Общие сведения о торфе

Образование торфа. Строение торфа
Классификация торфа
Степень разложения торфа. Пнистость торфяной залежи
Естественная влажность и зольность торфа

Торф — полезное ископаемое, осадочная горная порода, представляющая собой скопление отмерших остатков болотных растений-торфообразователей, подвергшихся в той или иной степени процессам разложения в условиях болота — то есть, при избыточном количестве влаги и недостаточном доступе воздуха. В таких условиях растения не разлагаются полностью, как на обычной почве, и их остатки из года в год накапливаются. Процесс торфонакопления состоит из ежегодного прироста на поверхности торфяного месторождения живой органической массы (развитие растительного покрова в течение вегетационного периода), ее отмирания и неполного распада в условиях бедной кислородом среды, тормозящей разрушительную деятельность микроорганизмов. Характер процесса торфонакопления определяется в основном климатом. Скорость образования торфа может достигать 1 мм в год.

Образование торфа. Строение торфа

Торф является наиболее молодым в геологическом отношении ископаемым топливом. Образование торфа является начальной стадией формирования каменных углей. Первые процессы торфообразования связаны с каменноугольным периодом. Отмершие растения той эпохи при участии микроорганизмов и воды вначале превратились в торф, а затем в условиях давления окружающих пород и высокой температуры — в бурый, а потом и каменный уголь. Современные же торфяные месторождения возникли в послеледниковое время на территории, освобожденной отступавшим ледником. Образование новых торфяников продолжается и в наше время — постепенно происходит заболачивание и заторфовывание водоемов и суходольных площадей.

Если уголь может служить топливом сразу после извлечения из недр, то торф в залежи содержит очень большое количество воды (его влажность достигает 86-95%) и требует перед использованием дополнительного обезвоживания, что усложняет технологию разработки торфяного топлива. Теплота сгорания торфа значительно ниже (около 50%) теплоты сгорания каменных углей, так как содержание углерода в торфе в полтора раза ниже, чем в каменных углях. В этом отношении торф близок к таким видам топлива, как бурый уголь, горючие сланцы и дрова. Онднако по теплоте сгорания и содержанию серы и зольности торф стоит выше некоторых бурых углей. Вследствие невысокой калорийности торф относится к видам топлива местного значения.

Сухое вещество торфа состоит из неразложившихся растительных остатков — растительных волокон, продуктов разложения растительных остатков — гумуса и некоторого количества наносных минеральных включений, в основном песка и глины. Торфом принято считать отложение, содержащее не более 50% таких включений в сухом веществе; при большем их количестве отложение рассматривается уже не как торф, а как минеральная почва, богатая ограническими веществами. Окраска торфа в зависимости от содержания в нем гумуса может быть светло-желтая, коричневая или почти черная. Отдельные хорошо сохранившиеся ткани растений заметны на глаз. Наслоение одного или нескольких видов торфа образуют торфяную залежь.

В зависимости от степени разложения торф представляет собой волокнистую (при малой степени разложения) или пластичную (при высокой степени) массу. В природе торф чаще всего бывает в промежуточном волокнисто-пластичном состоянии, причем пластичность торфа выражена тем сильнее, чем больше отмершие растения были подвергнуты жизнедеятельности микроорганизмов.

Скопление слоев торфа на определенной площади называется торфяной залежью. Залежь глубиной в неосушенном состоянии более 70 см представляет собой геологические рапасы торфа. Отложения торфа с меньшей глубиной, прилегающие непосредственно к границам залежи, называются окрайками. Участок земной поверхности, включающий торфяную залежь и окрайки, называется торфяным месторождением.

Классификация торфа

Растения, из которых образуется торф (торфообразователи) довольно многочисленны и принадлежат к разным группам растительных сообществ. Это различного рода мхи, травы, кустарники и деревья. Поэтому торф по своему ботаническому составу очень разнообразен. Однако в группировках растений, образующих торф, можно видеть определенную закономерность. Эти растения питаются либо водой из атмосферных осадков, либо грунтовой водой с высоким содержанием растворенных минеральных веществ. Степень минерализации питающих вод определяет характер растительного покрова и, следовательно, тип образующегося торфа. Выделяют два основных варианта заболачивания территории: верховой и низинный (низовой). Верховые болота образуются, когда накопление атмосферной воды болотными растениями превышает ее испарение. Низинные болота образуются в местах выхода грунтовых вод на поверхность или при зарастании водоемов.

