煤地质学的成煤环境
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煤地质学的成煤环境
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1、沼泽的概念
沼泽是地表土壤充分湿润、季节性或长期积水，丛生着喜湿性植物的低洼地段。形成泥炭层堆积的沼泽称泥炭沼泽。它既不是真正的陆地，也不是水体，而是介于二者之间的过渡状态。
2、泥炭的形成与积累
植物死亡后，经生物化学作用分解、合成和聚积，当有机物堆积量超过分解量时，才会形成泥炭层。泥炭沼泽垂直剖面分三层：表层（氧化环境）、中间层（过渡海景）、底层（还原环境）。
3、植物残骸的堆积方式
以原地堆积为主，少数是异地堆积。具有工业可采意义的煤层大都是原地堆积。
泥炭沼泽
1、泥炭沼泽的类型
根据泥炭沼泽的表面形态、水源补给、营养和植被特征，可以分为三种类型：
①低位泥炭沼泽
低位泥炭沼泽潜水位较高，水源补给充足、营养丰富、植被茂盛。易堆积泥炭层。
②高位泥炭沼泽
高位泥炭沼泽潜水位较低，水源补给主要依靠降水，营养差，多为草本和苔藓，不利于泥炭层形成。
③中位泥炭沼泽
中位泥炭沼泽的状态介于上述二者之间。
2、泥炭沼泽的发育地段
①滨海平原。具有低位泥炭沼泽发育环境。
②内陆的河流、湖泊。
③山地和高原地段。
3、泥炭沼泽形成的方式
①水域转化为泥炭沼泽，又包括三种模式：
浅水缓岸湖转化为泥炭沼泽，植物生长类型具有分带现象，在泥炭形成过程中，湖水不断淤浅，植物类型也相应推移。
深水陡岸湖转化为泥炭沼泽，浮游植物死亡后，沉入湖底，转化为泥炭。
河流转化为泥炭沼泽，类似浅水缓岸湖转化模式。
②陆地沼泽化
地面上封闭的洼地可能形成沼泽。
第四节 泥炭的主要组成及性质
1、泥炭的化学组成
泥炭中除了含有大量的水分外，还包括有机质和矿物质。
①有机质。包括植物残体和腐植质。
泥炭有机质含量是指有机质占泥炭干物质总量的百分比。我国泥炭以草本泥炭为主，有机质含量占60%左右。
有机质中，C：55%，O：35%，H：6%，N：2%，S：0.3%
在泥炭有机质中，以稀碱溶液提取的物质称为腐植酸，是泥炭的特征组分，腐植酸不是单一化合物，而是由分子大小不同、结构也不同的羟基芳香羧酸组成的混合物。
②矿物质
泥炭中的矿物质主要来源于风、水流挟带的矿物质通过沉积作用，转化为泥炭的组分。常见的矿物质有石英、次生粘土矿物。元素以硅为主，其次是铁、铝、钙、镁，矿物质的另一来源是植物本身。
2、泥炭的物理化学性质
①分解度：是指植物残体由于腐解作用失去细胞结构物质的相对含量，或者是泥炭中无定形腐植质占有机质的百分含量。
②含水性
有湿度和持水量两种表示方法。泥炭湿度是指泥炭中水分占泥炭总重的百分比。持水量是指泥炭中水分占泥炭干物质重量的百分比。
③泥炭的比重和容重
泥炭的比重一般为1.4左右，藓类泥炭较轻，木本泥炭和草本泥炭偏重。无量纲。
泥炭在自然状态下的容重称湿容重，干燥后的容重称干容重。单位是g/cm
④结构和颜色
泥炭结构疏松多孔，力学稳定性差。苔藓泥炭呈海绵状，草本泥炭呈纤维状，木本泥炭为碎块状。
