Горючие сланцы

Горючие сланцы

Введение

Горючий сланец относится к топливно-энергетическому и химическому сырью и является нетрадиционным источником углеводородного сырья.

Горючий сланец-полезное ископаемое, залегающее на сравнительно небольших глубинах, относится к группе твердых каустобиолитов и состоит из органического вещества (10-50% по массе) и минеральной части. Промышленную ценность представляет как органическая, так и минеральная части сланцев, основными компонентами которой являются карбонаты и алюмосиликаты.

Сланцы используются для энергетических и технологических целей: В качестве топлива в производстве тепловой и электроэнергии (при прямом сжигании), являются сырьем для получения жидкого топлива (при глубокой переработке), а также сырьем для химической, металлургической отраслей и строительства.

на то, что это ископаемое давно и верно служит людям, учёные до сих пор не могут прийти к единому мнению по этому вопросу. Существует много определений понятия «горючие сланцы». Обычно к ним относят осадочные тонкозернистые карбонатные, кремнистые или глинистые горные породы, содержащие 15-40 процентов органического вещества. При его содержании 5-15 процентов породы относятся к группе керогеносодержащих, 40 процентов и более - к сапропелевому углю, при менее 5 процентов ОВ речь идёт уже о рассеянном органическом веществе. Некоторые авторы относят к горючим сланцам осадочные породы с нижним пределом содержания керогена в 5-10 процентов, а верхним пределом содержания органического вещества считают 30, 40, 50 и даже 60-80 процентов.

Из чего же состоят горючие сланцы, несмотря на различие мнений, все учёные рассматривают горючие сланцы, как смеси тесно связанных между собой органических и неорганических составляющих.

Ещё в 1912 году профессор Крум-Броун предложил называть органическое вещество шотландских горючих сланцев керогеном, что в переводе с греческого означает «воск рождающий». Позднее керогеном стали называть органическое вещество сланцев во всех странах. Кероген способен давать при нагревании нефтеподобную жидкость, именуемой сланцевой нефтью, или сланцевой смолой.

Можно сразу сказать, что термин «горючие сланцы» не очень удачный. На английский язык он переводится как oil shales (что в переводе означает дословно «нефтяные и масляные сланцы»), в языках латинского происхождения сланцы обычно называют bitumineux ( битуминозные сланцы ), хотя известно, что породы, именуемые так, почти не содержат сырой нефти ( битумоидов), а могут давать вязкую жидкость, похожую на нефть, лишь при нагревании до 500 градусов и выше. Предполагалось даже создать, специальную комиссию по разработке единой сланцевой терминологии. Однако исправить такое положение сейчас вряд ли возможно, поскольку все эти термины давно и прочно закрепились в литературе.

Состав и свойства горючих сланцев

Для того чтобы правильно оценить свойства горючих сланцев и определить наиболее рациональные области их использования, нужно в первую очередь изучить их вещественный состав. Предварительно это делают макроскопически, а потом уже более детально. Для этого изготавливают тонкие срезы (шлифы) или полируют кусочки сланцев (аншлифы). Такой анализ позволяет досконально изучить вещественный или петрографический состав сланцев. Многие компоненты горючих сланцев, видимые под микроскопом, не различимы простым глазом. Они так и называются «микрокомпоненты». Это альгинит - остатки планктонных водорослей; выделяют таломоальгинит, если водоросли сохранили свою структуру, и коллоальгинит - водоросли, превратившиеся в бесструктурное вещество. В некоторых сланцах большое значение приобретает сорбомикстинит - бесструктурное вещество, представляющее собой тонкую смесь альгинита или остатков высших растений с глинистым веществом. Встречаются в сланцах и микрокомпоненты, присущие углям, витринит (гелифицированные остатки древесины, однородные или с клеточной структурой), липтинит (споры, пыльца, кутикула, смоляные тельца), семивитринит (вещество, переходное от витринита к фюзиниту), фюзинит (фюзенизированные остатки древесины с хорошо выраженной клеточной структурой). В сланцах ряда месторождений Волжского бассейна встречены тела неясной природы, условно названные псевдовитринитом, вероятнее всего они образовались из фитобентоса и морской травы.

Рассмотрим, из чего состоит минеральная часть сланцев. В основном она сложена тонкодисперсным, обычно гидрослюдистым материалом; пелитоморфным, хемогенным или органогеннодетритусовым карбонатным веществом; хальцедоновыми раковинами диатомовых водорослей. Минеральная и органическая тонкодисперсная масса находится в тесной (адсорбционной) смеси. Растительные микрокомпоненты обычно перемешаны с зёрнами разнообразных минералов: кварца, полевых шпатов, глауконита, сульфидов и др.

Опишем качества горючих сланцев. Наиболее важные показатели - теплота сгорания, выход смолы, влажность и содержание серы, зольность, состав золы.

Сначала рассмотрим таблицу №1, в которой приведены сведения о качестве сланцев наиболее известных месторождений мира. Лучшим качеством обладают сланцы некоторых месторождений Австралии (Глен-Дэвис), СССР (Эстонское, Ленинградское) и Испании ( Пауэртольяно). Они содержат 20-30 процентов смолы. Сланцы же большинства месторождений содержат в 2-3 раза меньше смолы и обладают пониженной теплотой сгорания.

Таблица 1. Качество сланцев основных месторождений мира

Основные показатели качества сланцев

Теплота сгорания. В геологоразведочной практике применяется показатель удельной теплоты сгорания сухого сланца. Этот параметр является оценочным при подсчёте запасов сланцев в недрах. Теплота сгорания горючих сланцев различных месторождения, а также различных пластов одного месторождения может колебаться от 4-5 до 20-25 МДж/кг. Наиболее высокой теплотой сгорания - более 15 МДж/кг. - обладают горючие сланцы Эстонского, Ленинградского, Болтышского месторождений в СССР, некоторые сланцы Австралии, Новой Зеландии. Однако в мире преобладают сланцы, имеющие среднюю теплоту всего 4-6 МДж/кг.

Сланцевая смола. Выход основного и наиболее ценного продукта переработки - сланцевой смолы может изменяться от первых процентов у сланцев Оленекского бассейна и менилитовых сланцев Карпат до 25-30 процентов у кукерситов Прибалтийского бассейна. Смолы полукоксования обладают различным фракционным составом. Бензиновая фракция (выкипающая при температуре до 200 градусов) для большей части сланцевых смол составляет 19-25 процентов и лишь в смолах Прибалтийского и Волжского бассейнов не превышает 5 процентов. Дизельная фракция (200-325 градусов) составляет основную массу смолы - 30-40 процентов, а в некоторых смолах (Кендерлыкское месторождение в СССР) -50-60 процентов. Остаток (выше 325) составляет 25-30 процентов. По химическому составу смолы можно разделить на 3 типа: 1.парафинистые, по физико-химическим свойствам близкие к парафинистым нефтям (сланцы Грин-Ривер в США, Болтышского, Кендерлыкского месторождений в СССР, Ирати в Бразилии, Мэсот в Тайланде); 2. Высокосернистые (сланцы Волжского бассейна Средней Азии, Израиля, Иордании, Марокко); 3. С повышенным содержанием фенолов (кукеристы Прибалтийского бассейна, сланцы Припятского бассейна)

Для сланцев одного и того же месторождения теплота сгорания прямо пропорциональна выходу смолы. Сланцы разных месторождений при одинаковом выходе смол могут иметь различную теплоту сгорания, что объясняется неодинаковым исходным веществом и разными условиями его преобразования

Влажность. Это один из важных показателей, характеризующих теплотехнические свойства сланцев. Естественная влажность сланцев различных месторождений колеблется от 2-5 до 25-30 процентов. Она снижает теплоту сгорания топлива. Сланцы с содержанием влаги до 20-22 процентов могут быть использованы в промышленности без предварительной подсушки, при большой влажности их необходимо подсушить, что увеличивает расход тепла на переработку и ведёт к её удорожанию. Большое содержание влаги (до 30) в сланцах Болтышского месторождения служат препятствием дл их использования. Однако при освоении более совершенных методов переработки использование таких сланцев станет реальным.

