Каустобиолиты

«Каустобиолит» в переводе с греческого означает «горючий камень органического происхождения». К каустобиолитам относятся торф, сапропель, ископаемые угли, горючие сланцы. Нефть и горючие газы геологически и генетически связаны с каустобиолитами, но они имеют существенные отличия от других горючих полезных ископаемых.


Во-первых, не все придерживаются представлений об органическом происхождении нефти. Во-вторых, закономерности образования и размещения нефти в значительной мере связаны с её подвижностью, мобильностью, существенными перемещениями в земной коре после образования. Наконец, к настоящему времени учение о нефти выделилось в специальную дисциплину: геологию нефти и газа.

Вещество каустобиолитов образуется из органических соединений, которые синтезируются животными и растительными организмами из газов атмосферы, воды, минеральных солей. Вода при этом содержит фосфор, калий и другие элементы.

Но в осадочных породах захоранивается не всё органическое вещество растений и животных, а лишь его часть, которая не подверглась разложению в условиях гипергенеза. Н. Б. Вассоевич считает, что среднее содержание органического вещества составляет 15-20 кг/м3 породы. Общая его масса, заключенная в осадочной оболочке континентального сектора, включая шельфы, достигает 1016 тонн, что в тысячи раз превышает все известные скопления угля, нефти и газа. Важно и то, что для образования каустобиолитов необходимо не только наличие органического вещества, но и особые условия его накопления и захоронения.

Твердые горючие ископаемые относятся к породам биогенного происхождения и делятся на 3 группы:

  • гумусовые каустобиолиты;
  • липтобиолиты;
  • сапропелиты.

Гумусовые каустобиолиты

Образуются из гомогенезирующихся (однородных) скоплений остатков высших растений (корни, кора, листья, ветви, стволы). К ним относятся торф, бурый и каменный уголь, антрацит. Это продукты единого ряда преобразования органического вещества растительного происхождения в диагенезе, катагенезе и метагенезе. Из остатков водорослей, низших растений могут образоваться редко встречающиеся сапропелевые угли.

Растительный материал в процессе формирования каустобиолитов гумусового ряда подвергается разложению в условиях обилия влаги, резко ограниченного доступа кислорода или без него (на дне озер, в болотах), и перекрывается вышележащей толщей осадков. В результате органическая масса углефицируется, уплотняется, превращается в твердое вещество, в нем уменьшается содержание кислорода и водорода, возрастает содержание углерода. В зависимости от условий захоронения органики и углеобразования ход процесса может изменяться, что сказывается на типовых особенностях конечного продукта.

Торф состоит из образующихся в болотах скоплений малоизмененных остатков растительной ткани. Цвет серо-желтый, буроватый, серо-черный. Его слагают различные виды болотной растительности: травы, мхи, камыш, осока, хвощ и др. Содержание растительного материала в осадке при образовании торфа по Ф. Петтиджону достигает 70-90%. В состав торфа входят воски, смолы, жирные кислоты, целлюлоза. Отличительная черта торфа в естественном залегании – высокое содержание воды (65-90%). Высушенный торф на 40-60% состоит из целлюлозы. В торфе без изменений остаются наиболее устойчивые ткани растений.

Отложения торфа способствуют быстрый рост растений и весьма угнетенная жизнедеятельность микроорганизмов. В стадийности породообразования возникновение торфа соответствует диагенезу.
Наиболее интенсивно торфообразование идет в северных широтах в обширных пресноводных болотах, в прибрежных мангровых болотах, затапливаемых солоноватой морской водой. Скопления торфа имеют четвертичный возраст, в том числе образуются в настоящее время. В странах с гумидным умеренным и тропическим климатом месторождения торфа многочисленны.

Бурый уголь. Это горючее непрозрачное некристаллическое вещество бурой, темно-коричневой, буро-черной до черной окрасок. Обычно сохраняет структуру первичной древесины. Содержание влаги ниже, чем в торфе – до 30% от общей массы, количество целлюлозы незначительно. Содержание углерода 60-75% на органическую массу. Бурый уголь обогащен лигнитом и гумусовыми соединениями. Обладает низкой теплотворной способностью и плохо высыхает. Образование бурого угля соответствует ранней катагенетической подстадии преобразования органического материала («обуглероживание» торфов), начинающейся после перекрытия залежи торфа глинистой или песчано-глинистой толщей. При этом происходит обезвоживание, биохимические процессы изменения органических гумусовых веществ с участием бактерий, грибов.

