Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Není uhlí jako uhlí

Publikováno: Vesmír 96, 332, 2017/6
Obor: Geologie

Před zhruba 300 miliony lety žila obří vážka Meganeura monyi. Rozpětím křídel 75 cm odpovídala kupř. rozměrům dnešní poštolky obecné. To, co jí jako největšímu hmyzu v historii Země umožnilo létat, dnes mnohde prolétá komíny.

Asi před 325 miliony let, počátkem karbonu, vyrostly na území dnešní Evropy, Asie a Severní Ameriky mohutné tropické deštné pralesy složené převážně ze stromovitých plavuní a přesliček. Později z jejich pozůstatků vzniknou nesmírně mohutné zásoby černého uhlí. Tato bujná karbonská vegetace vyprodukovala tak velké množství kyslíku, že jej tehdejší atmosféra planety obsahovala téměř dvakrát více než dnes (35 % vůči dnešním 21 %). Šlo o učiněné požehnání pro tehdejší hmyz, jemuž větší množství kyslíku umožnilo „udýchat“ i zátěž mohutnějšího těla. V důsledku zvýšené koncentrace životodárného plynu však vzrostl počet lesních požárů, a ty jsou – za určitých okolností – požehnáním pro paleontology.

Svědek dávných požárů – fusinit

Uhelná hmota vzniklá rozkladem a přeměnou rostlinné hmoty postrádá tvar jednotlivých rostlinných částí. Mikroskopicky však můžeme rozlišit útržky rostlinných pletiv s lépe či hůře rozpoznatelnou buněčnou stavbou v různém stadiu rozkladu. Nejlépe zachovaná rostlinná pletiva vznikla nedokonalým spálením rostlinné hmoty při požárech rašeliništní vegetace a představují zbytky fosilního dřevěného uhlí označované petrografickým termínem fusinit. Dřevěné uhlí je vysokým obsahem uhlíku chemicky blízké „minerálnímu“ uhlí, a proto se v průběhu prouhelňovacího procesu prakticky nemění. Fusinit a jemu blízký semifusinit nacházíme téměř v každém uhlí, jejich množství však v zuhelnatělé organické hmotě různého stáří výrazně kolísá.

Detailní studium prokázalo, že kolísání je odrazem změn v množství atmosférického kyslíku v geologické historii Země. Vysoký obsah kyslíku v karbonské atmosféře je v souladu s vysokými průměrnými koncentracemi (semi)fusinitu v uhlí tohoto stáří. Naopak naše hnědé uhlí z Podkrušnohoří je na fosilní dřevěné uhlí poměrně chudé, čímž dokládá nižší koncentraci kyslíku v atmosféře mladších třetihor.

Ve vzácných případech lze dokonce stanovit přibližný objem dřevěného uhlí vzniklého z jediného prehistorického požáru a následně odhadnout i velikost plochy tímto požárem spálené. U jednoho takového případu z období spodního karbonu (před asi 335 miliony let) v oblasti dnešního Irska odhadli geologové území zasažené požárem na 95 000 km2 (pro srovnání: rozloha Maďarska je 93 030 km2).

Stále vlahá Čína

Jakmile skončilo období karbonu, zlatá éra uhlí se na některých místech zeměkoule uzavřela. Začal perm, v němž se podnebí v rovníkovém pásmu změnilo na aridní s nedostatkem srážek. Rašeliniště zde téměř vymizela. Podmínky pro rozvoj rašelinišť se přesunuly do vyšších zeměpisných šířek severní i jižní polokoule, např. do oblasti dnešní Sibiře, Austrálie či jižní Afriky. Výjimkou zůstala pouze východní polovina dnešní Číny, kde se v důsledku geografické pozice při východním okraji Pangey udrželo vlhké klima až do konce permu.

Také v usazeninách z počátku druhohor, triasu (250–210 milionů let), uhlí téměř chybí v důsledku převládajícího suchého podnebí. Nepříznivé období pro uhlotvorbu pokračovalo, zvláště v Evropě, i v období jury a křídy. Větší uhelná ložiska vznikala jen v Severní Americe v předpolí Skalistých hor. Jinde však panovaly poměrně suché klimatické podmínky s četnými požáry, které daly opět vzniknout dřevěnému uhlí, zapečetěnému v uhelných jílovcích, horninách, které uhlí doprovázejí a poskytují nejvíce informací o dobovém rostlinstvu.

