煤田地質(zhì)學(xué)第三章-煤化作用

第三章煤化作用煤田地質(zhì)學(xué)第三章

煤化作用

成煤作用是原始成煤物質(zhì)最終轉(zhuǎn)化成煤的全部作用，它分成兩個相繼的階段：從成煤原始物質(zhì)的堆積，經(jīng)生物化學(xué)作用直到泥炭的形成，稱為泥炭化作用階段；當(dāng)泥炭形成后，由于沉積盆地的沉降，泥炭被埋藏于深處，在溫度、壓力增高等物理、化學(xué)作用下，形成褐煤、煙煤、無煙煤、變無煙煤，稱為煤化作用階段。對于腐泥來說，則經(jīng)歷了硬腐泥、腐泥褐煤、腐泥亞煙煤、腐泥煙煤到腐泥無煙煤的煤化作用。成煤作用可以分為三個階段：第三章

煤化作用第一階段為泥炭化作用階段，即植物死亡后經(jīng)過一系列復(fù)雜的生物化學(xué)變化，形成泥炭；該過程氫氧成分逐漸減少，碳的含量相對增加；第二階段為成巖作用階段，是泥炭經(jīng)過成巖作用，形成年輕褐煤；碳的含量進一步增加。第三階段為變質(zhì)作用階段，是年輕褐煤受溫度和壓力的影響而變?yōu)榱梁置骸熋?、無煙煤的過程，碳的含量再次增加。

第三章

煤化作用第三章

煤化作用泥炭向褐煤轉(zhuǎn)變經(jīng)歷了成巖作用，從褐煤的形成到下一步演化經(jīng)歷了煤的變質(zhì)作用。煤再進一步演化成石墨，稱為石墨化作用。煤的變質(zhì)作用不包括石墨化作用煤與巖石的成巖作用與變質(zhì)作用不完全等同，主要是由于煤對溫度、壓力變化的反應(yīng)比無機沉積物敏感多，所以沉積物的成巖作用與變質(zhì)作用滯后于煤。煤是一種固體可燃有機巖，它是由有機物質(zhì)和無機礦物質(zhì)混合組成。煤的宏觀煤巖類型煤的宏觀煤巖組分肉眼觀察顯微鏡觀察煤的微觀煤巖組分煤的微觀煤巖類型預(yù)備知識煤的宏觀煤巖類型煤的宏觀煤巖組分鏡煤亮煤暗煤絲炭光亮型煤半亮型煤半暗型煤暗淡型煤煤的顯微煤巖類型煤的微觀煤巖組分鏡質(zhì)組殼質(zhì)組惰質(zhì)組微鏡煤微類脂煤微惰性煤微亮煤微鏡惰煤

微暗煤微三合煤煤預(yù)備知識鏡煤

亮煤

暗煤

絲炭

光亮煤：鏡煤、亮煤為主暗淡煤：暗煤為主半亮煤：鏡煤、亮煤為主，間夾暗煤和絲炭半暗煤：暗煤為主，間夾亮煤和鏡煤

一、腐植煤的宏觀煤巖成分9惰質(zhì)組殼質(zhì)組鏡質(zhì)組10§1煤化作用的階段與特征第三章

煤化作用11第三章§1煤化作用的

階段與特征一、煤的成巖作用與變質(zhì)作用煤的成巖與變質(zhì)作用的分界:

一般認為，由于亮褐煤(中國的老褐煤、美國的亞煙煤)已出現(xiàn)鏡煤，具有強烈的鏡煤化作用，并且具有微弱的光澤。因此，變質(zhì)作用開始于亮褐煤的形成。

具有了光澤就進入了變質(zhì)作用階段。121、煤的成巖作用（1）成巖作用概念由泥炭經(jīng)過物理化學(xué)作用形成年青褐煤的過程，為煤的成巖作用。

泥炭→年青褐煤（不具光澤）第三章§1煤化作用的

階段與特征13（2）成巖作用機制泥炭形成后，由于盆地的沉降，在上覆沉積物的覆蓋下被埋藏于地下:

①壓實、脫水、增碳;②游離纖維素消失;③凝膠化組分出現(xiàn)并逐漸固結(jié);④凝膠化組分具有了微弱的反射力。這一轉(zhuǎn)變所歷經(jīng)的作用稱為煤的成巖作用。據(jù)stach認為，這種作用大致發(fā)生于地下200～400m的淺層。

