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煤地質(zhì)學(xué)河南理工大學(xué)能源學(xué)院授課教師:張小東1煤地質(zhì)學(xué)河南理工大學(xué)能源學(xué)院授課教師:張小東11.煤的形成21.煤的形成2煤的形成1煤的形成3.成煤原始物質(zhì)2.煤及其成因類型
1.人類對(duì)煤形成的認(rèn)識(shí)
內(nèi)容提要4.成煤作用3煤的形成1煤的形成3.成煤原始物質(zhì)2.煤及其成因類型煤的形成1.1人類對(duì)煤形成的認(rèn)識(shí)在十九世紀(jì)以前,人們還不能正確地解釋煤的形成過程:煤和地球上的其它巖石一樣,一有地球,就存在了;煤是由巖石變化而來的;煤是由植物變化來的。19世紀(jì)以后,顯微鏡發(fā)現(xiàn)煤中還保留有一些植物的原來組成部分,揭開了成煤原始物質(zhì)之謎,證實(shí)了煤是由植物變成的。如將年輕煤制成薄片,顯微鏡下可看到植物的原有構(gòu)造(如細(xì)胞結(jié)構(gòu))甚至年輪。在煤礦井下有時(shí)還可以看到煤層頂板上有樹皮碎片、根、莖、葉等化石,在有些褐煤礦井中甚至可以看到折裂的樹干變成的煤。所以,成煤的原始物質(zhì)是植物是為無(wú)數(shù)事實(shí)所證明了的,并且已為人們所公認(rèn)的結(jié)論。結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體,胞腔充填角質(zhì)鏡質(zhì)體,透射光80×,遼寧阜新J3-K14煤的形成1.1人類對(duì)煤形成的認(rèn)識(shí)在十九世紀(jì)以前,人們還不能1—鱗木類細(xì)根2—櫛羊齒羽片上的原位聚合孢子囊3—植物結(jié)構(gòu)縱切片太原西山7號(hào)煤層123鱗木51—鱗木類細(xì)根123鱗木512
植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)(切片)1—據(jù)田寶霖2—據(jù)丁丕訓(xùn)6126煤的形成1.2煤及其成因類型
煤是由植物遺體經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)、地球化學(xué)、物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變而成的一種固體可燃有機(jī)巖,是由多種高分子化合物和礦物質(zhì)所組成的復(fù)雜混合物,是一種極其重要的沉積礦產(chǎn),它不僅是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的能源,也是冶金和化工的重要原料。高等植物
沼澤環(huán)境
腐植煤低等植物
湖泊環(huán)境
腐泥煤高等植物低等植物
沼澤、湖泊環(huán)境
混合煤7煤的形成1.2煤及其成因類型煤是由煤的成因分類及其依據(jù)高等植物遺體經(jīng)殘植化作用,孢子、花粉、角質(zhì)層、樹脂、樹皮等穩(wěn)定組分富集,經(jīng)成煤作用轉(zhuǎn)變成的煤8煤的成因分類及其依據(jù)高等植物遺體經(jīng)殘植化作用,孢子、花粉、角煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述成煤的原始物質(zhì)是植物遺體或殘?bào)w。植物可以分為低等植物和高等植物兩大類低等植物—主要是菌類和藻類1)由單細(xì)胞或多細(xì)胞構(gòu)成,以蛋白質(zhì)為其主要組成成分;2)基本呈絲狀體和葉狀體;3)構(gòu)造簡(jiǎn)單,不具備各種植物器官的分化;4)多生活于水體中而呈浮游狀態(tài),故稱也為浮游生物。5)在地史早期(元古代到早泥盆世),它們構(gòu)成了當(dāng)時(shí)植物界的主體
9煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述成煤的原始物質(zhì)是植物遺體煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述綠藻門輪藻門菌類植物藍(lán)藻門藻類沒有真正的根、莖、葉10煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述綠藻門輪藻門菌類植物藍(lán)藻煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述
高等植物—苔蘚植物、蕨類植物、種子植物
1)它們的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,根、莖、葉等器官分明;
2)組成植物的基本結(jié)構(gòu)單元是細(xì)胞。細(xì)胞由細(xì)胞壁和原生質(zhì)組成。
3)細(xì)胞壁的主要組分是:纖維素、半纖維素、木質(zhì)素。
4)原生質(zhì)是細(xì)胞的內(nèi)含物,它是由蛋白質(zhì)、脂肪和果膠質(zhì)等一些碳水化合物組成的。11煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述高等植物—苔蘚植煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述蕨類植物裸子植物苔蘚苔蘚類植物被子植物12煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述蕨類植物裸子植物苔蘚苔蘚1.3成煤原始物質(zhì)-植物的演化史
從地史上與成煤作用的關(guān)系,植物的演化大體上可以分為:菌藻類時(shí)期:元古代~D1,廣闊、穩(wěn)定的淺海環(huán)境提供了藻類大量繁殖的良好條件,因此形成了具有工業(yè)價(jià)值的煤.這是地史上最早的聚煤時(shí)期。本時(shí)期所形成的煤,一般屬于高灰分的腐泥無(wú)煙煤類。南方寒武紀(jì)地層。裸蕨類時(shí)期(早期維管植物時(shí)期):S3~D1/D2。目前所知的最早陸生植物,主要是裸蕨類植物,還包括原始的石松類、節(jié)蕨類植物。植物仍沒有根。植物由水生到陸生的階段,是聚煤史和植物演化史的大事。24~4.0億年4.2~3.7億年131.3成煤原始物質(zhì)-植物的演化史從地史上與蕨類、種子蕨類時(shí)期:D3~P1。是高等植物發(fā)育、發(fā)展和演化的最重要時(shí)期,以石松類、節(jié)蕨類、真蕨類、古羊齒類、種子蕨及科達(dá)類為主。該時(shí)期全球氣候溫暖、潮濕,適于植物生長(zhǎng)。典型的植物是高大的喬木,高度可達(dá)30m以上,半陸生轉(zhuǎn)變?yōu)殛懮闹匾獣r(shí)期。早古生代聚煤期-第一個(gè)重要聚煤史。1.3成煤原始物質(zhì)-植物的演化史3.7~2.7億年14蕨類、種子蕨類時(shí)期:D3~P1。是高等植物發(fā)育、發(fā)展和1裸子植物時(shí)期:
D3~R1。海西和印支運(yùn)動(dòng),陸地面積增大,地形分化,氣候改變,適應(yīng)干旱氣候的被子植物繁盛。中生代聚煤期-第二個(gè)重要聚煤史。被子植物:
k3~今。被子植物占優(yōu)勢(shì)。新生代聚煤期-第三個(gè)重要聚煤史。1.3成煤原始物質(zhì)-植物的演化史3.7~0.55億年0.9億年~今15裸子植物時(shí)期:D3~R1。海西和印支運(yùn)動(dòng),陸地面積增1.3植物的演化對(duì)煤的形成和聚積有很重要的影響:
首先,煤的形成和大量聚積始于植物出現(xiàn)之后。只有植物大量的繁殖和發(fā)展,才會(huì)有聚煤作用的發(fā)生。其次,由于植物從水生到陸生、從低級(jí)向高級(jí)的發(fā)展和演化,聚煤作用在地質(zhì)歷史發(fā)展過程中也在發(fā)生變化,成煤環(huán)境從淺海到濱海直至擴(kuò)大到內(nèi)陸,聚煤作用不斷增強(qiáng)。第三,新的聚煤時(shí)期的出現(xiàn),都是以新門類植物群的出現(xiàn)為前提。1.3成煤原始物質(zhì)-植物、煤演化關(guān)系16植物的演化對(duì)煤的形成和聚積有很重要的影響:1.3成煤原始植物演化與成煤關(guān)系17植物演化與成煤關(guān)系17煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分碳水化合物(carbohydrate):