Po vymytí uhlí zůstane med

Opatrným štípáním dostaneme z usazenin buď jen otisky, nebo i uhelnou substanci, která zůstala po původním těle rostliny. Takto získané fosilie jsou tak dokonalé, že jsme schopni i po milionech let zkoumat dávný život podle mikroskopických znaků.

Vrstva na povrchu listů zvaná kutikula, která rostliny chrání proti povětrnostním vlivům, je chemicky velmi odolná a vydrží v zemské kůře mnoho milionů let. Abychom ji mohli zkoumat, macerujeme fosilie v oxidačních činidlech a následně máčíme v louhu. Kutikulu tím zbavíme uhelné hmoty, takže se stane medově žlutou průsvitnou blankou, kterou lze studovat v optickém, případně elektronovém nebo transmisním mikroskopu.

Ve voskové hmotě kutikuly, složené převážně z kutinu a kutanu, jsou otištěny buňky rostlinné pokožky (epidermis), včetně průduchů a lůžek ochlupení (trichomových bází). Podle jejich typu můžeme rostlinu zařadit do systému, pro paleobotaniky jsou proto nesmírně důležité. Ze síly kutikuly a tvarování průduchů můžeme zjistit, zda rostlina žila v suchu, nebo vlhku, zda byla opadavá, nebo stálezelená.

Falešné uhlí

Jako uhlí se někdy označují i horniny, které skutečným uhlím nejsou. Snad nejznámějším příkladem je kukerzit. Zatímco uhlí je výsledkem přeměny těl suchozemských (cévnatých) rostlin nahromaděných v prostředí rašeliniště, kukerzit vznikl pod vodou, v prostředí bez přítomnosti kyslíku na dně některých moří. V něm se usazoval jemný jílový kal přinášený z pevniny spolu s odumřelými těly vodních organismů, především planktonu. Stalo se tak přibližně před 470 miliony let, v ordoviku, a zuhelnatěním organických zbytků vzniklo to, čemu dnes říkáme hořlavá břidlice.

Čím se od uhlí liší? Kromě výrazně nižší koncentrace organické hmoty – obvykle kolem 10–20 % (v uhlí běžně 75–90 %) – také složením. Hořlavé břidlice jsou zdrojovými sedimenty ropy, jejichž organická hmota, označovaná jako kerogen, je bohatá nejen uhlíkem, ale i vodíkem a při zahřívání bez přítomnosti vzduchu tyto uhlovodíky uvolňuje. Vyrábějí se z nich pohonné hmoty a oleje, proto se často kukerzit a jemu podobné horniny označují i jako roponosné břidlice.

V dobách reálného socialismu se kukerzitem v Sovětském svazu topilo v lokomotivách. Dnes se spaluje v tepelných elektrárnách.

První a poslední

Skutečné první uhlí na planetě začalo vznikat asi před 415 miliony let, ve spodním devonu, krátce poté, co souš osídlily cévnaté rostliny, schopné vyprodukovat potřebné množství biomasy. Toto nejstarší „pravé“ uhlí tvoří tenké, jen výjimečně těžitelné sloje, jako např. v okolí Taškentu a Kokandu v Uzbekistánu, kde se příležitostně dobývalo. Skutečná, ve větší míře průmyslově využitelná uhelná ložiska vznikala až od středního devonu (390–380 milionů let). Sloje tohoto stáří, někde mocností přesahující 2 metry, se těží např. v kuzněcké uhelné pánvi na Sibiři, svrchnodevonské uhlí pak na Medvědích ostrovech. Devonské uhlí se od mladšího karbonského obvykle liší výrazným podílem kutikul. Takové uhlí se někdy označuje jako liptobiolitové. Nejstarším uhlím v Evropě je patrně decimetrová, a tudíž netěžitelná uhelná slojka střednědevonského stáří v okolí městečka Daun v Německu.