泥炭的颜色与植物、分解度和矿物质有关。例如，苔藓泥炭呈黄色，分解转变为腐植质呈黑色，含蓝铁矿呈蓝色，含菱铁矿呈浅绿色。
⑤泥炭的可燃性
泥炭具有可燃性，用发热量表示。我国泥炭发热量多在10-12MJ/Kg。
3、泥炭的类型
根据植物的组成，泥炭分为草本泥炭、木本泥炭和藓类泥炭。 泥炭类型 灰分含量 分解能力 酸碱度 含水量 颜色 弹性 草本泥炭 较高 较强 微酸碱性 较少 暗 较差 木本泥炭 较低 较弱 少 红褐色 差 藓类泥炭 低 弱 酸性 高 淡 强 第二章 第一节 泥炭化作用
1、泥炭化的生物化学变化可分为两个阶段：生物化学分解和生物化学合成。
①植物残骸中的有机化合物经氧化分解、水解，转化为简单的化学性质活泼的化合物。
②分解产物之间合成较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质。形成腐植酸的过程或作用称为腐植化作用，腐植化作用不是生物作用，而是在氧化环境中的化学作用。
2、凝胶化作用
植物在泥炭化过程中经历了腐植化作用后，继而将经历凝胶化作用；凝胶化作用是指植物的主要组成部分在泥炭化过程中经过生物化学变化和物理化学变化，形成以腐植酸和沥青质为主要成分的胶体物质的过程。由于植物的木质素和纤维素在物理化学性质上都属于凝胶体，吸水能力强，在还原环境中逐渐分解，细胞壁先吸水膨胀，胞腔缩小，最后完全丧失细胞结构，形成无结构胶体，或进一步转化为溶胶；当电性、酸碱性、温度变化时，产生胶体化学变化，上述物质形成凝胶状态。因为这一过程既有厌氧生物作用，又有胶体化学作用，所以又称“生物化学凝胶化作用”。
3、丝炭化作用
当沼泽表面比较干燥，氧供应充足的情况下，植物细胞壁中的木质素和纤维素在微生物参与下脱氢、脱水，碳含量增加，氧化到一定阶段后植物遗体迅速转入弱氧化或还原环境中，或被泥沙覆盖后中断氧化作用，这个过程称为丝炭化作用。
如果丝炭化过程持续进行，将可能导致植物遗体全部分解。
当植物遗体存在氧化和还原环境交替变化时，丝炭化和凝胶化作用可能交替进行。需说明的是，当丝炭化作用充分形成丝炭物质后，凝胶化作用也就终止了。
第二节 残植化作用
残植化作用是泥炭化作用中的一种特殊情况。当泥炭沼泽水流畅通时，在长期供氧充足情况下，不稳定组分被充分分解，被流水带走，稳定组分富集的过程。还有一种情况是，当沼泽潜水面下降，植物遗体没有被水覆盖而强烈氧化，造成稳定组分富集。
残植化作用的产物经煤化作用形成残植煤。
第三节 腐泥化作用
在湖泊、沼泽水深地带、海湾、浅海等水体中，低等植物藻类和浮游生物遗体在还原环境中厌氧微生物的参与下，经过复杂的生物化学变化形成富含水分的有机软泥。这个过程称腐泥化作用。
低等植物经分解、缩合和聚合，形成富水棉絮状的胶体物质，经脱水和压实，形成腐泥。腐泥的颜色一般为黄色、暗褐色和黑灰色。
第四节 泥炭成分、性质不同的影响因素
1、植物群落
木本植物富含纤维素和木质素，易形成凝胶化物质，形成的煤以光亮煤为特征；草本植物含有较多的纤维素和蛋白质，不稳定成分分解，稳定组分富集，形成富含稳定组分（壳质组）的煤，氢含量和焦油产出率高；苔藓植物能分泌防腐剂，因此苔藓类泥炭常保留较多的不稳定组分。
2、营养供应