Содержание серы в сланцах колеблется от долей процента до 10 процентов. В горючих сланцах встречается сера нескольких разновидностей : сульфатная, сульфитная и органическая. Содержание сульфатной серы, представленной сульфатами железа или гипсом, незначительное. Сульфидная сера (пирит, марказит) преобладает во многих сланцах. Она содержится в количестве 1-2 процентов, иногда до 4 процентов. В сланцах Волжского, Вычегодского, Тимано-Печерского бассейнов СССР, сланцах Марокко, Иордании и Израиля преобладает органическая сера (до 70 процентов общего количества серы).

Сера - вредная примесь. Из-за высокого ее содержания невозможно использовать сланцы ряда бассейнов, в частности Волжского. Отметим, что для прямого сжигания сланцев допускается не более 1 процента общей серы на 4,19 мегаджоуля на килограмм теплоты сгорания. Одна из основных задач применительно к высокосернистым сланцам - это очистка от серы смол и других продуктов, получаемых при газификации и полукоксовании таких сланцев. Опытами, проведёнными на установках с твёрдым теплоносителем и в газогенераторах, доказано принципиальная возможность получения сланцевой смолы. Однако большая часть серы переходит в смолу, что делает её непригодной как для энергетических целей, так и для получения жидких топлив.

Зольность горючих сланцев изменяется от 35-40 до 80-85%. Состав золы сланцев меняется в широких пределах. Свойства золы зависят не только от минерального состава сланцев, но и от способа их сжигания и переработки. Некоторые виды золы - ценное промышленное сырьё. Золы, содержащие не менее 15 % свободной окиси кальция, обладают вяжущими свойствами и пригодны для изготовления лёгких и тяжёлых бетонов и изделий из них. Карбонатные золы находят применение в сельском хозяйстве для известкования кислых почв. Золы алюмосиликатного состава могут быть использованы в дорожном строительстве, в промышленности строительных материалов.

Неоднократно применялись попытки создать классификацию горючих сланцев, в которой бы отражалось не только их качество, но и пути возможного использования. Предложенные классификации были химическими, петрографическими, промышленными. В качестве классификационных параметров выбирались следующие показатели: содержание углерода и водорода в керогене сланцев, выход смолы из сланцев, теплота сгорания и другие. Тем не менее, общепризнанной классификации, где нашли бы отражение генетические особенности сланцев, их качественная характеристика и технологические особенности, пока нет. Создание такой классификации - задача будущих комплексных исследований.

Образование горючих сланцев

Образование горючих сланцев длится на земном шаре более миллиарда лет, начиная с протерозоя и кончая накоплением илов в современных лагунах и озёрах (табл.2).

Таблица 2. Периоды сланцеобразования

Некоторые исследователи даже предполагают, что первые горючие сланцы образовались более 3 миллиардов лет назад на Кольском полуострове, на Украине, в Сибири, в Северной Америке, Южной Африке и в других регионах мира. Сейчас эти породы, называемые шунгитовыми, кианитовыми, графитовыми сланцами, практически уже не являются горючими ископаемыми, поскольку они испытали весьма длительное воздействие повышенных температур и давлений. Органическое вещество в них превратилось в графитоподобный материал с очень большим содержанием углерода. Правда, по мнению других учёных, содержащийся в этих породах углерод имеет неорганическое происхождение и связан с влиянием магматических процессов.

Образование горючих сланцев начинается с момента накопления органических остатков. Если угли ведут свою родословную от различных древесных, травянистых растений или мхов, то родители сланцев гораздо скромнее. Это мельчайшие водоросли, перемещаемые волнами или течениями (фитопланктон), иногда водоросли подводных лугов (фитобентоз) или низшие представители животного мира (фианктон). Что ж, зато сланцы могли бы гордиться своей древностью: они намного старше углей.

Однако из наиболее важных условий для образования горючих сланцев - это достаточное количество органического материала. Ни интенсивность роста планктона влияют многие факторы, в том числе большое количество питательных веществ, образующихся за счёт разложения вымерших организмов. Некоторые компоненты необходимые для жизни мельчайших водорослей приносятся либо ветром, либо течениями. Вероятно, нельзя объяснить простой случайностью и тот факт, что вулканический пепел часто встречается вместе с горючими сланцами. Особенно благоприятными условиями для жизни планктона обладает зон фотосинтеза, распространяющаяся до глубины не более 50 метров. Тёплый климат, большое количество света способствует быстрому размножению планктона.

В сланцах ранних геологических периодов, например, ордовикских Прибалтийского бассейна, отсутствуют остатки высших растений. В органическом веществе горючих сланцев более молодых бассейнов это примесь может быть довольно значительной ( до 30 %) , что отражается в химическом составе сланцев и сопровождается снижением содержания водорода- наиболее калорийного элемента.

Горючие сланцы, даже очень близкие по месту и времени образования, могут быть совсем разными по качеству.

Можно выделить четыре основные группы сланцевых бассейнов и месторождений. Большинство сланцевых месторождений образовались в платформенную стадию, а также в орогенную (при этом подразумевается активизация древних платформ), которую в последние годы всё чаще выделяют в самостоятельный этап развития земной коры. К платформенным относят чёрные, реже светло-бурые морские сланцы, часто залегающие вместе с карбонатными, кремнистыми и фосфатными породами. Они занимаю огромные площади (десятки, сотни, а иногда даже тысячи квадратных километров), но мощность сланцевых пластов обычно не велика и составляет несколько метров. Это сланцы Прибалтийского, Волжского, Тимано - Печёрского, Вычегодского бассейнов в Европейской части СССР, Оленекского бассейна в Восточной Сибири, Ирати в Бразилии, горючие сланцы Швеции (месторождения Нерке, Вестерготланд, Оланд), бассейн Тулебак в Австралии, сланцы восточных и центральных районов США. Это наиболее важный промышленный тип сланцев. Месторождения орогенного типа озёрного происхождения обычно молодого возраста. Особое место в их формировании, по - видимому, занимали вулканические и гидротермальные процессы, связанные с глубинными разломами, поскольку, как мы уже говорили, привнос пеплового материала и минерализованных вод создаёт благоприятные условия для развития фитопланктона. Примерно такие условия существуют сейчас в Великих озёрах Восточной Африки. Суммарная мощность сланцевых пластов таких месторождений может достигать сотен метров, однако качество сланцев в них в целом хуже, чем качество сланцев, образовавшихся на платформах. К орогенному типу бассейнов и месторождений можно отнести Грин - Ривер в США, Рандл, Кондор, Стюарт в Австралии, Фушунь в КНР, Кендерлыкское в СССР.

К третьему типу относят сланцы, связанные геосинклиналями. Они часто достигают большой мощности (сотни метров). Качество таких сланцев ещё ниже, чем качество орогенных. Тимпичные представители этой группы - менилитовые (менилит - название глинистого минерала, входящего в состав сланцев) сланцы Карпат, сланцы Сицилии, Черноморского побережья Кавказа. Значение их невелико.

