Górnictwo

Tworzenie się węgla – powstawanie węgla czyli jak powstaje węgiel

W procesach tworzenia się złóż węglowych geologia historyczna rozróżnia dwa główne okresy:

• Okres pierwszy

Okres ery paleozoicznej, obejmujący karbon dolny i górny oraz perm. W okresie tym, czyli permsko-karbońskim, powstały główne złoża węglowe Europy (Zagłębie Górno- i Dolnośląskie), Ameryki Północnej, Australii, Syberii i wschodniej Azji. Proces tworzenia się złóż węglowych rozpoczął się na obszarze północno-zachodnim półkuli północnej i stopniowo rozprzestrzeniał się w kierunku południowo-wschodnim.

• Okres drugi

Okres ery mezozoicznej (kreda) i kenozoicznej (trzeciorzęd). Okres ten ma jakościowo mniejsze znaczenie odpoprzedniego. W okresie tym powstały prawie wszystkie złoża węgla brunatnego i lignitów (Ameryka Północna, Francja, Niemcy, Włochy, Austria, Węgry, Jugosławia, Japonia i Indonezja). Ten proces tworzenia się złóż węglowych także rozpoczął się w północno-zachodniej części półkuli północnej; ogromne zagłębia węglowe w zachodniej części Ameryki Północnej, rozciągające się od Utah do Alaski, powstały w końcu okresu kredowego. W Europie złoża węgla brunatnego w południowej Francji, środkowych Niemczech, Austrii, Włoszech, Jugosławii i na Węgrzech powstały w okresie kredy i eocenu. Główne złoża węgla brunatnego oraz trzeciorzędowe węgle w Japonii, Indonezji i Patagonii utworzyły się w okresie mioceńskim. Natomiast złoża torfu powstały w okresie czwartorzędu.

Warunki tworzenia się złóż węglowych.

Tworzenie się złóż węglowych jest procesem bardzo skomplikowanym, uzależnionym od wielu warunków. Z których można wymienić następujące:

1. Warunki geologiczne umożliwiające powstanie torfowisk węglotwórczych, warunki tworzenia się złóż paralicznych i limnicznych oraz zagadnienia autochtonii i allochtonii;
2. Problem materiału wyjściowego, z którego powstały złoża węgli.
3. Przebieg zmian chemicznych w pierwszych okresie uwęglania, rozkład materiału roślinnego w stadium torfu, wpływ środowiska i takich czynników, jak woda powietrze, substancje mineralne, udział mikroorganizmów itp.;
4. Zmiany chemiczne i strukturalne substancji organicznej w drugim stadium uwęglania – w stadium węgla brunatnego, czyli w procesie diagenezy;
5. Wpływ czynników geotermicznych (ciśnienie, temperatura) oraz zmiany chemiczne i strukturalne w trzecim stadium uwęglania (stadium tworzenia węgla kamiennego – metamorfizm).

W tworzeniu się węgli kopalnych rozróżnia się dwie fazy:

• fazę biochemiczną, gdzie nagromadzony materiał roślinny ulegał rozkładowi przy współudziale drobnoustrojów (próchnienie, butwienie i torfienie lub gnicie),
• fazę geochemiczną, gdzie w przeobrażonej masie roślinnej, przykrytej skałami osadowymi (piaskiem, iłem), zachodziły reakcje chemiczne prowadzące do usunięcia składników lotnych i koncentracji pierwiastka węgla.

Proces tworzenia się złóż węglowych

Zagłębia węglowe powstały przede wszystkim w zapadliskach czyli geosynklinach, tzn. stale obniżających się obszarach kuli ziemskiej. Przypuszcza

się, że w okresie tworzenia się złóż na ogromnej przestrzeni rozciągały się moczary. Moczary stale obniżały się, co w znacznym stopniu było niwelowane przez procesu sedymentacyjne. Obniżanie się geosynklin następowało z różną szybkością, co wywoływało zmiany szybkości sedymentacji i kiedy szybkość obniżania się terenu malała, następował wzrost sedymentacji. W tych warunkach laguny stawały się płytkie, co sprzyjało wzrostowi roślin wodnych i tworzeniu się rozległych torfowisk. W kolejnym okresie następował na tym terenie rozwój drzew i roślinności. Roślinnością węglotwórczą były: w karbonie — olbrzymie widłaki (lepidodendrony i sygilarie), skrzypy (głównie kalamity), paprocie nasienne, kordaity, w permie — głównie rośliny nagozalążkowe (zwłaszcza miłorzębowe, iglaste i benetyty), w trzeciorzędzie — rośliny okrytozalążkowe (np. sekwoje, topole). Osadzający się na dnie bagniska materiał roślinny pod wpływem mikroorganizmów zmieniał się w torf. Wzrost warstwy torfu hamował szybsze obniżanie się geosynkliny. Zalanie warstwy torfu wodą przerywało proces jego tworzenia się. Gdy warstwa torfu przesyconego wodą została pokryta nieprzepuszczalną warstwą osadu, wówczas w substancji torfowej zachodziły (początkowo w stanie nasycenia wodą) reakcje chemiczne, polegające na stopniowym wzroście zawartości pierwiastka węgla i stopniowym przekształceniu torfu w węgiel brunatny, a następnie w węgiel kamienny. Te zmiany chemiczne noszą nazwę procesu uwęglania.

