Рождение угля
Живые организмы сохраняют свой биохимический состав и форму только до тех пор, пока они живы. Как только жизнь заканчивается, они немедленно начинают разлагаться. Причина этого, как установил великий французский учёный Луи Пастер, — разрушительная деятельность микроорганизмов, для которых органическое вещество становится средой обитания. Процессы разложения (правильнее сказать — усвоения) органического вещества служат для бактерий источником энергии, обеспечивающей их жизнедеятельность, и углерода для построения тела. Если нет природных факторов, препятствующих разложению, органическое вещество очень быстро полностью уничтожается и от него остаётся лишь небольшое (несколько процентов начальной массы) количество содержащегося в нём минерального вещества. Что же может предотвратить полное разложение органического вещества в природе?
Органическое вещество имеет шансы противостоять разложению, если его высушить (обезводить). Отсутствие влаги парализует деятельность микроорганизмов. Сухие растительные и животные ткани сохраняются в ископаемом состоянии неограниченно долго, чему имеется довольно много археологических свидетельств. Мумии фараонов сохранились до нашего времени благодаря не только искусству египетских жрецов, но и сухому воздуху внутри пирамид и гробниц. Вероятно, так же сохраняются мумифицированные тела монахов в Киево-Печерской лавре.
Низкие (отрицательные) температуры также препятствуют разложению органического вещества. Подтверждениями в данном случае могут быть палеонтологические находки — останки животных и растений в вечной мерзлоте. При температурах вечной мерзлоты сохраняются не только кости, но и тела животных. Вспомним, например, находки мамонтов. Известный «Берёзовский мамонт», обнаруженный охотниками в древнем русле реки Берёзовка — притока Колымы, по рассказам участников экспедиции Петербургской академии наук (1901–1902), сохранился настолько хорошо, что его мясом кормили ездовых собак.
Но самое главное условие сохранения органических остатков — отсутствие или дефицит кислорода. Дело в том, что микроорганизмы, использующие органические вещества, являются преимущественно аэробными, то есть могут существовать только в среде с кислородом. Там, где это условие соблюдается, они эффективны и безжалостны. В средах, где кислород отсутствует или его мало, жизнедеятельность аэробных бактерий невозможна. В этих случаях органическое вещество сохраняется долго.
Ограниченное содержание кислорода поддерживает водная среда. В природных средах «бескислородные» условия возникают при захоронении органического вещества в толще непроницаемых осадков (например, в глинах) или в отложениях, состоящих из концентрированной массы органического вещества (например, в торфе или сапропеле).
Подчеркнём, именно дефицит кислорода в концентрированных скоплениях больших масс органического вещества определяет его возможность превратиться в горючее полезное ископаемое: твёрдое — уголь и горючий сланец, жидкое — нефть или газообразное — горючий газ. Такие превращения геологи называют метаморфизмом (от греч. metamorphoomai — подвергаюсь превращению). Они идут в течение десятков и сотен миллионов лет в условиях высоких давлений и температур в глубинах земной коры, куда органическое вещество попадает вместе с другими породами в результате тектонических процессов.
Органическое вещество углей и горючих сланцев образуется при сочетании благоприятных условий: влажный тёплый климат, сильно увлажнённые почвы, влаголюбивая и обильная растительность. Подобные условия существуют в торфяных болотах и донных осадках озёр и морских лагун. В торфяных болотах источником органического вещества служат высшие растения: травы, кустарники, деревья; в донных отложениях озёр и лагун — преимущественно водоросли. Болота, озёра и лагуны — малоподвижные водные среды, поэтому в них органическое вещество остаётся на месте гибели и захоронения, не переносится, не измельчается и не смешивается с минеральным материалом. Погружение земной коры при этом — обязательное условие. Оно обеспечивает накопление больших масс органического вещества, последующий переход его в ископаемое состояние и в конечном счёте формирование месторождений угля и сланцев.
Толщина (геологи говорят «мощность») образующихся в подобных условиях скоплений органического вещества иногда огромна. Так, например, угольный пласт на месторождении Хат-Крик (Канада) имеет мощность 475 м (!). Это указывает на то, что перечисленные выше благоприятные условия сохранялись длительное время — миллионы лет, в течение которых земная кора устойчиво опускалась со скоростью накопления торфа. С другой стороны, отдельные прослойки угля в осадочных отложениях могут иметь мощность всего несколько сантиметров. Это следствие того, что благоприятные условия возникали лишь на короткое время. Отметим, что наименее мощные угольные пласты, которые экономически целесообразно разрабатывать, имеют мощность 0,5–0,6 м, как, например, в Донецком бассейне.
Каковы же результаты природных процессов, обеспечивающих накопление и сохранение органического вещества в земной коре?