Растения-торфообразователи атмосферного питания (осадки, стоки) образуют торф верхового типа. Основные предствители таких растений – это сфагновые мхи, не требующие богатого минерального питания, и по своему анатомическому строению способные удерживать очень большое количество влаги. Онажды укрепившись на каком-либо сравнительно небольшом увлажненном месте (внепойменный луг, лес), сфагновый мох может развиваться дальше, питаясь удерживаемой им атмосферной водой. Сильно увлажненные отмершие слои сфагнового мха являются хорошим субстратом для произрастания новых слоев. Таким образом формируется верховое болото. Самым увлажненным местом верхового торфяника является его центр, где ежегодный прирост мха бывает саммым большим. В результате этого верховой торфяник имеет выпуклую форму, причем превышение высоты его центра над берегами может достигать 5 метров. Верховые торфяники образуются и развиваются в местах с глубокими водоносными горизонтами.

Растительный покров верхового торфяника беден по видовому составу; его древесный ярус состоит в основном из сосны, в кустарниковом встречаются вереск и багульник, в травяном: пушица одноколосковая, шейхцерия, очеретник и осока. Сфагновые мхи (Sph. medium, Sph. fuscum, Sph. parvifolium, Sph. balticum, Sph. rubellum, Sph. Dusenii, Sph. cuspidatum) часто образуют на верховых торфяниках почти сплошной моховой покров, образуя повышения в виде кочек, гряд, бугров.

Отличительные черты верхового торфа – малая зольность, большая влагоемкость и высокие показатели кислотности. При сгорании верховой торф выделяет много тепла. Это рыхлый светлый материал с желтоватым, рыжеватым или коричневым оттенком. Структура его волокнистая, состоит из слабо распавшихся корневищ, стеблей, коры и древесины.

Параметры верхового торфа:

Растения-тофообразователи, питающиеся в основном богатой минеральными солями грунтовой водой, образуют торф низинного типа. Низинные болота формируются в низинах, поймах рек, при зарастании водоемов. В таких местах подземный водный горизонт находится высоко, а осадки стекают со склонов, уже обогащенные минералами. Такие условия способствуют быстрому распаду органики до простых химических соединений, что наряду с питанием жесткими водами еще больше повышает зольность торфа. В низинном торфе много темных гуминовых веществ. Цвет его коричневый, серый или почти черный. Он довольно плотный, имеет комковую или тонкозернистую структуру с незначительным количеством растительных волокон.

Низинный торф в целом отличается большим разнообразием видового состава торфообразователей. В его древесном ярусе встречаются: ольха черная, береза пушистая, ель, иногда сосна); в кустарниковом: ивы, рябины, крушины; в травяном: тростник, хвощ, большое количество видов осок, пушица, таволга, вахта, сабельник. К основным торфообразователям низинного типа относятся так же зеленые или гипновые мхи (гипнумы), которые в отличие от сфагновых мхов нуждаются в большем количестве минеральных веществ.

На дне торфяных месторождений, образовавшихся на месте заболоченных озер, часто залегает сапропель – скопление отмерших мельчающих растительных и животных организмов, в свое время населявших воды озера (планктон). Отложения сапропеля на дне озера достигают иногда значительной глубины – 6-8 м. Сапропель в большинстве случаев содержит большое количество минеральных примесей (20-80%).

Параметры низинного торфа:

В том случае, когда по той или иной причине грунтовой питание низинных торфообразователей прекращается, на торфяных отложениях низинного типа начинают развиваться верховые торфообразователи. В таких условиях между слоями низинного и верхового торфа может находиться торф переходного типа, отлагающийся в условиях несколько обедненного минерального питания. Растительный покров торфяных месторождений переходного типа состоит из растений-торфообразователей, встречающихся как на низинных, так и на верховых торфяных месторождениях. В древесном ярусе наряду с березой произрастает сосна. В травяном вместе с осокой встречаются характерные для верховых торфяных месторождений пушица и шейхцерия.

