第3章 煤化作用及煤變質(zhì)作用類型-1

成煤作用的階段劃分

第三章煤化作用及煤變質(zhì)作用類型泥炭向褐煤轉(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(jìn)一步演化成石墨，成為石墨化作用。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，主要是由于煤受到溫度、壓力變化的反應(yīng)比無機(jī)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。利用煤化作用可以解決很多問題：確定沉積盆地原始邊界、分析盆地形成的古構(gòu)造格局及演化、闡明盆地形成后的構(gòu)造形變、盆地?zé)嵫莼难芯?，確定地層剝蝕厚度、研究大規(guī)模構(gòu)造形變、研究推覆構(gòu)造的形成與演化等。第三章煤化作用及煤變質(zhì)作用類型2023/2/422023/2/43第三章煤化作用及煤變質(zhì)作用類型煤化作用的階段與特征煤化作用的影響因素煤化程度指標(biāo)煤的變質(zhì)作用類型2023/2/44

煤的成巖作用與變質(zhì)作用煤化作用的特點(diǎn)第一節(jié)煤化作用的階段與特征2023/2/45一、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(rèn)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(qiáng)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(jìn)入了變質(zhì)作用階段。2023/2/46一、煤的成巖作用與變質(zhì)作用1、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）2023/2/47一、煤的成巖作用與變質(zhì)作用（2）成巖作用機(jī)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(shí)、脫水、增碳;②游離纖維素消失;③凝膠化組分逐漸固結(jié);④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(rèn)為，這種作用大致發(fā)生于地下200～400m的淺層。2023/2/48一、煤的成巖作用與變質(zhì)作用（3）成巖作用特點(diǎn)1）成巖作用的化學(xué)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(tuán)，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(qiáng)，具較大的穩(wěn)定性。2023/2/49一、煤的成巖作用與變質(zhì)作用各種煤的含氧官能團(tuán)含量變化2023/2/410一、煤的成巖作用與變質(zhì)作用（3）成巖作用特點(diǎn)2）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?、腐植質(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。2023/2/411一、煤的成巖作用與變質(zhì)作用2、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(shí)間等因素的作用下，進(jìn)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。2023/2/412一、煤的成巖作用與變質(zhì)作用（2）煤變質(zhì)作用特點(diǎn)①腐植物質(zhì)進(jìn)一步聚合，腐植酸進(jìn)一步減少，使腐植物質(zhì)由酸性變?yōu)橹行?，出現(xiàn)了更多的腐植復(fù)合物;②失去大量的含氧官能團(tuán)(如羧基—COOH和甲氧基—OCH3)。③結(jié)束成巖凝膠化作用，形成凝膠化組分(煤巖);④植物殘?bào)w己不存在，穩(wěn)定組分發(fā)生瀝青化作用。2023/2/413一、煤化作用特點(diǎn)1、增碳化趨勢

隨著煤化程度的增加，煤中揮發(fā)物減少，碳含量增加。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一種元素。因此，煤化作用，又稱作異種元素的排出過程。2023/2/414一、煤化作用特點(diǎn)2、結(jié)構(gòu)單一化趨勢

隨著煤化程度的增加，即由泥炭階段含多種官能團(tuán)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)。具有六方晶格，原子呈層狀排列一、煤化作用特點(diǎn)2、結(jié)構(gòu)單一化趨勢2023/2/415

煤化作用過程實(shí)際上是依序排除不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的過程。即逐漸保存穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。一、煤化作用特點(diǎn)2、結(jié)構(gòu)單一化趨勢2023/2/416一、煤化作用特點(diǎn)3、結(jié)構(gòu)致密化和定向排列的趨勢低煤級(jí)分子結(jié)構(gòu)高煤級(jí)分子結(jié)構(gòu)①煤的有機(jī)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，反光性能增強(qiáng)。

3、結(jié)構(gòu)致密化和定向排列的趨勢2023/2/4184、隨著煤化作用進(jìn)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(jí)階段，煤顯微組分的光性和化學(xué)組成結(jié)構(gòu)差異顯著，但隨著煤化作用的進(jìn)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(shí)別。一、煤化作用特點(diǎn)2023/2/419一、煤化作用特點(diǎn)5、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，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?，這就會(huì)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(jìn)行下去。

2023/2/420一、煤化作用特點(diǎn)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(jìn)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，發(fā)生了4次躍變。2023/2/4214次煤化作用躍變：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

