Торф и уголь - полезные ископаемые, образовавшиеся в результате жизнедеятельности организмов в прошлом

Введение

Природа щедро дарует человечеству свои бесценные сокровища. Это вода, воздух и земля с ее ценными недрами. Природа долго и скрупулезно готовит и наполняет свои недра полезными ископаемыми, без которых современную цивилизацию трудно представить.
Человечество использует эти дары для своего блага, к сожалению, часто во вред природы. При этом, иногда не задумываясь о том сложном природном пути, которым они проходят.
В данной работе рассмотрены такие, широко известные, полезные ископаемые, как торф и уголь., затронут очень важный аспект, а именно, их образование в результате жизнедеятельности организмов в прошлом.
Целью работы является комплексный анализ литературы по вопросу происхождению, природе, свойствам торфа и углей
В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:
рассмотрение происхождение, состава торфа;
анализ процесса образование торфа;
раскрыть механизм микробиальной деятельности в процессе получения торфа
рассмотреть процесс образование бурых углей из торфа:
проследить генетическую связь
торф → бурый уголь → каменный уголь → антрацит
1.Торф и уголь в классификации горных пород

Все горные породы возникают в определенной геологической обстановке[1]. В зависимости от условий образования они делятся на:
осадочные,
магматические
метаморфические. .
Горные породы первой группы - осадочные - обладают хорошо выраженной слоистостью. Они образовались путем осаждения минеральных частиц или растворенных химических веществ из морской, озерной и речной воды, а иногда - вследствие накопления остатков животных или растений, Именно,к группе осадочных пород относится торф и каменный уголь, а так же известняки и песчаники, мергели, пески, глины .
В свою очередь различают осадочные органогенные породы, которые образуются в результате жизнедеятельности организмов, вследствие накопления органических остатков после отмирания животных и растений. Среди них выделяются:
карбонатные породы;
кремнистые породы;
каустобиолиты.
Ценнейшие горючие ископаемые относятся к группе каустобиолитов .Это в первую очередь торф и ископаемые угли.
Приведем первоначальные характеристики этих ископаемых.
Торф - это слабо уплотненная пористая масса в цветовой гамме от желто-бурого, бурого или черно-бурого цвета. Состоит торф из полуразложившихся растительных остатков, накапливавшихся в течение длительного периода в специфических условиях болот и озер (в стоячей воде).
Разложение растительных остатков происходило в анаэробных условиях при участии различных микроорганизмов. Органическое вещество торфа содержит:
углерод С (от 28 до 35%),
кислород О (30-38%),
водород Н (5-5,5%).
В зависимости от состава растений торф классифицируется на осоковый, сфагновый, гипновый, , тростниковый и прочие.
Ископаемые угли. Это естественные ископаемые горючие, образовавшиеся из остатков растений и отчасти животных организмов минувших геологических эпох[1]. Большое значение имеют гумусовые угли. Это бурые угли, каменные угли, антрациты. Гумусовые угли образовались в результате разложения высших растений, в которых исходным материалом является клетчатка. Качество ископаемых углей зависит не только от характера исходного материала, но и от условий, в которых происходит разложение органического вещества. Так, например, в зависимости от различия температуры и давления с течением времени из одного и того же материала — торфа — может образоваться бурый уголь, каменный уголь или антрацит.
Бурый уголь — плотная, реже рыхлая, легкая (уд. вес 1,2-1,3) порода коричневого, бурого или черного цвета, пачкающая руки, дающая светло-бурую, бурую или буро-черную черту, с землистым или нечетко выраженным раковистым изломом. Присутствует примесь глинистого материала, обусловливающая высокую зольность бурого угля. Содержание углерода находится в пределах 60-70%.
Каменный уголь — твердая плотная порода черного цвета с жирным (смолистым), металловидным (блестящие угли) или матовым блеском, пачкающая руки, дающая матовую черную черту. Содержание углерода С находится в пределах 80-90%. Уд. вес 1,0-1,8. Твердость 2-3.