Структура переходного торфа рыхлая, просматриваются стебли и корневища, остатки коры. Переходный торф редко образует мощные пласты.

Параметры переходного торфа:

Таким образом, отложения торфа могут быть отнесены к трем типам: верхому, низинному и переходному. Ошибочно считать, что верховой торф накапливается лишь на возвышенностях, а низинный – у подножия холмов или на ровных участках. Все зависит от типа питания – осадками, грунтовыми водами, стоками. Деление торфа на типы построено по признаку богатства минерального (зольного) питания материнских растительных сообществ; все виды верхового типа образовались в условиях крайне бедного минерального питания и характеризуются низкой зольностью, все виды низинного типа образовались в условиях более или менее богатого минерального питания и поэтому характеризуются повышенной зольностью. Переходный же тип торфа занимает промежуточное положение.

При классификации торфа также выделяются его подтипы:

Вид торфа — единица классификации торфяных отложений, характеризующаяся относительной однородностью ботанического состава и комплекса физико-химических свойств, отражающая исходную группировку растительности и закономерно встречающаяся в тех же условиях образования на других торфяных месторождениях.

Классифицировать торф пытались еще со второй половины XVIII столетия. И. Г. Леман разделял его на 5 видов в зависимости от пригодности как топлива. Тогда при классификации учитывались горючесть, плотность, цвет материала. В начале XIX в. к перечисленным характеристикам добавили глубину залегания. И лишь 120 лет назад обратили внимание на ботанический состав торфа. Классификацию на его основе в 1900 году предложил К. Вебер. Сейчас она носит название петрографической.

Классификация Вебера не учитывала сложных процессов образования торфа, поэтому не полностью отображала все его разновидности. С начала ХХ века ученые разных стран начали заниматься филогенезом полезного ископаемого. На основе их трудов была создана генетическая классификация, в которой отображались сложные процессы торфообразования.

В 1926 г. в Московском торфяном институте попытались объединить генетическую и петрографическую классификацию. Были изучены сотни образцов материала из Московской и Ленинградской областей. Ученые определяли соотношение разных растительных остатков, выделив на основе этого 38 основных видов торфа. Также изучались степень разложения, зольность и другие показатели. Эти исследования вошли в основу современной таксономии торфа.

Отдельные слои торфа, в зависимости от условий их образования, формируясь с различными последовательностью и мощностью (высотой) образуют торфяную залежь, которая может быть сложена:

Поэтому торфяные залежи также имеют классивикацию по своему строению. Различают четыре типа торфяной залежи: низинный, переходный, смешанный и верховой. Типы разделяются на подтипы, а подтипы в свою очередь на виды строения торфяной залежи:

Отнесение торфяных залежей к тому или иному типу имеет известную условность. Из вышеуказанной схемы можно видеть, что все верховые виды залежей топяного подтипа подстилаются низинным торфом, однако по своему строению относятня не к смешанному, а к верховому типу. Подобная залешь считается верховой, если мощность пластов верхового торфа составляет не менее 50% общей мощности залежи. С другой стороны, если пласты низинного торфа покрыты слоем верхового торфа не более чем на 0,5 м, то такую залежь относят к низинному типу. К переходному типу относятся залежи, полностью или более чем на 50% сложенные переходным типом торфа.К смешанному типу принадлежат залежи, в нижней своей части сложенные низинным или переходным торфом, а сверху прикрытые верховым торфом.

Последовательность напластования отдельных слоев торфа называется стратиграфией, а профиль торфяной залежи с графическим изображением такой последовательности – стратиграфическим профилем.

