В.Н.Землянский
Ухта 2006
ОГЛАВЛЕНИЕ:
1. РЕФЕРАТ
. ВВЕДЕНИЕ
. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
ПАЛЕОГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПРОЯВЛЕНИЯ СЛАНЦЕНОСНЫХ ФОРМАЦИЙ
О РОЛИ БАКТЕРИЙ В ПРЕОБРАЗОВАНИИ ОВ
ГЛУБИНА НАКОПЛЕНИЯ OB ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
СТАДИЙНОСТЬ СЛАНЦЕОБРАЗОВАНИЯ
4. СЛАНЦЕНОСНЫЕ ФОРМАЦИИ И ФОРМА ЗАЛЕЖЕЙ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
ОСНОВНЫЕ СЛАНЦЕНОСНЫЕ ФОРМАЦИИ
ФАЦИИ И РИТМЫСЛАНЦЕНАКОПЛЕНИЯ
ГЕОТЕКТОНИЧЕСКИЕ ТИПЫМЕСТОРОЖДЕНИЙ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
ФОРМА ЗАЛЕЖЕЙ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ СОСТАВ ОВ
ВЫХОД СМОЛЫ
ЗОЛЬНОСТЬ
КОНЦЕНТРАТЫКЕРОГЕНА
ВЛАЖНОСТЬ
КРЕПОСТЬ
ПЛОТНОСТЬ
ПОРИСТОСТЬ
ПРЕДЕЛЫПРОЧНОСТИ
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
РАДИОАКТИВНОСТЬ СЛАНЦЕВ
. ПРОМЫШЛЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
СЛАНЦЕЗОЛЬНОЕ ВЯЖУЩЕЕ
ЦЕМЕНТ НА БАЗЕ СЛАНЦЕВОГО ПОЛУКОКСА
ПЛАВЛЕННЫЙ ЦЕМЕНТНЫЙ КЛИНКЕР
МИНЕРАЛЬНАЯ ВАТА И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НЕЁ
СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЙ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ
СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЙ ГАЗОЗОЛОСИЛИКАТ
ДРЕНАЖНЫЕ СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЕТРУБЫ
СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЙ АГЛОПОРИТ
СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЙ АГЛОПОРИТОБЕТОН
МИНЕРАЛЬНЫЕ ОТХОДЫДЛЯ ИЗВЕСТКОВАНИЯ КИСЛЫХ ПОЧВ
ЩЕБЕНЬ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ
7. ПЕРЕРАБОТКА ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
МЕТОДЫПЕРЕРАБОТКИ
ТЕХНОЛОГИЯ ОБОГАЩЕНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
7.4 КОМПЛЕКСНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
. РЕГЛАМЕНТ ОБРАБОТКИ КЕРНА
ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
ОПИСАЕНИЕ КЕРНА И ОТБОР ОБРАЗЦОВ
8.3 ОФОРМЛЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
. ФЛЮОРИТ - ОДИН ИЗ ГЛАВНЫХ ГАЛОГЕНИДОВ
. ЗАКДЮЧЕНИЕ
. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. РЕФЕРАТ
ТЕМА КУРСОВОЙ РАБОТЫ: Технология добычи, переработки и обогащения энергетического сырья (горючих сланцев) Республики Коми с использованием кернов.
Ключевые слова: горючие сланцы, керн, технология добычи, технология обогащения, угленосная формация, месторождение Грин-Ривер, горючие полезные ископаемые, доманиковые сланцы, технологическая схема изготовления, сланцеобразование, сланценакопление, выход смолы, ОВ, цемент, флюорит.
В данной курсовой работе использовано 4 библиографических источника; содержится 20 рисунков, 9 таблиц, 1 графическое приложение (формат А1).
ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Технологическая схема обогащения горючих сланцев.
Объем курсовой работы - 94 страницы.
2. ВЕДЕНИЕ
Среди каустобиолитов горючие сланцы занимают особое положение как по условиям образования, петрографическому и химическому составу, так и по свойственной им роли в развитии топливно-химических отраслей промышленности. Месторождения горючих сланцев известны на всех континентах нашей планеты. Прогнозные мировые запасы горючих сланцев и заключенной в них смолы во много раз превышают известные запасы нефти.
