Углеобразование

УГЛЕОБРАЗОВАНИЕ (а. соalification; н. Kohlenbildund; ф. houillification; и. formacion de carbon) — последовательное превращение отмерших растений в ископаемый уголь. В общем процессе углеобразования выделяют две фазы: торфообразование и углефикацию.

Идеальной обстановкой торфообразования являлись болота, где стоячая обеднённая кислородом вода затрудняла, а образующаяся при разложении растительного материала щелочная среда вообще прекращала жизнедеятельность уничтожавших его аэробных бактерий. Образовавшийся в результате биохимических реакций их остатков высших наземных растений торф явился исходным материалом основной массы ископаемых углей — гумолитов.

Основными процессами преобразования растительных остатков в первой фазе углеобразования являлись: гелификация лигнино-целлюлозных тканей растений в анаэробных (лишённых свободного кислорода) условиях и переход продуктов разложения этих тканей в коллоидное состояние с последующим обезвоживанием и затвердением гелей и образованием однородной массы, цементирующей другие компоненты; фюзенизация — обезвоживание и окисление в аэробных условиях лигнино-целлюлозных тканей и продуктов первичной их гелификации с частичным обугливанием растительного материала; элювиация — вынос из торфа проточными водами коллоидных продуктов, сопровождающийся обогащением торфа липоидными устойчивыми к разложению компонентами растений; иллювиация — привнос на площадь торфяника или из его верхней активной части в нижние слои растворённых гуминовых веществ. Битуминизация — анаэробный процесс разложения богатых жирами и белковыми веществами комплекса низших растений и отмерших микроорганизмов (зоопланктона), который приводил к образованию сапропеля — основного исходного материала сапропелитов, а при привносе ветром и водой спор пыльцы торфа — сапрогумолитов. Специфические черты торфяных болот (их положение относительно грунтовых вод и соответственно тип торфа — низинный, верховой, переходный; состав и содержание в воде минеральных примесей; динамика водной среды и её окислительный потенциал; питательность грунтов; характер растительности, а также различия в сочетании и протекании процессов гумификации) обусловили разнообразие петрографического состава углей. На особенностях состава отразилась также эволюция флоры — изменение анатомического строения растений-углеобразователей и относительное повышение в растительной массе частей древесины (рис. 1).

Для нижнекарбоновых углей характерно преобладание матовых споровых дюренов, для среднекарбоновых — кларенов; в пермских углях широко развиты полосчатые фюзеноксилены, в среднеюрских — кларены.

Вторая фаза углеобразования — углефикация — начиналась и протекала после захоронения торфа в недрах Земли (перекрытия его кластическими осадками). В результате диагенеза торф превращался в мягкий бурый уголь — землистый с атритовой структурой, иногда содержащий углефицированные обломки и фрагменты древесины, или относительно плотный, с однородной гелитовой структурой. Последующий метаморфизм привёл к формированию широкого спектра природных разновидностей ископаемых углей — непрерывно связанного взаимопереходами их генетического ряда — от плотных блестящих бурых углей до суперантрацитов.

Углеобразование — региональный процесс, протекавший с различной интенсивностью в отдельные периоды геологической истории Земли на крупных площадях и локальных участках всех континентов, где возникало благоприятное сочетание фитологических, климатических, палеогеографических, и геотектонических предпосылок. Начало и развитие этого процесса связано, прежде всего, с возникновением и эволюцией растительного мира. Наличие углеродистого вещества (продукта преобразования примитивных низших растений) в рассеянном состоянии и в виде небольших скоплений известно во многих докембрийских осадочных толщах. Углисто-кремнистые и углисто-глинистые сланцы, линзы графитизированных углей выявлены в отложениях кембрия, ордовика, силура. В осадочных комплексах пород раннепалеозойского возраста известны крупные промышленные месторождения горючих сланцев, исходным материалом которых явилась биомасса из преимущественно низших водорослей (в меньшей степени — высших растений и животных микроорганизмов). Начало промышленного углеобразования датируется средним девоном, в течение которого развитие высших растительных форм на прибрежных низменностях материков и плоских островов сопровождалось формированием единичных относительно мощных пластов сапропелево-гумусовых углей. Обширные зоны распространения в позднем девоне и карбоне тёплого, временами жаркого климата, обусловили интенсивное развитие и расселение на берегах морей (с максимумом в среднем карбоне) пышной наземной растительности, что сопровождалось крупномасштабным паралическим углеобразованием, с которым связано формирование всех известных каменноугольных бассейнов Западной Европы и Северной Америки. Дальнейшая эволюция флоры со сменой примитивных наземных растений более сложными видами — от господства лепидофитов в карбоне к преобладающему развитию древних папоротникообразных и голосеменных в перми и начале мезозоя, появлению и развитию (начиная с мела) покрытосеменных форм расширяло ареалы распространения растительности. Продвижение областей углеобразования вглубь континентов привело к широкому разнообразию в последующих за карбоном геологических периодах фациальных обстановок седиментогенеза и преимущественному развитию лимнического углеобразования.