根据植物生长的营养供应，可分为三种类型：富营养型、中营养型和贫营养型。
低位泥炭沼泽常形成富营养型泥炭，高位泥炭沼泽常形成贫营养型泥炭，中位泥炭沼泽常形成中营养型泥炭。
3、介质的酸度
酸度高不利于细菌生存，中性或弱碱性有利于细菌繁殖。
富钙的沼泽中，多以石灰岩为基底，喜氧细菌活跃，水生植物为主，形成的煤中S、N含量高，可能与硫细菌的强烈活动有关。
高位泥炭沼泽中，酸度高，加上藓类可分泌防腐剂（酚类），不利于细菌生存，所以植物的细胞结构能保存下来。
4、氧化还原条件
泥炭的表层处于氧化环境中，容易被氧化形成丝炭；泥炭的底层处于还原环境中，容易形成镜质组煤。
根据成煤的原始物质和堆积环境，煤分为三类：
①腐植类：腐植煤、残植煤。高等植物在沼泽环境中形成。
②腐植腐泥类：腐植腐泥煤。高低等植物混合，在湖泊和沼泽环境中形成。
③腐泥类：腐泥煤。低等植物和少量动物在湖泊、沼泽深水部位形成。
第三章 煤化作用及煤的变质作用类型
第一节 煤化作用的阶段和特征
1、煤化作用的两个阶段
①煤的成岩作用
泥炭形成后，由于盆地沉降，在上覆沉积物的覆盖下埋藏于地下，经压实、脱水、增碳作用，逐渐固结，经过物理化学作用转变成年轻的褐煤，称为煤的成岩作用。在成岩过程中，木质素和纤维素继续参与形成腐植酸，已形成的腐植质形成凝胶化组分。
②煤的变质作用
年轻的褐煤在较高的温度、压力和较长的时间作用下，进一步发生物理化学变化，变成老褐煤、烟煤、无烟煤和变无烟煤的过程。在这个过程中，腐植质不断发生聚合反应，稠环芳香系统的侧链减少，芳构化程度提高，分子排列更加规则。
2、煤化作用特点
①增碳化趋势。挥发分减少，碳相对含量增加。
②结构单一化趋势。泥炭阶段含多种官能团，到无烟煤阶段只含缩合芳核，最后演化为石墨。
③显微组分均一化趋势。
④具有不可逆性。
⑤发展的非线性。
⑥结构致密化，定向排列化。
第二节 煤化作用的因素
1、温度：受地热梯度的影响。
2、时间：也是重要因素。
3、压力：压力不产生化学反应，但可以使煤的物理结构发生变化。例如孔隙率、水分含量降低，密度增加，有机大分子定向排列，光的反射率增加。
第三节 煤化程度指标
煤化程度指标，也称煤化指标，煤级指标。常用的煤化程度指标如下：
①水分。一般情况下，从低煤级到中高煤级，水分减小。
②挥发分。在烟煤阶段，随煤化程度提高，挥发分降低。
③镜质组反射率。随煤化程度提高，镜质组反射率增加。
④碳含量。随煤化程度提高，C在有机质中的相对含量增加。
⑤氢含量。从无烟煤到变无烟煤阶段，氢含量降低明显。
⑥发热量。发热量与含水量有关，是低煤化阶段煤化程度指标。
⑦壳质组荧光性。壳质组荧光性与反射率互为消长，是低煤化程度指标。
⑧X射线衍射。随煤化程度提高，衍射曲线变陡，强度增加。
第四节 煤的变质作用类型
1、根据热源的类型，煤的变质作用可分为三种类型：
①深成变质作用。主要是地热引起，又称区域变质作用。
②岩浆变质作用。由岩浆侵入产生的热变质作用。
③动力变质作用。由构造运动产生的变质作用。构造运动产生的动压力不直接产生化学反应，而摩擦生热可以加速煤的变质作用。
2、希尔特定律
