6. походження твердих горючих копалин

Вугільні пласти, вугілля взагалі, утворилося зі скупчень рослинного матеріалу завдяки поєднанню первинних необхідних умов і змін в процесі біохімічних і хімічних перетворень до стану органічної породи (власне вугілля).

Походження вугілля і нафти тісно пов’язане з геохімією вуглецю. Утворення

вугілля є результатом неповної оборотності життєвого циклу, неповного повернення вуглекислоти в атмосферу, перетворення вуглецю в біогенні мінерали: вугілля, нафти й менш цікаві для нас карбонати, карбосилікати й т.д.

Причини цього видалення вуглецю із циклу можуть бути пояснені особливими

умовами розпаду живих організмів і збереження продуктів розпаду, що приводить до нагромадження вуглецевого матеріалу в надрах землі.

6.1. Вихідний матеріал й умови утворення твердих горючих копалин

У рослинах відбувається утворення багатьох природних вищих молекулярних сполук. У них здійснюється безперервний біохімічний синтез вищих полісахаридів (це- люлози) і лігніну. Каталізаторами, які збільшують у сотні тисяч і мільйони разів швид- кість реакцій синтезу вищих молекулярних сполук у рослинах, служать ферменти (або ензими) – речовини білкової природи. Якщо рослини являють собою складний ком- плекс органічних сполук, основою якого є високомолекулярні вуглеводи, то в основі тваринного світу також лежать вищі молекулярні сполуки – білки.

Ліпіди (бітумоутворювачі). До ліпідів відносять жири, воски, смоли й бальзами, а також (до деякої міри умовно) – спорополеніни, кутин, суберин і фосфатиди. Більша частина ліпідів перебуває переважно усередині клітин організму.

Жири й жирні мастила – це естери триатомного спирту гліцерину СН2ОН–

СНОН – СН2ОН і різноманітні жирні кислоти. Серед них можуть бути як граничні ки- слоти, наприклад пальмітинова С15Н31СООН і стеаринова С17Н35СООН, так і негранич- ні кислоти з одним подвійним зв’язком, наприклад олеїнова С17Н33СООН, а також з по- трійним зв’язком, наприклад тариринова кислота С17Н31СООН.

У рослинному й тваринному світі налічується близько 1300 видів жирів, але елементний склад їх відносно мало коливається й дорівнює в середньому, \%:

С – 76-79 ,

Н – 11-13 ,

О – 10-12 .

Шляхом гідролізу (омилення) жири легко розщеплюються на гліцерин і жирні

кислоти, причому різні кислоти виявляють неоднакову стійкість до дії високих темпе- ратур і мікроорганізмів. Так, граничні жирні кислоти досить стійкі не тільки при зви- чайних температурах, але й при нагріванні навіть до 400°С вони важко втрачають свою карбоксильну групу й не розкладаються. Досить стійкими є й неграничні жирні кис- лоти з одним подвійним зв’язком (типу олеїнової). Неграничні кислоти із двома й бі- льшим числом подвійних зв’язків менш стійкі. Вони легко окиснюються й полімери-

зуються, а при нагріванні до 300 °С розпадаються з розривом вуглецевого ланцюга й

утворенням суміші насичених і ненасичених вуглеводнів жирного ряду.

Для хімічної характеристики жирів й інших ліпідів визначаються температура

плавлення й числа – йодне, омилення й кислотності.

Віск, кутин, суберин. Воски – складні ефіри (естери) одноосновних жирних ки- слот і вищих одноатомних спиртів, наприклад, монтановий віск – це ефір монтанової кислоти  С27Н55СООН  і  церилового  спирту  С26Н53СООН.  Сьогодні  відомо  близько

300 видів твердих і рідких восків. Вони належать до дуже стійких складових частин рослин, хоча, як і жири, здатні піддаватися гідролізу. Біологічне призначення восків – вкривати найтоншим шаром стебла, листя, оболонки плодів наземних рослин, захи- щаючи їх від зовнішніх впливів. У нижчих рослин воски зосереджені в оболонках клі- тин. У порівнянні з жирами воски більш багаті вуглецем (80-82\%) і воднем (13-14\%) і, отже, містять менше кисню (4-7\%). Дуже близько до восків стоїть кутин, який просо- чує зовнішній шар епідермісу листя і молодих бруньок, утворюючи кутикули, а також суберин – речовина коркової тканини в корі деяких рослин. З хімічної точки зору ку- тин є різновидом восків, але утворений жирними кислотами з більш низькою молеку- лярною масою. Міститься він у рослинах у невеликій кількості (до 3,5\%), головним чином у листі, шкірочці плодів і корових частин. Кутин і суберин дуже стійкі до дії гідролізуючих агентів і мікроорганізмів. Ще більшою стійкістю щодо дії кисню, бакте- рій, мінеральних кислот, розчинів лугів і нагрівання (до температури близько 200 °С) наділені близькі до восків, кутину й суберину високомолекулярні речовини – споро- нін і поленін, які утворюють оболонки спор та пилку.

До групи ліпідів входять також жироподібні розчинні в спирті речовини – фо- сфатиди. Вони, крім вуглецю, водню, кисню, містять також фосфор, азот, іноді сірку. Розглядаються як похідні фосфорної кислоти, пов’язаної з гідроксильними групами багатоатомних спиртів. Зосереджуються фосфатиди переважно в насінні і пилку.

Смоли й бальзами. Смоли мають подібність із восками, оскільки до їх складу

входять естери. Але воски належать до числа аліфатичних сполук, а смоли в основному складаються зі сполук циклічних, частина яких має ароматичний характер.

У складі смол розрізняють наступні групи сполук: смоляні кислоти, одно- або бага- тоатомні спирти (резиноли), ефіри смоляних кислот і резинолів або одноатомних фенолів (таннолів), інертні вуглеводні (резени). Нерідко в рослинних смолах присутні також речо- вини вуглеводного характеру – камеді. Подібні смоли називаються смолокамедями.

Елементний склад смол (\%): С – 79, Н – 10, О – 11.

Рослинні смоли хімічно більш стійкі, ніж жири і воски, але деякі з них здатні гідролізуватися, утворюючи ароматичні кислоти (бензойну, коричну) і спирти, напри- клад, бензиловий. Частина смол може окиснюватися, полімеризуватися й здобувати при цьому ще більшу стійкість.

Смоли – це секреторні виділення вищих (головним чином хвойних) рослин. Їх при- значення полягає в тому, щоб служити пластиром у випадку поранення рослин, причому смоли виділяються у вигляді бальзамів, тобто в суміші з ефірними маслами. При витіканні бальзаму з пораненого дерева легколеткі ефірні масла випаровуються, а на рослинах нако- пичуються напливи смол – майбутні конкреції смол у викопному вугіллі.

Вуглеводи. Поширена в природі група багатоатомних спиртів (цукрів, целюло-

зи, крохмалю тощо). У вищих рослинах вуглеводів міститься більше, ніж інших речо-

вин. Деревина, наприклад, містить понад 50\% найбільш складних вуглеводів, до яких належить целюлоза. Водночас у деревині містяться прості вуглеводи, пектинові речо- вини й геміцелюлози.