Степень разложения торфа. Пнистость торфяной залежи

Важной характеристикой торфа, помимо ботанического состава, является степень разложения торфа, показывающая насколько сильно растительные остатки подверглись бактериальному распаду. Так как в результада распада растений образуется темная, утратившая клеточное строение (бесструктурная) масса – гумус, то по его количеству в торфе и судят о степени разложения. Для определения степени разложения образец торфа изучают под микроскопом в очень тонком, разбавленном водой слое и определяют площадь, занятую отдельно гумусом и форменными остатками растений. Отношение площади занятой гумусом, к общей и представляет собой численную величину степени разложения торфа. Выделяют три степени разложения торфа:

Самый верхний слой торфяной залежи, состоящий из живых растений, а также находящийся непосредственно под ним слой торфа со степенью разложения до 5-7% называется очесным слоем (очесом).Данный слой непригоден для разработки на топливо, лишь в отдельных случаях он использовался для сырья для получения изоляционных плит и подстилки для животных. Очесный слой залегает на глубину до 0,3 м, но иногда на верховых торфяниках, его мощность достигает 1-1,5 м. При разработке подобных залежей получается торфяное топливо ухудшенного качества. Имеются торфяные залежи с более или менее постоянной степенью разложения на всю глубину: фускум-залежь, залежи лесного подтипа. В низинных топяных залежах степень разложения, как правило, увеличивается с глубиной. Если низинная залежь сложеня лесным ии топяным торфом, более высокая степень разложения будет в слое лесного торфа, являющимся почти всегда сильно разложившимся. Часто можно наблюдать чередование слоев с различной степенью разложения (например, медиум-залежь). Одной из причин такого чередования является изменение климата в период накопления торфа. Современному климату около 2500 лет назад предшестовал теплый и сухой период, во время которого торфяники сильно пересыхали, в них происходил интенсивный процесс разложения торфа. Создавались хорошие условия для произрастания лесов. В течение этого периода часто имели место лесные пожары; в результате в торвяной залежи оставались только пни от деревьев, а на ее поверхности вместе с другими торфообразователями появилась растительность, хорошо развивающаяся на гари (пушица, вереск). Слой торфа, образовавшийся в сухой период, имеющий высокую степень разложения и содержащий большое количество древесных остатков, включая уголь, называется пограничным горизонтом. Ниже этого слоя торф обычно имеет меньшую степень разложения.

Важной характеристикой торфяной залежи является пнистость – отношение объема древесных остатков в залежи в процентах к общему ее объему. Различают следующие типы залежей по пнистости:

Пнистость более 3% встречается очень редко, и как правило, такое количество пней бывает не на всем торфяном месторождении, а только на каком-либо отдельном его участке, обычно сложенным сосново-пушицевым торфом.

Характеристика залежи по средним показателям пнистости не является исчерпывающей. Для практических целей важно распределение пней по отдельным слоям залежи. Пни распределяются в залежи равномерно, если в процессе образования торфа не происходило существенных изменений в водно-воздушном режиме торфяной залежи. Если же такие изменения были, то распределениее пней становится весьма неравномерным. В качестве примера можно привести залежи с пограничным горизонтом, образовавшимся, как было указано выше, в сухой период, и отличающимся повышенной пнистостью. Иногда можно встретить мощный слой древесных остатков в придонном слое залежи. Это показывает, что торфяное месторождение образовалось в результате заболачивания суходола с хвойным лесом. В пограничном горизонте и придонном слое пнистость может достигать 15%.

Размеры пней, встречающихся в торфяной залежи, колеблются в больших пределах. В зависимости от диаметра ствола чистый вес пня может достигать 70 кг, а размах корней до 3 м. Вес выкорчеваннго пня со всей корневой системой и приставшим в корням торфом может достигать 500 кг. Пни хвойных пород отличаются большой прочностью, а пни и стволы березового леса, напротив, бывают соверхенно рыхлыми.

Наличие в торфяной залежи пней и других древесных остатков значительно осложняет процесс добычи торфа. Так как пни в большинстве случаев очень прочные и крупные, торфодобывающие машины проектируются с таким расчетом, чтобы рабочие органы их не выходили из строя при встрече с пнем. Это приводит в увеличению веса, можности и стоимости торфяных машин. С увеличением пнистости залежи снижается производительность торфяных машин.

