煤的形成

煤地质学河南理工大学能源学院授课教师：张小东1.煤的形成煤的形成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.成煤作用煤的形成1.1人类对煤形成的认识在十九世纪以前，人们还不能正确地解释煤的形成过程：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。19世纪以后，显微镜发现煤中还保留有一些植物的原来组成部分，揭开了成煤原始物质之谜，证实了煤是由植物变成的。如将年轻煤制成薄片，显微镜下可看到植物的原有构造(如细胞结构)甚至年轮。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123鳞木12植物细胞结构（切片）1—据田宝霖2—据丁丕训煤的形成1.2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，也是冶金和化工的重要原料。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、湖泊环境混合煤煤的成因分类及其依据高等植物遗体经残植化作用，孢子、花粉、角质层、树脂、树皮等稳定组分富集，经成煤作用转变成的煤煤的形成1.3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成分；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煤的形成1.3成煤原始物质－概述绿藻门轮藻门菌类植物蓝藻门藻类没有真正的根、茎、叶煤的形成1.3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。煤的形成1.3成煤原始物质－概述蕨类植物裸子植物苔藓苔藓类植物被子植物1.3成煤原始物质－植物的演化史从地史上与成煤作用的关系，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。南方寒武纪地层。裸蕨类时期（早期维管植物时期）：S3~D1/D2。目前所知的最早陆生植物，主要是裸蕨类植物，还包括原始的石松类、节蕨类植物。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。24~4.0亿年4.2~3.7亿年蕨类、种子蕨类时期：D3~P1。是高等植物发育、发展和演化的最重要时期，以石松类、节蕨类、真蕨类、古羊齿类、种子蕨及科达类为主。该时期全球气候温暖、潮湿，适于植物生长。典型的植物是高大的乔木，高度可达30m以上，半陆生转变为陆生的重要时期。早古生代聚煤期-第一个重要聚煤史。1.3成煤原始物质－植物的演化史3.7~2.7亿年裸子植物时期：D3~R1。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。中生代聚煤期-第二个重要聚煤史。被子植物：k3~今。被子植物占优势。新生代聚煤期-第三个重要聚煤史。1.3成煤原始物质－植物的演化史3.7~0.55亿年0.9亿年~今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。1.3成煤原始物质－植物、煤演化关系植物演化与成煤关系煤的形成1.3成煤原始物质－主要有机组分碳水化合物（carbohydrate）：是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（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖,化学分子式（C6H10O5）n。在溶液中呈胶体，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（hemicellulose）和果胶（Pectin）常混合出现或集中于植物果实中，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。煤的形成1.3成煤原始物质－主要有机组分木质素（lignin）：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。煤的形成1.3成煤原始物质－主要有机组分蛋白质（protein）：细胞中的原生质（bioplasm）主要由蛋白质组成。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。煤中的部分氮就与植物的蛋白质有关。煤的形成1.3成煤原始物质－主要有机组分脂类化合物（lipoidsubstance）：包括脂肪（fat）、树脂（resin）和树蜡（vegetablewax）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。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。树脂是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。