Petrologia węgla - kolokwium nr. 1
1)WSTĘP: Węgiel - skała pochodzenia organicznego , osadowa, która została utworzona z różnych roślin (drzewa, krzewy, mchy, porosty, części roślin, pnie, gałęzie, korzenie, liście, spory, substancja korowa, żywice, algi), skład chemiczny węgla zmienia się w czasie procesów uwęglenia. Procesy, którym może ulegać materia organiczna: przeobrażenia w zależności od dostępu do tlenu w kierunku malejącej: próchnienie, butwienie, torfienie, gnicie (fermentacja). Próchnienie - ma miejsce na powierzchni gleby przy pełnym nieograniczonym dostępie tlenu. W takich warunkach materia organiczna ulega rozpadowi na CO2 i H2O, a na miejscu zostaje nam materia mineralna (żywice, substancja korowa). Butwienie - ma miejsce w glebie, ale to gleba jest ciągle wilgotna i obecność wilgoci hamuje proces rozkładu materii organicznej. Znaczna część materii organicznej przeobraża się w dwutlenek węgla i wodę, ale to co nam pozostaje jest tzw. ziemią zbutwiałą i ta ziemia zbutwiała charakteryzuje się wyższą zawartością pierwiastka C w porównaniu z materiałami wyjściowymi. Torfienie - zachodzi na torfowiskach, kiedy materia organiczna jest przykryta warstwą wody, przeobrażenia przy udziale bakterii tlenowych w górnej części torfowiska, w głąb torfowiska zanika udział bakterii tlenowych, bakterie beztlenowe niżej. Tworzy się metan. Produktem procesu jest torf (suchy). Gnicie (fermentacja) - nachodzi w najgłębszych częściach jezior, w warunkach beztlenowych, gdzie z drobnego materiału tworzy się szlam gnilny (gytia), który charakteryzuje się wysoką zawartością substancji białkowych. Uwęglenie - czyli procesy fizykochemiczne zachodzące w materii organicznej od stadium torfu do stadium antracytu a nawet grafitu. Pod względem chemicznym zwiększa się zawartość węgla w węglu. Ubywa zawartość tlenu, wodoru, części lotnych. Wzrasta wartość opałowa. [megadżule/kg]. Pod względem makroskopowym: barwa z brunatnej w różnym odcieniu staje się czarna (szaro czarna). Rysa z brunatnej staje nam się czarna. Połysk matowy (brunatny), błyszczący (kamienne) do diamentowego, metalicznego. Intensywność połysku wzrasta wraz ze stopniem uwęglenia. Cechy petrograficzne: refleksyjność (zdolność odbicia światła [R]), która wzrasta ze wzrostem stopnia uwęglenia. Pod względem przeobrażenia materii organicznej: a) najsłabiej przeobrażona - (torf), b) słabo przeobrażona - (węgiel brunatny), c) średnio przeobrażona - (węgiel kamienny), d) silnie przeobrażona - (anrtacyt). Kaustobiolity stałe - są to stałe skały palne. Wyróżniamy 4-ry rodzaje: a) skały humusowe (humulity) np. węgle kamienne czy brunatne - powstały te skały z przeobrażonej materii organicznej nagromadzonej na torfowiskach, obecność pasemkowatości. b) skały sapropelowe
2)(sapropelity) - najgłębsze części jezior w czasie procesów gnicia (fermentacji) w warunkjach beztlenowych, charakteryzują się one brakiem pasemkowatości, występuje czasem lamina węgla błyszczącego. Barwa jest szaroczarna, szklisto czarna, połysk matowy, przełam muszlowy, bądź nierówny, mniejsza zawartość części lotnych w porównaniu z humusami. Mają mniejszy ciężar właściwy. SKAŁY SAPROPELOWE C.D: brak pasemkowości, kennele i bogheady. Bogheady - w najbardziej środkowych częściach jezior. Algi to charakterystyczny składnik petrograficzny. Mamy też bituminit, mikrynit, nitrodetrynit, inertodetrynit. Kennele - spory to charakterystyczny składniki, które tkwią pomiędzy ziarnami nitrodetrynitu i inertodetrynitu. Tu tworzyły się na obrzeżu bogheadów. Charakteryzują się mniejszą gęstością prasmoły. Palą się one kopcącym płomieniem. Skały