是植物細(xì)胞壁的主要成分,包括纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)等。纖維素(cellulose)是由葡萄糖組成的大分子多糖,化學(xué)分子式(C6H10O5)n。在溶液中呈膠體,易水解;植物死亡后,在氧化條件下容易受喜氧性細(xì)菌、霉菌等微生物的作用而分解成CO2、CH4和水。半纖維素(hemicellulose)和果膠(Pectin
)?;旌铣霈F(xiàn)或集中于植物果實(shí)中,化學(xué)組成和性質(zhì)與纖維素相近,但比纖維素更易水解為糖類和酸。18煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分碳水化合物(car煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分木質(zhì)素(lignin):
植物細(xì)胞壁的主要成分。它在植物中主要起著增強(qiáng)植物組織機(jī)械強(qiáng)度的作用。木質(zhì)素是具有芳香結(jié)構(gòu)的化合物。它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,至今尚不能用一個(gè)結(jié)構(gòu)式來表示,但是已知它是一個(gè)具有縮合芳香環(huán),并帶有側(cè)鏈,具有甲氧基、酚羥基、醇羥基、醛基等多種官能團(tuán)的物質(zhì)。在堿性介質(zhì)中容易氧化成類似腐植酸的多環(huán)芳香羧酸。所以木質(zhì)素是植物轉(zhuǎn)變成煤的原始物質(zhì)中很重要的有機(jī)組分。19煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分木質(zhì)素(ligni煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分蛋白質(zhì)(protein):
細(xì)胞中的原生質(zhì)(bioplasm)主要由蛋白質(zhì)組成。蛋白質(zhì)是由若干個(gè)氨基酸按一定鍵結(jié)合而成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子化合物,含有羧基和羥基,具有酸性和堿性,是一種具有強(qiáng)烈親水性的膠體。低等植物中蛋白質(zhì)含量高,如藻類、細(xì)菌等;在高等植物中蛋白質(zhì)含量較少。植物死亡后,蛋白質(zhì)在供氧充分的條件下可以全部分解成氣態(tài)氨、硫化氫等氣體。在缺氧條件下,主要生成氨基酸、卟啉等含氮化合物。煤中的部分氮就與植物的蛋白質(zhì)有關(guān)。20煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分蛋白質(zhì)(prote煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分脂類化合物(lipoidsubstance
):包括脂肪(fat)、樹脂(resin)和樹蠟(vegetablewax)脂肪在低等植物中含量較多,如藻類中脂肪達(dá)20%。但在高等植物中一般僅含1%~2%,且大多集中在植物的孢子和種子中。在生物化學(xué)作用過程中,脂肪能被水解,生成脂肪酸和甘油,脂肪酸參加了成煤作用。蠟質(zhì)在植物中呈薄層覆蓋在莖、葉和果實(shí)外皮上。蠟質(zhì)成分比較復(fù)雜,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。在泥炭和褐煤中常常可以看到蠟質(zhì)。樹脂是植物生長(zhǎng)過程中的分泌物,當(dāng)植物受傷時(shí),就分泌出膠狀樹脂保護(hù)傷口。樹脂的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定,因此能很好地保存在煤中。21煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分脂類化合物(lip煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-成煤植物的主要有機(jī)組分含量植物碳水化合物木質(zhì)素蛋白質(zhì)脂類化合物細(xì)菌綠藻苔蘚蕨類草類12-28050-805-2030-40040-5010-2030-501015-208-1050-6020-3010-153-550-7020-305-105-10松柏及闊葉樹60-7020-301-71-3木本植物的不同部分木質(zhì)部60-7520-3012-3葉652085-8木栓6010225-30孢粉質(zhì)50090原生質(zhì)200701022煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-成煤植物的主要有機(jī)組分含量植物1.3成煤原始物質(zhì)-植物遺體的堆積環(huán)境
植物遺體并不是在任何環(huán)境下部能夠堆積起來而轉(zhuǎn)化成泥炭和腐泥的,必須具備兩個(gè)基本條件:
必須有大旦植物的持續(xù)繁殖和發(fā)展,這是成煤的物質(zhì)基礎(chǔ);植物遺體堆積越來后應(yīng)及時(shí)與空氣隔絕,以使植物遺體不被分解,能保存下來并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成泥炭或腐泥。自然界中,符合這兩個(gè)條件的堆積環(huán)境中,最主要的是沼澤(或泥炭沼澤)。231.3成煤原始物質(zhì)-植物遺體的堆積環(huán)境植物遺體并不是在任1)沼澤及其形成條件沼澤是指有植物生長(zhǎng)的常年積水的洼地。沼澤中植物死亡后其遺體能夠被沼澤水所覆蓋,與空氣隔絕但不被完全氧化分解。在逐漸堆積過程后經(jīng)以生物化學(xué)作用為主的變化后可轉(zhuǎn)變成泥炭的,稱為泥炭沼澤。沼澤的形成和發(fā)育是地質(zhì)、地貌、氣候、水文、土壤、植被等多種出然因素練合作用的產(chǎn)物。1)低洼的能夠積水的地形和能夠給植物提供養(yǎng)分的土壤;2)年降水量大于蒸發(fā)量的氣候條件;3)入水量(流入的地表水、地下水與大氣降水)>出水量(流出的地表水、地下水與蒸發(fā)量)。1.3成煤原始物質(zhì)-植物遺體的堆積環(huán)境241)沼澤及其形成條件1.3成煤原始物質(zhì)-植物遺體的堆積環(huán)2)沼澤的形成方式低洼地帶發(fā)生沼澤化而形成沼澤。水流的停滯、地殼的下降和潛水面的上升湖泊、瀉湖、海灣等水體,由于水流攜帶或岸邊沖刷的泥沙的堆積,水體變淺,高等植物茂盛,形成沼澤。3)沼澤的類型低位沼澤:也稱為“草甸沼澤”“雜草沼澤”。是沼澤發(fā)展的初階段。地形平坦低洼,潛水面較高,水分主要由地下水和河水補(bǔ)給,潛水面與沼澤水位基本相同。營(yíng)養(yǎng)最為豐富,對(duì)成煤最為有利。高位沼澤:水源主要是由大氣降水補(bǔ)給的沼澤。其水面位于潛水面之上,水源不充足,水中缺少礦物質(zhì),因而一般沒有高大的植物生長(zhǎng)。團(tuán)此,在成煤過程中的作用不太重要。中位沼澤:介于兩者之間,潛水面位于泥炭層內(nèi),水源來自地下水和大氣降水。252)沼澤的形成方式25低位沼澤高位沼澤26低位沼澤高位沼澤26煤的形成1.4成煤作用-概念高等植物從死亡到變成泥炭過程
→
泥炭化作用低等植物從死亡到變成腐泥過程
→
腐泥化作用泥炭(腐泥)變成褐煤的過程→
成巖作用褐煤→煙煤→無(wú)煙煤的過程→
變質(zhì)作用植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程成煤作用高等植物低等植物沼澤
湖泊或淺海
泥炭腐泥
煤褐煤→煙煤→無(wú)煙煤地下石墨泥炭(腐泥)化作用成巖作用變質(zhì)作用煤化作用27煤的形成1.4成煤作用-概念高等植物從死亡到變成泥炭過成煤過程示意圖28成煤過程示意圖28煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式全敗作用:在空氣充足的條件下,植物殘骸被完全氧化,分解為C02和水。這個(gè)過程不能生成煤,而只能留下無(wú)機(jī)礦物質(zhì)。半敗作用:在空氣不充足的條件下,植物殘骸發(fā)生不完全的氧化分解過程。例如,在闊葉樹林里堆積起來的潮濕樹葉,由于空氣進(jìn)入困難,發(fā)生了不完全的氧化,形成一層黑色的“腐殖土”。這層物質(zhì)存在的時(shí)間不長(zhǎng),或者進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成泥炭,或者分解為二氧化碳和水。29煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式全敗作用:2煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式腐敗作用(又稱腐泥化作用):
