Современное производство битума. Технологии и оборудование

Что известно о глазковых образованиях в углях? Поверхность скола ископаемых углей иногда имеет своеобразный рельеф, ассоциирующийся с рассеянными на плоскости глазками. Такую отдельность классики угольной геологии и назвали глазковой (рис. 12.1). Форма глазков круглая, эллиптическая и существенно отклоняющаяся от геометрически правильной. Судя по литературным материалам и музейным экспонатам, размер поперечного сечения глазков варьирует от долей миллиметра до дециметров. Глазковая отдельность чаще встречается в витреновых углях (с блестящими прослоями, состоящими из гелифицированного вещества), но обнаруживается и в других их разновидностях [21].

В одной из витрин Центрального научно-исследовательского геологоразведочного музея во Всероссийском геологическом институте (ВСЕГЕИ) выставлены сапропелевые углибогхеды с дециметровыми «глазищами» (рис. 2) [21].

Рис. 12.2. Глазковая отдельность в антраксолите Онежского синклинория (месторождение Шуньга) [21].

При характеристике таких неоднородностей в угольной геологии нередко используется термин «раковистый излом». В музейном образце просматривается очень сложная скульптура поверхности скола угля. Центральный геометрически правильный круг окаймляется рельефно выделяющимся валиком, и этот валик закручивается в спираль, которая распространяется почти на всю площадь штуфа.

Сходный характер излома наблюдается не только в углях фанерозоя, но и в твердых битумах нижнепротерозойских шунгитоносных пород в Карелии, в пределах Онежского синклинория (рис. 3) [21].

Рис. 12.3. Глазковое образование в сапропелевом угле – богхеде. Из коллекции Центрального геологоразведочного музея ВСЕГЕИ. Длина образца 20 см [21].

Там подобную отдельность в антраксолите именуют раковистым изломом в виде концентрических кругов. Жемчужников и Гинзбург заметили, что размещение глазков в углях контролируется одной или двумя системами параллельных трещин. По их мнению, глазки – своеобразные поверхности раскалывания весьма однородного угольного вещества. При этом имеют место явления аналогичные происходящим при отрывании кусков вара или полутвердой смолы. В соответствии с изложенной версией авторы считают, что глазки – производные тектонических напряжений и образуются в зонах растяжения в исключительно однородном угле [21].

После работ Жемчужникова и Гинзбурга глазковые образования пристального внимания естествоиспытателей не привлекали. Проведенное макроскопическое исследование штуфов угля подтверждает, что глазковые образования характеризуются круглыми и эллиптическими формами, но при очень внимательном осмотре образцов в них обнаруживаются и спиралевидные структуры. Круги и эллипсы, фиксируемые на плоских сколах, в трехмерном пространстве соответствуют шарам и трехосным эллипсоидам. Такие формы характерны для широко распространенных в различных породах и рудах структурно-вещественных неоднородностей, называемых оолитами и пизолитами. Они имеют ярко выраженное концентрически зональное строение [21].

Глазки в углях – их аналоги, сложенные черным макроскопически однородным, но в действительности не одинаковым по составу углистым материалом. Косвенное подтверждение предложенной версии – оолитоподобные образования в шунгитоносных породах Карелии. В шлифах (рис. 4) в черном углеродистом веществе – антраксолите контрастно выделяются светлые пятна, сложенные кварцем [21].

Рис. 12.4. Оолитоподобные образованиями кварц-углеродистого состава в шунгитоносных породах Онежского синклинория (Максовское месторождение) [21]

Диаметр этих кварц-углеродистых оолитов варьирует от сотых долей миллиметра до нескольких сантиметров. Мы постараемся показать, что глазковые образования в каустобиолитах хранят обширную информацию о происходивших в недрах процессах, и лишь незначительную ее долю нам удалось прочитать с помощью довольно простых инструментов. Глазковые образования в угле васюганской свиты. В Западной Сибири угли с глазковой отдельностью обнаружены в разрезе васюганской свиты. В общей стратиграфической шкале она охватывает келловейский ярус среднего отдела и оксфордский ярус верхнего отдела юрской системы [21].

