Откуда берется уголь?

В тропических болотах древнего Кентукки никого не было рядом, чтобы услышать, издавали ли падающие деревья звук. Около 300 миллионов лет спустя, однако, шум неизбежен - эти деревья теперь являются углем, ископаемым топливом, которое долгое время помогало людям генерировать электричество, но чьи внутренние демоны также вызывают в воображении изменение климата.

Уголь по-прежнему обеспечивает значительную долю электроэнергии в США, и, поскольку более четверти мировых запасов находится под американской землей, это вполне заманчивый источник энергии. Фактически органическая порода настолько мощна и богата, что запасы угля в США имеют более высокое общее содержание энергии, чем все известные в мире извлекаемые запасы нефти.

Но уголь также имеет темную сторону - его высокое содержание углерода означает, что он выделяет больше углекислого газа, чем другие ископаемые виды топлива, что дает ему непропорционально большой углеродный след. Добавьте к экологическим затратам удаление горной вершины, хранение летучей золы и транспортировку угля, и черный ком теряет еще больше своего блеска.

Министерство энергетики США и электроэнергетика с годами вложили значительные средства в очистку угля от его диоксида серы и оксидов азота до его твердых частиц и ртути. Однако его выбросы парниковых газов пока не поддаются экономически эффективным усилиям по локализации.

Поскольку сейчас уголь генерирует почти столько же заголовков, сколько мегаватт, у нас мало шансов остановиться и подумать, откуда вообще взялась вся эта подземная энергия. Но чтобы полностью понять призраков на основе углерода, которые сейчас бродят по нашей атмосфере, необходимо взглянуть на ископаемые остатки топлива.

Как образуется уголь?

Основной рецепт любого хорошего ископаемого топлива прост: смешайте торф с кислой, гипоксической водой, залейте осадком и готовьте на высокой температуре не менее 100 миллионов лет. Когда эти условия возникли на суше в течение каменноугольного периода - особенно в огромных тропических торфяных болотах, которые дали название этому периоду - они запустили длительный, медленный процесс углекислого газа.

«Большинство углей образовалось вблизи экватора во время каменноугольного периода», - говорит геолог Лесли Рупперт, который специализируется на химии угля для Геологической службы США. «Масса суши с этими толстыми углями была близка к экватору, и условия были такими, которые мы называем« вечно влажными », то есть тоннами и тоннами дождя».

В то время как суперконтинент под названием Гондваналэнд в то время занимал большую часть земной поверхности у Южного полюса, вокруг экватора зависло несколько отставших, в частности Северная Америка, Китай и Европа (см. Иллюстрацию справа). Теплая, "всегда влажная" погода помогла создать огромные торфяные болота на этих земельных участках, которые не случайно являются одними из ведущих производителей угля на сегодняшний день. В нынешних Соединенных Штатах каменноугольные торфяные болота покрывали большую часть восточного побережья и Среднего Запада, обеспечивая кормом для сегодняшних операций по добыче угля в Аппалачи и на Среднем Западе.

Образование угля начинается тогда, когда многие растения гибнут в плотных стоячих болотах, таких как каменноугольные. Бактерии кишат, чтобы съесть все, потребляя при этом кислород - иногда слишком много для их же блага. В зависимости от количества и частоты бактериального пиршества, поверхностные воды болота могут истощаться кислородом, уничтожая те самые аэробные бактерии, которые использовали их все. С этими микробами-разложителями растительное вещество перестает разлагаться, когда оно умирает, вместо этого накапливаясь в мягких кучах, известных как торф.

«Торф был похоронен достаточно быстро и похоронен в анаэробной среде, что случается случайно там и там», - говорит геолог-исследователь USGS Пол Хакли. «Анаэробная среда предотвратила бактериальную деградацию. Поскольку торфяное болото продолжает расти, у вас могут быть сотни футов торфа».

Торф сам по себе уже давно используется в качестве источника топлива в некоторых частях мира, но он все еще далек от угля. Чтобы это преобразование произошло, осадок должен в конечном итоге покрывать торф, объясняет Хакли, сжимая его в земную кору. Такое осаждение может происходить различными способами, и оно охватило многие торфяные болота, когда каменноугольный период закончился около 300 миллионов лет назад. По мере того, как континенты перемещались и климат менялся, торф толкался еще глубже: камень давил его сверху, а геотермальная жара жарила его снизу. На протяжении миллионов лет этот геологический горшок-торфяник под давлением готовился для создания угольных пластов.

Рупперт отмечает, что хотя горные рудники Аппалачей охватывают некоторые из старейших, самых крупных и знаковых угольных пластов страны, американский уголь образовался не сразу. Каменноугольный период, который предшествовал динозаврам, был расцветом торфяников, но новая коалификация продолжалась долго и после эпохи динозавров.