指低等生物遺體在沼澤中經(jīng)生物化學(xué)變化變成腐泥的過程。
生長(zhǎng)在靜水湖泊中的微生物(主要是浮游生物)死亡后,在沒有空氣存在下發(fā)生的分解過程。作用的結(jié)果是生成一種含碳、氫較原來物質(zhì)為多,含氧較原來物質(zhì)少的新物質(zhì)—腐泥。腐泥是一種富含水和瀝青質(zhì)的淤泥狀物質(zhì)。
30煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式腐敗作用(又稱煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式泥炭化作用:指高等植物遺體在沼澤中堆積經(jīng)生物化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成泥炭的過程。在低洼沼澤中,因?yàn)槌錆M著水,植物死亡后的殘骸就逐漸堆積在水中,上部的植物因與水面很接近或露出在水面之上,空氣仍可進(jìn)入,喜氧細(xì)菌活躍,殘骸發(fā)生半敗作用而變成腐殖土。隨著植物的不斷死亡和堆積,它們就完全與空氣隔絕,氧氣停止進(jìn)入,厭氧細(xì)菌隨之活躍。此時(shí)植物殘骸就依靠本身所含的氧發(fā)生去羧基、脫水等作用。放出二氧化碳、水及甲烷,從而使碳含量相對(duì)增大,氫及氧含量則減少。植物殘骸經(jīng)過這些作用后,就部分地改變了原來的形態(tài)和結(jié)構(gòu),變成了一種新的物質(zhì)—泥炭。31煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式泥炭化作用:3煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式泥炭32煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式泥炭32
凝膠化作用:
指堆積在沼澤中的植物遺體的主要組成部分(木質(zhì)纖維組織)在覆水較深、水體滯流的、缺氧的弱氧化至還原的環(huán)境中,由于厭氧細(xì)菌的參與和長(zhǎng)期浸潤(rùn)的作用而轉(zhuǎn)變成以腐植酸和瀝青質(zhì)為主要成分的凝膠、溶膠等膠體物質(zhì)的過程。經(jīng)凝膠化作用產(chǎn)生的不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)的凝膠化物質(zhì),再經(jīng)過煤化作用即形成為煤中的凝膠化組分—木煤、木質(zhì)鏡煤、鏡煤和凝膠化基質(zhì)。煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式33凝膠化作用:煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方絲炭化作用:指植物遺體的木質(zhì)纖維組織,在沼澤覆水淺且水流暢通或比較干燥的氧化條件和有氧細(xì)菌的條件下,遭氧化分解、脫水、脫氫和增炭化作用轉(zhuǎn)變成貧氫、富炭的腐植物的過程。殘植化作用:是泥炭化作用的一種特殊情況,即:在泥炭化過程中的水介質(zhì)流動(dòng)通暢、經(jīng)常有新鮮氧氣供給的條件下,凝膠化作用和絲炭化作用的產(chǎn)物被充分分解破壞并不斷被流水帶走,使植物殘?bào)w中的穩(wěn)定組分大量集中并集中形成殘植煤的過程。1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式34絲炭化作用:指植物遺體的木質(zhì)纖維組織,在沼澤覆水淺且水1.4煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解過程
原始物質(zhì)過程名稱與氧的關(guān)系與水的關(guān)系作用的性質(zhì)產(chǎn)物陸生植物及沼澤植物(高等植物)全敗作用氧氣自由進(jìn)入有水存在完全氧化無(wú)固體含碳有機(jī)物殘留半敗作用有少量氧氣進(jìn)入有水存在腐殖化固體含碳化合物腐殖土泥炭化作用開始有氧進(jìn)入后來無(wú)氧開始有水存在后來沒于水中先腐殖化作用后還原作用固體含碳化合物泥炭水中有機(jī)物(低等植物)腐敗作用(腐泥化作用)無(wú)氧氣在無(wú)死水中主要為還原作用固體富氫化物腐泥35煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解過程原始物質(zhì)過煤的形成1.4成煤作用-成煤的必要條件
煤是地質(zhì)史上的陸生植物在沼澤中大量堆積,并經(jīng)菌解、煤化等作用形成的產(chǎn)物。那么,煤的形成需要哪些條件?沉積有機(jī)質(zhì)聚集條件:
1)足夠生物量的供給;
2)存在生物聚合物向沉積聚合物轉(zhuǎn)化的環(huán)境條件;
3)保證沉積有機(jī)質(zhì)不被無(wú)機(jī)沉積物過分“稀釋”而相對(duì)集中,
4)沉積有機(jī)質(zhì)形成后能夠得以妥善保存而在一定地質(zhì)歷史中不被再次破壞。36煤的形成1.4成煤作用-成煤的必要條件煤的形成1.4成煤作用-成煤的必要條件1、植物條件
—物質(zhì)基礎(chǔ),即要有大量的植物,提供成煤的物質(zhì)來源;2、氣候條件
—影響植物生長(zhǎng),同時(shí)影響植物的分解。即利于陸生植物的繁茂生長(zhǎng)的溫暖濕潤(rùn)氣候;3、自然地理?xiàng)l件
—植物堆積場(chǎng)所,利于生物細(xì)菌的繁衍和活動(dòng)的缺氧條件-
泥炭沼澤環(huán)境;37煤的形成1.4成煤作用-成煤的必要條件1、植物條件37煤的形成1.4
成煤作用-成煤的必要條件4、地殼運(yùn)動(dòng)條件(主導(dǎo)條件)
—埋藏條件。持續(xù)下陷的盆地或低地,以便造成植物殘骸和無(wú)機(jī)沉積物的大量堆集等。同時(shí),沼澤水位的逐步抬升,以避免有機(jī)質(zhì)的氧化分解。再次,在沼澤生存過程中,碎屑沉積物的注入必須是貧乏的,以保證泥炭的質(zhì)量。三種補(bǔ)償方式:①過度補(bǔ)償—沼澤水面上升速度<植物遺體的堆積速度②均衡補(bǔ)償—沼澤水面上升速度≈植物遺體的堆積速度③欠補(bǔ)償—沼澤水面上升速度>
植物遺體的堆積速度
只有泥炭層堆積界面的增高與沼澤水面抬升均衡,泥炭層才能不斷增厚,均衡一旦破壞,泥炭堆積過程必然停止。38煤的形成1.4成煤作用-成煤的必要條件4、地殼運(yùn)動(dòng)條件煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型
煤化作用過程中,熱增溫對(duì)煤的變質(zhì)起著主導(dǎo)的作用,根據(jù)引起煤變質(zhì)的熱源和增熱方式及變質(zhì)程度不同,將煤的變質(zhì)作用劃分為:
深成變質(zhì)作用巖漿變質(zhì)作用(區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用和接觸變質(zhì)作用)動(dòng)力變質(zhì)作用39煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型煤煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型1、深成變質(zhì)作用
定義:
煤層因沉降而埋藏于地下深處,由于地?zé)峒吧细矌r系靜壓力作用下所發(fā)生的變質(zhì)作用。這種變質(zhì)作用的增高,往往與煤層埋藏深度增大有直接的關(guān)系。由于地?zé)崾怯傻乇硐虻叵律钐幹饾u增高的,故又稱地?zé)嶙冑|(zhì)作用;又因其影響范圍的廣泛性,又稱為區(qū)域變質(zhì)作用。
40煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型1、深成變質(zhì)作用4煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型1、深成變質(zhì)作用特征:
1)煤的變質(zhì)程度隨著深度的增加而增大德國(guó)學(xué)者希爾特(Hilt,1973)針對(duì)西歐部分煤田煤變質(zhì)規(guī)律提出:
在地層大致水平的條件下,每百米煤的揮發(fā)份降低約2.3%,即煤的變質(zhì)程度隨埋藏深度的加深而增高。
————希爾特定律41煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型1、深成變質(zhì)作用在煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型希爾特定律的表示方法—揮發(fā)份梯度或鏡質(zhì)體反射率梯度用煤的變質(zhì)梯度來表示:煤在地殼恒溫層之下,每加深100m,煤的變質(zhì)程度增高的幅度。
恒溫層:指地下溫度的變化幅度等于零的地帶。它的上面是變溫層,下面是增溫層。
變溫層:地下溫度明顯地受到地表大氣溫度影響的地帶,一般在50m左右。
增溫層:又稱內(nèi)熱帶。是指地球表面以下完全受控于地球的內(nèi)熱活動(dòng),溫度隨深度增加而增大的地帶42煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型希爾特定律的表示方煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型不同煤田由于所處的地?zé)釛l件差異,深度每增加100m,煤的變質(zhì)程度增高的程度也不一樣。例如:山西大同、陽(yáng)泉等煤田的揮發(fā)份梯度為1.4~3.3%
豫西煤田為2-3%
德國(guó)Ruhr
煤田的為2.3%。43煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型不同煤田由于所處的煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型表現(xiàn)為:煤的變質(zhì)程度的分帶性(1)垂直分帶——原始分帶在煤的深層變質(zhì)過程中,由于煤系下部煤層或煤組受到大于上部的溫度及壓力,因而變質(zhì)程度高低不同,這種煤變質(zhì)程度隨深度呈現(xiàn)規(guī)律性的變化,即為煤質(zhì)的垂直分帶。影響因素:
煤的變質(zhì)梯度。一般而言,地?zé)崽荻却?,揮發(fā)份梯度和變質(zhì)梯度也大,因而引起相同煤質(zhì)變化所需要的沉降深度就越小,煤的垂直分帶就越窄。
44煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型表現(xiàn)為:煤的變質(zhì)程煤的變質(zhì)程度。不同變質(zhì)程度的煤,其揮發(fā)份梯度也不一樣。右下圖可見,中變質(zhì)煤的變質(zhì)梯度最大,因此該類煤的分帶現(xiàn)象明顯,變質(zhì)帶厚度一般較小,這也是焦煤分布一般不如低和高變質(zhì)煙煤廣泛的原因。45煤的變質(zhì)程度。不同變質(zhì)程度的煤,其揮發(fā)份梯度也不一樣。45煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型(2)水平分帶——垂直分帶的表現(xiàn)煤的水平分帶是垂直分帶的一種表現(xiàn)。由于地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,同一煤田內(nèi)的同一煤層或煤組在形成和形態(tài)變化過程中,沉降深度不同,使得煤系本身厚度變化和上覆巖系厚度變化具有差異。因此,同一煤層或煤組所經(jīng)歷的變質(zhì)程度不同,反映在平面上構(gòu)成煤質(zhì)的水平帶狀分布特征。46煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型(2)水平分帶——煤變質(zhì)程度的水平分帶性示意圖47煤變質(zhì)程度的水平分帶性示意圖47煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型2)煤的變質(zhì)程度隨著上覆地層厚度的增加而增大在含煤巖系形成過程中,同一煤層或煤組上覆地層的沉積厚度不同,其變質(zhì)程度也不同。上覆地層厚度小的地方,變質(zhì)程度一般較低,反之變質(zhì)程度較大。3)煤的變質(zhì)程度隨著賦存深度的加大而增高當(dāng)上覆地層厚度相等時(shí),同一煤層的變質(zhì)程度隨賦存深度的加大而增高,如同一煤層變質(zhì)程度在向斜中部比在背斜中部高,斷層下降盤比在上升盤高。
說明煤在已有變質(zhì)基礎(chǔ)上,和在變動(dòng)后的新的賦存、地溫和時(shí)間因素等條件影響下,變質(zhì)程度繼續(xù)加深,48煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型2)煤的變質(zhì)程度隨煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型2、巖漿變質(zhì)作用定義:
由于巖漿熱、揮發(fā)份氣體和壓力的影響下,使煤發(fā)生的變質(zhì)作用。
形成條件:巖漿的侵入、穿過或靠近煤層或煤系。
兩種類型:與淺層侵入巖有關(guān)的接觸變質(zhì)作用與地下龐大的深層侵入體有關(guān)的區(qū)域巖漿熱力變質(zhì)作用。49煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型2、巖漿變質(zhì)作用4煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型1)區(qū)域巖漿熱力變質(zhì)作用又稱區(qū)域熱力變質(zhì)作用或遠(yuǎn)程巖漿變質(zhì)作用。主要特征:(1)煤變質(zhì)的垂直分帶明顯,變質(zhì)帶厚度及平面寬度都較小。(在區(qū)域地?zé)釄?chǎng)上疊加了巖漿熱,故地區(qū)的地?zé)釡囟容^高,地?zé)崽荻容^大)(2)形成的變質(zhì)帶,在平面上的展布特征與煤系和上覆巖系等厚線無(wú)關(guān),而與深層巖體分布有一定關(guān)系,圍繞巖體展布。(3)變質(zhì)程度取決于巖體大小,以及與巖體的距離。50煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型1)區(qū)域巖漿熱力變5151煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型2)接觸變質(zhì)作用
定義:指各種巖床、巖墻、巖脈等淺層侵入體或接近煤層,這些侵入體的熱能使煤層達(dá)1000度以上而發(fā)生變質(zhì),這種熱影響多是局部的、多變的,地質(zhì)時(shí)間上是短暫的。
52煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型2)接觸變質(zhì)作用5煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型2)接觸變質(zhì)作用
特征:(1)在侵入體與煤層接觸帶附近,常有不規(guī)則的天然焦出現(xiàn),這是接觸變質(zhì)的明顯標(biāo)志。(2)接觸變質(zhì)作用的煤,顏色變淺,比重增大,灰分增高,揮發(fā)份和發(fā)熱量降低,粘結(jié)性消失,愈近煤巖體愈明顯。(3)在接觸帶中,煤的鏡質(zhì)組因經(jīng)受高溫溶解時(shí)氣體逸出而具氣孔狀構(gòu)造,形成多氣孔和溝槽的天然焦,其最大反射率和各向異性隨溫度提高而增大。53煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型2)接觸變質(zhì)作用5煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型(4)在接觸帶附近,常常存在規(guī)模較小且不規(guī)則的局部煤質(zhì)分帶現(xiàn)象。淺成巖體的接觸變質(zhì)作用強(qiáng)度的影響因素(1)巖體產(chǎn)狀