К четвёртой немногочисленной и малоизученной группе относятся озёрные сланцы впадин атектонического (то есть без влияния тектоники) происхождения. Это сланцы вулканических и карстовых впадин, впадин, связанных с соляной тектоникой. Как правило, размеры таких месторождений невелики, и сланцы характеризуются низким качеством

(Новодмитревское, Флориановское, Болтышское месторождения в СССР, Пула, Герце).

Условия, в которых накапливались осадки, могли быть весьма различными. Это открытые морские просторы, закрытые бассейны - заливы, фьорды, заливные равнины, лагуны, лиманы, пресноводные озёра. Их размеры колебались в широких пределах - от небольших водоёмов до громадных внутриконтинентальных бассейнов, наподобие Каспийского.

В настоящее время в связи с глубоководным бурением в Мировом океане возник вопрос: как образовались обогащённые органическим веществом породы в океанических бассейнах на глубинах 3 километров и более? Выдвинута гипотеза о периодическом существовании глобальных бескислородных застойных обстановок в Мировом океане, связанных с климатическими изменениями на планете. Другая гипотеза объясняет образование таких отложений за счёт поступления газов из глубинных очагов Земли.

Каков же механизм преобразования органических остатков в керогене горючих сланцев? Долгое время считалось, что образование горючих сланцев происходило по схеме: органические остатки - пелаген (остатки, достигшие дна моря или озера) - глинистый ил (сапропель) - сапропелит (горючие сланцы или сапропелевые угли). Таким образом, горючие сланцы рассматривались лишь как более зольные сапропелевые угли. Сейчас предполагается, что процесс превращения органического вещества в кероген сланцев мог идти несколькими путями и что образование сапропеля - лишь один из них, самый изученный, и видимо, наиболее обычный. Геохимическая обстановка образования сланцев могла быть различной: от бескислородно - восстановительной ( сланцы Волжского бассейна в СССР, Грин - Ривер в США, горючие сланцы Швеции) до слабокислительной ( кукерситы Прибалтийского бассейна).

Что же происходит с органическим веществом, оказавшимся на дне моря, озера или лагуны? Здесь идёт переработка первичной массы отмершего планктона личинками насекомых, червями, моллюсками и особенно микроорганизмами. Преобразование органического вещества в более глубоких слоях сапропеля осуществляется в основном за счёт бактерий, сначала аэробных (способных жить только в атмосфере кислорода), а затем анаэробных, способных существовать без атмосферы кислорода). В результате их деятельности органическое вещество обедняется кислородом. Точные границы действия бактерий установить трудно. Однако бактерии начинают погибать при температуре + 80 градусов. На этой сравнительно ранней стадии преобразование органического вещества биохимический этап уступает место геохимическому - метаморфизму, а превращение органического вещества в нерастворимый кероген уже полностью заканчивается; начинается преобразование керогена под действием новых факторов: температуры и давления. Говоря об угле, мы часто добавляем: бурый, каменный или антрацит, что характеризует не только его качество, но и степень преобразования в нём органического вещества. Выделяются следующие стадии преобразования органического вещества, иначе называемой углефикацией.

Стадии: буроугольная, длиннопламенная, газовая, жирная, коксовая, отощённо-спекающаяся, тощая, антрацитовая.

Как уже говорилось ранее, горючие сланцы древнее углей. Поэтому естественно предположить, что за геологическое время какая-то часть их залежей подверглась метаморфизму. Но вопросы метаморфизма горючих сланцев обычно подробно не рассматривались. Имеется ограниченное число публикаций на эту тему. В чём же причина? Известно, что при нагревании сланцев до температуры 500 градусов и выше образуется сланцевая смола, похожая на нефть. Не происходит ли такое явление и в природе и не являются ли те самые сланцы нефтепроизводящими (или нефтематеринскими) породами? При увеличении глубины погружения и, следовательно, с ростом температуры и давления структура органического вещества сланцев уже не находится в равновесии с физико-химическими условиями. При повышении температуры происходит постепенное упорядочение структуры атомов углерода. В отличие от органического вещества углей кероген горючих сланцев содержит большое число алифатических (т.е открытых не замкнутых в кольца) цепей. На ранних стадиях преобразования тенденции изменения керогена сланцев близки к изменению вещества углей: кислород удаляется в виде двуокиси углерода и воды. На стадии жирной и коксовой наиболее сильно меняется внутренняя структура углей. В горючих сланцах на этих стадиях происходит расщепление органического вещества, то есть разрыв различных связей атомов углерода и выделение углеводородов. Углеводороды мигрируют в вышележащие слои и атмосферу, а горючие сланцы превращаются в обычные известняки, мергели, глинистые сланцы или аргиллиты с рассеянной или концентрированной органикой преимущественно «угольного» ряда (оболочки водорослей, остатки высших растений).

Количество горючих сланцев

До сих пор точного ответа на этот вопрос нет. Горючие сланцы большинства регионов мира ещё плохо изучены. Нет полной и достоверной информации о многих бассейнах и месторождениях, отсутствуют единые критерии их оценки. Подсчёт запасов сланцев в разных странах производится до различной глубины, при разной минимальной мощности пластов и неодинаковом предельном содержании сланцевой смолы. В результате разные авторы дают различные трудно сопоставимые цифры ресурсов сланцев. Долгое время из-за недостатка и разнохарактерности информации ресурсы сланцев и сланцевой смолы на земном шаре вообще не подсчитывались.

Первую попытку подсчёта предприняли в 1965 г американские учёные Д.К. Дункан и В.Ч. Свенсон. По их данным, ресурсы сланцев с содержанием органического вещества более 10 % составили астрономическую величину - 1350 триллионов тонн.

По данным ООН 1967 общие мировые запасы горючих сланцев составили 450 триллионов тонн, в них содержится 26 триллионов тонн сланцевой смолы. ( Напомним для сравнения, что достоверные запасы нефти равны 95 миллиардам тонн, а ресурсы - 400-600 миллиардам тонн.)

В 1973 году геологической службой США был выполнен подсчёт установленных, гипотетических и умозрительных ресурсов сланцевой смолы по континентам и миру в целом - 53,1 триллиона тонн. Нижний предел содержания смолы в сланцах - 4 %.

В дальнейшем в публикациях различных авторов приводятся гораздо меньшие цифры мировых ресурсов сланцевой смолы - 240 -430 миллиардов тонн, относящихся лишь к геологическим запасам разведанных, известных и сравнительно легко доступные для разработки месторождений с нижним пределом содержания нефти 4 %.

Промышленные запасы сланцевой смолы, то есть запасы, разработка которых известными в настоящее время способами, оказывается экономически рентабельным, по данным Ж. Уолла 1981, составляют 39 миллиардов тонн.

По материалам 27 Международного геологического конгресса (Москва, 1984) мировые ресурсы сланцевой смолы составляют 550 миллиардов тонн. Основные ресурсы сосредоточены в западном полушарии, из них 53 % в Северной Америке, и 20 % в Южной Америке.

Таблица 3. Распределение мировых ресурсов сланцевой смолы по континентам

Данные о том, как ресурсы горючих сланцев распределяются по возрасту заключающих их отложения приведены в таблице 4. Здесь же для сравнения приведены сведения и по другим горючим ископаемым.

Таблица 4. Стратиграфическое распределение ресурсов горючих ископаемых, %

Месторождения

Известно, что горючих сланцев в мире, да и в нашей стране очень много. Возникает вопрос: а нужно ли искать и разведывать новые месторождения? Конечно, нужно. Дело в том, что энергетические ресурсы на территории СССР распределены неравномерно. На востоке страны их гораздо больше, чем на западе (более 80 процентов). Но именно в западных районах сосредоточен основной промышленный потенциал страны, главные потребители топлива (80 процентов). Десятки миллионов тонн угля и нефти везут сейчас за тысячи километров. Горючие сланцы многих стран мира плохо изучены, а ведь потребность в энергии и топливе очень велика. Вот почему геологи продолжают изучать закономерности распространения горючих сланцев, ведут поиск новых месторождений.

