Из всех микрокомпонентов ОВ самым лучшим с точки зрения показательности при изучении степени катагенетического преобразования является витринит. Дело в том что, для надежной диагностики необходим микрокомпонент, который должен иметь закономерное изменение свойств в процессе преобразования, в то же время он должен быть широко распространен в ОВ. Витринит отвечает всем вышеуказанным требованиям, в отличие от остальных микрокомпонентов углей и РОВ. Которые либо сливаются с общей органической массой углей уже на средних стадиях катагенеза (лейптинит), либо слабо и неравномерно реагирующими на изменение параметров окружающей среды(фюзинит). И только витринит меняет свои свойства закономерно постепенно и очень легок в диагностике.

Именно на основании отражательной способности витринита построено большинство шкал для определения степени катагенеза. Кроме него используются и другие микрокомпоненты РОВ, но в меньшей степени. В основе метода лежит закономерность повышения блеска в процессе катагенеза. Это легко можно увидеть визуально, если рассмотреть изменение блеска углей в процессе их изменение. Не требуется особых приборов, чтобы заметить, что блеск антрацита, например, намного выше блеска, бурого угля. Отражательная способность тесно связана с внутренним строением вещества, а именно со степенью упаковки частиц в веществе. От этого как раз она и зависит. Конечно, изучение степени катагенеза по отражательной способности проводится с использованием специального оборудования, например, установка ПООС-I прибор состоит из поляризационного микроскопа, оптической насадки, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и регистрирующего устройства. При проведении исследования сравниваются фототоки, вызванные светом, отраженным от поверхности образца и эталона.

Итак, за эталон при проведении исследований принят витринит, точнее его отражательная способность. Она измеряется при помощи различных фотометров и эталонов в воздухе и иммерсионной среде при строго перпендикулярном падении света на хорошо отполированную поверхность образца. Измерения проводятся лишь в узком диапазоне длин волн: от 525 до 552 нм. Это ограничение связано с техническими характеристиками прибора. За эталон принята длинна волны 546,1 нм, но небольшие колебание вокруг этого значения, практически не оказывает заметного влияния на значение измерения. Образец закрепляется на столике микроскопа и останавливается так, чтобы его поверхность была перпендикулярна оси оптической насадки. Как было сказано выше, мы измеряем интенсивность отраженного света поочередно у образца и эталона при помощи ФЭУ. По определению, отражательная способность - способность отражать часть света падающего на поверхность. Если перевести это на числовой язык, то это отношение отраженного света к падающему.

Что можно записать, как:

Где I1 - это интенсивность отраженного света, а I2 - это интенсивность падающего света. Практически же при проведении измерений используется формула

Здесь R - искомый показатель отражения, d - показания прибора при измерении исследуемого вещества, а R1, соответственно, - показатель отражения эталона и d1- показания прибора при измерении эталона. Если настроить прибор-приемник на нулевое значение для эталона, тогда формула упрощается до R=d.

Кроме витринита, для проведения измерений используются и другие микрокомпоненты ОВ. Некоторые из них обладают свойством анизотропии отражательной способности. Обычно применяется три параметра измерения: Rmax Rmin Rcp. Повышение анизотропии витринита в процессе катагенеза связано в основном с процессом постепенного упорядочивания ароматических гуминовых мицелл, связанного с повышением давления с увеличением глубины погружения. Измерения в случае анизотропного препарата идейно ничем не отличаются от измерения однородного образца, но проводится несколько измерений. При этом столик микроскопа вращается на 360? с промежутками по90?. Всегда детектируется два положения с максимальным показателем отражательной способности и два с минимальной. Угол между каждыми из них составляет 180?. Измерения проводятся для нескольких фрагментов породы, и позже вычисляется среднее значение. Как среднее арифметическое средних значений максимального и минимального измерения:

Можно сразу определять среднее значение, выбирая угол поворота 45? от максимального или минимального значения, но это измерение верно только при изучении слабо преобразованного ОВ.

При проведении исследований, возникает несколько проблем, связанных с технологией. Например, если мы имеем породу, с низким общим содержанием ОВ то появляется необходимость специальной обработки образца и перевода его в форму концентрированных аншлифов-брикетов. Но в процессе получения концентратов исходное органическое вещество подвергается химической обработке, что не может не сказаться на оптических свойствах вещества. Кроме того теряется информация о структуре органического вещества породы. Искажения в измерениях может внести и то, что технология процесса приготовления препарата не стандартизировано и готовность образца обычно определяется визуально. Проблему представляет так же физические свойства пород, такие например как сильная минерализация или хрупкость угля, в этом случае приходится изучать отражательную способность на той площади поверхности, которую удалось получить. Если правильно выбрать участок, то окружающие дефекты практически не влияют на измерения. Но принципиально количественные величины ошибок, практически не влияют на определение стадии катагенеза.

Образцы изучаются, обычно в условиях обычной воздушной среды, это легко, быстро. Но если необходимо детальное изучение под большим увеличением, применяют иммерсионные среды, обычно это кедровое масло. Оба измерения верны и каждый из них используется, но каждый в своем определенном случае. Преимущества измерений в иммерсионной среде заключаются в том, что они позволяют изучать частицы с малой размерностью, кроме того, повышается резкость, что позволяет более детально диагностировать степень катагенеза.

