Тема 4. Горючие ископаемые угольного ряда. Торф

Ключевые слова: Торф. Торфогенный слой. Тление. Фюзенизация. Гумификация. Гелификация. Битумизация. Гниение. Болото. Предпосылки торфонакопления.

Торф начальный член горючих полезных ископаемых угольного ряда, предтеча угля. Торфонакопление – начальный этап углеобразования.

Торф – рыхлая органогенная горная порода, образовавшаяся в процессе естественного отмирания и частичного биохимического разложения преимущественно высших растений в условиях повышенного увлажнения и затрудненного доступа кислорода (в болотных условиях). От почвенных образований торф отличается высоким содержанием органического вещества (более 50% по абсолютно сухой массе). Первые сведения о торфе как «горючей земле» встречаются у Плиния Старшего (46 г. н. э.).

Сухое вещество торфа желтого или бурого до черного цвета состоит из не вполне разложившихся растительных остатков и перегноя (гумуса), придающего торфу темную окраску; минерального вещества. Относительное содержание в общей массе торфа продуктов распада растительных тканей, утративших клеточную структуру, называется «степенью разложения торфа». Различают: слабо разложившийся торф (до 20%), средне разложившийся торф (20-35%) и сильно разложившийся торф (свыше 35%). Степень разложения торфов наряду с другими факторами сильно зависит от климата. Чем севернее расположены торфяники, тем меньше степень разложения торфа при прочих равных условиях.

Текстура торфа однородная, иногда слоистая, листоватая или пористая; структура волокнистая при низкой (до 20%) и аморфная при высокой (50-60%) степени разложения. В сухом состоянии объемная масса торфа 0,7-0,75 г/см³, влажность до 20%.

Существует пять основных направлений использования торфа: топливно-энергетическое, сельскохозяйственное, химико-технологическое, медицинское и природоохранное. Топливный торф относится к категории общераспространенных полезных ископаемых и рассматривается как местное топливо². Брикеты торфа высокой степени разложения, получаемые при формовке и сушке имеют высокую механическую прочность и теплоту сгорания 11-13 МДж/кг. Коэффициент фильтрации торфа изменяется на несколько порядков в зависимости от степени разложения и уплотнения. Слаборазложившийся торф – отличный фильтрующий материал, а высокодисперсный - противофильтрационный материал. Слаборазложившийся торф в сухом состоянии имеет низкий коэффициент теплопроводности и высокую газопоглотительную способность. Сухой торф низкой степени разложения обладает высокой пористостью и развитой клеточной структурой. Сорбент из него характеризуется высокой селективностью по отношению к нефти в системе нефть-вода (95-98%), сорбционной емкостью 8-10 г нефти/1г сорбента. Время насыщения нефтью до предельной величины составляет 5-10 мин. Остаточное содержание нефти в воде после удаления сорбента не более 0,0001 г.³ Торф поглощает и удерживает значительное количество влаги, аммиака, катионов (особенно тяжелых металлов). Торфяные месторождения, имеющие природоохранные функции, считаются заповедниками и заказниками.

Торф – сложная полидисперсная система; его физические свойства зависят от свойств отдельных фаз, соотношений между ними, степени разложения или дисперсности твердой фазы, оцениваемой удельной поверхностью или содержанием фракций до 250 мкм. Для торфов характерно большое влагосодержание в естественном залегании, пористость до 96-97% и высокий коэффициент сжимаемости. По зольности выделяют малозольный торф – зольность до 5%, среднезольный 5—10%, в высокозольный свыше 10%. Содержание в золе торфа окислов кремния 10-40%, окислов железа и алюминия 10-40%, окиси кальция и магния 12-40%. По групповому составу органической массы торфов содержание водорастворимых веществ 1-5%, битумов 2-10%, легкогидролизуемых соединений 20-40%, целлюлозы 4-10%, гуминовых кислот 15-50%, лигнина 5-30%.

Элементный состав торфа: углерод 50—60%, водород 5—6,5%, кислород 30—40%, азот 1—3%, сера 0,1—1,5% (иногда 2,5) на горючую массу. Химический состав торфа сложный, определяется условиями образования, составом растений-торфообразователей и степенью разложения (табл. 5).

Таблица 5

Вид топлива	Состав органической массы, %
	С	Н	О + N
Древесина	50	6	44
Торф малой степени разложения	55	6	39
Торф высокой степени разложения	60	5	35

Формирование залежей торфа обусловлено накоплением остатков высших растений, отмершие надземные части которых гумифицируются и минерализуются в поверхностном аэрируемом слое болота, называемом торфогенным горизонтом. Подземные органы растений, находящиеся в анаэробной среде, консервируются и образуют структурную (волокнистую) часть торфа. Интенсивность распада растений-торфообразователей в торфогенном слое зависит от вида растений, обводнённости, кислотности и температуры среды, от состава минеральных веществ. Полуразложившаяся часть отмершей органической массы и остатки тканей, частично сохранивших клеточную структуру, зольные элементы органического происхождения и поступившие извне ежегодно отлагаются на поверхности торфогенного слоя. Минеральные вещества торфяника участвуют в процессах разложения органического материала как катализаторы или же вступают в химическое взаимодействие с органическим веществом.

Степень обводненности определяет мощность торфогенного слоя (до 0,5 м), влияет на активность микроорганизмов и специфику процессов разложения органической массы. В торфогенном слое в период кратковременного (4-10 лет) пребывания в нем осуществляются основные структурные преобразования исходного растительного материала. Протекающие в погруженных частях залежи анаэробные процессы изменяют химический состав органики, не вызывая существенного повышения степени разложения. Ежегодный прирост торфяной залежи по мощности на неосушенных месторождениях составляет порядка 0,3-4,0 мм и зависит от географического положения, климата и этапа развития болотной системы. Выделено четыре пояса торфонакопления - полярный, интенсивного торфонакопления, слабого торфонакопления и ничтожного торфонакопления. Максимальный прирост торфа отмечается в болотных системах лесной зоны умеренных широт. Более 1/5 ее территории России — оторфованные площади. В лесной (избыточно увлажненной) зоне страны сосредоточена наибольшая площадь болот (более 10% территории лесной зоны) и более чем 80% ресурсов торфа.