W procesie naturalnego przejścia węgli młodszych w starsze decydującą rolę odgrywał charakter środowiska – redukujący lub utleniający oraz reakcje hydratacji. Na przykład węgle koksujące tworzyły się w środowisku bardzo silne redukującym, przejście zaś węgli płomiennych w antracyty zachodziło z usunięciem atomów wodoru.

Pierwotne pokłady powstały w płaszczyźnie poziomej, jednakże ruchy górotwórcze spowodowały częściowe sfałdowanie, czyli orogenezę pokładów.

W zależności od umiejscowienia złóż w stosunku do materiału pierwotnego, z którego powstały, rozróżniamy:

• złoża autochtoniczne,
• złoża allochtoniczne.

Złoża autochtoniczne (z języka greckiego autochton – tubylec) – złoża węglowe in situ, a więc w miejscach występowania roślin węglotwórczych, z których dane złoże powstało.

Złoża allochtoniczne ( z języka greckiego allochton – przybysz), czyli złoża przeniesione – materiał organiczny oderwany od podłoża i przenoszony za pomocą prądu wody na znaczne odległości. Z nagromadzonego w nowym miejscu materiału powstały złoża węglowe. Przeważa pogląd, że większość złóż węgla jest pochodzenia autochtonicznego. Za takim poglądem przemawiają między innymi takie fakty, jak znaczna rozciągłość i stała grubość na znacznych przestrzeniach złóż węglowych, bardzo mała zawartość substancji mineralnej, co byłoby niemożliwe przy przenoszeniu resztek roślinnych w strumieniu wody, położenie znalezionych resztek roślinnych. Obserwuje się także, że obok złóż autochtonicznych występują złoża allochtoniczne.

W zależności od sposobu osadzania się warstwy karbonu produktywnego rozróżnia się:

• złoża paraliczne (z języka greckiego paralios – przymorski), gdzie czynnikiem oddziałującym na zamulenie terenu przez sfałdowanie skorupy było morze,
• złoża limniczne (z języka greckiego lime – bagno, jezioro), czyli śródlądowe, gdzie czynnikiem oddziałującym były bagna i jeziora.

W Zagłębiu Górnośląskim starsze warstwy karbonu produktywnego są pochodzenia paralicznego, młodsze – limnicznego.

Materiał węglotwórczy i stadia procesu tworzenia węgla.

Substancja organiczna węgli pochodzi bezpośrednio od substancji roślinnej (materiału węglotwórczego) stanowiącej ich „pramaterie”.

W zależności od rodzaju wyjściowego materiału węglotwórczego węgle kopalne dzielimy na humusowe, sapropelowe i liptobiolitowe.

Węgle humusowe (z języka greckiego humus – ziemia), czyli tzw. humolity, są produktami przemian materiałów organicznych pochodzenia lądowego, głównie roślinnego. Każdy rodzaj tkanki roślinnej przeobraził się w jeden lub więcej macerałów (mikroskopowe składniki węgli).

Składniki roślinne można uszeregować według wzrastającej odporności na działanie czynników biochemicznych: protoplazma, chlorofil, olejki, węglowodany, lignina, kora, naskórki, osłonki nasion, niektóre barwniki, nabłonki liści (kutikule), zarodniki, woski i żywice.

Obok organicznych składników roślin występują także nieorganiczne, jak wapń, magnez, potas, fosfor, azot, siarka i inne.

Węgle sapropelowe (z języka greckiego sapros – zgniły, phyton – roślina), czyli sapropelity, stanowią produkt przemian materiałów organicznych roślin

i mikroorganizmów żyjących w wodach.

Węgle liptobiolitowe, czyli liptobiolity, stanowią nagromadzenie żywiczno-woskowych składników roślin, najbardziej odpornych na działanie czynników fizycznych i biochemicznych.

Kolejność stadiów naturalnego procesu tworzenia węgla, odpowiada stałemu wzrostowi stopnia uwęglenia. Przedstawiona jest za pomocą tzw. szeregu uwęglenia:

Rozkład resztek roślinnych w stadium torfu jest procesem złożonym, uzależnionym od składu chemicznego wyjściowego materiału roślinnego i warunków fizykochemicznych środowiska, z których można wymienić: kwasowość środowiska, dostęp tlenu, substancje mineralne, udział wody, mikroorganizmy (grzyby, enzymy, bakterie aerobowe i anaerobowe), potencjał utleniająco-redukcyjny itp. W warunkach aerobowych zachodzą reakcje utleniania, podczas gdy w warunkach anaerobowych, w głębi torfowiska – reakcje redukcji. Wynikiem utorfienia jest szybki rozkład celulozy wskutek działania bakterii aerobowych oraz powolny, znacznie odporniejszy na działanie grzybów i bakterii rozkład ligniny. Tworzą się rozpuszczalne w wodzie wielofunkcyjne produkty zwane kwasami huminowymi.

