1成煤原始物质与堆积环境

第一章成煤原始物质与堆积环境成煤作用阶段的划分植物残骸堆积的学说及其依据泥炭沼泽的发育环境泥炭沼泽的形成方式泥炭沼泽的类型本章要点预备知识煤是由植物遗体经过复杂的生物、化学作用转变而来；从植物死亡→煤经历的演变过程为成煤作用；两个阶段的划分：腐泥化/泥炭化阶段：植物在泥炭沼泽、湖泊或浅海中不断繁殖，遗体在微生物参与下经过生物地球化学作用形成腐泥/泥炭；煤化作用阶段：泥炭/腐泥在温度、压力等作用下形成煤的过程。具体可划分成岩和变质作用。§1成煤物质第一章成煤原始物质与堆积环境第一章§1成煤物质一、植物演化与成煤作用的关系植物界可分为低等植物和高等植物两大类别。属于低等植物的有藻类和菌类，存在于元古代到早泥盆世，为植物发展演化的菌藻类植物时期。高等植物是由低等植物历经长期演变而来的，在形体结构和生理功能特征上都比低等植物更加复杂。成煤作用也就具有阶段性：原因在于植物演化与成煤作用具有密切关系，而植物演化具有明显的阶段性。第一章§1成煤物质1．菌藻类植物时代元古代到早泥盆世为低等植物发育时代。因此不可能有大规模的聚煤作用发生。由低等植物经过一系列变化形成的煤，其灰分很高，有一定的发热量。这类煤称为“石煤”，如我国南方寒武纪的“石煤”。2．裸蕨植物时代晚志留世至早中泥盆世为世界上最古老的陆生植物时代。植物由水生到陆生的转化过程，是植物由低等向高等发展的重要转折时期。裸蕨类植物是地质历史上最早的陆生植物，仅能适宜滨海潮湿低地。其高度不足1m，裸厥植物仍然是比较原始的植物。第一章§1成煤物质第一章§1成煤物质3．蕨类、种子蕨类植物时代晚泥盆世至晚二叠世早期，是高等植物发育、发展和演化的最重要的时期，以孢子植物蕨类和裸子植物的种子蕨为主。这个时期的气候条件是温暖、潮湿，适合植物生长，在全球范围内比较一致。如石炭-二叠纪煤层形成于此时代。第一章§1成煤物质石炭-二叠纪是全世界范围内最重要的聚煤时期，地势比较平坦，植物繁盛，聚煤作用强，为第一大聚煤时期，形成了分布广泛的聚煤盆地和含煤地层。在我国华北和华南地区存在着重要的石炭-二叠纪煤炭盆地。如鄂尔多斯盆地、华北盆地、华南盆地等。第一章§1成煤物质4．裸子植物时代自晚二叠世晚期至中生代，是裸子植物最为繁盛的时代。主要特点是：地球上干旱气候带扩大，石炭-二叠纪的植物群逐渐衰落，由蕨类植物进入到裸子植物繁盛时期。侏罗纪和早白垩世被认为是世界上第二个重要的聚煤期。在我国，侏罗纪是最为重要聚煤时期。第一章§1成煤物质5．被子植物时代早白垩世以后至古、新近纪是植物进入到高级发展的重要阶段。但是，这个时期构造活动更加强烈，气候分带也更加明显。这个时期被称为世界上第三个重要聚煤时期。第一章§1成煤物质地质历史时期的聚煤作用是与地质历史中植物演化密不可分的，植物的演化和发展决定了聚煤作用的发生;因此要首先研究植物的演化特点，将植物演化研究与地质历史发展、盆地聚煤作用研究紧密的结合起来，阐明聚煤作用的机制。第一章§1成煤物质二、植物组成(一)高等植物的器官根：植物进化过程中适应陆生条件所形成的一种器官，它具有吸收、支持、合成和贮藏的功能。茎：主要功能是将水分、无机盐类和有机营养物质运送到植物体的各个部分，此外，还有贮藏养料的功能。叶：主要功能是光合作用和蒸腾作用，它们都是植物赖以生存所必须的。第一章§1成煤物质(二)高等植物的组织根据高等植物的组织功能和结构的不同，可划分为分生组织、薄壁组织、保护组织、输导组织、机械组织和分泌组织。其中，后5种组织都是器官形成时由分生组织衍生的细胞发展而成。随着植物转化为煤,各类组织的生理机能因植物死亡而消失,但一些组织的形态结构却可保存下来,构成了煤岩学乃至古植物学研究的对象。第一章§1成煤物质123456第一章§1成煤物质三、植物的组成和化学性质植物主要是由有机物质构成，但也含有一定量的无机物质。不论是低等植物还是高等植物，主要都是由碳水化合物（包括纤维素、半纤维素和果胶质等）、木质素、蛋白质和脂类化合物等组成。