Экологические проблемы добычи и переработки угля. Природа внезапных выбросов газа в шахтах. Полубояров Владимир Александрович доктор химических наук, профессор Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН
Необходимость добычи углеводородов для человека. Строение и элементный состав Земли. Возникновение первичных углеводородов на Земле. Возникновение углеводородных осадочных пород на Земле. Фазовые состояния углеводородных осадочных пород (газы, нефть и уголь). Дегазация Земли и возникновение угля и нефти из газа (механохимический (тектонический) синтез). Возникновение метана при диагенезе, катагенезе и метаморфизме органических веществ.
Таблица. Прогноз динамики структуры добычи угля, нефти и газа Всего добыча угля, млн.т.н.э Справочно: Всего добыча природного газа, млрд м Всего добыча нефти, млн т.н.э
Уголь дешев, и его запасов хватит надолго, даже когда запасы нефти и природного газа будут истощены. Вследствие дешевизны и изобилия каменного угля его использование в США и других странах бурно растет и, по прогнозам, будет расти и дальше, особенно в регионах, богатых этим ископаемым топливом. Ожидается, что в период с 2003 по 2030 гг. в США будут построены угольные электростанции суммарной мощностью 280,5 ГВт. Между тем Китай строит в среднем по одной большой электростанции каждую неделю. За время эксплуатации, составляющее около 60 лет, новые угольные электростанции, которые будут работать в 2030 г., выбросят в атмосферу столько же CO 2, сколько было выделено при сжигании угля с начала промышленной революции.
ВНЕЗАПНЫЕ ВЫБРОСЫ МЕТАНА В ШАХТАХ Катастрофы в угольных шахтах потрясают мир. Это приводит к страшной статистике добыча каждого миллиона тонн угля приводит к человеческой жертве. В большинстве случаев они связаны со взрывами метана. Украинские, китайские и российские шахты считаются наиболее опасными. Конкурентоспособность угля, «вторая угольная волна» в России, перспективы угля как альтернативного энерготехнологического источника в настоящее время и в будущем неотделимы от безопасности и высоко-технологичности его добычи. Природа «заготовила» несметные угольные богатства. Как правило, угольные месторождения являются угольно- газовыми или даже газо-угольными. Безопасное и комплексное их использование крупнейшая научная проблема.
В этой лекции речь пойдет о двух важных для человечества источниках энергии: ископаемом угле и горючем газе метане. Именно благодаря таким энергогенным веществам возможно существование нашей цивилизации на нынешнем ее уровне. Два ценнейших вещества: уголь и метан родились одновременно в земной коре и сейчас существуют нераздельно. Это обстоятельство мешает их использованию. Метанонасыщенные угольные пласты делают добычу угля опасной, сложной и дорогой. Но прежде, чем начать говорить о проблемах добычи и переработки углей надо знать: как они образовались. А для этого необходимо сначала выяснить вопрос о происхождении Вселенной, элементов, Солнца, солнечной системы, Земли и влияние места нахождения Земли в солнечной системе на образование метано-угольных месторождений на земле.
Физики описали более простой тип квантово-механического вакуума, который представляет собой море так называемых «виртуальных частиц», фрагментов атомов, которые «почти существуют». Время от времени некоторые из этих субатомных частиц переходят из вакуума в мир материальной реальности. Это явление получило название вакуумных флуктуаций. Вакуумные флуктуации невозможно наблюдать непосредственно, однако теории, постулирующие их существование, были подтверждены экспериментально. Согласно этим теориям, частицы и античастицы без всякой причины возникают из вакуума и практически сразу исчезают, аннигилируя друг друга. Гут и его коллеги допустили, что в какой-то момент вместо крошечной частицы из вакуума появилась целая Вселенная, и вместо того, чтобы сразу исчезнуть, эта Вселенная каким-то образом просуществовала миллиарды лет. Авторы этой модели решили проблему сингулярности, постулировав, что состояние, в котором Вселенная появляется из вакуума, несколько отличается от состояния сингулярности.
Краткая история Вселенной Это изображение описывает развитие Вселенной со времени Большого взрыва, до "наших" дней. От появления элементарных частиц и атомов, до современных галактик и планет.
