煤的的形成

任务一认识煤炭主要内容：（1）成煤的物质是什么？（2）煤是如何形成的？2009年11月在新疆沙尔湖煤田勘查区钻孔，钻探出可采煤层11层，总厚度达301米，其中一处单一煤层的最大厚度达217.14米，再次刷新了全国纪录。知识点一煤的形成1、煤是由植物（plant）形成的煤是由植物遗体经过生物化学作用和物理化学作用演变而成的沉积有机岩。2低等植物和高等植物的特点(characteristics)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。地史上植物演化年代见图2-1。0.0180.2-0.61.442.032.512.983.544.104.404.955.45低等植物——海带低等植物——地衣高等植物——蕨类植物高等植物——松树3我国主要聚煤期我国主要聚煤期：新生代新近纪-古近纪（约0.24～0.65亿年）中生代晚侏罗世-早白垩世（约1.44亿年）早、中侏罗世（约2.03亿年）晚三叠世（约2.5亿年）晚古生代晚二叠世（约3亿年）晚石炭世-早二叠世（约3～3.54亿年）早石炭世（约3.54亿年）早古生代早寒武世（约5.45亿年）4植物的主要化学组成(constituents)（1）碳水化合物（carbohydrates）（2）木质素（lignins）（3）蛋白质（proteins）（4）脂类化合物（lipids/lipidiccompounds）包括纤维素、半纤维素及果胶质。纤维素：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：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：糖的衍生物，呈果冻状。在生物化学作用下，水解成一系列单糖和糖醛酸。4.1碳水化合物（carbohydrates）4.2木质素lignins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。4.3脂类化合物lipidiccompounds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：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：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: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。角质和木栓质：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。4.3脂类化合物lipidiccompounds4.4蛋白质proteins蛋白质：由若干个氨基酸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。4.5不同植物化学组成的差异性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松柏及阔叶树12~2830~4030~5050~6050~7060~70001020~3020~3020~3050~8040~5015~2010~155~101~75~2010~208~103~55~101~3木本植物的不同部分木质部叶木栓孢粉质原生质60~75656052020~302010001825702~35~825~3090105煤炭的成因类型根据形成煤炭的物质基础划分煤炭的类型称为成因类型。主要是：腐植煤、腐泥煤、残植煤和腐植腐泥煤。（1）腐植煤：由高等植物经过成煤过程中复杂的生化和地质变化作用生成。（2）腐泥煤：主要由湖沼或浅水海湾中藻类等低等植物形成。储量大大低于腐植煤，工业意义不大。（3）残植煤：由高等植物残骸中对生物化学作用最稳定的组分(孢子、角质层、树皮、树脂)富集而成。（4）腐植腐泥煤：由高等植物、低等植物共同形成的煤。成煤的条件和环境煤炭的生成，必须有气候、生物、地理、地质等条件的相互配合，才能生成具有工业利用价值的煤炭矿藏。这些条件包括：（1）大量植物的持续繁殖(生物、气候的影响)（2）植物遗体不能完全腐烂－－适合的堆积场所(沼泽、湖泊等)（3）地质作用的配合（地壳的沉降运动－－形成上覆岩层和顶底板－－多煤层）成煤作用过程由高等植物转化为腐植煤要经历复杂而漫长的过程，一般需要几千万年到几亿年的时间。腐植煤成煤作用可划分为两个阶段：即泥炭化作用peatification和煤化作用coalification。煤化作用又分为两个连续的过程即成岩作用diagenesis和变质作用metamorphism.图示如下：植物泥炭化泥炭成岩作用褐煤变质作用烟煤、无烟煤煤化作用第三节成煤作用过程煤化程度metamorphicgrade的概念：在褐煤向烟煤、无烟煤转化的进程中，由于地质条件和成煤年代的差异，使煤处于不同的转化阶段。煤的这种转化阶段称为煤化程度，有时称为变质程度，或煤级(rank)。按煤化程度由低到高依次是：褐煤lignite/browncoal烟煤bituminouscoal（长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤）无烟煤anthracite。