Тысячелетиями под землей: как образуется уголь
Уголь - это черное золото, без которого невозможно представить современную цивилизацию. Но мало кто задумывается о том, как он появился и сколько лет провел под землей. Давайте проследим за многомиллионным путешествием угля от древних болот до наших каминов и электростанций.
Исходный материал: как образовались древние торфяники
Уголь начинал свой путь с торфа - накоплений органических остатков в переувлажненных низинах. В те времена, сотни миллионов лет назад, на Земле преобладали гигантские древовидные папоротники, хвощи и плауны. Их остатки в изобилии попадали в заболоченные участки с водой, где анаэробные условия препятствовали разложению.
Такие древние торфяники сохранились в некоторых районах мира. Например, в Западной Сибири находится Большое Васюганское болото площадью 52000 кв. км - настоящая сокровищница торфа мощностью до 9 метров. А в штате Флорида есть Большое Болото Окечоби площадью более 1900 кв. км, также имеющее торфяную залежь.
Как отмечал еще Аристотель, "в земле Келенской есть разрытые ямы, из которых берут земляной уголь для отопления жилищ". Древние цивилизации уже использовали уголь, хотя и не понимали его происхождения.
Со временем торфяники покрывались осадочными наносами - илами, глинами, песками. Толща пород над древними болотами достигала километра и более. Торф оказывался глубоко под землей без доступа воздуха. Начинался его медленный многомиллионный путь превращения в уголь.
Первичное превращение: от торфа к бурому углю
На глубине примерно 1 км торф постепенно терял влагу и превращался в бурый уголь - самый "молодой" из ископаемых углей. При этом происходили сложные химические реакции, в результате которых формировались гумусовые кислоты.
Бурый уголь содержит 65-70% углерода по массе. Также в его состав входит до 43% влаги и до 50% летучих веществ, которые испаряются при нагревании. Из-за высокого содержания влаги и примесей теплотворная способность бурого угля невысока - всего 4-5,5 тыс. ккал на 1 кг.
Крупнейшие месторождения бурого угля расположены в России (Канско-Ачинский бассейн), Германии (Рейнская область), Польше (Богданецкое). Добывают его открытым способом экскаваторами или драглайнами, так как залегает бурый уголь неглубоко.
Однако возможности бурого угля были ограничены из-за низкого качества. Дальнейшее превращение торфа под землей давало гораздо более ценный продукт.
Главная стадия: от бурого угля к каменному
Опускаясь глубже, на уровень около 3 км, бурый уголь постепенно терял летучие вещества и обогащался углеродом. Так при давлении вышележащих пород и температуре порядка 100°С формировался каменный уголь.
В зависимости от состава различают несколько типов каменного угля. Например, газовые угли богаты летучими веществами, а жирные угли хорошо спекаются. В целом каменный уголь содержит 75-95% углерода и гораздо меньше влаги, чем бурый уголь.
Каменный уголь стал основным энергоносителем во время Промышленной революции в 18-19 веках. Его добывали в Донбассе, Руре, Пенсильвании и других угольных бассейнах. Для добычи сооружали шахты с лифтами и тоннелями, по которым спускали шахтеров.
Сегодня разработаны новые способы добычи каменного угля, например гидравлический. При этом уголь разрушают струей воды и выносят на поверхность с помощью насосов по трубам. Это позволяет обходиться без шахт и штолен.
Но даже каменный уголь - не конечная точка превращений. Глубже под землей он мог стать еще более ценным ресурсом.
Финальная стадия: образование антрацита
На глубине около 6 км при высоком давлении и температуре до 200°C каменный уголь превращался в антрацит. Это самая "зрелая" разновидность угля, в которой содержится уже 94% и более углерода. Почти не остается летучих веществ и влаги.
Из-за высокой концентрации углерода антрацит отличается рекордной для углей теплотворной способностью - 8,1-8,35 МДж/кг. Однако воспламенить его очень сложно, так как практически отсутствуют горючие летучие вещества.
Крупнейшие месторождения антрацита расположены в Китае, России (Печорский бассейн), Украине (Донбасс). Его добывают подземным способом, а затем используют в металлургии для производства высококачественного кокса.
Другие виды углей
Помимо бурого угля, каменного и антрацита, существуют и другие разновидности этого ископаемого топлива. Они отличаются особенностями состава и происхождения.
Например, гагат образуется из древесины хвойных пород и отличается высоким содержанием смол. Он имеет хрупкую структуру и блестящую поверхность. А лигниты - "недозрелые" разновидности бурого угля с высокой влажностью.
Такие редкие угли играют ограниченную роль в энергетике, но могут использоваться в ювелирном деле или химической промышленности. Их чаще всего добывают открытым способом из-за небольшой глубины залегания.
Современное использование угля
На данный момент основную роль в мировой энергетике играют каменный и бурый уголь. Первый широко применяется на тепловых электростанциях для выработки электроэнергии. А второй чаще используется для коммунальных нужд.
Уголь также является важным сырьем в металлургии и химической промышленности. Из него производят кокс для доменных печей и различные химикаты, например, фенол и нафталин.
Однако добыча и сжигание угля наносят большой вред окружающей среде. Предпринимаются попытки заменить уголь альтернативными источниками энергии, но пока он остается незаменим для поддержания современной цивилизации.