巖墻與巖脈都是垂直或斜交煤層穿過,對(duì)煤層的影響范圍不大,形成的天然焦僅限于巖體兩側(cè)臨近部位。巖床為順層侵入的巖體,與煤接觸的范圍較大,影響范圍和程度較大。(2)巖體的大小、侵入部位和侵入次數(shù)巖體越大對(duì)煤質(zhì)影響越大,巖體位于煤層下部對(duì)煤層變質(zhì)54煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型(4)在接觸帶附近煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型的影響程度及范圍比位于上部要大。侵入次數(shù)多對(duì)煤變質(zhì)影響大。(3)巖漿的成分、性質(zhì)及煤層圍巖的物理性質(zhì)通常酸性巖漿體由于含有較多的揮發(fā)性氣體,對(duì)煤質(zhì)影響大,基性巖漿揮發(fā)分氣體含量少,對(duì)煤變質(zhì)影響較小。煤與圍巖的孔隙度大,導(dǎo)熱性好,煤質(zhì)受影響的程度高。55煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型的影響程度及范圍比煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型3、動(dòng)力變質(zhì)作用
定義:
由于地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)的直接原因而造成煤發(fā)生變質(zhì)的作用。
注:這里所說的構(gòu)造變動(dòng)是指含煤巖系形成以后發(fā)生的構(gòu)造變動(dòng),不包括含煤巖系形成過程中的同沉積構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。構(gòu)造變動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓力不能促進(jìn)化學(xué)煤化作用的進(jìn)行,一般只引起物理煤化作用。所以只有當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力作用于煤巖層而產(chǎn)生大量摩擦熱后,才能導(dǎo)致煤的變質(zhì)。56煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型3、動(dòng)力變質(zhì)作用5煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型特征:
(1)一般來說,在構(gòu)造變動(dòng)比較強(qiáng)烈,煤、巖層導(dǎo)熱性較差的情況下易發(fā)生動(dòng)力變質(zhì)。如:煤及圍巖在壓扭應(yīng)力作用下的構(gòu)造強(qiáng)烈活動(dòng)地區(qū)常常形成動(dòng)力變質(zhì)作用帶,且多成條帶狀分布。(2)構(gòu)造變動(dòng)對(duì)煤的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)影響較明顯。由于構(gòu)造應(yīng)力的作用,煤的密度增大,水分減少;在高變質(zhì)階段,可導(dǎo)致石墨晶體結(jié)構(gòu)的形成。57煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型特征:57煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型幾種作用的重要性在上述介紹的幾種煤變質(zhì)作用類型中,深成變質(zhì)、區(qū)域巖漿熱力變質(zhì)作用是主要的,影響面積大;接觸變質(zhì)和動(dòng)力變質(zhì)是次要的,有局部影響。由于含煤巖系的形成和演化歷史的長(zhǎng)期性和復(fù)雜性,所以煤的變質(zhì)常常是多種因素綜合作用的結(jié)果。此外,我國(guó)煤田地質(zhì)具有本身的特點(diǎn),因此在研究煤變質(zhì)問題時(shí),應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行綜合研究。58煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型幾種作用的重要性5煤的形成復(fù)習(xí)思考題1、名詞解釋
腐植煤腐泥煤腐植腐泥煤成煤作用煤化作用泥炭化作用腐泥化作用成巖作用煤的變質(zhì)作用2、成煤階段如何劃分?3、植物殘?bào)w不同分解方式的條件與特征是什么?4、成煤的必要條件有哪些?5、煤變質(zhì)作用的類型及各自的特征?59煤的形成復(fù)習(xí)思考題1、名詞解釋59煤地質(zhì)學(xué)河南理工大學(xué)能源學(xué)院授課教師:張小東60煤地質(zhì)學(xué)河南理工大學(xué)能源學(xué)院授課教師:張小東11.煤的形成611.煤的形成2煤的形成1煤的形成3.成煤原始物質(zhì)2.煤及其成因類型
1.人類對(duì)煤形成的認(rèn)識(shí)
內(nèi)容提要4.成煤作用62煤的形成1煤的形成3.成煤原始物質(zhì)2.煤及其成因類型煤的形成1.1人類對(duì)煤形成的認(rèn)識(shí)在十九世紀(jì)以前,人們還不能正確地解釋煤的形成過程:煤和地球上的其它巖石一樣,一有地球,就存在了;煤是由巖石變化而來的;煤是由植物變化來的。19世紀(jì)以后,顯微鏡發(fā)現(xiàn)煤中還保留有一些植物的原來組成部分,揭開了成煤原始物質(zhì)之謎,證實(shí)了煤是由植物變成的。如將年輕煤制成薄片,顯微鏡下可看到植物的原有構(gòu)造(如細(xì)胞結(jié)構(gòu))甚至年輪。在煤礦井下有時(shí)還可以看到煤層頂板上有樹皮碎片、根、莖、葉等化石,在有些褐煤礦井中甚至可以看到折裂的樹干變成的煤。所以,成煤的原始物質(zhì)是植物是為無(wú)數(shù)事實(shí)所證明了的,并且已為人們所公認(rèn)的結(jié)論。結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體,胞腔充填角質(zhì)鏡質(zhì)體,透射光80×,遼寧阜新J3-K163煤的形成1.1人類對(duì)煤形成的認(rèn)識(shí)在十九世紀(jì)以前,人們還不能1—鱗木類細(xì)根2—櫛羊齒羽片上的原位聚合孢子囊3—植物結(jié)構(gòu)縱切片太原西山7號(hào)煤層123鱗木641—鱗木類細(xì)根123鱗木512
植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)(切片)1—據(jù)田寶霖2—據(jù)丁丕訓(xùn)65126煤的形成1.2煤及其成因類型
煤是由植物遺體經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)、地球化學(xué)、物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變而成的一種固體可燃有機(jī)巖,是由多種高分子化合物和礦物質(zhì)所組成的復(fù)雜混合物,是一種極其重要的沉積礦產(chǎn),它不僅是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的能源,也是冶金和化工的重要原料。高等植物
沼澤環(huán)境
腐植煤低等植物
湖泊環(huán)境
腐泥煤高等植物低等植物
沼澤、湖泊環(huán)境
混合煤66煤的形成1.2煤及其成因類型煤是由煤的成因分類及其依據(jù)高等植物遺體經(jīng)殘植化作用,孢子、花粉、角質(zhì)層、樹脂、樹皮等穩(wěn)定組分富集,經(jīng)成煤作用轉(zhuǎn)變成的煤67煤的成因分類及其依據(jù)高等植物遺體經(jīng)殘植化作用,孢子、花粉、角煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述成煤的原始物質(zhì)是植物遺體或殘?bào)w。植物可以分為低等植物和高等植物兩大類低等植物—主要是菌類和藻類1)由單細(xì)胞或多細(xì)胞構(gòu)成,以蛋白質(zhì)為其主要組成成分;2)基本呈絲狀體和葉狀體;3)構(gòu)造簡(jiǎn)單,不具備各種植物器官的分化;4)多生活于水體中而呈浮游狀態(tài),故稱也為浮游生物。5)在地史早期(元古代到早泥盆世),它們構(gòu)成了當(dāng)時(shí)植物界的主體
68煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述成煤的原始物質(zhì)是植物遺體煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述綠藻門輪藻門菌類植物藍(lán)藻門藻類沒有真正的根、莖、葉69煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述綠藻門輪藻門菌類植物藍(lán)藻煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述
高等植物—苔蘚植物、蕨類植物、種子植物
1)它們的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,根、莖、葉等器官分明;
2)組成植物的基本結(jié)構(gòu)單元是細(xì)胞。細(xì)胞由細(xì)胞壁和原生質(zhì)組成。
3)細(xì)胞壁的主要組分是:纖維素、半纖維素、木質(zhì)素。
4)原生質(zhì)是細(xì)胞的內(nèi)含物,它是由蛋白質(zhì)、脂肪和果膠質(zhì)等一些碳水化合物組成的。70煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述高等植物—苔蘚植煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述蕨類植物裸子植物苔蘚苔蘚類植物被子植物71煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-概述蕨類植物裸子植物苔蘚苔蘚1.3成煤原始物質(zhì)-植物的演化史
從地史上與成煤作用的關(guān)系,植物的演化大體上可以分為:菌藻類時(shí)期:元古代~D1,廣闊、穩(wěn)定的淺海環(huán)境提供了藻類大量繁殖的良好條件,因此形成了具有工業(yè)價(jià)值的煤.這是地史上最早的聚煤時(shí)期。本時(shí)期所形成的煤,一般屬于高灰分的腐泥無(wú)煙煤類。南方寒武紀(jì)地層。裸蕨類時(shí)期(早期維管植物時(shí)期):S3~D1/D2。目前所知的最早陸生植物,主要是裸蕨類植物,還包括原始的石松類、節(jié)蕨類植物。植物仍沒有根。植物由水生到陸生的階段,是聚煤史和植物演化史的大事。24~4.0億年4.2~3.7億年721.3成煤原始物質(zhì)-植物的演化史從地史上與蕨類、種子蕨類時(shí)期:D3~P1。是高等植物發(fā)育、發(fā)展和演化的最重要時(shí)期,以石松類、節(jié)蕨類、真蕨類、古羊齒類、種子蕨及科達(dá)類為主。該時(shí)期全球氣候溫暖、潮濕,適于植物生長(zhǎng)。典型的植物是高大的喬木,高度可達(dá)30m以上,半陸生轉(zhuǎn)變?yōu)殛懮闹匾獣r(shí)期。早古生代聚煤期-第一個(gè)重要聚煤史。1.3成煤原始物質(zhì)-植物的演化史3.7~2.7億年73蕨類、種子蕨類時(shí)期:D3~P1。是高等植物發(fā)育、發(fā)展和1裸子植物時(shí)期:
D3~R1。海西和印支運(yùn)動(dòng),陸地面積增大,地形分化,氣候改變,適應(yīng)干旱氣候的被子植物繁盛。中生代聚煤期-第二個(gè)重要聚煤史。被子植物:
k3~今。被子植物占優(yōu)勢(shì)。新生代聚煤期-第三個(gè)重要聚煤史。1.3成煤原始物質(zhì)-植物的演化史3.7~0.55億年0.9億年~今74裸子植物時(shí)期:D3~R1。海西和印支運(yùn)動(dòng),陸地面積增1.3植物的演化對(duì)煤的形成和聚積有很重要的影響:
首先,煤的形成和大量聚積始于植物出現(xiàn)之后。只有植物大量的繁殖和發(fā)展,才會(huì)有聚煤作用的發(fā)生。其次,由于植物從水生到陸生、從低級(jí)向高級(jí)的發(fā)展和演化,聚煤作用在地質(zhì)歷史發(fā)展過程中也在發(fā)生變化,成煤環(huán)境從淺海到濱海直至擴(kuò)大到內(nèi)陸,聚煤作用不斷增強(qiáng)。第三,新的聚煤時(shí)期的出現(xiàn),都是以新門類植物群的出現(xiàn)為前提。1.3成煤原始物質(zhì)-植物、煤演化關(guān)系75植物的演化對(duì)煤的形成和聚積有很重要的影響:1.3成煤原始植物演化與成煤關(guān)系76植物演化與成煤關(guān)系17煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分碳水化合物(carbohydrate):
是植物細(xì)胞壁的主要成分,包括纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)等。纖維素(cellulose)是由葡萄糖組成的大分子多糖,化學(xué)分子式(C6H10O5)n。在溶液中呈膠體,易水解;植物死亡后,在氧化條件下容易受喜氧性細(xì)菌、霉菌等微生物的作用而分解成CO2、CH4和水。半纖維素(hemicellulose)和果膠(Pectin
)?;旌铣霈F(xiàn)或集中于植物果實(shí)中,化學(xué)組成和性質(zhì)與纖維素相近,但比纖維素更易水解為糖類和酸。77煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分碳水化合物(car煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分木質(zhì)素(lignin):
植物細(xì)胞壁的主要成分。它在植物中主要起著增強(qiáng)植物組織機(jī)械強(qiáng)度的作用。木質(zhì)素是具有芳香結(jié)構(gòu)的化合物。它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,至今尚不能用一個(gè)結(jié)構(gòu)式來表示,但是已知它是一個(gè)具有縮合芳香環(huán),并帶有側(cè)鏈,具有甲氧基、酚羥基、醇羥基、醛基等多種官能團(tuán)的物質(zhì)。在堿性介質(zhì)中容易氧化成類似腐植酸的多環(huán)芳香羧酸。所以木質(zhì)素是植物轉(zhuǎn)變成煤的原始物質(zhì)中很重要的有機(jī)組分。78煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分木質(zhì)素(ligni煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分蛋白質(zhì)(protein):
細(xì)胞中的原生質(zhì)(bioplasm)主要由蛋白質(zhì)組成。蛋白質(zhì)是由若干個(gè)氨基酸按一定鍵結(jié)合而成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子化合物,含有羧基和羥基,具有酸性和堿性,是一種具有強(qiáng)烈親水性的膠體。低等植物中蛋白質(zhì)含量高,如藻類、細(xì)菌等;在高等植物中蛋白質(zhì)含量較少。植物死亡后,蛋白質(zhì)在供氧充分的條件下可以全部分解成氣態(tài)氨、硫化氫等氣體。在缺氧條件下,主要生成氨基酸、卟啉等含氮化合物。煤中的部分氮就與植物的蛋白質(zhì)有關(guān)。79煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分蛋白質(zhì)(prote煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分脂類化合物(lipoidsubstance
