Для образования углей необходимы растительный материал, определенные климатические условия и рельеф поверхности, а также соответствующие накоплению растительного материала биохимические, палеогеографические и геотектонические условия.
В древних геологических образованиях органических веществ (особенно растительных) было мало, поэтому до сих пор еще не найдены угли кембрийского или достоверно силурийского возраста. Самый древний возраст углей — нижнедевонский, к нему относятся угли Барзасского месторождения, находящегося за северо-восточной границей Кузнецкого бассейна, угля Медвежьих островов в Баренцевом море и др.
Различают два типа накопления растительного материала: автохтонный и аллохтонный. В первом случае основная масса материнского вещества угля в форме растительных остатков накапливалась на местах современного залегания твердых горючих ископаемых. При аллохтонном накоплении твердые продукты разложения растительного материала принесены извне. Вещество переносится водой и. ветром. Различают два типа аллохтонии:
- первичная аллохтония—материнское вещество, перенесенное извне, на месте отложения превратилось в твердые горючие ископаемые;
- вторичная аллохтония — уже образовавшиеся твердые горючие ископаемые перенесены в другое место, где они снова отложились.
Характер рельефа поверхности также важный фактор угленакопления. Накопление значительного количества растительных остатков возможно только в области пониженного рельефа с заболоченными площадями, наподобие современных торфяников. Играют определенную роль в формировании месторождений угля и биохимические условия разложения растительного вещества. Разложение отмерших растений в аэробных условиях (окислительных) происходит быстро.
В условиях повышенной влажности и стоячей воды растительные остатки, главным образом под влиянием микроорганизмов (анаэробных бактерий), которые могут существовать без доступа воздуха, превращаются в торф. Различают четыре типа разложения расти тельного вещества, каждый из которых отличается условиями отложения остатков растений: тление, перегнивание, оторфянение и гниение. Существуют органические вещества, трудно поддающиеся разложению. К ним относятся, например, смолы, воск и др., которые после всех процессов разложения остаются мало измененными, а впоследствии из них образуются специфические ископаемые угли — липтобиолиты. Трудно разлагаются также наиболее устойчивые ткани высших растений: споры, кутикулы, коровые ткани. При тлении, перегнивании и оторфянении главная роль принадлежит аэробным микроорганизмам, а в процессе гниения — анаэробным.
В процессе формирования торфяных залежей огромное значение имеют палеогеографические условия. Процесс протекает и в условиях приморских низин, занятых речными долинами дряхлеющих рек, их дельтами, а также озерами, болотами, лагунами, нередко затопляемых мелководным морем, и в условиях континентальных равнин платформ или межгорных котловин с озерно-болотным ландшафтом.
Угленакопление происходило в эпохи медленного и длительного погружения суши, на фоне которого протекали вертикальные движения. Основной фактор, отражающий тектонические условия, — положение уровня грунтовых вод в торфянике, а также связанное с ним положение уровня вод в бассейне седиментации.
Процесс углеобразования единый и стадийный: от торфов до каменных углей и далее антрацитов. Бурые угли по сравнению с каменными углями содержат меньшее количество углерода и повышенное кислорода. Для них характерны бурая и очень редко черная черта, бурое окрашивание щелочи и густо-желтое до коричневато-бурого окрашивание раствора азотной кислоты. Сложение бурых углей часто рыхлое, их плотность изменяется от 0,8 до 1,25 г/см3. Они легко выветриваются и характеризуются развитием эпигенетических трещин.
Для разграничения бурых и каменных углей пользуются такими физическими свойствами, как черта, окрашивание раствора едкой щелочи (КОН) и кипящего раствора разбавленной азотной кислоты. Внешне каменные угли существенно отличаются от бурых: цвет их обычно черный; черта черная; плотность 1,26—1,35 г/см3. При повышении степени углефикации заметно изменяются цвет и отражательная способность основной массы, твердость, цвет и яркость люминесценции, а также химико-технологические свойства. Один из показателей степени углефикации — их блеск. Химико-технологические свойства каменных углей не только отличаются от свойств бурых, но и существенно разнятся между собой в пределах одной каменноугольной стадии, так как в ней встречаются угли различных генетических групп: гумусовые, сапропелевые и смешанного материала.
Наиболее углефицированы антрациты. Цвет антрацитов черный с желтоватым (золотистым), иногда с сероватым оттенком. Некоторые антрациты серого цвета. Антрациты почти всегда блестящие, сравнительно однородные. Плотность антрацита 1,36—1,65 г/см3, твердость от 2 до 4. Выход (в %) летучих веществ менее 10, водорода до 3, углерода не менее 95, азота менее 1; температура воспламенения 500—600 °С. Кокс — порошковатый.
Процесс перехода в каменный уголь и далее в антрацит называют в геологии горючих ископаемых метаморфизмом углей. Для многих бассейнов (Донбасс, Кузбасс и др.) наблюдаются обеднение летучими веществами и обогащение углеродом угольных пластов с глубиной. Иногда изменение выхода летучих настолько закономерно, что можно установить градиент этого изменения; обычно на 100 м он колеблется в пределах 1—2,3%.
Под действием интрузий уголь испытывает контактовый метаморфизм. При крайней степени метаморфизма он переходит иногда в кокс и графит, причем это наблюдается при непосредственном контакте угля с интрузивным телом на расстоянии 5—10 м от контакта. Далее от контакта уголь теряет некоторое количество летучих и переходит в тощие и антрацитовые угли.
При регионально-термальном метаморфизме органическое вещество угля изменяется под воздействием теплового потока от пластовых интрузивов на больших площадях. Такой метаморфизм имеет важное значение, например, для Тунгусской угленосной провинции и отчасти Сучанского угленосного бассейна.
При динамометаморфизме гораздо большую роль играет давление, хотя одновременно на этот процесс влияет и повышение температуры.
Существует много классификаций горючих ископаемых, основы которых были заложены немецким палеоботаником Г. Потонье. Классификация Г. Потонье была существенно развита Ю. А. Жемчужниковым, который учел исходный материал и условия его превращения.