Прості вуглеводи. До цієї групи вуглеводів належать розчинні в холодній воді найпростіші моносахариди – гексози С6Н12О6 і пентози С5Н10О6. Пентози поширені в рослинах, входять до складу речовини клітин.

Пектинові речовини здатні розчинятися в гарячій воді до 100°С. Вони містяться як у багатоклітинних, так і в нижчих рослинах, а також в альгах (водоростях Phaeophyta). У хімічному відношенні пектинові речовини – високомолекулярні ангід- риди пентоз і гексоз. Вони досить стійкі до дії бактерій, але піддаються гідролітично- му розщепленню в природних умовах під впливом ферментів, у результаті чого утво- рюються пентозани (С5Н8О4)n і гексозани (С6Н10О)n.

Геміцелюлози є супутниками целюлози в стінках рослинних клітин, в деяких рослинах складають переважну частину вуглеводів. Геміцелюлози зараховують до ви- щих молекулярних сполук, вони займають проміжне місце між целюлозою й крохма- лем. Геміцелюлози здатні гідролізуватися 2-4\%-м розчином НСl з утворенням пентоза- нів, гексозанів і поліуронідів, причому, у свою чергу, пентозани й гексозани при пода- льшому гідролізі утворюють відповідно пентози й гексози.

Целюлоза, або клітковина [С6Н7О2(ОН)3]n  належить до полісахаридів, гетерола-

нцюгових вищих молекулярних сполук з макромолекулярною будовою. Вона – голов- на складова частина деревини. Целюлоза являє собою лінійний стереорегулярний (си- ндіотактичний) природний полісахарид, побудований з ангідридів D-глюкопіранози. Стереорегулярна будова макромолекули й стійкість конфірмаційної форми її елемен- тарної ланки виділяє целюлозу із усього ряду полісахаридів, у тому числі й найбіль- шою стійкістю до хімічних впливів.

Лігнін. Поряд із целюлозою в стінках клітин більшості вищих рослин перебуває

лігнін, будова якого ще не повністю з’ясована. Вважають, що лігнін – нерегулярно по- будована вища молекулярна сполука із тривимірною структурою розгалужених мак- ромолекул. Початі спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул від- бивають лише загальні принципи його будови. Не з’ясовано ще, чи складається лігнін із цілком ідентичних макромолекул, а також не встановлена його молекулярна маса; приймають від 682 до 1 000 000. Для лігніну з молекулярною масою 784 (виділеного із сосни) запропонована формула:

HOHC HOCH2HC

CH

C         CHOH     O     C O

OCH3

H

C                     C C

H2

C

C         CH  CH           CH

CH       C         C         C         C

C    OH

H2C     CH       C         O

HC       CH

H2C     CH                   CH CH

H3CO              CH HO                        C

CH2

C

CH2

H2C

CH2

C

H2

Елементний склад лігніну різних рослин приблизно такий, \% мас.:

С – 63, Н – 6 і О – 31.

Лігнін може бути виділений з деревини двома способами: обробкою гідролізу-

ючими агентами (концентрованими кислотами – НСl і Н2SO4 для видалення полісаха- ридів (у залишку виходить лігнін) або розчиненням самого лігніну (обробкою 2,5\%-м розчином лугу при підвищених тиску й температурі). Виділений лігнін являє собою аморфний порошок або волокна, забарвлені в жовтувато-коричневі кольори, нероз- чинні у воді й органічних розчинниках.

Виділення лігніну з деревини неминуче пов’язане з дією на неї концентрованих розчинів мінеральних кислот або розчину лугу при нагріванні. Тому є підстави дума- ти, що отримані цими методами продукти, прийняті за лігнін, фактично відрізняються від природного лігніну. Відповідно до цього розрізняють первинний лігнін (лігнан), що перебуває в природних одеревілих клітинних стінках, і вторинний лігнін – ізольо- ваний з рослин і тому видозмінений у процесі його виділення.

У результаті проведених досліджень було встановлено, що й лігнани, і лігніни, як вищі молекулярні сполуки, мають макромолекули, що складаються з елементарних структурних одиниць, які побудовані з ядер циклічної (ароматичної) структури, пов’язаних з різноманітними периферійними функціональними групами – карбоніль- ними, гідроксильними (зокрема й фенольними), а також метоксильними. Склад функ- ціональних груп у лігніні з різних рослин неоднаковий й залежить від способу його виділення з рослинних тканин.

Лігнін – нерегулярний полімер з розгалуженими макромолекулами, побудова- ними головним чином із залишків заміщених фенолоспиртів. Велике число активних функціональних груп різного типу робить лігнін здатним до численних хімічних пе- ретворень. Він легко нітрується, хлорується й окиснюється. При дії на лігнін перокси- ду водню, перманганату калію, хромової кислоти й інших окислювачів утворюються бензолкарбонові кислоти (бензойна, фталева й ін.). Остання обставина – одна з виріша- льних для висновку про ароматичну структуру ядерної частини елементарних ланок макромолекул лігніну. Припущення про ароматичну структуру лігніну обґрунтовую- ться і результатами нагрівання його без доступу повітря (тому що в рідкому дистиляті, що утворюється, виявляються феноли та ароматичні вуглеводні), а також за результа- тами гідрування лігніну (можна досягти майже повного його перетворення на арома- тичні й гідроароматичні вуглеводні). На ароматичну структуру ядерної частини еле- ментарних ланок макромолекул лігніну вказують дані рентгеноструктурного аналізу.

Важливо відзначити, що лігнін легше руйнується мікроорганізмами в живих рослинах, але більш стійкий у відмерлих рослинах. Целюлоза, навпаки, має високу стійкість до дії мікроорганізмів у живих рослинах, але порівняно легко піддається бак- теріальному розпаду у відмерлих рослинах.

NH   CH   CO n

R

слот, що розрізняються будовою радикала R, наприклад, аланін, треонін, цистеїн та ін.

Виділити білки з рослин у незміненому вигляді неможливо. Тому про будову

Хімічні властивості білків залежать від природи амідного зв’язку й функціона- льних  груп  (карбоксильної,  гідроксильної,  амінної,  дисульфідної),  що  входять  до складу амінокислот. Білки в більшості випадків мають амфотерні властивості.

Білки тваринних організмів розпадаються з утворенням аміаку, а білки рослин, руйнуючись (гідроліз), переходять в основному в амінокислоти, що мають як аліфати- чний, так і ароматичний і гетероциклічний характер. При всьому різноманітті будови й розмірів макромолекул різних білків елементний склад їх коливається в порівняно вузьких межах, \%:

С         –          50,6–54,5;

Н         –          6,5–7,3;

N          –         15,0–17,6; O          –         21,5–23,5; S + Р     –         0,3–2,5.