liptobiolitowe - liptobiolity, powstały z nagromadzenia takich części roślin jak żywice, spory, tkanka korowa, putyna. Te składniki powyżej 75% składu stanowią, do 25% występować może inertynit, a do 20% witrynit. W warunkach beztlenowych lub przy pełnym dostępie tlenu powstały. Utworzone z celulozy i ligniny zostały rozłożone, a na ich miejscu nastąpiła koncentracja alg, żywic, (...) która utworzyła skały liptobiolitowe. Łupki bitumiczne i humusowe - to są humusowe węgle matowe o wysokiej zawartości części lotnych. TORFY: Torfy - są to skały utworzone na torfowiskach i charakteryzują się zawartością pierwiastka C powyżej 60%, a wilgoci powyżej 75%. Jest to granica z węglami brunatnymi ( w brunatnych C powyżej 60%, poniżej 75%. Węgle brunatne torfo podobne - pierwiastek C 57-65%, wilgoć 60-75%. Podział torfowisk: a) niskie, b) wysokie, c) przejściowe. Niskie - tworzą się w zagłębieniach terenu, w dolinach starorzeczy, w miejscach zasilanych przez strumienie, rzeki, niosą te z kolei dużą zawartość substancji odżywczych. Zróżnicowanie roślinności na takich torfowiskach jest największe (drzewa, krzewy, trzciny, mchy, porosty). Zawartość substancji mineralnych jest największa 6-18%. Wysokie - tworzą się na wododziałach, na wyniesieniach terenu, mają charakter kopulasty, są bardzo mało żyzne z tego względu, że zasilane są przez opady atmosferyczne. Mchy, porosty, drzewa czy krzewy są sporadyczne. Powierzchnia niejednorodna. Wyróżnia się kępki i dolinki (suchsze, wyniesione). Następuje tu właściwy przyrost masy torfowiska. Zawartość substancji mineralnych 2-4%. Przejściowe - na granicy torfowisk niskich i wysokich. Zasilane przez wody z opadów, strumienie i potoki. Rośliny to 3 skupiska (mszary, łąki, zbiorowiska leśne). Zawartość materii mineralnej 1-6%. Szczątki roślinne - w torfach określane są mianem fiterały (korzenia, łodygi, spory, kora, liście, nie do końca spalona
3)tkanka drzewna powstała w czasie pożarów na torfowiskach. Brykiet - powstaje przy wysuszeniu torfu. WĘGLE BRUNATNE I ICH PODZIAŁ MAKROSKOPOWY: Barwa od brunatnej, żółto brunatnej, po czarną. Rysa brunatna, połysk matowy, jedwabisty i błyszczący. Zawartość C 60-71%. Refleksyjność poniżej 0,5%. Litotypy - odmiany makroskopowe węgli. Cechy: barwa, połysk, struktura, przełam. Węgle brunatne: a) miękkie, b) twarde. Miękkie: Słabiej uwęglone węgle brunatne i w nich zawartość C 60-66%. Wyróżnia się 4 główne litotypy oraz poboczne. Litotypy: 1. Węgiel ksylitowy (ksylit) - trochę bardziej uwęglone węgle, barwa: jasnobrunatna lub ciemnobrunatna. Zwięzły - zależny od gatunku węgla i warunków na torfowiskach. Połysk: matowy. Do 10% węgla ziemistego. Węgiel żeloksylitowy (odmiana) - powstał, że część tkanek. w których wchodziła lignina, celuloza uległa rozłożeniu, powstały żele humusowe, które wmigrowały w tkankę węgla i uległy zestaleniu. 2. Węgiel ziemisty - różni się od ksylitowego, jest bardziej jednorodny, w którym nie ma praktycznie fragmentów drewna. Do 10% węgla ksylitowego. Połysk matowy. 3. Węgiel ksylitowo-ziemisty - 50-90% węgla ziemistego, reszta ksylitowy. 