Мацералы угля

Органическое вещество углей, наблюдаемое под микроскопом, состоит из мацералов, отличающихся между собой по цвету, показателю отражения, микрорельефу, морфологии, структуре и степени ее сохранности, а также по размерам. При количественном петрографическом анализе мацералы углей объединяют в группы по близким химико-технологическим свойствам.

Принято выделять четыре группы мацералов: витринита, семивитринита, инертинита и липтинита. Выделение в углях под микроскопом этих групп веществ в свое время сыграло огромную роль при изучении спекающих свойств углей. С учетом этих групп были выявлены многие закономерности, которые впоследствии легли в основу прогнозов коксуемости углей различных бассейнов. Объединение микрокомпонентов в указанные группы проводится также в тех случаях, когда требуется нанести их на треугольную классификационную диаграмму гумусовых углей.

При наиболее детальных исследованиях исходного материала углей выделяются отдельные типы тканей, имевшие при жизни растений различное функциональное назначение (древесина, кора, механическая ткань, листовая паренхима и т. п.), и отмечается степень их разложения путем указания их структурных признаков.

В группу витринита входят любые остатки лигнино-целлюлозных тканей высших растений, подвергшиеся гелификации и не обнаруживающие под микроскопом сколько-нибудь ясно выраженных изменений окраски, расцениваемых в качестве признаков фюзенизации. Микрокомпоненты группы витринита могут иметь любую степень сохранности первоначального анатомического строения, так же как и любые размеры частиц, начиная от крупных фрагментов и кончая мельчайшими комочками, размером в несколько микрометров. В тонких шлифах в простом проходящем свете микрокомпоненты данной группы имеют яркую окраску, колеблющуюся в пределах желтовато-оранжевых, оранжевых, оранжево-красных и красных оттенков[3]. В простом отраженном свете они обладают светло-серой, а с масляной иммерсией - более интенсивной серой окраской. Как в проходящем, так и в отраженном свете указанные оттенки окраски могут варьировать в зависимости от различий в первичном составе исходного материала, условий его разложения и последующих изменений в процессе диагенеза и метаморфизма.

Микрокомпоненты группы витринита легко отличимы от микрокомпонентов групп семифюзинита и фюзинита с помощью любых методов оптических исследований, применяемых в углепетрографии. Для того чтобы безошибочно отличить их от микрокомпонентов группы семивитринита, необходимо изучать угли в отраженном свете с масляной иммерсией, измерять их отражательную способность или применять двусторонне полированные шлифы высокого качества.

В количественном отношении это - самая распространенная группа микрокомпонентов, встречающаяся в угольных пластах любого бассейна и любого геологического возраста. Она наиболее развита в блестящих и полублестящих углях класса гелитолитов, но, убывая постепенно количественно, прослеживается вплоть до самых матовых разностей фюзенолитов. Генетически эта группа чаще всего связана с фацией сильнообводненных застойных болот, но в том или ином количестве присутствует также в углях ряда других фаций.

Микрокомпоненты группы семивитринита, подобно микрокомпонентам предыдущей группы, также представляют собой продукты гелификации тканей высших растений, но отличаются от микрокомпонентов группы витринита несколько иной окраской под микроскопом. Принято считать, что остатки слагающих их растительных тканей помимо остудневания дополнительно подверглись некоторому окислению, отождествляемому с весьма слабой фюзенизацией. В тонких шлифах, в простом проходящем свете, микрокомпоненты группы семивитринита имеют светло-коричневые оттенки, не всегда легко отличимы по оттенкам от микрокомпонентов соседних групп. В отраженном свете с масляной иммерсией они обладают довольно низким рельефом и молочным, до светло-серого, цветом.

Незначительные, а поэтому не всегда достаточно отчетливо выраженные признаки отличия микрокомпонентов группы семивитринита служат причиной того, что эта группа микрокомпонентов различается далеко не всеми углепетрографами. Вследствие этого ее распространенность и приуроченность к углям определенных фаций еще точно не установлены.

В группу инертинита входят любые остатки растительных тканей, которые помимо предварительного остудневания испытали достаточно отчетливо выраженное воздействие процессов фюзенизации, отождествляемое с окислением. В соответствии с этим микрокомпоненты данной группы обнаруживают в тонких шлифах различные оттенки от коричневого до черного цвета. Семифюзенит в аншлифах как по цвету, так и по степени выраженности рельефа занимают промежуточное положение между микрокомпонентами групп семивитринита и фюзинита. Микрокомпоненты группы семифюзинита довольно легко диагностируются под микроскопом как в проходящем, так и в отраженном свете, но для большей достоверности определения рационально применение отраженного света в сочетании с масляной иммерсией и измерением отражательной способности. Генетически микрокомпоненты группы семифюзинита наиболее присущи фации слабоувлажненных лесных болот, хотя встречаются также и в углях других фаций.