Среднегодовое количество торфа, образующееся в болотах России, составляет около 250 млн. т в пересчете на 40% влажность. Различают два генетических типа торфообразования: болотный и аллювиально-болотный. Аллювиально-болотное торфообразование имеет место в поймах рек. Для него характерно перекрытие торфа минеральными наносами во время паводков.

По преобладанию растений торфообразователей выделено порядка 150 видов торфа, наиболее часто встречаются 40 видов. Основными растениями-торфообразователями являются белый (сфагновый) и зеленый (пушицевый, гипнум, фускум) мхи, колониальные водоросли, травы (папоротникообразные, цветковые однодольные (осока, пушица, очеретник, камыш) и цветковые двудольные растения, кустарнички (вереск, багульник, голубика, клюква и др.) и древесные (сосна, ель, береза, ольха, ива и др.). Поскольку на торфяных месторождениях произрастает много видов растений, образующих характерные сочетания (болотные фитоценозы), а условия среды их произрастания отличаются по минерализации, обводнённости и реакции среды, сформировавшийся торф на разных участках торфяных болот обладает различными свойствами.

Основные виды физико-химического преобразования органической массы расти­тельного вещества – тление, фюзенизация, гумификация, гелификация, битумизация и гниение.

Тление — первичное биохимическое разложение органического материала во влажных условиях при свободном доступе кислорода по схеме:

С_nН_2nО_n +nО₂ → nН₂О + nСО₂ + 0,5n МДж

и отличается от сжигания растений тем, что тление протекает очень мед­ленно, тепло реакции рассеивается, интенсивность выделяемого тепла благоприятна для размножения бактерий и усиления процесса тления.

Тление носит избирательный характер. Тлению подвергаются преимущественно лигниноцеллюлозные ткани высших растений: сначала разла­гаются менее стойкие растительные эле­менты и меньшие по величине обломки древесины; крупные же обломки древесины сравнительно устойчивы к разложению в силу трудности проникновения бактерий и кислорода вглубь древесины. В результате тления органическое вещество полностью разлагается.

Фюзенизация (обугливание) - разложение лигниноцеллюлозных тканей остатков высших растений за счет окисления при свобод­ном доступе кислорода и дефиците влаге. Дефицит влаги затрудняет деятельность бактерий, органическое вещество разлагается не полностью. Фюзенизация сопровождается почернением и обуглероживани­ем с образованием твердого коллоида, в котором сохраняются детали исходного строения растительных тканей (фюзен). Фюзен один из четырех макроскопически различимых ингредиентов органического вещества угля.

Гумификация - превращение лигниноцеллюлозных тканей высших растений в темно-окрашенные гумусовые вещества при обильном увлажнении и активном воздействии микроорганизмов, при ограниченном доступе кислорода. В результате гумификации образуется гумус торфа. В обезвоженном торфе гумус заполняет пространство между неразложившимся растительным веществом. Гумификации способствует щелочная среда. Максимальная глубина гумификации 1,5 м.

При воздействии микроорганизмов и ограниченном доступе кислорода 1) лигнино-целлюлозные ткани набухают. 2) Стенки клеток заполняют клеточную полость. 3) Растительные ткани размельчаются до состояния коллоидного раствора (золь - молоко)⁴, 4) под влиянием минеральных частиц коагулируют (остудневают), образуется гель (простокваша) - сплошная масса связанная молекулярными силами.

Гелификация - превращение лигниноцеллюлозных тканей высших растений в условиях обводненности без доступа кислорода в аморфную однородную коллоидную массу (гель). Интенсивность процесса гелификации выражается в сохранности первичной клеточной структуры растений. Конечный продукт полной гелификации – бесструктурный витрен один из четырех макроскопически различимых ингредиентов органического вещества угля.

Процессы фюзенизации, гумификации и гелификации имеет решающее значение при образовании торфяников. При сапропелеобразовании главную роль играют битумизация и гниение.

Битуминизация - превращение жирового комплекса (воски и жиры) низших растений и микроорганизмов в водной среде в восстановительной обстановке (рН>7) при активном участии анаэробных бактерий в битумы, обогащенные водородом и углеродом.

Гниение - разложение сложных азотсодержащих органических соединений (преимущественно белков) под действием анаэробных гнилостных микроорганизмов; т.к. при гниении выделяется преимущественно газообразный аммиак, гниение называется также аммонификацией, а микроорганизмы, участвующие в нём, — аммонификаторами. Кроме аммиака при гниении образуются насыщенные и ненасыщенные кислоты жирного и ароматического ряда, кето- и оксикислоты; а также амины, многие из которых очень ядовиты. Гниение — сложный многоступенчатый биохимический процесс, направление которого и результат не постоянны и зависят от химической природы субстрата, от доступа кислорода и состава микрофлоры.

Кроме преобразования органического вещества при формировании торфяников и сапропеля значимую роль играет элювиация. Элювиация – привнос и вынос коллоидных продуктов проточными водами. В случае существенного привноса коллоидов процесс торфо- и сапропеленакопления носит аллохтонный характер. При незначительной роли элювиации процесс торфо- и сапропеленакопления является автохтонным.

Про­водились опыты по получению искусственного торфа, например из сфагнума (Террес). При температуре 25—30° начинался про­цесс разложения с выделения только СО₂, а заканчивался с выделением только СН₄ и азота. Торфоподобное вещество имело сначала бурый, затем черный цвет. Количество сухого торфа по отношению к сфагнуму составило около 80%. Исходный сфагнум содержал: 70% лигнина, 1% жиров, смол и белков; 29% приходилось на клетчатку, другие углеводы и золу. Н. М. Беликова при заражении грибками сфагнового мха получила массу, подобную торфу средней и высокой степени разложения.

В ряде водоемов можно встретить одновременное развитие и торфа и сапропеля, а также промежуточных генетических их типов — торфяного сапропеля и сапропелевого торфа (табл. 6).

При гумификации могут образоваться перегной, различной степени восстановленности торф и сапропелевый торф. Наиболее восстановленным является сапропелевый торф. Основными факторами, обусловливающими разложение органического материала, являются микроорганизмы, вода, воздух, кислоты и щелочи.