У складі білків є не тільки вуглець, водень, кисень, що властиво всім іншим ро-

зглянутим вище хімічним складовим частинам рослин, але також сірка, фосфор і, що особливо важливо, азот. Якщо сірка й фосфор можуть бути й серед мінеральних речо- вин рослин і вугілля, то азот – тільки в органічній масі рослин, у першу чергу, у біл- ках. Про кількісний вміст білків у рослинах (\%) можна судити за вмістом у рослинах азоту, помноживши останній на число 6,14.

У клітинах рослин білкові речовини входять у протоплазму, становлячи часто більше половини останньої. Вони здатні накопичуватися особливо в тих частинах рослини, у яких фізіологічні процеси протікають найбільш енергійно, наприклад, у листі. У різних видах рослин білки містяться в неоднакових кількостях: у деревних породах 1–10\%, у мікроводоростях 20–30\%, але особливо багато білків у бактеріях – до 80\%.

Нуклеїнові кислоти. У життєдіяльності тваринних організмів і рослин винятко- во важливу роль відіграють високомолекулярні нуклеїнові кислоти, поліефіри фосфо- рної кислоти і N-рибозидів. Вони належать до природних вищих молекулярних спо- лук і беруть участь безпосередньо у біосинтезі білку. Молекулярна маса їх коливається в дуже широких межах – приблизно від десятків тисяч до кількох мільйонів.

У тваринних організмах і рослинах містяться як рибонуклеїнові кислоти (РНК),

так і дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК), які розрізняються послідовністю чергу-

вання різноманітних комбінацій мономерних одиниць (нуклеотидів).

Сьогодні загальна структура нуклеїнових кислот уже доведена. Так, для ДНК,

наприклад, приймається структурна модель, за якою макромолекула має форму спіра- лі, причому в спіраль закручені одночасно дві макромолекули ДНК на одній загальній осі (дволанцюгова спіральна структура). Менш вивчена молекулярна структура РНК. При гідролізі нуклеїнові кислоти розпадаються на відповідні нуклеотиди.

Змішані високомолекулярні сполуки відкриті порівняно недавно. Вони поши- рені в рослинному й тваринному світі. До них належать білки, що містять одночасно вуглеводний або ліпідний компонент, або пов’язані з нуклеїновими кислотами, а та- кож полісахариди, що містять білковий, ліпідний, або обидва компоненти. Деякі фер- менти належать до змішаних вищих молекулярних сполук.

6.2. Процеси утворення твердих горючих копалин

Для перетворень відмерлих рослинних матеріалів, занурених у воду, певне зна- чення мало хімічне середовище, у якому вони перебували; важливу роль відіграли, можливо, і фізико-хімічні фактори. Однак найважливішими є фактори, пов’язані з бак- теріальними процесами – з діяльністю ферментів мікроорганізмів, що викликають і спрямовують хід хімічних перетворень і реакцій (гідроліз, окиснювання, відновлення, полімеризація, поліконденсація й ін.).

Незважаючи на те, що всі «посмертні» перетворення рослин відбувалися під во-

дою або, у всякому разі, у сильно зволоженому середовищі, доступ повітря не міг бути виключений повністю, і тому розрізняють перетворення хімічних складових частин рослин при аеробних (з більшим доступом повітря) або анаеробних умовах (з малим доступом або зовсім без доступу повітря). Існують також аеробні й анаеробні мікроор- ганізми. Через порівняно малу вивченість впливу аеробних і анаеробних мікроорганіз- мів на процеси перетворень рослинних залишків, Г. Потоньє розглядав ці перетворен- ня тільки залежно від більшої або меншої участі в них кисню повітря, а також від воло- гості  середовища,  де  протікали  розглянуті  процеси.  З  урахуванням  цих  факторів, Г. Потоньє розрізняв наступні основні види первинних перетворень рослинних залиш- ків:

1. Тління – перетворення залишків вищих рослин при достатньому доступі по-

вітря в присутності води; при цьому всі органічні речовини переходять у кінцеві про- дукти окиснювання – вуглекислий газ і воду. Цей процес аналогічний повільному го- рінню, і тверді органічні залишки в результаті його протікання, як правило, не утво- рюються; тверді залишки можуть давати в цих умовах лише найбільш стійкі хімічні складові частини рослин. Так, наприклад, тлінню піддаються, очевидно, целюлоза, лігнін, білки, але не рослинні смоли, воски, елементи, утворені зі спорополеніну, ку- тину й суберину (спори, пилок, кутикули). Отже, у результаті тління або зовсім не утворюється вугілля, або ж виходять первинні продукти, з яких утворюються ліптобіо- лити.

2. Гниття (гуміфікація) – цей процес відрізняється від тління недостатнім дос-

тупом повітря й малою вологістю: його уподібнюють неповному згорянню. У результа-

ті перетворень у таких умовах органічні речовини рослинних залишків лише частково

перетворюються в СО і Н2О, причому одночасно утворюється також невеликий твер- дий залишок, що містить більше вуглецю, ніж вихідний матеріал. Його називають зви- чайно перегноєм або гумусом. Під перегноєм (або гумусом) прийнято розуміти взагалі бурі або чорні горючі речовини, що утворюються в результаті неповного розкладу ви- щих рослин.

Гумус можна спостерігати у вологому ґрунті полів і лісів, де він має бурий або чорний колір (лісовий торф).

Певна частина гумусу легко розчиняється у воді, утворюючи колоїдні розчини, відомі під назвою “чорні води”. Бурі кольори води в деяких річках пояснюють звичай- но значною кількістю “чорних вод”, принесених потоками води з лісів.

3. Оторфеніння (торфоутворення) – досить розповсюджений у природі процес. Протікає при великий вологості, спочатку при недостатньому доступі кисню повітря, а потім – при майже повній ізоляції від нього. Отже, лише в початковій стадії процес ото- рфеніння подібний до гниття, а надалі він має специфічні особливості: внаслідок перек- риття рослинних залишків, що нагромадилися, більш-менш товстим шаром води припи- няється доступ повітря до них, а на їхній поверхні знову розвивається багата рослин- ність, яка утворює, у свою чергу шар, що ізолює від повітря. Окисні процеси під цим ша- ром тривають як з виділенням Н2О і СО, так і з утворенням твердого залишку (болотного торфу), але вони дуже уповільнені, і джерелом необхідного для цього кисню є, очевид- но, сам перетворюваний рослинний матеріал.

Процес оторфеніння, як і гниття, зводиться в основному до підвищення віднос- ного вмісту вуглецю в гумусових твердих продуктах, які можуть накопичуватися у ве- ликих кількостях.

4. Гнильне шумування, або бродіння – це своєрідний вид перетворень рослин- них залишків, при якому процес здійснюється в спокійній воді при повній ізоляції від кисню повітря. Для цього процесу характерна перевага відновних реакцій, причому тверді продукти, що утворюються (гнильний мул, або сапропель) збагачуються не сті- льки вуглецем, як у раніше описаних процесах, скільки воднем. Гниттю піддаються в основному нижчі рослини – (водорості) і тваринні рештки.

