Метаморфизм углей

Изменение химического состава.

Изменение элементного состава углей происходит по гиперболической кривой. Содержание всех элементов уменьшается, за исключением углерода, которого становится больше.

Скорость изменения на пути углефикации неравномерна:

Q у углерода – до стадии конечных жирных углей она значительна, после жирной стадии пада

ет,

Q у водорода – наблюдается обратное соотношение скоростей, но до газовой стадии,

Q содержание азота начинает активно снижаться со стадии тощих углей.

Изменяющиеся по параболической кривой теплота сгорания и влажность углей достигает соответственно максимума и минимума своих значений на стадиях К-ОС и К. Увеличение теплоты сгорания происходит относительно медленно до стадии Т, после которой резко убывает.

Уменьшение выхода летучих веществ характеризуется двумя перегибами на границе Г и Ж, ПА и А. Скорости изменений значительны между стадиями Ж и ПА, уменьшаясь до жирной и послеантрацитовой стадий.

Перестройка молекулярной структуры.

Изменения физических свойств и химического состава углей, несомненно, являются лишь отражением молекулярной перестройки, испытываемой углем в процессе его углефикации.

Сейчас уголь принято считать полимером, но состоящим из огромного количества разных по природе структурных единиц. Общим для них является наличие ядерной части их конденсированных ароматических колец углерода и периферийной неароматической их алифатических и алициклических боковых радикалов с гетеро- и другими элементами.

В процессе молекулярного превращения углей выделено четыре этапа:

1. до буроугольной стадии,

2. буроугольная – стадия жирных углей,

3. жирные – полуантрациты,

4. полуантрациты – антрациты.

Первый этап – дополимерный, на втором создается полимерная структура угля, и наибольшим изменениям подвергается периферийная часть структурных единиц. На третьем этапе, начиная с углей стадии Ж и кончая стадиями ОС-Т, помимо периферийной части начинает изменяться и ядерная. Заключительные изменения в угле начинаются на четвертой стадии и определяются превращением ядерной части.

Соотношение стадий преобразования ОВ углей и вмещающих их осадочных пород.

Мнение о большей чувствительности ОВ углей к изменению температур по сравнению с осадочными терригенными породами делают необходимым определение соотношения стадий преобразования углей и вмещающих их пород.

В настоящее время, представляется целесообразным принять четырехстадийное расчленение постседиментационных изменений осадочных пород (Ю.Р. Мазор, 1985).

Сравнение схем постседиментационного изменения вмещающих пород и углей выявляет ряд интересных закономерностей. На схеме соотношения стадий превращения ОВ углей и вмещающих (прил.2) хорошо видно, что уже на стадии среднего катагенеза вмещающих заканчиваются катагенетические преобразования ОВ углей. Позднему катагенезу пород соответствует ранняя подстадия метагенеза углей. И, наконец, региональному метаморфизму пород отвечает ультраметаморфизм ОВ.

Это опережение развития органическим веществом изменения вмещающих его пород отражает повышенную чувствительность ОВ к термобарическому воздействию и некоторую замедленность преобразования вмещающих угли осадочных пород.

Проведенное сопоставление позволило оценить масштаб опережения развития ОВ. Оно показало, что:

Q изменение ОВ углей начинается при температуре, близкой к поверхностной,

давлении менее 0,03-0,05 кбар,

глубине погружения 200-300 м, реже 500 м;

Q образование углей стадий Т-А происходит при температурах до 3000С,

давлении до 3 кбар;

Q образование метаантрацитов происходит при температуре до 4500С,

давлении до 4 кбар;

Q образование графитов происходит при температуре больше 4500С,

давлении свыше 4 кбар.

По данным Н.Л. Добрецова и В.С. Соболева (1970):

- температура формирования зеленых сланцев находится в пределах 350/400-500/5500С при давлении 7-10 кбар;

- температура формирования пород эпидот-амфиболитовой фации – 500-600-6500С при давлении 7,5-10 кбар.

Соответственно, можно полагать, что последние температуры характеризуют условия образования графитов при региональном метаморфизме.

ГЛАВА 2

Условия углефикации

К главным факторам углефикации относятся температура, давление и длительность процесса, то есть время. Проявление этих факторов в недрах обеспечивается различными вариантами геологических условий.

Температура.

Температура однозначно признается главным фактором. Ее влияние отчетливо следует из наблюдений за изменениями углей на контакте с интрузиями. Это же подтверждают и данные по искусственной углефикации, многократно проводившейся в лабораторных условиях. Наконец, имеется серьезная геологическая информация, позволяющая судить о ведущей роли температуры и ее пределах на основе сравнительного анализа распространения углей разной степени зрелости в бассейнах и месторождениях различного типа, возраста и геотермического режима.

При оценке температур образования углей при региональном метаморфизме большинство исследователей в последнее время исходит из того, что весь ряд преобразования углей, начиная от перехода бурого угля в каменные и кончая высокометаморфизованными антрацитами, укладывается в интервал температур 30/50 – 300/3500С (по разным источникам).

Низкие температуры более отвечают реальным геологическим обстановкам образования разнометаморфизованных углей (углефикация органического материала в кайнозойских осадках Верхнерейнского грабена началась при температуре свыше 350С).

Можно считать, что образование антрацитов происходит до 250-3000С, так как формирование субграфитов (графитов d3, d2, d1 по классификации Лендис) происходит в температурных пределах 300-390-4000С, а полноупорядоченных графитов – свыше 390-4000С.

Таким образом, превращение углей осуществляется в диапазоне температур от 35 до 250-3000С.

Давление.

О роли давления существуют противоположные мнения, такие как способствует, не мешает, препятствует. Сложность состоит в различном характере влияния этого фактора на изменение, во-первых, физических и структурных свойств, во-вторых, химических превращений. Так, давлению обязаны, в частности, повышение плотности углей и оптической анизотропии витринитов, переориентация (упорядочение) угольных макромолекул. В то же время давление, скорее всего, препятствует осуществлению химических реакций, выделению летучих продуктов углефикации. Согласно законам термодинамики, увеличение давления за счет выхода летучих веществ из органического материала может тормозить процессы метаморфизма в том случае, если газы не отводятся.

Данные экспериментов показали, что рост давления при постоянной (комнатной и повышенной) температуре не увеличивает степени зрелости углей, что изменение бурых углей происходит быстрее при меньшем давлении (Н.В. Лопатин, 1983). В результате давление, видимо, сказывается больше на самой ранней буроугольной стадии, когда значительно меняются прежде всего физические характеристики (плотность, пористость, влажность). На других стадиях этот фактор, скорее, замедляет углефикацию (В.Н. Волков, 1993).

 Скачать реферат