоверными, можно прийти к выводу, что уголь продолжает образовываться и в наши дни.

Существует и ещё одна теория образования угля, рассматривающая определяющую роль океана в данном процессе. В каменноугольном периоде – карбоне (от 360 до 286 млн. лет назад) предположительно происходило следующее: из-за изменений климата планета то остывала, то нагревалась, при этом за счёт таяния льда Гондваны колебался уровень вод в океане. Доказательством этого служит чередование в угольных пластах морских и материковых осадочных пород. Понятно, что, находясь под водой, растительные остатки не контактируют с воздухом и подвергаются давлению, которое увеличивается по мере накопления осадочных пород. В результате и идёт процесс углефикации. При этом из образующегося угольного пласта «выдавливается» лишняя вода и газы. Данная теория считает образование угля напрямую зависящим от необходимых климатических условий. Подтверждением этой теории служит тот факт, что в разных видах угля можно найти как остатки влаголюбивых растений, так и засухоустойчивых.

С точки зрения общепринятой теории, период, когда образовался угольный пласт, определяют по остаткам растений, содержащихся в нём. Следовательно, бурый уголь, как самый «молодой», должен находиться в относительно молодых геологических слоях. Геологами Украины было открыто месторождение бурых углей, датированных нижним карбоном с соответствующим данному временному периоду видовым составом растений. Объяснения данному факту в рамках общепринятой теории образования угля не найдено. При рассмотрении химического состава углей видно, что среди минеральных примесей больше всего серы (1-10 %). Присутствие серы в угле нежелательно, т.к. при сгорании угля сера образует сернистый газ, загрязняющий атмосферу, а также снижает качество кокса, получаемого из угля. Кроме того, что месторождения угля часто сопровождаются месторождениями пирита FeS₂. Откуда взялась сера в таком количестве? Ясно, что не из растительных остатков.

Если рассмотреть угольные пласты периода карбона более внимательно, можно заметить, что они перемежаются промежуточными пустыми породами – песчаниками и известняками. Казалось бы, это согласуется с теорией о изменении уровня океана. Однако получается, что циклы последовательных погружений и поднятий повторялись многократно. Более того, возникает вопрос, почему в данных условиях известняк не подвергся метаморфическим изменениям с образованием мрамора? По литературным данным, не найдено месторождений угля, сопутствующим залежам мрамора.

Существует абиогенная теория, в которой считается, что уголь образован в процессе пиролиза СН₄ в присутствии Н₂ и СО₂. Доказательством теории служит то, что конечным продуктом пиролиз метана в лабораторных условиях является графит, имеющий гексагональную кристаллическую решётку в виде

параллельных слоев, образованных правильными шестиугольниками из атомов углерода. Данная модель напоминает схему строения угля с учётом изменения количества атомов водорода. С позиций абиогенной теории легко объясняется и наличие останков растений в угольных пластах – это не что иное, как кристаллические структуры, возникающие при образовании пиролитического графита. Следовательно, возраст угольных пластов нельзя определить по «растительным остаткам», которые таковыми не являются. С химической точки зрения, логично предположить, что гидриды глубоко под землёй при нагревании разлагаются с образованием водорода, который вступает в различные реакции, давая при этом легколетучие СН₄, Н₂S, NH₃, Н₂О и, возможно, ряд других соединений. Метан, подвергаясь пиролизу, образует углеводороды, которые заполняют пустоты в горных породах и конденсируются на них. Так появляются угольные месторождения. Этот процесс происходит и в наши дни, поэтом абиогенная теория позволяет объяснит находки в каменном угле различных изделий. В поддержку данной теории служит факт повышения температур в угольных шахтах, а также постоянно повторяющиеся взрывы метана. На наш взгляд, абиогенная теория представляется самой интересной и объясняет практически всё известные загадки каменного угля.

Таким образом, мы выяснили, что существует несколько теорий образования угля. Надо сказать, что каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Мы считаем, что для окончательной проверки абиогенной теории необходимо моделирование процессов, происходящих в недрах нашей планеты, тщательное изучение структур, получающихся при пиролизе метана в модельных условиях, и тогда, возможно, процесс образования угля станет простым и ясным.

Литература

1. Войлошников, В.Д. Книга о полезных ископаемых [Текст]: учеб. пособие для студ. вузов / В. Д. Войлошников, И.А.Войлошникова. – М.: Недра, 1991. – 175с.

2. Гинзбург, А.И. Геологический словарь[Текст]: учеб. пособие для студ. вузов / А.И. Гинзбург, О. А. Радченко; под редакцией К.Н. Паффенгольца. – М.: Недра, 1978. – 346 с.

3. Дигонский, С. В. Неизвестный водород [Текст]: монография / С.В. Дигонский, В.В. Тен. – С-Пб.: Наука, 2006. – 292 с.

4. Клер, В.Р. Изучение сопутствующих полезных ископаемых при разведке угольных месторождений [Текст]: монография / В.Р. Клер. – М.: Недра, 1979. – 272 с.

5. Клер, В.Р. Изучение и геолого-экономическая оценка качества углей при геологоразведочных работах [Текст]: монография / В.Р. Клер. – М.: Недра, 1975. – 320 с.

6. Матвеев, А.К. Геология угольных месторождений СССР [Текст]: монография /А.К. Матвеев. – М.: Госгортехиздат, 1960. – 496 с.

7. Сечевица, А.М. Геологопромышленная оценка попутных полезных ископаемых в комплексных рудных месторождениях [Текст]: монография /А.М. Сечевица. М.:– Недра, 1987. – 128 с.

8. Ценные и токсичные элементы в товарных углях России [Текст]: Справочник / под ред. В.Ф. Череповского. – М.: Недра, 1996. – 238 с.

9. Юнкер, Р. История происхождения и развития жизни[Электронный ресурс] / Р. Юнкер, З. Шерер. – http://www.creationism.org/crimea/tutorial.

10. Скляров, А.Ю. История Земли без Каменноугольного периода [Электронный ресурс]. – http://lah.ru/text/sklyarov/carbon-text.htm.