На площади одного из нефтяных месторождений в Широтном Приобье разведочная скважина на глубине 3069,5—3077,0 м вскрыла пачку переслаивающихся серых алевролитов и светло-серых тонкозернистых песчаников. На глубине 3069,9 м среди светло-серых алевролитов залегал прослой (0,1 м) темно-серых углистых алевролитов с тонкими (3—8 мм) слоечками блестящего витренового угля (рис. 5 а). В подстилающих породах встречаются субвертикальные нитевидные углистые включения, похожие на корневую систему древних растений [21].

В послойном сколе штуфа витренового угля, сохранившего крупные углефицированные фрагменты листьев юрской растительности, широко развиты глазковые (рис. 5 б,в) образования в виде кругов диаметром до 6—7 мм с рельефно выделяющимися концентрическими неровностями [21].

Круги отделены друг от друга кривыми и прямолинейными микротрещинами. Световые блики, создавая оптический шум, не позволяют рассмотреть тонкие детали поверхностной скульптуры излома. Однако палеонтологи давно научились избавляться от световых бликов напылением на поверхность фоссилий окиси магния. После такой обработки глазков в них отчетливо проявились не только круговые, но и спиральные узоры (рис. 12.5 г) [21].

Рис. 12.5. Глазковые образования в угле васюганской свиты [21]:

а – положение прослоя углистых пород в разрезе; б – глазки в плоскости наслоения блестящего витренового угля; в – то же, но после напыления оксида магния; г – спиралевидный глазок. Западная Сибирь, скважина 150, глубина 3069,9 м

Спирали интересны тем, что имеют по два, иногда по три плотно закрученных «рукава». В аншлифе, взятом из зоны контакта угольного прослойка с подстилающим углистым алевролитом, в УФ-излучении наблюдалась слабая коричневато- красная люминесценция, характерная для витринита (рис. 12.6) [21].

Рис. 12.6. Зона контакта глазкового угля (1) с подстилающим углистым алевролитом (2) [21]:

а – в УФ-лучах видны петлеобразные нитевидные включения битумной природы в алевролите; б – изображение в отраженных электронах. Западная Сибирь, скважина 150, глубина 3069.9 м. Увел. 70

Такой же характер люминесценции имеет и растительный детрит в подстилающем алевролите. Но в последнем кроме гелифицированного детрита довольно широко развиты и петлеобразные нитевидные включения, люминесцирующие беловато-зеленовато-желтым цветом. Такие нити устойчиво локализуются на границах зерен с контрастно отличающейся прочностью и связаны с микротрещиноватостью. Скорее всего, они заполняют флюидопроводящие микротрещины в породе и имеют битумную природу [21].

В отраженных же электронах лучше проявлена структура алевролита. Минеральные обломки в нем представлены калиевыми полевыми шпатами, кислыми плагиоклазами и в подчиненном количестве кварцем и вулканическими породами. Кроме того, в алевролите встречены редкоземельные фосфаты и кристаллики рутила [21].

С помощью микроанализатора определен полуколичественный химический состав угольного вещества (масс. %): C – 56,68; O – 7,06; S – 0,69; Ti – 0,47. Сумма этих компонентов не превышает 65%. Ее дефицит объясняется неточностью анализа и отчасти отсутствием данных по легким элементам (водороду, азоту и др.), которые не поддаются определению этим методом [21].

Спирали в битуме баженовской свиты. Она представляет собой волжский ярус верхнего отдела юрской системы и привлекает повышенное внимание геологов по многим причинам [21].

Во-первых, слагающие ее углеродисто-слюдистые сланцы в одних случаях демонстрируют свойства флюидоупора, защищая залежи углеводородов от разрушения, а в других геологических обстановках вмещают уникальные нефтяные залежи, тем самым показывая полярно противоположные (коллекторские) качества [21].

Во-вторых, углеродистое вещество этой свиты служило исходным материалом для углеводородных флюидов, формирующих нефтегазовые месторождения Западной Сибири. Сами высокоуглеродистые породы баженовской свиты образовались не без участия углеродсодержащих флюидов [21].

