三腐植煤的生成过程及其岩相组成

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1、三 腐植煤的生成过程及其岩相组成 一般认为,煤的生成过程与成煤时的植物,古气候,古地理及大地构造有密切联系.现以 腐植煤的生成过程为例说明之. 1.腐植煤的生成过程 经研究,成煤的植物在各地质年代是不同的,其中有 3 个最大的聚煤期,它们是: (a)古生代的石炭纪和三迭纪,造煤植物主要是孢子植物; (b)中生代的侏罗纪和白垩纪,造煤植物主要是裸子植物; (c)新生代的第三纪,造煤植物主要是被子植物. 与此相对应的成煤的气候,地理和地质条件有: (a)大地上有均匀的温度和潮湿的气候,适宜于地上的植物一代一代地繁茂生长; (b)地形的起伏形成大的沼泽地带,有利于植物群的发展及残体堆积在水中; (c

2、)地壳的运动与死亡植物堆积速度相适应使之有可能保存植物残体,并转变沉积状态. 从植物死亡到堆积转变成煤,需经过一系列的演变,大致可以分为两个阶段,即泥炭化阶 段和煤化阶段. (1)泥炭化阶段 死亡堆积在沼泽中的植物残体,逐渐与空气隔绝而出现弱氧化环境和 还原环境;植物残体在转变过程中分解出的气体、液体和细菌新陈代谢的产物促使沼泽中介 质的酸度增加,抑制了喜氧细菌,真菌的生存和活动;再加上植物中的防腐和杀菌成分(如酚 类)逐类积累不利于微生物的生存和活动.以上种种变化,促使厌氧细菌所参与的各种合成作 用占主导地位,在泥炭中产生了新的物质.植物转变成泥炭后,植物中含有的蛋白质在泥炭中 消失了,木质

3、素,纤维素等大为减少,而产生了植物中原先没有的大量的腐植酸(有时可高达40%). 泥炭的厚度与植物的堆积速度(一般每年只有 0.52 毫米)及地壳变动有关,若地壳变 动很小,植物生长又很茂盛,则泥炭的厚度可以很大,如由中生代,新生代第三纪的泥炭形成 的煤层厚度可达 100200 米.而现代泥炭和第四纪埋藏泥炭,一般只有几米厚,个别地区可 厚达 20 米和 30 米. 泥炭中的杂质,如硫含量,与聚积地的地理位置有关,近海的由泥炭演化得到的许多煤层,硫 含量都相当高,这是因为海水中的硫酸根离子,受脱硫弧菌的作用,使硫酸盐还原成为硫化氢,后 者与沉积物中的铁离子作用形成水陨硫铁(FeSnH2O),水

4、陨硫铁再进一步转化成黄铁矿,后 者沉积在煤层中,形成煤中的无机硫.有时硫化氢与植物分解产物作用从而形成煤中的有机 硫化合物. 聚积地环境对煤的还原程度也有影响.所谓还原程度是指煤中有机质在生成过程中由于 各因素的影响而受到还原的程度.它与煤的元素组成,加工工艺性质和煤的分子结构特征有 关.一般强还原煤的酚基和羰基含量都较低,氢键结构属于 NH-O 和 NH-N 类型,而弱还原煤, 酚基和羰基含量都较高,氢键结构属于 OH-O 和 OH-N 类型.此外,强还原煤的氧化能力较弱还 原煤小,热分解强度较弱还原煤为高.强还原煤,相应的泥炭是在碱性介质,停滞和厌氧的还 原环境中,或在聚积和埋藏速度较快的

5、条件下形成.而弱还原煤,相应的泥炭是在地壳运动较 稳定的条件下形成的. (2)煤化阶段 当在泥炭上面形成了岩石层顶板以后,成煤进入煤化阶段.这一阶段包括由 泥炭变成褐煤烟煤无烟煤的整个阶段.这一系列变化是在不同深度的地壳内进行的,作 用的主要因素是地壳温度,压力,作用时间等. 煤化阶段包括成岩作用阶段和变质作用阶段.一般认为从泥炭转变为褐煤是成岩作用阶 段,而从褐煤开始转变为更高级煤的阶段是变质作用阶段. 当地壳下沉的速度超过植物堆积速度时,则泥炭堆积停止,粘土,泥沙堆积在泥炭上面, 在长期的地质因素作用(如风化,剥蚀,搬运,沉积和固结成岩等)下逐渐形成了顶板。受温度,顶板及顶板上泥土等的压力