第三章§1煤化作用的

階段與特征14（3）成巖作用特點

A、煤的化學(xué)煤化作用結(jié)果①泥炭內(nèi)的腐植酸、腐植質(zhì)分子側(cè)鏈上的親水官能團，以及環(huán)氧數(shù)目不斷地減少，形成各種揮發(fā)性產(chǎn)物;②碳含量增加，氧和水分含量減少—脫水。碳元素(C)主要集中于稠環(huán)中。稠環(huán)的結(jié)合力強，具較大的穩(wěn)定性，側(cè)鏈與稠環(huán)之間結(jié)合力弱，易脫落。

第三章§1煤化作用的

階段與特征15煤的各種含氧官能團含量隨碳含量增加而逐漸減少第三章§1煤化作用的

階段與特征碳含量氧含量16（3）成巖作用特點

B、煤的物理煤化作用主要反映在發(fā)生了物理膠體反應(yīng)，即成巖凝膠化作用，從而使未分解或未完全分解的木質(zhì)纖維組織，不斷轉(zhuǎn)變?yōu)楦菜帷⒏操|(zhì)，使已經(jīng)形成的腐植酸、腐植質(zhì)變?yōu)楹谏哂形⑷豕鉂傻哪z化組分。成巖作用中，絲炭化組分和穩(wěn)定組分也發(fā)生變化。第三章§1煤化作用的

階段與特征172、煤的變質(zhì)作用

（1）煤變質(zhì)作用概念

年青褐煤在較高的溫度、壓力及較長地質(zhì)時間等因素的作用下，進一步發(fā)生物理化學(xué)變化，變成老褐煤(亮褐煤)、煙煤、無煙煤、變無煙煤的過程。第三章§1煤化作用的

階段與特征煤類褐煤長焰煤氣煤肥煤焦煤瘦煤貧煤無煙煤19

（2）煤變質(zhì)作用特點①化學(xué)煤化作用：腐植物質(zhì)進一步聚合，失去大量的含氧官能團；腐植酸進一步減少，使腐植物質(zhì)由酸性變?yōu)橹行裕怀霈F(xiàn)了更多的腐植復(fù)合物;②物理煤化作用：結(jié)束成巖凝膠化作用，形成凝膠化組分;植物殘體已不存在，穩(wěn)定組分發(fā)生瀝青化作用。

瀝青化作用是指殼質(zhì)組(包括藻類體)和鏡質(zhì)組在煤化過程中形成瀝青質(zhì)（即石油型烴類）的一種作用。第三章§1煤化作用的

階段與特征20二、煤化作用特點

1、煤在連續(xù)地系列演化過程中，可明顯地顯現(xiàn)出增碳化(相對)趨勢(特點)

即由泥炭階段含有C、H、O、N、S五種主要元素，演變到無煙煤階段基本上只含碳(C)一種元素。因此，煤化作用過程，也可稱作異種元素的排出過程。

第三章§1煤化作用的

階段與特征21特征：①異種元素排出的方式是其與碳結(jié)合構(gòu)成揮發(fā)性化合物（揮發(fā)分）;②隨煤化程度增加，煤中揮發(fā)物減少，碳含量增加。

第三章§1煤化作用的

階段與特征22

2、隨著煤化作用進程,煤的有機分子表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)單一化趨勢即由泥炭階段含多種官能團的結(jié)構(gòu)，逐漸演變到無煙煤階段只含縮合芳核的結(jié)構(gòu)，最后演變?yōu)槭Y(jié)構(gòu)。

第三章§1煤化作用的

階段與特征23

煤化作用過程實際上是依次排除不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的過程，即逐漸保存穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。第三章§1煤化作用的

階段與特征24第三章§1煤化作用的階段與特征3、隨著煤化作用進程,煤的有機分子結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為致密化和定向排列的趨勢。25第三章§1煤化作用的階段與特征低煤級分子結(jié)構(gòu)高煤級分子結(jié)構(gòu)①煤的有機分子側(cè)鏈由長變短，數(shù)目變少；②腐植復(fù)合物的稠核芳香系統(tǒng)不斷增大，逐漸趨于緊密；③分子量加大，縮合度提高；④分子排列逐漸規(guī)則化，從混雜排列到層狀有序排列，因此反光性能增強。

4.隨著煤化作用進程,煤顯微組分性質(zhì)呈現(xiàn)為均一性趨勢。在煤化作用的低級階段，煤顯微組分(鏡、殼-惰)的光性和化學(xué)組成結(jié)構(gòu)差異顯著，但隨著煤化作用的進行，這些差異趨于一致，變得愈來愈不易區(qū)分。高變質(zhì)煤的煤巖組分不易識別。第三章§1煤化作用的