Отмершие растения подвергаются энергичному разрушению аэробными (развивающимися в условиях доступа воздуха) микроорганизмами, которые на глубине сменяются анаэробными дрожжами и бактериями, продолжающими процесс разложения. При раз­ложении происходит новообразование и замещение исходного вещества качественно новым материалом, в состав которого после отмира­ния поступают и сами микроорганизмы.

Таблица 6

Исходное вещество и продукты разложения органики

Процесс	Исходный материал	Условия разложения		Продукт разложения органического материала
		степень влажности	степень аэробности
Тление	Главным обра­зом лигнино-целлюлозные ткани высших растений	При наличии атмосферной влаги	Свободная аэрация	Минеральные вещества, редко стойкие элементы растений
Фюзенизация	то же	Дефицит влаги	Свободная аэрация	Фюзен
Гумифика­ция	Высшие растения	В начале при наличии влаги, затем в застойной воде	В начале при наличии воздуха, затем при его изоляции	Перегной, торф (гумус)
	Высшие и низшие растения			Сапропелевый торф
Гелификация	Высшие растения	В застойной воде	При изоляции от воздуха	Витрен
Битумини­зация	Низшие и высшие растения	В застойной воде	При изоляции от воздуха	Торфяной сапропель
	Низшие растения и животные организмы			Сапропель, сапроколл
Гниение	Низшие растения и животные организмы	В застойной воде на дне	При изоляции от воздуха	Сапропель

Микроорганизмы могут развиваться и при очень высоких и при очень низких (во льдах и снегах Арктики) температурах. Они встречаются в торфе и в угольных пла­стах. Скорость размножения термофильных микроорганизмов в 10 000 раз превышает скорость размножения обычных микробов. Термофилы за 5—6 часов дают миллиардное потомство (Е.Н. Мишустин, 1957). Термофилы разлагают мертвые ткани растений и способствуют созданию среды с температурой самовозгорания сена, торфа и угля. Бегак Д.А. и Беликова Н.М. определили, что в естественном залегании в 1 г торфа содержится: на поверхности >1200 млн. бактерий; на глубине до 0,02 м ~900; 0,1 м 700; 0,2 м 400; 0,5 м ~200 и на глубине 0,9 м 70 млн. бактерий.

Вода имеет большое значение в торфонакоплении. Во-первых, проникая в растительное вещество, она увеличивает его объем и приводит в набухшее, оплывшее и полуразжиженное состояние; во-вторых извлекает из лигнина и стойких элементов уже разложившиеся вещества; в-третьих содержит в растворенном состоянии вещества, и, наконец, она может концентрировать или рассеивать как неразложившиеся растительные элементы, так и продукты их разложения.

Роль воздуха в торфонакоплении сводится к окислению растительного вещества и к усилению полимеризации молекул, обезвоживанию и загустеванию органического коллоида.

Кислоты (органические) образуются за счет разложения органического материала при доступе кислорода. Кислород поступает в торфяник с воздухом и с водой. Образующиеся кислоты создают среду, в которой растворенное вещество при избыточной концентрации выпадает в виде коллоида, т. е. происходит коагуляция (агрегатизация) коллоидных систем. При дальнейшей полимеризации вещества образуется гель — полутвердая студнеобразная масса. Процесс гелификации может быть прерван притоком свежей воды, вызывающей дальнейшее разложение и расщепление органического материала. В этих условиях гель может перейти в органический золь (коллоидную систему, в которой роль растворителя играет жидкость).

Щелочная или восстановительная среда создается в водоемах под влиянием жизнедеятельности анаэробных бактерий (ассимилирующих кислород). В такой среде кислоты могут превращаться в нейтральные или щелочные вещества. Жировые вещества, попадая в анаэробные условия, подвергаются разложению, и переходят в коллоидальную систему. Поступая в окислительную среду, органический (существенно жировой) золь претерпевает полимеризацию и превращается в гель.

Место формирования залежей торфа – болото. Болото, избыточно увлажненный участок земной поверхности, заросший влаголюбивыми растениями. Избыточно увлажнённые земли, покрытые слоем торфа мощностью менее 0,3 м, являются заболоченными. Болота образуются в результате заболачивания территорий или зарастания водоёмов. В умеренном климате заболачивание происходит при высоком уровне грунтовых вод; накоплению влаги способствует живой растительный покров (особенно мхи — кукушкин лён и др.) и ещё больше — мёртвый, влагоёмкий растительный войлок; в почве создаются анаэробные условия и начинается торфонакопление.

Водоемы зарастают за счет высших и низших растений. В прибрежной и литоральной зонах водоемов сосредоточены высшие растения, укореняющиеся на минеральном дне. Глубоководная зона богата планктоном (пас­сивно переносящимися организмами), бентосом (организмами, живущими на дне) и нектоном (активно двигающимися организмами). Остатки этих организмов образуют сапропель. Водоём мелеет, в нём поселяются сначала погруженные растения (узколистные рдесты, роголистники и др.), затем кувшинки с плавающими листьями или растения, стебли которых выдаются над водой (камыш, тростник). В донных отложениях начинают преобладать остатки высших растений (сапропелевый торф). Поверхность водоёма затягивается зыбким ковром (зыбун, сплавина), образованным корневищами трав (осоки, вахта и др.) или мхами. Растительный ковёр нарастает с берегов и покрывает водоем. От прежнего озера остаются лишь «окна» воды, и водоём превращается в болото. В озёрах с торфяными берегами рыхлый торф размывается, оседает на дно. Водоём мелеет и зарастает растительностью. По мере зарастания водоема высшие растения продвигаются к центру, а затем полностью перекрывают поверхность водоема, погребая под собой скопления сапропеля (рис. 1 и 2).

Периодическая миграция растительных ассо­циаций, вызванная изменением гидрологического режима в сторону глубоководной части водоема или к берегам может привести к миграции зон образования сапропелевых торфов или торфяных сапропелей, торфов или сапропелей.

По характеру растительности и режиму питания растений различают низинные, переходные и верховые болота. Для низинных болот характерны эвтрофные растения (требовательные к минеральному питанию). Низинные болота располагаются в понижениях рельефа: в долинах и поймах рек, озер (рис.3).

Средняя часть низинных болот лежит на одном уровне с окраинами или ниже их, иногда поверхность болот наклонная. Растительность низинных болот обеспечивается минеральным питанием в основном за счет грунтовых вод.