Где и как искать горючие сланцы. В первую очередь для этого надо знать признаки сланценосности. Существуют прямые признаки - это выходы сланцевых пластов на дневную поверхность. Но обнаружить выходы горючих сланцев на поверхность можно далеко не всегда. Тогда на помощь геологам-поисковикам приходят специальные карты, составленные геологами - съёмщиками. Это геологические, геофизические, литологические и другие карты, на которых особыми значками и цветом показано распространение горных пород различного возраста и состава, отображено геологическое строение то или иной площади. Пользуясь определёнными предпосылками, геолог выбирает наиболее вероятные площади для постановки геологоразведочных работ.

В первую очередь стратиграфические - ведь наиболее часто горючие сланцы можно встретить в породах определённого возраста, причём в разных районах возраст сланцев различен. Так, на западе СССР развиты ордовские горючие сланцы, на севере европейской части и в Поволжье - сланцы Юрского возраста, в Средней Азии - палеогенового, а в Восточной Сибири - кембрийские. Важны и литологические предпосылки. Горючие сланцы залегают среди осадочных пород - известняков, аргиллитов, алевролитов, образовавшихся в морских и озёрных условиях. Велика роль и тектонических предпосылок. Ведь сланцевые месторождения приурочены к определённым структурным элементам земной коры и наиболее часто встречаются на платформах, а также в тектонических впадинах активизированных платформ и орогенных поясов.

На рисунке 1 приведены геологические разрезы наиболее известных сланцевых бассейнов и месторождений.

Рис. 1. Геологические разрезы основных сланцевых бассейнов и месторождений мира

Ведь геологоразведочный процесс делится на две крупные стадии: поиски и разведку. Цель поиска - обнаружить месторождение по прямым или косвенным геологическим предпосылкам, выявить площади со сланцами определённого качества. Поисковые работы наряду с наземными геологическими маршрутами сопровождается проходкой различных горных выработок - канав, шурфов, буровых скважин. Причём скважинами, которые обычно располагаются по профилям, сланцевые пласты прослеживаются на глубину. Расстояние между профилями обычно 1-4 км в зависимости от строения месторождений, а между скважинами в профиле - примерно в 2 раза меньше. Глубина скважин может быть различной - от 50 до 200 метров и более. Таким образом, месторождения покрываются сетью буровых скважин, что позволяет изучить сланцевые пласты как по площади, так и в разрезе. Если получены положительные данные о строении месторождения, количестве и качестве горючих сланцев, приступают к разведке. Для этого сгущают сеть скважин до 500 метров, а на сложных месторождения - до 250 метров и менее. Это позволяет досконально изучить месторождение.

При изучении сланцевых месторождений обычно применяется колонковое бурение. На конце бурового снаряда имеется колонковая труба с армированной твёрдыми сплавами коронкой. Эта колонка врезается в недра земли и в трубу поступает столбик породы, так называемый керн - основной материал для изучения строения месторождения, состава и свойства пород и заключенных в них полезных ископаемых.

В каждой пробуренной скважине фиксируются встречаемые горные породы, определяют глубину их залегания, мощность и строение, берут пробы горючих сланцев и пород для изучения в специальных лабораториях. По большевесным пробам, взятым из скважин большого диаметра или из шурфов, определяют технологические свойства сланцев и наиболее рациональное направление их использования, что особенно важно.

Огромную помощь геологам оказывают геофизики, которые изучают физические свойства пород - плотность, упругость, электрическое сопротивление, радиоактивность и другое. Ведь каждая горная порода характеризуется только ей присущими свойствами, изучение которых позволяет расшифровать детали геологического строения изучаемого района. Наиболее эффективны такие методы геофизики, как гравиразведка, магниторазведка, электроразведка, сейсморазведка. С их помощью геологи могут заглянуть в земные глубины и выбрать наиболее благоприятные места для заложения буровых скважин. Наряду с наземными геофизическими методами на угольных месторождениях применяется скважинная геофизика, так называемый каротаж. На прочном кабеле в скважину спускаются специальные приборы, которые замеряют кажущееся удельное сопротивление, естественную гамма-активность пород, рассеянное гамма-излучение. Замерив эти показатели, получают чёткое представление о глубине залегания, мощности пластов, пород и сланцев, их свойствах; по ним можно даже косвенно судить о выходе сланцевой смолы. В последнее время стали применяться новые методы скважинных геофизических исследований - радиопросвечивание, акустический и нейтронный каротаж.

Добыча сланцев

В настоящее время высокоразвитая сланцевая промышленность есть только в СССР и КНР.

В СССР сланец в количестве 31 миллиона тонн добывается на 12 шахтах и 4 разрезах в Прибалтийском бассейне (98 % добычи) и на Кашпирском месторождении Волжского бассейна. Половина сланцев добывается экономичным открытым способом, при котором себестоимость добычи в 1.5-2 раза ниже, чем при подземном способе.

На сланцевых месторождениях, на разрезах принята единая система разработки - простоя бестранспортная. Предельная мощность вскрыши 12-18 метров. Внедрение более мощных экскаваторов позволит в перспективе увеличить мощность вскрыши до 40 метров. На разрезах Прибалтийского бассейна частично применяется селективная выемка. Сланцевая залежь отрабатывается тремя последовательно и раздельно вынимаемыми слоями. Сланцы верхнего (F-E) и нижнего (C-B) отгружают в автотранспорт, средний слой D идёт вместе с породой в отвалы. При этом безвозвратно теряется около 19 процентов сланца. В настоящее время на разрезе «Октябрьский» осваивается технология валовой выемки с последующим обогащением горной массы в тяжёлых средах, что позволит снизить потери до 10 процентов.

В Зависимости от характера горно-геологических условий на сланцевых шахтах Прибалтийского бассейна в СССР применяются следующие системы:

камерная система разработки, основанная в Прибалтийском бассейне: валовая выемка пласта буровзрывными работами с управлением кровлей с поддержанием на столбчатых целиках;

комбинированная система «камера - лава» (вторая по объёму добычи): валовая выемка пласта с поддержанием кровли на ленточных целиках;

столбовая система разработки применяется в осложнённых условиях эстонского месторождения: в этом случае отрабатывается комбайнами только нижняя часть пласта;

селективная выемка с буровзрывным разрушением пласта с ручной навалкой и закладкой бутовых полос для управления кровлей, применяется на старых шахтах, она очень трудоёмка.

Как видим, выбрать весь сланец практически не удается, часть его оставляют в целиках для поддержания кровли. Таким образом, потери сланца, называемые эксплуатационными (существуют еще общешахтные потери и потери по геологическим причинам), составляют 20-30 процентов запасов, а на старых шахтах и в сложных условиях они достигают 45-50 процентов. С подобным положением мириться, конечно, нельзя. Сокращение потерь сланца в недрах и повышение производительности труда возможны только путем обновления технической базы и изменения технологии очистных работ. Основа решения этих задач - создание средств комплексной механизации очистных работ и внедрение поточной организации добычи сланцев. Новые варианты технологий: механизированные лавы, где производится буровзрывная выемка пласта и полное обрушение кровли; комплексно-механизированные лавы слоевой или валовой выемки пласта, то есть комбайновая выемка с полным обрушением кровли; слоевая или валовая выемка импульсными струговыми комплексами.

С введением этих технологий эксплуатационные потери сланца в недрах снизятся в 1,5-2 раза, а производительность труда возрастет в 1,5 раза и более.