Краткая история развития Вселенной ВремяТемператураСостояние Вселенной секБолее KИнфляционное расширение секБолее KПоявление кварков и электронов cек10 12 KОбразование протонов и нейтронов сек - 3 мин K Возникновение ядер дейтерия, гелия и лития 400 тыс. лет4000 КОбразование атомов 15 млн. лет300 KПродолжение расширения газового облака 1 млрд. лет20 KЗарождение первых звезд и галактик 3 млрд. лет10 K Образование тяжелых ядер при взрывах звезд млрд. лет3 KПоявление планет и разумной жизни лет10 -2 KПрекращение процесса рождения звезд лет KИстощение энергии всех звезд лет-20 K Испарение черных дыр и рождение элементарных частиц лет KЗавершение испарения всех черных дыр
Рис. Превращение красного гиганта в нейтронную звезду
Рис. Циклический процесс эволюции звёзд. Вслед за начальным сжатием оболочки звезды происходит её расширение – образование красных гигантов, в которых происходит последовательное сгорание лёгких элементов и превращение их в массивную многослойную звезду с железным ядром, которая может взорваться как сверхновая или превратиться в белого карлика. Сверхновая превращается в нейтронную звезду или пополняет веществом межзвёздное пространство. Космические лучи – часть этого вещества.
СТРОЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Планеты и законы их обращения Элементы планетной орбиты: АП - большая полуось орбиты, ось апсид; П - перегилий; А - афелий; r - радиус-вектор а =. Cреднее гелиоцентрическое расстояние Земли от Солнца равно 149,6 млн. км. Эта величина называется астрономической единицей и принимается за единицу измерений расстояний в пределах Солнечной системы.
Планета Радиус орбиты, 10 9 м Масса, г Плотност ь, г/см 3 Экваториальн ый радиус, 10 6 м Период вращения, земные сут или ч Наклон экватора к орбите, градусы Период обращения, земные сут Меркурий57,90,3305,432,43958,65 сут ,96935 Венера108,24,8705,256, ,022 ( 006) сут 177,3224,7 Земля149,65,9765,526,37823,9345 ч23,45365,26 Марс227,90,6423,953,39324,6299 ч23,98686,98 Юпитер778,319006, ,841 ч3, Сатурн1427,0568,85,8560,3310,233 ч26, Уран2869,686,875,5526,2017,24 ч97, Нептун4496,6102,05,6025,23 (18,2 0,4) ч (29,56)60189 Плутон5900,1(0,013)(0,9)(1,5)6,387 сут(118,5)90465 Орбитальные параметры планет Солнечной системы
Солнце. Основные характеристики Солнце относится к классу небольших звезд, достаточно далеко проэволюционировавших в своем развитии. Возникло оно около 5 млрд. лет назад и в настоящее время имеет массу 2,10 33 г, радиус км, среднюю плотность вещества 1,41 г/см 3, ускорение силы тяжести на поверхности м/с 2. Видимый бело-желтый диск Солнца - это его фотосфера, представляющая горячую плазменную атмосферу звезды с температурой поверхности 6000 К (напомним, что К - термодинамическая температура Кельвина. Нормальная температура 0°С = 273 К. Величина -273,16 К называется абсолютным нулем температуры). В Солнце сосредоточено более 99% всей массы Солнечной системы. Угловая скорость вращения Солнца, наблюдаемая по фотосфере, убывает по мере удаления от экватора. Период вращения на экваторе равен 25 сут, вблизи полюсов - 30 сут. Линейная скорость вращения на экваторе близка 2 км/с, т. е. много медленнее скорости вращения Земли и других планет, но оно происходит в том же направлении. Все это подтверждает предположение, что мы наблюдаем вращение плазменной атмосферы и что внутреннее твердое тело звезды может вращаться с иной скоростью. Напомним, что плазмой называется газ, значительная часть атомов которого находится в ионизированном состоянии. Солнце является мощным источником тепловой, электромагнитной и гравитационной энергии. Эта энергия равномерно рассеивается в космическое пространство, и на долю Земли и планет приходится лишь малая ее часть. В оптическом диапазоне спектра Земля, например, получает 1,96 кал/см 2 мин, или 1, Вт/м 2. Эта величина называется солнечной постоянной. Она варьирует в зависимости от гелиоцентрического расстояния и сильно меняется от планеты к планете.