Розглянуті  види  процесів  зміни  рослинних  матеріалів,  що  накопичуються  в

природі, являють собою лише перші стадії вуглеутворення. У природних умовах вони тільки в рідкісних випадках протікають окремо: одні з цих процесів обов’язково супро- воджують інші, завдяки чому вони переплітаються й накладаються. Нижче розгляда- ється характер основних змін окремих хімічних складових частин рослини на різних стадіях первинних перетворень.

Білки в аеробних умовах швидко піддаються повному розкладу з утворенням газоподібних продуктів (аміаку), а також, можливо, амінокислот. В анаеробних умовах відбувається гідролітичне розщеплення білків, у результаті чого виходять в основному також амінокислоти, подальше перетворення яких може йти різними шляхами залежно від характеру навколишнього середовища. Частина амінокислот розчинна у воді й, от- же, може легко видалятися з перетворених залишків рослин. Завдяки властивій аміно- кислотам високій реакційній здатності вони через аміногрупу або оксигрупу можуть легко вступати також у реакції конденсації, наприклад, із продуктами гідролізу деяких

вуглеводів, утворюючи при цьому стійкі азотисті й сірчисті сполуки. Таким чином, не

виключена можливість протікання реакцій синтезу між продуктами змін білків й ін- ших складових частин рослинних залишків. Гнильне шумування білків супроводжу- ється виділенням Н2S й NН3.

Що стосується жирів, то в умовах природного нагромадження відмерлих рос- лин вони здатні швидко піддаватися омиленню й перетворюватися на суміші жирних кислот і гліцерину. В аеробних умовах жирні кислоти, як і жири, розкладаються порі- вняно легко. В анаеробних же умовах жирні кислоти змінюються в значно меншій мірі: винятково стійкими є насичені жирні кислоти й ті з ненасичених, які містять один по- двійний зв’язок. У деяких випадках високомолекулярні граничні (насичені) жирні ки- слоти, їхні ангідриди й солі можуть перебувати серед продуктів перетворень відмер- лих рослин навіть у вільному вигляді. Ненасичені жирні кислоти з більшим числом подвійних зв’язків в анаеробних умовах здатні полімеризуватися й утворювати стійкі сполуки, частина яких має гідроароматичний й ароматичний характер.

У порівнянні з жирами воски значно більш стійкі як в аеробних, так і в анаеро- бних умовах, чим пояснюється те, що вони виявляються в торф’яних покладах і навіть у бурому вугіллі.

Спорополенін, кутин і суберин у природних умовах є також досить стійкими до дії біохімічних агентів. Дуже стійкими щодо дії мікроорганізмів в аеробних й анае- робних умовах є смоли й продукти їх перетворень. Після втрати ефірних масел, у яких звичайно розчинені смоли, в останніх протікали процеси полімеризації, при яких ускладнювалися молекули, смоли перетворювалися на тверді, ще більш стійкі, нероз- чинні й тугоплавкі речовини. Значна стійкість смол протягом геологічних періодів зу- мовлює те, що їх знаходять як у вигляді окремих включень (конкрецій) у викопному вугіллі, так і у формі самостійних скупчень. При підвищенні температури в процесі вуглеутворення смоли здатні розкладатися з виділенням кислоти й різних вуглеводнів; тому в природних умовах у смолах можуть перебувати також вуглеводні.

Усі менш складні вуглеводи в аеробних умовах легко розкладаються; у першу чергу це стосується найпростіших вуглеводів, причому вони малостійкі й в анаеробних умовах. Відносно більш стійкими в цих умовах виявляються геміцелюлози й пектинові речовини. Ще частіше в скупченнях перетворених рослинних залишків виявляють продукти гідролі- тичного розщеплення геміцелюлоз і пектинових речовин – пентозани й ексозани.

Найбільшу увагу привертали до себе процеси перетворення целюлози, що порі- вняно легко руйнується мікроорганізмами з утворенням метану, води, вуглекислого газу і найпростіших розчинних у воді органічних кислот (головним чином оцтової). Характер і швидкість розкладу целюлози залежать від виду присутніх мікроорганізмів й особливостей навколишнього середовища: при впливі аеробних і анаеробних мікро- організмів, у тому числі грибків, а також термофільних й інших бактерій, целюлоза зазнає повного розпаду (з виділенням СО2 і Н2О) або піддається шумуванню з утворен- ням жирних кислот і газоподібних продуктів – СН4 (метанове шумування) або Н2 (вод- неве шумування).

У ряді випадків вміст целюлози в перетворюваних рослинних залишках при гнитті й торфоутворенні зменшується зі збільшенням ступеня розкладу. Цей факт не- рідко вважають доказом того, що целюлоза не брала участі в утворенні вугілля. Однак

спостерігаються випадки, коли навіть сильно розкладений торф містить целюлози бі-

льше, ніж відносно менш розкладений. Тому поки що не можна вважати доведеним, що в процесі оторфеніння целюлоза не утворювала твердого залишку й служила тільки

«їжею» для мікроорганізмів. Можливо, що при біохімічних перетвореннях целюлоза могла давати проміжні продукти, які взаємодіяли з іншими речовинами, утворюючи різні стійкі сполуки, аж до ароматичних. Не менша увага, ніж целюлозі приділялася лігніну, що є досить стійким до дії різних біохімічних агентів в аеробних й анаеробних умовах. Саме внаслідок цього при первинних процесах руйнування рослинних залиш- ків може мати місце нагромадження лігніну, вміст якого, однак, при триваючому про- цесі торфоутворення зменшується, оскільки утворюються нові речовини, що станов- лять органічну масу торфу й бурого вугілля.

Трохи відрізняється від розглянутої теорії Потоньє генетична класифікація ви- копних палив Ю.А. Жемчужникова, базована на їх природі й походженні. Вводячи останнє поняття у свою класифікацію, Жемчужников ніби підкреслює, що характер викопних палив залежить не тільки від вихідного матеріалу, що послужив для утво- рення вугілля, а й від процесів його первинного перетворення (тобто умов нагрома- дження й розкладу), саме первинного, тобто незалежного від метаморфізуючих факто- рів: температури, тиску й часу.

За Жемчужниковим, нагромадження вищих рослин складаються головним чином із двох типів речовин: 1) лігніноцелюлозних тканин; 2) кутинізованих елементів (кутику- ла, оболонки спор, пилок, коркова тканина). Ці два типи речовин можуть переважати або мати підлегле значення як матеріал, з якого утворилися ті або інші викопні палива, але у всіх випадках таким матеріалом будуть речовини вищих рослин, що дають на певній стадії розкладання гумус. Це вугілля слід називати гумолітами на противагу сапропелітам, що утворилися переважно з нижчих рослин (водоростей). При переважанні в гумолітах похі- дних лігніноцелюлозних тканин вугілля називають гумітами, у випадку ж переваги кути- нізованих елементів або смоляних тілець–ліптобіолітами. Останні можуть накопичуватися як при повному руйнуванні лігніноцелюлозних тканин, так й у результаті місцевого зба- гачення рослинних залишків кутинізованими елементами (наприклад, спорами) при са- мому нагромадженні. Групу сапропелітів також поділяють на два класи. У першому класі в паливі збереглися ще залишки водоростей, планктонів. В іншому класі водорості не збе- реглися, і все вугілля перетворилося в безструктурну масу – сапроколіти.

