Горючие ископаемые
Особую группу полезных ископаемых образуют различные виды топлива: в них как бы аккумулированы солнечное тепло и энергия, которые освобождаются при сжигании. Торф, уголь, горючие сланцы, нефть и горючие газы содержат углерод, соединение которого с кислородом при горении сопровождается выделением тепла. Теплотворная способность горючих веществ, в том числе и горючих ископаемых, определяется количеством калорий, выделяемых при сжигании 1 кг топлива. Она колеблется в очень широких пределах и определяется следующими примерными границами (в килокалориях) :
торф 500 — 2 000
горючий сланец 1 500 — 3 000
бурый уголь 3 500 — 7 500
каменный уголь 7 000 — 9 000
антрацит 8 000 — 8 400
нефть 10000 — 15000
Горючие ископаемые используются не только как топливо. Они служат незаменимым сырьем для производства разного рода изделий. Угли, горючие сланцы, нефть и газ идут на производство пластмасс, синтетических тканей, взрывчатых веществ, лекарств, красок, технических масел, мыла и других изделий.
Торф представляет собой скопление полуперепревшей растительной массы, накопившейся на дне болот и заросших озер. В его состав входят не полностью разложившиеся остатки деревьев, кустарников, тростника, камыша, трав и мхов, продукты их полного разложения, или гумус, а также глина и ил. В естественном состоянии торф содержит много воды (около 80—90%), поэтому он относится к низкокачественным горючим ископаемым. В настоящее время торф как горючее ископаемое не играет заметной роли: он используется как удобрение в сельском хозяйстве.
Уголь — главный источник энергии, потребляемой самыми различными отраслями промышленности и транспорта.
Уголь представляет собой горную породу темного цвета с большим содержанием горючего вещества, возникшего вследствие захоронения в осадочных толщах скоплений различных растений. В хлорофилловых зернах стеблей и листьев под влиянием солнечного света растения синтезируют из углекислого газа, воздуха и почвенной воды первичные органические вещества, при этом растения не только концентрируют в своих тканях углерод, водород и кислород, но и накапливают солнечную энергию, которая освобождается при сгорании. Поэтому ископаемый уголь иногда называют солнечным камнем. Пласты каменного угля формировались за счет накопления растений двух групп. К первой принадлежат водоросли, при разложении которых на дне водных бассейнов накапливались сапропели. Ко второй группе относятся остатки деревьев, кустарников, трав и мхов, подобных тем, которые слагают торф, но преобразованные в гумус. Поэтому в зависимости от состава исходной растительной массы различают угли сапропелевые и гумусовые.
Массы сапропелей или гумуса накапливаются на дне болот, озер и морей, где их предохраняет от полного разложения слой воды, препятствующий воздействию кислорода воздуха. Постепенно такая полуразложенная растительная масса заносится илом, а потом толщей глин, песков и других осадков, при этом растительная масса уплотняется, обезвоживается и отвердевает, постепенно преобразуясь в ископаемый уголь. По мере увеличения перекрывающих осадков, а также все большего погружения на глубину углеобразующая масса изменяется все сильнее. При слабом изменении из торфяного гумусового вещества формируется бурый уголь, рыхлый и сравнительно мягкий. При дальнейшем изменении он преобразуется в более твердый каменный уголь черного цвета, а затем возникает густочерный блестящий твердый и хрупкий антрацит.
Ископаемые угли образуют пласты толщиной от нескольких сантиметров до десятков метров. Месторождения углей могут состоять из одного пласта, например в Подмосковном бассейне, или из десятков, как в Донецком бассейне. Пласты могут располагаться горизонтально или быть смяты в складки вместе с вмещающими их породами. Они могут встречаться на ограниченной площади, а также распространяться на большой территории. В последнем случае они формируют угольные бассейны. Например, Подмосковный бассейн бурого угля располагается в пределах Ленинградской, Новгородской, Калининской, Смоленской, Калужской, Московской, Тульской и Рязанской областей на общей площади 120 тыс. км2. Донецкий бассейн каменного угля и антрацита расположен на территории Украины и Ростовской области на площади 60 тыс. км2.
В Советском Союзе добывается огромное количество угля — до 600 млн. т в год. Но такие грандиозные размеры добычи не опасны для истощения природных кладовых, так как по запасам угля — 260 млрд. т — мы занимаем первое место в мире.
Антрацит — самый глубоко прогревавшийся при своем возникновении из ископаемых углей, уголь наиболее высокой степени углефикации. Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95 % углерода. Применяется как твердое высококалорийное топливо (теплотворность 6800—8350 ккал/кг). Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров.