Низинные болота характеризуются избытком влаги, богатой растительностью (тростник, осоки, пушица, хвощи, зеленые и гипновые мхи, ива, береза, ольха) с пониженным содержанием углерода и повышенным количеством золы и азота. Обширные травяные болота в дельтах рек называют плавнями.

Верховые болота образуются при заболачивании лесов (более 80%) и водоемов (менее 20%) на ровных водоразделах, высоких террасах рек (иногда и стариц). Для верховых болот характерны олиготрофные растения (нетребовательные к минеральному питанию). В лесной зоне северного полушария это белые (сфагновые) мхи, пушица одноколосковая, шейхцерия, кустарнички (вереск, подбел, кассандра, багульник, клюква, голубика), болотные формы сосны в Европе и Сибири, на Дальнем Востоке лиственница. Основание торфяной залежи верховых болот нередко сформировано гипновыми низинными (переходными) торфами. Поверхность верховых болот выпуклая. Мощность залежи торфа верховых болот достигает 6-8 м. В разрезе залежи сверху более половины занимают сфагновые торфа малой степени разложения. Ниже залегают пушицевые (шейхцериевые) торфа вперемежку с сосновым торфом высокой степени разложения (40% и более).

Рис. 1. Стадии заболачивания водоёма: А — открытое водное пространство; Б — прибрежно-водная растительность; В, Г — осоковое низинное болото; Д — сосновый лес на сфагновом болоте (БСЭ)

Рис. 2. Схема (разрез) строения выпуклого болота, образованного зарастанием озера: 1 — минеральное дно; 2 — пресноводный мергель; 3 — сапропелит; 4 — тростниковый торф; 5— хвощовый торф; 6 — осоковый торф; 7 —лесной торф; 8 — гипновый торф; 9 — шейхцериево-сфагновый торф; 10 — пушицево-сфагновый торф; 11 — сфагновый торф с пнями сосны.

(БСЭ)

Верховой тип торфов образуется в условиях весьма неустойчивого гидрохимического режима — от сильно обводненных безлесных сфагновых болот до сдренированных болот с мощной растительностью (сосной и кустарником). Вода в этих болотах резко кислая, цвета чая, насыщена гумусовыми кислотами. Нарастание мха за год определяют по росянке; она образует ежегодно на поверхности мха розетку листьев, которая потом погребается мхом и остаётся в торфе; расстояние между розетками соответствует годичному приросту мохового ковра. Средний прирост торфа за 1000 лет — около 1 м. Растения верховых болот характеризуются повышенным содержанием углерода и пониженным золы и азота. Поверхность верховых болот волнистая с длинными грядами (или кочками) торфа высотой до 0,7 м и понижениями (мочажинами) между грядами.

Рис. 3. Схема расположения торфяников по рельефу (БСЭ)

Переходные болота занимают промежуточное положение между низинными и верховыми. Для переходных болот характерны мезотрофные виды растительности (умеренного минерального питания): обычна берёза, часты сосна, осоки, сплошной ковёр из сфагновых мхов.

Водные вытяжки из верхового торфа обладают кислой реакцией (рН 2,6–3,2). Низинный торф характеризуется нейтральной или слабощелочной реакцией (рН 3,2–4,2) и разнообразием физико-механических свойств. Переходный торф обладает слабокислой или нейтральной реакцией (рН >4,2).

На территории Российской Федерации преобладают торфяные залежи верхового типа (52,5%); низинные занимают 29,1%; переходные составляют 18,4%.

В зависимости от степени увлажнения, ботанического состава растений-торфообразователей и степени их разложения каждый тип торфа подразделяется на три подтипа: лесной, лесотопяной и топяной.

Торф лесной, группы отлагается в условиях пониженного увлажнения. Для торфа данной группы характерно преобладание древесных остатков (березы, ольхи, ели); травянистые растения (осоки) имеют подчиненное значение. Лесные залежи характеризуются малой мощностью, небольшой влажностью, высокой степенью разложения торфа, повышенной зольностью.

Топяно-лесная группа содержит 15÷35% древесных остатков (преобладает береза); травянистые остатки составляют еще больший процент; иногда присутствуют зеленые мхи. Торф отлагается при периодическом затоплении. Степень разложения его меньше торфа лесной группы.

Рис. 4. Основные виды строения торфяной залежи (РУЭ)

Топяные торфа образуются в условиях повышенного увлажнения. Основные растения-торфообразователи: гипновые и сфагновые мхи, травянистые растения и древесные породы (береза, ольха, сосна, ель). Топяные залежи отличаются значительной мощностью, высокой влажностью и сравнительно небольшой степенью разложения торфа.

Торф весьма распространен на земном шаре, но области интенсивного торфонакопления расположены на средних широтах северного полушария и занимают площадь около 9 млн. км², где сосредоточено более 90% мировых запасов торфа. В субтропических и тропических зонах основным видом разложения растительного материала является тление, торф встречается лишь в речных долинах и межгорных впадинах.

Общие геологические запасы торфа в мире пересчитанные на 40% влажность составляют примерно 480 млрд. т. По оценкам на 2005 г. наибольшими геологическими запасами торфа обладают (млрд. т): Россия - 167, Индонезия – 79, США – 36, Канада – 35, Финляндия – 35, Китай – 27. В России учтено 46 446 месторождений торфа, балансовые запасы которых при 40% влажности составляют 31,5 млрд. т, забалансовые 5,7 млрд. т, прогнозные ресурсы 125,2 млрд. т.

Энергетический потенциал торфяных ресурсов России, оцениваемый экспертами в 49,5 млрд. т у.т. Запасы торфа только на разрабатываемых месторождениях позволяют довести объемы его добычи до 10-11 млн. т/год, что энергетически эквивалентно 5-7% угля ежегодно потребляемого в России. Балансовые запасы на месторождениях площадью более 10 га в границах промышленной залежи, равны 30,8 млрд. т и размещены неравномерно, что обусловлено как природными факторами торфообразования, так и степенью изученности территорий. Наибольшие запасы сосредоточены в Западно-Сибирском (52,4%), Северном (17,5%) и Уральском (12,7%) регионах. Особое место у Ханты-Мансийского авт. округа (среднее Приобье), где торфяные ресурсы (более ¼ общероссийских) в основном изучены прогнозно и потенциал увеличения запасов торфа практически неограничен. Общая площадь 66000 перспективных торфяных залежей РФ в нулевой границе 0,57 млн. км² и в границе промышленной мощности (более 0,7 м) 0,45 млн. км². Запасы слаборазложившегося верхового торфа промышленного значения на территории РФ составляют 5193 млн. т (40% влажности), в т.ч. в Европейской части 2879 млн.т. (из них 73% находятся на северо-западе).

