03第一章煤化作用

煤化作用03第一章煤化学Coalification第一章煤化作用及煤的变质作用类型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。第一章煤化作用及煤的变质作用类型成煤作用的阶段划分植物遗体泥炭褐煤烟煤无烟煤泥炭化作用作用成岩变质作用煤化作用成煤作用图7-1成煤作用的阶段划分植物泥炭化泥炭成岩作用褐煤变质作用烟煤、无烟煤煤化作用第一章03煤化作用及煤的变质作用类型§1煤化作用的阶段与特征第一章§1煤化作用的阶段与特征一、煤的成岩作用与变质作用(diagenesis,metamorphism)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.第一章§1煤化作用的阶段与特征(一)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）第一章§1煤化作用的阶段与特征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。第一章§1煤化作用的阶段与特征3.成岩作用特点(1)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。第一章§1煤化作用的阶段与特征(2)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。第一章§1煤化作用的阶段与特征(二)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。第一章§1煤化作用的阶段与特征2.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)。转变为烟煤、无烟煤和变无烟煤。③结束了成岩凝胶化作用，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:第一章§1煤化作用的阶段与特征二、煤化作用特点(一)一般特点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，煤中的挥发物减少，碳含量增加。第一章§1煤化作用的阶段与特征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。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。第一章§1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致密化和定向排列的趋势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，因此反光性能增强。第一章§1煤化作用的阶段与特征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。第一章§1煤化作用的阶段与特征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。第一章§1煤化作用的阶段与特征6.煤化作用的发展是非线性的，表现为煤化作用的跃变，简称煤化跃变。煤的各种物理、化学性质的变化，在煤化进程中，快、慢、多、少是不均衡的。第一章§1煤化作用的阶段与特征三、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（一）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。第一章§1煤化作用的阶段与特征特点是：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％以前主要以析出CO2和H2O为特征；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。第一章§1煤化作用的阶段与特征亮褐煤→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（二）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％。镜质体发射率Romax＝1.3％对应于石油的“死油线”第一章§1煤化作用的阶段与特征特点(8个方面)：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；第一章§1煤化作用的阶段与特征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；第一章§1煤化作用的阶段与特征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。第一章§1煤化作用的阶段与特征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。第一章§1煤化作用的阶段与特征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”(现有质疑?)。第一章§1煤化作用的阶段与特征亮褐煤→长焰煤→气煤→肥煤→焦煤→瘦煤→贫煤→无烟煤→变无烟煤褐煤烟煤Ⅲ无烟煤（三）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。第一章§1煤化作用的阶段与特征（四）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。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，同时芳香单元的芳香度和缩合度也急剧增加。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。第一章煤化作用及煤的变质作用类型§2煤化作用的因素第一章§2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。第一章§2煤化作用的因素温度的影响因素：（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。热演化史研究是煤化作用研究与油气地质研究的重点。第一章§2煤化作用的因素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。•时间因素还涉及到由于沉陷快慢所引起的受热速率问题。在同样沉降幅度的盆地，由于达到相同埋藏深度的沉降速率不同，其受热增温速率也不同。第一章§2煤化作用的因素三、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。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。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。第一章§2煤化作用的因素三、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。促成煤变质作用的主要因素是温度。温度过低（50～60℃），褐煤的变质就不明显了，如莫斯科煤田早石炭世煤至今已有3亿年以上，但仍处于褐煤阶段。通常认为，煤化程度是煤受热温度和持续时间的函数。温度越高，变质作用的速度越快。因为变质作用的实质是煤分子的化学变化，温度高促进了化学反应速度的提高。重点：1.煤化作用划分为几个阶段，各具哪些特点？2.煤化作用的基本特点？3.煤化作用的影响因素有哪几方面？4.煤化跃变的界线及其特点？