Дополнительной трудностью при исследованиях является диагностика микрокомпонентов ОВ так как они обычно определяются в проходящем свете. В то время как отражательная способность, очевидно в отраженном. Поэтому. Обычно в процессе исследований комбинируют два метода. То есть попеременно используют проходящий и отраженный свет для изучения одного и того же фрагмента РОВ. Для этого обычно используются двусторонне полированные шлифы. В них после просмотра и определения микрокомпонента в проходящем свете освещение переключается и проводятся замеры в отраженном свете.

Витринит может использоваться не только для определения степени преобразованности органического вещества, но и для определения его отношения к породе. У сингенетичного витринита форма фрагментов обычно удлиненная, расположены частицы параллельно плоскостям напластования и, обычно обладают клеточной структурой. Если же мы имеем дело с частицами витринита округлой, окатанной формы, то скорее всего это переотложенное вещество.

Измерение отражательной способности витринита Ro% относится к наиболее распространённым методом оценки степени созревания ОВ в осадках. Отражательная способность витринита измеряется как отношение интенсивностей отражённого и падающего пучков света. Согласно физическим законам отражения и преломления света,

Доля интенсивности, Rо, луча монохроматического света, который нормально отражается от плоской поверхности куска витринита с показателем преломления n, погружённого в масло с показателем преломления, n o (или в воздух с показателем n а), равна:

Показатели преломления n и n o , определяются интегральной температурной историей образца витринита, т.е. функцией T(t). Основу метода составляет представление о том, что в процессе углефикации витринит меняет свою отражательную способность от значений Ro = 0.25% на стадии торфа до Ro=4.0% на стадии антрацита (Лопатин, Емец, 1987). Огромный фактический материал, накопленный к настоящему времени, дает возможность идентифицировать те или иные стадии созревания по измеренным значениям Ro%. При этом возможны вариации в значенияx Ro% для ОВ разного типа, а также в зависимости от содержания примесей в ОВ. Так, Ro = 0.50 % приблизительно соответствует началу главной стадии образования нефти для высокосернистыx керогенов, тогда как Ro = 0.55 - 0.60% - той же стадии для керогенов типа I и II (см. ниже), а Ro = 0.65 - 0.70% - для керогенов типа III (Gibbons et al., 1983; Waples 1985). Один из вариантов предполагаемого соответствия значений Ro% основным стадиям созревания ОВ и вычисляемым значениям температурно-временного индекса (ТВИ), обсуждаемого ниже, можно увидеть в табл.1-7а , а также на рис. 1-7 . Соответствие стадий катагенеза значениям Ro, приведенное в таблице, основано на корреляционной связи вычисленных Температурно-Временных Индексов (ТВИ) и значений Ro%, измеренных в разных бассейнах мира, и является приближённым. Тем не менее, оно широко используется в литературе и обсуждается подробнее в разделе 7-5-1. Для удобства ориентации в различных шкалах катагенеза ОВ в табл.1-7б приводится также шкала соответствия значений

Табл.1-7а. Соответствие значений Ro% и ТВИ стадиям катагенеза ОВ (Waples,1985)

отражательной способности витринита %Ro стадиям зрелости ОВ, принятым в российской нефтяной геологии.

Табл.1-7б. Соответствие значений Ro% стадиям катагенеза ОВ, принятым в российской нефтяной геологии (Парпарова и др., 1981)

Диагенез: ДГ3, ДГ2 и ДГ1 ------ Ro < 0.25%

Протокатагенез: ПК1 (0.25 £ Ro £ 0.30%)

ПК2 ((0. 30 £ Ro £ 0.42%)

ПК2 ((0.42 £ Ro £ 0.53%)

Мезокатагенез: МК1 (0.53 £ Ro £ 0.65%)

МК2 ((0. 65 £ Ro £ 0.85%)

МК3 ((0.85 £ Ro £ 1.15%)

МК4 ((1. 15 £ Ro £ 1.55%)

МК5 ((1.55 £ Ro £ 2.05%)

Апокатагенез: АК1 (2.05 £ Ro £ 2.50%)

АК2 ((2. 50 £ Ro £ 3.50%)

АК3 ((3.50 £ Ro £ 5.00%)

АК4 ((Ro > 5.00%)

Коротко скажем о некоторых проблемах, связанных с использованием измерений %Ro для оценки степени катагенеза ОВ. Они связаны прежде всего со сложностью выделения витринитовыx мацералов из ОВ осадочныx пород из-за иx большого разнообразия. Использование отражательной способности витринита для контроля палеотемпературных условий возможно, вообще говоря, лишь на основе витринита из угольных пластов и с меньшей надёжностью витринита из континентального (“terrestrial”) материнского ОВ в глинах с содержанием органического углерода, не превосходящим 0.5% . Но и в этих континентальных (terrestrial) сериях следует соблюдать осторожность, так как в таких породах как песчаники основная часть ОВ может быть переработана и изменена (Durand et al.1986). Необходимо учитывать также и тот факт, что в любом случае для Ro > 2% отражательная способность будет зависеть ещё и от давления. Следует соблюдать осторожность и в распространении концепции витринита на морские и озёрные серии пород, так как в таких породах частицы, отражательная способность которых измеряется, редко являются витринитами высших растений и в большинстве случаев

Рис. 1-7. Корреляция отражательной способности витринита, Ro%, и степени углефикации с другими индексами зрелости и с положением зон генерации и разложения нефти и газа Вверху: по (Kalkreuth and Mc Mechan, 1984), внизу по (Tissot et al., 1987).

