Метаморфизм углей

Метаморфизм углей

XVI

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………...II

Глава 1

Закономерности изменения свойств углей.

Стадийность процессов их преобразования……………………………………………...IV

Основные понятия…………………………………………………………………….IV

Изменение физических свойств углей………………………………………………IV

Изменение химического состава……………………………………………………..V

Перестройка молекулярной структуры………………………………………….VI

Соотношение стадий преобразования ОВ углей и вмещающих их осадочных пород…………………………………………………………………………………………….VI

Глава 2

Условия углефикации

Температура……………………………………………………………………………VIII

Давление………………………………………………………………………………...VIII

Время……………………………………………………………………………………...IX

Глава 3

Виды метаморфизма………………………………………………………………………….XI

Введение и краткий обзор представлений………………………………………...XI

Классификация видов метаморфизма углей

Региональный метаморфизм…………………………………………………….XI

Контактовый метаморфизм………………………………………………….XIII

Термальный метаморфизм…………………………………………………….XIV

Динамометаморфизм…………………………………………………………...XV

Гидротермический метаморфизм……………………………………………..XV

Радиотермический метаморфизм……………………………………………..XV

Импактный метаморфизм…………………………………………………….XV

Заключение…………………………………………………………………………………XVII

Список использованной литературы………………………………………………..XVIII

Приложения…………………………………………………………………………………XIX

Введение

Углями называют осадочные горные породы, сложенные продуктами преобразования органического вещества растительных организмов, минеральными компонентами и содержащие то или иное количество влаги. Они представляют собой наиболее концентрированную форму существования фоссилизированного ОВ в стратисфере. Собственно к углям как полезным ископаемым относятся породы с содержанием минерального вещества не более 30-40%, редко 45% (на сухую массу). Естественная влажность меняется от 60-40% у бурых углей до нескольких процентов у антрацитов.

Ископаемые угли отличаются по:

Q внешнему виду,

Q составу и свойствам, что обусловлено исходным типом ОВ,

Q условиями его накопления,

Q неодинаковой степенью последующих изменений,

Q количеством и составом минеральных примесей.

Существует множество классификаций углей:

Q генетических,

Q химико-технологических,

Q промышленных

Q и их сочетаний.

При характеристике углей важно подчеркнуть особую роль углефикационных процессов. Однотипные по исходному материалу угли (например, гумиты, самые распространенные) образуют более или менее непрерывный ряд, который восходит к торфам, а заканчивается антрацитами, далее переходящими в графиты:

(Торф) - бурые угли - каменные угли - антрациты - (графит).

Этот ряд отражает фактически наблюдаемый рост зрелости углей и связывается с определенными этапами и стадиями изменения ОВ.

Выделяются: а) начальный этап торфообразования (или гумификация),

б) основной этап собственно углеобразования (или углефикация),

в) конечный этап графитообразования (или графитизация).

Главный интерес представляет этап углефикации. Этот термин, предложенный в 30-х годах З.В. Ергольской, широко используется ныне применительно не только к углям, но и вообще к процессам изменения ископаемого ОВ любого типа и любой степени концентрации.

В ряду углефикации (или по-другому катагенеза) выделяют три крупные группы углей:

Q бурые угли,

Q каменные угли,

Q антрациты.

Границы между ними постепенны и в известной степени условны. В свою очередь каждая из этих групп подразделяется на подгруппы, типы или «марки», отвечающие стадиям и подстадиям углефикации.

ГЛАВА 1

Закономерности изменения свойств углей.

Стадийность процессов их преобразования.

Основные понятия.

Когда говорят об изменении свойств углей, то имеют в виду изменение ОВ гумусовой природы. Изменение свойств углей начинается с момента их образования, то есть после перехода торфа в бурый уголь.

Под углефикацией понимается процесс изменения бурого угля до антрацита. При таком понимании углефикации общий процесс преобразования органического вещества должен заканчиваться графитизацией, а все изменения в ряду торф-графит выглядеть как гумификация-углефикация-графитизация.

Использование термина метаморфизм целесообразно для обозначения определенной группы стадий изменения углей, а также вполне допустимо в его изначальном смысле - превращение (греч.) - для любых изменений в самом широком понимании этого слова. Термин метаморфизм сейчас традиционно всеми используется для угольной геологии наряду с понятиями катагенез и углефикация.

Изменение физических свойств углей.

Уголь как сложная горная порода характеризуется большим разнообразием физических свойств. Изучая некоторые из них посредством анализа

Q оптических,

Q механических,

Q электрических,

Q магнитных,

Q акустических

физических показателей, можно найти и определить переломные моменты в истории углефикации.

Изменение ряда физических свойств углей в процессе углефикации показало, что они выражаются гиперболической, параболической или синусоидообразной кривыми (Ю.Р. Мазор, 1985). (Прил. 1)

По гиперболическому закону (который еще называют линейным) с увеличением значений в ряду углефикации от бурых углей до антрацитов изменяются

Q показатели отражения,

Q показатели преломления,

Q кажущаяся плотность,

Q коэффициент Пуассона,

Q ароматичность,

Q диамагнитная и истинная магнитная восприимчивость,

Q спектр электронного парамагнитного резонанса.

По этому же закону, но с уменьшением значений в ряду углефикации, изменяются

Q двуотражение,

Q молярная теплоемкость,

Q удельное сопротивление.

По параболическому закону изменяются

Q действительная плотность,

Q общая пористость,

Q максимальная внутренняя влажность,

Q теплота смачивания,

Q механическая прочность,

Q частота эндогенных трещин,

Q коэффициенты теплопроводности и температуропроводности,

Q конденсация колец,

Q удельная электропроводность,

Q диэлектрическая постоянная,

Q парамагнитная восприимчивость,

Q скорость ультразвука,

Q коэффициент акустической анизотропии.

Минимум своих значений перечисленные показатели достигают на средних стадиях ряда углефикации. Некоторые другие свойства, изменяющиеся по этой же кривой, на средних стадиях характеризуются максимальными значениями.

Более сложные превращения в ряду углефикации испытывают микротвердость и микрохрупкость, изменяясь по синусоидообразной кривой с тремя максимумами и тремя минимумами своих значений в ряду углефикации. Твердость, модуль Юнга и сдвига, сжимаемость, упругость, пластичность изменяются по синусоиде всего с двумя максимумами и минимумами значений.

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 падает,

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).

Страницы: 1, 2