第三章

第三章煤化作用

煤田地质学煤田地质学

第三章第三章煤化作用煤化作用

成煤作用是原始成煤物质最终转化成煤的全部作用，它分成两个相继的阶段：从成煤原始物质的堆积，经生物化学作用直到泥炭的形成，称为泥炭化作用阶段；当泥炭形成后，由于沉积盆地的沉降，泥炭被埋藏于深处，在温度、压力增高等物理、化学作用下，形成褐煤、烟煤、无烟煤、变无烟煤，称为煤化作用阶段。对于腐泥来说，则经历了硬腐泥、腐泥褐煤、腐泥亚烟煤、腐泥烟煤到腐泥无烟煤的煤化作用。

成煤作用的阶段划分



泥炭向褐煤转变经历了成岩作用，从褐煤的形成到下一步演化经历了煤的变质作用。煤再进一步演化成石墨，成为石墨化作用。变质作用不包括石墨化作用

煤与岩石的成岩作用与变质作用不完全等同，主要是由于煤受到温度、压力变化的反应比无机沉积物敏感多，所以沉积物的成岩作用与变质作用滞后于煤。

利用煤化作用可以解决很多问题：确定沉积盆地原始边界、分析盆地形成的古构造格局及演化、阐明盆地形成后的构造形变、盆地热演化的研究，确定地层剥蚀厚度、研究大规模构造形变、研究推覆构造的形成与演化等。

§1 §1 煤化作用的阶段与特征煤化作用的阶段与特征


第三章第三章 §1§1 煤化作用的煤化作用的阶段与特征阶段与特征

一、煤的成岩作用与变质作用一、煤的成岩作用与变质作用煤的成岩与变质作用的分界 :

一般认为，由于亮褐煤 (中国的老褐煤、美国的亚烟煤 )已出现镜煤，具有强烈的镜煤化作用，并且具有微弱的光泽。因此，变质作用开始于亮褐煤的形成。具有了光泽就进入了变质作用阶段 .

1 、煤的成岩作用

（ 1 ）成岩作用概念

由泥炭经过物理化学作用形成年青褐煤的过程，为煤的成岩作用。

泥炭→年青褐煤（不具光泽）


（ 2 ）成岩作用机制泥炭形成后，由于盆地的沉降，在上覆沉积物的覆盖下被埋藏于地下 :① 压实、脱水、增碳 ;

② 游离纤维素消失 ;

③ 凝胶化组分逐渐固结 ;

④ 具有了微弱的反射力。这一转变所历经的作用称为煤的成岩作用。据 stach 认为，这种作用大致发生于地下 200 ～ 400m 的浅层。


（ 3 ）成岩作用特点A 、成岩作用的化学作用结果① 泥炭内的腐植酸、腐植质分子侧链上的亲水官能团，以及环氧数目不断地减少，形成各种挥发性产物 ;② 碳含量增加，氧和水分含量减少—脱水。碳元素 (C) 主要集中于稠环中。稠环的结合力强，具较大的稳定性。


各种煤的含氧官能团含量变化


（ 3 ）成岩作用特点 B 、煤的物理煤化作用主要反映在发生了物理胶体反应，即成岩凝胶化作用，从而使未分解或未完全分解的木质纤维组织，不断转变为腐植酸、腐植质，使已经形成的腐植酸、腐植质变为黑色具有微弱光泽的凝胶化组分。成岩作用中，丝炭化组分和稳定组分也发生变化。


2 、煤的变质作用（ 1 ）煤变质作用概念年青褐煤，在较高的温度、压力及较长地质时间等因素的作用下，进一步发生物理化学变化，变成老褐煤 ( 亮褐煤 ) 、烟煤、无烟煤、变无烟煤的过程。


（ 2 ）煤变质作用特点① 腐植物质进一步聚合，腐植酸进一步减少，使腐植物质由酸性变为中性，出现了更多的腐植复合物 ;② 失去大量的含氧官能团 ( 如羧基— COOH 和甲氧基— OCH3) 。

③ 结束成岩凝胶化作用，形成凝胶化组分 ( 煤岩 );④ 植物残体己不存在，稳定组分发生沥青化作用。


二、煤化作用特点 1 、煤在连续地系列演化过程中，可明显地显现出增碳化 ( 相对 )趋势 ( 特点 ) 即由泥炭阶段含有 C 、 H 、 O 、 N、 S五种主要元素，演变到无烟煤阶段基本上只含碳 (C) 一种元素。因此，煤化作用过程，也可称作异种元素的排出过程。


煤化作用的最终结果 :

①排出的其它元素和碳结合构成挥发性化合物 ;

