01第一章成煤原始物質(zhì)與堆積

01成煤原始物質(zhì)與堆積環(huán)境煤化學(xué)第一章§1成煤物質(zhì)植物界可分為低等植物和高等植物兩大類別。

屬于低等植物的有藻類和菌類，在地史的早期(即元古代到早泥盆世)它們?cè)鴺?gòu)成了當(dāng)時(shí)植物界的主體，成為植物發(fā)展演化的菌藻類植物時(shí)期。高等植物是由一些低等植物歷經(jīng)長(zhǎng)期演變而來(lái)的，在形體結(jié)構(gòu)和生理功能特征上都比低等植物更加復(fù)雜。

一、植物演化與成煤作用的關(guān)系低等植物(LowerPlants)：包括菌類和藻類，是由單細(xì)胞和多細(xì)胞構(gòu)成的絲狀體或葉狀體植物，沒(méi)有根、莖、葉等器官的分化。高等植物(HigherPlants)：包括苔蘚、蕨類、裸子植物和被子植物。進(jìn)化論認(rèn)為，高等植物由低等植物長(zhǎng)期進(jìn)化而來(lái)，構(gòu)造復(fù)雜，有根、莖、葉的區(qū)別。1．菌藻類植物時(shí)代早泥盆世以前為低等植物發(fā)育時(shí)代，還沒(méi)有高等植物出現(xiàn)。因此不可能有大規(guī)模的聚煤作用發(fā)生。由低等植物經(jīng)過(guò)一系列變化形成的煤，其灰分很高，有一定的發(fā)熱量。這類煤稱為“石煤”，如我國(guó)南方寒武紀(jì)的“石煤”。2．裸蕨植物時(shí)代

晚志留世至早中泥盆世為世界上最古老的陸生植物時(shí)代。植物由水生到陸生的轉(zhuǎn)化過(guò)程，是植物由低等向高等發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折時(shí)期。裸蕨類植物是地質(zhì)歷史上最早的陸生植物，其特點(diǎn)是高度不足1m，還沒(méi)有真正的葉、根之分，只在地下有一種假根。因此，裸蕨植物仍然是比較原始的植物。3．蕨類、種子蕨類植物時(shí)代

晚泥盆世至晚二疊世早期，是高等植物發(fā)育、發(fā)展和演化的最重要的時(shí)期，以孢子植物蕨類和裸子植物的種子蕨為主。這個(gè)時(shí)期的氣候條件是溫暖、潮濕，適合植物生長(zhǎng)，在全球范圍內(nèi)比較一致。石炭-二疊紀(jì)是全世界范圍內(nèi)最重要的聚煤時(shí)期，地勢(shì)比較平坦，植物繁盛，聚煤作用強(qiáng)，為第一大聚煤時(shí)期，形成了分布廣泛的聚煤盆地和含煤地層。4．裸子植物時(shí)代

自晚二疊世晚期至中生代，是裸子植物最為繁盛的時(shí)代。這個(gè)時(shí)期的主要特點(diǎn)是：地球上干旱氣候帶擴(kuò)大，石炭-二疊紀(jì)的植物群逐漸衰落，由蕨類植物進(jìn)入到裸子植物繁盛時(shí)期。侏羅紀(jì)和早白堊世被認(rèn)為是世界上第二個(gè)重要的聚煤期。在我國(guó)，侏羅紀(jì)是最為重要的聚煤時(shí)期。5．被子植物時(shí)代

早白堊世以后至古、新近紀(jì)是植物進(jìn)入到高級(jí)發(fā)展的重要階段。但是，這個(gè)時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)更加強(qiáng)烈，氣候分帶也更加明顯。這個(gè)時(shí)期被稱為世界上第三個(gè)重要聚煤時(shí)期。

從以上分析可以看出，地質(zhì)歷史時(shí)期的聚煤作用是與地質(zhì)歷史中植物演化密不可分的，植物的演化和發(fā)展決定了聚煤作用的發(fā)生，因此要首先研究植物的演化特點(diǎn)，將植物演化研究與地質(zhì)歷史發(fā)展、盆地聚煤作用研究緊密的結(jié)合起來(lái)，闡明聚煤作用的機(jī)制。二、植物組成(一)高等植物的器官

根：是植物進(jìn)化過(guò)程中適應(yīng)陸生條件所形成的一種器官，它具有吸收、支持、合成和貯藏的功能。莖：主要功能是將水分、無(wú)機(jī)鹽類和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)送到植物體的各個(gè)部分，此外，還有貯藏養(yǎng)料的功能。葉：主要功能是光合作用和蒸騰作用，它們都是植物賴以生存所必須的。(二)高等植物的組織

