3.1.2. Условия превращения растительных остатков

В стадии образования торфа по условиям превращения исходного растительного материала и формирования химико-технологических свойств ископаемых углей выделяют два этапа: 1) торфогенный слой – характерны наиболее активное аэробное микробиологическое разло­жение органических веществ и в меньшей степени химические процессы превращений; 2) погруженные слои – типичны анаэробное разложе­ние и значительные химические процессы синтеза и превращений про­дуктов разложения исходного растительного вещества [14, 15].

Скорость и степень разложения исходного растительного материала во многом зависят от химизма болотной среды. Под этим понимается щелочно-кислотное состояние, значения окислительно-восстановитель­ного потенциала (Eh), наличие или отсутствие сероводорода и солевой состав болотных вод.

По различным сочетаниям рН, Eh и солевому составу болотных вод в палеоторфяниках, так же как и в современных, четко выделяет­ся шесть основных геохимических обстановок (фаций): 1) кислая окислительная, 2) щелочная окислительная, 3) щелочная восстанови­тельная сероводородная, 4) щелочная восстановительная глеевая, 5) кис­лая восстановительная глеевая, 6) кислая восстановительная серово­дородная [6].

Кислая окислительная фация в настоящее время широко рас­пространена в торфяниках влажных тропиков и таежных ланд­шафтов кислых классов, полесских болот, а также во всех видах верховых болот. Ведущая роль этой фации в формировании палеоторфяников отмечена со среднекаменноугольного времени. В девоне её практически нет, а в нижнем карбоне она распространена незначительно.

Современный торф этой фации характеризуется довольно высоким содержанием свободного кислорода, поступающего из воз­духа за счёт естественной растворимости и фотосинтеза водных растений. Это способствует активной жизнедеятельности аэробных бактерий и грибов. Значение рН изменяется от 3,0 до 7,0, a Eh от 0,2 до 0,6 В.

В условиях кислой окислительной среды в торфогенном слое происходит выщелачивание многих редких элементов. Однако, в отличие от коры выветривания, где элементы выносятся полностью, в торфе часть катионов этих элементов удерживается органическими коллоидами и сохраняется. Это явление имеет большое значение для закрепления в торфе калия, кальция и магния.

При разложении растительных остатков освобождаются также гидроксиды SiО₂, Fe₂О₃, Al₂О₃, которые вступают во взаимодействие, образуя глинистые минералы. В кислой обстановке создаются условия для формирования каолинита. Поверхностные воды, связанные с такими болотами, имеют бурый цвет, так как выносятся гуминовые вещества.

Щелочная окислительная фация отличается от кислой щелочной средой, обусловленной гидрокарбонатно-кальциевыми водами. Торфогенный слой со щелочной окислительной фацией в настоящее время широко распространён в низинных торфяниках во влажных тропиках (маргалитные ландшафты), в северной части Украины, Белоруссии, европейской части России, Сибири, на Дальнем Востоке, в Скандинавии, Канаде, Монголии.

Ведущая роль этой фации в формировании палеоторфяников отмечается с девонского и нижнекаменноугольного времени. Щелочная окислительная фация в палеоторфяниках, так же как и в современных, занимала приконтинентальную и приморскую части прибрежно-морских торфяных болот, где их питали преимущественно грунтовые и морские воды.

Для современных торфяников этой фации характерны значения рН 0,7-9,0, Eh 0,1-0,6 В, высокое содержание свободного кислорода и катионов кальция. Эта обстановка характеризуется активным разложением пектиновых веществ, белков, целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Относительно устойчивы в ней жиры, воски и смолы.

В среде щелочной окислительной фации калий и фосфор приобре­тают способность образовывать минералы и поглощаться органичес­кими коллоидами. Кремнезем, железо и алюминий образуют глинис­тые минералы (монтмориллонит). Высокое содержание гумусовых веществ обусловливают накопление иода, брома, ванадия, цинка, меди, кобальта и других редких и рассеянных элементов. Воды таких болот прозрачны и бедны коллоидами (в том числе и органическими), так как в них отмечается высокое содержание кальция, который является мощным коагуля­нтом.

Щелочная восстановительная сероводородная фация характерна для мангровых болот, торфяников, периодически затапливаемых морскими водами и питающихся сильно минерализованными водами с высоким содержанием сульфатов. Для этой фации современных торфяников характерны низкий Eh от -0,1 до -0,5 В, щелочная реакция среды рН 7,0-9,0 и наличие сероводорода.