«В США многие месторождения угля не каменноугольные», - говорит Рупперт. «У нас есть более старые каменноугольные угли на востоке - Аппалачи, бассейн Иллинойса, а на западе угли намного моложе».

Фактически, Запад - теперь главный угледобывающий регион Америки, производящий устойчивый поток менее зрелых углей из мезозойских и кайнозойских эпох. Наиболее плодородные угольные шахты страны находятся в бассейне реки Паудер, подземном резервуаре, который пересекает государственную линию Монтана-Вайоминг. По словам Рупперта, в отличие от каменноугольных углей, более молодые залежи на Западе в основном образовывались в больших бассейнах, которые поднимались из мелководных морей и постепенно уходили обратно под землю.

«Северная Америка больше не находилась на экваторе [когда образовались западные угли], но у нее также были быстро спадающие бассейны, которые были тектонически активными», - говорит она. «Глубокие осадочные бассейны были сформированы, и растительность была в конечном счете преобразована в торф, потому что бассейны были настолько глубокими и продолжали уменьшаться в течение долгого времени. Дождь был правильным, климат был правильным, и затем все было похоронено».

Какие виды угля?

Коалификация - это непрерывный процесс, и многие из углей, которые мы в настоящее время добываем и сжигаем, по геологическим стандартам все еще считаются «незрелыми». Ниже перечислены четыре основных типа в порядке погашения:

• Лигнит: это мягкое, рассыпчатое и светлое ископаемое - наименее зрелый торфяной продукт, который можно считать углем. Часть самого молодого лигнита до сих пор содержит видимые кусочки коры и другие растительные вещества, хотя геолог Геологической службы США Сьюзан Тьюолт говорит, что это редко встречается в Соединенных Штатах. «Есть некоторые лигниты, где вы все еще можете увидеть древесные структуры, но большая часть нашего лигнита немного более высокого качества, чем эта», - говорит она. Лигнит - это низкокачественный уголь, содержащий лишь около 30 процентов углерода, поскольку он не испытывал сильных жары и давления, которые создавали более сильные типы. Он обнаружен на большей части Прибрежной равнины в заливе и северной части Великих равнин, но есть только 20 действующих лигнитных рудников в США, большинство в Техасе и Северной Дакоте, поскольку раскопки зачастую не экономичны. На долю лигнита приходится около 9 процентов доказанных запасов угля в США и 7 процентов от общей добычи, большая часть которой сжигается на электростанциях для выработки электроэнергии.

• Полубитуминозный: полубитуминозный уголь, немного более твердый и темный, чем лигнит, также более мощный (до 45 процентов содержания углерода) и старше, как правило, возрастом не менее 100 миллионов лет. Около 37 процентов разведанных запасов угля Соединенных Штатов являются суббитуминозными, и все они расположены к западу от реки Миссисипи. Вайоминг является главным производителем в стране, но суббитуминозные отложения разбросаны по всем Великим равнинам и восточным Скалистым горам. Бассейн реки Паудер, крупнейший единственный источник американского угля, является полубитуминозным месторождением.

• Битуминозный: как наиболее распространенный вид угля, обнаруженный в Соединенных Штатах, битуминозный составляет более половины доказанных запасов страны. Сформированный под воздействием высокой температуры и давления, он может иметь возраст 300 миллионов лет и содержать от 45 до 86 процентов углерода, что в три раза превышает теплотворную способность лигнита. Западная Вирджиния, Кентукки и Пенсильвания являются основными производителями американского битуминозного угля, который в основном сосредоточен к востоку от Миссисипи. Он широко используется для выработки электроэнергии, а также является важным топливом и сырьем для металлургической и металлургической промышленности.

• Антрацит: Дедушка углей не легко найти. Антрацит - самый темный, самый твердый и обычно самый старый тип с содержанием углерода от 86 до 97 процентов. В Соединенных Штатах это настолько редко, что на них приходится менее половины процента от общей добычи угля в США и всего 1, 5 процента от доказанных запасов. Все антрацитовые шахты страны расположены в северо-восточной части угольного региона Пенсильвании.

У Соединенных Штатов есть самые большие в мире общие запасы угля, в общей сложности около 264 миллиардов тонн. Поскольку шахтеры эксгумируют эти древние тропические болота, а электростанции выпускают свои пары в воздух, возникает национальный и глобальный шум по поводу будущего угля. Независимо от того, что произойдет с будущими энергетическими нормами, тем не менее, невозобновляемость угля в конечном итоге будет стимулировать поиск альтернатив, если ничего другого не будет сделано - при нынешнем использовании даже запасы США, как ожидается, сохранятся еще 225 лет.

Фотографии предоставлены NASA, DOE, USGS

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