Растительные вещества, попадая после отмирания во влаж­ные условия, подвергаются энергичному воздействию аэробных и анаэробных микроорганизмов. Содержащиеся в растительном материале целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества и белки под воздействием микроорганизмов превращаются в присутствии воды в жидкую гелевую массу. Происходит разложение и не стойких частей растений — интины и внешних оболочек спор и пыльцы. Наиболее стойкие элементы: смолы, споронин, поленин, кутин, воски.

Для образования торфа в естественных условиях требуется, чтобы накопление разложившегося растительного материала преобладало над тлением. Такой процесс может протекать во влажных условиях при ограниченном доступе кислорода. Биохимическое разложение высших растений сопровождается гумификацией (образованием гуминовых кислот), которые способны разлагаться даже при небольшой температуре. Так, например, гуминовые кислоты, содержащие 58,24% углерода и 5,04% водорода, после двухчасового нагревания до температуры 200° имеют следующий состав: углерода 63,40% и водорода 4,84%. С повышением температуры (при нагревании торфа) возрастает содержание углерода и понижается содержание водорода. Гуми­новые кислоты образуют гуминовые вещества, представляющие собой аморфные образования от светло-бурого до темно-бурого цвета.

Для образования торфяных залежей необходимо, чтобы на ограниченной площади существовали определенные природные предпосылки (условия):

1. геоботаническая предпосылка – процветание высших растений

2. климатические условия. Гумидный климат - количество осадков преобладает над их испарением. В этих условиях вода предохраняет отмершие части растений от полного окисления

3. геоморфологическая предпосылка - рельеф (равнина или низина). Степень обводненности, застойности или проточности болота. В самих общих чертах можно выделить две общие палеогеоморфологические обстановки, благоприятные для торфонакопления: прибрежные аккумулятивные равнины и внутриконтинентальные площади водоразделов и речных долин. Для каждой из них выделяются площади сноса, переноса и осадконакопления. На этих площадях в пределах плоскостей выравнивания формируются торфяные болота.

4. биохимические условия - интенсивность процессов окисления и бактериального разложения (тление – обилие О₂, перегнивание – недостаток О₂, оторфянение – кратковременный доступ О₂ на начальной стадии, гниение – без О₂ (сапропель - гнилостный ил)

5. геотектонические условия (накопление органического материала, компенсируется опусканием площади торфонакопления. Длительность пребывания в торфогенном слое и следовательно степень разложения, сохранение в геологическом времени осадочных формаций).

Торфонакопление завершается перекрытием торфяника минеральными осадками при погружении торфяника под слой воды на глубину превосходящую мощность торфогенного слоя, или эрозией торфяников при нахождении торфогенного слоя выше уровня, на котором влага играет роль эффективного барьера между органическим веществом и атмосферой.

Вследствие тектонических колебательных процессов торфяная залежь осушается и разрушается или покрывается наносами (консервируется). При опускании земной поверхности процессы химического превращения органического вещества продолжаются, причем к ранее действовавшим природным факторам добавляются давление вышележащих пород и температурный градиент. При этом торф необратимо преобразуется в бурый уголь, что сопровождается коренным изменением химического состава, физических и технологических свойств органического вещества.

Если мощность перекрывающей толщи незначительна (первые десятки метров) возникают залежи т. н. погребенного торфа, которые возникли в периоды межледниковья. Возраст погребенного торфа исчисляется десятками тысячелетий (до 1 млн. лет). Погребенный торф имеет меньшую влажность (30-70%), незначительное количество растительных остатков сохранивших клеточную структуру, повышенную степень разложения.

Сравнение ритмичности в движении Солнечной системы по орбите и неравномерности торфонакопления в разные «сезоны» галактического года позволяет сделать следующие выводы: 1) интенсивность торфонакопления определяется разным во времени воздействием галактической энергии; 2) наиболее мощное накопление торфа происходило как в Герцинский, так и в Альпийский галактические годы, в «позднелетние осенние» сезоны; 3) в «зимний» период, т.е. в наибольшей близости к центру Галактики, накопление торфа ничтожно, по-видимому, вследствие губительного для растений мощного ультрафиолетового облучения и наибольшей плотности струйных потоков газопылевого галактического вещества: в триасе, когда Солнечная система была в «зимней» абсиде, почти полностью исчез растительный покров Земли и на некоторое время возникла триасовая «пауза» торфонакопления; 4) эпохи обильного торфонакопления обычно следовали за моментами резкого усиления тектоновулканической деятельности, т.е. за моментами активизации воздействия Галактики: как присущими определенной фазе нахождения Солнца на орбите, так и связанными с пересечением орбиты струйными потоками, повторяющимися в фанерозое с периодом 20-21 млн. лет⁵.

Месторождение торфа может занимать площадь от долей км² до нескольких тысяч км². Месторождения торфа, занимающие площадь менее 10 км² относят к местному фонду (находятся в ведении муниципальных органов власти), а занимающие большую площадь - к промышленному (находятся в ведении государства). Средняя мощность пласта торфяной залежи на месторождениях торфа России составляет от 1,3 м до 4,0 м. Максимальные мощности торфяных залежей до 10 м. Наиболее крупные месторождения находятся в Западной Сибири - крупнейшей в мире торфяной провинции. Запасы и ресурсы торфа 5916 месторождений здесь составляют 106 млрд. т (40% мировых ресурсов), а плотность запасов изменяется в пределах 1,9—4,6 тыс. т на 1 га площади. Крупнейшее месторождение торфа в мире – «Васюганское» в центральной части Западно-Сибирской низменности, расположено в пределах Новосибирской, Томской, Омской и Тюменской областей занимает площадь 73000 км² в нулевой границе (48600 км² в промышленной границе) и содержит 18,8 млрд. т торфа. Запасы и ресурсы торфа в Восточной Сибири оценены по 732 месторождениям и составляют 3,6 млрд. т.