В течение последних двадцати лет за рубежом все больше внимания уделяется новому методу получения смолы - перегонке сланцев на месте залегания непосредственно в пласте. Метод очень привлекателен. Отпадает необходимость строить шахты или разрезы, нет нужды избавляться от огромных масс отработанного сланца. Опытные работы в этом направлении ведутся в США в бассейне Пайсенс-Крик. Для этого бурят несколько скважин. В центральную скважину нагнетают воздух. Сланец поджигают, и образовавшиеся газы превращают органическое вещество (кероген) в смолу, которую откачивают из периферических скважин (рис. 2).

Рис. 2. Схема перегонки горючих сланцев на месте залегания:

- скважина для ввода сжатого воздуха, 2 - перекрывающие породы, 3 - скважина для вывода продуктов перегонки (сланцевой смолы и газа), 4 - сгоревший сланец, 5 - зона горения, 6 - зона перегнанного сланца, 7- зона перегонки, 8 - сырой сланец

Несмотря на то, что идея метода очень проста, его реальное осуществление связано с решением весьма сложных инженерных задач. Одна из них заключается в создании трещиноватости, которая необходима для получения должной проницаемости пород, особенно при сравнительно большой глубине залегания сланцев. Большую трудность представляет также управление фронтом горения. Возникают проблемы, связанные с охраной окружающей среды, например загрязнение грунтовых вод растворимыми продуктами перегонки.

По имеющимся сведениям, в КНР на месторождениях Фушунь и Маомин открытым и подземным способом добывается 45-1 00 миллионов тонн сланцев в год.

В США добывается и перерабатывается на полупромышленных установках 1,5-2 миллиона тонн сланцев. В Бразилии для опытной установки на месторождении Сан - Матеус -ду - Сул формации Ирати открытым способом осуществляется добыча 0,8 миллиона тонн сланцев. В Израиле также работает опытная установка по сжиганию сланцевой нефти, сырье для испытаний поставляет небольшая шахта.

В ФРГ открытым способом добывается около 360 тысяч тонн сланцев в год для получения цемента и низкокалорийного газа. В Швеции добывается примерно 100 тысяч тонн сланцев, содержащих уран. Смола при этом не производится.

Первое упоминание об использовании горючих сланцев относится к XVII веку, когда в 1694 году в Англии был выдан патент Мартину Илу и его коллегам, которые «нашли способ получения из породы большого количества смолы, дегтя и масла». Интересно отметить, что переработка сланцев в жидкое топливо велась задолго до начала промышленной добычи обычной нефти. Первые промышленные предприятия были построены во Франции в 1839 году и в Шотландии - в 1850 году.С этого времени переработка сланцев стала развиваться во многих странах: Австралии, Бразилии,США, Швейцарии, Швеции, Испании. Предприятия росли. Так, к XIX столетию на восточном побережье США их насчитывалось около 200. Правда, все они имели небольшую мощность, на них перерабатывалось от 50 до 200 тонн сланца в сутки.

Наибольший расцвет сланцевой промышленности приходится на годы второй мировой войны и послевоенные годы. В дальнейшем сланцевая нефть не могла конкурировать с природной. С 1952 (Австралия) по 1966 год (Испания) почти во всех странах добыча сланцев была прекращена.

Известны два основных направления использования горючих сланцев: энергетическое и технологическое с превращением их в традиционные формы энергетических ресурсов - синтетические нефть и газ. Имеют место также энерготехнологическое и энергоклинкерное использование сланцев. В мире нет единых стандартных требований к горючим сланцам. Каждая страна устанавливает их с учетом наличия запасов сланцев, потребности, целесообразности их добычи и использования.

В СССР основное направление использования горючих сланцев - энергетическое. В настоящее время непосредственно на двух крупных электростанциях - Эстонской и Прибалтийской - сжигается около 80 процентов добываемого сланца. Горючие сланцы - высокозольный вид топлива. При их пылевидном сжигании возникают проблемы золоулавливания, хранения золы, с которыми связаны вопросы охраны окружающей среды. Сланцевая зола обладает агрессивными свойствами и иногда вызывает повышенную коррозию котлов. Важно отметить, что электроэнергия, вырабатываемая прибалтийскими ГРЭС, - самая дешевая среди тепловых электростанций северо-запада СССР. Это определяется низкой себестоимостью добычи сланцев, расположением потребителей вблизи места производства и удаленностью других конкурирующих источников энергии.

Горючие сланцы, применяемые сегодня в энергетике, имеют теплоту сгорания 10 мегаджоулей на килограмм и более. Однако анализ ресурсов горючих сланцев показывает, что большая часть (около 70 процентов ресурсов) обладает невысокой теплотой сгорания (4-6 мегаджоулей на килограмм). Пробное пылевидное сжигание низкокачественных сланцев СССР, КНР, Румынии и ФРГ показало, что технически возможно сжигание сланцев с теплотой сгорания от 4 мегаджоулей на килограмм и выше. В настоящее время ведутся поиски новых методов сжигания, позволяющих рационально использовать низкокачественные сланцы, например сжигание в псевдоожиженном («кипящем») слое или магнитно-гидродинамическом (МГД) генераторе.

Рассмотрим способы технологического использования горючих сланцев. Сланцевую нефть получают путем нагревания раздробленных сланцев до температуры 500 градусов и выше. При такой температуре органическое вещество разлагается (пиролизуется), образуя масляный пар, который после конденсации дает вязкое жидкое сланцевое масло, газ и углистый остаток. Этот процесс называется перегонкой, или ретортированием.

В СССР для технологической переработки используют богатые смолой прибалтийские сланцы-кукерситы с выходом смолы 21-24 процента и сланцы Кашпирского месторождения с выходом смолы 11-13 процентов. История развития сланцевой промышленности и зарубежный опыт доказывают, что технически возможна и экономически целесообразна переработка сланцев и более низкого качества (4-8 процентов). Это особенно важно, поскольку большинство сланцев мира относится к бедным (выход смолы 5-10 процентов).

На четырех сланцеперерабатывающих предприятиях нашей страны выпускается более 60 наименований химических продуктов: топливное масло, масло для пропитки древесины, химико-мелиоративный препарат нэрозин, дубители, клеи, моющие средства, ихтиол, электродный кокс и т. д.

Основные направления использования горючих сланцев за рубежом - это получение топливно-энергетического сырья и некоторых специфических продуктов (парафин, кокс, медицинские препараты). Развитие сланцевой промышленности в будущем ориентировано на производство сланцевой смолы - синтетической нефти.

Наиболее эффективен метод переработки сланцев в газогенераторах. Разрабатываются также методы энерготехнологического использования сланцев на установках с теплоносителем (с получением сланцевого масла и последующим сжиганием его на электростанциях), методы полукоксования в псевдоожиженном (кипящем) слое, термического растворения, гидрогенизации и др.

В последние годы область технологического использования сланцев расширилась. Это связано с прямым использованием керогена, минуя его термическую переработку. Путем обогащения сланцев получают концентрат керогена с содержанием органического вещества 70 и 90 процентов. Он с успехом используется как органо-минеральный наполнитель в производстве пластмасс, резиновых, губчатых изделий.

Основные проблемы использования связаны с разработкой эффективных методов утилизации, как низкосортных, так и богатых смолой, но высокосернистых сланцев, ресурсы которых весьма значительны. Дело в том, что использование высокосернистых сланцев в энергетике нерационально в связи с экологическими ограничениями, а при термической переработке таких сланцев образуются сернистые смолы, требующие очистки.