Спектр излучения Солнца лежит в широком диапазоне частот и длин волн (рис. II.5) - от радиоизлучения (метровые волны) до гамма-излучения (длина волны менее м). Как видно из рисунка, максимум энергии излучения приходится на оптическую и инфракрасную части спектра. Крайнюю левую часть спектра занимают волны жесткого ультрафиолетового и рентгеновского излучения, крайнюю правую - радиоизлучения. Рис. Спектр излучения Солнца Поскольку интенсивность излучения зависит только от изменения температуры с глубиной, то по наблюдениям интенсивности выходящего от звезды излучения можно составить представление о температуре в ее недрах. Максимальная температура Солнца 6150 К наблюдается в зеленой части спектра ( = 5000 А). Напомним, что 1 Ангстрем = м. В красном ( = А) и фиолетовом ( = А) частях спектра температура близка 5800 К. В ультрафиолетовом диапазоне ( = 1000 А) температура уменьшается до 4500 К, а в радиодиапазоне на = 1 м возрастает до 10 6 К.
Рис. Внутреннее строение Солнца Атмосфера Солнца состоит из трех главных уровней - фотосферы, хромосферы и короны (рис. ). На каждом из этих уровней идут различные физические процессы. Фотосфера представляет собой нижний, наиболее активный светопроводящий слой атмосферы. Это граница прозрачности звездного вещества, воспринимаемого нами в виде бело-желтого диска Солнца.
Рисунок 1 и 2. Темпы охлаждения поверхности Земли копируют график темпа уменьшения радиоактивных веществ в коре планеты. Если сейчас общее количество радиоактивных изотопов в составе коры Земли составляет 0,0015 % (по сравнению с массой стабильных элементов), то в момент образования Земли (6 миллиардов лет назад) порода коры Земли состояла на 90 % из радиоактивных изотопов. Если теперь основную роль в генерации тепла играют радиоактивные уран, торий, калий, то 5 миллиардов лет назад состав Земли был насыщен изотопами с периодом полураспада лет и более. Темпы изменения температуры поверхности Земли показаны на рисунке - 1. Темпы охлаждения планеты повторяют кривую темпа уменьшения концентрации радиоактивных элементов в коре Земли. Смотрите рисунок - 2.
Рисунок. Планета Земля с раскалённой поверхностью 5 миллиардов лет назад.
Рисунок. Застывшая вулканическая лава, которая покрывала всю поверхность континентов Земли 4 миллиарда лет назад.
Безжизненная горячая Земля. Стадия длилась начиная от возникновения планеты в течение 1500 миллионов лет до начала архейского эона. Вся поверхность Земли была залита вулканической лавой, так как 4 миллиарда лет назад действовали сотни тысяч вулканов одновременно. Смотрите рисунок. Если рассматривать физические условия, существовавшие на поверхности Земли 3,5 – 5 миллиардов лет назад, то можно убедиться, что в то время жизнь на нашей планете была невозможна. Поверхность континентов имела температуру более 100 ° С, а воды мирового океана были нагреты до ° С, то есть почти до температуры кипения. Естественно, что при таких температурах жизнь на континентах и в океанах была невозможна. Поверхность Земли имела температуру 500 ° С. Не существовало морей и океанов, так как при такой температуре вода в огромном количестве испарялась в атмосферу. Земле нужно было остыть коре Земли до температуры ниже 100 ° С для образования океанов. Это и произошло 3,5 миллиардов лет назад. Лишь после этого в морях возникли первые водоросли и примитивные животные.
