煤的形成过程（PPT87页)

煤地质学现代煤地质学的研究领域1煤的形成与煤化作用2煤的组成3煤的指标与煤级划分4含煤沉积体系5聚煤盆地与聚煤规律地学新理论新方法对煤地质学的促进与影响沉积体系分析和层序地层学等新概念、新学科的提出和发展给煤地质学带来了新的思路和方法。传统的海退成煤和陆相成煤经典理论被补充。煤的共、伴生矿产也作为研究对象。煤层气地质理论的形成与发展也是煤地质学的重要组成部分。参考文献李增学.煤地质学.地质出版社,2005韩德馨,杨起.中国煤炭地质学,煤炭工业出版社,1980杨起.中国煤变质作用.煤炭工业出版社,1996赵师庆.实用煤岩学.地质出版社,1991E·斯塔赫等著,杨起等译.斯塔赫煤岩学教程.煤炭工业出版社,19901.煤的形成与煤化作用煤的形成1煤的形成3.成煤原始物质2.煤及其成因类型1.人类对煤形成的认识内容提要4.煤化作用1人类对煤形成的认识在十九世纪以前，人们还不能正确解释煤的形成过程。煤和地球上的其它岩石一样，一有地球，就存在了；煤是由岩石变化而来的；煤是由植物变化来的。十九世纪以后，人们应用显微镜发现煤中还保留有一些植物的原来组成部分，从此揭开了成煤原始物质之谜，证实了煤是由植物变成的。例如将低煤级煤制成薄片，放在显微镜下观察，可以看到植物的原有构造(如植物的细胞结构)，有时还可以看到植物成长过程中的年轮。现在，在煤矿井下有时还可以看到煤层顶板上有树皮碎片、根、茎、叶等化石，在有些褐煤矿井中甚至可以看到折裂的树干变成的煤。所以，成煤的原始物质是植物是为无数事实所证明了的，并且已为人们所公认的结论。结构镜质体，胞腔充填角质镜质体，透射光80×，辽宁阜新J3－K11—鳞木类细根2—栉羊齿羽片上的原位聚合孢子囊3—植物结构纵切片太原西山7号煤层12312植物细胞结构(切片)1—据田宝霖2—据丁丕训煤中的显微组分2煤及其成因类型煤是由植物遗体经过复杂的生物化学、地球化学、物理化学作用转变而成的一种固体可燃有机岩，是由多种高分子化合物和矿物质所组成的复杂混合物，是一种极其重要的沉积矿产，它不仅是国民经济发展重要的能源，也是冶金和化学工业的重要原料。高等植物沼泽环境腐植煤低等植物湖泊环境腐泥煤高等植物低等植物沼泽、湖泊环境混合煤3成煤原始物质－概述成煤的原始物质是植物遗体或残体。植物可以分为低等植物和高等植物两大类低等植物—主要是菌类和藻类1）由单细胞或多细胞构成，以蛋白质为其主要组成层分；2）基本呈丝状体和叶状体；3）构造简单，不具备各种植物器官的分化；4）多生活于水体中而呈浮游状态，故称也为浮游生物。5）在地史早期(元古代到早泥盆世)，它们构成了当时植物界的主体。3成煤原始物质－概述高等植物—苔藓植物、蕨类植物、种子植物1）它们的结构复杂，根、茎、叶等器官分明；2）组成植物的基本结构单元是细胞。细胞由细胞壁和原生质组成。3）细胞壁的主要组分是：纤维素、半纤维素、木质素。4）原生质是细胞的内含物，它是由蛋白质、脂肪和果胶质等一些碳水化合物组成的。3成煤原始物质－植物的演化史从地史上与成煤作用关系，植物的演化大体上可以分为：菌藻类时期：元古代-D1，广阔、稳定的浅海环境提供了藻类大量繁殖的良好条件，因此形成了具有工业价值的煤，这是地史上最早的聚煤时期。本时期所形成的煤，一般属于高灰分的腐泥无烟煤类。主要分布在南方寒武纪地层。裸蕨类时期：S3-D1/D2。目前所知的最早陆生植物，植物仍没有根。植物由水生到陆生的阶段，是聚煤史和植物演化史的大事。蕨类、种子蕨类时期：D3~P1。半陆生转变为陆生的重要时期，也是第一个重要聚煤史。裸子植物时期：D3~T1。海西和印支运动，陆地面积增大，地形分化，气候改变，适应干旱气候的被子植物繁盛。第二个重要聚煤史。被子植物：K3~今。被子植物占优势，第三个重要聚煤史。3成煤原始物质－植物的演化史植物的演化对煤的形成和聚积有很重要的影响:首先，煤的形成和大量聚积始于植物出现之后。只有植物大量的繁殖和发展，才会有聚煤作用的发生。