Большая часть бурых углей имеет мезозойско-кайнозойский возраст от триаса до антропогена. Месторождения бурого угля многочисленны. Выделяются Челябинский буроугольный бассейн, Канско-Ачинский бассейн. Здесь пласты угля имеют мощность несколько десятков метров до 100-200 м.
Каменный уголь образуется при погружении угленосных толщ на большие, в сотни метров и более, глубины в результате прогибания участков земной коры. Для перехода бурого угля в каменный требуются высокие давления и температура порядка 100-300⁰С.

Каменный уголь имеет плотное сложение, черный цвет и обладает хрупкостью при твердости 2-2,5. Удельный вес 1,26-1,35 г/см3. В естественном залегании угольные пласты обычно не являются однородными, а представляют собой чередование линз, прослоев черных сажистых, плотных матовых и блестящих углей. Макроскопически различимые растительные остатки отсутствуют. Содержание летучих компонентов уменьшается. Резко возрастает, от 75 до 92%, количество углерода. Отсутствуют гуминовые кислоты.

В строении угольной массы принимают участие несколько разновидностей, отличающихся структурой, состоянием углистого вещества:

  1. фюзен – волокнистый матовый уголь со структурой древесины;
  2. дюрен – уголь, состоящий из частиц, сохранивших форму спор, кутикул и фюзенизированной клеточной ткани, сцементированных бесструктурной гелеподобной массой. Матовый или землистый, залегает в виде слоев, не имеющих внутренней слоистости;
  3. витрен – полностью гелефицированная клеточная ткань, бесструктурная коллоидная масса. Блестящий, стекловидный, обычно переслаивается с более мощными слоями углей иного типа;
  4. кларен – гелефицированная масса с примесью спор, смоляных телец. Пласты, линзы кларена, как правило, имеют слоистость.

В углях присутствуют обломочные зерна и часто отмечается примесь глинистого материала. Углепетрографическая систематика основывается на составе исходного материала, либо на его составных частях (кларен, витрен и т.д.), или на свойствах углей (однородные, полосчатые, штриховые, полублестящие, матовые угли).

Антрациты – это продукты преобразования каменных углей в стадию метагенеза (начального метаморфизма). Плотные, блестящие, черные, отличаются наибольшим среди углистых разностей удельным весом, твердостью и однородностью. В составе органической массы преобладает углерод (93-98%), весьма незначительное содержание летучих компонентов (2-5%).

Обобщая данные по составу углей, помимо преобладания в их составе углерода (60-98%), можно отметить присутствие кислорода от 2-х до 5%, водорода 1-12%, азота 1-3%. Отмечаются небольшие количества серы и фосфора. В углях установлена примесь редких, редкоземельных элементов, а содержание германия, урана, ванадия в отдельных случаях могут достигать промышленных концентраций.

Важным параметром качества угля является теплота сгорания: от 3500 ккал/кг у бурых углей до 8000 ккал/кг у антрацита. Зольность углей, определяемая примесью неорганического материала, колеблется от 2-3% до 40-50%. Этот показатель является своего рода таксонометрической границей для углей. Строго к углям можно отнести твердое горючее полезное ископаемое, имеющее зольность ниже 40%. При зольности выше 40% порода считается горючим сланцем.

Своеобразной категорией каустобиолитов являются коксующиеся угли, т.е. угли, которые при нагревании без доступа кислорода на несколько сот градусов (выше 800⁰С), превращаются во вспученную шлакоподобную массу в результате удаления летучих компонентов.

В природных условиях угольные пласты мощностью 2-3 и более метров объединяются в угольные серии, перемежаясь с глинистыми, песчаными и песчано-глинистыми отложениями. При этом формируются толщи циклического строения. В отдельных случаях мощность пластов угля на месторождениях может достигать 35-200 м. Залегание угольных пластов в угленосных толщах различное. Некоторые угольные пласты прослеживаются на сотни километров, другие – резко расщепляются на коротком расстоянии, образуя веер самостоятельных пластов.

Гумусовые каустобиолиты образуются за счет наземных растений, остатки которых накопились непосредственно на месте произрастания (автохтонные угли) или были перемещены до их захоронения (аллохтонные угли). Чаще всего угли формирует как автохтонный, так и аллохтонный растительный материал. Превращение растительных форм в уголь составляет ряд биогенных процессов (гумификация, затем углефикация), и позже абиогенных процессов (метаморфизация).

В ходе геологической истории углеобразование началось в связи с развитием наземной растительности в девонском периоде и продолжалось вплоть до четвертичного периода включительно. В Китае известны угли кембрийского возраста. Наиболее бурно процесс проявился в каменноугольный и пермский периоды (до 41% всех известных запасов угля). Отложения юрского и частично мелового периодов вмещают 14% запасов, накопления мела – 16%, палеогена и неогена – 18% мировых запасов угля.