В настоящее время толщина коры Земли составляет 60 километров, а радиус земного шара – 6400 километров. Лёгкие элементы таблицы Менделеева почти не имеют радиоактивных элементов, и из них состоит мантия и ядро Земли, то есть 94,6 % объёма Земли. Тяжёлые элементы таблицы Менделеева находятся исключительно внутри коры Земли. Около 97 % тепловой энергии, выделяемой корой Земли, направляется к центру Земли. Теплота лучше распространяется по плотной материи недр, нежели по пористой и не спрессованной породе верхних слоёв коры Земли, которые играют роль теплоизолятора для планеты. Сейчас температура в центре Земли 5000 ° С. Сейчас поверхность Земли в среднем нагрета на 14,8 ° С (другие учёные называют цифру 14,3 ° С). По расчётам геофизиков 6 миллиардов лет назад температура в центральных районах (только что «родившейся») Земли приблизительно равнялась °, а температура на её поверхности бала равна 3000 ° С. Благодаря высокой температуре на поверхности Земли в прошлом образовалось кремний - металлическая атмосфера, внутри которой около 6 миллиардов лет назад «родилась» Луна. Через 3 миллиарда лет все радиоактивные элементы коры Земли трансформируются в стабильные элементы, а следовательно, полностью прекратится выделение тепла корой Земли. Поэтому через 3 миллиарда лет поверхность Земли охладится до нуля градусов по Кельвину (минус 273 градусов по Цельсию).
. Рисунок. Эволюционное уменьшение объема планеты вследствие коллапса тектонических платформ к центру планеты.
Рисунок. Вид вулканического извержения ночью.
Планета Земля образовалась из космической пыли 5000 – 7000 миллионов лет назад. Растительно-животный мир на планете Земля возник 3,5 миллиардов лет назад из органических веществ, появившихся на поверхности Земли из-за вулканической деятельности. На протяжении 3400 миллионов лет успешно прогрессировал в количественном и качественном отношении. Биомасса Земли (суммарная масса всех растений и животных) сначала возрастала на протяжении 3400 миллионов. Но вот на протяжении последних 100 миллионов лет биомасса Земли быстро снижается.
Биомасса – это общая масса всех видов живого (растений и животных) на Земле в определенный момент времени. На нашей планете биомасса состоит из трех главных видов: растения или флора (99,75% массы биосферы), животные или фауна (0,25%) и микроорганизмы (10 –6 %). Рисунок отражает этапы изменения массы биосферы.. Рисунок. Изменение растительной и животной биомассы Земли на протяжении 5 миллиардов лет существования планеты
ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ Основные характеристики планеты Длительное существование воды и жизни на поверхности Земли стало возможным благодаря трем основным характеристикам - ее массе, гелиоцентрическому расстоянию и быстрому вращению вокруг своей оси. Именно эти планетарные характеристики определили единственно возможный путь эволюции живого и неживого вещества Земли в условиях Солнечной системы, итоги которого запечатлены в неповторимом облике планеты. Эти три важнейшие характеристики у других восьми планет Солнечной системы существенно отличаются от земных, что и явилось причиной наблюдаемых различий в их строении и путях эволюции. Масса современной Земли равна 5, г. В прошлом вследствие непрерывно протекающих процессов диссипации летучих элементов и тепла она, несомненно, была больше. Масса планеты играет определяющую роль в эволюции протовещества. Шарообразная форма Земли свидетельствует о преобладании гравитационной организации вещества в теле планеты. С ростом глубины растут давление и температура. Вещество переходит в расплавленное и даже ионизованное состояние, благодаря чему возрастает его химический потенциал. Тем самым создаются предпосылки для длительной термической и, следовательно, геологической активности планеты. Средний радиус гелиоцентрической орбиты Земли (расстояние от Солнца) равен 149,6 млн. км. Эта величина принята в качестве астрономической единицы. Почему мы выделяем этот параметр среди множества других? Дело в том, что на этом расстоянии количество солнечного тепла, достигающего поверхности Земли, таково, что выносимая из недр вода имеет возможность длительное время сохраняться в жидкой фазе, формируя обширные океанические и морские бассейны. Уже на орбите Венеры, расположенной на 50 млн. км ближе к Солнцу, и на орбите Марса, расположенного на 70 млн. км дальше от Солнца, чем Земля, таких условий нет. На Венере из-за избытка солнечного тепла вода испаряется и может существовать только в атмосфере планеты, на Марсе из-за недостатка тепла пребывает в замерзшем состоянии под грунтом планеты (возможно, в форме мерзлоты).