Антрацит — ископаемый уголь наиболее высокой степени метаморфизма. Цвет черный. Блеск сильный, металловидный. Излом неровный, реже полураковистый. Дает черную черту. Рук не пачкает. Твердость около 3. Уд. вес 1,4-1,8. Содержание углерода С от 92 до 97%.
2.Происхождение и состав торфа

Рассмотрим детально каждое из заявленных ископаемых. Как уже отмечалось, торф - это горючее вещество, образуемое в процессе естественного отмирания и неполного распада болотных растений в условиях избыточной влаги и недостаточного доступа воздуха. Состав торфа описать чрезвычайно сложно[2]. В комплексном составе органической массы содержание водорастворимых веществ 1 – 5%, битумов 2 – 10%, легко-гидролизных соединений 30 – 40%, целлюлозы 4 – 10%, гуминовых кислот 15 – 50% и лигнита 5 – 10%. .
Происхождение торфа имеет биогенный характер . Его образование связано с накоплением, в разной степени разложившихся, растительных остатков в условиях избыточной влажности и затрудненного доступа воздуха Содержание минеральных компонентов в торфе не превышает 50%.
Необходимо подчеркнуть, что при условии невысокой влажности и субаэральности образование торфа не происходит , а происходит тление растительной массы и окисление до углекислого газа. Именнотакие процессы имеют место в лесах. Торф представляет собой продукт глубокого изменения растительного материала . Эта аморфная масса называется гумусом, а процесс его образования — гумификацией. Образование гумуса — следствие микробиальной деятельности, поэтому торфяную стадию называют биохимической гумификацией. Гумус состоит из соединений, обладающих биохимической стойкостью, содержит в себе остатки исходной растительности, продукты распада и биохимического синтеза.
В виде торфа аккумулируется менее 20% отмершей растительности. Средняя скорость накопления торфа — около 1 мм в год. Самые древние ископаемые торфы отмечаются в межледниковых отложениях, их возраст датируют в 10–12 тыс. лет. Как уже отмечалось, по внешнему виду ,торф представляет собой неоднородную массу, неравномерно окрашенную от коричневого до черного цвета. Характерной чертой торфа есть сильная обводненность, его влажность 60–80%. Часть воды может быть отжата, а часть, связанную в виде коллоидных растворов, отжать весьма трудно. Торф гигроскопичен и хорошо впитывает влагу. Сухое вещество торфа представляет собой смесь из не вполне разложившихся морфологически различных остатков растений и бесструктурной массы — продукта разложения растительных тканей.
Торфы образуются в болотах разного морфологического типа, что сказывается на их свойствах. Существует три типа болот и соответственного три типа торфов :
низинные,
переходные
верховые
Низинные болота питаются атмосферными осадками, грунтовыми и поверхностными водами. За счет этого воды низинных болот богаты минеральными солями (190–200 мг/л), рН среды 7–8,Следовательно, воды низинных болот слабощелочные, что определяет их высокую биопродуктивность.
Питание верховых болот осуществляется в основном за счет атмосферных осадков и частично верховодки, в водах мало минеральных солей (40–60 мг/л), среда кислая, что препятствует жизнедеятельности растительности.
В переходных болотах, в зависимости от положения в рельефе, могут преобладать признаки низинных либо верховых болот. Соответственно типы торфов выделяются по морфологии болот, подтипы — по условиям захоронения: лесной, топяной, лесотопяной, виды — по составу исходной биомассы. Видовой состав растений-торфообразователей влияет на химический состав, качество торфа как топлива и как удобрения.
Остановимся детально на составе торфа.[2] Так, исходя из группового химического состава торфа, можно выделить восемь аналитических групп компонентов. Представим их в порядке выделения их из торфа
1)битумоиды, которые выделяются экстракцией органическими растворителями , В промышленности для этого применяют бензин, в лаборатории — петролейный эфир
2) сахара можно выделить вымыванием холодной водой;
3) пектиновые вещества извлекаются горячей водой;
4) гемицеллюлоза получается при гидролизе 2%-ной соляной кислотой;
5) гуминовые кислоты извлекаются растворением в 1%-ном растворе щелочи (NaOH);
6) целлюлоза в виде b-D-глюкозы — продукт расщепления при гидролизе 80%-ной серной кислотой;
7) негидролизуемый остаток состоит из самых прочных молекул — частично лигнин, кутины, суберины, спорополенины и др.;
8) минеральная часть остается при озолении

.