Ведущая роль этой фации в формировании палеоторфяников отмечена в раннекаменноугольном периоде. Палеомангры, как и современные, могли быть распространены в дельтах рек зонами шириной до нескольких десятков километров, в прибрежных лагунах и вдоль низинных побережий тропиков шириной до нескольких километров. Торфяные болота этой фации во время прилива заливает морской водой, и растительные остатки разлагаются в основном под ней в среде с недостатком кислорода. В торфах и илах микробиологическое окисление органических веществ идет за счёт восстановления сульфатов, происходит десульфуризация, появляется сероводород, который на­сыщает болотные воды, торф и частично выделяется в атмосферу.

Растительность современных мангровых болот находит­ся в условиях резкого дефицита кислорода. Boды, питающие мангровые болота, как правило, богаты кремнеземом, поэтому в золе деревьев мангров и торфа отмечается много крем­незема, корни и стволы часто окремнены. Торфам свойственно высокое содержание поступающих с морской водой катионов кальция, магния, натрия, калия и др.

Щелочная восстановительная глеевая фация характеризуется значениями рН 7,0-9,0 и Eh от 0,1 до -0,2 В.

Торф щелочной глеевой фации богат кальцием. Содержание его в торфяниках Прикарпатья, Монголии составляет 25-40%.

Кислая восстановительная сероводородная фация характерна для слоев торфа, питавшихся на торфогенной стадии минерализованными кислыми грунтовыми и сточными водами, имевшими контакт с окисленными пиритными породами. Для этой фации характерно содержание сероводорода в меньших количествах, чем для предыдущей, рН её среды изменяется в пределах 1,0-7,0, a Eh – от -0,1 до -0,5 В.

На первом этапе среда формируется в результате энергичного биохимического окисления органических веществ при десульфуризации, способствующей образованию значительного количества СО₂ и подкислению среды. Серная и органические кислоты, образующиеся при формировании пирита, создают более кислую среду с рН до 3,0-4,0. Грунтовые и сточные воды, контактировавшие с окисляющимся в них пиритом, проникнув в торфяники, могут понизить кислотность торфа до рН 0,95-1,96. В торфе этой фации отмечается высокое содержание сульфатов железа и алюминия. Зола его содержит 20-40 % Fe₂О₃.

Кислая восстановительная глеевая фация характерна для погружен­ных слоев торфа верховых и низинных болот, питавшихся пресными слабоминерализованными водами. Они характеризуются резким недостатком кислорода, кислой реакцией среды, рН 3,0-7,0 и Eh от -0,1 до 0,2 В.

Такая обстановка отмечается в тропических торфяниках, располо­женных на значительном расстоянии от моря. Поверхностные воды, связанные с такими болотами, имеют черную окраску, содержат много органических веществ. Эти условия неблагоприятны для полного разложения растительных остатков. Имеющийся в воде свободный кислород быстро расходует­ся на окисление части их, и в дальнейшем они разлагаются в бескис­лородной среде. В торфяниках, покрытых болотными водами (топяные застойные болота), окисленный горизонт практически отсутству­ет и исходный растительный материал сразу попадает в бескислород­ную среду.

Описанные фации имеют важное значение при определении харак­тера разложения растительного материала. В окислительной обстанов­ке начинают путь превращения растительные остатки большинства торфяников. В тех случаях, когда в верхних слоях торфа отсутствует окисление и господствует лишь восстановительная обстановка (манг­ровые и некоторые глеевые болота), растительный материал после отмирания попадает в восстановительную среду.

Первоначальная степень разложения растительного материала за­висит от интенсивности разложения и продолжительности господства окислительной или восстановительной фации, а от характера фации - формирование тех или иных минеральных веществ (соединения железа или карбонатов).

В слабокислой (рН 5,5-6), нейтральной и слабощелочной (рН 7,1-7,2) средах торфогенного слоя активно разлагается целлюлоза, пектиновые и другие легкогидролизуемые вещества до гуминовых кислот с разрушением структуры. В этом же направлении происходят превращения растительного материала и в погруженных слоях торфа. Поэтому в торфах слабощелочной и слабокислой восстановительной глеевых фаций отмечается более высокое содержание гуминовых кислот. В условиях же сильнокислой (рН 3,0-4,5) и сильнощелочной (рН 7,3-7,6) окислительных фаций жизнедеятельность микроорганизмов и грибов угнетена, в результате чего обогащенные целлюлозой листья и стебли разрушаются сравнительно слабо.

Из приведенных данных видно, что первоначальные геохимические фации обусловливали комплекс исходного растительного ма­териала, степень его разложения, основной микрокомпо­нентный состав продуктов разложения, количество и качество минеральных включений, тем самым закладывая основы химико-технологических свойств углей. Все эти факторы находят своё отражение в различиях петрографического состава углей, степени их восстановленности.