Ⅱ

Ⅲ

無煙煤Ⅳ

（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)。即與生油階段相當(dāng)。一、煤化作用特點(diǎn)2023/2/422一、煤化作用特點(diǎn)特點(diǎn)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(tuán)逐漸脫落，在Rom＝0.6％以前主要析出CO2和H2O；當(dāng)煤化作用達(dá)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(tuán)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。2023/2/423一、煤化作用特點(diǎn)（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％。第二次煤化躍變（Ⅱ）特點(diǎn)：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(dá)到了最低值；2023/2/424一、煤化作用特點(diǎn)第二次煤化躍變（Ⅱ）特點(diǎn)：④發(fā)熱量則升高到最大值(這是和鏡質(zhì)組的硬度、密度的最小值，以及煉焦時(shí)可塑性最大值相一致)；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(dòng)性、粘結(jié)性、內(nèi)生裂隙數(shù)目等都達(dá)到極大值，內(nèi)面積、濕潤熱等達(dá)到最小值。稱為煤化作用轉(zhuǎn)折。2023/2/425一、煤化作用特點(diǎn)第二次煤化躍變（Ⅱ）特點(diǎn)：⑦第二次躍變的結(jié)果--煤化臺(tái)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(tái)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”。

2023/2/426一、煤化作用特點(diǎn)（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的階段，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的形成。2023/2/427一、煤化作用特點(diǎn)（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。2023/2/428一、煤化作用特點(diǎn)第四次躍變特點(diǎn)是：

①在化學(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。②硬度增大、光澤增強(qiáng)，到變無煙煤時(shí)幾乎呈金屬光澤，宏觀上微層理已不明顯。2023/2/429一、煤化作用特點(diǎn)無煙煤階段鏡質(zhì)組反射率隨著煤化作用進(jìn)一步增高，進(jìn)入變無煙煤以后，由于最小反射率（Rmax為6％時(shí)）迅速減小，雙反射率而急劇加大。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(jí)的增高2023/2/430一、煤化作用特點(diǎn)隨深度增加煤化作用程度加深，并由此帶來的鏡質(zhì)組反射率的變化。圖3－5原聯(lián)幫德國北部閔斯特蘭1號(hào)鉆孔中的鏡質(zhì)組反射率（Rmax，Rmin和Rm）隨深度而增加2023/2/4312023/2/432第二節(jié)煤化作用的影響因素

溫度、壓力和時(shí)間是促使煤變化的重要因素，其中溫度是煤化作用的主要因素。2023/2/433一、溫度1930年Gropp和Bode曾將泥炭或低煤化褐煤置于密閉的容器內(nèi)，在1000個(gè)大氣壓的條件下逐漸加熱，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)試樣并無變化；但當(dāng)溫度高過200℃時(shí)，試祥開始變化，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槊夯^深的褐煤。兩年后再度進(jìn)行試驗(yàn)，在1800個(gè)大氣壓，溫度低于320℃的條件下，雖然時(shí)間持續(xù)很久也不能使褐煤進(jìn)一步變化，但當(dāng)溫度升到320℃時(shí)，褐煤就轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂虚L焰煤的特點(diǎn)，當(dāng)溫度升高到346℃時(shí)，所得的產(chǎn)物就具有典型煙煤的性質(zhì)。溫度再進(jìn)一步增高到500℃時(shí)，產(chǎn)物則具有無煙煤的特性。

Gropp和Bode的試驗(yàn)不僅說明溫度和壓力是煤化的因素，而且還進(jìn)一步證明了與壓力相比，溫度是更重要的因素。2023/2/434

溫度對于在成煤過程中的化學(xué)反應(yīng)有決定性的作用。隨著地層加深，地溫升高，煤的變質(zhì)程度就逐漸加深。高溫作用的時(shí)間愈長，煤的變質(zhì)程度愈高，反之亦然。在溫度和時(shí)間的同時(shí)作用下，煤的變質(zhì)過程基本上是化學(xué)變化過程。在其變化過程中所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)是多種多樣的，包括脫水、脫羧、脫甲烷、脫氧和縮聚等。一、溫度2023/2/435

但是受熱持續(xù)時(shí)間和不同古地?zé)崾返挠绊懀囟ǖ拿夯潭扰c精確的最大溫度之間的關(guān)系較難確定。前蘇聯(lián)學(xué)者提出，受熱50Ma，頓巴斯煤田的受熱溫度與煤化程度的關(guān)系：溫度/℃Rm/％溫度/℃Rm/％65901100.500.650.851301401701.151.532.00一、溫度2023/2/436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(dòng)，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。一、溫度聯(lián)幫德國薩爾區(qū)Tevfelspforte鉆孔砂巖帶影響了煤化程度的增高

一、溫度2023/2/4372023/2/438二、時(shí)間

溫度和壓力持續(xù)作用于煤的時(shí)間長短，也是影響煤化作用的重要因素。在相同的溫度條件下，受熱時(shí)間越長，煤的變質(zhì)程度越高；長時(shí)間的低溫作用（大于60℃）也能起到短時(shí)間的高溫作用的效果。2023/2/439二、時(shí)間煤化程度與溫度和受熱時(shí)間的關(guān)系