Горючие сланцы - это комплексное органо-минеральное полезное ископаемое. Промышленную ценность представляют как органическое вещество (ОВ), так и минеральная масса сланцев. На базе их может быть организовано производство значительного ассортимента топливных, химических продуктов и разнообразных материалов строительной индустрии. Горючие сланцы привлекают внимание и биологов с целью использования керогена для производства белковых препаратов, и медиков - для получения различного рода медицинских препаратов, применяемых в дерматологии. Большой интерес к горючим сланцам проявляют агрономы, поскольку уже некоторые созданные сланцехимические препараты обладают свойствами стимулирования роста растений, а зольные минеральные вещества в отдельных случаях применяются для удобрения кислых почв и повышения урожайности растений.
Зольные остатки сжигания и термической переработки сланцев являются огромным резервом дешевого сырья для производства разнообразного комплекса строительных материалов, и, прежде всего вяжущих веществ. Ценность горючих сланцев заключается еще и в том, что они нередко в значительных количествах содержат некоторые сопутствующие химические элементы - алюминий, фосфор, натрий- и др., а в промышленных концентрациях - уран, германий, молибден и др.
Добыча горючих сланцев в большинстве случаев сопровождается извлечением сопутствующих горных пород - вскрыша, межпластовые прослои промпласта и т. д., которые можно использовать в производстве извести, цемента, минеральной ваты, стекла, легких наполнителей бетона, в качестве облицовочного материала, при изготовлении щебня для строительных работ.
Обогащение горючих сланцев неизбежно влечет за собой образование хвостов - отходов горных пород. Количество таких отходов обогащения может достигать миллионов тонн в год. Полное безотходное использование всех компонентов, входящих в состав горючих сланцев, полупродуктов и отходов производства, представляет большую экономическую выгоду, так как значительно снижает стоимость добычи и переработки основного сырья, а главное, улучшает использование природных минерально-сырьевых ресурсов.
Горючим сланцам как многокомпонентному органо-минеральному полезному ископаемому, с их огромными потенциальными резервами производства энергии и химических продуктов, как бы самой природой предопределена немалая роль в обеспечении человечества прежде всего теплом.
3. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
ПАЛЕОГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПРОЯВЛЕНИЯ СЛАНЦЕНОСНЫХ ФОРМАЦИЙ
Возникновение, развитие и преобразование ОВ происходило в определенных палеогеографических условиях геологических эпох. Основными факторами, влиявшими на зарождение и преобразование ОВ на всех континентах во все времена геологического летосчисления, являлись рельеф материка, климат и вода. Физико-географические условия были изменчивы как в пределах одного и того же периода, так и в различных географических районах материков и океанов. В пределах определенного отрезка времени накопление ОВ при благоприятных палеогеографических условиях тесно связано с литофацией соответствующего петрографического, палеонтологического и геохимического состава морского, лагунного или континентального образования. На накопление и преобразование ОВ во времени оказывал влияние и тектонический режим земной коры отдельных регионов. Все эти и другие факторы в общей совокупности в свою очередь влияли на распределение и концентрацию ОВ в осадке определенной фации.
Фация понимается как закономерный комплекс петрографических и геохимических особенностей отложений, выражающий палеогеографическую и геохимическую обстановку осадконакопления и диагенеза осадка.
Уже в позднем архее рельеф земной поверхности стал более контрастным, произошло увеличение площади суши, в отложениях установлены остатки организмов - бактерий и сине-зеленых водорослей, и, следовательно, жизнь возникла около 2700-2900 млн. лет назад. В протерозое происходило возрастание массы ОВ. Господствовали бактерии и водоросли. Кроме сине-зеленых появились водоросли с дифференцированным слоевищем. Учитывая важное значение палеогеографических условий образования горючих сланцев, как и многих других месторождений полезных ископаемых осадочного происхождения, ниже приводится краткая характеристика физико-географических факторов в отдельные геологические эпохи.
Кембрийский период продолжительностью 70 млн. лет в структурно-тектоническом плане земной коры характеризуется существованием платформ северной и южной групп, разделенных геосинклинальными поясами.
Атмосфера содержала повышенное количество углекислоты. Климат влажный, теплый, с проявлением засухи в ряде регионов. Температура морской воды - не ниже 20° С.
Органический мир был представлен в основном бактериями и водорослями. Земноводные споровые растения - псилофиты - произрастали на сильно обводненных побережьях. Установлено наличие в отложениях кембрия трилобитов, археоциатов, брахиопод и др. Наиболее благоприятными для образования горючих сланцев были условия северных платформ, однако и здесь они не получили широкого, развития. Углепроявление кембрийского возраста, известное в Китае, рассматривается как единственный древний представитель.
На юго-востоке Китая пачка черных углисто-кремнистых сланцев имеет мощность 25 м.
Ордовикский и силурийский периоды общей продолжительностью около 90 млн. лет характеризуются преимущественным распространением морских геосинклинальных и платформенных отложений. Обломочные фации представлены песчаниками, сланцами, конгломератами и галечниками, карбонатные фации - органогенными известняками, граптолитовая фация - граптолитовыми сланцами, кремнистыми сланцами и сланцами с трилобитами.
Органическая жизнь была сосредоточена главным образом в морских водоемах. Аккумуляция ОВ происходила в прибрежных ландшафтах.
В ордовике проявление сланценосных формаций установлено только в пределах Прибалтийского бассейна. В основании мощного известняково-доломитового комплекса ордовика залегает пакерортская толща (O1pk), содержащая диктионемовые сланцы с ОВ 15-20%.
Кероген кукерсита и диктионемовых сланцев Прибалтийского бассейна почти не содержит гумусового вещества, что свидетельствует о его сапропелевом происхождении. Из органического мира господствовала низшая флора - бактерии и водоросли. Вмещающие карбонатные породы, вероятно, органогенного образования.
Девонский период, продолжавшийся приблизительно 50-70 млн. лет, характеризуется образованием красноцветных континентальных и наземно-вулканогенных отложений, а также развитием морских обломочных и подводно-вулканических фаций. Красноцветные обломочные фации континентального типа представлены красноцветными конгломератами, гравелитами, песчаниками и глинами и подчиненно мергелями, доломитами, гипсами и каменными солями.
Органический мир характеризуется расширением ареала наземной флоры и фауны. Водная форма была представлена бактериями и водорослями, в наземной флоре в раннем девоне господствовали псилофиты. В среднем девоне стали развиваться споровые растения, а в позднем - разноспорые папоротники и голосеменные.
Со среднего девона на Сибирской и Русской платформах происходило образование горючих сланцев. В Белоруссии в бассейне Припятского прогиба образовались горючие сланцы данково-лебедянского горизонта фаменского яруса верхнего девона. В Кузнецком бассейне и Минусинской котловине горючие сланцы приурочены к основанию разреза среднедевонских отложений.
Каменноугольный период продолжительностью 55-75 млн. лет характеризуется широко развитыми морскими - платформенными и геосинклинальными - карбонатными, обломочно-карбонатными и угленосными фациями.
Продолжительные морские трансгрессии на платформах сопровождались широким развитием угленосных фаций на обширных площадях северных и южных платформ. Масштабы проявления угленакопления в карбоне огромны. А горючие сланцы, за редким исключением, образуют самостоятельные месторождения.
Горючие сланцы, образованные в каменноугольный период, обогащены гумусовым веществом.
Пермский период продолжительностью 45 млн. лет характеризуется от нижнего отдела к верхнему постепенным сокращением удельного веса морских фаций, повышением лагунных и континентальных фаций.
Четко выражена зональная биологическая дифференциация. Происходило активное заселение суши растениями, главным образом за счет поступления свободного кислорода. Значительное развитие получили угленосные и соленосные фации.
Образование горючих сланцев в отличие от интенсивного проявления угленосных фаций не получило широкого развития. На северных платформах пермские горючие сланцы встречаются очень редко (Франция). Известные сланценосные бассейны образовались в основном на площадях южных платформ (Австралия, Бразилия). На территории бывшего СССР известен Кендерлыкский угольно-сланцевый.
Горючие сланцы залегают над угольными толщами или подстилают их или отмечается чередование слоев угля и сланца.
Триасовый период продолжительностью 45 млн. лет характеризуется господством континентальных платформенных, а также лагунных фаций. Процессы угленакопления в триасе были развиты слабее, чем в позднем палеозое. Аридный климат способствовал образованию доломитов, доломитизированных известняков, гипсов, ангидритов, каменных солей и исчезновению растительного покрова суши. В связи с обмелением морей и регрессиями, охватившими континенты, сложились неблагоприятные условия для развития органического мира, а, следовательно, и горючих сланцев. Известные месторождения горючих сланцев в ФРГ Испании, Австрии - весьма ограниченных размеров, низкого качества, содержат гумусовый материал и имеют повышенный процент пирита.
Юрский период продолжительностью 58 млн. лет характерен преимущественным развитием морских и континентальных, меньше лагунных фаций, интенсивным и многообразным проявлением тектонической деятельности.
Несмотря на благоприятные палеогеографические условия в юрский период, образование горючих сланцев происходило на весьма ограниченных площадях. Отдельные месторождения горючих сланцев обнаружены в Австралии, Латинской Америке, Африке. Концентрация основной массы 0В горючих сланцев происходила на обширной территории восточной и северо-восточной частей Русской (Восточно-Европейской) платформы, где выявлены такие крупные сланценосные бассейны, как Волжский и Тимано-Печорский.
Меловой период продолжительностью 70 млн. лет характеризуется развитием морских (платформенных и геосинклинальных) фаций. Морские фации представлены мелководными песчано-глинистыми осадками и карбонатами, а континентальные - мелом, конгломератами и песчано-глинистыми осадками, угле- и сланценосными породами.
Кроме широкого проявления угленосных фаций в некоторых регионах развиты сланценосные фации мела. Месторождения горючих сланцев известны в Забайкалье, Монголии, Сирии, Иордании, Ливии, Марокко, Бразилии, Аргентине, США, Италии, Канаде, Испании и др.
Палеогеновый период продолжительностью 41 млн. лет характеризуется развитием морских, лагунных и континентальных фаций. Морские эпиконтинентальные фации, образованные в мелководных морях, представлены песчано-глинистыми и карбонатными отложениями. Лагунные фации представлены соленосными песчано-глинистыми отложениями с залежами нефти. Континентальные фации разнообразны по составу и генезису - озерно-болотные, аллювиальные, элювиальные и эоловые отложения.
Потепление климата сопровождалось развитием высших представителей флоры и фауны.
В палеогеновый и затем в неогеновый периоды на всех континентах в большей или меньшей степени происходило образование горючих сланцев. Во многих районах земного шара были образованы крупные по площади и запасам сланценосные бассейны - карпатские менилитовые сланцы, Грин-Ривер США, Польша, Румыния, Новая Зеландия и т. д. Из всех геологических периодов палеогеновый был самым интенсивным по накоплению ОВ горючих сланцев в осадочных отложениях не только по площади распространения, но и по его концентрации в отдельных районах континентов.
Неогеновый период продолжительностью около 24,5 млн. лет характеризуется господством континентальных фаций (элювиально-делювиальных, озерных, аллювиальных, пролювиальных, эоловых и пр.). Морские фации представлены эпиконтинентальными (песчано-глинистые и известняки) и геосинклинальными (терригенные отложения) фациями, лагунные в виде песчано-глинистых с каменной солью и гипсом (типично лагунные) и опресненных лагун с обильными растительными остатками.
На более раннем этапе развития отложений неогена продолжалось образование горючих сланцев, но затем, в связи с изменением климатического режима, интенсивность постепенно снижалась, вследствие чего сократились площади накопления ОВ.
Антропогеновый (четвертичный) период продолжительностью 1-2 млн. лет характеризуется образованием рыхлых осадков мощностью от десятков до нескольких тысяч метров. Морские фации по сравнению с фациями неогена имеют несколько большее развитие за счет мелководных эпиконтинентальных морей, тогда как площадь геосинклинальных фаций сократилась. Континентальные фации представлены галечниками, песками, глинами, суглинками.
Образование горючих сланцев происходило во все геологические эпохи. Палеогеографические условия всегда оказывали влияние на образование, концентрацию и распределение ОВ в различных районах земного шара. В одни геологические периоды происходило довольно интенсивное сланцеобразование, в другие - менее интенсивное или весьма незначительное. Максимумы сланценакопления приходятся на юрский и палеоген-неогеновый периоды, минимум - на триас.
О РОЛИ БАКТЕРИЙ В ПРЕОБРАЗОВАНИИ ОВ
Химический состав керогена горючих сланцев зависит как от химического состава исходного ОВ, так и от степени его диагенеза в аэробных и, особенно, анаэробных условиях, В преобразовании сапропелевого вещества, в том числе водорослей, активная роль принадлежит бактериям. Для сине-зеленых, зеленых и бурых водорослей характерно высокое содержание углеводов (до 70-75%) и белков (до 35%).
Исходное ОВ горючих сланцев в шельфовой части морен, лагунах, озерах и других водоемах под влиянием многочисленных факторов в различные фазы диагенеза подвергалось последовательной многоступенчатом переработке с перестройкой структуры. Преобразование его происходило в аэробных и анаэробных условиях. В верхний зоне водного бассейна активно развивались аэробные бактериальные процессы, а в зоне, не содержащей свободного кислорода, - анаэробные. И в том и в другом случае активная роль принадлежала бактериям.
В горючих сланцах каждого месторождения в большем или меньшем количестве содержатся соединения серы. В одном случае это минеральные, в другом - органические соединения. Не исключена возможность, что образование некоторых соединений серы, особенно органической, связано с деятельностью сернистых бактерий.
В горючих сланцах, как правило, в больших или меньших количествах содержатся железосодержащие минералы - пирит и марказит. В первоначальном виде в биосфере железо, вероятно, находилось в растворенном состоянии в виде закисного соединения. В последующем совместно с накоплением ОВ закисное железо переводилось железобактериями в гидроокиси и окиси.
Некоторые исследователи различают среди бактерии пять основных разновидностей: разлагающие клетчатку, разлагающие жиры и пектиновые вещества, связывающие азот, разлагающие белки, денитрифицирующие азот. Таким образом, каждая из этих бактерий выполняла свою роль в биогенезе сапропелевого материала.
Приведенные данные свидетельствуют о многообразии бактерий, способных перерабатывать как органические вещества, так и неорганические соединения, и создавать целую гамму сложных новообразований. Как видно, накопление сине-зеленых и прочих водорослей происходило в различные геологические периоды в различной литолого-фациальной обстановке. Во многих случаях им принадлежала активная роль не только в образовании горючих сланцев, но и многих руд.
Процесс бактериальной переработки ОВ происходит многостадийно и последовательно по мере его продвижения от поверхности слоев воды бассейна до погребения, а возможно, и в более позднее время. Любое ОВ поражают бактерии. Вначале ОВ подвергается окислению, а затем разложению органических остатков. Биохимические процессы способствуют образованию кислорода, а при отсутствии циркуляции происходит его накопление и размещение.
Наличие органических остатков установлено в отложениях докембрия, возраст которых - не менее 3 млрд. лет. Докембрийские отложения бедны ископаемыми остатками организмов, но тем не менее важно, что в далекие времена, когда еще только начала формироваться земная кора, уже существовали органические вещества. В докембрийских породах Кольского полуострова и Северной Карелии содержание органического углерода колеблется от долей до десятков процентов. В битумоидах ОВ вендско-рифейских отложений юга Якутии преобладают метано-нафтеновые структуры. Наличие в породах докембрия и раннего палеозоя концентраций ОВ и урана объясняется интенсивностью накопления планктоногенного ОВ.
Необходимым условием для образования керогена горючего сланца является сохранение чисто липидного ОВ. После гибели планктона его пожирают анаэробные бактерии, в результате чего начинается биохимический процесс - окисление, разложение органических остатков в природной зоне с превращением в нерастворимый кероген.
ГЛУБИНА НАКОПЛЕНИЯ OB ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
Накопление ОВ в иловой зоне водоемов связано с развитием морских, лагунных и континентальных фаций в отдельных областях или районах или небольших участках земной коры. Накопление, распределение и концентрация его в осадке зависят от многих факторов, в том числе от ранее образовавшихся тектонических структур горных пород, слагающих район, тектономагматических проявлений в процессе сланцеобразования, морфологии суши и дна водного бассейна, физико-географических условий и др.
В лагунах, дельтах и озерах континентальных фаций по аналогии с современными условиями аккумулирование исходного материала сланца и сапропелей, по-видимому, происходило в мелководных условиях на сравнительно небольших глубинах.
Жизнедеятельность органического мира гидросферы происходит на сравнительно небольших глубинах. По мере уменьшения количества свободного кислорода биохимическая деятельность ослабевает, и на глубинах 500-1000 м количество свободного кислорода практически равно нулю.
Аккумулирование исходного материала сланцев и сапропелей происходило на глубине едва ли более 300 м, часто гораздо меньше. На основании исследования вещественного состава прибалтийских сланцев и вмещающих пород, а также геотектонических условий сланценакопления можно сказать, что образование кукерситов происходило в открытом море, в условиях нормального газового режима.
В синклинальных складках, тектонических впадинах и котловинах образование многих месторождений горючих сланцев происходило на сравнительно больших глубинах. Этому способствовали во время сланценакопления колебательные движения земной коры, особенно с опусканием дна моря.
В современных условиях водоросли накапливаются в прибрежной части многих морей и океанов. Наиболее благоприятная для жизни планктона зона фотосинтеза, проникающую на глубину не более 50 м.
СТАДИЙНОСТЬ СЛАНЦЕОБРАЗОВАНИЯ
Формирование горючих сланцев происходило длительно и распадалось на несколько последовательно сменяющихся микробиохимических, химических и геохимических реакций, возникавших в процессе диагенеза исходного вещества. Биохимический процесс эволюционировал от простейших к сложным химическим соединениям, от жидкой фазы к твердому веществу, каким в конечном виде является кероген. Процесс формирования комплексов углеводородных, кислородсодержащих и прочих соединений связан с определенными стадиями сланце-образовании: водорослевой, липидной, геохимической и шунгитовой.
Водорослевая стадия сланцеобразования - самая ранняя и характеризуется развитием водорослей в верхней зоне морских, озерных, дельтовых и прочих преимущественно мелководных водоемов в аэробных условиях, когда водоросли под бактериально-биохимическим влиянием преобразуются в гелевидную массу. На интенсивность биохимического процесса на данной стадии влияли палеогеографические условия, существовавшие в зоне гипергенеза поверхностных частей земной коры. В окислительной среде окислению и биохимической переработке подвергались также и другие живые организмы. Возникшие мельчайшие гелевидные частицы ОВ на данной стадии не образовывали скоплений и агрегатов. По мере возрастания количества минеральных взвесей, особенно глинистого состава, происходило постепенное передвижение всей этой массы в зону илов. В этом случае минеральные компоненты играли роль адсорбента.
На данной стадии образованные водорослевые плюски представляют собой жидкость зеленого цвета, которая быстро твердеет. В свежем состоянии плюска полностью растворяется в холодных жирных растворителях.
Липидная стадия формирования ОВ горючих сланцев является продолжением первой стадии. Фактически они тесно взаимосвязаны, и различие их заключается в том, что на первой стадии начальный процесс формирования ОВ происходит в аэробных условиях и характеризуется ходом простейших реакций, а на липидной - в анаэробных условиях, при этом полимеризация сопровождается протеканием сложных химических реакций замещения и новообразований.
ОВ, поступившее в придонную иловую зону водоема в виде гелевидной массы совместно с минеральным материалом, подвергалось диагенезу. В иловой зоне в анаэробных условиях гелевидное вещество преобразовывалось бактериями в продукт липидной природы высокой химической ненасыщенности. С течением времени уменьшается ненасыщенность и увеличиваются инертность и нерастворимость.
Геохимическая стадия характеризуется биогенно-химическим преобразованием липидного ОВ и минералообразованием в анаэробных условиях. Отложения ОВ преимущественно жирового состава аэробного образования подвергалась биосинтезу и захоронению. В этих же условиях происходило минералообразование в виде гидратных или солевых соединений железа, сульфатов, сульфидов, карбонатов, водных силикатов алюминия, карбонатов алюминия и прочих минералов. Если для образования углей необходимым условием является массовое накопление и преобразование растительного материала, то для горючих сланцев исходным веществом служил в основном биохимически преобразованный водорослево-сапропелевый материал - липиды, подвергнутые биосинтезу.
Шунгитовая стадия отвечает высшей стадии метаморфизма ОВ горючих сланцев. Под воздействием тектоно-магматических проявлений ОВ горючих сланцев превращено в углеродистый минерал типа шунгита.
В раннем протерозое, почти 1 млрд. лет назад, на территории Карелии в обстановке мелководных морских водоемов образовались песчано-глинистые породы, содержащие ОВ водорослевого происхождения. В результате магматической деятельности и тектонических воздействий осадочный комплекс пород был преобразован в кристаллические сланцы различного минералогического состава. ОВ водорослевого происхождения преобразовалось в чисто углеродистый минерал - шунгит. Углерод шунгитовых сланцев (изотоп 12С) преобладает над неорганическим углеродом (изотопом 13С) в соотношении 12С/13С = 93. Шунгит состоит из 98% углерода и 2% минеральных примесей Цвет шунгита смоляно-черный, блеск полуметаллический, плотность 1,8-1,9. Не прозрачен и не просвечивает. Летучие вещества отсутствуют. Массовая доля чистого минерала шунгита в сланцах не превышает 0,2%.
4. СЛАНЦЕНОСНЫЕ ФОРМАЦИИ И ФОРМА ЗАЛЕЖЕЙ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
ОСНОВНЫЕ СЛАНЦЕНОСНЫЕ ФОРМАЦИИ
Применительно к горючим сланцам В.А.Котлуков предложил следующее определение сланценосных формаций: «Это парагенетически связанные комплексы осадочных или осадочно-вулканогенных пород, включающих горючие сланцы в таких концентрациях, которые позволяют рассматривать их как полезное ископаемое». Накопление OВ связано с формированием определенного комплекса пород в определенных палеогеографических условиях соответствующего геологического периода.
Выделение и изучение сланценосных формаций прежде всего имеет практическое значение при перспективной оценке того или иного района. В зависимости от масштабов проявления, условий залегания сланцевых толщ, качества сланцев и других факторов выделяются предпосылки промышленного освоения горючих сланцев.
Ниже приведено описание основных сланценосных формаций мира.
Сапропелевый тип. Î1-2. Кембрийская формация Оленекского бассейна Якутии. Формация сланценосной известково-глинисто-кремнистой толщи пород куонамской свиты ленского и амгинского ярусов Оленекского бассейна распространена на площади свыше 500 тыс.км2 на северо-востоке Сибирской платформы. Образование сланцев в центральной части бассейна приурочено к Суханскому прогибу, который осложнен серией впадин, разделенных валообразными поднятиями.
Сланценосная толща куонамской свиты подразделяется на нижнюю и верхнюю подсвиты. Нижняя, глинисто-известковая, содержит многочисленные и нередко мощные пласты горючих сланцев; верхняя сложена переслаивающимися слоями кремнисто-глинистых, известково-глинистых пород и горючих сланцев. Мощность продуктивной свиты 25-90 м.
Терригенный материал отсортирован, сланцы обладают тонкой горизонтальной слоистостью, сланценосная толща распространена на большой площади и пачки сланцев выдержанны. Сланцы темно-коричневого, серого, коричневого и черного цвета, тонкослоистые, расщепляются па тончайшие пластинки. Содержат примеси кремнезема, кальцита, гидролизов железа. ОВ заключено в алеврито-глинистой массе в виде неправильных линзочек или в виде участков клиновидной формы. Содержание ОВ в сланцах 15-25%,
Качественная характеристика горючих сланцев, %: влага - 1,2-4,1, зола 61-79, СО2 25-23,7, сера 0,8-2.4. Теплота сгорания сланцев 4186-10353 кДж/кг. Выход смолы 5-10%, редко больше. Элементарный состав ОВ (%): С - 70-79, Н - 8-10, N - 1.5-7,6, О - 4-15, S - 6,9.
Прогнозные запасы сланцев оцениваются в 300 млрд. т.
Сапропелевый тип. Î-S.
В Швеции известны многие месторождения горючих сланцев кембрийско-силурийского возраста морского образования. В полезной толще залегают два пласта сланцев (Нерке) мощностью по 7-9 м каждый. Сланцы добываются открытым способом, поскольку залегают неглубоко. Выход и состав смолы сланцев Швеции приводятся ниже:
Зола, % 70-73
Теплота сгорания, кДж/кг 7536-9420
Выход смолы, % 3-7,0
Элементарный состав ОВ, %: С - 70-79, Н - 8-10, О - 4-15, N - 1,5-7,6, S - 6,9.
В Швеции горючие сланцы перерабатываются с целью получения топливных продуктов, а главное, для извлечения урана и других металлов. Запасы сланцевой смолы известных месторождений Швеции (Нерке, Остерготланд, Вестерготланд, Оланд и др.) 600 млн. т.
Сапропелевый тип. O1. Ордовикская формация диктионемовых сланцев Прибалтийского бассейна. Сланцы распространены на значительной площади Эстонии, частично на территории Ленинградской, Новгородской и Вологодской областей - свыше 12 тыс.км2. В Эстонии сланцы прослеживаются в виде полосы субширотного направления длиной 250 км, шириной 15-20 км на востоке и до 80 км на западе.
Название «диоктионемовые сланцы» произошло от присутствия в аргиллитах, обогащенных на 10-20% ОВ, остатков дендроидей - Dictyonema. Накопление сланцев происходило в эпиконтинентальном заливообразном бассейне в самом начале раннего ордовика.
Сланец от темно-коричневого до черного цвета, слоистый. Плотность 1,5-1,9. Теплота сгорания 4280-5800 кДж/кг. Выход смолы на сланец 2-4, на ОВ 18-20%. Элементарный состав ОВ (%) С - 67-76,0. Н - 7,4-7,6, 0 - 12-18.5, N - 1,9-3,6, S - 2,6. Повышенное содержание азота в керогене свидетельствует о животном происхождении его материнского исходного вещества.
В диктионемовом сланце содержатся Fe2O3, P2О5, V2O5, а также сульфаты кальция и магния. Установлено присутствие редких и рассеянных элементов в повышенных количествах.
Запасы сланцев свыше 600 млрд.т.
Сапропелевый тип. О2. Ордовикская карбонатно-кукерситовая формация Прибалтийского бассейна. Формация образована в платформенных условиях. Расположена она на южном склоне Балтийского щита. Пологое моноклинальное погружение осадочных пород кукерского горизонта среднего ордовика на юг и юго-восток в основном отвечает погружению поверхности ниже расположенного кристаллического фундамента.
В пределах Прибалтийского бассейна известно несколько месторождений горючих сланцев, но наиболее разведанными и изученными являются Эстонское на западе и Ленинградское на востоке. Площадь распространения сланцевой толщи - около 100 тыс. км2.
ОВ - сапропелевого состава. Для сланценосной толщи Прибалтийского бассейна характерна частая смена ритмов в сланценакоплении. Горючие сланцы Прибалтийского бассейна богаты ОВ (22-52%). Выход смолы на сланец 13-40%. Теплота сгорания сланцев 9200-19200 кДж/кг. Выход летучих веществ 27-55%. Элементарный состав ОВ (%): С - 74-77,8, Н - 9,3-9,9, О - 9-10, N - 0,3-0,4, S - 1,6-1,9, Сl - 0,60-0,90. Выход смолы на кероген 30-68, реже выше 70%. Теплота сгорания керогена 37260 кДж/кг. Смола содержит свыше 20% фенолов.
Добыча горючих сланцев бассейна организована шахтным и открытии (разрезы) способами. Сорт сланца 0-25 мм (мелкозернистый сланец) используется для энергетических целей, сорт 25-125 (технологический сланец) поступает в газогенераторные и камерные печи, а также на установку УТТ (с твердым теплоносителем), а сорт крупностью более 125 мм подвергается дополнительному дроблению. На рис.1 приводится принципиальная схема комплексного энерготехнологического использования горючих сланцев.
Запасы сланцев с учетом забалансовых 24 млрд.т.
Рис.1. Схема комплексного энерготехнологического использования горючих сланцев.
Гумусово-сапропелевый тип. D3. Формация доманиковых сланценосных отложений европейской части России. Формация распространена на обширной площади северо-востока европейской части России - от Тимана до Урала. На накопление осадочного комплекса пород и условия их залегания существенное влияние оказали крупные структурные элементы, возникшие в варисскую эпоху тектогенеза складчатая область Тимана, Печорская синеклиза, геосинклинальная область Урала и Предуральский краевой прогиб (рис.2). В различных районах доманиковые отложения имеют довольно сложное строение: в Ухтинском районе наблюдается переслаивание черных и серых битуминозных окремненных известняков, горючих сланцев, мергелей и кремней с прослоями глин, в Ижевском районе - переслаивание битуминозных глин с прослоями мергеля, глин, битуминозных аргиллитов, горючих сланцев и черных кремнистых пород, на Среднем Тимане распространены аргиллиты, песчаники, глины и т. д.
Доманиковые отложения распространены на площади в сотни тысяч квадратных километров. Образование доманиковых отложений происходило в морском мелководном бассейне. Планктон был богат гониатитовой и пелециподовой фауной. Содержатся остатки лингул, гониатитов, птеропод, брахиопод, остракод, цефалопод.
Рис.2. Схематическая геологическая карта выходов доманиковой свиты в Южном Приуралье. 1 - выход доманиковых отложений; 2 - дизъюнктивные нарушения; 3 - месторождения горючих сланцев (цифры в кружках): 1 - Лемезинское, 2 - Ашанское. 3 - Зилимское; 4 - проявление сланценосности в бассейне р.Зиган.
Мощность сланцевой толщи непостоянна (10-75 м). Количество пластов горючего сланца в разрезе сланцевой толщи также непостоянно даже в пределах одного и того же района. Изменчиво и качество сланцев. В доманиковом горизонте Ухтинского района выделил 248 прослоев пород, в том числе 163 слоя и прослоя горючих сланцев (табл.1):
Таблица 1. Характеристика пород доманикового горизонта Ухтинского района.
| Показатели | Горючие сланцы | Известняки | Кремний | Глины | Всего |
| Количество слоев и прослоев | |||||
| Суммарная мощность, м | 27,2 | 8,0 | 10,1 | 2,4 | 47,7 |
| Содержание пород, % | 59,1 | 16,7 | 21,2 | 5,0 |
Мощность пластов и слоев сланцев 0,1-2,2 м. Каждый пласт нередко состоит из серии маломощных слоев, разделенных прослоями пород. Сланцы листоватые, тонко- и микрослоистые, плотные. ОВ неоднородно по составу и по цвету - от черного до темно-бурого и желтого, реже красно-бурого, встречается в виде сгустков, линзовидных скоплений и тонких прожилков, или окаймляет обломки фа<