6.3. Різні теорії походження копалин

Незважаючи на повну очевидність першорядного значення геологічних факто- рів для процесу метаморфізму вугілля, деякі вчені висували інші теорії, наприклад, теорії базовані на впливі біохімічних факторів і залежності типу викопного палива від властивостей вихідної материнської речовини.

З біохімічних теорій походження вугілля згадаємо теорію М. Тейлора, за якою

основним фактором в утворенні різних видів викопного палива є бактеріальна дія, що цілком регулюється властивостями порід, які складають покрівлю пласта. Ці породи можуть мати кислу реакцію, якщо вони складені переважно кальцієво-алюмінієвими силікатами, або лужну, якщо в них переважають натрієво-алюмінієві силікати.

У процесі гідролізу ґрунтовими водами ці два типи покрівлі поводяться по-

різному. При кислій покрівлі гідроліз проходить утруднено, при лужній покрівлі – легко. В останньому випадку водний розчин лугу нейтралізує кислі складові частини, що утворюються при розкладанні торфу, і тим самим сприяє продовженню й розвитку бактеріального впливу. При цьому завдяки непроникності для газів покрівлі бактері- альна діяльність відбувається в анаеробних умовах. Торф’яна маса розкладається у від- новній атмосфері, у результаті чого утворюється паливо, збіднене киснем.

При кислій покрівлі лужного середовища не виходить. Кислі продукти від роз- кладу торфу й життєдіяльності бактерій, накопичуючись, досягають такої концентра- ції, при якій подальша діяльність бактерій припиняється. Звичайно, продукт буде ба- гатим на кисень, тим більше, що покрівля в цьому випадку залишається проникною для газів, отже, бактеріальна діяльність протікає в аеробних умовах.

Описаними відмінностями у характері покрівлі Тейлор пояснює походження

бурого і кам’яного вугілля й антрацитів. Для утворення бурого вугілля необхідна кис- ла покрівля, для кам’яного вугілля й антрацитів – лужна покрівля.

Фактичний матеріал про характер покрівлі в різних паливних басейнах не підт- верджує теорії Тейлора. Однак думка про значення середовища, у якому відбуваються бактеріальні процеси, на кінцеві результати слушна.

Разом з тим, теорія Тейлора, як така, не може бути прийнята до уваги, оскільки вона повністю відкидає значення геологічних факторів у процесі утворення вугілля, що як було показано вище, є безсумнівним фактом.

На підтвердження тези про вплив умов утворення й середовища на властивості одержуваного викопного палива можна згадати роботу М.Г. Титова зі співробітниками. Ними було встановлено, що в торфовищах, однакових за ботанічними сполуками, мо- же утворюватися торф різного ступеня бітумінізації й що однією із причин цього є не- однакова мінеральна складова торф’яних вод, головним чином, наявність у них біль- шої або меншої кількості розчиненого гіпсу. Він сприяє утворенню кальцієвих солей гумінових кислот, з яких в основному складається органічна частина торфів.

Процес бітумінізації, за Титовим, не є результатом лише нагромадження зали- шків рослинних смол і восків. Утворення бітумів (тут під терміном “бітуми” слід розу- міти продукти перетворень гумусу, які наділені властивістю розчинятися в органічних рідинах) відбувається також шляхом перетворення гумінових кислот у бітумінозні продукти при взаємодії цих кислот із продуктами неповного розкладу інших частин гумусу (клітковини, білків і жирів). Це перетворення гумінових кислот можливе лише за умови, що вони перебувають у розчиненому стані. При наявності значних кількос- тей у воді торфовища гіпсу останній перетворює кислоти на нерозчинні у воді кальціє- ві солі гумінових кислот, тобто перешкоджає протіканню описаної реакції конденсації із продуктами розкладу торфу. У результаті утворюються менш бітумінізовані палива.

Отже, поряд з розкладом рослинних речовин за звичайною схемою в ряді випа- дків вплив додаткових факторів може привести до результатів, відмінних від нормаль- них. Так, у цьому випадку показано, що поряд з розкладом торфу йде й синтез нових продуктів, причому в процесі синтезу бере участь, очевидно, весь комплекс речовин, з яких складається рослинний матеріал.

Цей приклад зайвий раз підкреслює, що одним фактором, наприклад, бактеріа-

льним впливом, без залучення хімічних, геологічних, інших причин не можна поясни-

ти в цілому процес утворення різноманітних типів викопного палива.

Дослідження В.Є.Раковського в галузі хімії й генезису торфів не підтверджують

лігнінну теорію. За його даними, у торфах присутні три складові частини: 1) рослинні залишки, що зберегли клітинну будову; 2) матеріал, що розклався, – детрит або гумус;

3) мінеральні компоненти.

Вуглеводний компонент органічного матеріалу представлений водорозчин- ними речовинами – моносахаридами й спиртами, речовинами, що легко гідролі- зуються – сахаридами, пектинами, крохмалем, а також найважливішим представником

– целюлозою.

Під дією ферментів і мікроорганізмів у першу чергу розпадаються вуглеводи, але їхній беззалишковий розпад здійснюється тільки ферментами, а мікроорганізми перетворюють їх на гумус і гумусові кислоти, тобто вони зазнають гуміфікації. Значну роль у цьому процесі відіграє конденсація вуглеводів. Участь вуглеводів у процесі гу- міфікації підтверджується тим, що кількість гумінових кислот і гумусу росте при зме- ншенні вуглеводного комплексу, у тому числі целюлози.

Думка, що лігнін є основною вихідною речовиною гумусу й гумінових кислот,

не узгоджується також з тим, що нагромадження цих речовин має місце й при розкла- данні сфагнових мохів, що не містять лігніну. Тільки в умовах сильного окиснювання встановлене утворення гумінових кислот з лігніну. У дослідах з моделювання процесу вуглефікації в автоклавах у присутності води із целюлози отримано до 20\% гумінових кислот, а також відзначене утворення бітумів. У цих же умовах з лігніну утворилося всього кілька відсотків гумінових кислот.