Зольность торфа различна и зависит от места образования : верховых болот 2–4%, переходных 4–6%, низинных 6–18%. Анализируя приведенные данные можно сделать вывод, что в составе торфов преобладают гуминовые кислоты. Они и составляют основу будущих углей. Гуминовые кислоты близки по структуре, но отличаются по молекулярной массе и количеству кислородсодержащих групп. Их молекулярная масса в водных растворах колеблется от 1000 до 1400. Наиболее характерными функциональными группами, определяющими кислый характер гуминовых кислот, являются карбоксильные (–СООН), гидроксильные (–ОН) и фенольные, присутствуют также карбонильные (–С=О), метаксильные (–ОСН3 ) и хиноидные группы, среди кислородсодержащих функциональных групп преобладают гидроксилы, а на втором месте — карбоксильные группы. Гуминовые кислоты можно представить как высокомолекулярные гидроксикарбоновые кислоты. Кислоты разделяются на три основные группы по растворимости в различных веществах:
1) в воде — фульвокислоты;
2) в спирте и ацетоне — гиматомелановые;
3) значительное количество растворяется только в щелочи — гумусовые кислоты.
Элементный состав гуминовых кислот неодинаков и колеблется в пределах : С 57,5–64,2%: Н 4,3–5,4% ; О 29–34% : N до 4% Азот входит в состав меланоидинов — продуктов конденсации фрагментов углеводов с аминокислотами, образующимися при распаде белков и углеводов. Вариации элементного состава зависят от природы исходной биомассы, в частности лигнинов. Установлена генетическая связь гуминовых кислот с лигнином. При постепенном разрушении лигнина грибами (белая и бурая гниль) часть простейших соединений (фрагментов молекул) включается в метаболизм микроорганизмов, а из остального формируется высокомолекулярное гумусовое вещество. В случае деструктивного процесса (бурая гниль) образуются гумусовые и гиматомелановые кислоты, при коррозионном разрушении (белая гниль) — фульвокислоты. По химическому составу это высокомолекулярные ароматические и алифатические (значительное количество) оксикарбоновые кислоты, фрагменты которых соединены между собой кислородными и метиленовыми мостиками. Основой их структуры являются конденсированные системы, включающие предельные и ароматические кольца и несущие боковые цепи и функциональные группы при ядре и в боковых цепях. На стадии торфа они содержат метоксильные группы.— это обязательное звено в процессе торфообразовании.
3 Процесс образования торфа
Накопление органической массы в болотных экосистемах и образование торфа происходит в результате ряда факторов.[3] Это:
низкая микробиологическая активность;
замедленние процессов трансформации растительных остатков;
избыточное увлажнением;
недостаток кислорода воздуха;
специфическим химическим составом болотных растений.