6、的影响泥炭被压实,脱水,增碳,孔隙度减少并逐渐固结,泥炭由无 定形物质逐渐转化为岩石状的褐煤,故被称为成岩作用阶段.形成的褐煤不再含有大量未分 解的植物组织及糖类等组分,腐植酸也大为减少,碳含量增加,氢,氧含量降低. 变质作用阶段,受温度,压力和时间的影响煤化程度不断加深,最后得到无烟煤.一般认 为温度是促使煤化程度加深的主要因素.根据热源及其作用方式,变质作用可划分成三种类 型:深成变质作用,岩浆变质作用和动力变质作用.深成变质作用是指煤在地面下较深处受地热和上覆岩系静压力的作用引起的煤的变质作 用,随煤的深度的增加,这种变质作用也愈明显.这种作用对煤的影响最为广泛,因此也称为” 区域变质作

7、用“. 当岩浆侵入、穿过或靠近煤层或含煤岩系时,由于受岩浆本身带来的高温,挥发性气体 产生的压力的影响引起煤变质程度增高称岩浆变质作用.其中最极端的例子是天然焦的生成,我 国阜新煤田和山东淄博煤田都发现天然焦. 动力变质作用是指由于地壳构造变动促使煤发生变质作用,它主要是由压性或压扭性断 裂引起,其影响范围不大,也没有规律性. 2 腐植煤的岩相组成 从地质学观点看,煤也是一种岩石,因此历史上有不少煤化学家研究煤的岩相组成,并对 煤进行分类. 煤岩学的研究有两种方法,即宏观研究法和微观研究法. (1)宏观研究法 用肉眼观察煤的颜色,光泽,断口等来确定煤的煤岩成分.一般可将煤 岩成分分为镜煤,亮煤

8、,暗煤和丝碳. 丝炭 外观像木炭,呈灰黑色,具有明显的纤维状结构和丝绢光泽,疏松多孔,性脆易 碎.丝炭本身是软的,因空腔常被矿物质充填,逐渐变成矿化丝炭,矿化丝炭坚硬致密,相对密 度大.在煤层中,丝炭一般数量不多,常呈扁平透镜体状沿煤的层面分布,厚 12 mm,有时也 能形成不连续的薄层.丝炭含氢量低,含碳量高,没有粘结性,低温焦油产率低,当它的空腔内 含有黄铁矿时,容易发生氧化并引起自燃.灰分较高.不适宜作炼焦和低温干馏等的原料和动 力燃料,但少量的(如低于 5%)丝炭加到较肥的煤料中可起瘦化作用,对炼焦有利.丝炭一般 不能液化. 镜煤 呈黑色,光泽强,质均匀而脆,具有贝壳状断口.镜煤在煤层

9、中常呈亮黑色,光 滑玻璃状,透镜状或条带状,大多厚几 mm 到 12 cm,有时呈纹理状夹在亮煤和暗煤中.在四 种煤岩成分中,镜煤的挥发分和含氢量高,粘结性强,适宜于作炼焦,低温干馏,气化,液化等 的原料. 亮煤 亮煤是最常见的煤岩成分.不少煤层以亮煤为主,甚至全部由亮煤构成.亮煤 的光泽仅次于镜煤,性较脆,相对密度小,均匀程度不如镜煤,表面隐约可见微细纹理。亮煤 可以用作炼焦,气化,低温干馏等的原料. 暗煤 暗煤光泽暗淡,一般呈灰黑色,致密,相对密度大,坚硬而具韧性.在煤层中,可 以由暗煤为主形成较厚的分层,甚至单独成层.有结实的粒状结构,破碎时呈现细粒或暗淡粗 糙的表面.暗煤不宜用来炼焦,