1泥炭化作用peatification1.1泥炭化作用的概念：高等植物死亡后，在生物化学作用下，变成泥炭的过程称为泥炭化作用。在这一阶段，植物首先在微生物作用下，分解和水解为分子量较小的性质活泼的化合物，然后小分子化合物之间相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。1泥炭化作用peatification1.2泥炭化作用的过程：分两个阶段第—阶段：多氧条件下植物遗体暴露在空气中或在沼泽浅部的多氧条件下，由于喜氧细菌和真菌等微生物的作用，植物遗体中的有机化合物，经过氧化分解和水解作用。一部分被彻底破坏，变成气体和水；另一部分分解为简单的化学性质活泼的化合物，它们在一定条件下可化合成为腐植酸，而未分解的稳定部分则保留下来。1泥炭化作用peatification第二阶段：缺氧条件下在沼泽水的覆盖下，出现缺氧条件，喜氧微生物被厌氧细菌所替代。分解产物相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。这两个阶段不是截然分开的，在植物分解作用进行不久，合成作用也就开始了。1.3植物经泥炭化作用成为泥炭，在两方面发生巨大变化：（1）组织器官（如皮、叶、茎、根等）基本消失，细胞结构遭到不同程度的破坏，变成颗粒细小、含水量极大、呈胶泥状的膏状体－－泥炭；（2）组成成分发生了很大的变化，如植物中大量存在的纤维素和木质素在泥炭中显著减少，蛋白质消失，而植物中不存在的腐植酸却大量增加，并成为泥炭的最主要的成分之一，通常达到40%以上。1泥炭化作用peatification表2—6植物与泥炭化学组成的比较元素组成，%有机组成，%植物与泥炭CHNO+S纤维素半纤维素木质素蛋白质沥青腐植酸莎草47.205.611.6139.3750.0020~305~105~100木本植物50.156.201.0542.1050.6020.301~71~30桦川草本泥炭55.876.352.9034.9719.690.7503.5043.58合浦木本泥炭65.466.531.2026.75o.890.390042.882.3变质作用的因素：影响煤变质的因素主要有温度、压力和时间。2.3.1温度的影响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。2.3变质作用的因素：影响煤变质的因素主要有温度、压力和时间。2.3.2时间的影响时间是影响煤变质的另一重要因素。时间因素的重要性表现在以下两个方面：第一，在温度、压力大致相同的条件下，受热时间越长，煤化程度越高。第二，煤受短时间较高温度的作用或受长时间较低温度（超过变质临界温度）作用，可以达到相同的变质程度。2.3.3压力的影响压力可以使煤压实，孔隙率降低，水分减少；并使煤岩组分沿垂直压力的方向作定向排列。静压力促使煤的芳香族稠环平行层面作有规则的排列。尽管一定的压力有促进煤物理结构变化的作用，但只有化学变化才对煤的化学结构有决定性的影响。人工煤化实验表明，当静压力过大时，由于化学平衡移动的原因，压力反而会抑制煤结构单元中侧链或基团的分解析出，从而阻碍煤的变质。因此，人们一般认为压力是煤变质的次要因素。第四节煤层气coal-bedgas一、煤层气的定义煤层气是赋存在煤层中以甲烷（CH4）为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤层本身自生自储式非常规天然气。第四节煤层气coal-bedgas二、煤层气的成因按成因可以分为生物成因气和热成因气，煤型气经过运移并聚集成藏的成为煤成气藏，仍然保存在煤层中的称为煤层气。第四节煤层气coal-bedgas二、煤层气的成因1.生物成因气生物成因气是指在相对低的温度条件下，有机质通过细菌的参与或作用，在煤层中生成的以甲烷为主并含有少量其它成分的气体。其形成温度不超过50℃，相当于泥炭－褐煤阶段。按生气时间、母质以及地质条件的不同，生物成因气又可以分为原生生物成因气和次生生物成因气两种类型。（1）原生生物成因气原生生物成因气是煤化作用早期阶段（泥炭化和褐煤阶段），低变质煤在泥炭沼泽环境中通过细菌分解等一系列复杂作用所产生的气体。由于泥炭或低变质煤中的孔隙很有限，而且埋藏浅、压力低，对气体的吸附作用也弱，所以一般认为原生生物成因气难以保存下来。（2）次生生物成因气次生生物成因气与盆地水动力学有关，是煤系地层被后期构造作用抬升并剥蚀到近地表后大气降水带入的细菌通过降解和代谢作用将煤层中已生成的湿气转变成甲烷和二氧化碳，生成次生生物煤层气。次生生物成因气的形成时代一般较晚，生成范围可能在褐煤至无烟煤的多个煤级中。次生生物成因气代表一种重要的煤层气气源。次生生物气是煤层气的一种新的成因类型，对煤层气的勘探和生产有重要意义。什么是沼泽?沼泽是在一定的气候、地貌和水文条件下，常年积水或极其潮湿的地段，内有大量植物生长和堆积。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）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。（3）根据水介质的含