являются битуминоидами от планктона, ошибочно принимаемые за витринит (Waples, 1985; Durand et al. 1986). По термофизическим свойствам они отличаются от витринита. Аналогичная проблема существует и для континентальных (terrestrial) пород кембрий-ордовика и более древних возрастов. Они не могут содержать витринита, так как высших растений тогда не существовало. Во всех красноцветных формациях ОВ окислено. В известняках витриниты сохраняются реже и, если они присутствуют там, то их отражательная способность может отличаться от значений для нормального витринита той же степени углефикации (Buntebarth and Stegena, 1986).

Определённые ошибки в этом методе оценки катагенеза ОВ будут возникать и вследствие значительных разбросов в измеряемыx значенияx Ro, а также из за того факта, что в разрезе бассейна всегда будут присутствовать горизонты, в которых выделение витринита затруднено или невозможно вовсе. Например, при низких уровнях зрелости выделение витринитовых мацералов представляет большую проблему, и в связи с этим надёжность измерений Ro для значений меньших 0.3 - 0.4% крайне низка (Waples et al. 1992). Зависимость отражательной способности витринита от исходного химического состава витринита будет существенной (Durand et al.1986). Это объясняет тот факт, что большой разброс в значениях Ro% часто наблюдается даже в пределах одного бассейна (Tissot et al.1987). Чтобы сделать ошибку от вариаций в химическом составе витринита минимальной измерения Ro% проводят на образцах правильного витринита, выделенного стандартной процедурой из органической материи континентального происхождения. Не рекомендуется использовать эквивалентные виды витринита в ОВ типов I и II при создании универсальных шкал соответствия значений Ro% степеням преобразования ОВ (Tissot et al. 1987).

И всё же, при разумном учете сделанных замечаний метод оценки уровня зрелости ОВ и контроля через него палеотемпературных условий погружения осадочной толщи по измерениям отражательной способности витринита относится в настоящее время к наиболее надежным и распространённым методам в практике анализа нефетгазоносных бассейнов.

7.3 Использование измерений %Ro и других методов для оценки максимальных температур пород в истории погружения бассейна

Первоначально измерения отражательной способности витринита использовались для оценки максимальных температур T max в истории погружения свит. Для подобных целей в геологических исследованиях применялись и применяются целый ряд методов, таких как (Yalcin et al., 1997): 1) оценки T max по уровню зрелости ОВ (степени углефикации, отражательной способности витринита; 2) оценки, основанные на минералогических изменениях при диагенезе глинистых минералов и кристаллизации иллита; 3) методы, основанные на анализе жидкостных включений, например, температуры гомонизации жидкости; 4) геотермометры, основанные на специфических химических реакциях, например, характеризующих равновесие устойчивых изотопов (Hoefs, 1987) или равновесные состояния системы SiO 2 -Na-K-Ca (Ellis and Mahon, 1977); 5) Физзион-трэк анализ (анализ распределения следов от деления радиоактивных элементов в аппатите; Green et al., 1989; 1995); 6) на основе комбинации определений радиометрического возраста таких радиометрических систем, как K-Ar, Rb-Sr и U, которые замыкаются при различных температурах (Buntebarch and Stegena, 1986). Так как оценки палеотемператур до сих пор широко распространены в геологической литературе, мы коротко охарактеризуем каждый из этих методов. Начнём изложение с оценок максимальных температур пород по значениям отражательной способности витринита.

Отметим сразу, что развитие методов оценки максимальных температур в истории погружения осадочных свит (T max) связано с тем, что в 70-ые и 80-ые годы прошлого века многие исследователи рассматривали температуру как основной и по сути единственный фактор эволюции зрелости ОВ осадков. Влиянием времени на процесс созревания ОВ при этом пренебрегалось. Считалось, что измеренные (или вычисленные) значения отражательной способности витринита %Rо должны отражать максимальные температуры пород в истории их погружения. Следуя таким взглядам, предлагались различные корреляционные соотношения между значениями T max и отражательной способностью витринита породы в воздухе %R а и в масле %Ro . Например, в работах Аммосова и др. (1980) и Курчикова (1992) предлагается оценивать значения T max по измеренным величинам %R а из соотношения

10×R а (%) = 67.2× (7-1)

Для образцов углистых прослоек в породах, из соотношения

10×R а (%) = 67.2× (7-2)

Для песчаников и алевролитов и по уравнению

10×R а (%) = 67.2× (7-3)

Для глин и аргиллитов. В приведённых выражениях T max выражена в °С. Прайс (Price, 1983) также полагал, что время в один и даже более млн. лет не оказывает заметного влияния на процесс созревания ОВ и на основании этого предложил соотношение, подобное (7-1) – (7-3), связывающее T max с отражательной способностью витринита в масле (%Ro):