②随煤化程度增加，煤中挥发物减少，碳含量增

加。


2 、随着煤化作用进程 ,煤的有机分子表现为结构单一化趋势即由泥炭阶段含多种官能团的结构，逐渐演变到无烟煤阶段只含缩合芳核的结构，最后演变为石墨结构。



具有六方晶格，原子呈层状排列

煤化作用过程实际上是依序排除不稳定结构的过程。即逐渐保存稳定结构。


第三章第三章 §1 §1 煤化作用的阶段与特征煤化作用的阶段与特征

3 、随着煤化作用进程 , 煤的有机为分子结构表现为致密化和定向排列的趋势

第三章第三章 §1 §1 煤化作用的阶段与特征煤化作用的阶段与特征

低煤级分子结构

高煤级分子结构

① 煤的有机分子侧链由长变短，数目变少； ② 腐植复合物的稠核芳香系统不断增大，逐渐趋于紧密； ③ 分子量加大，缩合度提高； ④ 分子排列逐渐规则化，从混杂排列到层状有序排列，反光性能增强。

4.随着煤化作用进程 ,煤显微组分性质呈现为均一性趋势。

在煤化作用的低级阶段，煤显微组分的光性和化学组成结构差异显著，但随着煤化作用的进行，这些差异趋于一致，变得愈来愈不易区分。高变质煤的煤岩组分不易识别。


5. 煤化作用是一种不可逆的反应。

煤化作用只有由浅而深、或者被终止，不可能发生由深变质的煤转变为浅变质的煤，不可逆转性。煤化作用不是简单的化学反应。

煤化作用能否形成连续的系列演化过程，决定于具体地质条件。

例如，含煤盆地由沉降转变为抬升，这就会导致煤化作用的终止；如果后来由于岩浆作用的加剧，或盆地再度沉降，那么煤化作用还可能再次进行下去。


66、、煤化作用的发展是煤化作用的发展是非线性非线性的，表现为煤化的，表现为煤化作用的跃变，简称作用的跃变，简称煤化跃变。煤化跃变。煤的各种物理、化学性质的变化，在煤化进煤的各种物理、化学性质的变化，在煤化进程中，快、慢、多、少是程中，快、慢、多、少是不均衡的不均衡的。。煤化过程中镜质组反射率的增高是跳跃式的。煤化过程中镜质组反射率的增高是跳跃式的。


三、煤化作用跃变亮褐煤→长焰煤→气煤→肥煤→焦煤→瘦煤→贫煤→无烟煤→变无烟煤

褐煤 Ⅰ 烟煤无烟煤（ 1 ）第一次跃变（Ⅰ）：发生在长焰煤开始阶段

(Cdaf=75％～ 80％， Vdaf＝ 43％，镜质体反射率Romax＝ 0.6 ％ ) ，与石油开始形成阶段相当。即与生油阶段相当。


特点是：发生沥青化作用：生成沥青质。沥青化作用是指壳质组 (包括藻类体 ) 和镜质组在煤化过程中形成沥青质，即石油型烃类的一种作用。这种作用起始于硬褐煤阶段 (Rom 为 0.5％ ) ，持续到早期肥煤阶段(Rom=1.2％ ) 。随煤化程度的提高，各种含氧官能团逐渐脱落，在 Rom

＝ 0.6％以前主要析出 CO2 和 H2O ；当煤化作用达到 Rom

＝ 0.5％～ 0.6％阶段，芳香核稠环上开始①脱落脂肪族和脂肪族官能团和侧链，②形成以甲烷为主的挥发物，于是开始了生成沥青质的沥青化作用。


亮褐煤→长焰煤→气煤→肥煤→焦煤→瘦煤→贫煤→无烟煤→变无烟煤

褐煤 Ⅱ 烟煤无烟煤

（ 2 ）第二次煤化跃变（Ⅱ）出现在肥煤到焦煤阶段 Cdaf＝ 87％， Vdaf＝ 29 ％， Romax＝ 1.3％。镜质体反射率Romax＝ 1.3％对应于石油的“死油线”


第二次煤化跃变（Ⅱ）特点： ① 煤中甲烷的大量逸出，释放出大量的氢。富氢的侧链和键的大量缩短及减少； ② 煤的比重下降到最小值；　　③煤的显微孔隙度逐渐缩小，水分减少。

到焦煤阶段 (Cdaf=89％， Vdaf≈20％， Romax

≈1.7％ ) 腐植凝胶基本上完成了脱水作用，水分和孔隙度都达到了最低值；


第二次煤化跃变（Ⅱ）特点：④ 发热量则升高到最大值 ( 这是和镜质组的硬度、密度的最小值，以及炼焦时可塑性最大值相一致 ) ；

⑤焦煤阶段，由于化学结构的变化，水分含量（主要是内在水分）又有所回升；

⑥煤的物理、工艺性质发生转折：耐磨性、焦化流动性、粘结性、内生裂隙数目等都达到极大值，内面积、湿润热等达到最小值。称为煤化作用转折。


第二次煤化跃变（Ⅱ）特点： ⑦第二次跃变的结果 --煤化台阶：壳质组与镜质组在颜色、突起、反射率等的差异愈加变小。因此，壳质组从 Vdaf=29 ％～ 22％这一阶段的明显变化又称为煤化台阶。