Proces tworzenia się torfu nazywamy humifikacją. Na proces humifikacji resztek roślinnych składa się szereg reakcji prowadzących do utworzenia struktur aromatycznych. Humifikacja zachodzi przy udziale biokatalitycznych reakcji (utlenianie, hydroliza i in.) oraz przy udziale mikroorganizmów wytwarzających odpowiednie fermenty.

Rozróżnia się następujące rodzaje rozkładu części obumarłych roślin:

• próchnienie,
• butwienie,
• utorfienie,
• gnicie.

Próchnienie zachodzi w tym przypadku, gdy części obumarłych roślin wystawione są na intensywne działanie tlenu powietrza przy współudziale bakterii. Otrzymuje się przy tym lotne produkty rozkładu jak: dwutlenek węgla, wodę, metan oraz małe ilości innych węglowodorów. Najtrudniej ulegają rozkładowi żywice i woski.

Butwienie jest to bardzo powolny rozkład substancji roślinnych w warunkach ograniczonego działania tlenu powietrza. Rezultatem takiego rozkładu, w którym biorą udział również bakterie glebowe jest humus (Moder). Jest to powierzchniowa, spulchniona warstwa gleby, zawierająca rozkładające się powoli resztki roślinne.

Utorfienie jest to jeszcze bardziej powolny rozkład substancji obumarłych roślin. Działanie powietrza jest bardzo ograniczone wskutek powstawania w torfowisku nowych warstw substancji roślinnej oraz odcięcia ich od dostępu powietrza przez warstwę wody pokrywającą torfowisko. Działalność bakterii aerobowych jest w tym przypadku ograniczona. Zamiast bakterii aerobowych w rozkładzie resztek roślinnych biorą udział bakterie anaerobowe. Zamiast procesów utleniania mamy tu do czynienia raczej z procesami redukcji. Powstała koloidalna masa torfowa różni się od humusu zdolnością pęcznienia i plastycznością. Procesy próchnienia, butwienia i utorfienia są formami rozkładu roślin zarówno lądowych, jak i błotnych.

Gnicie jest formą rozkładu organizmów roślinnych i zwierzęcych (mikroorganizmy, plankton), zachodzącego w środowisku wodnym (wody bez odpływowe) bez dostępu powietrza przy udziale bakterii anaerobowych. Produktem gnicia jest szlam gnilny, czyli sapropel, będący materiałem wyjściowym węgli sapropelowych. Należy zaznaczyć, że w przyrodzie nie ma wyraźnej granicy między poszczególnymi formami rozkładu substancji roślinnej, procesy te zachodzą na siebie, tworząc wiele produktów przejściowych.

Gdy warstwa torfu zostanie pokryta nadkładem, proces uwęglania postępuje nadal. Zasadniczą rolę odgrywają tutaj inne czynniki aniżeli w procesie humifikacji, a mianowicie:

• ciśnienie,
• temperatura,
• czas.

Działanie czynnika czasu w sensie geologicznym jest wystarczające do utworzenia węgla brunatnego. Natomiast do utworzenia paliw wyżej uwęglonych konieczne jest działanie ciśnienia i temperatury. Proces przemiany torfu w węgiel brunatny nosi nazwę diagenezy.

Przemiany w procesie uwęglenia, zachodzące pod wpływem ciśnienia i temperatury, określa się mianem metamorfizmu. Metamorfizm wywiera decydujący wpływ na dalszy przebieg procesu uwęglania kaustobiolitów, powodując powstawanie naturalnych paliw stałych o różnym stopniu uwęglenia: węgiel brunatny – węgiel kamienny – antracyt.

Główną przyczyną powodującą metamorfizm węgla jest sfałdowanie, powodujące równoczesny wzrost ciśnienia i temperatury.

Rozróżnia się dwa rodzaje metamorfizmu:

• metamorfizm dynamiczny (dynamometamorfizm), spowodowany ciśnieniem tektonicznym,
• metamorfizm termiczny – spowodowany działaniem wyższej temperatury panującej w głębi ziemi. Jedną z odmian metamorfizmu termicznego jest metamorfizm kontaktowy, spowodowany bezpośrednim kontaktem węgla z gorącą masą wulkaniczną.

Ogólnie przyjmuje się, że węgle brunatne i niskouwęglone węgle kamienne powstały w temperaturach poniżej 373 K, natomiast węgle bitumiczne w temperaturach niższych od 623 K. Tworzenie się grafitu wymaga wysokiej energii aktywacji (około 397,7 kJ/mol); mógł on powstać tylko w warunkach metamorfizmu kontaktowego.

Proces metamorfizmu zachodzi z wydzielaniem się produktów gazowych, jak CO₂, CH₄, H₂O; w warunkach naturalnych jest on nieodwracalny. Z punktu widzenia chemicznego proces metamorfizmu to zmniejszenie zawartości tlenu i wodoru, a zwiększenie zawartości węgla elementarnego. Jest to proces w którym zachodzą reakcje redukcji i kondensacji.

Tworzenie się węgla – powstawanie węgla czyli jak powstaje węgiel