В углеродисто-слюдистых сланцах баженовской свиты довольно часто обнаруживаются онихиты – крючки, размещавшиеся на щупальцах древних головоногих (скорее всего, белемнитов), арагонит-кальцитовые ростры которых часто присутствуют в позднеюрских породах. Размеры крючков, рассеянных в баженовских сланцах, изменяются от нескольких миллиметров до 5—5,5 см. В баженовской свите можно увидеть крючки, всегда выполненные твердым битумом. Подобные скелетные элементы (крючья и клювы) живых головоногих сложены хитин-протеиновым комплексом [21].

Эти крючки, по существу, представляют собой битумные зооморфозы по хитин-протеиновым скелетным остаткам. Они обладают гладкой или слегка шероховатой поверхностью (рис. 12.7 а). В продольных сколах битумных зооморфоз нередко обнаруживаются образования, похожие на глазки (рис. 12.7 б, в) [21].

Рис. 12.7. Битумные онихиты в углеродисто-слюдистых сланцах баженовской свиты [21]:

а – гладкая поверхность онихита; б – глазковая отдельность битума, слагающего биоморфозу; в – деталь скола с глазковой отдельностью. Месторождение Дружное, скважина 161р, глубина 2856,0 м

Первое изображение подобного орнамента в битумном онихите было приведено в коллективной монографии в 1986 г., в которой они именуются «круглыми асфальтовыми образованиями внутри полости онихитес». Эти образования диаметром от долей до 3—3,5 мм аналогичны тем, которые описал Жемчужников. Но при покрытии поверхность скола оксидом магния, то наблюдается более сложную морфологию глазков [21].

На рис. 12.8. видно, что они имеют форму спиралей. Каждая же спираль состоит из двух или трех плотно закрученных «рукавов».

Рис. 12.8. Спиральный орнамент в битумной зооморфозе, проявившийся после напыления оксидом магния [21]:

а – скол битумного онихита; б – деталь скола со спиралями; в – спираль с двумя ветвями. Скважина 308р, глубина 2926,9 м

Примечательно и то, что довольно плотно упакованные плоские спирали отделены друг от друга трещинками. Микрозондовым анализатором определен следующий химический состав (среднеарифметическое по 12 определениям, масс. %) битума со спиралевидными неоднородностями: C – 72,36; O – 7,74; S – 3,42; Cl – 0,23; Ti – 1,45; V – 0,24. Сумма 85,49% [21].

Битум, выполняющий зооморфозу, по элементному составу существенно отличается от угля из васюганской свиты. Он характеризуется более высокими концентрациями углерода (на 15%), серы (почти в 5 раз), титана (в 5 раз), а также устойчивым присутствием ванадия и хлора, концентрации которых в углях находятся ниже порога чувствительности использованного метода [21].

В УФ-излучении спирали показывают неоднородную люминесценцию в коричневато-красных тонах (рис. 12.9.).

Рис. 12.9. Неоднородность спирали в отраженных УФ-лучах. Длина поля 1,2 мм [21]

В отраженных ультрафиолетовых лучах при большом увеличении проявляется еще одно важное свойство основной виток осложнен структурой следующего ранга (рис. 12.10.), обнаруживая признаки самоподобия. На эти элементы фрактальности изучаемых спиралей обратим особое внимание и к ним еще вернемся [21].

Рис. 12.10. Концентрическая и радиальная неоднородности в витке спирали, проявленные в УФ-лучах. Длина поля 0,24 мм [21].

Генезис спиралей в каустобиолитах. Глядя на рис. 12.8, показывает степень принадлежности спиралей к биогенным образованиям. На первый взгляд их можно даже ошибочно принять за раковины некоторых фораминифер [21].

На рис. 12.9. приведен онихит с неровным сколом, в котором хорошо видна локализация спиралей под поверхностью битумной зооморфозы. О том же свидетельствуют и наблюдения авторов коллективной монографии, утверждающих, что подобные образования находятся внутри. Отсюда следует, что спирали не могут принадлежать любым бентосным организмам, поселяющимся на поверхности твердого субстрата, которым могли служить упавшие на дно крючки умерших головоногих [21].