階段與特征27第三章§1煤化作用的階段與特征285.煤化作用是一種不可逆的反應(yīng)。煤化作用只有由淺而深、或者被終止，不可能發(fā)生由深變質(zhì)的煤轉(zhuǎn)變?yōu)闇\變質(zhì)的煤，即不可逆轉(zhuǎn)性。煤化作用不是簡單的化學(xué)反應(yīng)。煤化作用能否形成連續(xù)的系列演化過程，決定于具體地質(zhì)條件。例如，含煤盆地由沉降轉(zhuǎn)變?yōu)樘@就會導(dǎo)致煤化作用的終止；如果后來由于巖漿作用的加劇，或盆地再度沉降，那么煤化作用還可能再次進行下去。

第三章§1煤化作用的

階段與特征29

6、煤化作用的發(fā)展是非線性的，表現(xiàn)為煤化作用的躍變，簡稱煤化躍變。煤的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的變化，在煤化進程中，快、慢、多、少是不均衡的。煤化過程中鏡質(zhì)組反射率的增高是跳躍式的。第三章§1煤化作用的

階段與特征30三、煤化作用躍變亮褐煤→長焰煤→氣煤→肥煤→焦煤→瘦煤→貧煤→無煙煤→變無煙煤褐煤Ⅰ煙煤無煙煤（1）第一次躍變（Ⅰ）：發(fā)生在長焰煤開始階段

(Cdaf=75％～80％，Vdaf＝43％，鏡質(zhì)體反射率Romax＝0.6％)，與石油開始形成階段相當(dāng)。即與生油窗相當(dāng)。第三章§1煤化作用的

階段與特征31特點是：發(fā)生瀝青化作用，生成瀝青質(zhì)。

瀝青化作用是指殼質(zhì)組(包括藻類體)和鏡質(zhì)組在煤化過程中形成瀝青質(zhì)（即石油型烴類）的一種作用。這種作用起始于硬褐煤階段(Rom為0.5％)，持續(xù)到早期肥煤階段(Rom=1.2％)。

隨煤化程度的提高，各種含氧官能團逐漸脫落，在Rom＝0.6％以前主要析出CO2和H2O；當(dāng)煤化作用達到Rom＝0.5％～0.6％階段，芳香核稠環(huán)上開始①脫落脂肪族和脂肪族官能團和側(cè)鏈，②形成以甲烷為主的揮發(fā)物，于是開始了生成瀝青質(zhì)的瀝青化作用。第三章§1煤化作用的

階段與特征32亮褐煤→長焰煤→氣煤→肥煤→焦煤→瘦煤→貧煤→無煙煤→變無煙煤褐煤Ⅱ煙煤無煙煤（2）第二次煤化躍變（Ⅱ）出現(xiàn)在肥煤到焦煤階段

Cdaf＝87％，Vdaf＝29％，Romax＝1.3％。鏡質(zhì)體反射率Romax＝1.3％，對應(yīng)于石油的“死油線”第三章§1煤化作用的

階段與特征33第二次煤化躍變（Ⅱ）特點(8個方面)：①煤中甲烷的大量逸出，釋放出大量的氫。富氫的側(cè)鏈和鍵的大量縮短及減少；②煤的比重下降到最小值；③煤的顯微孔隙度逐漸縮小，水分減少。到焦煤階段(Cdaf=89％，Vdaf≈20％，Romax≈1.7％)腐植凝膠基本上完成了脫水作用，水分和孔隙度都達到了最低值；第三章§1煤化作用的

階段與特征34第二次煤化躍變（Ⅱ）特點(8個方面)：④發(fā)熱量則升高到最大值；⑤焦煤階段，由于化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，水分含量（主要是內(nèi)在水分）又有所回升；⑥煤的物理、工藝性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)折：耐磨性、焦化流動性、粘結(jié)性、內(nèi)生裂隙數(shù)目等都達到極大值，內(nèi)面積、濕潤熱等達到最小值，稱為煤化作用轉(zhuǎn)折。第三章§1煤化作用的

階段與特征35第二次煤化躍變（Ⅱ）特點(8個方面)：⑦第二次躍變的結(jié)果--煤化臺階：殼質(zhì)組與鏡質(zhì)組在顏色、突起、反射率等的差異愈加變小。因此，殼質(zhì)組從Vdaf=29％～22％這一階段的明顯變化又稱為煤化臺階。⑧生油→生氣：本階段與油氣形成的深成階段后期(即熱裂解氣開始形成階段)相當(dāng)，石油烴轉(zhuǎn)化為氣體烴，因此它對應(yīng)于石油的“死亡線”