В группу инертинита объединены микрокомпоненты всех оттенков черного (в тонких шлифах) и белого цвета, иногда желтоватые, имеющие высокий рельеф (на аншлифах) и образовавшиеся из остатков тканей высших растений, независимо от их размеров, ботанической природы и степени сохранности признаков клеточного строения. Микрокомпоненты данной группы легче и безошибочнее определяются в отраженном свете, особенно с применением масляной иммерсии и измерений отражательной способности. При изучении их в проходящем свете необходимо, чтобы шлифы имели тонкую и равномерную доводку, исключающую ошибочное отнесение к фюзиниту микрокомпонентов предыдущей группы. Микрокомпоненты группы фюзинита встречаются в угольных пластах всех геологических возрастов и стадий углефикации, но наиболее типичны они для каменных углей. Образование их обычно связывают с условиями сухой аэробной среды или лесными пожарами. В наибольшем количестве они встречаются в угольных пластах ранней перми и юры, входят в состав различных типов углей класса фюзенолитов.

В группу липтинита объединены всевозможные стойкие растительные остатки, ранее носившие наименование желтых форменных элементов. Они различны по происхождению, но сходны в том, что все они при жизни растения играли защитную роль. К ним относятся оболочки спор и пыльцы, кутикулы, суберинизированные коровые (пробковые) ткани, некоторые элементы органов спороношения и смоляные тела.

В простом проходящем свете окраска этих микрокомпонентов, зависящая не только от специфики их вещественного состава, но также и от условий первичной среды превращения и степени углефикации, изменяется от желтых до оранжево-красных и буро-красных оттенков, а отчетливая видимость сохраняется только до стадии коксовых углей. При скрещенных николях в двусторонне полированных тонких шлифах эти микрокомпоненты видны в углях любых стадий углефикации, но лишь при соответствующей толщине шлифа, которая должна быть тем меньше, чем более метаморфизован уголь. В полированных тонких шлифах антрацитов споры видны только в тех участках, толщина которых не превышает 5 - 7 мкм.

На аншлифах в отраженном свете эти микрокомпоненты наиболее хорошо различаются с применением масляной иммерсии. При этом окраска их изменяется от серо-черной в бурых и длиннопламенных углях до бело-серой в коксовых отощенных. В углях ряда последующих более высоких стадий углефикации они при данном методе исследования практически неразличимы, и только в антрацитах (с выходом летучих менее 6 %) они вновь становятся видны в поляризованном отраженном свете.

Отдельные микрокомпоненты этой группы неодинаково представлены в углях различного геологического возраста. Оболочки спор в наибольшем количестве встречаются в раннем карбоне; пропитанные спорополленином спорангии - в среднем и отчасти позднем карбоне; остатки суберинизированной коры - в поздней перми, мезозое и кайнозое; смоляные тела - в мезозое и кайнозое; скопления остатков кутикулы - зачастую в среднем девоне (“барзасская рогожка”), раннем карбоне (“бумажный уголь” Подмосковного бассейна), а также в поздней перми и в мезозое, где они связаны с листопадной флорой. За исключением отдельных максимумов, приходящихся на те или иные геологические периоды, микрокомпоненты группы липоидинита большей частью играют в углях второстепенную роль. Встречаются они в отложениях многих фаций, однако в относительно большом количестве обычно присутствуют преимущественно в углях фации проточных болот.

В группу альгинита входят остатки талломов микроскопических колониальных водорослей (талломоальгинйт) и продукты их предельного разложения в виде бесструктурного гелеобразного вещества (коллоальгинита), содержащего также примесь тончайших минеральных частиц и продуктов распада низших зоорганизмов. Это - типичные углеобразующие компоненты сапропелитов и гумито-сапропелитов, но встречающиеся в качестве второстепенных или редких включений также в составе гумусовых углей.