1—5×106a；2—10×106a；3—20×106a

（據(jù)Karweil，1956）2023/2/440二、時(shí)間據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算的不同溫度下煤化時(shí)間與煤化程度的關(guān)系1—50℃（埋深1000~1300m）；2—80℃（埋深1000~1200m）；3—100℃（埋深2000~3000m）；4—150℃（埋深3500~4700m）（據(jù)Karweil，1956）2023/2/441三、壓力壓力的雙重特點(diǎn)

在不同壓力下的煤化實(shí)驗(yàn)更加確認(rèn)了靜壓力對化學(xué)煤化作用起著抑制作用。壓力因素雖阻礙化學(xué)反應(yīng)，但卻引起煤的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在煤化作用中，起決定作用的是化學(xué)煤化作用，而不是物理煤化作用。2023/2/442三、壓力壓力的雙重特點(diǎn)①在構(gòu)造壓應(yīng)力作用下，剪切與拉伸能使芳香族單元層沿石墨形成的方向更加排列有序，這在半石墨化、石墨化階段表現(xiàn)的更為明顯。②靜壓力使煤的孔隙率和水分降低、比重增加，還促使芳香族稠環(huán)平行于層面作有規(guī)則的排列。③構(gòu)造應(yīng)力影響到反射率值及鏡質(zhì)組的各向異性，其光性也發(fā)生變化。2023/2/443第三節(jié)煤化程度指標(biāo)

煤化程度指標(biāo)簡稱煤化指標(biāo)，又稱煤級(jí)指標(biāo)。由于煤化作用是個(gè)復(fù)雜的過程，不同煤化階段中各種指標(biāo)變化的顯著性各不相同，因此對于一定煤化階段往往具有不同的煤化程度指標(biāo)。

水分、發(fā)熱量、氫含量、碳含量、揮發(fā)分及鏡質(zhì)組反射率、殼質(zhì)組的熒光性、X射線衍射曲線等。2023/2/4441．水分在褐煤與尚能壓固的低煤化階段，由于上覆巖層壓力，使得煤中的孔隙度很快降低，親水官能團(tuán)分解，水分迅速減少。如軟褐煤階段，埋深每增加100m，水分降低4％。因此，水分是低煤化階段的較敏感的煤化程度指標(biāo)。煤化過程中水分與揮發(fā)分的關(guān)系第三節(jié)煤化程度指標(biāo)2023/2/4452．發(fā)熱量在褐煤及低煤化煙煤階段(Vdaf>30％)，鏡質(zhì)組的發(fā)熱量主要決定于水分的含量。隨著水分的降低，發(fā)熱量大致成比例地增高。因此發(fā)熱量也和水分一樣，是褐煤及低煤化煙煤階段的煤化指標(biāo)。第三節(jié)煤化程度指標(biāo)2023/2/4463．氫含量煤中氫含量一般小于6％。由于煤的芳香族稠環(huán)中富氫官能團(tuán)和側(cè)鏈隨煤化程度的增高而逐漸脫落，從而析出甲烷，并且在無煙煤階段的析出量最大，氫含量減少得最為明顯，可由4％降至1％。因此，氫含量是無煙煤和變無煙煤階段較敏感的煤化指標(biāo)。第三節(jié)煤化程度指標(biāo)2023/2/4474．碳含量隨著煤化程度的增高，因芳香族稠環(huán)中官能團(tuán)和側(cè)鏈的不斷脫落使碳含量相應(yīng)地增高。從肥煤到貧煤的階段內(nèi)，碳含量僅從87％增加到91％，在軟褐煤和暗褐煤階段的變化也不明顯。從亮褐煤到接近氣煤與肥煤分界的階段及無煙煤階段，碳含量的變化較為明顯，可作為煤化程度指標(biāo)。第三節(jié)煤化程度指標(biāo)2023/2/4485.揮發(fā)分及鏡質(zhì)組反射率揮發(fā)分及鏡質(zhì)組反射率是最常用的兩個(gè)煤化程度指標(biāo)。（1）在氣肥煤到瘦煤的煤化階段中，鏡質(zhì)組反射率隨芳香稠環(huán)縮合程度的增加而增高。由于鏡質(zhì)組反射率和揮發(fā)分都與鏡質(zhì)組結(jié)構(gòu)單元的芳構(gòu)化程度有關(guān)，因此鏡質(zhì)組反射率的增高與揮發(fā)分降低的程度幾乎相同。故在肥煤到貧煤階段，鏡質(zhì)組反射率和揮發(fā)分是良好的煤化程度指標(biāo)。第三節(jié)煤化程度指標(biāo)2023/2/449（2）在氣肥煤階段之前，煤中析出的氣體以CO2和H2O為主，此階段鏡質(zhì)組反射率與揮發(fā)分變化不明顯且不規(guī)則。（3）無煙煤階段，揮發(fā)分含量已很少，變化不大；鏡質(zhì)組反射率自貧煤以后，由于煤化作用增加了芳環(huán)族單元層排列的有序性，它仍是良好的