各类植物以及同一植物的不同部分其有机组成各不相同。低等植物主要由蛋白质和碳水化合物组成，脂肪含量比较高。第一章§1成煤物质高等植物的组成则以纤维素、半纤维素和木质素为主。木本植物的有机组成差别很大，活细胞中的原生质主要是由蛋白质组成，茎和叶以纤维素、木质素为主。植物的角质膜、木栓层、孢子和花粉则含有大量的脂类化合物。植物的有机组成的差别，直接影响到它的分解和转化，影响到煤的性质和利用。第一章§1成煤物质（一）碳水化合物碳水化合物包括纤维素、半纤维素和果胶质等，其中，纤维素是构成植物细胞壁的主要成分。（二）木质素木质素也是植物细胞键的主要成分，常分布于植物机械组织的细胞壁中，能增强坚固性，起支持作用。（三）蛋白质在植物体内，蛋白质含量所占比重不大。由于它是构成植物细胞原生质的主要物质，因此在植物生存过程中起着重要作用。第一章§1成煤物质（四）脂类化合物脂类化合物主要指不溶于水，而溶于醚、苯、氯仿等有机质溶剂的有机化合物。1．脂肪：在碱性溶液中，生成脂肪酸及甘油，从泥炭、褐煤中提炼出沥青可发现脂肪酸。2．蜡质：多呈薄膜状覆盖于茎、叶和果实上，化学性质稳定，不易遭受分解，在泥炭、褐煤中常见蜡质。3．树脂：煤化过程中，树脂的主要挥发份会消失，少量保存。4．角质与木栓质：是植物的保护组织产生物质。5．孢粉质：化学性质稳定，能耐一定温度和酸、碱的处理，不溶于有机溶液。§2植物遗体的堆积环境第一章成煤原始物质与堆积环境一、泥炭的形成与积累泥炭化作用的最终产物是泥炭。植物有机体死亡后，经过生物化学作用，发生分解、合成与聚积，如果植物有机质堆积的增长量超过其分解量，才有可能聚集成泥炭层。通常泥炭沼泽的垂直剖面可划分为：氧化环境的表层，过渡条件的中间层；还原环境的底层。第一章§2植物遗体的堆积环境（一）泥炭形成与堆积的影响因素1.植物有机体的增长量植物有机体的增长量与大气和土壤的温度等环境因素有密切关系。地球纬度—植物生长大致上是从高纬度向低纬度增高。温暖、潮湿的气候带更适宜植物的繁殖与生长；热带、干旱气候环境不利于植物遗体的保存。第一章§2植物遗体的堆积环境2.植物残体的分解影响因素泥炭的形成和积累，还取决于植物残体的分解强度。影响植物残体分解强度的因素主要有:微生物的种类、数量、水热条件、土壤的酸碱度和有机质的组成等。第一章§2植物遗体的堆积环境2.植物残体的分解影响因素微生物的种类：喜氧性微生物对泥炭形成和积累堆积不利；微生物的数量：随着土壤埋深增大微生物数量减少。喜氧性微生物随着深度增加迅速减少，厌氧细菌一定深度增度，然后减少；水分与热量：根据M.M.科诺娃的实验，微生物在土温20-30°，湿度60%-80%时，活动能力强。酸碱性：喜氧与厌氧生物适宜于在中性或偏碱性（PH=7-8）活动；第一章§2植物遗体的堆积环境3.植物残体的分解强度由于其化学组成不同，因而分解的速度和抵抗分解的能力有明显的不同。苔藓最低，其次是针叶木、阔叶木等。植物残体的氧化分解不充分植物中还有一些防腐和杀菌成分泥炭堆积的速度不仅在空间上不同，在时间演化上也不同第一章§2植物遗体的堆积环境二、植物残骸的堆积方式（理论或学说）对于植物残体的堆积方式存在着原地生成与异地生成的不同观点。1.原地生成说或称为“原地堆积说”原地生成说认为，造煤植物的残骸堆积于植物繁衍生存的泥炭沼泽内，没有经过搬运，在原地堆积并转变为泥炭，最终成煤。第一章§2植物遗体的堆积环境主要依据：⑴现代泥炭沼泽（湿地）繁殖大量植物，在原地堆积形成泥炭，且没有发现被搬运的迹象；⑵煤层底板中有垂直的根系化石，煤层底板为植物生长的土壤；⑶煤层中陆源碎屑矿物比较少；⑷大多数煤层厚度比较稳定，在大面积范围内可以对比，说明当时成煤环境是一种稳定的环境。煤层可以作为标志层进行大范围对比。第一章§2植物遗体的堆积环境2.异地生成说（异地堆积说）异地生成说认为，泥炭层形成的地方，即植物残体大量堆积的地方并不是成煤植物生长的地方，植物残体从生长地经过长距离搬运后，再在浅水盆地、泻湖、三角洲地带堆积而成。