Энергоклинкерное направление использования горючих сланцев освоено в ФРГ в Доттернхаузене. В печах с «кипящим» слоем сжигаются сланцы с теплотой сгорания 3,9 мегаджоуля на килограмм, а из смеси 70 процентов сланцевого минерального остатка и 30 процентов клинкера готовится цемент. Таким образом даже сланцы с низким содержанием органического вещества (примерно 10 процентов) при безотходном производстве могут быть экономично использованы.

В какой-то степени природа обделила горючие сланцы, ведь по сравнению с другими полезными ископаемыми они содержат меньше органического вещества, а следовательно, имеют и меньшую теплоту сгорания. По теплоте сгорания лучшие сланцы в 2 раза уступают каменным углям и в 4 раза - нефти. Вот почему на сланцевых месторождениях особую важность приобретает проблема комплексного использования как органической, так и минеральной части сланцев, а также сопутствующих полезных ископаемых. Сюда относятся карбонатные породы, пески, гравий, торф и т. д., негорючая минеральная часть сланца, межпластовая порода. В некоторых сланцах содержатся также редкие элементы и металлы: уран, ванадий, молибден и др.

В СССР сланцевая зола применяется при производстве строительных блоков и панелей, автоклавных ячеистых и тяжелых бетонов, силикатных кирпичей, высокомарочных портландцементов, в сельском хозяйстве - для известкования кислых почв. Даже при небольшом объеме ее использования (3,2 миллиона тонн в год, что составляет около 15 процентов от накапливающейся за год золы) экономический эффект составляет ежегодно 36-40 миллионов рублей. Вместе со сланцами на Эстонском месторождении добывается торф, а на Ленинградском - известняки.

Известны комплексные угольно-сланцевые месторождения. Это Фушунь в КНР, где добыча сланцев ведется совместно с углем, Алексинац в Югославии, Кен- дерлыкское, Болтышское в СССР.

В Швеции из сланцев получают серу. Сланцы месторождения Анина в Румынии содержат от 11 до 46 процентов сидерита - карбоната железа, который предполагается использовать в качестве сырья для металлургии. В США добычу горючих сланцев формации Грин-Ривер предполагается осуществлять совместно с экзотическими минералами троной, давсонитом и нахколитом - ценным сырьем для производства алюминия и карбоната натрия. Возможно, что в недалеком будущем горючие сланцы станут источником ряда редких и рассеянных элементов.

Горючие сланцы некоторых месторождений (диктионемовые сланцы и кукерситы Прибалтики, сланцы Азербайджана, Алексинацского месторождения в СФРЮ, Тимахди в Марокко) могут непосредственно применяться в сельском хозяйстве в качестве удобрений. В качестве удобрений уже сейчас используются сланцы месторождения Герце в Венгрии, где в 1984 году был открыт карьер для их добычи. Этот факт прямого сельскохозяйственного использования сланцев, несомненно, будет стимулировать их перевозки на далекие расстояния.

Вполне рентабельно их можно использовать вблизи места добычи, особенно там, где нет месторождений других горючих ископаемых. При этом в случае комплексного использования сланцев ценность их значительно возрастает.

Сланцевые бассейны мира

Прибалтика. На территории Эстонии и Ленинградской области, находится известный на весь мир уникальный сланцевый бассейн - Прибалтийский. В этом бассейне распространены два типа горючих сланцев: кукерситы, разрабатываемые с 1916 года, и диктионемовые сланцы, пока не имеющие промышленного значения. В западной части бассейна расположены Эстонское и Тапаское месторождения кукерситов, в восточной части - Ленинградское, Веймарнское и Чудово-Бабинское месторождения (рис. 3).

Рис. 3. Схема расположения сланценосных площадей и месторождений Прибалтийского бассейна:

а - граница сланценосных площадей, б - граница месторождений кукерситов, в - граница распространения диктионемовых сланцев.

Месторождения: I - Тапаское, II - Эстонское, III - Ленинградское, IV - Веймарнское, V - Чудово-Бабинское

Мощность пласта горючих сланцев-кукерситов 0,6-3,4 метра, глубина залегания до 170 метров. Строение пласта сложное: слои горючих сланцев переслаиваются с известняками (рис. 4).

Рис. 4. Строение промышленного пласта горючих сланцев Прибалтийского бассейна:

- горючий сланец, 2 - известняк, 3 - мергель

По качеству прибалтийские сланцы самые лучшие в мире (исключение составляют весьма небольшие залежи горючих сланцев торбанитов в Австралии и ЮАР). Теплота сгорания сланцев промышленной пачки достигает 16 мегаджоулей на килограмм, а выход смолы - 25 процентов. Ресурсы сланцев кукерситов составляют 21 миллиард тонн. Если уголь часто называют черным золотом, то прибалтийский сланец по праву можно назвать золотом коричневым. На них обратил внимание еще Петр I, в 1697 году пославший образцы кукерситов в Голландию. В настоящее время в Прибалтийском бассейне действуют 10 шахт и 4 разреза, на его долю приходится 98 процентов общесоюзной добычи сланцев. Большая часть сланцев сжигается на электростанциях. Хотя в топливном балансе страны горючие сланцы занимают менее 1 процента, значение их для Прибалтики трудно переоценить, ведь здесь почти нет других энергетических источников. Смола прибалтийских сланцев - ценное сырье для химической промышленности, она содержит в большом количестве кислородные соединения - фенолы, которые весьма трудно получить из природной нефти.

Глубина залегания диктионемовых сланцев 20-300 метров, мощность пласта от 1 до 7 метров, теплота сгорания 3-6 мегаджоулей на килограмм. Сланцы интересны тем, что содержат многие редкие и рассеянные элементы: молибден, ванадий, серебро, свинец, медь и др. Ресурсы этих сланцев оцениваются в 62 миллиарда тонн. Пока диктионемовые сланцы еще плохо изучены, их всестороннее изучение и определение путей использования - задача будущих комплексных исследований.

Болтышская астроблема. Болтышское месторождение горючих сланцев приурочено к глубокой (500-600 метров) впадине в кристаллических породах Украинского массива. По поводу ее происхождения многие годы ведется оживленная дискуссия. Часть специалистов полагает, что Болтышская депрессия представляет собой кальдеру древнего потухшего вулкана. Другие считают ее астроблемой, то есть впадиной, образовавшейся при падении метеорита. Вопрос этот не праздный.

Подобные «звездные раны» принесли людям не одно замечательное месторождение. Например, структура Садбери дала канадцам, полиметаллические руды, а кратер Рис в ФРГ - строительный материал. Сланценосная толща Болтышского месторождения содержит до 10 рабочих пластов, наиболее распространен один мощностью 2,5-4 метра. Сланцы обладают высокой теплотой сгорания (11 мегаджоулей на килограмм) и выходом смолы (1,2-1,5 процентов), но характеризуются повышенной влажностью (до 30 процентов) и требуют затрат дополнительной энергии на подсушку. Ресурсы горючих сланцев месторождения 4,5 миллиарда тонн. По сравнению с прямым сжиганием более экономично, по-видимому, их энерготехнологическое использование.

Вопрос о целесообразности освоения этого достаточно крупного месторождения пока не решен.

В долине Припяти. В южной части Белоруссии находится Припятский бассейн, заключающий 11 миллиардов тонн горючих сланцев. Наиболее изучены здесь Любанское (0,9 миллиарда тонн) и Туровское (2,7 миллиарда тонн) месторождения. Средняя мощность рабочего пласта 1,1 -1,2 метра, глубина залегания от 70 до 500 метров, теплота сгорания сланцев 6-7 мегаджоулей на килограмм, выход смолы 8,6-9,2 процента, содержание серы 1-4 процента. Низкое качество этих сланцев предопределяет необходимость изыскания эффективных методов комплексной переработки и использования как органической, так и минеральной их части. Это позволит несколько уменьшить топливный «голод» в республике.