На Урале угленакопление проявлено в широком стратиграфическом диапазоне. Оно известно в каменноугольном, пермском, триасовом, юрском периодах, а также в палеоген-неогеновый отрезок истории. В результате сформировалось несколько крупных угольных бассейнов, вместивших серию угленосных депрессий. Это Северо-Уральский, Южно-Уральский и Тургайский угольные бассейны.

Липтобиолиты

Липтобиолиты – редкая разновидность углей, не имеющая промышленного значения. Они образованы наиболее стойкими компонентами высших растений, не подверженных разложению: оболочки спор, кутикулы (тонкая пленка на эпидерме листьев, молодых стеблей), кора, скопления смолы. В зависимости от преобладающей компоненты растительной ткани липтобиолиты подразделяются на кутикуловые, споровые и другие разновидности. Липтобиолиты встречаются в виде линз и прослоев среди бурых, каменных углей. Они отличаются повышенным содержанием водорода и летучих веществ.

Сапропелиты

Сапропелиты представляют собой каустобиолиты, органический материал которых содержит очень мало остатков наземных растений. Образуются они за счет углефикации скоплений низших одноклеточных водорослей и состоят из остатков клеточной ткани, спор, кутикулы, а также из основной сапропелевой (битумной) и гумусовой массы желтоватого, бурого, зеленоватого цвета. Залегают в виде прослоев среди гумусовых углей, очень редко в виде самостоятельных пластов. Сапропелиты отличаются высоким содержанием летучих (до 90% органической массы), водорода (7-12%) и первичного дегтя. Они подразделяются на сапропелевые угли и собственно сапропель.

Сапропель это современный гелеобразный черный осадок, накапливающийся на дне болот и озер и состоящий из гниющих в анаэробной среде остатков водорослей. Сапропелевые угли подразделяются на 2 типа: кеннель и богхед. Кеннель представляет собой серый матовый сапропелит, легко загорающийся от спички. В основной массе рассеяны водоросли и споры. Богхед – массивный матовый однородной структуры светло- и темно-коричневого цвета, либо серый, зеленовато-бурый. Для богхедов характерен повышенный выход водорода и первичного дегтя. Сапропелиты являются ценным сырьем для газовой и химической промышленности.

Горючие сланцы. Это осадочные породы, тонкоплитчатые аргиллиты или мергели со значительным, до 50-60%, содержанием битуминозных веществ. По сути они являются глинистыми или известковыми углями-сапропелитами, загорающимися от спички. Горят коптящим пламенем, издавая запах жженой резины. Отличаются от углей большей зольностью и меньшей теплотворной способностью. В категорию горючих сланцев включают сланцы, содержащие гумусовое вещество, тождественное с гумусовым веществом бурых и каменных углей, кеннелевые и богхедовые сланцы, а также сланцы асфальтовые и породы, пропитанные нефтью. В горючей массе сланцев повышено содержание водорода, летучих веществ, присутствуют остатки водорослей, иногда раковины морских организмов. Из органических веществ в состав горючих сланцев входят петролены, битум, гумусовые вещества, присутствуют неорганические составляющие – алюмосиликаты, гидраты окислов железа, кальцит, гипс, пирит, сера и др. Цвет сланцев серовато-желтый, до бурого и черного. Формируются из осадков морских, озерных водоемов, лагун при одновременном осаждении глинистых и карбонатных частиц, тонкого органического ила, состоящего из мельчайших водорослей и других организмов. Разлагаясь под водой, без доступа воздуха, органические остатки постепенно превращают ил в темное горючее вещество, затвердевающее при диагенезе. Слагают протяженные пласты мощностью 15-20 м.

При нагревании горючих сланцев в специальных перегонных аппаратах из них получают напоминающее нефть вещество, при последующей переработке дающее парафин, бензин, керосин, смазочные масла и некоторые ценные химические вещества (ихтиол, фенол, битумы).

Важнейшие месторождения горючих сланцев известны в Прибалтике (диктионемовые сланцы), в Среднем Поволжье (близ Ульяновска), около Сызрани (каширские сланцы), а также в Заволжье, в районе Общего Сырта.

В настоящее время в угольной геологии закрепилось представление о формировании большинства месторождений на базе лесных болот, на месте произрастания растительности. Согласно этой точке зрения угли являются автохтонными образованиями. Однако это не единственная точка зрения. Некоторые ученные придерживаются несколько иной точки зрения, считая органический материал во многих случаях аллохтонным, привнесенным водными потоками. Перенос очень легких по удельному весу частиц растений может осуществляться в водной среде с весьма слабой энергией, что характерно для водных потоков, действующих в условиях обширных аллювиально-озерных заболоченных равнин.