Каменный уголь — осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами.Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75 % до 95 %. Содержат до 12 % влаги (3-4 % внутренней), поэтому имеют более высокую теплоту сгорания по сравнению с бурыми углями. Содержат до 32 % летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняются. Образуются из бурого угля на глубинах порядка 3 километров.
Бурый уголь — твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, содержит 65—70 % углерода, имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырье. Содержат много воды (43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра.
Горючие сланцы образуются преимущественно из сапропелей. Oни представляют тонкослоистую глину, содержащую горючее органическое вещество, которое окрашивает породу в черный цвет. Горючие сланцы употребляются не только как топливо, из них извлекают минеральные масла, горючий газ, аммиак.
Нефть и горючий газ встречаются в земных недрах как вместе, так и раздельно. Нефть — это природная горючая маслянистая жидкость, состоит из смеси жидких и газообразных углеводородов. При отвердевании нефти образуются асфальт и озокерит. Природный горючий газ состоит из газообразных углеводородов — метана, этана, пропана.
Формы подземных нефтяных резервуаров. Нефть залегает в пористых осадочных породах морского происхождения — песках и песчаниках, часто в сводчатых складках, встречается также и в известняках, где заполняет пустоты и трещины: слева — распределение газа и нефти в антиклинали; в центре — ловушка для нефти в разрезанных трещинами известняках; справа — слои песка переходят в глины. В местах их клинивания образуется ловушка для нефти.
Нефть и горючий газ накапливаются в пористых породах, называемых коллекторами. Хорошим коллектором является пласт песчаника, заключенный среди непроницаемых пород, таких, как глины или глинистые сланцы, препятствующие утечке нефти и газа из природных резервуаров. Наиболее благоприятные условия для образования месторождений нефти и газа возникают в тех случаях, когда пласт песчаника изогнут в складку, обращенную сводом кверху. При этом верхняя часть такого купола бывает заполнена газом, ниже располагается нефть, а еще ниже — вода. Залежи нефти и газа вскрываются при помощи буровых скважин. На заре нефтедобывающей промышленности эти скважины вскрывали нефть и газ на глубине в несколько сот метров. В настоящее время, когда неглубоко залегающие Месторождения выработаны, буровые скважины достигают глубины до 7 км. Газ и нефть находятся в недрах Земли под большим давлением, поэтому, если не принять мер, при бурении скважин возникают нефтяные и газовые фонтаны.
О том, как образовались месторождения нефти и горючего газа, ученые много спорят. Одни геологи — сторонники гипотезы неорганического происхождения — утверждают, что нефтяные и газовые месторождения образовались вследствие просачивания из глубин Земли углерода и водорода, их объединения в форме углеводородов и накопления в породах — коллекторах.
Другие геологи, их большинство, полагают, что нефть, подобно углю, возникла из органической массы, погребенной на глубину под морские осадки, где из нее выделялись горючие жидкость и газ. Это органическая гипотеза происхождения нефти и горючего газа. Обе эти гипотезы объясняют часть фактов, но оставляют без ответа другую их часть. Полная разработка теории образования нефти и горючего газа еще ждет своих будущих исследователей.
Группы нефтяных и газовых месторождений, подобно месторождениям ископаемого угля, образуют газонефтеносные бассейны. Они, как правило, приурочены к прогибам земной коры, в которых залегают осадочные породы; в их составе имеются пласты хороших коллекторов.
В нашей стране давно известен Каспийский нефтеносный бассейн, разработка которого началась в районе Баку. В 20-х годах был открыт Волго-Уральский бассейн, который назвали Вторым Баку. В 50-х годах был выявлен величайший в мире Западно-Сибирский бассейн нефти и газа. Крупные бассейны, кроме того, известны и в других районах страны — от берегов Ледовитого океана до пустынь Средней Азии. Они распространены как на материках, так и под дном морей.
Советский Союз занимает одно из первых мест в мире по запасам нефти и газа. Большое преимущество этих полезных ископаемых — сравнительное удобство их транспортировки. По трубопроводам нефть и газ поступают за тысячи километров на фабрики, заводы и электростанции, где используются как топливо, как сырье для производства бензина, керосина, масел и для химической промышленности. По трубопроводу «Дружба» длиной более 4000 км нефть течет из Советского Союза в Польшу, Чехословакию, Германскую Демократическую Республику и Венгрию. Горючий газ Средней Азии и Приволжья доходит до Москвы и Ленинграда, обеспечивая квартиры жителей городов и сел дешевым и чистым топливом.