Волжско-Печорские бассейны. На востоке европейской части страны находятся три крупнейших сланцевых бассейна - Волжский, Вычегодский и Тимано-Печорский. Горючие сланцы образовались здесь в одно и то же время в сходных геологических условиях и даже близки по качеству. Поэтому все три бассейна объединены в единую Волжско-Печорскую провинцию. Наиболее изучен Волжский бассейн. Он охватывает около 40 месторождений, некоторые из них (Озинковское, Савельевское, Туксайское) разрабатывались в 30-40-е годы. В настоящее время добыча (около 0,9 миллиона тонн в год) ведется лишь на Кашпирском месторождении. В последнее десятилетие геологи выявили здесь новые перспективные месторождения: Перелюб-Благодатовское и Чаганское, ресурсы которых оцениваются в несколько миллиардов тонн. Мощность пластов обычно 1-2 метра. Теплота сгорания сланцев 6-15 мегаджоулей на килограмм, выход смол 7-18 процентов. По этим показателям сланцы несколько уступают прибалтийским, но в их успешном использовании никто не стал бы сомневаться, если бы не повышенное количество в них вредной серы (до 5-7 процентов против 1-2 процентов в Прибалтийском бассейне). Поэтому волжские сланцы нельзя сжигать на электростанциях - атмосфера загрязняется вредными сернистыми газами. Смола волжских сланцев также высокосернистая и поэтому сегодня не пригодна для получения жидких топлив. Она применяется только для изготовления сернистых медицинских препаратов (ихтиоловая мазь). Основная проблема - это поиск оптимальных способов переработки высокосернистых сланцев, что позволит использовать их в технологических и энергетических целях.

Кендерлыкское месторождение. На территории Восточно-Казахстанской области находится Кендерлыкское месторождение - одно из крупнейших в СССР. Ресурсы горючих сланцев оцениваются в 2,5 миллиарда тонн. Кроме того, здесь выявлены крупные запасы бурых и каменных углей. На месторождении установлено три сланценосных горизонта: нижние сланцы кендерлыкской свиты (пласты «Калын-Кара» и «Лучший»), средние сланцы карангурской свиты и верхние сланцы сайканской свиты. Общая мощность сланцевых горизонтов более 100 метров, мощность пластов изменяется от 1 до 12 метров, теплота сгорания 4-15 мегаджоулей на килограмм, выход смол 4- 20 процентов. Имеющиеся в настоящее время сведения о сланценосности месторождения и качестве сланцев весьма противоречивы и не позволяют пока сделать окончательных выводов; неясно, как будут коррелировать сланцевые пласты и насколько выдержанными по площади окажутся основные параметры сланценосности и качества сланцев. Поэтому крайне необходимо провести тщательное опробование и технологическое изучение сланцев и углей Кендерлыка. Если подтвердятся предположения о крупных масштабах месторождения, единственным негативным моментом останется значительная (450 километров) удаленность его от железной дороги. Разработка месторождения и энерготехнологическое направление использования кендерлыкских сланцев и углей позволят решить сложные проблемы снабжения Восточного Казахстана твердым и жидким топливом.

Горючие сланцы Сибири. Может показаться, что почти все сланцевые бассейны и месторождения нашей страны сосредоточены в ее европейской части. Однако это не совсем так. Сланцевые бассейны Сибири находятся как бы в тени таких угольных гигантов, как Кузнецкий и Канско-Ачинский. Специальных работ на горючие сланцы здесь почти не велось, а имеющиеся о них сведения весьма скудны и противоречивы. Мощность пластов 0,1 - 9 метров, теплота сгорания 4-11 мегаджоулей на килограмм, выход смолы 3-8 процентов. Тем не менее ресурсы Оленского, Синско- Майского, Таймырского и других сланцевых бассейнов оцениваются в сотни миллиардов тонн. Говорить об их практическом значении из-за удаленности от промышленных центров и тяжелых климатических условий пока еще рано. Однако, возможно, и они в следующем столетии будут верно служить людям.

Сланцы Европы. Трудно назвать в Европе такую страну, где бы не были найдены залежи горючих сланцев. Наибольшими их ресурсами располагает Италия (остров Сицилия), далее следует Швеция, Франция, Румыния, ФРГ, Великобритания, Югославия. Месторождения сланцев известны давно. С конца XIX века они периодически разрабатывались. Выход смолы на сланец здесь в основном 4-10 процентов, все месторождения небольшие по запасам - всего лишь миллионы - десятки миллионов тонн. Мы уже говорили, что сланцы в основном имеют низкую теплоту сгорания и невысокий выход смолы. Но здесь как раз уместно вспомнить о том, что ценность сланцевых месторождений неизмеримо возрастает при их комплексном использовании. Дело в том, что все разрабатываемые ранее месторождения - комплексные угольно-сланцевые. Это Лотианы в Англии, Пуэртольяно в Испании, Мессель в ФРГ, Отен и Оманс во Франции, а месторождение Нерке в Швеции богато редкими и рассеянными элементами. В будущем предполагается вместе с углем разрабатывать сланцы Алексинацского месторождения в Югославии, использовать в черной металлургии отходы обогащения сланцев (сидериты) месторождения Анина в Румынии. На базе месторождения Вестерготланд в Швеции планируется получать смолу, уран, ванадий, никель, магниевые соли и другую продукцию.

Таким образом, комплексное использование сланцев даже невысокого качества может оказаться экономически целесообразным и выгодным.

Месторождения Африки. Горючие сланцы известны во многих африканских странах - Марокко, Алжире, Египте, Ливии, Тунисе, Заире, Сомали, ЮАР. Они приурочены к отложениям различного возраста и изучены очень слабо. Самыми крупными являются бассейны Кисангани (Заир) и Тарфая (Марокко), а также месторождение Тимахди (Марокко). Выход смол из сланцев Кисангани 6-10 процентов, ресурсы сланцевой смолы оцениваются здесь в десятки миллиардов тонн. Эти сланцы можно использовать для технических целей. Выход смолы из сланцев месторождения Тимахди 5-14 процентов, а из сланцев Тарфая - 5-9 процентов. Мощность сланцевых пластов 1-5 метров, количество пластов 5-9. Ресурсы сланцевой смолы Тимахди составляют около 2 миллиардов тонн, а Тарфая - 12 миллиардов тонн. Сланцы Тимахди и Тарфая содержат много серы (до 6 процентов), смолы их также высокосернистые, что делает их весьма схожими со сланцами Волжско-Печорской провинции в СССР. Предполагается, что производство синтетической нефти из сланцев этих месторождений в Марокко может составить в будущем 7 миллионов тонн в год.

Сланцевый гигант Америки. В мартовском выпуске «Саинтифик америкен» за 1874 год было помещено сообщение о том, что при сооружении железной дороги в районе Грин-Ривер рабочие сложили из кусков извлеченной породы стенку для защиты костра от ветра, и камни вскоре загорелись. Так был открыт сланцевый бассейн Грин-Ривер. Спящим гигантом называют специалисты бассейн Грин- Ривер в США, и не случайно. Именно здесь сосредоточены самые большие в мире ресурсы сланцевой нефти.