Кроме торфа и сапропеля болотные комплексы могут содержать попутные полезные ископаемые: болотные фосфаты и гажу. Болотные фосфаты - природная смесь водного фосфата закиси железа – вивианита (Fe₃[PO₄]₂ · 8H₂O) с торфом, образующая залежи мощностью до 2,0—4,5 м. По содержанию Р₂О₅ выделяют вивианитовые торфа (0,5—2,5%) и торфовивианиты (2,5—5,0%). Прослойки чистого вивианита содержат 15,0—28,0% Р₂О₅. Цвет вивианита слабо-зелёный, на воздухе переходит в голубовато-синий. Болотные фосфаты генетически связаны с торфяными залежами низинного типа, которые формируются в поймах рек, депрессиях первых и вторых надпойменных террас. Привнос вивианита осуществляется грунтовыми и поверхностными водами, питающими торфяную залежь. Болотные фосфаты высокоэффективное органо-фосфорное удобрение, повышающее экологичность сельскохозяйственной продукции и урожайность, после разового внесения в почву. Из вивианита получают дешевую синюю краску. На территории Западной Сибири выявлено 51 месторождение болотных фосфатов с запасами 29,32 млн. т. Прогнозные ресурсы оцениваются в 390,66 млн. т. Запасы болотных фосфатов по категориям А, В на территории Восточной Сибири составляют 6,7 млн. т.

Гажа - карбонат кальция. Гажа образует в торфяной залежи пласты и линзы мощностью до 2,0—2,5 м. Содержание СаСО₃ достигает 70,0—90,0%. Внесение гажи обеспечивает высокую степень нейтрализации кислых почв. На территории Западной Сибири оценено 30 месторождений торфа с запасами гажи в 24 млн. т и ресурсами в 147,15 млн. т. На территории Восточной Сибири выявлено 13,9 млн. т гажи.

Торфяные болота в мире занимают около 3,5 млн. км², в т. ч. 1,64 млн. км² площадь месторождений торфа. Общие геол. ресурсы торфа в зарубежных странах с развитой торфяной промышленностью составляют 223,25 млрд. т, или 46,4% его мировых ресурсов (табл.1). Добыча торфа в этих странах (табл. 2) превышает 21,5 млн. т (2002); и в основном сосредоточена в 16 странах Европы (где добывается 19,5 млн. т торфа, или 90,8% общего объёма) и двух странах Сев. Америки (1,95 млн. т, или 9,0%); доля стран Южной Америки, Африки, Австралии и Океании не более 0,2%.

Ведущее место в Европе по объемам добычи торфа традиционно занимают – Финляндия, Ирландия, Германия и Швеция и, начиная с 90-х гг. 20 века Беларусь, где на 36 предприятиях не менее 90% добываемого торфа перерабатывается в топливные брикеты (свыше 1,1 млн. т). Эти страны является основными поставщиками торфяной продукции с.х. назначения.

Торф, используется для производства различной прессованной и формованной торфопродукции, а также на фермах в качестве подстилки, для последующего компостирования и внесения в почву как органическое удобрение и мелиорант.

Только в Западной Сибири ресурсы торфа позволяют получить 40 млрд. м³ газа, более 1 млн. т бензина и толуола, 7 млн. т фенолов и смол.

Добываемый в США и Канаде торф предназначен в основном для сельскохозяйственных нужд. США также импортируют торф из Канады. В 2002 общий объём импорта торфа в США превысил объём собственного производства на 18,8%; импорт сфагнового торфа из Канады составил 751 тыс. т. Канада экспортировала в 2002 г в США около 60% добытого торфа. Страны Персидского залива также импортирует торф из Канады.

Энергетическое использование торфа ориентировано преимущественно на т. н. малую теплоэнергетику в коммунально-бытовой сфере, что снижает зависимость ряда торфодобывающих стран от внешних рынков энергоносителей (например, Финляндия и Ирландия). Природоохранный фактор ограничивает развитие торфяной промышленности, прежде всего в странах с ограниченными площадями торфяных болот.

Первые попытки организовать в России добычу торфа на топливо были предприняты в начале XVIII в. под Воронежем (1700) и Азовом (1703) после ознакомления Петра I с опытом Голландии, добывавшей торф с 12-13 вв. Началу добычи торфа в России способствовали исследования М.В. Ломоносова («О слоях земных» (1759) и др.), а также работы И.Г. Лемана (1766)), В.М.Севергина (1804), А.К. Шлегельмильха (1809), К. Раша (1819) и др.

В XVIII в. в ряде губерний по мере вырубки лесов и с ростом затрат на доставку дров для отопления дворянских усадеб возникли торфоразработки (в р-не С-Петербурга (1789) и в Гжатском уезде Смоленского наместничества (1793), позднее в Орловской, Нижегородской, Гродненской и Минской губерниях). С середины XIX в. для обеспечения топливом текстильных фабрик, кирпичных, сахарных и др. заводов, железнодорожного транспорта усадебная (кустарная) добыча торфа сменилась механизированной промышленной разработкой. Под Москвой действовало порядка 40 торфоразработок, годовая добыча на крупнейших из них превышала 50000 м³. В 1914 в России была построена первая в мире электростанция на торфе мощностью 15 тыс. кВт, давшая электроэнергию Москве, Орехово-Зуеву, Павлово-Посаду, Ногинску и др. потребителям. Добыча торфа с 1896 по 1917 возросла с 0,6 до 1,4 млн. т в год (макс. в 1914 – 1,9 млн. т). Сезонная добыча торфа на одной торфоразработке в 1917 г. составила 10,5 тыс. т, производительность труда рабочего – 19,3 т, его энерговооруженность – 0,4 кВт.

По плану ГОЭЛРО было построено четыре электростанции на торфе общей мощностью первой очереди 150 тыс. кВт. Для топливоснабжения электростанций и поставки торфа на газогенераторные станции ряда заводов тяжелой индустрии были построены крупные торфопредприятия.