根據(jù)高等植物的組織功能和結(jié)構(gòu)的不同，可劃分為分生組織、薄壁組織、保護(hù)組織、輸導(dǎo)組織、機(jī)械組織和分泌組織。其中，后5種組織都是器官形成時(shí)由分生組織衍生的細(xì)胞發(fā)展而成。三、植物的組成和化學(xué)性質(zhì)

植物主要是由有機(jī)物質(zhì)構(gòu)成，但也含有一定量的無(wú)機(jī)物質(zhì)。不論是低等植物還是高等植物，主要都是由碳水化合物（包括纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)等）、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和脂類化合物等組成。各類植物以及同一植物的不同部分其有機(jī)組成各不相同。

低等植物主要由蛋白質(zhì)和碳水化合物組成，脂肪含量比較高；高等植物的組成則以纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為主。木本植物的有機(jī)組成差別很大，活細(xì)胞中的原生質(zhì)主要是由蛋白質(zhì)組成，莖和葉以纖維素、木質(zhì)素為主。植物的角質(zhì)膜、木栓層、孢子和花粉則含有大量的脂類化合物。植物的有機(jī)組成的差別，直接影響到它的分解和轉(zhuǎn)化，影響到煤的性質(zhì)和利用。

（一）碳水化合物碳水化合物包括纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)等，其中，纖維素是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的主要成分。（二）木質(zhì)素

木質(zhì)素也是植物細(xì)胞壁的主要成分，常分布于植物機(jī)械組織的細(xì)胞壁中，能增強(qiáng)堅(jiān)固性，起支持作用。（三）蛋白質(zhì)

在植物體內(nèi)，蛋白質(zhì)含量所占比重不大。由于它是構(gòu)成植物細(xì)胞原生質(zhì)的主要物質(zhì)，因此在植物生存過(guò)程中起著重要作用。（四）脂類化合物

脂類化合物主要指不溶于水，而溶于醚、苯、氯仿等有機(jī)質(zhì)溶劑的有機(jī)化合物。

1．脂肪

2．蠟質(zhì)

3．樹(shù)脂

4．角質(zhì)與木栓質(zhì)

5．孢粉質(zhì)包括纖維素、半纖維素及果膠質(zhì)。

纖維素(cellulose)：是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的主要成分。纖維素一般不溶于水，在溶液中能生成膠體，容易水解。在泥炭沼澤的酸性介質(zhì)中，纖維素可以分解為纖維二糖和葡萄糖等簡(jiǎn)單化合物。

半纖維素(hemi-cellulose)：化學(xué)組成和性質(zhì)與纖維素相近，但比纖維素更易分解或水解為糖類和酸。

果膠(pectin/pecticsubstance)：糖的衍生物，呈果凍狀。在生物化學(xué)作用下，可水解成一系列單糖和糖醛酸。1.4.1碳水化合物（carbohydrates

）

1.4.2木質(zhì)素Lignin

木質(zhì)素也是植物細(xì)胞壁的主要成分，常分布在植物根、莖部的細(xì)胞壁中。木本植物的木質(zhì)素含量高，木質(zhì)素是具有苯基丙烷芳香結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，含甲氧基methoxyl

、羥基hydroxyl等官能團(tuán)。木質(zhì)素的單體以不同的鏈連接成三度空間的大分子，比纖維素穩(wěn)定，不易水解，易于保存下來(lái)。在泥炭沼澤中，在水和微生物作用下發(fā)生分解，與其他化合物共同作用生成腐植酸類物質(zhì)，這些物質(zhì)最終轉(zhuǎn)化成為煤。所以木質(zhì)素是植物轉(zhuǎn)變?yōu)槊旱脑嘉镔|(zhì)中最重要的有機(jī)組分。針葉樹(shù)的松柏醇落葉樹(shù)的芥子醇喬木的－香豆醇木質(zhì)素，其組成因植物的種類不同而異，見(jiàn)圖。1.4.3脂類化合物lipids/fattycompounds

脂類化合物是指不溶于水而溶于醚、苯、氯仿等有機(jī)溶劑的有機(jī)化合物。在植物中脂類化合物主要有以下幾種。

脂肪(fat)：屬于長(zhǎng)鏈脂肪酸的甘油酯。高等植物中含量少(1-2%)，低等植物含量高(20%左右)。在生化作用下在酸性或堿性溶液中分解生成脂肪酸和甘油，參與成煤作用。

蠟質(zhì)(wax)

：主要是長(zhǎng)鏈脂肪酸與含有24～26個(gè)碳原子的高級(jí)一元醇形成的脂類，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易受細(xì)菌分解。

樹(shù)脂

resin/rosin:

樹(shù)脂是植物生長(zhǎng)過(guò)程中的分泌物，當(dāng)植物受傷時(shí)，膠狀的樹(shù)脂不斷分泌出來(lái)保護(hù)傷口。針狀植物含樹(shù)脂較多，低等植物不含樹(shù)脂。樹(shù)脂不溶于有機(jī)酸，不易氧化，微生物也不能破壞它，因此能很好地保存在煤中。

角質(zhì)cutin和木栓質(zhì)phellem：化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，不溶于有機(jī)酸，微生物也難以作用，在成煤過(guò)程中能保存下來(lái)。1.4.4蛋白質(zhì)proteins

蛋白質(zhì)：由若干個(gè)氨基酸(aminoacid)結(jié)合而形成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子。由于含羧基carboxyl和羥基hydroxyl，蛋白質(zhì)具有酸性和堿性官能團(tuán)，強(qiáng)烈親水性膠體。

高等植物中蛋白質(zhì)含量少；低等植物中蛋白質(zhì)含量高。

植物死亡后，完全氧化條件下，蛋白質(zhì)完全分解為氣態(tài)物質(zhì)；在泥炭沼澤和湖泊的水中，蛋白質(zhì)分解成氨基酸、喹啉等含氮化合物，參與成煤作用，但對(duì)煤的性質(zhì)沒(méi)有決定性的影響。

是煤中硫、氮元素的來(lái)源之一。第一章成煤原始物質(zhì)與堆積環(huán)境§2泥炭沼澤2023/2/25262023/2/2527一、泥炭沼澤及其形成條件（一）泥炭沼澤概念

沼澤：沼澤是地表土壤充分濕潤(rùn)、季節(jié)性或長(zhǎng)期積水，叢生著喜濕性沼澤植物的低洼地段。

泥炭沼澤：如果沼澤中形成并積累著泥炭，則稱為泥炭沼澤。

屬性：泥炭沼澤既不屬于水域，又不是真正的陸地，而是地表水域和陸地之間的過(guò)渡形態(tài)。。泥炭沼澤概念

沼澤是泥炭的主要堆積場(chǎng)所。地表土壤周期性或長(zhǎng)年積水并充分濕潤(rùn)沼澤植物或水生-半水生植物繁盛。泥炭沼澤是水域與陸地之間的一種過(guò)渡地理單元，起源于兩類方式：一是由湖泊、河流、潟湖等水域轉(zhuǎn)化而來(lái)，二是由陸地演化而來(lái)。前者稱為水域沼澤化，后者稱為陸地沼澤化。

（一）按照泥炭沼澤表面形態(tài)和水源補(bǔ)給，以及養(yǎng)分和植被等特征。劃分類型：

■低位泥炭沼澤；■中位泥炭沼澤；■高位泥炭沼澤。三、泥炭沼澤的類型沼澤的分類（1）按水分補(bǔ)給來(lái)源的不同，可劃分為三種類型：

低位沼澤：主要由地下水補(bǔ)給、潛水面較高的沼澤；高位沼澤：主要以大氣降水為補(bǔ)給來(lái)源的泥炭沼澤；

中位沼澤或過(guò)渡沼澤：兼有低位沼澤和高位沼澤的特點(diǎn)，其水源部分由地下水補(bǔ)給，部分又由大氣降水補(bǔ)給的沼澤。（2）按植被生長(zhǎng)情況沼澤劃分:草本沼澤、泥炭蘚沼澤和木本沼澤。（3）根據(jù)沼澤距離海岸的遠(yuǎn)近，分為近海泥炭沼澤與內(nèi)陸泥炭沼澤。（4）根據(jù)水介質(zhì)的含鹽度，沼澤又可分為淡水的、半咸水的和咸水的。(5)依據(jù)沼澤的水動(dòng)力條件、巖性組合以及沉積物特征，可劃分為閉流沼澤、覆水沼澤和泥炭沼澤三種類型。

2023/2/25351.低位泥炭沼澤有人稱為富營(yíng)養(yǎng)泥炭沼澤。低位泥炭沼澤的表面由于泥炭的積累不厚，且尚未改變?cè)械牡乇淼屯菪螒B(tài)。①地表水和地下水作為豐富的水源補(bǔ)給，潛水位較高或地表有積水；②溶于水中的礦物質(zhì)養(yǎng)分豐富。沼澤多為中性或微堿性，pH＝7～7.8；③沼澤植物要求養(yǎng)分較多，種屬較豐富。我國(guó)第四紀(jì)泥炭形成于這種類型的沼澤約占90％，在地史中各成煤期內(nèi)也大多形成于這種泥炭沼澤類型。這種沼澤類型多處于泥炭沼澤發(fā)展的初期。2.高位泥炭沼澤這種類型的泥炭沼澤往往處于泥炭沼澤演化的后期或泥炭沼澤始終處于潛水面之上。沼澤主要是由大氣降水補(bǔ)給，①沼澤的水面位于潛水面之上，水源不充足，②水中缺少礦物質(zhì)養(yǎng)分，因而有人稱為貧營(yíng)養(yǎng)泥炭沼澤。