4. Węgiel ziemisto-ksylitowy - 50-90% ksylitowego, reszta to ziemisty. Odmiany akcesoryczne w miękkich węglach brunatnych: a) węgiel żelowy (doppleryt) - utworzony z żeli humusowych. b) węgiel nabłonkowy (kutikulowy) - powstał on z nagromadzenia liści. Bardzo kruchy. c) węgiel fuzynowy (włóknisty) - o wyraźnej strukturze węgla, barwa brunatno-czarna do czarnej, połysk jedwabisty. Bardzo kruchy i bardzo brudzi ręce. Tworzy soczewki o długości kilkunastu, parudziesięciu cm, a grubości kilku, kilkunasto cm. Występuje z ksylitami. Twarde węgle brunatne: C-66-71%, wyżej uwęglone niż miękkie. Barwa ciemnobrunatna do czarnej. Połysk matowy, włóknisty, błyszczący. a) węgle brunatne twarde matowe - połysk matowy, przełam nierówny, zadziorowaty. Jeśli widzimy strukturę drewna to jest to węgiel ortoksylitowy, jeśli nie widzimy (jednorodny) ortodetrytowy, b) węgle brunatne twarde błyszczące - barwa czarna, połysk błyszczący, rysa w dalszym ciągu brunatna. WĘGIEL KAMIENNY I ANTRACYTY I ICH ROZPOZNAWANIE MAKROSKOPOWE: Węgiel kamienny - zawartość wilgoci poniżej 8-10%, zawartość części lotnych poniżej 42%, pierwiastek C w granicach 71,89%, cecha to refleksyjność. Cechy makroskopowe węgli kamiennych: a) barwa: czarna, szaroczarna, smolistoczarna, zależna od składu petrograficznego węgla, b) połysk: matowy, lśniący, jedwabisty, c) ze wzrostem stopnia uwęglenia następuje wyrównywanie połysku, następuje zwiększanie jego intensywności w czasie, od
4)błyszczącego do metalicznego i diamentowego, d) przełam: kostkowy, romboedryczny, nierówny, ziarnisty, włóknisty, obecność pasemkowatości. Ze względu na grubość pasemek i smug węgiel podzielono na 4-ry grupy: a) smugowy - grubość smug poniżej 1mm b) drobnopasemkowy - pasemka od 1-3 mm c) średniopasemkowy - pasemka od 3-7mm d) węgiel grubopasemkowy - pasemka powyżej 7mm. Odmiany makroskopowe węgli kamiennych (litotypy): a) błyszczący - witryn, b) półbłyszczący - klaryn, c) matowy - duryn, d) włóknisty - fuzyn. Błyszczący (Witryn) - węgiel o barwie intensywnie czarnej, smolistoczarnej, połysku błyszczącym do diamentowego, metalicznego. Jest dosyć kruchy. Krusząc się tworzy sześciany, romboedry. Wchodzi w skład drobniejszych mas ziarnowych. Będzie on jednym z głównych składników pyłu węglowego. Często tworzy pasemka w węglach o grubości 1mm - paru cm. Zawartość tego litotypu w litotypach wzrasta w czasie uwęglenia. Występowanie związane z facją leśną. Półbłyszczący (Klaryn) - charakteryzuje się z naprzemianległych występujących smug i pasemek węgla matowego i błyszczącego. Grubość pasemek od 1-3mm. Własności pośrednie pomiędzy węglem błyszczącym a matowym i to jest najczęściej występujący litotyp w węglach górnośląskich. Matowy (Duryn) - barwa może być szaroczarna, bądź smolistoczarna. Połysk matowy. Intensywność połysku wzrasta stopniowo w czasie uwęglenia. Są tu laminy węgla błyszczącego. Jest to węgiel twardy, zwięzły, trudnourabialny. Koncentruje się w największych klasach ziarnowych. Włóknisty (Fuzyn) - powstaje na skutek pożarów. Tworzy soczewki o długości kilkunastu cm, grubości paru mm. Barwa czarna, połysk jedwabisty. Bardzo kruchy. Koncentruje się w najdrobniejszych klasach ziarnowych. Będzie on składnikiem pyłów kopalnianych. Dwie odmiany ze względu na zawartość substancji mineralnej: a) Fuzyn niezmineralizowany - 2-4% zawartości substancji mineralnych, b) Fuzyn zmineralizowany - o zawartości substancji mineralnych do 32%, komórki wypełnione jakimiś minerałami: siarczki, minerały ilaste, węglany. ANTRACYTY: zawartość części lotnych poniżej 14%. Refleksyjność powyżej 2%. Pierwiastek C powyżej 8,9%. Barwa szaro-czarna. Połysk diamentowy do metalicznego. Stają się coraz bardziej zwięzłe, zanika w nich pasemkowatość. GAGATY: Sołtyków, z siarką, biżuteria żałobna, okres Wiktoriański. Żaba - symbol wody. GRUPY PRÓBEK: a) próbki pokładowe - pobierane w miejscu występowania pokładu węgla, b) próbki produkcyjne - pobierane poza miejscem występowania węgla, określona jako próbki non-insitu. PRÓBKI POKŁADOWE: a) musi być pozwolenie na pobieranie takich próbek, b) dokładna lokalizacja