。

第三章§1煤化作用的

階段與特征36

亮褐煤→長焰煤→氣煤→肥煤→焦煤→瘦煤→貧煤→無煙煤→變無煙煤褐煤煙煤Ⅲ無煙煤（3）第三次躍變（Ⅲ）發(fā)生于煙煤變?yōu)闊o煙煤階段

Cdaf=91％，Vdaf＝8％，Romax＝2.5％。煤化作用的第三次躍變以后，就是有人稱為無煙煤化作用和半石墨化作用階段，代表了煤化作用的最終階段，其產(chǎn)物是無煙煤和變無煙煤。第三章§1煤化作用的

階段與特征37

亮褐煤→長焰煤→氣煤→肥煤→焦煤→瘦煤→貧煤→無煙煤→變無煙煤

褐煤煙煤Ⅳ無煙煤（4）第四次躍變?yōu)闊o煙煤與變無煙煤分界

Cdaf＝93.5％，Hdaf=2.5％，Vdaf＝4.0％，鏡質(zhì)體反射率Rmax＝4％，Rmin＝3.5％。

已經(jīng)不屬于煤化作用階段。第三章§1煤化作用的

階段與特征38第四次躍變特點是：①化學(xué)煤化作用方面：主要表現(xiàn)為氫含量與氫碳原子比的急劇下降。碳含量隨埋藏深度的增加也明顯地增大，同時芳香單元的芳香度和縮合度也急劇增加。②物理煤化作用方面：硬度增大、光澤增強，到變無煙煤時幾乎呈金屬光澤，宏觀上微層理已不明顯。光學(xué)特征變化較大。第三章§1煤化作用的

階段與特征39無煙煤階段鏡質(zhì)組反射率隨著煤化作用進一步增高，進入變無煙煤以后，由于最小反射率（Rmax為6％時）迅速減小，雙反射率而急劇加大。（雙反射率是指最大反射率與最小反射率之差。二軸晶）圖3-4以氫含量和鏡質(zhì)組反射率（Rmax、Rm和Rmin）為基礎(chǔ)，介于煙煤和石墨階段之間的煤級的增高第三章§1煤化作用的

階段與特征40隨深度增加，煤化作用程度加深，鏡質(zhì)組反射率逐漸增大。原聯(lián)幫德國北部閔斯特蘭1號鉆孔中的鏡質(zhì)組反射率（Rmax，Rmin和Rm）隨深度而增加第三章§1煤化作用的

階段與特征41§2煤化作用的因素第三章

煤化作用42一、溫度煤化作用最重要的影響因素。隨著沉降深度的變化，溫度的增加使得煤化作用程度提高，因此煤化作用的演化決定于煤的受熱史。煤化程度增高的速度，有人稱為“煤級梯度”或“煤化梯度”。它首先決定于地區(qū)的地?zé)釛l件，即地?zé)崽荻茸兓?。大地?zé)崃髦蹈摺責(zé)崽荻雀摺夯荻雀摺旱淖冑|(zhì)速率快。第三章§2煤化作用的因素

43溫度的影響因素：（1）當(dāng)?shù)氐拇蟮責(zé)崃骷肮诺販靥荻龋号璧氐販貓觯唬?）地球深部巖漿活動，巖漿熱的疊加狀況；（3）構(gòu)造熱流場；（4）放射性物質(zhì)產(chǎn)生的熱；（5）下伏和共生巖石的導(dǎo)熱性能等。第三章§2煤化作用的因素

由于受熱持續(xù)時間和不同古地?zé)崾返挠绊?，特定的煤化程度與精確的最大溫度之間的關(guān)系較難確定。前蘇聯(lián)學(xué)者納高日內(nèi)等提出，對于完全的煤化時間來說，即受熱50Ma，頓巴斯煤田的受熱溫度與煤化程度的關(guān)系如表3-2所示。溫度/℃Rm/％溫度/℃Rm/％65901100.500.650.851301401701.151.532.00表3-2頓巴斯煤田的受熱度與煤化程度德關(guān)系第三章§2煤化作用的因素

45德國薩爾區(qū)Tevfelspforte鉆孔砂巖帶影響了煤化程度的增高第三章§2煤化作用的因素

砂巖帶上下部煤層的水分、發(fā)熱量、碳含量、反射率等變化不大，因為砂巖導(dǎo)熱好、傳熱快、上下溫差小。46二、時間在煤化作用中，煤在溫度、壓力作用下所經(jīng)歷的時間長短，特別是在地質(zhì)上的時間延續(xù)，都是煤化作用重要的控制因素。

煤化程度是時間、溫度的函數(shù)。較高溫度×較短時間=較低溫度×較長時間時間因素在較高的溫度下往往更加明顯；當(dāng)溫度過低（<50°），時間因素就不易起作用了。第三章§2煤化作用的因素

47煤化程度與溫度和受熱時間的關(guān)系（據(jù)Karweil，1956）1—5×106a；2—10×106a；3—20×106a第三章§2煤化作