　　⑧生油→生气：本阶段与油气形成的深成阶段后期 ( 即热裂解气开始形成阶段 ) 相当，石油烃转化为气体烃，因此它对应于石油的“死亡线” 。



褐煤　　烟煤 Ⅲ 无烟煤

（ 3 ）第三次跃变（Ⅲ）发生于烟煤变为无烟煤阶段

Cdaf=91％， Vdaf＝8％， Romax＝ 2.5％。煤化作用的第三次跃变以后，就是有人称为无烟煤化作用和半石墨化作用的阶段，代表了煤化作用的最终阶段，其产物是无烟煤和变无烟煤的形成。



褐煤烟煤 Ⅳ 无烟煤

（ 4 ）第四次跃变为无烟煤与变无烟煤分界 Cdaf＝ 93.5％， Hdaf=2.5％， Vdaf＝ 4.0％，镜质体反射率Rmax＝ 4％， Rmin＝ 3.5 ％。

已经不属于煤化作用阶段。


第四次跃变特点是：　　①在化学煤化作用方面，主要表现为氢含量与氢碳原子比的急剧下降。碳含量随埋藏深度的增加也明显地增大。　　②硬度增大、光泽增强，到变无烟煤时几乎呈金属光泽，宏观上微层理已不明显。


无烟煤阶段镜质组反射率随着煤化作用进一步增高，进入变无烟煤以后，由于最小反射率（ Rmax为 6 ％时）迅速减小，双反射率而急剧加大。

图 3-4 以氢含量和镜质组反射率（ Rmax 、 Rm 和 Rmin ）为基础，介于烟煤和石墨阶段之间的煤级的增高


随深度增加煤化作用程度加深，并由此带来的镜质组反射率的变化 .

原联帮德国北部闵斯特兰 1号钻孔中的镜质组反射率（ Rmax ， Rmin 和 Rm ）随深度而增加


§2 §2 煤化作用的因素煤化作用的因素


一、温度煤化作用最重要的影响因素。随着沉降深度的变化，温度的增加使得煤化

作用程度提高，因此煤化作用的演化决定于煤的受热史。煤化程度增高的速度，有人称为“煤级梯度”或“煤化梯度”。它首先决定于地区的地热条件，即地热梯度变化。

大地热流值高→地热梯度高→煤化梯度高→煤的变质程度高。

第三章第三章 §2§2 煤化作用的因素煤化作用的因素


顿巴斯煤田的受热温度与煤化程度的关系

温度 /℃ Rm/％温度 /℃ Rm/％6590110

0.500.650.85

130140170

1.151.532.00

温度的影响因素：（ 1 ）当地的大地热流及古地温梯度：盆地地温场；（ 2 ）地球深部岩浆活动，岩浆热的叠加状况；（ 3 ）构造热流场；（ 4 ）放射性物质产生的热；（ 5）下伏和共生岩石的导热性能等。


联帮德国萨尔区Tevfelspforte 钻孔砂岩带影响了煤化程度的增高


二、时间在煤化作用中，煤在温度、压力作用下所经历

的时间长短，特别是在地质上的时间延续，都是不可忽视的因素。

时间因素在较高的温度下往往更加明显，当温度过低，时间因素就不易起作用了。


煤化程度与温度和受热时间的关系1—5×106a ； 2—10×106a ； 3—20×106a

（据 Karweil， 1956）

第三章第三章 §2 §2 煤化作用的因素煤化作用的因素

据反应动力学计算的不同温度下煤化时间与煤化程度的关系1—50℃（埋深 1000~1300m ）； 2—80℃（埋深 1000~1200m ）； 3

—100℃（埋深 2000~3000m ）； 4—150℃（埋深 3500~4700m ）（据 Karweil， 1956）


三、压力：压力的双重特点

在不同压力下的煤化实验更加确认了静压力对化学煤化作用起着抑制作用。

压力因素虽阻碍化学反应，但却引起煤的物理结构发生变化。

在煤化作用中，起决定作用的是化学煤化作用，而不是物理煤化作用。


三、压力：压力的双重特点 ① 在构造压应力作用下，剪切与拉伸能使芳香族单元层沿石墨形成的方向更加排列有序，这在半石墨化、石墨化阶段表现的更为明显。

②静压力使煤的孔隙率和水分降低、比重增加，还促使芳香族稠环平行于层面作有规则的排列。

③构造应力影响到反射率值及镜质组的各向异性，其光性也发生变化。


思考题：

1. 煤化作用划分为几个阶段，各具哪些特点，其关键因素是什么？

2. 煤化跃变及其特点有哪些？


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