德国学者希尔特根据西欧煤田地质规律提出，在地层大致水平的情况下，深度每增加100米，煤的挥发分降低2.3%，即煤的变质程度随埋藏深度的增加而提高。
沼泽是地表土壤充分湿润、季节性或长期积水，丛生着喜湿性植物的低洼地段。形成泥炭层堆积的沼泽称泥炭沼泽。它既不是真正的陆地，也不是水体，而是介于二者之间的过渡状态。
2、泥炭的形成与积累
植物死亡后，经生物化学作用分解、合成和聚积，当有机物堆积量超过分解量时，才会形成泥炭层。泥炭沼泽垂直剖面分三层：表层（氧化环境）、中间层（过渡海景）、底层（还原环境）。
3、植物残骸的堆积方式
以原地堆积为主，少数是异地堆积。具有工业可采意义的煤层大都是原地堆积。
泥炭沼泽
1、泥炭沼泽的类型
根据泥炭沼泽的表面形态、水源补给、营养和植被特征，可以分为三种类型：
①低位泥炭沼泽
低位泥炭沼泽潜水位较高，水源补给充足、营养丰富、植被茂盛。易堆积泥炭层。
②高位泥炭沼泽
高位泥炭沼泽潜水位较低，水源补给主要依靠降水，营养差，多为草本和苔藓，不利于泥炭层形成。
③中位泥炭沼泽
中位泥炭沼泽的状态介于上述二者之间。
2、泥炭沼泽的发育地段
①滨海平原。具有低位泥炭沼泽发育环境。
②内陆的河流、湖泊。
③山地和高原地段。
3、泥炭沼泽形成的方式
①水域转化为泥炭沼泽，又包括三种模式：
浅水缓岸湖转化为泥炭沼泽，植物生长类型具有分带现象，在泥炭形成过程中，湖水不断淤浅，植物类型也相应推移。
深水陡岸湖转化为泥炭沼泽，浮游植物死亡后，沉入湖底，转化为泥炭。
河流转化为泥炭沼泽，类似浅水缓岸湖转化模式。
②陆地沼泽化
地面上封闭的洼地可能形成沼泽。
第四节 泥炭的主要组成及性质
1、泥炭的化学组成
泥炭中除了含有大量的水分外，还包括有机质和矿物质。
①有机质。包括植物残体和腐植质。
泥炭有机质含量是指有机质占泥炭干物质总量的百分比。我国泥炭以草本泥炭为主，有机质含量占60%左右。
有机质中，C：55%，O：35%，H：6%，N：2%，S：0.3%
在泥炭有机质中，以稀碱溶液提取的物质称为腐植酸，是泥炭的特征组分，腐植酸不是单一化合物，而是由分子大小不同、结构也不同的羟基芳香羧酸组成的混合物。
②矿物质
泥炭中的矿物质主要来源于风、水流挟带的矿物质通过沉积作用，转化为泥炭的组分。常见的矿物质有石英、次生粘土矿物。元素以硅为主，其次是铁、铝、钙、镁，矿物质的另一来源是植物本身。
2、泥炭的物理化学性质
①分解度：是指植物残体由于腐解作用失去细胞结构物质的相对含量，或者是泥炭中无定形腐植质占有机质的百分含量。
②含水性
有湿度和持水量两种表示方法。泥炭湿度是指泥炭中水分占泥炭总重的百分比。持水量是指泥炭中水分占泥炭干物质重量的百分比。
③泥炭的比重和容重
泥炭的比重一般为1.4左右，藓类泥炭较轻，木本泥炭和草本泥炭偏重。无量纲。
泥炭在自然状态下的容重称湿容重，干燥后的容重称干容重。单位是g/cm
④结构和颜色
泥炭结构疏松多孔，力学稳定性差。苔藓泥炭呈海绵状，草本泥炭呈纤维状，木本泥炭为碎块状。
泥炭的颜色与植物、分解度和矿物质有关。例如，苔藓泥炭呈黄色，分解转变为腐植质呈黑色，含蓝铁矿呈蓝色，含菱铁矿呈浅绿色。
⑤泥炭的可燃性
泥炭具有可燃性，用发热量表示。我国泥炭发热量多在10-12MJ/Kg。
