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01成煤原始物质与堆积环境煤化学第一章§1成煤物质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，在地史的早期(即元古代到早泥盆世)它们曾构成了当时植物界的主体，成为植物发展演化的菌藻类植物时期。高等植物是由一些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。一、植物演化与成煤作用的关系低等植物(LowerPlants)：包括菌类和藻类，是由单细胞和多细胞构成的丝状体或叶状体植物，没有根、茎、叶等器官的分化。高等植物(HigherPlants)：包括苔藓、蕨类、裸子植物和被子植物。进化论认为，高等植物由低等植物长期进化而来，构造复杂，有根、茎、叶的区别。1．菌藻类植物时代早泥盆世以前为低等植物发育时代，还没有高等植物出现。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，其特点是高度不足1m，还没有真正的叶、根之分，只在地下有一种假根。因此，裸蕨植物仍然是比较原始的植物。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。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。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。这个时期的主要特点是：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，侏罗纪是最为重要的聚煤时期。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。从以上分析可以看出，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。二、植物组成(一)高等植物的器官根：是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。(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。123456三、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；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。（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壁的主要成分，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。（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2．蜡质3．树脂4．角质与木栓质5．孢粉质包括纤维素、半纤维素及果胶质。纤维素(cellulose)：是构成植物细胞壁的主要成分。纤维素一般不溶于水，在溶液中能生成胶体，容易水解。在泥炭沼泽的酸性介质中，纤维素可以分解为纤维二糖和葡萄糖等简单化合物。半纤维素(hemi-cellulose)：化学组成和性质与纤维素相近，但比纤维素更易分解或水解为糖类和酸。果胶(pectin/pecticsubstance)：糖的衍生物，呈果冻状。在生物化学作用下，可水解成一系列单糖和糖醛酸。1.4.1碳水化合物（carbohydrates）1.4.2木质素Lignin木质素也是植物细胞壁的主要成分，常分布在植物根、茎部的细胞壁中。木本植物的木质素含量高，木质素是具有苯基丙烷芳香结构的高分子聚合物，含甲氧基methoxyl、羟基hydroxyl等官能团。木质素的单体以不同的链连接成三度空间的大分子，比纤维素稳定，不易水解，易于保存下来。在泥炭沼泽中，在水和微生物作用下发生分解，与其他化合物共同作用生成腐植酸类物质，这些物质最终转化成为煤。所以木质素是植物转变为煤的原始物质中最重要的有机组分。OHCHCHO-CH3CH2OHOHO-CH3H3C-OCHCHCH2OHOHCHCHCH2OH针叶树的松柏醇落叶树的芥子醇乔木的－香豆醇木质素，其组成因植物的种类不同而异，见图。1.4.3脂类化合物lipids/fattycompounds脂类化合物是指不溶于水而溶于醚、苯、氯仿等有机溶剂的有机化合物。在植物中脂类化合物主要有以下几种。脂肪(fat)：属于长链脂肪酸的甘油酯。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碱性溶液中分解生成脂肪酸和甘油，参与成煤作用。蜡质(wax)：主要是长链脂肪酸与含有24～26个碳原子的高级一元醇形成的脂类，化学性质稳定，不易受细菌分解。