5)(współrzędne, jaka kopalnia, głębokość), c) nie pobieramy skał zwietrzałych tylko świeże, d) określenie litologii pokładu (określenie litotypów w pokładzie), e) określamy od stropu do spągu, prostopadle do biegu pokładu. Rodzaje, cel i sposób pobierania: a) słupowe próbki - określenie genezy pokładu, określenie zmienności facjalnej danego pokładu, przy pomocy młotka i dłuta wybieramy słup o długości i głębokości 20x20cm, wyjmujemy od góry fragment słupa o długości 10cm, jednorodny litologicznie, odpowiednio zabezpieczamy, włożyć do woreczka razem z kartą informacyjną, zabezpieczyć (woreczki strunowe). b) bruzdowe próbki - ich celem pobierania jest określenie zmienności jakości węgla w pokładzie, rozkładamy w spągu brezentową płachtę i za pomocą młotka i dłuta wybijamy bruzdę o szerokości i głębokości 15x15cm lub 30x30cm, to co na płachtę spadnie to umieścić w woreczku, opisać i zabezpieczyć. PRÓBKI PRODUKCYJNE: a) pobierane poza miejscem występowania węgla, b) cel to określenie zmienności jakości urobku, c) transport: wagony kolejowe, d) pierwsze próbki pobieramy w odległości 1m od krótszej krawędzi wagonu, e) próbki cząstkowe pobieramy w każdym z 15 punktów, równo pooddalanych od siebie, f) każda próbka cząstkowa..., g) próbki zsypujemy do jednego worka, robimy próbę ogólną z tego, h) próbki nie pobieramy z powierzchni wagonu tylko się musimy wkopać w węgiel, bo na powierzchni węgiel jest zwietrzały, kopalnia mogła nasypać u góry węgiel o lepszych parametrach, pobieranie próbek jest przez producenta, i) cecha węgla jest uzależniona od różnych parametrów (laboratorium rozjemcze wykonuje analizy), j) transport: wozy transportowe (próbki pobierane są w pięciu punktach, pobieramy w każdym z tych punktów próbkę o masie 5kg i wkopujemy się w węgiel, k) transport: taśmociągi (próbki cząstkowe węgla są zsypywane w określonych odstępach czasu przy pomocy łopaty, na odcinku 0,5m, jest to próba cząstkowa, l) transport: podnośniki kubełkowe. 25kg próbka - wykonujemy analizy, tego jest za dużo, próbka ma być reprezentatywna dla tych 25kg, ma być ona mniejsza (trzeba próbkę skruszyć, schomogenizować, pomierzyć), specjalne bębny do tych próbek są. Węgiel kruszy się do frakcji 10 lub 3mm. Na podłodze rozkłada się płachtę i usypuje się łopatą stożek, aby uzyskać próbkę o mniejszej masie robimy kwartowanie. Analizy dla węgli: a) analiza techniczna - zawartość wilgoci, zawartość części lotnych, zawartość popiołu, ciepło spalania oznaczane laboratoryjnie, a z niego wyliczana jest wartość opałowa w kilodżulach/kg, bądź w megadzulach/kg, b) analiza elementarna (chemiczna) - określenie zawartości pierwiastków: węgiel, tlen, azot, wodór, siarka (siarka całkowita, siarka palna, siarka
6)popiołowa, organiczna, siarczanowa i pirytowa, analiza pozostałych pierwiastków w węglu (względy środowiskowe, jak węgiel się będzie spalać), c) analizy petrograficzne - zawartość poszczególnych grup macerałów i minerałów w węglu: *analiza zawartości mikrolitotypów i karbomineryty, *pomiary refleksyjności (przypadkowej, maksymalnej i minimalnej), *fluorescencja, *analiza spiekalności. Przygotowanie preparatów do badań petrograficznych: a) rodzaje: *zgłady ziarnowe - plastelina przyklejona na szkiełko, poniżej 1mm frakcji się kruszy, zatapia w żywicy, zostawia do stwardnienia, kiedy stwardnieje szlifujemy i polerujemy preparat (papiery ścierne, proszki szlifierskie - kilka takich proszków się stosuje, polerowanie wykonuje się przy pomocy sprayów diamentowych, krzemionki. *zgłady kawałkowe - 2cm grubości, wycięty prostopadle to uławicenia, laminacji węgla, zatapiamy go w żywicy potem szlifujemy i polerujemy, sprawdza się