Naopak poslední skutečné uhlí u nás naposledy vznikalo koncem třetihor asi před 20–10 miliony let. Podnebí nebylo zdaleka tak horké jako v karbonu, ale bylo dostatečné vlhko a uhlotvorbu podporovala i riftová tektonika severočeské pánve. Vzhledem k tomu, že třetihorní uhlí nemělo čas vyzrát, jde převážně o uhlí hnědé. Jílovcové uloženiny z období mladších třetihor v severních Čechách již poskytly velké množství zkamenělin, které se daří zachraňovat díky spolupráci s těžební společností Severočeské doly. V jílovcích zde nacházíme pozůstatky po bažinném lese podobném tomu, s kterým se můžeme v současnosti setkat na Floridě. Jeho součástí byly jehličnany tisovce (Taxodium) a patisovce (Glyptostrobus). Okolo řek, které do močálu tekly, rostly teplomilné lesy s duby, olšemi, javory a vavřínovitými rostlinami (Laurophyllum).

Mohlo by se zdát, že tím vše skončilo. Uhlí však vzniká i dnes. Prvopočátkem každé uhlotvorby je rašelina vznikající v rašeliništi. Stojí na počátku uhelné řady rašelina – lignit – hnědé uhlí – černé uhlí – antracit. Dá se jí topit (aktivně ji využívají kupř. obyvatelé Irska a Skotska), má obsah asi 60 % uhlíku, více se ale hodí do záhonů. Každé, i malé rašeliniště je budoucím uhelným ložiskem. Malá rašeliniště, jaká známe od nás, však nelze srovnávat s velkými komplexy bažinných lesů v jihovýchodní Asii. V tropických rašeliništích Sumatry, Bornea, ale i Malajského poloostrova se tvoří skutečné zásoby uhlí pro budoucnost – bude-li jich třeba. Ale to bude zase jiný příběh.

Co je nutné pro vznik uhlí?

Dostatečně rozlehlá rašeliniště s mocnými vrstvami rašeliny vznikají jen v podmínkách vlhkého podnebí bohatého na dešťové srážky, dlouhodobě udržující hladinu vody při povrchu rašeliniště. V mělkovodním prostředí za omezeného přístupu vzduchu se rostlinná pletiva postupně chemicky rozkládají přes řadu meziproduktů na rašelinu bohatou huminovými látkami. K jejímu trvalému uchování a pro následnou přeměnu v uhlí je nezbytné, aby zemská kůra v místech rašeliniště dlouhodobě klesala a vytvořila prostor pro hromadění další rostlinné hmoty a klastických usazenin. S rostoucí hloubkou pohřbení vytlačuje váha nadloží z rašeliny vodu a za narůstající teploty se rašelina postupně mění v uhelnou hmotu.

Proces obvykle trvá miliony let; hodně však záleží na teplotním gradientu zemské kůry v místě vznikajícího uhelného ložiska. Pokud je zemská kůra „chladná“, i geologicky značně staré uhlí dosáhne pouze hnědouhelného stadia. Příkladem je spodnokarbonské hnědé uhlí z moskevské pánve. Jiné podobně staré uhlonosné vrstvy tvoří obvykle černé uhlí až antracity. Naopak uhlí některých relativně mladých třetihorních oblastí svými parametry odpovídá uhlí černému. V průměru však platí, že uhlí z období mladších prvohor je černé a uhlí z období křídy a třetihor je méně prouhelněné hnědé uhlí. Stupeň prouhelnění lze poznat nejen podle barvy, ale také podle lesku uhlí, který se stupněm prouhelnění postupně narůstá. Spolehlivější odlišení však poskytnou především laboratorně stanovené parametry, jako je obsah uhlíku v hořlavině (organické hmoty v uhlí). Ten se u hnědého uhlí pohybuje v rozmezí 66–74 %. U černého uhlí vzrůstá na 74–91 % a u nejprouhelněnějšího antracitu s vysokým leskem kolísá obvykle mezi 91–97 %. S narůstajícím prouhelněním roste i výhřevnost z hodnot kolem 10 MJ/kg u slabě prouhelněného hnědého uhlí až na 30 MJ/kg u uhlí černého.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201706_332-334.pdf (919 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky