Читая каменную летопись Земли... - Александр Конюхов

Уголь и горючие сланцы — окаменевшие леса и топи

Если немыми свидетелями древних пустынь и прибрежных соляных ванн остались ископаемые соли и песчаные тела дюнного происхождения, то бурые и каменные угли хранят память об иных обстановках и климатических условиях. Говорят, что в углях запечатана энергия солнечных лучей, падавших на Землю в отдаленные эпохи. Впрочем, и соли — продукт солнечной активности, когда под действием его лучей испарялись воды древних водоемов. Однако соли уже не способны отдать энергию солнца обратно. Ценность же углей именно в этом. Они — природные аккумуляторы солнечной энергии, хранители тепла, столь расточительно расходуемого человеком с началом промышленной революции.

Угли не только запасенное тепло. Это еще и огромный резерв углерода, выведенного в свое время из круговорота в природе. В конечном итоге уникальностью нашей биосферы, ее пригодностью для обитания высокоразвитых существ, в том числе и человека, мы обязаны низшим и высшим растениям, изменившим в свое время состав атмосферы от углекислой к кислородной. Ими в остатках прижизненных клеточных структур было запасено огромное количество энергии.

Горючие сланцы стали накапливаться сначала в морских, а затем и в пресноводных бассейнах уже в среднем и позднем докембрии (от 2 до 0,6 млрд лет назад). Так как с тех пор эти древние породы сильно видоизменились и в большинстве своем были метаморфизованы, в них редко удается выделить какие-либо форменные органогенные структуры. Однако элементный и химический состав так называемых черносланцевых пород очень близок к более поздним образованиям того же состава. В них в достаточно большом количестве сохранились реликты клеточных растительных структур и даже отдельные отпечатки организмов, участвовавших в формировании этих специфических осадков. В настоящее время среди ученых нет расхождений относительно происхождения горючих сланцев. Начало им дали многие поколения водорослей — примитивных одноклеточных или более сложно устроенных с многоклеточной структурой.

Поиски современных аналогов привели исследователей в лагуну Куронг на южном побережье Австралии, где за крупным песчаным баром, защищающим лагуну от штормовых волн, в пределах литорали обитают бурые водоросли Bothr yoccocus. Они обладают удивительной способностью сохраняться в неблагоприятные засушливые сезоны, когда морская вода на приливно-отливных площадках частично или полностью испаряется под жаркими лучами солнца. Клетки этих водорослей почти на 40 % состоят из жироподобных веществ, которые не дают им высохнуть и погибнуть. Эти очень устойчивые соединения полимерного строения удается разложить на фрагменты только после обработки горючей щелочью. Лагуна Куронг стала обиталищем мириадов водорослей, тельца которых после гибели остаются на дне, образуя черную органическую массу — так называемый сапропелевый ил. Этот осадок после захоронения обезвоживается, уплотняется и дает резиноподобную темно-коричневую массу — сапропель, что в переводе с французского означает жироподобный. Действительно, в составе сапропеля главную роль играют липиды и жиры; распадающиеся на длинноцепочечные жирные кислоты. Последние имеют длинную углеродную цепь с числом атомов углерода от 20 до 40 и более. Эти соединения разлагаются с большим трудом и в конце концов минерализуются в плотную породу черного цвета, содержащую от 15 до 40 % Сорг. Образцы этих пород способны гореть, за что и получили название горючих сланцев. С помощью пиролиза из них можно получать нефтеподобные продукты, которые идут на те же цели, что и настоящая нефть. В Швеции таким образом используются горючие сланцы силурийского возраста. Получаемая из них нефть дороже природной… У нас горючие сланцы, например кукерситы из Прибалтики, применяются в качестве топлива и химического сырья. Из некоторых разностей получают асфальтовое сырье. Однако широкомасштабная разработка месторождений горючих сланцев еще не начиналась.