第一章§2植物遗体的堆积环境其依据是①在现代的三角洲地带(如亚马逊河、刚果河等)，常可见到从上游原始森林区带来的大量漂木，②在湖泊中见到漂浮的泥炭层，③某些煤田内曾见有树根朝上倒置的树化石，以及④煤中混有大量矿物杂质，⑤煤层底板岩性与煤层在沉积上有大的差异，如煤层底板为石灰岩等化学沉积等。第一章§2植物遗体的堆积环境我国一些山间盆地、山前冲积扇缘洼地、河漫滩洼地的全新世沉积中，都曾见有异地生成的埋藏泥炭。如河北易县石岗易水河河湾沉积的泥炭层，直接堆积于花岗闪长岩的基岩和河床相的卵石层之上，泥炭层夹着躺倒的树干、树根及植物的壳果，厚度变化大，几米距离可自几厘米厚变为1～2m，这是由洪水将植物残体从山地带到水流突然减速的河湾处堆积下来而形成。第一章§2植物遗体的堆积环境卵石层砂层泥炭层黄土层卵石粗砂层图1-3河北易县易水河湾异地生成泥炭层剖面（据《中国煤田地质》，1979；改绘）基岩（花岗闪长岩）第一章§2植物遗体的堆积环境3.微异地生成说（或称“亚原地生成说”）泥炭沼泽内部植物残体、部分泥炭受冲刷搬运并重新堆积的现象比较常见。如河漫滩沼泽、三角洲平原沼泽受河水泛滥的影响，以及滨海沼泽受海潮、风暴潮的影响，都可能造成沼泽内部的局部搬运和重新堆积现象。为“微异地生成”或“亚原地生成”(Stach等)。第一章§2植物遗体的堆积环境在微异地生成的煤片中，常见植物结构组分破碎、微细斜层理和微波状细层理，以及各种煤岩显微组分的碎屑体和原有植物组织的氧化现象和大量矿物杂质的混入等。经过近代泥炭层及煤层地质研究认为,原地与异地两种泥炭堆积方式都是存在的,且具有工业可采意义的煤层大都是原地成因的。第一章§2植物遗体的堆积环境§3泥炭沼泽第一章成煤原始物质与堆积环境第一章§3泥炭沼泽一、泥炭沼泽及其形成条件（一）泥炭沼泽概念沼泽是地表土壤充分湿润、季节性或长期积水，丛生着喜湿性沼泽植物的低洼地段。如果沼泽中形成并积累着泥炭，则称为泥炭沼泽。泥炭沼泽既不属于水域，又不是真正的陆地，而是水域和陆地的过渡形态。第一章§3泥炭沼泽第一章§3泥炭沼泽（二）泥炭沼泽形成发育的影响因素构造运动对泥炭沼泽发育的影响构造运动所形成的破碎带（断裂或节理裂隙），经风化剥蚀而发展成洼地，形成汇水区成为泥炭沼泽的一个有利地带；地壳升降运动的速率影响了泥炭沼泽的发育地壳上升，侵蚀作用不利于泥炭沼泽；如果地壳沉降速度与植物堆积的速率相对平衡时，在地面平坦的低洼地段造成地区泄水条件不畅，利于泥炭发育第一章§3泥炭沼泽火山口湖，由于岩浆溢出，造成堰塞湖，其环境有利于植物发育，容易形成泥炭沼泽；泥炭沼泽发育条件：缓慢沉降的低洼地带，有利于水的汇聚不利于水的排泄，由于基底的缓慢沉降，使地下水位能够保持缓慢速度持续抬升;泥炭沼泽发育地区大多与活动能量大的水体间以一定形式的保护屏障形成相对隔离的地带;泥炭沼泽发育地带，大多为地表地形高差变化不大且地表宽缓低平能量低的地带。第一章§3泥炭沼泽（三）泥炭沼泽发育的主要环境1.泥炭沼泽重要发育地带——滨海平原滨海地带海水与沿海陆地地表水与潜水之间相互关系，有利于泥炭沼泽发育；滨海地带的海湾内，由于波浪作用微弱，海湾封闭形成海湾泻湖，有利于泥炭沼泽发育；三角洲平原上分流河道之间的低洼地及靠近海边的部分泻湖湿洼地；在热带、亚热带地区的海岸和河口地区，还可以形成一种特殊类型的滨海泥炭沼泽——红树林泥炭沼泽。第一章§3泥炭沼泽2.内陆有利发育泥炭沼泽的地区—河流作用、冰川作用的河湖地带。在山丘、丘陵等暂时性水流附近有一些洼地，平原地带经常性水流周围的洼地成为泥炭沼泽场所；河流发源地沟谷地区，由于在径流地区的谷底易形成相对平衡剖面，取得较稳定潜水补给，易泥炭沼泽；山前冲积扇地区的扇前洼地地下水不断溢出，形成养分较好条件，有利于泥炭沼泽；第一章§3泥炭沼泽2.内陆有利发育泥炭沼泽的地区—河流作用、