Талломоальгинит может иметь различную степень сохранности первоначального строения: от колоний с характерными для определенного вида водорослей очертаниями и четко различимыми контурами входящих в их состав отдельных особей (богхеды Подмосковного бассейна) до овальных или веретеновидных тел, лишенных каких бы то ни было признаков структуры (многие сапроколлиты Иркутского бассейна и др.). В тонких шлифах углей низких стадий углефикации талломоальгинит в простом проходящем свете имеет очень светлую, зеленовато-желтую, окраску, а в ультрафиолетовом - интенсивно люминесцирует желтоватым, зеленовато-голубым или голубым цветом. В отраженном свете с масляной иммерсией он всегда несколько темнее микрокомпонентов группы липоидинита и характеризуется более низкой отражательной способностью. По мере увеличения степени метаморфизма плотность талломоальгинита резко возрастает, и на границе между стадиями Ж и К она значительно превышает плотность коллоальгинита и десмито-витринита. В связи с этим талломоальгинит приобретает отчетливо выраженный рельеф на аншлифах, а в двусторонне полированных тонких шлифах выглядит темно-коричневым, значительно темнее десмито-витринита. В углях высоких стадий углефикации он различим только при скрещенных николях в особо тонких полированных шлифах, где имеет различные оттенки оранжевого или красного цвета.

К коллоальгиниту относится бесструктурное коллоидальное вещество, в наиболее типичном виде представленное в сапроколлитах юрского возраста. Оно образовалось в основном за счет ослизнения низших водорослей, но в том или ином количестве содержит также примесь тонкодисперсной глины и продукты распада низших зоорганизмов. В тонких шлифах слабоуглефицированных сапроколлитов в простом проходящем свете окраска его варьирует в пределах желтых и оранжево-желтых оттенков, а в отраженном свете с масляной иммерсией по сравнению с микрокомпонентами группы липоидинита он имеет более глубокий темно-серый цвет. В проходящем ультрафиолетовом свете он люминесцирует желтым, а в падающем - тускло-желтым или тускло-голубым цветом, при этом интенсивность свечения менее сильная, чем у талломоальгинита. Структура коллоальгинита обычно комковатая, причем комковатость может быть выражена в самой различной степени.

Микрокомпоненты группы альгинита являются углеобразуюшими в сапропелитах и гумито-сапропелитах, играют второстепенную роль в сапрогумолитах и встречаются единично в гумолитах, где присутствуют преимущественно в углях, образовавшихся в условиях наиболее обводненных фаций угленакопления.

К группе склеротинита отнесены микрокомпоненты, сформировавшиеся из остатков низших грибов, для которых характерно присутствие хитина. К ним относятся собственно склероции (ортосклеротинит), гифы грибов (гифосклеротинит), споры грибов (споросклеротинит) и ложная паренхима грибов (плектенхимосклеротинит).

В тонких шлифах все эти образования имеют густую черно-коричневую окраску, которая еще до недавнего времени расценивалась в качестве признака фюзенизации и служила основанием для отнесения их к микрокомпонентам групп семифюзинита и фюзинита. Однако обнаружение подобных остатков низших грибов в гелитовых современных торфах наводит на мысль о том, что свойственная им окраска вовсе не является результатом фюзенизации, а присуща их хитинсодержащему веществу точно так же, как аналогичная окраска свойственна хитиновым панцирям многих насекомых. Микрокомпоненты группы склеротинита характеризуются значительной твердостью, имеют в аншлифах отчетливо выраженный рельеф, а с применением масляной иммерсии - белую или желтовато-белую окраску.

Остатки низших грибов можно встретить во многих типах углей мезозоя и кайнозоя, где их количества редко превышают 0,5 - 1,0 % от общего объема угольного вещества. Вследствие этого данные о химических свойствах этих микрокомпонентов в литературе практически отсутствуют.

При изучении микроструктуры углей палеоген-неогенового возраста, а также ископаемых и современных торфов очень часто можно встретить скопления гифов и склероций грибов, приуроченные к остаткам древесины, равно как и различные типы причиненных грибами разрушений растительных тканей. Не подлежит сомнению, что аналогичные грибные организмы существовали и в более ранние геологические периоды. Поэтому есть основание полагать, что микрокомпоненты, широко распространенные в углях позднего палеозоя и известные под названием фюзенизированных округло-угловатых тел, являются не чем иным, как склероциями грибов и, следовательно, могут быть отнесены к группе склеротинита. Многие склероции обладают настолько характерными индивидуальными признаками, что с успехом могут использоваться для стратиграфического расчленения.

К микрокомпонентам невыясненной природы отнесены: мелкозернистый микринит, микстинит и корповитринит. Понятие “мелкозернистый микринит” заимствовано из западноевропейской литературы по петрологии углей и означает скопление мельчайших (от 1 мкм до нескольких микрометров) частичек бесструктурного растительного детрита, непрозрачных или слабо просвечивающих в проходящем свете и белых или желтовато-белых в отраженном свете с масляной иммерсией. В очень тонких шлифах слабометаморфизованных углей отдельные частички тонкозернистого микринита имеют красно-коричневую окраску и слабовыраженные признаки анизотропии. По мнению одних исследователей, данный микрокомпонент состоит исключительно из мельчайших осколков фюзенизированных растительных тканей, тогда как другие ученые считают, что в его состав входит также микроаттринит липоидных микрокомпонентов.