Не оставлены без внимания и другие биогенные версии: спирали как вероятные домики паразитирующих организмов или спирали как структурная особенность живых тканей древних головоногих [21].

На шести керновых образцах определена довольно устойчивая положительная корреляционная связь максимальных диаметров кругов и спиралей с толщиной крючка, выполненного высокоуглеродистым веществом. При толщине битуминизированного онихита менее 0,5 мм диаметр спиралей не превышает 1 мм, при толщине около 1 мм максимальный внешний диаметр плоских спиралей достигает 1,5—2,0 мм, а в образце крупного онихита, длина которого составляет 5,5 см, а толщина – около 2,5 мм, внешний диаметр спиралей равен 3—3,5 мм. В прослойке угля от 3 до 3,5 мм максимальный диаметр кругов и спиралей возрастает до 6—7 мм. Устойчивая положительная корреляция диаметров кругов и спиралей с толщиной вмещающего их высокоуглеродистого тела свидетельствует о тесной генетической связи размера спирали с какими-то свойствами вещества, из которого они состоят [21]. Поэтому следующей нашей задачей стал поиск таких свойств вещества ископаемых онихитов. В 2009 г. три испанских кристаллографа из Австралийского университета экспериментально получили кристаллические структуры, которые, если использовать биологический термин, мимикрируют под биоморфы [21].

Экспериментируя с растворами карбонатов и силикатов, они показали, что причина возникновения самоорганизующихся кристаллических систем, иммитирующих биогенные структуры, – спонтанные флуктуации pH раствора на границе с растущим твердым кристаллом. Открытие сотрудников Австралийского университета не дает ответа на решаемую природную загадку, но показывает направление дальнейшего поиска [21].

В качестве классических примеров самоорганизующихся структур обычно приводят гидродинамическую (вихри Бенара) и химическую (реакцию Белоусова—Жаботинского). Их изучению посвящены тысячи статей. Волновой рисунок химической реакции Белоусова—Жаботинского, который обусловлен колебательным изменением концентраций меняющего валентность катализатора, имеет разнообразные конфигурации, включая спирали и концентрические круги (рис. 11 а,б) [21].

Возможно изучаемые спирали в каустобиолитах относятся к былым флуктуирующим диссипативным системам, волновой рисунок которых оказался «записанным» на страницах геологической летописи. В теории углеобразования важная роль отводится концепции гелификации – обязательного промежуточного процесса углеобразования, который трансформирует растительное вещество в гель. Или, как сказано в «Геологическом словаре», это «процесс остудневания лигниноцеллюлозных тканей растений, приводящий в пределе к их превращению в бесструктурное коллоидное вещество – гель» [21].

В связи с обострением экологических проблем сейчас интенсивно ведутся работы по изучению гелей с целью их использования для очистки воды от токсических веществ. В качестве сорбентов широко используются оксигидратные гели, представляющие собой нерастворимые соединения – оксигидраты переходных элементов: циркония, ниобия, иттрия, железа, редкоземельных элементов и др [21].

Всего лишь несколько лет назад профессор Челябинского (ныне Южно-Уральского) государственного университета Ю. И. Сухарев открыл, что эволюционные процессы в этих гелях имеют автоволновой характер, напоминающий автоколебания в реакции Белоусова—Жаботинского, но механизм автоколебаний в них иной [21].

Для решения поставленной задачи важно то, что протекающие по автоволновому механизму процессы структурообразования в оксигидратных гелях приводят к формированию трех типов структур: спиралевидных, сферических и кристаллитных [21].

Если в геле энергия водородной связи на равновесном расстоянии составляет 0,1—0,3 от энергии кулоновских взаимодействий, то происходит образование спиральных структур. При понижении этого соотношения возникают сферические структуры, а его повышение обеспечивает образование упорядоченных структур кристаллитного типа [6]. Приготовив гель оксигидрата иттрия осаждением аммиаком нитрата иттрия, Сухарев с помощниками наблюдали самопроизвольно образующиеся спиралевидные структуры в процессе медленной сушки. При формировании оксигидратных гелей возникают эффекты дилатансии, происходит электрофоретическое распределение гелевых частиц. Кроме того, на структуру геля влияют электрические и магнитные поля [21].