После того как низшие растения расселились по наземным водоемам, сапропели и горючие сланцы стали накапливаться в озерах и лиманах. Мягкие сапропелевые илы из озер средней полосы России являются прекрасным удобрением, способным резко повышать плодородие почв. В отличие от горючих сланцев каменные или гумусовые угли образованы остатками высших растений, которые сложены лигнином и целлюлозой — прочными биомолекулами на основе поликонденсированных ароматических ядер. При отсутствии доступа кислорода эти компоненты высших растений хорошо сохраняются и формируют угольные пласты. Благоприятные для аккумуляции торфа, а впоследствии и угля условия складываются в болотах, прибрежных топях и в дельте крупных рек. На пути превращения растительных остатков в каменный уголь выделяется несколько стадий: торфяная, бурых углей, длиннопламенных, жирных, коксующихся и тощих (каменных) углей, наконец, полуантрацитов и антрацитов. Процесс превращения гумусовой растительной органики в угли называется углефикацией. На первом этапе в болотах или прибрежных топях при затрудненном доступе кислорода преобладают биохимические реакции, протекающие при участии бактерий и ферментов. Растительные остатки превращаются в рыхлую, слабо дифференцированную массу — торф, в которой, однако, еще можно различить многие форменные органические структуры: корневые остатки, измененные стебли, стволы деревьев, листья, кутикулу, пыльцу. При погружении в недра под влиянием всевозрастающих температуры и давления торф постепенно обезвоживается, а входящие в его состав лигнин-целлюлозные гетерополи-конденсаты в результате отщепления многочисленных кислородных, гидроксильных, аммиачных и других групп постепенно обогащаются углеродом. Происходит все большая конденсация структуры, ее обуглероживание. На каждой последующей стадии преобразования гумусовые угли теряют определенные компоненты, выделяющиеся главным образом в форме газов. Основная масса остатков, спрессовываясь в породу, теряет свою индивидуальность. Тем не менее и на разных стадиях углефикации в углях еще различаются обуглероженные стволы деревьев, отпечатки листьев и других тканей растений. Специальные микроскопические исследования позволяют выделять несколько характерных компонентов, известных под названиями фюзена, витрена, ксилена и других, более редких.

В фюзене наиболее ясно сохраняется изначальный облик растительной ткани, прижизненных клеточных структур. Витрен и ксилен отвечают разным стадиям распада этих структур и их остудневанию. Образцы с витреновой структурой — витринит — используются для определения максимальной палеотемпературы, при которой в недрах протекали процессы углефикации. Она устанавливается по отражающей способности витринита и играет важную роль при реконструкции тех условий, при которых происходили превращения осадочных пород на больших глубинах в недрах. Как выяснилось, это необходимо для оценки масштабов нефте- и газообразования в отложениях того или иного возраста.

Листая каменные страницы

Вокруг нас существует большой и многообразный мир, которого мы почти не замечаем, — мир осадочных частиц. Именно из них состоят камни, пласты пород, рыхлые осадки, сама земля, иначе говоря, почва, которая нас кормит. Пока осадочные частицы свободны, т. е. не связаны друг с другом, они не остаются надолго на одном месте. Их тащат водные струи, поднимает в воздух ветер, перемещают ледники. Словом, они путешествуют. Осадочные частицы вездесущи. В морской и озерной среде они образуются в результате жизнедеятельности водорослей и донных животных. Совсем мелкие частицы обнаруживаются даже в стратосфере, куда они попадают во время извержений вулканов или пыльных бурь в пустынях. Впоследствии они неминуемо оказываются в составе почвы или донного осадка, а после погружения в недра превращаются в разнообразные горные породы. Из одних строят дома, гидростанции или металлургический завод, где будут плавить обломки других пород, чтобы получить из них металл. Из других получают цемент, из третьих — фарфор. Среди осадочных образований есть такие, которые годятся для изготовления стекла. Есть и породы, применяющиеся в качестве удобрений, для очистки масел, приготовления буровых растворов. Всего не перечесть.

Самый многочисленный и устойчивый тип осадочных частиц — это обломочные частицы. Они образуются на поверхности суши, в основном на континентах, и потому получили название терригенных (от слова «terra» — земля). Обломочными их именуют потому, что в большинстве своем они являются обломками древних горных пород, которые выступают на поверхность и подвергаются затем воздействию различных физических и химических агентов среды: воды, ветра, льда, гуминовых кислот. Разрушаются породы и в результате перепадов температур, а также других факторов. Все это приводит в конце концов к распаду породы на ингредиенты разной величины и состава: обломки, зерна и агрегаты микрокристаллов, т. е. осадочные частицы. Оказавшись на свободе, они покидают родной «очаг» и устремляются в путешествие. У одних мигрантов оно заканчивается очень быстро, так как они находят успокоение совсем недалеко от места разрушения материнской породы, или, как говорят геологи, области сноса. Другие же становятся поистине «летучими» голландцами, переходят из одной сферы в другую, заносятся в заоблачные выси, опускаются на континент в другом полушарии или в океан. Но и здесь, гонимые ветрами, водами или оседлав ледники, они еще долго странствуют по поверхности Земли, пока не найдут наконец пристанища. Рассказ о таком странствии мог бы занять несколько страниц. Но прежде чем отправиться вместе с осадочными частицами в путь, надо познакомиться ближе с местом (точнее, местами) действия, временем в его геологическом смысле, основными действующими лицами. Да и самих «героев» не мешает рассмотреть поближе.