):包括脂肪(fat)、樹脂(resin)和樹蠟(vegetablewax)脂肪在低等植物中含量較多,如藻類中脂肪達(dá)20%。但在高等植物中一般僅含1%~2%,且大多集中在植物的孢子和種子中。在生物化學(xué)作用過程中,脂肪能被水解,生成脂肪酸和甘油,脂肪酸參加了成煤作用。蠟質(zhì)在植物中呈薄層覆蓋在莖、葉和果實(shí)外皮上。蠟質(zhì)成分比較復(fù)雜,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。在泥炭和褐煤中常常可以看到蠟質(zhì)。樹脂是植物生長(zhǎng)過程中的分泌物,當(dāng)植物受傷時(shí),就分泌出膠狀樹脂保護(hù)傷口。樹脂的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定,因此能很好地保存在煤中。80煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-主要有機(jī)組分脂類化合物(lip煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-成煤植物的主要有機(jī)組分含量植物碳水化合物木質(zhì)素蛋白質(zhì)脂類化合物細(xì)菌綠藻苔蘚蕨類草類12-28050-805-2030-40040-5010-2030-501015-208-1050-6020-3010-153-550-7020-305-105-10松柏及闊葉樹60-7020-301-71-3木本植物的不同部分木質(zhì)部60-7520-3012-3葉652085-8木栓6010225-30孢粉質(zhì)50090原生質(zhì)200701081煤的形成1.3成煤原始物質(zhì)-成煤植物的主要有機(jī)組分含量植物1.3成煤原始物質(zhì)-植物遺體的堆積環(huán)境
植物遺體并不是在任何環(huán)境下部能夠堆積起來而轉(zhuǎn)化成泥炭和腐泥的,必須具備兩個(gè)基本條件:
必須有大旦植物的持續(xù)繁殖和發(fā)展,這是成煤的物質(zhì)基礎(chǔ);植物遺體堆積越來后應(yīng)及時(shí)與空氣隔絕,以使植物遺體不被分解,能保存下來并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成泥炭或腐泥。自然界中,符合這兩個(gè)條件的堆積環(huán)境中,最主要的是沼澤(或泥炭沼澤)。821.3成煤原始物質(zhì)-植物遺體的堆積環(huán)境植物遺體并不是在任1)沼澤及其形成條件沼澤是指有植物生長(zhǎng)的常年積水的洼地。沼澤中植物死亡后其遺體能夠被沼澤水所覆蓋,與空氣隔絕但不被完全氧化分解。在逐漸堆積過程后經(jīng)以生物化學(xué)作用為主的變化后可轉(zhuǎn)變成泥炭的,稱為泥炭沼澤。沼澤的形成和發(fā)育是地質(zhì)、地貌、氣候、水文、土壤、植被等多種出然因素練合作用的產(chǎn)物。1)低洼的能夠積水的地形和能夠給植物提供養(yǎng)分的土壤;2)年降水量大于蒸發(fā)量的氣候條件;3)入水量(流入的地表水、地下水與大氣降水)>出水量(流出的地表水、地下水與蒸發(fā)量)。1.3成煤原始物質(zhì)-植物遺體的堆積環(huán)境831)沼澤及其形成條件1.3成煤原始物質(zhì)-植物遺體的堆積環(huán)2)沼澤的形成方式低洼地帶發(fā)生沼澤化而形成沼澤。水流的停滯、地殼的下降和潛水面的上升湖泊、瀉湖、海灣等水體,由于水流攜帶或岸邊沖刷的泥沙的堆積,水體變淺,高等植物茂盛,形成沼澤。3)沼澤的類型低位沼澤:也稱為“草甸沼澤”“雜草沼澤”。是沼澤發(fā)展的初階段。地形平坦低洼,潛水面較高,水分主要由地下水和河水補(bǔ)給,潛水面與沼澤水位基本相同。營(yíng)養(yǎng)最為豐富,對(duì)成煤最為有利。高位沼澤:水源主要是由大氣降水補(bǔ)給的沼澤。其水面位于潛水面之上,水源不充足,水中缺少礦物質(zhì),因而一般沒有高大的植物生長(zhǎng)。團(tuán)此,在成煤過程中的作用不太重要。中位沼澤:介于兩者之間,潛水面位于泥炭層內(nèi),水源來自地下水和大氣降水。842)沼澤的形成方式25低位沼澤高位沼澤85低位沼澤高位沼澤26煤的形成1.4成煤作用-概念高等植物從死亡到變成泥炭過程
→
泥炭化作用低等植物從死亡到變成腐泥過程
→
腐泥化作用泥炭(腐泥)變成褐煤的過程→
成巖作用褐煤→煙煤→無(wú)煙煤的過程→
變質(zhì)作用植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程成煤作用高等植物低等植物沼澤
湖泊或淺海
泥炭腐泥
煤褐煤→煙煤→無(wú)煙煤地下石墨泥炭(腐泥)化作用成巖作用變質(zhì)作用煤化作用86煤的形成1.4成煤作用-概念高等植物從死亡到變成泥炭過成煤過程示意圖87成煤過程示意圖28煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式全敗作用:在空氣充足的條件下,植物殘骸被完全氧化,分解為C02和水。這個(gè)過程不能生成煤,而只能留下無(wú)機(jī)礦物質(zhì)。半敗作用:在空氣不充足的條件下,植物殘骸發(fā)生不完全的氧化分解過程。例如,在闊葉樹林里堆積起來的潮濕樹葉,由于空氣進(jìn)入困難,發(fā)生了不完全的氧化,形成一層黑色的“腐殖土”。這層物質(zhì)存在的時(shí)間不長(zhǎng),或者進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成泥炭,或者分解為二氧化碳和水。88煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式全敗作用:2煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式腐敗作用(又稱腐泥化作用):
指低等生物遺體在沼澤中經(jīng)生物化學(xué)變化變成腐泥的過程。
生長(zhǎng)在靜水湖泊中的微生物(主要是浮游生物)死亡后,在沒有空氣存在下發(fā)生的分解過程。作用的結(jié)果是生成一種含碳、氫較原來物質(zhì)為多,含氧較原來物質(zhì)少的新物質(zhì)—腐泥。腐泥是一種富含水和瀝青質(zhì)的淤泥狀物質(zhì)。
89煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式腐敗作用(又稱煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式泥炭化作用:指高等植物遺體在沼澤中堆積經(jīng)生物化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成泥炭的過程。在低洼沼澤中,因?yàn)槌錆M著水,植物死亡后的殘骸就逐漸堆積在水中,上部的植物因與水面很接近或露出在水面之上,空氣仍可進(jìn)入,喜氧細(xì)菌活躍,殘骸發(fā)生半敗作用而變成腐殖土。隨著植物的不斷死亡和堆積,它們就完全與空氣隔絕,氧氣停止進(jìn)入,厭氧細(xì)菌隨之活躍。此時(shí)植物殘骸就依靠本身所含的氧發(fā)生去羧基、脫水等作用。放出二氧化碳、水及甲烷,從而使碳含量相對(duì)增大,氫及氧含量則減少。植物殘骸經(jīng)過這些作用后,就部分地改變了原來的形態(tài)和結(jié)構(gòu),變成了一種新的物質(zhì)—泥炭。90煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式泥炭化作用:3煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式泥炭91煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式泥炭32
凝膠化作用:
指堆積在沼澤中的植物遺體的主要組成部分(木質(zhì)纖維組織)在覆水較深、水體滯流的、缺氧的弱氧化至還原的環(huán)境中,由于厭氧細(xì)菌的參與和長(zhǎng)期浸潤(rùn)的作用而轉(zhuǎn)變成以腐植酸和瀝青質(zhì)為主要成分的凝膠、溶膠等膠體物質(zhì)的過程。經(jīng)凝膠化作用產(chǎn)生的不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)的凝膠化物質(zhì),再經(jīng)過煤化作用即形成為煤中的凝膠化組分—木煤、木質(zhì)鏡煤、鏡煤和凝膠化基質(zhì)。煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式92凝膠化作用:煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解方絲炭化作用:指植物遺體的木質(zhì)纖維組織,在沼澤覆水淺且水流暢通或比較干燥的氧化條件和有氧細(xì)菌的條件下,遭氧化分解、脫水、脫氫和增炭化作用轉(zhuǎn)變成貧氫、富炭的腐植物的過程。殘植化作用:是泥炭化作用的一種特殊情況,即:在泥炭化過程中的水介質(zhì)流動(dòng)通暢、經(jīng)常有新鮮氧氣供給的條件下,凝膠化作用和絲炭化作用的產(chǎn)物被充分分解破壞并不斷被流水帶走,使植物殘?bào)w中的穩(wěn)定組分大量集中并集中形成殘植煤的過程。1.4成煤作用-植物殘骸的分解方式93絲炭化作用:指植物遺體的木質(zhì)纖維組織,在沼澤覆水淺且水1.4煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解過程