树脂resin/rosin:树脂是植物生长过程中的分泌物，当植物受伤时，胶状的树脂不断分泌出来保护伤口。针状植物含树脂较多，低等植物不含树脂。树脂不溶于有机酸，不易氧化，微生物也不能破坏它，因此能很好地保存在煤中。角质cutin和木栓质phellem：化学性质十分稳定，不溶于有机酸，微生物也难以作用，在成煤过程中能保存下来。1.4.4蛋白质proteins蛋白质：由若干个氨基酸(aminoacid)结合而形成的结构复杂的高分子。由于含羧基carboxyl和羟基hydroxyl，蛋白质具有酸性和碱性官能团，强烈亲水性胶体。高等植物中蛋白质含量少；低等植物中蛋白质含量高。植物死亡后，完全氧化条件下，蛋白质完全分解为气态物质；在泥炭沼泽和湖泊的水中，蛋白质分解成氨基酸、喹啉等含氮化合物，参与成煤作用，但对煤的性质没有决定性的影响。是煤中硫、氮元素的来源之一。第一章成煤原始物质与堆积环境§2泥炭沼泽2019/8/14262019/8/1427一、泥炭沼泽及其形成条件（一）泥炭沼泽概念沼泽：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。泥炭沼泽：如果沼泽中形成并积累着泥炭，则称为泥炭沼泽。属性：泥炭沼泽既不属于水域，又不是真正的陆地，而是地表水域和陆地之间的过渡形态。。泥炭沼泽概念沼泽是泥炭的主要堆积场所。地表土壤周期性或长年积水并充分湿润沼泽植物或水生-半水生植物繁盛。泥炭沼泽是水域与陆地之间的一种过渡地理单元，起源于两类方式：一是由湖泊、河流、潟湖等水域转化而来，二是由陆地演化而来。前者称为水域沼泽化，后者称为陆地沼泽化。（一）按照泥炭沼泽表面形态和水源补给，以及养分和植被等特征。划分类型：■低位泥炭沼泽；■中位泥炭沼泽；■高位泥炭沼泽。三、泥炭沼泽的类型沼泽的分类（1）按水分补给来源的不同，可划分为三种类型：低位沼泽：主要由地下水补给、潜水面较高的沼泽；高位沼泽：主要以大气降水为补给来源的泥炭沼泽；中位沼泽或过渡沼泽：兼有低位沼泽和高位沼泽的特点，其水源部分由地下水补给，部分又由大气降水补给的沼泽。（2）按植被生长情况沼泽划分:草本沼泽、泥炭藓沼泽和木本沼泽。（3）根据沼泽距离海岸的远近，分为近海泥炭沼泽与内陆泥炭沼泽。（4）根据水介质的含盐度，沼泽又可分为淡水的、半咸水的和咸水的。(5)依据沼泽的水动力条件、岩性组合以及沉积物特征，可划分为闭流沼泽、覆水沼泽和泥炭沼泽三种类型。2019/8/14351.低位泥炭沼泽有人称为富营养泥炭沼泽。低位泥炭沼泽的表面由于泥炭的积累不厚，且尚未改变原有的地表低洼形态。①地表水和地下水作为丰富的水源补给，潜水位较高或地表有积水；②溶于水中的矿物质养分丰富。沼泽多为中性或微碱性，pH＝7～7.8；③沼泽植物要求养分较多，种属较丰富。我国第四纪泥炭形成于这种类型的沼泽约占90％，在地史中各成煤期内也大多形成于这种泥炭沼泽类型。这种沼泽类型多处于泥炭沼泽发展的初期。2.高位泥炭沼泽这种类型的泥炭沼泽往往处于泥炭沼泽演化的后期或泥炭沼泽始终处于潜水面之上。沼泽主要是由大气降水补给，①沼泽的水面位于潜水面之上，水源不充足，②水中缺少矿物质养分，因而有人称为贫营养泥炭沼泽。中间贫周缘富：高位泥炭沼泽在发展演化中，泥炭积累速度与养分的供给状况发生了变化。即在沼泽的边缘部分，易得到周边流水所携带的丰富营养；而中心部位则难于得到富养分的地表水和地下水的补给，仅靠大气降水补给，促使贫营养植物首先出现于中心地带。3.中位泥炭沼泽这类泥炭沼泽多出现于前两类沼泽的过渡时期，在特征与性质上具有过渡特点，因此又称为过渡类型或中营养泥炭沼泽。这类泥炭沼泽的表面，由于泥炭的积累趋于平坦或中部轻微凸起，地表水和地下水通过周边的泥炭层时，其中的水分和养分被部分吸收达到中心地带时，已大为减少，因而潜水位变低、营养状况变差，泥炭层也处于中性到微酸性，植被以中等养分植物为主。泥炭沼泽中植物与泥炭层的形成§3成煤学说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。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。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。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;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。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)。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。重点1.成煤植物的分类及有机族组成2.泥炭沼泽概念3.成煤主要假说及其依据