У наш час більшість дослідників дотримуються думки про участь всіх складо-

вих частин рослин в утворенні твердих горючих копалин, а ступінь їх участі залежить від умов нагромадження. Напрямок перетворення рослинного матеріалу істотно зале- жить від умов: рН середовища, наявності кисню, життєдіяльності бактерій, мінералогі- чної обстановки. У морському середовищі, що містить іони сульфатів, при досить об- меженому доступі кисню утворення кислот незначне. Внаслідок цього рН середовища перебуває в межах 7,0-7,5, що створює сприятливі умови для життєдіяльності анаероб- них бактерій, які засвоюють кисень органічних речовин, і присутні гумінові кислоти містять підвищені кількості водню, сірки й азоту. У прісноводних болотах гумінові ки- слоти, що утворюються при окиснюванні рослинного матеріалу, нейтралізуються ка- льцієм, що підвищує рН середовища й сприяє життєдіяльності бактерій, у тому числі сірчаних, активному розвитку планктонів і молюсків, багатих білками. Внаслідок цього більшість збагаченого кальцієм вугілля відрізняється високим змістом піриту, органіч- ної сірки й азоту. У маловодних болотах створюються умови для припливу кисню й більш інтенсивного нагромадження продуктів окиснювання, гумінових кислот. Це фо- рмує кислотне середовище, яке перешкоджує життєдіяльності бактерій і сприяє кон- сервації гумінових кислот і збереженню їх у більшій кількості.

Утворення бітумів – речовин, розчинних у бензолі й спирто-бензолі, за даними

Раковського, відбувається в процесі перетворення смол, восків, спор, кутикул й інших елементів.

У процесі перетворення органічного осаду в торф відбувається зміна елемент-

ного складу, головним чином внаслідок видалення кисню.

У геологічній історії Землі утворення вугільних пластів пов’язане з виникнен- ням і розвитком світу рослин. Найдавніші з твердих горючих копалин – сапропелітове вугілля і горючі сланці, утворилися зі скупчень ще примітивних підводних рослин (водоростей) і планктону на дні водойм. Родовища такого вугілля відомі з початку па- леозою, вони утворилися близько 500 млн. років тому.

Серед більш пізніх родовищ сапропелітового вугілля відомі перехідні різнови- ди, які містять матеріал вищих наземних рослин.

Дрібні родовища гумусового вугілля, утвореного з матеріалу вищих наземних рослин, відомі у відкладах девону. Серед рослин цього періоду описані порівняно ви- сокоорганізовані види вищих рослин, розквіт яких відбувся у наступні кам’яновугільний і пермський періоди. До відкладів кам’яновугільного і пермського періодів відносять багато великих родовищ найбільш цінного кам’яного вугілля.

Нагромадження сапропелітів починається з кембрійського періоду, який є пе- ршим, найбільш раннім періодом, з якого можна простежити поступову еволюцію фа- уни і флори. В ордовику утворилися Прибалтійські сланці, силурійське гумусове золь- не вугілля відоме в кількох районах країн СНД і далекому зарубіжжі. У середині де- вонського періоду виникли перші нечисленні поклади гумусового вугілля промисло- вого значення (барзасити).

Загальновизнано,  що  вугільні  пласти  утворюються  з  торфу.  При  утворенні

торф’яних боліт істотну роль відіграють такі основні фактори:

а) еволюція розвитку флори;

б) клімат;

в) палеогеологічні і тектонічні умови.

У ранньому девоні у затоплених водою мілководних лагунах виростали росли- ни псилофіти, з яких утворилися малопотужні вугільні пласти у вигляді тонких про- шарків вітриніту. При подальшому розвитку рослин у середньому і пізньому девоні, коли рослинність дуже швидко поширилася по всіх континентах, почали формуватися власне вугільні пласти. Пізньодевонське вугілля утворилося з рослин, подібних до тих, з яких виникло вугілля в карбоні, однак воно ще не має промислового значення. Тіль- ки в ранньому карбоні сформувалися важливі родовища вугілля (Карагандинський, Підмосковний басейни, Західний Донбас). Найважливіші пермські вугільні басейни в Росії (Кузбас і Тунгуський басейн) виникли головним чином за рахунок голонасінних, які відігравали істотну роль у торфоутворенні й у верхніх частинах пізнього карбону. У мезозої, особливо в юрський і ранній крейдовий періоди, голонасінні є основною вуг- леутворюючою рослинністю.

Для утворення торфу необхідно, щоб рівень ґрунтової води протягом року сто- яв над земною поверхнею чи близько до неї, і рослинний матеріал, що відмирає, не міг розкладатися. Подібні умови найбільш часто зустрічаються на рівних прибережних ділянках, де морська вода підпирає прісну воду, що притікає із суші, у зв’язку з чим більшість боліт зв’язана з морськими узбережжями чи з берегами великих озер.

Протягом усіх геологічних періодів відбувалося постійне підняття й опускання земної кори з різною інтенсивністю. Усі вугленосні формації в цьому відношенні поді- ляють на дві групи: крайові (геосинкліналі) і платформні. Платформні басейни мають

малу потужність вугленосної товщі, 2-З пласти вугілля низького ступеня вуглефікації і

горизонтальне залягання.

Відклади торфу зберігаються тільки в районах занурення, багаті родовища ву-

гілля приурочені до областей крайових прогинів, причому утворення торфу пов’язане із часом існування континентальних умов.

Для вугільних родовищ, які утворилися в крайових прогинах, характерні поту-

жні осадові товщі, що включають пласти вугілля потужністю до 2 м, розповсюджені на величезних площах і перешаровані численними прошарками морських осадів (Донбас, Рур). У районах великих складчастих гірських поясів, у тилових ділянках моря, де за- нурення йде звичайно повільніше, кількість вугільних пластів невелика.

У помірному кліматі середньорічна швидкість росту накопичень торфу на бо- лотах складає 0,55-1,0 мм, а на верхових болотах 1-2 мм. У тропічному кліматі вона значно вища. При переході від стадії утворення торфу через стадію бурого вугілля до кам’яного спостерігається значне ущільнення торфу, ступінь якого залежить від фації. Лісовий торф ущільнюється менше, ніж очеретяний, у якому міститься велика кіль- кість води. Вважають, що ущільнення вихідної рослинної речовини до торфу, а потім до бурого і кам’яного вугілля виражається співвідношенням 6 : 3 : 1, тобто 1 м торфу дає 20 см кам’яного вугілля.

Умови утворення торфу обумовлюють генетичний тип вугілля чи вугільну фацію, яка визначається вмістом мацералів і мінералів у вугіллі, хімічними властивостями, які в основному не залежать від ступеня метаморфізму (вміст сірки й азоту, відношення водню до вуглецю у вітриніті та ін.), а також рядом текстурних особливостей.

Основні властивості вугілля у пластах визначаються способом нагромадження, рослинним матеріалом, який утворює торф, умовами середовища відкладення (надхо- дженням вихідних речовин, рН середовища, життєдіяльністю бактерій, надходженням сірки, температурою торфу й окиснювально-відновним потенціалом).

Торф, що сформувався з різного рослинного матеріалу, є причиною утворення

різних літотипів і мікролітотипів вугілля, що мають різні фізичні, хімічні і технологіч- ні властивості.