3、泥炭的类型
根据植物的组成，泥炭分为草本泥炭、木本泥炭和藓类泥炭。 泥炭类型 灰分含量 分解能力 酸碱度 含水量 颜色 弹性 草本泥炭 较高 较强 微酸碱性 较少 暗 较差 木本泥炭 较低 较弱 少 红褐色 差 藓类泥炭 低 弱 酸性 高 淡 强 第二章 第一节 泥炭化作用
1、泥炭化的生物化学变化可分为两个阶段：生物化学分解和生物化学合成。
①植物残骸中的有机化合物经氧化分解、水解，转化为简单的化学性质活泼的化合物。
②分解产物之间合成较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质。形成腐植酸的过程或作用称为腐植化作用，腐植化作用不是生物作用，而是在氧化环境中的化学作用。
2、凝胶化作用
植物在泥炭化过程中经历了腐植化作用后，继而将经历凝胶化作用；凝胶化作用是指植物的主要组成部分在泥炭化过程中经过生物化学变化和物理化学变化，形成以腐植酸和沥青质为主要成分的胶体物质的过程。由于植物的木质素和纤维素在物理化学性质上都属于凝胶体，吸水能力强，在还原环境中逐渐分解，细胞壁先吸水膨胀，胞腔缩小，最后完全丧失细胞结构，形成无结构胶体，或进一步转化为溶胶；当电性、酸碱性、温度变化时，产生胶体化学变化，上述物质形成凝胶状态。因为这一过程既有厌氧生物作用，又有胶体化学作用，所以又称“生物化学凝胶化作用”。
3、丝炭化作用
当沼泽表面比较干燥，氧供应充足的情况下，植物细胞壁中的木质素和纤维素在微生物参与下脱氢、脱水，碳含量增加，氧化到一定阶段后植物遗体迅速转入弱氧化或还原环境中，或被泥沙覆盖后中断氧化作用，这个过程称为丝炭化作用。
如果丝炭化过程持续进行，将可能导致植物遗体全部分解。
当植物遗体存在氧化和还原环境交替变化时，丝炭化和凝胶化作用可能交替进行。需说明的是，当丝炭化作用充分形成丝炭物质后，凝胶化作用也就终止了。
第二节 残植化作用
残植化作用是泥炭化作用中的一种特殊情况。当泥炭沼泽水流畅通时，在长期供氧充足情况下，不稳定组分被充分分解，被流水带走，稳定组分富集的过程。还有一种情况是，当沼泽潜水面下降，植物遗体没有被水覆盖而强烈氧化，造成稳定组分富集。
残植化作用的产物经煤化作用形成残植煤。
第三节 腐泥化作用
在湖泊、沼泽水深地带、海湾、浅海等水体中，低等植物藻类和浮游生物遗体在还原环境中厌氧微生物的参与下，经过复杂的生物化学变化形成富含水分的有机软泥。这个过程称腐泥化作用。
低等植物经分解、缩合和聚合，形成富水棉絮状的胶体物质，经脱水和压实，形成腐泥。腐泥的颜色一般为黄色、暗褐色和黑灰色。
第四节 泥炭成分、性质不同的影响因素
1、植物群落
木本植物富含纤维素和木质素，易形成凝胶化物质，形成的煤以光亮煤为特征；草本植物含有较多的纤维素和蛋白质，不稳定成分分解，稳定组分富集，形成富含稳定组分（壳质组）的煤，氢含量和焦油产出率高；苔藓植物能分泌防腐剂，因此苔藓类泥炭常保留较多的不稳定组分。
2、营养供应
根据植物生长的营养供应，可分为三种类型：富营养型、中营养型和贫营养型。
低位泥炭沼泽常形成富营养型泥炭，高位泥炭沼泽常形成贫营养型泥炭，中位泥炭沼泽常形成中营养型泥炭。
3、介质的酸度