Важный фактор углеобразования — климатическая обстановка, обусловившая развитие или угнетение растительности, её состав и анатомическое строение, быстроту роста, условия и интенсивность разложения накапливающейся биомассы. С древними зонами длительного проявления влажного и теплого (гумидного) климата связывают распространение на земной поверхности поясов углеобразования (Степанов, 1937; Страхов, 1960). В границах этих поясов субширотного или субмеридионального простирания в определённые геологические периоды истории Земли происходило крупномасштабное образование угленосных отложений и угольной массы, сосредоточенное в узлах углеобразования — угольных бассейнах и крупных месторождениях. Наиболее чётко фиксируются Северный и Экваториальный пояса углеобразования (Егоров, 1960) в современной материковой части земного шара (карта).

Южный пояс отчётливо выделяется для эпохи пермского углеобразования, интенсивно проявившегося на территории южных частей Азии, Африки, Америки, а также Австралии и Антарктиды, рассматриваемых как части крупного гипотетического материка — Гондваны. Данные об углеобразовании в последующие геологические периоды для Южного полушария ограничены небольшим числом разрозненных месторождений.

Палеогеографические предпосылки углеобразования заключались в создании благоприятных фациальных обстановок седиментогенеза угленосных формаций торфонакопления и углеобразования. Для возникновения и длительного существования торфяных болот при благоприятном для развитии флоры и её последующего разложения климате необходимыми условиями являлись: выровненный, почти плоский рельеф, с уровнем грунтовых вод, близким или превышающим поверхность площадей торфообразования; защита болот береговыми валами, косами, барами и т. п. от затопления морскими водами или водами близлежащих водоёмов и водотоков; слабо выраженный рельеф тыловых ограничений площадей торфообразования, исключающих возможность массового поступления обломочного материала; длительная полная компенсация погружения площади торфообразования накоплением растительного материала.

Эти условия создавались преимущественно в лагунных, дельтовых, в меньшей степени — в озёрных, речных и других частных фациальных обстановках прибрежно-морской, прибрежно-континентальной и внутриконтинентальной седиментации.

Весь комплекс благоприятных факторов углеобразования, процесс его протекания, включая непрерывность, прерывистость и полное прекращение торфообразования, определялись общим геотектоническим режимом областей, в которых образовывались угленосные формации. Палеотектоника обусловливала и контролировала ландшафтно-климатические и фациальные процессы торфо- и углеобразования, процессы углефикации и всю историю образования и последующего развития угленосных формаций вплоть до их разрушения. Наиболее интенсивное углеобразование отчётливо связано с начальными и завершающими этапами ряда эпох (фаз) герцинской и альпийской эр тектогенеза, а пространственное их размещение — с теми областями геосинклинальных поясов и частей платформ, где длительное медленное прогибание земной поверхности компенсировалось соответствующим осадконакоплением. Наложенные на фон общего погружения областей углеобразования мелкие колебательные движения определяли положение и изменение уровня грунтовых вод в торфянике, и соответственно полную компенсацию накопления торфа погружением площади торфообразования. От соотношения скоростей погружения торфяника и скоростей торфообразования зависели мощность, строение и пространственное распространение образующихся пластов угля, а также прекращение торфообразования или размыв торфяных залежей. Процесс торфо- и углеобразования в некоторых случаях завершался формированием только одного угольного пласта. Но в большинстве случаев после захоронения в недрах той или иной торфяной залежи приповерхностные части осадков, захоронивших такую залежь, подвергались выветриванию с образованием минеральной, а при заболачивании — торфяной почвы; при сочетании благоприятных условий торфообразование возобновлялось. Неоднократное повторение такого процесса приводило к формированию в разрезе единого парагенетического комплекса осадков нескольких (часто многочисленных) чередующихся угольных пластов и прослоев.

Различия в тектоническом режиме развития отрицательных структур, в которых происходило образование угленосных формаций, отражались на характере угленосности — числе пластов, их мощности и строении, пространственном положении и распространении, а также протекании процессов метаморфизма углей и соответственно их качестве.

Естественным завершением углеобразования явился процесс разрушения угленосных формаций, ставших в результате общего подъёма материков и горообразовательных процессов областью размыва. Этот процесс особенно отчётливо проявился в верхнепалеозойских каменноугольных бассейнах, сформировавшихся в сложных авлакогенах (Донбасс), крупных глубоких прогибах пригеосинклинальных и складчатых областей (Кузнецкий, Горловский, Карагандинский и другие бассейны). Инверсия тектонического режима в этих структурах сопровождалась горообразовательными процессами, выводом на дневную поверхность наиболее погруженных частей угленосных формаций (рис. 2) и их денудацией.

Многие обособленные крупные месторождения и частично бассейны этого возраста являются лишь остатками первоначальных областей более широко развитых процессов углеобразования. Наибольшая сохранность угленосных формаций свойственна приплатформенным частям этих бассейнов, а также внутриплатформенным бассейнам и месторождениям с небольшими амплитудами инверсии тектонических режимов колебательных движений земной коры в областях углеобразования.

В зонах аэрации и активного воздействия подземных вод вблизи современной или древней дневной поверхности до глубин от единиц до сотен метров угли подвергались окислению и выветриванию, иногда выгоранию.