T max (°С) = 302.97×log 10 Ro(%) + 187.33 (7-4)

Несколько подобных соотношений было рассмотрено К. Баркером (Barker and Pawlevicz, 1986; Barker, 1988, 1993). Первое из них (Barker and Pawlevicz, 1986):

ln Ro(%) = 0.0078×T max (°С) - 1.2 (5)

опиралось на 600 измерений T max в 35 скважинах различных бассейнов мира. По мнению авторов, оно справедливо в интервале температур 25 £ T max £ 325°C и отражательных способностей витринита 0.2% £ Ro £ 4.0%. К. Баркер (Barker, 1988) предложил соотношение, описывающее ситуации с постоянной скоростью нагревания пород при погружении в бассейне:

T max (°С) = 104×ln Ro(%) + 148. (7-6),

и основанное на кинетической модели созревания витринита (Burnham and Sweeney, 1989). М. Джонсон и др. (Johnsson et al., 1993), анализируя эту формулу, замечают, что она неплохо описывает ситуацию со скоростями нагревания V = 0.1 – 1 °C/млн. лет, но для скоростей V = 10 – 100 °C/млн. лет недооценивает значения T max в области Ro < 0.5% и переоценивает их при Ro > 2%. В своей более поздней работе Баркер (Barker, 1993) предложил ещё один вариант корреляционной связи T max с %Ro, не содержащий ограничения на скорости нагревания пород,:

T max (°С) = [ ln(Ro(%) / 0.356) ] / 0.00753 (7-7)

Таким образом, в литературе предлагается достаточно много корреляционных соотношений T max - %Ro. На рис. 2-7 они сопоставлены друг с другом по результатам оценок T max для значений 0.4% £ Ro £ 4.0%.

Рис. 2-7. Соотношения, связывающие максимальную температуру T max в истории погружения породы с измеренными значениями отражательной способности витринита в масле %Ro, по различным литературным источникам: 1 (для углей), 2 (для песчаников и алевролитов), 3 (для глин и аргиллитов) – (Аммосов и др., 1980; Курчиков, 1992); 4 - (Price, 1983); 5 - (Barker and Pawlevicz, 1986); 6 - (Barker and Pawlevicz, 1986); 7 - (Barker, 1993); 8 - по температуре гомогенизации жидких включений (Tobin and Claxton, 2000).

Из этого рисунка очевиден значительный разброс в значениях T max , отвечающих фиксированным значениям Ro, который достигает 60 - 100°С для зрелости Ro ³ 0.7%. Этот разброс однозначно свидетельствует о том, что значение температуры (пусть даже и максимальное) одно не может определять зрелость ОВ в породах, и что время выдержки температуры играет заметную роль в созревании ОВ. Не исключено, что в отдельных интервалах Ro и в особых условиях осадконакопления (типа тех, что обеспечивают неизменную скорость прогревания пород) некоторые из приведённых соотношений неплохо описывают ситуацию, но как показывают исследования (см. ниже), одни и те же значения %Ro могут быть достигнуты, например, при более низких температурах но с большим временем выдержки породы (см. ниже). По этой причине всегда находится бассейн и формация с соответствующим интервалом зрелости и температур, для которых оценки по соотношениям (7-1) – (7-7) будут приводить к заметным ошибкам. Это обстоятельство имело следствием то, что популярность выписанных соотношений заметно снизилась за последние 10-15 лет.

Другим распространённым методом оценки палеотемператур пород в бассейнах является определение T max по анализу состава жидкостей, захваченных в процессе диагенеза матрицей пород. Применение метода возможно при выполнении следующих условий (Burruss 1989): 1) включение является однофазной жидкостью, 2) объём этой жидкоcти не меняется после её захвата породой, 3) состав её также оставался неизменным, 4) влияние давления на состав жидкости заранее известно, 5) время и механизм улавливания жидкости также известны. Перечисленные условия говорят о том, что необходима известная осторожность в применении метода (Burruss 1989). Во-первых, необходимы детальные петрографические исследования, чтобы установить относительное время формирования жидкого включения. Во-вторых, необходим тщательный анализ тектонического развития района и истории погружения бассейна для детализации истории вмещающих пород. Необходим также анализ фазового поведения и химического состава захваченной жидкости. Но и после этого остаются две важных проблемы - одна, связанная с предположением о неизменности химического состава жидкости после её захвата матрицей породы (имеются убедительные свидетельства, что это не всегда так), и другая, связанная с определением величины и типа давления, существовавшего в период вмещения жидкости - было ли оно литостатическим или гидростатическим (Burruss 1989). В случае, если все указанные проблемы решены, температура породы на момент захвата жидкости определяется по соответствующей Р-Т диаграмме равновесия жидкой и твёрдой фаз исследуемого вещества. В развитие этого метода Тобин и Клакстон (Tobin and Claxton, 2000) предложили использовать корреляционную связь температуры гомогенизации жидких включений T hom и отражательной способности витринита Ro% (Рис. 2-7):

Ro% = 1.9532 ´ log T hom – 2.9428 (7-8)

Они установили, что при использовании «идеального» ряда измерений соотношение (7-8) выполняется с коэффициентом корреляции 0.973 и дисперсией данных менее 0.12% Ro. Если же используется весь ряд мировых данных то соотношение вида:

Ro = 2.1113 ´ log T hom – 3.2640 (7-9)

будет выполняться c коэффициентом корреляции 0.81 и максимальной дисперсией данных менее 0.32% Ro (Tobin and Claxton, 2000). Температуру гомогенизации T hom часто используют как оценку максимальной температуры пород T max в процессе её погружения в бассейне. Однако, рис. 2-7 показывает, что кривая, построенная по формуле (7-9), заметно отличается от оценок T max по формулам (7-1) – (7-7), пересекая остальные линии на рис. 2-7. Она явно занижает температуры для Ro < 1.5% и даёт нереально высокие значения при Ro > 2% (Th = 540, 930 и 1600°C для Ro=2.5, 3 и 3.5%, соответственно).