И наконец, вращение Земли: полный оборот вокруг своей оси относительно Солнца планета делает за 24 часа, или за с; относительно звезд - за с. Благодаря столь быстрому вращению возникли динамические условия, необходимые для образования земного магнитного поля. Без магнитного экрана развитие современных форм жизни при прочих благоприятных условиях было бы невозможно. Поток солнечных частиц высоких энергий беспрепятственно достигал бы земной поверхности, неся гибель живому веществу. Жизнь в этих условиях могла бы зародиться и существовать лишь под водой или глубоко в грунте. Суша являла бы собой мертвые пустыни, лишенные растительности и каких-либо живых существ. Суточное вращение Земли обеспечивает также попеременное нагревание и охлаждение ее поверхности. Это способствует развитию водной и воздушной циркуляции, ускорению динамики всех процессов жизнедеятельности биосферы, преобразованию вещества земной коры. Наклон оси вращения к плоскости орбиты (23°27 ) приводит к периодическому (сезонному) изменению количества солнечного тепла, получаемого различными участками земной поверхности при движении планеты по гелиоцентрической орбите. Полное обращение вокруг Солнца Земля делает за 365,2564 звездных суток (сидерический год), или 365,2422 солнечных суток (тропический год). Площадь поверхности Земли равна 510 млн. км 2, средний радиус сферы км.
СлойГлубина, кмСкорость волн, км/сQ PS A0-336,753,8450 B ,06-9,644,560 C ,47, D ,607, E ,50-10, F , G ,283,6400 Выделение главнейших границ в теле Земли по характеру изменения скоростей распространения упругих волн позволило К. Буллену (1956), а затем Б. Гутенбергу (1963) построить реальную модель внутреннего строения планеты (см.рис.). Ниже приведена таблица основных границ и скоростей распространения волн внутри Земли, а также фактора Q, характеризующего затухание волн внутри сферических оболочек. Таблица Положение границ, скорости распространения и затухания сейсмических волн внутри Земли Установление оболочечного строения Земли принадлежит к выдающимся достижениям классической сейсмологии. Эти данные легли в основу определения законов изменения плотности, давления и ускорения силы тяжести внутри планеты, а вместе с ними позволили подойти к решению фундаментальной проблемы естествознания - установлению состава и природы оболочек Земли.
Земная кора Положение, химический состав, термический режим Верхняя твердая геосфера именуется земной корой. Это понятие связано с именем югославского геофизика А.Мохоровичича, который установил, что в верхней толще Земли сейсмические волны распространяются медленнее, нежели на больших глубинах. Впоследствии этот верхний низкоскоростной слой был назван земной корой, а граница, отделяющая земную кору от мантии Земли, - границей Мохоровичича, или, сокращенно, - Моха. Мощность земной коры изменчива. Под водами океанов она не превышает км, а на континентах составляет км, (что составляет не более 1% земного радиуса), редко увеличиваясь в горных районах до 75 км. Средняя мощность коры принимается равной 33 км, средняя масса г. По геологическим и геохимическим данным до глубины 16 км подсчитан усредненный химический состав пород земной коры [1]. Эти данные постоянно уточняются и на сегодня выглядят следующим образом: кислород - 47%, кремний - 27,5, алюминий - 8,6, железо - 5, кальций, натрий, магний и калий - 10,5, на все остальные элементы приходится около 1,5%, в том числе на титан - 0,6%, углерод - 0,1, медь - 0,01, свинец - 0,0016, золото - 0, %. Очевидно, что первые восемь элементов составляют почти 99% земной коры и только 1% падает на остальные (более сотни!) элементы таблицы Д.И. Менделеева. Вопрос о составе более глубоких зон Земли остается спорным. Плотность пород, слагающих земную кору, с глубиной возрастает. Средняя плотность пород в верхних горизонтах коры 2,6-2,7 г/см 3, ускорение силы тяжести на ее поверхности 982 см/с 2. Зная распределение плотности и ускорения силы тяжести, можно рассчитать давление для любой точки радиуса Земли. На глубине 50 км, т.е. примерно у подошвы земной коры, давление составляет атм. [1]
Температурный режим в пределах земной коры довольно своеобразен. На некоторую глубину в недра проникает тепловая энергия Солнца. Суточные колебания температуры наблюдаются на глубинах от нескольких сантиметров до 1-2 м. Годовые колебания в умеренных широтах достигают глубины м. На этих глубинах залегает слой пород с постоянной температурой - изотермический горизонт. Его температура равна средней годовой температуре воздуха в данном регионе. В полярных и экваториальных широтах, где амплитуда колебания годовых температур мала, изотермический горизонт залегает близко к земной поверхности. Верхний слой земной коры, в котором температура меняется по сезонам года, называется активным. В Москве, например, активный слой достигает глубины 20 м. Ниже изотермического горизонта температура повышается. Повышение температуры с глубиной ниже изотермического горизонта обусловлено внутренним теплом Земли. В среднем прибавка температуры на 1С осуществляется при заглублении в земную кору на 33 м. Эта величина называется геотермической ступенью. Геотермическая ступень в разных регионах Земли различна: полагают, что в зонах вулканизма она может быть около 5 м, а в спокойных платформенных областях - возрастать до 100 м. Вместе с верхним твердым слоем мантии земная кора объединяется понятием литосфера, совокупность же коры и верхней мантии принято именовать тектоносферой. Величина, обратная геотермической ступени, называется геотермическим градиентом, т.е. градиент - это число градусов, на которое увеличивается температура на каждые 100 м глубины.