Горючие сланцы, образовавшиеся на территории древних озер, распространены на площади 43 тысяч квадратных километров и заполняют впадины Грин- Ривер и Уошейки в штате Вайоминг, Юинта в штате Юта, Пайсенс- Крик в штате Колорадо, а также ряд других впадин, более мелких (рис. 5). Мощность сланценосной толщи в самой богатой впадине Пайсенс-Крик более 600 метров. Наибольшее значение имеет самая верхняя зона, называемая Мехогени, содержащая наиболее выдержанный пласт мощностью около 40 метров. Сланцы этой зоны обнажаются в краевых частях впадины, где построены экспериментальные предприятия. Выход смолы из сланцев 5-10 процентов.

Ресурсы сланцевой смолы в этой впадине оцениваются в 150 миллиардов тонн, а ресурсы всех впадин составляют, по разным оценкам, от 220 до 350 миллиардов тонн. Кроме горючих сланцев, здесь найдены редкие минералы: нахколит, пригодный для обессеривания дымовых газов, и давсонит, сырье для получения алюминия. Пока гигант спит, на экспериментальных установках перерабатывается всего 1,5-2 миллиона тонн сланцев в год, однако он уже готов заявить о себе. Один из вариантов освоения Грин-Ривера предусматривает производство в 2000 году 20 миллионов тонн сланцевой нефти.

Рис. 5. Схема размещения горючих сланцев в Грин-Ривер (США).

Площадь развития горючих сланцев: 1 - низкокачественных; 2 - с содержанием смолы более 9% и мощностью пластов более 3 м

Бразилия. Именно так на карте Бразилии выглядят обнажения пород формации Ирати, второй в мире (после Грин-Ривер) по величине содержащихся в ней ресурсов сланцевой нефти (112 миллиардов тонн). Обнажения пород этой формации протягиваются на 1700 километров от штата Сан-Пауло до границы с Уругваем. Горючие сланцы Ирати образуют три бассейна - Сан-Габриель, Дон-Педриту и Сан-Матеус-ду-Сул. Выделяются два пласта горючих сланцев: верхний мощностью 6-8 метров и нижний мощностью 3-5 метров с выходом смолы 3-9 процентов. С 1972 года в Бразилии действует экспериментальная установка мощностью 35 тысяч тонн сланцевой нефти в год, и в будущем предполагается строительство промышленного предприятия по производству 2,5 миллиона тонн смолы.

Австралия. В 70-х годах на Восточном побережье континента развернулись усиленные поиски сланцевых месторождений. Этому способствовали растущие цены на нефть и потребность страны в топливно-энергетических ресурсах. Поиски увенчались грандиозным успехом: было найдено не одно-два и даже не три, а целый десяток крупнейших сланцевых месторождений. Это Кондор, Стюарт, Нагурин и др. Сланцы имеют озерное происхождение, мощность сланценосной толщи до 400 метров, выход смолы из сланцев 4-9 процентов. Добывать сланцы можно дешевым открытым способом. Только разведанные запасы сланцевой смолы составляют более 3 миллиардов тонн. Разрабатываются проекты эксплуатации месторождений.

Влияние добычи сланцев на природу

Серьезную озабоченность во всем мире вызывает загрязнение окружающей среды отходами промышленности. Не составляет исключение добыча и переработка сланцев.

Развитие сланцевой отрасли, как, впрочем, и всякой другой отрасли промышленности, приводит к существенному нарушению естественного равновесия в природе и отрицательно сказывается на водном и воздушном бассейнах, недрах, ландшафте, флоре и фауне.

Сейчас практически невозможно вынуть из недр весь сланец; потери его весьма значительны (20-40 процентов, а иногда и более). Это приводит к вовлечению в разработку все новых и новых запасов, которые, увы, не безграничны. Применение новой, более совершенной техники и технологии позволит снизить потери высококачественных сланцев в 1,5-2 раза.

Основное мероприятие по охране природы при открытых горных работах - рекультивация (восстановление) нарушенных земель и возвращение их к жизни. Основным видом рекультивации является посадка деревьев: сосны, лиственницы, березы, тополя на карьерных отвалах. Важно, что при лесной рекультивации происходит не только восстановление земель, но и улучшение ландшафта. В СССР рекультивация проводится с 1959 года, более 80 процентов нарушенных земель уже восстановлено, в 1975 году эта работа была удостоена Государственной премии Эстонской ССР.

Другой вид нарушения земель - терриконы - горы пустых пород, извлекаемых из шахт вместе со сланцами. Много отходов образуется и при их обогащении. В Прибалтийском бассейне суммарный объем скопившейся в отвалах породы составляет более 50 миллионов кубометров. Скопление в отвалах таких больших масс пород, в которых много органического вещества, создает предпосылки для их самовозгорания. Горение отвалов может длиться годами. Поэтому сейчас терриконы делают плоскими, а потом озеленяют.

Большая часть золы - отходов электростанций - также идет в отвалы, образуя так называемую техногенную пустыню. И в то же время и пустые породы, и золы электростанций с успехом могут использоваться в строительстве. Поэтому расширение их использования имеет как пpиpoдooxранное, так и большое народно-хозяйственное значение. Кроме того, летучая зола электростанций содержит многие полезные компоненты и может применяться в сельском хозяйстве в качестве удобрения.

Для очистки шахтных и карьерных вод сооружаются специальные пруды-отстойники.

Для предупреждения загрязнения воздушного бассейна применяются специальные фильтры- уловители. Особое значение приобретает разработка новых безотходных технологий переработки высокосернистых сланцев, которые сейчас сжигать нельзя, хотя ресурсы их весьма значительны. Таким образом, природоохранные мероприятия неотделимы от рационального комплексного использования всех природных ресурсов.

Серьезные требования к охране окружающей среды предъявляются во всех странах. Так, например, в США при отводе участков под строительство сланцеперерабатывающих заводов компания должна доказать предварительными проектами, что не будут нарушены требования и стандарты по защите окружающей среды (обычно на это уходит не менее четырех лет).

Заключение

История изучения и освоения сланцевых месторождений сложна. Если в конце XIX века во многих странах велись значительные разработки сланцевых месторождений, то в 60-х годах добыча сланцев, кроме СССР и КНР, почти везде была прекращена. Семидесятые годы XX столетия явились началом нового этапа изучения горючих сланцев практически на всех континентах; строятся опытные и опытно-промышленные установки по переработке сланцев, открыто много новых месторождений. Горючие сланцы представляют собой достаточно серьезный источник углеводов. В перспективе они смогут удовлетворять определенную часть потребностей человечества в энергии, моторном топливе и сырье для химической промышленности.

Если учесть тот факт, что из сланцев можно получать продукты, которые не могут быть получены из угля, нефти и газа, то значение их еще более возрастет. В сланцевом деле много проблем, и не все из них, разумеется, будут решены в короткий срок. Однако многие десятилетия ученые всех стран скрупулезно изучают этот вид поистине удивительного полезного ископаемого. «Ими руководит частью любопытство, частью упрямство и частью самоотверженность», - пишет известный австралийский ученый Р. Ф. Кейн. Ведь проблема горючих сланцев - одна из наиболее сложных и не возникающих в случае других полезных ископаемых. Вероятно, недалеко то время, когда горючие сланцы станут надежным источником энергии. Во всяком случае, сегодняшний интерес к этому полезному ископаемому вполне закономерен и оправдан.

Библиографический список

горючий сланец сгорание

1. Голицын, М.В Горючие сланцы - альтернатива нефти: учебное пособие / М.В.Голицын, Л. М. Прокофьева. - Москва: Изд-во Знание, 1990.-48 с.

. Котлуков В.А. Огненный камень - горючие сланцы: учебное пособие / В.А. Котлуков. - СПб.: Изд-во Знание, 1987.-32 с.

. Гинзбург А. И. Атлас петрографических типов горючих сланцев / А.И. Гинзбург. - Москва: Изд-во Недра, 1991.-116 с.