Утворення (діагенез) торфу відбувається під впливом мікробів і хімічних реак- цій. Найбільш істотні зміни відбуваються при обмеженому доступі кисню на поверхні матеріалу, який розкладається, і в безпосередній близькості від неї в так званому тор- фогенному шарі, приблизно до глибини 0,5 м. Тут активно діють аеробні бактерії, променисті грибки (актиноміцети) і нижчі грибки. Зі збільшенням глибини їх зміню- ють анаеробні бактерії, діяльність яких згасає на глибині до 10 м. Нижче відбуваються тільки хімічні зміни – головним чином, реакції відновлення, полімеризації і полікон- денсації.

У верхньому шарі розрізу торфу вміст вуглецю зростає з 45-50 до 55-60\% і потім

зі збільшенням глибини майже не змінюється. Вміст з глибиною різко падає, характе- ризуючи ступінь діагенезу торфу. Кількість вільної (не змішаної з лігнітом) целюлози також є показником ступеня діагенезу торфу.

Оскільки перехід торфу в буре вугілля відбувається поступово, важко встанови- ти чітку межу між ними, хоча рекомендуються показники, що дозволяють відрізняти торф від землистого бурого вугілля (табл. 2.1).

Таблиця 2.1 – Відмінності між торфом і бурим вугіллям

Наявність різного  вихідного  матеріалу  в  минулі  геологічні  періоди,  варіації

умов його розкладу і перетворення на торф є однією з причин утворення вугілля з не- однаковими хімічними, фізичними і технологічними властивостями при однаковому ступені вуглефікації.

Наступною стадією перетворення торфу на вугілля є геохімічна вуглефікація, чи просто вуглефікація. Вона протікає в анаеробних умовах і в ній не беруть участь мі- кроорганізми. Маса органічної речовини (ОР) за період геохімічної історії від торфоут- ворення до графітизації постійно зменшується, що супроводжується виділенням лет- ких речовин. Зміни молекулярної структури, які відбуваються при цьому, уявляються лише загалом, а сутність і кількісна сторона відповідних процесів залишаються поки що недостатньо конкретизованими. Зі зростанням ступеня вуглефікації внаслідок втра- ти води, кисню у формі СО і водню у формі метану в вугіллі збільшується вміст вугле- цю і співвідношення його з воднем і киснем.

Як показники ступеня вуглефікації використовуються відбивна здатність віт-

риніту (R0), вміст вуглецю, віднесений до сухої знезоленої маси (Сdaf), вихід летких ре- човин (Vdaf), атомні співвідношення Н/С і О/С, технологічні властивості вугілля.

Різні компоненти торфу і типи вугілля мають різні властивості і по-різному

змінюються при вуглефікації. Збільшення ступеня вуглефікації на стадії бурого вугіл- ля характеризується зменшенням загального вмісту вологи, що зв’язано зі зменшенням пористості, руйнуванням гідрофільних функціональних груп, особливо гідроксиль- них, число яких помітно скорочується на ранній стадії бурого вугілля. Крім гідрокси- льних, відщеплюються карбоксильні, метоксильні і карбонільні групи, у результаті чого росте вміст вуглецю.

На стадії бурого вугілля останні залишки лігніну і целюлози переходять у гу-

мусові речовини, а гумінові кислоти, конденсуючись і втрачаючи кислотні властивос- ті, утворюють нерозчинні в лугах вітриніти. Вихід летких речовин на стадії бурого ву- гілля змінюється слабко, а леткі продукти на цій стадії в основному представлені вуг- лекислим газом, водою і деякою кількістю метану. При геліфікації (вітринізації) гуму- сових речовин відбуваються найбільш істотні зміни, вугілля стає чорним і глянсовим, дуже схожим на кам’яне вугілля.

На стадії бурого вугілля у порівнянні з торфом збільшується вміст вуглецю й

зменшується – кисню. Ці зміни, а також зменшення кількості гумінових кислот і воло- ги поглиблюються при підвищенні стадії метаморфізму, що для бурого вугілля оціню- ється за кількістю внутрішньої вологи, обумовленою для вугілля, що перебуває у пові- тряно-сухому стані.

Виділяють три стадії вуглефікації бурого вугілля: 1) землисте – вміст вологи >35\%;

2) щільне, матове – вміст вологи 25-35\%; 3) щільне, блискуче – вміст вологи 9-25\%.

Вітринітове буре вугілля помітно відрізняється за хімічним складом від вугілля із високим вмістом фюзиніту й семивітриніту.

Фюзинітове вугілля має більше вуглецю й реактивного кисню, менше водню й кисню в складі функціональних груп, у нього також мало гумінових кислот (близь- ко 7\%, у порівнянні з 30-40\% у вітринітового вугілля).

Значну частину органічного матеріалу, що утворюється на стадіях нагрома- дження й діагенезу в органічній масі торфів і бурого вугілля, становлять гумінові кис- лоти.

У кам’яному вугіллі гумінові кислоти відсутні. Процес вуглефікації кам’яного

вугілля протікає аналогічно процесу вуглефікації бурого вугілля: зменшується вміст вологи і росте теплота згоряння. На більш пізніх стадіях кам’яного вугілля вихід лет- ких речовин, представлених в основному продуктами розкладу неароматичних скла- дових вугілля, швидко зменшується і зростає ступінь ароматизації гумусових комплек- сів. На цій стадії вуглефікації відбивна здатність росте пропорційно зниженню виходу летких речовин, що пов’язано, мабуть, зі ступенем ароматизації структурних елементів вітриніту.

Антрацитова стадія характеризується різким падінням вмісту водню, атомного співвідношення Н/С, сильним збільшенням відбивної здатності й оптичної анізотропії.

Процес вуглефікації зумовлюється підвищеною температурою, високим тиском

гірських порід і тривалістю впливу цих факторів. Нормальне збільшення ступеня вуг- лефікації з глибиною залягання відоме як правило Хілта і спостерігається в розрізах свердловин. З підвищенням температури з глибиною в залежності від геотермічного градієнта і теплопровідності порід росте ступінь вуглефікації. Розрахунок змін кілько- сті і складу летких продуктів у ряді вуглефікації дозволяє одержати криві спаду ком- понентів у розрахунку на ОР початку ранньобуровугільної стадії (Сdaf =60\%). Аналіз отриманих даних свідчить про нерівномірність процесу втрати кисню і його форм на різних стадіях вуглефікації і перехід кисню з однієї форми в іншу. Це свідчить про ста- дійність процесу вуглефікації, яка супроводжується стрибкоподібними переходами у властивостях вугілля.

Аналогічні дані отримані і при розрахунку газовиділення при утворенні гуму-

сового кларенового вугілля у ряді вуглефікації. На кривій, яка описує суму летких продуктів вуглефікації, є чотири максимуми, що відповідають стадіям вуглефікації, на яких спостерігається перехід від бурого до кам’яного вугілля, поява і втрата спікливих властивостей. Це свідчить про те, що процеси газовиділення і структурування вугілля протікали одночасно і вони обумовили основні властивості вугілля.