При разработке пнистых торфяных месторождений древестные остатки тем или иным способом отделяют от торфа в время экскавации (карьерные способы разработки), либо предварительно удаляют их из подлежащего разработке слоя залежи (поверхностно-послойные способы).

Естественная влажность и зольность торфа

Влажностью торфа называется выраженное в процентах количество содержащейся в торфе влаги, отнесенное к общему весу торфа (относительная влажность) или к весу сухого вещества торфа (абсолютная влажность).

Влажность торфа, находящегося в естественной залежи, называется естественной влажностью; она колеблется в пределах 86-94%. В среднем естественная влажность верховой залежи составляет – 92%, низинной – 90%. Влажность торфа определяют путем лабораторного анализа проб торфа.

Большое количество воды в торфе удерживается неразложившимися элементами растений-торфообразователей. Поскольку с увеличением степени разложения торфа количество их уменьшается, понижается и естественная влажность торфа. Особенно мнго воды ужерживают в себе основные торфобразователи верхового типа – сфагнумы, вслежстве чего верховой торф, как правило, имеет более высокую естественную влажность, чем низинный. Значительное количество воды связывается с сильно разложившейся часть торфа – гумусом.

Естественная влажность торфа также зависит от содержаения в торфе несгораемой минеральной части – золы. Поскольку зола менее влагоемка по сравнению с горючей частью торфа, то естественная влажность уменьшается с увеличением зольности торфа.

Зольностью называется процентное содержание несгораемых минеральных веществ (золы) в торфе. Зола состоит из получающихся при сгорании торфа продуктов окисления минеральных веществ, входящих в состав торфа (первичная зола), и минеральных примесей (песок, глинистые частицы), принесенных в торф извне (вторичная зола). Растения-торфообразователи низинного типа, питающиеся богатой минеральными солями грунтовой водой, содержат в себе больше минеральных веществ, чем торофообразователии верхового типа. Кроме того, на низинном торфяном месторождении почти всегда имеются или впадающие в месторождение или протекающие через него реки и ручьи, которые в половодье приносят значительное количество минеральных частиц.

Исследования показали, что чем глубже торфяная залежь в целом, темь меньшее степень разложения торфа, и что более мощная по глубине торфяная залежь имеет более высокую естественную влажность и более низкую зольность.

Глубина торфяной залежи на каждом отдельном торфяном месторождении может изменяться в очень широких пределах в зависимости от рельефа дна. Наибольшая глубина в отдельных точках некоторых месторождений достигает 11 метров.

Зольность торфа с переходом в более глубокие слои залежи обычно повышается. Наиболее высокую зольность имеют придонные слои, что обыясняется степенью связи живого растительного покрова с минеральным грунтом. Эта связи по мере роста слоя торфа уменьшается, в силу чего уменьшается и зольность. Однако, если в торфяной залежи имеются прослойка лесного торфа или пограничный горизонт, для которых характерна повышенная зольность, то данная закономерность нарушается. Подобное нарушение можно также наблюдать на торфяных месторождениях, расположенных в поймах рек, где за счет приноса полыми водами большого количества минеральных веществ иногда образуются прослойки торфа с очень высокой зольностью.

Влажность торфа по полщади месторождения, как правило, возрастает с увеличением глубины залежи и максимальной величины достигает в центральной зоне месторождения.

Поскольку периферийные участки торфяного месторождения являются более сухими по сравнению с цетральной частью, то на них создаются лучшие условия для жизнедеятельности микроорганизмов, разлагающих вещество торфа, в результате чего степень разложения торфа возрастает в направлении от цетра к периферии месторождения.

Такую же зависимость имеет распределение зольности торфа. Это объясняется во-перывх тем, что берега месторождения являются источниками зазоления торфа в процессе его образования, и, во-вторых, тем, что отмеченная выше связь растительнго покрова с минеральным грунтом на мелкой залежи выражена сильнее, чем на глубокой. К этому следует добавить, что образующиеся в залежи в результате разлива полых вод минеральные прослойки обычно занимают только часть месторождения, непосредственно примыкающую к источнику полой воды.