酸度高不利于细菌生存，中性或弱碱性有利于细菌繁殖。
富钙的沼泽中，多以石灰岩为基底，喜氧细菌活跃，水生植物为主，形成的煤中S、N含量高，可能与硫细菌的强烈活动有关。
高位泥炭沼泽中，酸度高，加上藓类可分泌防腐剂（酚类），不利于细菌生存，所以植物的细胞结构能保存下来。
4、氧化还原条件
泥炭的表层处于氧化环境中，容易被氧化形成丝炭；泥炭的底层处于还原环境中，容易形成镜质组煤。
根据成煤的原始物质和堆积环境，煤分为三类：
①腐植类：腐植煤、残植煤。高等植物在沼泽环境中形成。
②腐植腐泥类：腐植腐泥煤。高低等植物混合，在湖泊和沼泽环境中形成。
③腐泥类：腐泥煤。低等植物和少量动物在湖泊、沼泽深水部位形成。
第三章 煤化作用及煤的变质作用类型
第一节 煤化作用的阶段和特征
1、煤化作用的两个阶段
①煤的成岩作用
泥炭形成后，由于盆地沉降，在上覆沉积物的覆盖下埋藏于地下，经压实、脱水、增碳作用，逐渐固结，经过物理化学作用转变成年轻的褐煤，称为煤的成岩作用。在成岩过程中，木质素和纤维素继续参与形成腐植酸，已形成的腐植质形成凝胶化组分。
②煤的变质作用
年轻的褐煤在较高的温度、压力和较长的时间作用下，进一步发生物理化学变化，变成老褐煤、烟煤、无烟煤和变无烟煤的过程。在这个过程中，腐植质不断发生聚合反应，稠环芳香系统的侧链减少，芳构化程度提高，分子排列更加规则。
2、煤化作用特点
①增碳化趋势。挥发分减少，碳相对含量增加。
②结构单一化趋势。泥炭阶段含多种官能团，到无烟煤阶段只含缩合芳核，最后演化为石墨。
③显微组分均一化趋势。
④具有不可逆性。
⑤发展的非线性。
⑥结构致密化，定向排列化。
第二节 煤化作用的因素
1、温度：受地热梯度的影响。
2、时间：也是重要因素。
3、压力：压力不产生化学反应，但可以使煤的物理结构发生变化。例如孔隙率、水分含量降低，密度增加，有机大分子定向排列，光的反射率增加。
第三节 煤化程度指标
煤化程度指标，也称煤化指标，煤级指标。常用的煤化程度指标如下：
①水分。一般情况下，从低煤级到中高煤级，水分减小。
②挥发分。在烟煤阶段，随煤化程度提高，挥发分降低。
③镜质组反射率。随煤化程度提高，镜质组反射率增加。
④碳含量。随煤化程度提高，C在有机质中的相对含量增加。
⑤氢含量。从无烟煤到变无烟煤阶段，氢含量降低明显。
⑥发热量。发热量与含水量有关，是低煤化阶段煤化程度指标。
⑦壳质组荧光性。壳质组荧光性与反射率互为消长，是低煤化程度指标。
⑧X射线衍射。随煤化程度提高，衍射曲线变陡，强度增加。
第四节 煤的变质作用类型
1、根据热源的类型，煤的变质作用可分为三种类型：
①深成变质作用。主要是地热引起，又称区域变质作用。
②岩浆变质作用。由岩浆侵入产生的热变质作用。
③动力变质作用。由构造运动产生的变质作用。构造运动产生的动压力不直接产生化学反应，而摩擦生热可以加速煤的变质作用。
2、希尔特定律
德国学者希尔特根据西欧煤田地质规律提出，在地层大致水平的情况下，深度每增加100米，煤的挥发分降低2.3%，即煤的变质程度随埋藏深度的增加而提高。
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