Будущее "черного золота"
Как изменится роль угля в будущем? По прогнозам, его запасов хватит еще на многие десятилетия при современном уровне потребления. Возможно, будут открыты новые месторождения при освоении Арктики и Мирового океана.
Ожидается дальнейшее совершенствование технологий глубокой переработки угля, что повысит его ценность как химического сырья. А новые экологичные методы сжигания снизят вред окружающей среде от использования этого уникального ресурса.
Таким образом, уголь, вероятно, сохранит свое значение для человечества еще на многие поколения, несмотря на развитие альтернативной энергетики. Ведь он по-прежнему остается эффективным источником энергии, сформировавшимся в недрах нашей планеты за миллионы лет.
Неожиданные факты об угле
За многие миллионы лет своего существования уголь накопил немало удивительных свойств и особенностей, о которых мало кто знает. Давайте рассмотрим некоторые неожиданные факты об этом уникальном ископаемом.
Оказывается, уголь может гореть даже под водой! Этот эффект наблюдали в затопленных шахтах - угольные пласты самовозгорались, несмотря на обилие воды. Причина в том, что вода оксидипуетця углем c выделением тепла.
Еще один интересный факт - уголь способен накапливать радиоактивные элементы, например уран и торий. Их концентрации в угле могут в сотни раз превышать содержание в земной коре. Так уголь становится слаборадиоактивным!
Угольные разработки в России
Россия обладает одними из крупнейших в мире запасами угля, которые сосредоточены в многочисленных бассейнах и месторождениях на всей ее территории. Где именно добывают "черное золото" в нашей стране?
Одним из главных центров угледобычи является Кузбасс, который обеспечивает около 60% общероссийской добычи. Здесь разрабатывают мощные пласты высококачественного каменного угля.
Также ведется добыча в Печорском бассейне, где залегает ценный антрацит, в Южной Якутии, на месторождениях Восточной и Западной Сибири. Разнообразие угольных регионов позволяет России полностью обеспечить собственные потребности в этом ресурсе.
Уголь в культуре и искусстве
Несмотря на "черный" образ, уголь нашел отражение и в культуре. Он вдохновлял художников, писателей, скульпторов на создание произведений о жизни шахтеров, их нелегком труде, а порой и трагедиях.
Ярким примером может служить знаменитая скульптура "Каменотес" работы Ивана Шадра - образ шахтера с молотком и зажатой в зубах светильничной лампой. Это монументальное произведение искусства увековечило напряженный подземный труд, благодаря которому образуется уголь.
Экологические проблемы
К сожалению, наряду с пользой добыча и сжигание угля наносят серьезный ущерб окружающей среде. Как свести к минимуму экологические последствия использования "черного золота"?
Перспективным направлением является улавливание и захоронение CO2, образующегося при сжигании угля. Также важно внедрять технологии для снижения выбросов метана на угольных шахтах и разрезах. Решение экологических проблем позволит сделать широкое применение угля более устойчивым.
Уникальные свойства угля
За долгие геологические эпохи уголь приобрел ряд удивительных, порой даже уникальных свойств. Какие именно?
Во-первых, уголь обладает высокой пористостью и способен впитывать в себя различные вещества, например нефть, газ, воду. Пустотность некоторых разновидностей угля достигает 25-30%.
Кроме того, уголь выступает своеобразным природным аккумулятором многих металлов. При добыче и сжигании он их выделяет, что требует очистки выбросов.
Наконец, уголь можно считать самым энергоемким природным материалом - при полном сжигании 1 кг выделяется до 8 МДж тепла. Это обуславливает его ценность как топлива.
Исследования процесса углеобразования
Хотя уголь известен человечеству с древности, до сих пор полностью не ясен механизм его образования в недрах Земли. Какие гипотезы существуют на этот счет?
Первоначально считалось, что уголь - результат преобразования органики под действием только высокого давления и температуры. Однако в 2021 году было высказано предположение о роли микроорганизмов, в частности метаногенных архей, в генезисе угля.
Таким образом, углеобразование может быть не только физико-химическим, но и биогенным процессом. Дальнейшие исследования помогут точно установить механизм этого уникального природного явления.
Необычное применение угля
Помимо традиционного использования в качестве топлива, уголь находит и другие, порой неожиданные применения благодаря своим уникальным свойствам.
Например, активированный уголь используют в фильтрах для очистки воды и воздуха, поскольку он обладает развитой пористой структурой и большой площадью поверхности.
Окаменевшие разновидности угля - гагат, джет - применяют в ювелирном деле. Их идут на изготовление поделок, бус, камей. Так уголь обретает вторую жизнь в виде предметов искусства.
Перспективы развития угольной энергетики
Несмотря на активное развитие возобновляемых источников энергии, уголь сохраняет большой потенциал как энергоноситель будущего. Почему?
Во-первых, запасов угля хватит еще на сотни лет при существующем уровне потребления. Во-вторых, он является относительно дешевым источником энергии по сравнению с нефтью и газом.
Наконец, совершенствование технологий сжигания и глубокой переработки угля позволит сделать его использование более экологичным и рациональным. Таким образом, уголь сохранит свое значение в мировой энергетике.