其次，由于植物从水生到陆生、从低级向高级的发展和演化，聚煤作用在地质历史发展过程中也在发生变化，成煤环境从浅海到滨海直至扩大到内陆，聚煤作用不断增强。第三，新的聚煤时期的出现，都是以新门类植物群的出现为前提。3成煤原始物质－植物、煤演化关系一、植物的组成高等植物的器官：根、茎、叶二、高等植物的组织1)分生组织：具细胞分裂能力，处于植物生长部位。2)薄壁组织：基本组织，壁薄、有间隙、体积大。3)保护组织：多构成表皮，细胞有角质膜、蜡质充填、周皮、木栓形成层、木栓、栓内层。4)输导组织：输送营养物质的筛管、输送水分和矿物质的导管。5)机械组织：起支撑作用。6)分泌组织：由植物体内能产生特殊物质的细胞组成。3成煤原始物质－成煤植物的主要有机组分3成煤原始物质－成煤植物的主要有机组分植物的基本单元都是细胞，细胞的构成：细胞壁和原生质。1.细胞壁的主要组成是纤维素、半纤维素和木质素。2.原生质是细胞的内含物，它是由蛋白质和碳水化合物组成。高等植物的整个外表面为一层表皮所包裹，表皮的外层为角质层，里层为木栓层。叶子的表皮除有角质层外还有毛、膜，它们都是由树脂、树蜡组成植物还有花粉、孢子。花粉是所有种子植物的繁殖器官，孢于是孢子植物的繁殖器官，它们的外壳都比较稳定。从化学的观点来看植物的主要组成不外乎纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、脂肪、树脂、树蜡等。这些组成又可归纳成四类：碳水化合物、木质素、蛋白质和酯类化合物。3成煤原始物质－成煤植物的主要有机组分1.碳水化合物植物细胞壁的主要成分包括纤维素、半纤维素和果胶质等。纤维素在溶液中呈胶体，容易水解；植物死亡后，在氧化条件下容易受喜氧性细菌、霉菌等微生物的作用而分解成CO2、CH4和水。半纤维素和果胶的化学组成和性质与纤维素相近，但比纤维素更易水解为糖类和酸。3成煤原始物质－成煤植物的主要有机组分2.木质素植物细胞壁的主要成分。它在植物中主要起着增强植物组织机械强度的作用。木质素是具有芳香结构的化合物。它的结构复杂，至今尚不能用一个结构式来表示，但是已知它是一个具有缩合芳香环，并带有侧链，具有甲氧基、酚羟基、醇羟基、醛基等多种官能团的物质。在碱性介质中容易氧化成类似腐植酸的多环芳香羧酸。所以木质素是植物转变成煤的原始物质中很重要的有机组分。3成煤原始物质－成煤植物的主要有机组分3.蛋白质细胞中的原生质主要由蛋白质组成。所含比重不大，蛋白质是由若干个氨基酸按一定键结合而成的结构复杂的高分子化合物，含有羧基和羟基，具有酸性和碱性，是一种具有强烈亲水性的胶体。低等植物中蛋白质含量高，如藻类、细菌等；在高等植物中蛋白质含量较少。植物死亡后，蛋白质在供氧充分的条件下可以全部分解成气态氨、硫化氢等气体。在缺氧条件下，主要生成氨基酸、卟啉等含氮化合物。煤中的部分氮、硫就与植物的蛋白质有关。3成煤原始物质－成煤植物的主要有机组分4.酯类化合物不溶于水，而溶于有机溶剂的有机化合物。包括脂肪、树脂、树蜡、角质与木栓质、孢粉质、鞣质、色素。1）脂肪在低等植物中含量较多，如藻类中脂肪达20％。但在高等植物中一般仅含1％~2％，且大多集中在植物的孢子和种子中。在生物化学作用过程中，脂肪能被水解，生成脂肪酸和甘油。脂肪酸参加了成煤作用。3成煤原始物质－成煤植物的主要有机组分2）蜡质在植物中呈薄层覆盖在茎、叶和果实外皮上。蜡质成分比较复杂，化学性质稳定。在泥炭和褐煤中常常可以看到蜡质。3）树脂植物生长过程中的分泌物，当植物受伤时，就分泌出胶状树脂保护伤口。树脂的化学性质十分稳定，因此能很好地保存在煤中。3成煤原始物质－成煤植物的主要有机组分4）角质与木栓质植物保护组织产生的物质，化学性质稳定，能很好地保存在煤中。5）孢粉质构成植物孢子与花粉外壁的主要有机组分。