Рис.3-7 Изменение изотопного отношения d 13 C с глубиной для газового месторождения бассейна Анадарко (США; Price, 1995).

В ряде работ (Rooney et al., 1995; Price, 1995 и др.) для оценки температуры генерации углеводородов предлагается использовать изменение изотопного состава углерода в ходе катагенеза ОВ (рис. 3-7) . Результаты экспериментов по генерации газов ОВ типа II (материнские породы бассейнов Делавар и Вал-Верде в западном Техасе) при постоянной скорости нагревания пород 1°С/мин (левый рис. 4-7 ; Rooney et al., 1995) демонстрируют заметное изменение изотопного состава газов

Рис. 4-7. Температура генерации газа и изотопное отношение d 13 C для метана (d 13 C 1), этана (d 13 C 2) и пропана (d 13 C 3), генерированных керогеном типа II материнских пород бассейнов Делавар и Вал-Верде в западном Техасе при скорости нагревания пород 1°С/мин (левый рис., по Rooney et al., 1995) и Изотопное отношение d 13 C для метана, генерированного при различных температурах в ходе гидроидного пиролиза образцов пород с ОВ различного типа (правый рис., по Price, 1995).

с температурой и тем самым подтверждают принципиальную возможность использования этой зависимости для оценки температуры генерации газов ОВ данного типа. О том же говорят и результаты гидроидного пиролиза образцов пород с ОВ различного типа, приведённые на левом рис. 4-7. Они также наглядно демонстрируют изменение изотопного отношения d 13 C для метана, генерированного при разных температурах (Price, 1995). Однако, эти эксперименты указывают и на крайне высокую чувствительность изменений d 13 C к вариациям в составе и типе ОВ, в силу чего применение метода возможно лишь после детального анализа состава ОВ и получения соответствующих зависимостей именно для анализируемого типа вещества. Широкий разброс в значениях d 13 C с глубиной, показанный на рис. 3-7 для типичного разреза осадочного бассейна, в основном и вызван вариациями в составе и типе ОВ в породах макро и микро слоёв разреза. Такой разброс сильно ограничивает достоверность оценок температур по изотопным отношениям в газах реальных осадочных разрезов.

Процесс преобразования смектита в иллит в глинистых минералах также иногда используется для контроля палеотемпературных условий в бассейнах. Однако, рис. 5-7 показывает, что интервалы температур, характерные для процесса, довольно широки. Такой разброс по температурам не удивителен, так как лабораторные исследования показывают, что процесс преобразования смектита в иллит управляется кинетической реакцией 6-ого порядка (Pytte and Reynolds, 1989) и, следовательно, время влияет на скорости этих переходов наряду с температурой. Подробнее эти реакции будут рассмотрены в заключительном разделе этой главы, здесь же отметим, что разумные оценки температуры перехода смектита в иллит возможны лишь для изотермического варианта преобразования минералов, но и тогда погрешность метода будет заметной.

Рис.5-7 Преобразование глинистых минералов по данным анализа образцов из 10 скважин Северного моря (Dypvik, 1983). Процессы исчезновения смектита и слоёв иллита разных уровней в смешаннослойных смектит-иллитовых глинистых минералах привязаны к значениям температур и отражательной способности витринита.

Группа витринита: а - колинит (гомогенный серый) с кутинитом (черный). Отраженный свет. Иммерсии б - колинит (гомогенный серый), корпоколинит (темносире овальное тело слева), телинит (неравномерная полоса в центре). Белые сферолиты - пирит. Отраженный поляризованный свет. Состояние угасания; в - витродетринит. Отраженный свет. Иммерсии г - колинит (сверху), телинит (снизу).

Телинит (серый), резинит (черный). Отраженный свет. Иммерсии.

Раздробленные обломки витринитового характера очень часто встречаются в каменном угле. Они образуют десмоколинитову основную массу клариту и тримацериту. Как правило, при исследовании в нормальном отраженном свете с использованием масляной иммерсии эти обломки нельзя отличить друг от друга. В этом случае их объединяют под названием "десмоколинит". Только йодисто-метиленовая иммерсии позволяет четко различать их в угле с высоким выходом летучих веществ. В отраженном свете с использованием масляной иммерсии частицы витродетриниту можно увидеть только тогда, когда они окружены компонентами, имеющих иную отражательную способность (например, глинистыми минералами в углистых сланцы или инертинитом в обманывать).