煤的形成1.3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绿藻苔藓蕨类草类12-28050-805-2030-40040-5010-2030-501015-208-1050-6020-3010-153-550-7020-305-105-10松柏及阔叶树60-7020-301-71-3木本植物的不同部分木质部60-7520-3012-3叶652085-8木栓6010225-30孢粉质50090原生质20070101.3成煤原始物质－植物遗体的堆积环境植物遗体并不是在任何环境下部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：必须有大旦植物的持续繁殖和发展，这是成煤的物质基础；植物遗体堆积越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）。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，与空气隔绝但不被完全氧化分解。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、植被等多种出然因素练合作用的产物。1）低洼的能够积水的地形和能够给植物提供养分的土壤；2）年降水量大于蒸发量的气候条件；3）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）。1.3成煤原始物质－植物遗体的堆积环境2）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。3）沼泽的类型低位沼泽：也称为“草甸沼泽”“杂草沼泽”。是沼泽发展的初阶段。地形平坦低洼，潜水面较高，水分主要由地下水和河水补给，潜水面与沼泽水位基本相同。营养最为丰富，对成煤最为有利。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。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。低位沼泽高位沼泽煤的形成1.4成煤作用－概念高等植物从死亡到变成泥炭过程→泥炭化作用低等植物从死亡到变成腐泥过程→腐泥化作用泥炭（腐泥）变成褐煤的过程→成岩作用褐煤→烟煤→无烟煤的过程→变质作用植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程成煤作用高等植物低等植物沼泽湖泊或浅海泥炭腐泥煤褐煤→烟煤→无烟煤地下石墨泥炭（腐泥）化作用成岩作用变质作用煤化作用成煤过程示意图煤的形成1.4成煤作用－植物残骸的分解方式全败作用：在空气充足的条件下，植物残骸被完全氧化，分解为C02和水。这个过程不能生成煤，而只能留下无机矿物质。半败作用：在空气不充足的条件下，植物残骸发生不完全的氧化分解过程。例如，在阔叶树林里堆积起来的潮湿树叶，由于空气进入困难，发生了不完全的氧化，形成一层黑色的“腐殖土”。这层物质存在的时间不长，或者进一步转变成泥炭，或者分解为二氧化碳和水。煤的形成1.4成煤作用－植物残骸的分解方式腐败作用（又称腐泥化作用）：指低等生物遗体在沼泽中经生物化学变化变成腐泥的过程。生长在静水湖泊中的微生物(主要是浮游生物)死亡后，在没有空气存在下发生的分解过程。作用的结果是生成一种含碳、氢较原来物质为多，含氧较原来物质少的新物质—腐泥。腐泥是一种富含水和沥青质的淤泥状物质。煤的形成1.4成煤作用－植物残骸的分解方式泥炭化作用：指高等植物遗体在沼泽中堆积经生物化学变化转变成泥炭的过程。在低洼沼泽中，因为充满着水，植物死亡后的残骸就逐渐堆积在水中，上部的植物因与水面很接近或露出在水面之上，空气仍可进入，喜氧细菌活跃，残骸发生半败作用而变成腐殖土。随着植物的不断死亡和堆积，它们就完全与空气隔绝，氧气停止进入，厌氧细菌随之活跃。此时植物残骸就依靠本身所含的氧发生去羧基、脱水等作用。放出二氧化碳、水及甲烷，从而使碳含量相对增大，氢及氧含量则减少。植物残骸经过这些作用后，就部分地改变了原来的形态和结构，变成了一种新的物质—泥炭。煤的形成1.4成煤作用－植物残骸的分解方式泥炭凝胶化作用：指堆积在沼泽中的植物遗体的主要组成部分(木质纤维组织)在覆水较深、水体滞流的、缺氧的弱氧化至还原的环境中，由于厌氧细菌的参与和长期浸润的作用而转变成以腐植酸和沥青质为主要成分的凝胶、溶胶等胶体物质的过程。经凝胶化作用产生的不同形态和结构的凝胶化物质，再经过煤化作用即形成为煤中的凝胶化组分—木煤、木质镜煤、镜煤和凝胶化基质。煤的形成1.4成煤作用－植物残骸的分解方式丝炭化作用：指植物遗体的木质纤维组织，在沼泽覆水浅且水流畅通或比较干燥的氧化条件和有氧细菌的条件下，遭氧化分解、脱水、脱氢和增炭化作用转变成贫氢、富炭的腐植物的过程。残植化作用：是泥炭化作用的一种特殊情况，即：在泥炭化过程中的水介质流动通畅、经常有新鲜氧气供给的条件下，凝胶化作用和丝炭化作用的产物被充分分解破坏并不断被流水带走，使植物残体中的稳定组分大量集中并集中形成残植煤的过程。1.4成煤作用－植物残骸的分解方式煤的形成1.4成煤作用－植物残骸的分解过程原始物质过程名称与氧的关系与水的