В процессе коксования мелкозернистый микринит играет роль отощающей присадки, но из-за преимущественного дисперсного распределения в угле не способствует образованию трещин в коксе.

Чаще всего встречается в сочетании с микроспорами или другими микрокомпонентами аттритовой размерности и обычно приурочен к углям, образовавшимся в условиях слабопроточного режима накопления.

Под микстинитом различными авторами и в разное время понималось далеко не одно и то же. Так, в ГОСТ 9414 - 74 (Угли каменные) микстинит охарактеризован в качестве тонкой смеси (с размером частиц до 1 мкм) коллинита с микринитом или минеральными примесями. В ГОСТ 12112 - 66 (Угли бурые) микстинит выделен в отдельную одноименную группу и согласно приведенному определению представляет собой тонкую смесь компонентов группы витринита с минеральными примесями, главным образом с глиной или коллофюзинитом. Размер частиц достигает 2 мкм. В зависимости от исходного материала в микстините выделяют две разновидности: гумомикстинит - смесь коллинита с минеральными примесями - и сапромикстинит - смесь коллоальгинита с минеральными примесями.

3. Определение показателя отражения витринита и разделение углей на стадии метаморфизма и классы

Разнообразные свойства углей, имеющие значение для различного промышленного использования, в конечном итоге обусловлены определенными генетическими характеристиками, такими как петрографический состав, показатель отражения и некоторыми другими параметрами.

Показатели отражения закономерно возрастают в процессе метаморфизма углей и поэтому используются как наиболее чувствительные для характеристики стадии метаморфизма. Несмотря на то, что в процессе метаморфизма возрастают показатели отражения всех микрокомпонентов, удобнее определять показатели отражения внтринита в каменных углях и антрацитах и гумоколлинита в бурых углях. Показатели отражения определяют по гост 12113—77.

Образцы для испытания, т. е. аншлифы-брикеты изготавливаются так же как и для определения петрографического состава. При подготовке аншлифов-штуфов (образцы угля размером 30х30х30 мм и более), операциям шлифования и полирования предшествует пропитка образца синтетическими смолами, канифолью с ксилолом и др.

Определение показателей отражения основано на измерении и сравнении токов в фотоэлектронном умножителе при действии света, отражающегося от исследуемого образца и образца сравнения (для последнего известен показатель отражения). К качеству образцов сравнения предъявляются высокие требования. Используются оптические стекла, лейкосапфир, горный хрусталь, алмаз с показателем отражения в масляной иммерсии от 0,3 до 7%. Эти показатели должны быть определены в специальных лабораториях (или рассчитаны по показателю преломления). Фототок регистрируется измерительным прибором (потенциометр, микроамперметр, цифровой вольтметр).

При использовании микроамперметра должна быть определена цена деления шкалы. Цена деления прибора может быть установлена более точно, если ее определять до и после испытания образца. После определения цены деления образец сравнения заменяют на испытуемый, на рабочую поверхность которого наносят иммерсионное масло. Далее следует уточнить наводку на фокус, включить фотоумножитель и снять показания регистрирующего прибора.Прииспытаниях аншлиф-брикета производят от 30 до 100 измерений (на участках, равномерно распределенных по всей исследуемой поверхности) и определяют среднее арифметическое значение. При испытании аншлифа-штуфа выполняют 20—30 измерений. Согласно ГОСТ 12113—77 измерение в воздухе проводят при более низких значениях апертурной диафрагмы, напряжения осветителя и рабочего напряжения фотоумножителя.

Для измерения в поляризованном свете (целесообразно для углей с показателем отражения более 1 %)—в иммерсионном масле или воздухе—поляризатор устанавливают под углом 45° к плоскости оптических осей микроскопа.

По каждому участку витринита (их должно быть 10 и более) проводятся отсчеты четыре раза — через каждые 90° поворота столика; при этом показатели отражения получают по два раза в положениях наибольшего просветления и потемнения и вычисляют средние, максимальные и минимальные значения показателя отражения. Например, показатель отражения

В соответствии с ГОСТ 21489—76 граница между классами и стадиями устанавливается по средним значениям показателей отражения (в %) по аншлифам-брикетам в монохроматическом неполяризованном свете в иммерсионном масле R° и в воздухе R^a или 10R^a.