За период 1922-1950 гг. добыча торфа в РСФСР выросла в 13 раз (до 77% общесоюзной). В период Великой Отечественной войны торф сыграл важную роль в обеспечении топливом ряда регионов европейской части страны и Урала. Плановые изменения в топливном балансе страны привели к постепенному снижению удельного веса торфа как промышленного топлива с максимального уровня 41,4% в 1928 до 0,3% в 1985, что привело к постепенной переориентации на добычу торфа для сельскохозяйственного использования (главным образом в составе органических удобрений, для улучшения баланса гумуса в почвах и повышения их плодородия). Промышленная добыча торфа для сельского хозяйства за 1960-1988 выросла в РСФСР в 17,7 раза. Потребление торфа ТЭС в абсолютном выражении также сокращалось (в 1980 – 14,8 млн. т, в 1985 – 5,5млн. т). В 1965 г. на торфе в СССР работало 65 ТЭС, в 1970 50, в 1980 – 44, в 1985 – 28 ТЭС. В 1980 гг. были построены самые мощные (по 600 МВт) четыре электростанции и одна ТЭЦ для работы на торфе. Из них только три (Череповецкая, Смоленская и Шатурская ГРЭС) частично использовали торф.

К середине 80-гг. в СССР действовало более 120 торфобрикетных заводов общей мощностью до 5 млн. т брикетов в год (в т.ч. в РСФСР более 1,5 млн. т). Сырьевые базы большинства торфобрикетных заводов (месторождения торфа низинного типа высокой степенью разложения) в 80-х гг. были существенно истощены. Наиболее истощена сырьевая база Центрального и особенно Волго-Вятском экономического районов. Поддержание объёмов добычи требовало освоения отдалённых сырьевых баз, что было сопряжено со снижением эффективности торфобрикетного производства. В связи с этим началось сокращение добычи до 0,75 млн. т в 1988 г. Газификация торфа была прекращена, потребление торфяного топлива в коммунально-бытовой сфере существенно сократилось.

Для покрытия потребности сельского хозяйства в торфе были привлечены агрохимические и мелиоративные организации, которые за счет госбюджета вели так называемую «непромышленную» добычу торфа на небольших участках по упрощенной технологии, получая готовый торф с влажностью 60% и выше. «Непромышленная» добыча торфа в период 1960-1988 гг. составляла 75-100 млн. т в год и в 1990 гг. была прекращена. Суммарная максимальная добыча торфа в СССР была достигнута в 1990 г. – 190 млн. т.

К концу 80-х гг. ХХ в. территории 32 регионов СССР действовали 220 торфодобывающих предприятий. Годовая добыча торфа на большей части их была в пределах 100-500 тыс. т. Наиболее крупными торфопредприятиями были: в Ярославской обл. – Мокеиха-Зыбинское (1750 тыс. т); в Тверской обл. – Оршинское 1 (1300; в Московской обл. – Рязановское и Радовицкий Мох (по 820); в Ленинградской обл. – Назия (730); в Новгородской обл. – Кушаверское (835); Кировской обл. – Дымное (1160), Пищальское (1060); в Тюменской обл. Центральное Тарманское и Западное Тарманское (по 800) и др.

К концу 1980-гг. в России действовало более 140 цехов по переработке торфа, было освоено производство до 50 видов продукции на основе торфа как для топливного, так и, преимущественно, нетопливного использования.

На основе термохимической и биохимической технологий выпускались: горный воск, активированные угли, красители и др. В 1991 в России выпустили свыше 400 тыс. т торфяных брикетов, 200 тыс. т кипованного торфа, 1200 млн. шт. горшочков, 430 тыс. куб. м субстратных торфоблоков и плит сухого прессования и около 20 млн. упаковок торфяных удобрений и грунтов.

В 2005 г. добыча торфа в России осуществлялась в 28 субъектах Центрального, Северо-Западного, Приволжского и Уральского, а также в Сибирского и Дальневосточного федеральных округах. До 93% торфа добываемого в России приходится на предприятия, находящиеся на самостоятельном балансе (в том числе в системе ОАО «Ростоппром»). Ведущие 100 торфопредприятий имеют общую проектную мощность 19 млн. т торфа в год, при фактической производительности 2,5-3 млн. т. Выпуск торфяных брикетов на 16 торфобрикетных заводах при их общей мощности до 300 тыс. т с 1991 г снизился в 7 раз и составил в 2002 г. около 60 тыс. т. Потребления топливного торфа ТЭС в РФ показано в таблице 8.

Табл. 8. Потребление топливного торфа

Показатели	1991	2002
Кол-во электростанций-потребителей торфа	13	9
Годовой расход торфа ТЭС тыс. т.	868,4	454,1
Уд. вес торфа в общем расходе топлива, %: по отд. ТЭС / от-до/ в среднем по ТЭС – потребителям торфа по всем ТЭС общего пользования	0,3-62,6 9,4 0,24	0,3-83,2 12,2 0,16

С 2002 наблюдается рост спроса на торфопродукцию, что нашло отражение в федеральных программах «Энергетическая стратегия России», «Энергоэффективная экономика», «Повышение плодородия почв в России».

Основными направлениями развития топливной промышленности являются расширение добычи кускового торфа и производства торфяных брикетов и полубрикетов для использования как коммунально-бытового топлива, частичная замена дальнепривозного угля менее дорогим местным торфяным топливом на отдельных электростанциях и в котельных. Предусматривается строительство ряда ТЭЦ на торфе мощностью по 20-30 МВт в северных регионах Европейской части страны и, соответствующее, расширение добычи фрезерного торфа; развитие производства торфопродукции для сельского хозяйства, а также продукции природоохранного назначения и для потребительского рынка.

Значительная часть технологического, болотно-подготовительного, транспортного и др. оборудования на торфопредприятиях, а также объекты их инфраструктуры изношены и требует обновления. У предприятий отсутствуют собственные средства для инвестиционной деятельности на собственное развитие и возобновления научных исследований по таким стратегическим направлениям как: технология круглогодичной добычи торфа с целью преодоления её сезонности и освоения прежде всего ресурсов северных территорий европейской части страны и Западной Сибири; комплексность торфоперерабатывающих производств; экологизация произодства и снижению пожароопасности тофоразработок.