За всю геологическую историю Земли на её поверхности отложился слой осадочных пород средней мощности порядка 1 км. Примерно 2% этого слоя, то есть около 20 м, — ископаемое органическое вещество. Из этого слоя на уголь приходится 5 см, на нефть — около 1 мм. Остальное органическое вещество находится в рассеянном состоянии, то есть его концентрация в породах составляет десятые и сотые доли процента, и оно не является полезным ископаемым. Приведённые цифры можно оценить и по-другому. Подсчитано, что в породах земной коры содержится около 3,8x1015 т органического вещества. Общая масса углей, которая представляет собой концентрированное органическое вещество, составляет примерно 15x1012 т. Из них достоверно разведанные и технически доступные запасы углей равны 1,5x1012 т. За всё время разработки угольных месторождений извлечено из недр и использовано 205 млрд т угля (по оценкам 2004 года). В настоящее время ежегодно добывается приблизительно 5 млрд т. Таким образом, обеспеченность мировой экономики углём — более 300 лет. Для сравнения — обеспеченность нефтью оценивается чуть более чем 50 лет, природным газом — приблизительно 70 лет.
Загадочное слово «мацерал»
Описание и происхождение компонентов, из которых состоят угли и горючие сланцы, — часть науки об угле, называемая петрологией. Начало этой науки положено английским палеоботаником Мэри Стопс в 1919 году, которая, изучая угли под микроскопом, обнаружила их неоднородность и назвала эти компоненты мацералами (лат. macerare — размягчать). В настоящее время принято выделять три основные группы мацералов: витриниты, инертиниты и липтиниты. Все они представляют собой фрагменты тел высших растений, но первые два мацерала ведут своё происхождение от тканей стволов деревьев (древесины и сердцевины) и стеблей трав, а последний — от коры, оболочек спор и пыльцы, покровных тканей листьев (кутикулы), пробки, коры и смолы. Несмотря на кажущуюся загадочность названий мацералов, они попросту характеризуют их некоторые свойства.
Витриниты образованы тканями растений, преобразованных микроорганизмами в водной среде болот. Эти преобразования переводят растительные ткани в органический гель. Мацерал витринит (от лат. vitrum — стекло) образуется из основных тканей (древесины, сердцевины) высших растений при их разложении микроорганизмами в водной среде торфа. В результате возникает органический гель. В угле он имеет стеклянный блеск, отсюда его название. Инертинит получил название благодаря своей химической инертности. Этот мацерал внешне и по химическому составу напоминает обычный древесный уголь — он чёрного цвета, мягкий (мажет руки), имеет волокнистое строение. Отсюда другое его название — фюзинит (франц. fusain — сажистый).
Наконец, липтинит. Название этого мацерала имеет «химическое» происхождение. В его составе преобладают органические соединения — липиды. К ним относятся жиры, масла, жирные кислоты, воски и некоторые другие соединения, общее свойство которых — способность растворяться в органических растворителях и нерастворимость в воде. Липиды придают растительным тканям устойчивость против бактерий, что объясняет их высокую концентрацию в покровных тканях.
В отличие от углей горючие сланцы образовались в результате геохимических преобразований органического вещества в донных отложениях озёр и лагун, обогащённых остатками водорослей — главного мацерала горючих сланцев. Содержание органического вещества в сланцах обычно несколько десятков процентов, редко — до 50–60%. Ресурсы горючих сланцев оцениваются в 450 трлн т. Поскольку наиболее перспективным направлением промышленного использования горючих сланцев является получение при нагреве без доступа воздуха так называемой сланцевой смолы, близкой по составу к нефти, ресурсы сланцев обычно оцениваются как ресурсы смолы, которая может быть из них получена. А это 24,6 трлн т. Отметим, что, по современным оценкам, ресурсы самой нефти составляют 0,4 трлн т.
Кроме органических мацералов в состав любых углей входят минеральные компоненты. Чаще всего это глина, кварц, полевые шпаты, слюды, карбонаты (кальцит), сульфиды железа (пирит, марказит). Содержание минеральных компонентов определяет зольность углей (относительную массу минерального остатка, остающуюся после сжигания) — важнейшую техническую характеристику топлива.
Особенность ископаемого органического вещества, в том числе угля, горючих сланцев и их мацералов, — зависимость их физических и химических характеристик от степени метаморфизма. Метаморфизм — это изменение состава и структуры горных пород под воздействием температуры и давления земных недр. Наиболее чувствителен к изменениям температуры и давления состав органического вещества. Поэтому по степени его изменения геологи оценивают стадии метаморфизма углей и вмещающих их горных пород.
Изменение углей при метаморфизме решительным образом изменяет не только их химические и физические, но и технологические свойства. Угли делят на бурые, каменные и антрациты. Используется также более детальное разделение углей на марки. Для определения марок углей введён особый показатель — выход летучих веществ. При нагревании без доступа воздуха до температуры 700–800ºC органическое вещество углей разлагается с образованием газообразных органических соединений (летучих веществ). Масса образовавшихся газообразных продуктов зависит от степени метаморфизма. Поэтому она служит индикатором стадии метаморфизма, которая и обозначается как марка угля. Стадия метаморфизма (марка) определяет возможности использования угля в тех или иных промышленных технологиях