Рис.. Строение земной коры: а - строение земной коры по К.Буллену; б - строение земной коры в разных геологических районах и положение отдельных сверхглубоких скважин (СГ-3 - Кольская, М - Мурунтаусская, У- Уральская, К - Кубанская, Б-Р - Берта-Роджерс, I - скважины судна Гломар Челленджер, II - глубокие скважины на шельфе); 1 - гидросфера, 2 - осадочный слой океанов, 3 - осадочный слой континентов, 4 - складчатые области фанерозоя, 5 - вулканогенные образования, 6 - кристаллические породы докембрия, 7 - базальтовый слой континентов, 8 - базальтовый слой океанов, 9 - верхняя мантия, 10 - глубинные разломы
Как уже говорилось, в экзогенных процессах важную роль играет биосфера. В хлорофилле зеленых растений, в том числе и водорослей, путем фотосинтеза и при участии углекислого газа и воды образуются углеводы и свободный кислород. Кислород поступает в атмосферу и обеспечивает жизнь в Мировом океане. Продукты же жизнедеятельности организмов образуют такие органогенные образования, как торф, сапропель, бурый уголь в континентальных водоемах и органогенные илы на дне морей и океанов. По мере того как мощность осадочной толщи возрастает, нижние ее слои уплотняются и осадок литифицируется - превращается в осадочную горную породу. Совокупность процессов образования осадков и преобразования их в осадочные горные породы называется литогенезом. Осадочные горные породы залегают слоями. Слой - это геологическое тело, ограниченное примерно параллельными плоскостями, верхняя из которых именуется кровлей, нижняя - подошвой. Следовательно, мощность слоя на всем его протяжении примерно одинакова. Протяженность слоя всегда много больше его мощности.
Эндогенные процессы, охватывающие тектоносферу, часто именуются тектоническими. Тектонические процессы связаны с внутренней активностью Земли. Их движущей силой является огненно-жидкий расплав - магма. Этот поток материи и тепла, периодически устремляющийся к поверхности из недр планеты, обеспечивает геологический процесс, называемый магматизмом. В результате застывания магмы на глубине (интрузивный магматизм) возникают интрузивные тела - батолиты, штоки, пластовые интрузии, дайки и т.д. Застывшая на поверхности Земли магма образует лавовые потоки и покровы. Это эффузивный тип магматизма. Современный эффузивный магматизм именуют вулканизмом (рис. ).
Подъем и опускание земной коры обусловлены проявлением тектонических движений. На разных временных отрезках развития Земли направленность этих движений может быть различной, но результирующая их составляющая направлена либо вниз, либо вверх. Движения, направленные вниз и ведущие к опусканию земной коры, именуются нисходящими, или отрицательными; движения, направленные вверх и ведущие к подъему, - восходящими, или положительными. Совокупность тектонических движений и процессов, под воздействием которых формируется структура земной коры, именуется тектогенезом. В результате тектогенеза одни территории воздымаются, другие - опускаются. Воздымание земной коры влечет за собой перемещение береговой линии в сторону суши - трансгрессию, или наступление моря. При опускании, когда море отступает, говорят о его регрессии. В результате тектогенеза поверхность Земли может пересекать нулевой уровень, т.е. морские условия могут сменяться континентальными и наоборот.