6.4. Умови утворення твердих горючих копалин

При розгляді умов утворення гумітів найбільший інтерес становлять процеси торфоутворення й вуглеутворення. За даними Ю.А. Жемчужникова, весь процес вуг- леутворення варто поділити, у свою чергу, на дві послідовні стадії:

а) діагенез;

б) метаморфізм.

Відповідно до цього, найпоширеніший у природі процес утворення гумітів мо-

же бути представлений наступною схемою:

1. Торфоутворення – відбувається в основному на базі болотної рослинності.

2. Вуглеутворення: а) діагенез, тобто перетворення торфу на щільне буре вугіл- ля, і б) метаморфізм, тобто еволюція бурого вугілля, перехід його у кам’яне вугілля, еволюція кам’яного вугілля і перетворення його на антрацит.

Про характер і напрямок процесів, які протікають при діагенезі, можна судити на підставі порівняння властивостей типових зразків торфів і бурого вугілля. Найбільш помітно ці розходження виявляються в груповому хімічному складі. Так, у той час, як у торфі містяться складові частини рослин (вуглеводи, лігнін й ін.), у бурому вугіллі вони вже майже відсутні.

Гумінові кислоти виявляються як у торфі, так і в бурому вугіллі, але при торфоут- воренні відбувається нагромадження гумінових кислот, а в бурому вугіллі коли його зрі- лість збільшується, кількість гумінових кислот зменшується. Вміст вуглецю в органічній масі бурого вугілля більший, ніж у торфах, а кисню – відповідно, менший. Буре вугілля завжди більш щільне, ніж торф, і відрізняється помітно меншою вологістю.

Все це дозволяє зрозуміти особливості процесів діагенезу, які повинні бути роз-

глянуті в прямому зв’язку з умовами, що мали місце в торфовищах.

Після того, як набряклу у воді торф’яну масу покриють мінеральні породи, по- ховане торфовище починає поступово зневоднюватися й ущільнюватися під тиском покрівлі. Поряд із цим, у торф’яній масі протікають хімічні процеси дегідратації й де- карбоксилування за рахунок відщеплення карбоксильних груп з гумінових кислот з утворенням води й вуглекислоти. Це свідчить про те, що при діагенезі переважали хі- мічні реакції відновного характеру, на відміну від умов при торфоутворенні, коли мали місце головним чином окисні процеси. Одночасно з дегідратацією й декарбоксилу- ванням, при діагенезі мали місце також процеси дегідрогенізації з утворенням, зокре- ма, метану й сірководню. Виняткове значення мали також інші фактори, що впливали на процеси торфоутворення й діагенезу. У той час як при процесах торфоутворення головна роль належала дії мікроорганізмів, при діагенезі бактеріальна діяльність пос- тупово припинялася внаслідок настання асептичних умов, і головного значення набу- вали такі фізико-хімічні фактори, як тиск, підвищення температури в результаті дії термофільних бактерій, каталітична дія мінеральних домішок і хімічні особливості на- вколишнього середовища (сольовий склад вод, наявність газів й ін.). Подальший пере- біг процесів вуглеутворення – метаморфізм – зумовлював поступове перетворення бу- рого вугілля на кам’яне, а кам’яного вугілля – на антрацити, причому проміжними продуктами цих перетворень є різноманітні види бурого і кам’яного вугілля (тобто ме- таморфічні й генетичні ряди).

Говорячи про суть процесів метаморфізму, не можна не відзначити труднощі їх

вивчення – головним чином через неможливість спостереження за ними в природних умовах і моделювання цих процесів у лабораторіях. Тому доводиться обмежуватися порівнянням наявних властивостей бурого і кам’яного вугілля при метаморфічних пе- ретвореннях.

Насамперед, необхідно відзначити, що в кам’яному вугіллі уже не виявляються характерні для бурого вугілля речовини, наділені кислотними функціями (гумінові

кислоти), і воно стає хімічно нейтральним в результаті перетворення гумінових кислот

на нейтральні гумінові речовини. Крім цього, бітумні компоненти кам’яного вугілля також втрачають подібність (кількісну і якісну) з бітумами бурого вугілля. Спостеріга- ються також інші розходження властивостей бурого і кам’яного вугілля, що свідчать про закономірну спрямованість метаморфічних перетворень зі зрілістю, що збільшу- ється: зменшується вологість і підвищується щільність та густина вугілля, бурі кольори переходять у чорний, збільшується також вміст вуглецю й знижується вміст водню й кисню.

Все це дозволяє припускати, що перетворення при метаморфізмі відбуваються в тому ж напрямку, що й при діагенезі, тобто продовжують розвиватися в основному ві- дновні процеси – реакції дегідратації й декарбоксилування.

Щодо причин різного протікання процесів при метаморфізмі й ролі тих або ін- ших факторів, то з цих питань висловлювалися різні припущення. У першу чергу, вар- то розглянути вплив геологічних факторів на протікання процесів метаморфізму. До таких факторів зазвичай відносять тривалість процесів за часом, температуру, а також тиск гірських порід.

Що стосується тривалості процесів, тобто геологічного віку вугілля, то вже від-

значалося, що цей фактор має лише другорядне значення. Тому при розгляді головних причин метаморфізму вугілля геологічний вік порівняно мало береться до уваги, бі- льшого значення надають впливу підвищеного тиску й температури, які найчастіше тісно пов’язані між собою й супроводжують одне одного, у зв’язку з чим виділити роль кожного зокрема виявляється не завжди можливим. Ю.А. Жемчужников розглядає не безпосередньо самі ці фактори (тиск, температуру), а пов’язані з ними окремі види ме- таморфізму:   а) контактовий, або термічний; б) тектонічний, або динамометаморфізм; в) регіональний, або глибинний, метаморфізм.

Підвищення ступеня метаморфізму вугілля могло відбуватися при контакті з виверженими вулканічними масами, що несуть звичайно величезні кількості тепла: так, наприклад, температура лави при виливі досягає 1300°С.

Підводячи загальні підсумки розглянутих вище положень про метаморфізм ву- гілля зауважимо, що не можна надавати вирішального значення дії тільки одного з фа- кторів вуглеутворення, ігноруючи інші. На напрямок і кінцевий результат процесів торфо- і вуглеутворення впливала сукупність багатьох разом узятих факторів. Залежно від варіювання дії тих або інших факторів й умов, утворилося різне вугілля, що відріз- няється за складом і властивостями. Необхідно лише виділити із цих факторів й умов найбільш істотні для утворення кожного класу твердих горючих копалин.

Що стосується гумітів, то цілком обґрунтованими є припущення про стадій- ність їх утворення. Перша стадія – торфоутворення, при якому головна роль належить біохімічним факторам. До другої стадії можна віднести діагенез, при якому ще продо- вжують діяти біохімічні фактори, але, поряд з ними, стає усе більш помітним вплив факторів геологічного характеру (відносно невисокі температури й тиск). Нарешті, третьою стадією є метаморфізм, при якому хімічні перетворення вугілля зумовлені впливом переважно фізико-хімічних або геологічних факторів, що діють на глибині, тобто високих тисків і підвищених температур.