Саморазогревание торфа – повышение температуры торфа при хранении под действием физических, биохимических и химических процессов. Саморазогревание торфа зависит от типа торфа, особенностей залегания и условий хранения. При нагреве солнечными лучами или смачивании внутри торфяной залежи или штабеля торфа происходит небольшое повышение температуры, создающее благоприятные условия для развития некоторых видов микроорганизмов (инкубационный период). Этот период длится 30-40 сут, температура повышается на 3-5°С. В последующие 10-30 суток температура может возрастать на 0,5-4,5°С/сут. (вторая стадия разогревания). При температуре превышающей 60°С, торф в течение нескольких дней превращается в полукокс, при темп-ре около 70°С жизнедеятельность микроорганизмов прекращается, а процессы окисления продолжаются и саморазогревание торфа переходит в третью стадию - пульсации, во время которой температура колеблется на 5-10°С. Этот период продолжается от 1 до 8 мес. и завершается либо самовозгоранием торфа, либо постепенным снижением температуры. К мероприятиям по предупреждению саморазогревания торфа относятся первоочередная вывозка разогревшегося торфа потребителю, изоляция поверхности залежи или штабеля от кислорода полиэтиленовой или другими видами пленок, покрытие штабелей сырой фрезерной крошкой (слой толщиной не менее 40 см).

Разработка торфяных месторождений начинается с осушения и подготовки их поверхности. Подготовка поверхности выполняется после сооружения осушительной сети и предварительного осушения залежи. С поверхности залежи удаляется древесная, а иногда и моховая растительность; разрабатываемый слой залежи на глубину 25—40 см освобождается от древесных включений или они измельчаются до фракции менее 25 мм. Разделённая картовыми и валовыми каналами на определённые участки (карты) поверхность поля планируется в продольном направлении перпендикулярно валовым каналам и профилируется с поперечным уклоном в сторону картовых канав шнековым профилировщиком. Выполнение этих работ способствует понижению уровня грунтовых вод и уменьшению влажности торфяной залежи до 86—89%, что обеспечивает производительную работу механизмов по добыче, сушке и уборке торфа. Все операции подготовки поверхности торфяного месторождения механизированы. Удаление древесной растительности при подготовке месторождения к освоению включает срезку (валку) деревьев и кустарника с одновременным пакетированием деревьев, которые вывозятся на тракторных прицепах-самосвалах. Пни и древесные включения корчевальными машинами извлекаются из залежи или перерабатываются машинами глубокого фрезерования с последующей сепарацией и вывозкой древесных остатков за пределы полей. Для получения торфа с усреднёнными кондиционными свойствами применяют машины для перемешивания залежи или дренажно-обогатительные машины, извлекающие фрезами или барами торфяную массу из слоя залежи, перерабатывающие и расстилающие слой торфа на поверхности поля. Мелкие древесные остатки и щепа убираются с рабочей поверхности карт машинами с накалывающим или барабанно-цепным рабочим органом. Диспергирование торфа осуществляется рабочими органами различных типов: шнековыми, шнеково-ножевыми, спирально-конусными, конусными, щелевыми, дробильными перетирателями.

Добытый кусковой торф формуется в торфяные кирпичи, которые выстилаются для сушки на поле добычи. Фрезерный торф около 6 мес хранится в полевых штабелях, изолированных от атмосферного воздуха слоем сырого торфа или полимерной плёнкой.

Торфодобыча является сезонной, процесс экскавации происходит в течение 90-110 дней, а сушка и уборка 130-160 дней. Поэтому торфодобыча характеризуется: низким годовым коэффициентом использования производственного оборудования; сезонной потребностью в трудовых ресурсах; низкой квалификацией сезонных рабочих; неритмичностью производства; зависимостью количества и качества продукции от погодных условий.

В 1938 г. на территории Ленинградской, Новгородской и Псковской областей 12 торфопредприятиями было добыто 2,745 млн. т торфа.

Торф. Источники

Чуханов З. Ф., Хитрин Л. Н. Энерготехнологическое использование топлива, М., 1956.

Торфяные месторождения и их комплексное использование в народном хозяйстве, М., 1970.

Использование торфа и выработанных торфяников в сельском хозяйстве, Л., 1972.

Торф в народном хозяйстве, М., 1968.

Лиштван И. И., Король Н. Т. Основные свойства торфа и методы их определения, Минск, 1975.

Кац Н. Я. Болота и торфяники, М., 1941.

Кац Н.Я. Типы болот СССР и Западной Европы и их географическое распространение, М., 1948.

Тюремнов С.Н. Торфяные месторождения и их разведка, 2 изд., М.—Л., 1949.

Пьявченко Н.И., Лесное болотоведение, М., 1963.

Торфяные ресурсы мира. . Справ. / В.Д. Марков, А.С. Оленина, Л.А. Оспенникова и др. – М.: Недра, 1988.

Государственный баланс запасов полезных ископаемых за 2001 год. Торф. – М., Росгеолфонд, 2002.

U.S. Geological survey, Minerals Yearbook – 2002.

Торф в народном х-ве / Под ред. Б.Н.Соколова.- М.: Недра, 1988.

Ямпольский А.Л. Экономика комплексного использования торфяных ресурсов СССР. - М.: Недра, 1979.

Афанасьев А.Е., Малков Л.М, Смирнов В.И. и др. Технология и комплексная механизация разработки торфяных месторождений. – М.: Недра, 1988.

Белозёров О.В. Торфяная промышленность и перспективы её развития // Сб. Рац. использование торфа и др. ресурсов торфяных болот. – Кострома, 2003.

Кузьмин Г.Ф. Торфяные ресурсы России // Там же. – С. 23-35.

Чураков А.А. // Лесной вестник, 2003, №3, -с.22

Большая советская энциклопедия.

Российская угольная энциклопедия. Т.1-3. 2004-2007 г.

Антонов В.Я., Копенкин В.Д. Технология и комплексная механизация торфяного производства. – М.: Недра, 1983.

Косов В.И. Состояние и перспективы развития и использования сырьевой базы торфа и сапропеля России // Всероссийский съезд геологов и научно-практическая конференция. Геологическая служба и минерально-сырьевая база России на пороге XXI века. Тезисы докладов. Кн.2 Минерально-сырьевая база России. –СПб., 2000. с. 198-199.