Под воздействием гетеротрофных микроорганизмов-аэробов сложные полимеры растений распадаются до более простых соединений (СО2, Н2О, минеральные соли, газы), которые затем вымываются с осадками либо участвуют в построении новых биополимеров растительных и микробных тел. Одновременно образуются новые полимеры - гуминовые вещества. Выход торфа составляет 6–33 % от исходной массы растительных остатков
Большую роль в этом процессе играет микрофлора С помощью. люминесцентномикроскопических методов исследования грибных сообществ в торфах установлено, что длина грибного мицелия измеряется сотнями-тысячами м/г торфа, а пределы варьирования численности спор и дрожжеподобных клеток составляют десятки-сотни млн./г торфа Полученные величины соответствуют плотности заселения грибами лесных подстилок, дернины и верхних гумусированных горизонтов литоземных почв. Проведенный опыт в течение года с верховым торфом показал увеличение активности микрофлоры в разы. Так, длина грибного мицелия увеличилась за этот срок в 6–10 раз. В суммарной микробной биомассе на всех стадиях сукцессии доминировала грибная составляющая (60–99 %). Грибная биомасса была в среднем в 4 раза, а максимально – в 7 раз выше к концу опыта. В процессе опыта была выявлена динамика относительного обилия базидиомицетовых грибов – энергичных деструкторов лигниноцеллюлозного комплекса. Их доля в грибном комплексе к концу опыта возрастала до 40–100 %. Зеленый цвет растений превращается в коричневый и в зависимости от состава растений структура торфа приобретает пластичную (хорошо разложившийся торф) или ветошную структуру (плохо разложившийся торф). Интенсивность нарушения тканей растений и превращения их в торф различна, зависит она от содержания в растениях азота, кальция, углеводов, хорошо растворимых в воде органических веществ. Богатые ими растения (вахта, гравилат, папоротник, белокрыльник, таволга) разрушаются еще будучи на поверхности торфяника и следов от них в торфе почти не остаётся. Вторая группа растений – злаковые, осоки, древесные породы – менее обильна азотом и другими питательными веществами, поэтому разрушаются медленнее, этому способствует наличие в них фенольных соединений, смол и дубильных веществ, создающих дискомфорт для микроорганизмов и почвенной беспозвоночной фауны. Примерно 20–30 % массы торфа составляют растения этой второй группы. Таким образом, торфа различают по виду основных растений-торфообразователей. Существует классификация видов торфа основанная на ботанико-генетическом принципе, по которой выделяют травяной (осоковый, хвощовый, тростниковый и др.), моховой (гипновый, сфагновый), древесный (ольховый, сосновый, берёзовый и др.), древесно-травяной, древесно-моховой, сосново-кустарничковый и другие, всего около 40 видов торфа.
С точки зрения геологической интерпретации торф – обводненная горная порода растительного происхождения, предшественник генетического ряда углей. Образуется в результате естественного отмирания и неполного распада болотных растений под воздействием биохимических процессов в условиях повышенной влажности и недостатка кислорода. Залегает в поверхностных слоях земли или под минеральными отложениями с содержанием зольных элементов менее 50 %.[3] В общем, суммируя все приведенное, торф это – органическая горная порода, образующаяся в результате биохимического процесса разложения (отмирания и неполного распада) болотных растений при повышенной влажности и недостатке кислорода.
4.Уголь – продукт органического происхождения
Миллионы лет тому назад, под действием солнца и воды, лесные массивы отмирали, превращаясь в болотистую биомассу с последующим преобразованием в торф и далее торф превращался в бурый уголь, каменный уголь, антрацит, графит. Этот процесс превращения угля и его переход из одной формы в другую продолжался много миллионов лет. Так, для бурого угля этот период составляет 50 миллионов, для каменного – 300, для антрацита – 400 лет. По характеру исходного материала уголь разделяется на три группы: гумусовый, сапропелевый и гумусово-сапропелевый. Гумусовый уголь – это уголь торфяного происхождения. Он представляет собой остатки наземной растительности – зеленых мягких тканей, древесины, коры, пыльцы, спор. Переход торфа в бурый уголь происходит в процессе углефикации на небольших глубинах[4]. Переход бурого угля в каменный – процесс более сложный и связан с более глубокими зонами земной коры, где главными факторами становятся температура и давление. При формировании антрацитов в действие вступают метаморфические факторы – каменный уголь поступает в зоны регионального и контактного метаморфизма, где при высоких температурах происходит его дальнейшая углефикация с возможным переходом угля в графит.
Дадим общую характеристику угля.[5] Как уже отмечалось, все виды твердых горючих ископаемых состоят из органических веществ и минеральных компонентов. Количественные соотношения органических и минеральных компонентов определяют методом технического анализа, по результатам которого оценивается технологическая и энергетическая ценность топлива. Технический анализ включает определение влажности, выхода летучих компонентов, содержания минеральных примесей (зольность), серы и теплоты сгорания угля