原始物質(zhì)過程名稱與氧的關(guān)系與水的關(guān)系作用的性質(zhì)產(chǎn)物陸生植物及沼澤植物(高等植物)全敗作用氧氣自由進(jìn)入有水存在完全氧化無(wú)固體含碳有機(jī)物殘留半敗作用有少量氧氣進(jìn)入有水存在腐殖化固體含碳化合物腐殖土泥炭化作用開始有氧進(jìn)入后來無(wú)氧開始有水存在后來沒于水中先腐殖化作用后還原作用固體含碳化合物泥炭水中有機(jī)物(低等植物)腐敗作用(腐泥化作用)無(wú)氧氣在無(wú)死水中主要為還原作用固體富氫化物腐泥94煤的形成1.4成煤作用-植物殘骸的分解過程原始物質(zhì)過煤的形成1.4成煤作用-成煤的必要條件
煤是地質(zhì)史上的陸生植物在沼澤中大量堆積,并經(jīng)菌解、煤化等作用形成的產(chǎn)物。那么,煤的形成需要哪些條件?沉積有機(jī)質(zhì)聚集條件:
1)足夠生物量的供給;
2)存在生物聚合物向沉積聚合物轉(zhuǎn)化的環(huán)境條件;
3)保證沉積有機(jī)質(zhì)不被無(wú)機(jī)沉積物過分“稀釋”而相對(duì)集中,
4)沉積有機(jī)質(zhì)形成后能夠得以妥善保存而在一定地質(zhì)歷史中不被再次破壞。95煤的形成1.4成煤作用-成煤的必要條件煤的形成1.4成煤作用-成煤的必要條件1、植物條件
—物質(zhì)基礎(chǔ),即要有大量的植物,提供成煤的物質(zhì)來源;2、氣候條件
—影響植物生長(zhǎng),同時(shí)影響植物的分解。即利于陸生植物的繁茂生長(zhǎng)的溫暖濕潤(rùn)氣候;3、自然地理?xiàng)l件
—植物堆積場(chǎng)所,利于生物細(xì)菌的繁衍和活動(dòng)的缺氧條件-
泥炭沼澤環(huán)境;96煤的形成1.4成煤作用-成煤的必要條件1、植物條件37煤的形成1.4
成煤作用-成煤的必要條件4、地殼運(yùn)動(dòng)條件(主導(dǎo)條件)
—埋藏條件。持續(xù)下陷的盆地或低地,以便造成植物殘骸和無(wú)機(jī)沉積物的大量堆集等。同時(shí),沼澤水位的逐步抬升,以避免有機(jī)質(zhì)的氧化分解。再次,在沼澤生存過程中,碎屑沉積物的注入必須是貧乏的,以保證泥炭的質(zhì)量。三種補(bǔ)償方式:①過度補(bǔ)償—沼澤水面上升速度<植物遺體的堆積速度②均衡補(bǔ)償—沼澤水面上升速度≈植物遺體的堆積速度③欠補(bǔ)償—沼澤水面上升速度>
植物遺體的堆積速度
只有泥炭層堆積界面的增高與沼澤水面抬升均衡,泥炭層才能不斷增厚,均衡一旦破壞,泥炭堆積過程必然停止。97煤的形成1.4成煤作用-成煤的必要條件4、地殼運(yùn)動(dòng)條件煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型
煤化作用過程中,熱增溫對(duì)煤的變質(zhì)起著主導(dǎo)的作用,根據(jù)引起煤變質(zhì)的熱源和增熱方式及變質(zhì)程度不同,將煤的變質(zhì)作用劃分為:
深成變質(zhì)作用巖漿變質(zhì)作用(區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用和接觸變質(zhì)作用)動(dòng)力變質(zhì)作用98煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型煤煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型1、深成變質(zhì)作用
定義:
煤層因沉降而埋藏于地下深處,由于地?zé)峒吧细矌r系靜壓力作用下所發(fā)生的變質(zhì)作用。這種變質(zhì)作用的增高,往往與煤層埋藏深度增大有直接的關(guān)系。由于地?zé)崾怯傻乇硐虻叵律钐幹饾u增高的,故又稱地?zé)嶙冑|(zhì)作用;又因其影響范圍的廣泛性,又稱為區(qū)域變質(zhì)作用。
99煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型1、深成變質(zhì)作用4煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型1、深成變質(zhì)作用特征:
1)煤的變質(zhì)程度隨著深度的增加而增大德國(guó)學(xué)者希爾特(Hilt,1973)針對(duì)西歐部分煤田煤變質(zhì)規(guī)律提出:
在地層大致水平的條件下,每百米煤的揮發(fā)份降低約2.3%,即煤的變質(zhì)程度隨埋藏深度的加深而增高。
————希爾特定律100煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型1、深成變質(zhì)作用在煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型希爾特定律的表示方法—揮發(fā)份梯度或鏡質(zhì)體反射率梯度用煤的變質(zhì)梯度來表示:煤在地殼恒溫層之下,每加深100m,煤的變質(zhì)程度增高的幅度。
恒溫層:指地下溫度的變化幅度等于零的地帶。它的上面是變溫層,下面是增溫層。
變溫層:地下溫度明顯地受到地表大氣溫度影響的地帶,一般在50m左右。
增溫層:又稱內(nèi)熱帶。是指地球表面以下完全受控于地球的內(nèi)熱活動(dòng),溫度隨深度增加而增大的地帶101煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型希爾特定律的表示方煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型不同煤田由于所處的地?zé)釛l件差異,深度每增加100m,煤的變質(zhì)程度增高的程度也不一樣。例如:山西大同、陽(yáng)泉等煤田的揮發(fā)份梯度為1.4~3.3%
豫西煤田為2-3%
德國(guó)Ruhr
煤田的為2.3%。102煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型不同煤田由于所處的煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型表現(xiàn)為:煤的變質(zhì)程度的分帶性(1)垂直分帶——原始分帶在煤的深層變質(zhì)過程中,由于煤系下部煤層或煤組受到大于上部的溫度及壓力,因而變質(zhì)程度高低不同,這種煤變質(zhì)程度隨深度呈現(xiàn)規(guī)律性的變化,即為煤質(zhì)的垂直分帶。影響因素:
煤的變質(zhì)梯度。一般而言,地?zé)崽荻却?,揮發(fā)份梯度和變質(zhì)梯度也大,因而引起相同煤質(zhì)變化所需要的沉降深度就越小,煤的垂直分帶就越窄。
103煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型表現(xiàn)為:煤的變質(zhì)程煤的變質(zhì)程度。不同變質(zhì)程度的煤,其揮發(fā)份梯度也不一樣。右下圖可見,中變質(zhì)煤的變質(zhì)梯度最大,因此該類煤的分帶現(xiàn)象明顯,變質(zhì)帶厚度一般較小,這也是焦煤分布一般不如低和高變質(zhì)煙煤廣泛的原因。104煤的變質(zhì)程度。不同變質(zhì)程度的煤,其揮發(fā)份梯度也不一樣。45煤的形成1.5
成煤作用-變質(zhì)作用類型(2)水平分帶——垂直分帶的表現(xiàn)煤的水平分帶是垂直分帶的一種表現(xiàn)。由于地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,同一煤田內(nèi)的同一煤層或煤組在形成和形態(tài)變化過程中,沉降深度不同,使得煤系本身厚度變化和上覆巖系厚度變化具有差異。因此,同一煤層或煤組所經(jīng)歷的變質(zhì)程度不同,反映在平面上構(gòu)成煤質(zhì)的水平帶狀分布特征。105煤的形成1.5成煤作用-變質(zhì)作用類型(2)水平分帶——煤變質(zhì)程度的水平分帶性示意圖106煤變質(zhì)程度的水平分帶性示意圖47煤的
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