Континентальная кора развита под континентами и, как уже говорилось, имеет разную мощность. В пределах платформенных областей, соответствующих континентальным равнинам, это км, в молодых горных сооружениях км. Максимальная мощность земной коры км - установлена под Гималаями и Андами. В континентальной коре выделяются две толщи: верхняя - осадочная и нижняя - консолидированная кора. В консолидированной коре присутствуют два разноскоростных слоя: верхний гранито-метаморфический [1], сложенный гранитами и гнейсами, и нижний гранулитово-базитовый [2], сложенный высокометаморфизированными основными породами типа габбро или ультраосновными магматическими породами. Гранито- метаморфический слой изучен по кернам сверхглубоких скважин; гранулитово-базитовый - по геофизическим данным и результатам драгирования, что все еще делает его существование гипотетическим. [1] [2]
Океанская кора характерна для Мирового океана. Она отличается от континентальной по мощности и составу. Мощность ее колеблется от 5 до 12 км, составляя в среднем 6-7 км. Сверху вниз в океанской коре выделяются три слоя: верхний слой рыхлых морских осадочных пород до 1 км мощностью; средний, представленный переслаиванием базальтов, карбонатных и кремнистых пород, мощностью 1-3 км; нижний, сложенный основными породами типа габбро, часто измененными метаморфизмом до амфиболитов, и ультраосновными амфиболитами, мощность 3,5-5 км. Первые два слоя пройдены буровыми скважинами, третий охарактеризован материалом драгирования. Субокеанская кора развита под глубоководными котловинами окраинных и внутренних морей (Черное, Средиземное, Охотское и др.), а также обнаружена в некоторых глубоких впадинах на суше (центральная часть Прикаспийской впадины). Мощность субокеанской коры км, причем увеличена она преимущественно за счет осадочного слоя, залегающего непосредственно на нижнем слое океанской коры.
Дегазация Земли
« Даже при минимальных масштабах УВ-дегазации ( г/год) всего лишь за 500 млн лет к поверхности Земли было вынесено 2, г УВ. Сопоставление этих цифр с прогнозными запасами нефти ( г), газов в залежах ( г), нефтяных битумов ( г), горючих сланцев ( г) свидетельствует о том, что нефтегазона- копление - всего лишь мелкий побочный процесс на фоне гораздо более масштабного (во многие тысячи раз) процесса глубинной УВ-дегазации Земли, при котором через разрез стратисферы проходят гигантские количества УВ на пути в гидросферу и атмосферу». (© Б.М.Валнев, 1997). В настоящее время проявления углеводородных глубинных газов вблизи поверхности Земли зафиксированы во многих районах мира. Отметим лишь одно проявление, важное в практическом отношении. Нефтяники заговорили о возобновляемости запасов нефтяных месторождений. Оказалось, что ряд крупных месторождений России и зарубежных стран (Татарстан, Северный Кавказ, Западная Сибирь, Мексика, Вьетнам) после извлечения из них превышающих в разы расчетных запасов, продолжают давать нефть. При этом установлено, что после, казалось бы, полной выработанности месторождений, когда дебиты скважин упали в десятки раз, и шла вода, а не нефть, после некоторого периода «отдыха» (месторождения не разрабатывались) высокообводненные скважины вновь начали давать безводную нефть. Восполнение запасов нефти долгие годы эксплуатируемых и выработанных месторождений происходит за счет подтока из глубинных сфер планеты углеводородных флюидов. Изменение нефтенасыщенности недр и движение флюидов по глубинным разломам подтверждено повторными сейсмическими работами.