3成煤原始物质－成煤植物的主要有机组分含量植物碳水化合物木质素蛋白质脂类化合物细菌12-28050-805-20绿藻30-40040-5010-20苔藓30-501015-208-10蕨类50-6020-3010-153-5草类50-7020-305-105-10松柏及阔叶树60-7020-301-71-3木本植物不同部分木质部60-7520-3012-3叶652085-8木栓6010225-30孢粉质50090原生质20070103成煤原始物质－成煤植物的主要有机元素主要有机质元素:碳、氢、氧、氮。其他有机质元素：磷、钾、钠、硅、铝、锰、硼、钡、锶。3成煤原始物质－植物遗体的堆积环境一、植物残骸的堆积条件植物遗体不是在任何环境下都能够堆积起来而转化成泥炭和腐泥的，必须具备两个基本条件：1）必须有大量植物的持续繁殖和发展，这是成煤的物质基础；2）植物遗体堆积起来后应及时与空气隔绝，以使植物遗体不被分解，能保存下来并进一步转化成泥炭或腐泥。自然界中，符合这两个条件的堆积环境中，最主要的是沼泽（或泥炭沼泽）。3成煤原始物质－植物遗体的堆积环境1.泥炭的形成与累积过程堆积的增长量超过分解量才有可能形成泥炭层。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。泥炭的形成与累积取决于：有机植物的增长量2.植物残体的分解速度影响分解速度的因素：主要有微生物的种类、数量、水热条件、土壤的酸碱度、有机物的组成。微生物的种类：喜氧的与厌氧的，喜氧的对泥炭的形成与积累不利。3成煤原始物质－植物遗体的堆积环境1）微生物数量：随土壤埋深增大而减少2）水分和热量：微生物在土温20-30度，湿度达到60%-80%时，活动能力最强3）酸碱度：pH=7-8对微生物活动有利4）有机质的组成：泥炭藓针叶木本植物阔叶木本植物草本植物5）泥炭的积累速度：0.5-2.2mm/a。3成煤原始物质－植物遗体的堆积环境二、植物残骸的堆积方式1.原地生成说植物残体没有经过搬运，在原地堆积并转变为泥炭2.异地生成说泥炭层形成的地方不是成煤植物生长的地方。证据：树根倒置的木化石等。三、泥炭沼泽1.沼泽及其形成条件沼泽是指有植物生长的常年积水的洼地。沼泽中植物死亡后其遗体能够被沼泽水所覆盖，使其与空气隔绝而不被完全氧化分解，并在逐渐堆积过程后经以生物化学作用为主的变化后可转变成泥炭的，称为泥炭沼泽。沼泽的形成和发育是地质、地貌、气候、水文、土壤、植被等多种自然因素综合作用的产物。3成煤原始物质－植物遗体的堆积环境1）地貌—低洼的能够积水的地形和能够给植物提供养分的土壤；2）气候—年降水量大于蒸发量的气候条件；3）水文—入水量（流入的地表水、地下水与大气降水）出水量（流出的地表水、地下水与蒸发量）。2.泥炭沼泽的发育地带1）泥炭沼泽重要发育地带—滨海平原：海洋与陆地相互作用的结果；2）内陆有利发育泥炭沼泽的地区—河湖地带。3成煤原始物质－植物遗体的堆积环境3.沼泽的形成方式低洼地带发生沼泽化而形成沼泽。水流的停滞、地壳的下降和潜水面的上升，湖泊、泻湖、海湾等水体，由于水流携带或岸边冲刷的泥沙的堆积，水体变浅，高等植物茂盛，形成沼泽。方式：陆地泥炭沼泽化和水域泥炭沼泽化1）水域泥炭沼泽化模式：浅水缓岸泥炭沼泽化模式；深水陡岸泥炭沼泽化模式；小河泥炭沼泽化模式2）陆地沼泽化比水域沼泽化更加广泛和面积更大.3成煤原始物质－植物遗体的堆积环境4.沼泽的类型1）低位沼泽：地形低洼，潜水面较高，主要由地下水补给水，潜水面与沼泽水位基本相同。对成煤最为有利。2）高位沼泽：水源主要是由大气降水补给的沼泽。其水面位于潜水面之上，水源不充足，水中缺少矿物质，因而一般没有高大的植物生长。团此，在成煤过程中的作用不太重要。3）中位沼泽：介于两者之间，潜水面位于泥炭层内，水源来自地下水和大气降水。3成煤原始物质－植物遗体的堆积环境低位沼泽高位沼泽3成煤原始物质—泥炭的主要组成及性质一、泥炭的化学成分1.有机质成分植物残体与腐植质。我国以富营养草本泥炭为主，有机质含量50%~70%，泥炭藓泥炭有机质含量高达90%以上。不同泥炭的碳、氢、氧、氮、硫元素含量高低不同。1）碳：主要组成元素，50%~60%木本→草本→藓