где коэффициент k характеризует скорость захвата, а показатель степени т - порядок реакции. Величина k изменяется от 0 до оо. При этом при Кг- коэффициент, учитывающий качество основания; Я - высота свободного падения угля, м.

где Р - угол наклона отражающей поверхности, градус; W+5~- содержание класса крупнее 6 мм, %.

И характер воздействий, и внешние механические нагрузки, имеющие место на перепадах транспортного потока, определяются конструктивными параметрами перегрузочных устройств и средств транспорта: высотой перепада, жесткостью и углом наклона отражающей поверхности, скоростью и углом наклона подающего конвейера и другими факторами.

ростью под углом и к горизонту с высоты h на отражающую поверхность, наклоненную в свою очередь под углом Р. В месте соударения отражающей поверхности и антрацита скорость его падения может быть разложена на нормальную vn и касательную vr по отношению к отражающей поверхности составляющие. Кинетическая энергия соударения определяется нормальной составляющей У„, которая может быть определена по формуле

Действующие сегодня классификации рассматривают уголь в основном как энергетическое топливо, поэтому в них недостаточно отражены свойства, важные для процессов химико-технологической переработки. В настоящее время во многих странах ведутся исследования по разработке методов однозначной оценки пригодности любого угля для различных направлений его технологического использования, в.том числе и для переработки в моторные топлива. В Советском Союзе в последние годы завершена разработка такой единой классифика-: дни углей на основе их генетических и технологических параметров. По этой классификации петрографический состав угля выражается содержанием фю-зинизированных микрокомпонентов. Стадия метаморфизма определяется по показателю отражения витринита, а степень восстановленности выражается комплексным показателем: для бурых углей - по выходу смолы полукоксования, а для каменных углей - по выходу летучих веществ и спекае-мости. Каждый из классификационных параметров отражает те или иные особенности вещественного состава и молекулярной структуры углей.

До 1989 г. по каждому угольному бассейну имелась своя классификация, закрепленная соответствующим ГОСТом. Основами этих классификаций для разделения углей на марки и внутри каждой марки на группы были: выход летучих веществ, толщина пластического слоя и характеристика нелетучего остатка при определении выхода летучих веществ. С 1991 года введена Единая классификация каменных углей. По стандарту, который предусматривает новые классификационные параметры, угли делятся по видам, в зависимости от величины показателя отражения витринита, теплоты сгорания и выхода летучих веществ на бурые, каменные и антрациты.

кевич и Ю.А.Золотухин пытались разработать методику прогноза прочности кокса с учетом петрографического состава и показателя отражения витринита. Принималась во внимание неоднородность углей в шихтах по степени метаморфизма и микролитотипному составу. Учитывался также показатель толшины пластического слоя, а также зольность прогнозируемой шихты, вычисляемая по аддитивности.

Как видно, в пределах каждой пары дифференцированных по батареям шихт нет заметных различий по зольности, содержанию общей серы, спе-каемости. Выход летучих веществ несколько ниже у шихт, предназначенных для коксовой батареи № 1-бис. Величины комплексных показателей для всех вариантов соответствуют или близки оптимальным срединным значениям, некоторое предпочтение при этом можно все же отдать шихтам для батареи № 1-бис. В табл. 6 приведены подтверждающие это положение характеристики спе-каемости. Петрографические характеристики опытных шихт, включающие средние величины показателя отражения витринита и распределение различных стадий метаморфизма в пределах вит-ринитовой составляющей угольных шихт, представлены в табл. 7.

Варианты шихт Показатель отражения витринита р О/ "0, /О Стадия метаморфизма витринита, %

петрографический;

Стадия метаморфизма устанавливается по отражательной способности витринита. Сущность метода заключается в измерении и сопоставлении электрических токов, возникающих в фотоэлектронном умножителе при отраженном свете от полированных поверхностей образца и образца сравнения. Показатель отражения витринита для каменных углей находится в пределах от 0,40 до 2,59 .

Углями низкого ранга считаются угли с высшей теплотой сгорания менее 24 МДж/кг и средним показателем отражения витринита /?„ менее 0,6 %;

Углями более высокого ранга считаются угли с высшей теплотой сгорания равной или более 24 МДж/кг, а также с высшей теплотой сгорания менее 24 МДж/кг при условии, что средний показатель отражения витринита равен или превышает 0,б %.

Средний показатель отражения витринита, К,„% -две цифры

Первые две цифры кода обозначают отражательную способность вмтри-нита, соответствующую нижнему пределу 0, 1%-ного диапазона значений среднего показателя отражения витринита, умноженному на 10;

Показатель отражения витринита характеризует стадию метаморфизма угля. В сочетании с мацеральным составом показатель отражения витринита даёт представление о химических и технологических свойствах угля или смеси углей.

Показатель отражения витринита может быть также использован для характеристики плотности угольного вещества. Измерение показателя отражения витринита в смеси углей позволяет идентифицировать компоненты этой смеси и оценить их относительное содержание.

Показатель отражения витринита является одним из основных генетических параметров классификации и кодификации углей (раздел IV). Так, разделение ископаемых углей на виды (бурые, каменные угли и антрациты), установление стадии метаморфизма и класса угля проводят по показателю отражения. Первые цифры кода индивидуального угля представляют собой значение показателя отражения витринита.

В соответствии с ГОСТ 17070-2014 показатель отражения витринита R – это отношение интенсивности светового потока установленной длины волны, отраженного от полированной поверхности мацералов группы витринита (гуминита), к интенсивности светового потока, падающего перпендикулярно на эту поверхность, выраженное в процентах.

Показатели отражения отдельных мацералов группы витринита в исследуемом угле могут существенно отличаться друг от друга, поэтому полученная величина показателя отражения зависит от того, какой именно мацерал был использован для измерения показателя отражения. Измерение проводят на одном или нескольких мацералах группы витринита, в этом случае, представляя результаты, указывают, какие мацералы были использованы для измерений, а также оценивают вклад каждого мацерала в общий результат.

В настоящее время для определения показателя отражения применяют единый стандартный метод, регламентированный в стандарте ИСО 7404-5:2009 и ГОСТ Р 55659-2013 «Методы петрографического анализа углей. Часть 5. Метод определения показателя отражения витринита с помощью микроскопа».

Сущность метода заключается в следующем. Интенсивность света с длиной волны 546 нм, отраженного практически под прямым углом от полированной поверхности мацералов группы витринита, измеренную с помощью электронного фотоумножителя (или аналогичного устройства), сравнивают с измеренной в таких же условиях интенсивностью света, отраженного от эталонов с известным показателем отражения. По своим оптическим свойствам зерна витринита в одном и том же угле немного отличаются друг от друга. Проводят достаточное количество измерений на различных зернах витринита, чтобы полученный результат можно было отнести ко всему углю или угольной смеси.

В качестве эталонов используют оптические стекла, лейкосапфир, горный хрусталь, алмаз с показателями отражения в масляной иммерсии от 0,3 до 7%. Эти показатели должны быть определены в специальных лабораториях или рассчитаны по показателям преломления.

Перед измерением показателя отражения регулируют оптическую си­стему и подготавливают аппаратуру, проверяя ее стабильность. Калибруют прибор, начиная с эталона с высоким показателем отражения. Далее проверяют линейность сигнала фотоумножителя, измеряя показатели отражения еще двух эталонов. Если показывающий прибор дает правильные результаты для трех эталонов, можно считать, что установка откалибрована.

Аншлиф-брикет устанавливают на предметном столике микроскопа так, чтобы его полированная поверхность была параллельна предметному стеклу. На поверхность аншлиф-брикета наносят каплю иммерсионного масла. После предварительного определения цены деления измерительного прибора стандартный образец заменяют на исследуемый аншлиф-брикет. Измерения показателей отражения эталонов проводят до и после исследо­вания образца угля.

Показатель отражения каменных углей и антрацитов измеряют на всех мацералах группы витринита. Исследуемые участки не должны иметь царапин, микрорельефа и минеральных примесей. Размер участка должен быть в два раза больше фотометрируемого поля. На каждом аншлиф-брикете необходимо выполнить от 40 до 100 измерений в зависимости от однород­ности и стадии метаморфизма угля. Число измерений увеличивают с повышением неоднородности витринита и увеличением стадии метаморфизма угля. Для установления показателя отражения угольных смесей осуществляют не менее 500 измерений.

Измерение максимального и минимального показателей отражения витринита в масле

Измерения проводят в линейно поляризованном свете при вращении предметного столика микроскопа.

В начале перемещают столик микроскопа с помощью препаратоводителя до тех пор, пока перекрестие нитей окуляра не сфокусируется на поверхности витринита, пригодной для измерений. Поверхность, предназначенная для измерений, не должна иметь трещин, дефектов полировки, минеральных включений или рельефа и должна находиться на некотором расстоянии от границ мацерала.

После получения выходного сигнала от фотоумножителя, поворачивают столик на 360° со скоростью не более 10 мин -1 . Записывают наибольшее и наименьшее значения показателя отражения, полученные при вращении столика.

Перемещают аншлиф-брикет в направлении с длиной шага 0,5 мм и производят измерения, когда перекрестие попадает на подходящую поверхность витринита. Для того, чтобы быть уверенным, что измерения производятся на подходящем участке витринита, образец можно переместить препаратоводителем на расстояние до 10 мкм. В конце пути образец передвигают в направлении Y, перпендикулярном направлению Х, на следующую линию. Расстояние между линиями составляет не менее 0,5 мм. Продолжают перемещение образца с шагом 0,5 мм в противоположную сторону, производя при этом измерения показателя отражения. Расстояние, на которое передвигают образец в направлении Y, выбирают таким, чтобы измерения распределились равномерно по всей поверхности аншлиф-брикета. Измерения показателя отражения витринита пробы продолжают до тех пор, пока не будет получено требуемое число результатов измерений (табл. 9.5).

Максимальный и минимальный показатели отражения (R o,max и R o,min) вычисляют как среднеарифметические значения максимальных и минимальных показаний прибора, соответственно.

Измерение произвольного показателя отражения витринита в масле

Измерения показателя отражения производят равномерно по всей поверхности препарата. Аншлиф-брикет перемешают в горизонтальной плоскости в направлении Х, причем длина шага равна 0,5 мм. Измерение производят, когда перекрестие окуляра попадает на подходящую поверхность витринита. Затем брикет перемещают на один шаг (0,5 мм) в направлении Y и снова двигают его по оси Х в обратном направлении. Измерения показателя отражения витринита пробы продолжают до тех пор, пока не будет получено требуемое число результатов измерений (табл. 9.5).