Процессы дегазации Земли, некоторые ее аспекты, интересуют в связи с последними масштабными взрывами в Кузбассе, унесшими многие человеческие жизни. При планируемом увеличении добычи угля в ближайшие 8 лет на 100 млн. т в год (при добыче в 2006г. 174,3 млн. т), проблема обеспечения безопасности шахтеров является сверхактуальной для угольной промышленности. «Фактору геологической среды», в Кузбассе не отдавалось должного внимания. Если проанализировать все озвученные причины трагедий можно заметить, что все они связаны с так называемым «человеческим фактором». Получается, что всегда виноват человек - работник шахты, который что-то не доделал, что-то сделал неправильно, что-то нарушил. Это может быть действительно так, но при добыче, без всякого сомнения, имеет место и независимый от человека природный фактор. Его просто не может не быть, поскольку каждая угледобывающая шахта построена и действует в «своей геологической среде». Все параметры и свойства геологической среды: структура, особенности глубинного строения, разломы разных рангов, неотектоника, физико- механические характеристики пород, современная геодинамика, флюидный, тепловой и гидрогеологические режимы недр, кинетика горных масс, сейсмичность, гравитационное воздействие Луны и Солнца в той или иной мере могут влиять и влияют на безопасность угледобычи, и все вместе, определяют «природную геологическую составляющую безопасности угледобычи» - «природный фактор безопасности». Какая связь между дегазацией Земли и взрывами метана в шахтах? Полагаем, что именно дегазация, мощный поток мантийного флюида углеводородной ветви, мигрируя из недр планеты к ее поверхности, проходя через осадочную толщу бассейна, сбрасывает в зоне разгрузки, где размещены шахты, большие объемы свободного метана, который попадая в шахтную атмосферу, одномоментно дезорганизует работу вентиляции и неизбежно создает ситуацию типичную для внезапного выброса газа. Такова оценка роли потока глубинного метана во внезапных объемных выбросах метана в шахтах.
Возникновение органических веществ на Земле
Возникновение первичных органических веществ на Земле мантийная гипотеза
Возникновение первичных органических веществ на Земле механохимическая (тектоническая) гипотеза
Из термодинамических данных следует, что в любом случае: хоть в результате органического происхождения углей, хоть из-за дегазации Земли, прежде всего образуются самые устойчивые соединения: это графитоподобные соединения угля и метан, который в первую очередь сорбируется в нем, то есть образуются метаноугольные месторождения.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕЙ ГИПОТЕЗА ОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Наука о генезисе твердых горючих ископаемых на основании многочисленных фактов (обнаружение в угольных пластах отпечатков листьев, коры, стволов деревьев, спор и т. д., использование изотопного метода анализа) неоспоримо доказала и обосновала теорию об их органическом происхождении. Вместе с. тем сложность природных процессов углеобразования и влияние на эти процессы таких факторов, как климат, условия среды отложения, температура, давление, время и др., привели к выделению химических, микробиологических и геологических аспектов теории генезиса. До сих пор нет единого мнения о том, какие компоненты органических веществ являются исходным материалом при образовании различных углей, нет единой схемы и его генетических преобразований. Предполагают, что общая схема имеет вид: Исходный Органический ---Торф ---Бурый уголь ---Каменный -- Антрацит --- Графит Материал уголь уголь
СТРОЕНИЕ УГЛЕЙ
НАИБОЛЬШУЮ ЕМКОСТЬ ПО МЕТАНУ ИМЕЕТ АНТРАЦИТ
а б в Рис. Интеркалированный метан в графитоподобных структурах угля: а – исходная структура; б-в – в процессе нанесения удара
выводы 1. Существуют два механизма образования углеводородов – это мантийное (за счет дегазации Земли) и осадочное (за счет седиментации живой органики). 2. Как тот, так и другой механизм приводит к метановой насыщенности углей. 3. Основной механизм появления углеводородов – это их механохимический (тектонический) синтез из воды и двуокиси углерода, а также механохимическое (тектоническое) превращение метана в углеводороды (в том числе в нефть и уголь). 4. Уголь, образованный таким образом, является метано-насыщенным, где молекулы метана хемосорбированы (интеркалированы) в межплоскостном пространстве графитоподобной части углей, поэтому не являюся газом и не создают внутрикристаллическое давление. 5. Дефектообразование углей приводит к преобразованию метана из хемосорбированниго состояния к газообразному, что создает громадные внутрикристаллические давления в угле и как следствие к взрыву. Этим эффектом объясняются внезапные катастрофы на шахтах при добычи угля.