10、但它是低温干馏的良好原料. 上述四种宏观煤岩成分是煤的岩相分类的基本单位,其中镜煤和丝炭一般只以细小的透 镜体状或以不规则的薄层状出现,亮煤和暗煤虽然分层较厚,但常有互相过渡的现象,分层界 限往往不很明显.因此在了解煤层的岩相组成和性质时,以它们为单位进行定量计算有困难, 也不易了解煤层的全貌.故现在通常根据煤的平均光泽强度,煤岩成分的数量比例和组合情 况来划分宏观煤岩类型.通常按同一剖面上相同煤化程度的平均光泽的强弱依次分为:光亮 型煤,半亮型煤,半暗型煤和暗淡型煤四种宏观煤岩类型. 光亮型煤 主要由镜煤和亮煤组成,光泽很强.由于成分较均一,通常条带状结构不明显.光亮型煤具有贝壳状断口,裂缝

11、明显,脆度较大.显微镜下观察,凝胶化组分一般在 85% 以上. 半亮型煤 通常以亮煤为主,有时由镜煤,亮煤和暗煤组成,也可能有丝炭.平均光泽强度 较光亮型煤稍弱,条带状结构清晰,裂隙较明显,常具有棱角状或阶梯状断口.在显微镜下观 察,凝胶化组分含量一般在 70%80%左右.半亮煤是最常见的煤炭类型,如中国华北晚石炭 纪煤层多半是由半亮煤组成的. 半暗型煤 由暗煤和亮煤组成,通常以暗煤为主,有时也有镜煤和丝炭的纹理,细条带和 透镜体.半暗型煤的特点是光泽比较暗淡,硬度,韧性和相对密度较大. 暗淡型煤 主要由暗煤组成,有时有少量镜煤,丝炭透镜体.光泽暗淡,通常呈块状构造, 致密,层理不明显,煤质坚

12、硬,韧性大,比重大,无裂隙,个别煤田,如中国青海大通煤田有以丝 炭为主组成的暗淡型煤. 应当指出,上述宏观煤炭类型在煤层中往往多次交替出现. (2)微观研究法 这是利用显微镜来识别煤的显微组分的方法.按煤岩的成因特征,结 构以及工艺性质,腐植煤的显微组分可以分为三类:凝胶化组分,丝炭化组分和稳定组分. 凝胶化组分(镜质组) 这是最主要的显微镜组分.它是植物茎,叶的木质纤维组织经 凝胶化作用形成的各种凝胶体.透射光下凝胶化组分透明,具有橙红色(指低变质程度的烟煤 而言,下同),反光色为灰色,油浸反光色为深灰色,没有突起,中国大多数煤田的煤都以凝胶 化组分为主,一般占 50%80%,有些中生代的煤

13、甚至达到 90%以上.凝胶化组分由于凝胶化作 用深浅不同,分解程度不同,又可细分为木煤,木质镜煤,镜煤以及凝胶化基质等组分. 丝炭化组分(丝质组) 也是煤中最常见的显微组分,由木质纤维组织经丝炭化作用 形成.透射光下呈黑色不透明,反光下突起高,呈白色,油浸反光色为白色到亮黄色.中国大多 数煤田中丝炭化组分含量在 10%20%左右.如同凝胶化组分一样,丝炭化组分也可细分为丝 炭,木质镜煤丝炭,丝炭化基质等组分. 稳定组分(稳定组或壳质组) 它是成煤植物中化学稳定性强的组成部分,包括树脂, 孢子,花粉,角质膜,木栓层等.透射光下透明,呈黄色,轮廓清楚,外形特殊,反光下呈深灰色, 大多具有突起,油浸

14、反光下呈灰黑色至黑灰色.三种煤岩显微组分与四种宏观煤岩成分之间的关系可用图 2-2-02 简明扼要地表示出来.这 种表示方法当然是相当粗糙的,因为如上所述,凝胶化组分和丝炭化组分是由多种成分组成 的,因而得到的烟煤的特征和加工工艺是不一样的. 煤中除上述有机组分外,还有无机组分,常见的有粘土矿,黄铁矿,石英,方解石等,它们 会给煤的燃烧,化学加工,环境保护等带来困难,现在已有将它们脱除的各种方法或已出现能使用含不同无机杂质的煤炭的加工工艺和反应器. 对煤的岩相进行研究,不仅有学术意义,也可用来指导工业生产.例如,美国,日本,英国和苏联等 国家都利用煤的岩相组成理论来指导煤炭分类及炼焦配煤,苏联甚至还将岩相组分用破碎的 办法富集,从而得到高质量的炼焦用煤.