Таблица 9.5 – Максимально допустимые расхождения между результатами определения показателей отражения витринита

Показатель отражения, %	Максимально допустимые расхождения между результатами, % абсолютный		Количество измерений
	Сходимость	Воспроизводимость
До 1,0 включ.	0,02	0,03	40
1,01-1,50	0,03	0,05	40
1,51-2,00	0,05	0,08	40
2,01-2,50	0,07	0,11	40
2,51-3,00	0,10	0,15	40
3,01-3,50	0,10	0,15	80
3,51-4,00	0,10	0,15	120
4,01-4,50	0,10	0,15	200
4,51-5,00	0,10	0,15	300
Более 5,0	0,10	0,15	500

Измерения проводят в неполяризованном свете без вращения предметного столика микроскопа. Произвольный показатель отражения (R o,r) вычисляют как среднеарифметическое всех измерений.

Измерение показателей отражения в воздухе

Определения максимального, минимального и произвольного показателей отражения в воздухе (R а,max, R а,min и R а,r) допускается проводить для предварительной оценки стадий метаморфизма. Эти измерения проще выполнить, особенно в полевых условиях. Однако, замеры в иммерсии дают более точные данные, так как проводятся при больших увеличениях.

Измерения в воздухе проводят аналогично измерениям в иммерсионном масле при более низких значениях апертурной диафрагмы, напряжения осветителя и рабочего напряжения фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

На исследуемом аншлиф-брикете необходимо выполнить 20-30 измерений, на аншлиф-штуфе – 10 и более.

Определение анизотропии отражения витринита

В качестве дополнительного параметра определяют показатель анизотропии отражения витринита (A R). В соответствии с ГОСТ 17070-87 анизотропия отражения витринита – это различие значений показателя отражения витринита в зависимости от его ориентирования по отношению к напластованию, определяемое в установленных стандартом условиях. Антрациты характеризуются более высокими значениями оптической анизотропии, чем каменные угли. Поэтому показатель анизотропии отражения витринита используется при классификации антрацитов на подтипы (раздел IV).

Показатель анизотропии отражения витринита (A R) вычисляют по формуле:

A R = 100·(R o,max - R o,min) / R o,r ,%. (9.6)

Рассчитывать показатель анизотропии отражения следует по результатам измерения показателей отражения витринита в аншлиф-штуфах.

Значения показателя отражения записывают, округляя до второго десятичного знака.

В протоколе испытаний указывают число измерений, а также приводят сведения об идентификации мацералов группы витринита, на которых проводили измерения.

Результаты определения отдельных значений произвольных показателей отражения витринита в аншлиф-брикете представляют в виде таблицы, в которой все данные распределяют по интервалам показателя отражения витринита с диапазоном 0,05% или 0,10%. Определяют частоту (%) значе­ний R o,r попадающих в тот или иной интервал. Из данных такой таблицы можно сделать несколько выводов и рассчитать параметры классификации и кодификации углей (раздел IV):

Определить среднее значение произвольного показателя отражения в иммерсии R o,r для характеристики стадии метаморфизма и класса угля по ГОСТ 25543-2013;

Определить стандартное отклонение (σ) по известной в математиче­ской статистике формуле; эта величина отражает неоднородность изучаемых проб; в угольных смесях колеблется в широких пределах;

Построить рефлектограмму (гистограмму) распределения значений показателя отражения витринита: на ось абсцисс нанести значения R o,r с интервалом 0,05% или 0,10%, а на ось ординат - частоту измерений (%), относящихся к каждому интервалу.

Тип рефлектограмм и величина стандартных отклонений относятся к параметрам кодификации углей (раздел IV).

Расхождения между результатами двух параллельных определений не должны превышать значений, указанных в табл. 9.5.

Показатель отражения витринита увеличивается по мере изменения степени углефикации от бурых углей до антрацитов. Показатель отражения в масле (R o,r) изменяется от 0,1 до 6,0%, в воздухе (R а,r) – от 5,5 до 15% и более. Это можно объяснить следующим.

В соответствии с теоретическими представлениями интенсивность отраженного пучка света в видимой части спектра прямо пропорциональна количеству свободных электронов, которые, поглощая энергию падающего пучка света, переходят в возбужденное состояние. Количество свободных электронов, определяющих интенсивность отражения, сравнительно невелико и связано преимущественно с конден­сированным углеродным скелетом (углеродными сетками).

С повышением степени углефикации углей количество таких углеродных структур увеличивается, и отражательная способность витринита возрас­тает. Одновременно увеличивается ориентация этих углеродных структур, в основном, вдоль напластования, что приводит к определенной ориентации электронного поля. При общем повышении показателя отражения со ста­дией метаморфизма одновременно возрастает анизотропия оптических и механических свойств углей.

Таким образом, показатель отражения витринита является внешним отражением глубоких молекулярных превращений органического вещества исходного растительного материала в условиях его накопления и далее в процессах торфообразования, диагенеза и метаморфизма.