czy jest dobrze wypolerowane, potem badamy mikroskopowo. Przechowywanie próbek: a) część do analiz, część się zachowuje, b) zabezpieczamy odpowiednio, c) przechowujemy w warunkach strunowych, słoikach (szczelnie zamkniętych), d) bierzemy pod uwagę co kiedyś chcielibyśmy z tym zrobić, e) w folię aluminiową wkładamy próbkę, f) myjemy pod zwykłą wodą z włosiem, a nie z włosami plastikowymi. MACERAŁY: są to najmniejsze rozpoznawane mikroskładniki węgli, są one utworzone z materii organicznej. Są rozpoznawane na podstawie: barwa, refleksyjność, fluorescencja, morfologia, kryterium wielkości. Pod względem genetycznym podzielone na 3 grupy: a) huminitu (witrynitu), b) liptynitu, c) inertynitu. GRUPA HUMINITU - jest utworzona z tkanek bogatych w celulozę i ligninę. Te tkanki są w bardzo różnym stopniu zachowuje. Formy: pasemka, soczewki różnej wielkości. Mogą wypełniać szczeliny, spękania w węglu i stanowić masę spajającą dla innych macerałów w węglu. Podzielone na 3 grupy: *Tellohuminitu - macerały o budowie komórkowej w różnym stopniu zachowanej. np. tekstynit o widocznej budowie komórkowej macerał, komórki mogą być wyraźnie widoczne lub ścianki mogą byc zdeformowane, pozaciskane, pofałdowane. Światła komórek mogą być puste. Innymi macerałami może być Rezynit, Poriżelinit, Korpochuminit. np. Ulminit - występujący macerał w formie pasemek, bardzo jednorodny, który nie ma budowy komórkowej. *Detrohuminitu - macerały, które powstały z detrytusu humusowego. np. Atrynit - macerał o wielkości poniżej 10 mikrometrów, o nieregularnym kształcie i poszczególne ziarna są pooddzielane porami czy też żelami humusowymi. np. Densynit - na skutek pozaciskania przestrzeni pomiędzy cząsteczkami atrynitu. Nieregularny, m apewną porowatość, często
7)występuje jako masa spajająca dla innych macerałów w węglu. *Żelohuminitu - utworzone jest z żeli humusowych. np. Żelinit - w dwóch odmianach: a) Poriżelinit - ziarnistymacerał wypełniający ziarna komórek tekstynitu, b) Leniżelinit - wypełnia szczeliny spękania w węglu, jest jednorodny, kiedy żele humusowe wysychają tworzą się w nim szczeliny związane z wysychaniem. np. Korpohuminit - jednorodny bardzo, o barwie nieco jasniejszej w porównaniu z innymi macerałami huminitu, o bardzo charakterystycznej morfologii (kulista, owalna, silnie wydłużona, może mieć różną wielkość. GRUPA LIPTYNITU: Barwa w świetle odbitym białym, ciemnobrunatnej, prawie czarnej, pomarańczowej. Barwa jest zawsze najciemniejsza w porównaniu z pozostałymi grupami macerałów. Refleksyjność najniższa zawsze w tej grupie. Najsilniejsza fluorescencja w tej grupie (od zielonkawożółtej, żółtej do nawet czerwonej). np. Sporynit - utworzony ze spor i pyłków roślin, morfologia jest zamkniętych i zdeformowanych pętli. np. Kutynit - utworzony ze substancji okrywającej liście i zapobiegający przed ich wysychaniem. Morfologia: nitkowata, tasiemkowata, ząbkowany z jednej strony. np. Rezynit - utworzony z żywic, barwa w świetle odbitym białym ciemnobrunatna ale również pomarańczowa. Fluorescencja zmienna w tym samym węglu jasnożółta do ciemnopomarańczowej. Owalny, kulisty. np. Alginit - geneza: algi, owalny, bochenkowata morfologia, bardzo silna jaskrawożółta, żółta fluorescencja. np. Chlorofyllinit - geneza: chlorofil, w formie drobnych ziaren, często współwystępuje z Kutynitynitem. Silna czerwona fluorescencja. Występuje wyłącznie w miękkich węglach brunatnych. np. Bituminit - macerał wtórny, powstały z rozkładu alg, o morfologii ziarnistej, nieregularnej. np. Liptodetrynit - różne fragmenty pokruszonych macerałów, których wielkość wynosi poniżej 10 mikrometrów.