中間貧周緣富：高位泥炭沼澤在發(fā)展演化中，泥炭積累速度與養(yǎng)分的供給狀況發(fā)生了變化。即在沼澤的邊緣部分，易得到周邊流水所攜帶的豐富營(yíng)養(yǎng)；而中心部位則難于得到富養(yǎng)分的地表水和地下水的補(bǔ)給，僅靠大氣降水補(bǔ)給，促使貧營(yíng)養(yǎng)植物首先出現(xiàn)于中心地帶。3.中位泥炭沼澤

這類泥炭沼澤多出現(xiàn)于前兩類沼澤的過(guò)渡時(shí)期，在特征與性質(zhì)上具有過(guò)渡特點(diǎn)，因此又稱為過(guò)渡類型或中營(yíng)養(yǎng)泥炭沼澤。這類泥炭沼澤的表面，由于泥炭的積累趨于平坦或中部輕微凸起，地表水和地下水通過(guò)周邊的泥炭層時(shí)，其中的水分和養(yǎng)分被部分吸收達(dá)到中心地帶時(shí)，已大為減少，因而潛水位變低、營(yíng)養(yǎng)狀況變差，泥炭層也處于中性到微酸性，植被以中等養(yǎng)分植物為主。泥炭沼澤中植物與泥炭層的形成§3成煤學(xué)說(shuō)植物殘骸的堆積方式（理論或?qū)W說(shuō)）對(duì)于植物殘?bào)w的堆積方式存在著原地生成與異地生成的不同觀點(diǎn)。

1.原地生成說(shuō)或稱為“原地堆積說(shuō)”原地生成說(shuō)認(rèn)為，造煤植物的殘骸堆積于植物繁衍生存的泥炭沼澤內(nèi)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)搬運(yùn)，在原地堆積并轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗵?，最終成煤。主要依據(jù)：⑴現(xiàn)代泥炭沼澤（濕地）繁殖大量植物，在原地堆積形成泥炭，且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)被搬運(yùn)的跡象；

⑵煤層底板中有垂直的根系化石，煤層底板為植物生長(zhǎng)的土壤；⑶煤層中陸源碎屑礦物比較少；

⑷大多數(shù)煤層厚度比較穩(wěn)定，在大面積范圍內(nèi)可以對(duì)比，說(shuō)明當(dāng)時(shí)成煤環(huán)境是一種穩(wěn)定的環(huán)境。煤層可以作為標(biāo)志層進(jìn)行大范圍對(duì)比。2.異地生成說(shuō)（異地堆積說(shuō)）

異地生成說(shuō)認(rèn)為，泥炭層形成的地方，即植物殘?bào)w大量堆積的地方并不是成煤植物生長(zhǎng)的地方，植物殘?bào)w從生長(zhǎng)地經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離搬運(yùn)后，再在淺水盆地、瀉湖、三角洲地帶堆積而成。

其依據(jù)是①在現(xiàn)代的三角洲地帶(如亞馬遜河、剛果河等)，?？梢?jiàn)到從上游原始森林區(qū)帶來(lái)的大量漂木;②在湖泊中見(jiàn)到漂浮的泥炭層;③某些煤田內(nèi)曾見(jiàn)有樹(shù)根朝上倒置的樹(shù)化石;④煤中混有大量礦物雜質(zhì);⑤煤層底板巖性與煤層在沉積上有大的差異，如煤層底板為石灰?guī)r等化學(xué)沉積等。3.微異地生成說(shuō)（或稱“亞原地生成說(shuō)”）

泥炭沼澤內(nèi)部植物殘?bào)w、部分泥炭受沖刷搬運(yùn)并重新堆積的現(xiàn)象比較常見(jiàn)。如河漫灘沼澤、三角洲平原沼澤受河水泛濫的影響，以及濱海沼澤受海潮、風(fēng)暴潮的影響，都可能造成沼澤內(nèi)部的局部搬運(yùn)和重新堆積現(xiàn)象。為“微異地生成”或“亞原地生成”

(Stach等)。在微異地生成的煤片中，常見(jiàn)植物結(jié)構(gòu)組分破碎、微細(xì)斜層理和微波狀細(xì)層理，以及各種煤