第二節(jié)　煤的生成

一、成煤的原始物質(zhì)

1．三種成煤的假說

①煤是和地球一起形成的，有地球就有煤；

②煤是由巖石變化而來的；

③煤是由植物殘骸形成的。

常常發(fā)現(xiàn)在煤層中有保存完好的古植物化石和由樹干變成的煤，有的甚至保留著原來斷裂樹干的形狀。煤層底極多富含植物根化石或痕木化石，證明它曾經(jīng)是植物生長的土壤。直到19世紀(jì)以后，發(fā)明了顯微鏡，人們利用顯微鏡在煤中觀察到許多植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

顯微鏡下觀察煤制成的薄片可以直接看到原始植物的木質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和其他殘骸，如孢子、花粉、樹脂、角質(zhì)層和木栓體等；在實驗室用樹木進(jìn)行人工煤化試驗，可以得到外觀和性質(zhì)與煤類似的人造煤。因此，煤是由植物而且主要是由高等植物轉(zhuǎn)變而來的觀點(diǎn)已成為人們的共識。

2．植物的演化

低等植物主要是由單細(xì)胞或多細(xì)胞構(gòu)成的絲狀或葉片狀植物體，沒有根、莖、葉的劃分，如細(xì)菌和藻類。它們大多數(shù)生活在水中，是地球上最早出現(xiàn)的生物。

高等植物則有根、莖、葉等器官的劃分。除了苔蘚外，高等植物常能長成高大的喬木，具有粗壯的莖和根，成為重要的成煤物質(zhì)來源。

植物的分類見表1-3。

地質(zhì)歷史時期，植物是由單細(xì)胞到多細(xì)胞，由低級到高級，由簡單到復(fù)雜，由水生到陸生逐步進(jìn)化和發(fā)展的。其演化發(fā)展主要經(jīng)歷以下幾個階段。

（1）菌藻類時期　中志留世以前，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)價值的煤。這是地史上最早的聚煤時期。本時期形成的煤，一般屬于高灰分的腐泥無煙煤類，南方寒武紀(jì)地層。

（2）裸蕨類時期　晚志留世至中泥盆世，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。該時期的植物仍沒有根。植物由水生到陸生的階段，是聚煤史和植物演變史的大事。

（3）蕨類、種子蕨類時期　晚泥盆世至早二疊世，是高等植物發(fā)育、發(fā)展和演化的最重要時期，以石松類、節(jié)蕨類、古羊齒類、種子蕨及科達(dá)類為主。該時期全球氣溫變暖、潮濕，適于植物生長。典型的植物是高大的喬木，高度可達(dá)30m以上。該時期是半陸生轉(zhuǎn)變?yōu)殛懮闹饕獣r期。早古生代聚煤期——第一個重要聚煤史。

（4）裸子植物時期　晚二疊世至早白堊世，海西和印支運(yùn)動，陸地面積增大，地形分化，氣候改變，適應(yīng)干燥氣候的被子植物繁盛。中生代聚煤期——第二個重要聚煤史。

（5）被子植物時期　晚白堊世至現(xiàn)代，隨著古地理、古氣候的變化，蘇鐵、銀杏裸子植物逐漸走向衰退和滅絕，松柏類植物大量減少。這一時期，被子植物迅速繁殖，成為占絕對優(yōu)勢的植物群。新生代聚煤期——第三個重要聚煤史。

植物的主要演化發(fā)展階段如圖1-4所示。

3．各地質(zhì)年代的成煤植物及成煤情況

（1）地質(zhì)年代　是指地球上各種地質(zhì)事件發(fā)生的時代。它包含相對地質(zhì)年代和絕對地質(zhì)年代。這兩方面結(jié)合，才構(gòu)成對地質(zhì)事件及地球、地殼演變時代的完整認(rèn)識，地質(zhì)年代表正是在此基礎(chǔ)上建立起來的。地質(zhì)年代的劃分和研究，是通過巖石和化石的歷史來確定的。

地質(zhì)年代按時間間隔的長短，劃分為五級時間單位，按從大到小的順序分別是宙、代、紀(jì)、世、期，常用的為代、紀(jì)、世。其中代是根據(jù)生物演變的主要階段劃分的，如古生代的植物主要是孢子植物。中生代的植物主要是裸子植物。紀(jì)的劃分主要依據(jù)地殼節(jié)奏運(yùn)動造成的沉積旋回、古地理特征及生物群的變化。世是根據(jù)生物科目的發(fā)展演化階段來劃分的。地質(zhì)年代與成煤期的關(guān)系見表1-4。

（2）中國幾個主要聚煤期　聚煤期和主要聚煤期是就全球而論的。不同國家和地區(qū)，主要聚煤期各有差異。中國的主要聚煤期有八個：早寒武世、早石炭世、晚石炭世-早二疊世、晚二疊世、晚三疊世、早侏羅世-中侏羅世、晚侏羅世-早白堊世和第三紀(jì)。上述聚煤期中，以石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和第三紀(jì)的聚煤作用最強(qiáng)。

4．成煤植物的有機(jī)族組成及其成煤性質(zhì)

高等植物和低等植物的基本組成單元是細(xì)胞。細(xì)胞是由細(xì)胞壁和原生質(zhì)構(gòu)成的。前者的主要成分是纖維素、半纖維素和本質(zhì)素，而后者的主要成分是蛋白質(zhì)和脂肪。高等植物的細(xì)胞含原生質(zhì)較少，低等植物則相反。莖是高等植物的主體，其外面被一層表皮所包裹。表皮外層為角質(zhì)層，里層為木栓層。從表皮向內(nèi)，依次是形成層、木質(zhì)部和髓心。

高等植物除了根、莖、葉外，還有繁殖器官孢子和花粉。孢子屬于孢子植物，花粉屬于種子植物。

（1）植物的族組成　從化學(xué)的觀點(diǎn)看，植物的有機(jī)族組成可以分為四類，即糖類及其衍生物、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和脂類化合物。

①糖類及其衍生物　糖類及其衍生物含有碳、氫、氧三種元素，常用通式Cn（H2O）m表示，所以這類化合物常被稱為碳水化合物。這類化合物包括纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)等。

a．纖維素　纖維素是一種高分子的碳水化合物，屬于多糖；其鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)可用通式（C6H10O5）n表示，分子結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。

纖維素在生長著的植物體內(nèi)很穩(wěn)定，但植物死亡后，需氧細(xì)菌通過纖維素水解酶的催化作用可將纖維素水解為單糖，后者進(jìn)一步氧化則分解為CO2和H2O，即：

當(dāng)環(huán)境缺氧時，厭氧細(xì)菌使纖維素發(fā)酵生成CH4、CO2、C3H7COOH和CH3COOH等。無論是水解產(chǎn)物還是發(fā)酵產(chǎn)物，它們都可與植物的其他分解產(chǎn)物縮合形成更復(fù)雜的物質(zhì)參與成煤，或成為微生物的營養(yǎng)來源。

b．半纖維素　半纖維素是多糖，其結(jié)構(gòu)多種多樣，例如多維戊糖就是其中的一種。它們也能在微生物作用下分解成單糖。

c．果膠質(zhì)　果膠質(zhì)是糖的衍生物，呈果凍狀存在于植物的果實和木質(zhì)部中。果膠質(zhì)分子中有半乳糖醛酸HOC—（CHOH）4—COOH，故呈酸性。果膠質(zhì)的結(jié)構(gòu)式如圖1-6所示。

果膠質(zhì)是不穩(wěn)定的，在泥炭形成的開始階段，即可因生物化學(xué)作用水解成一系列的單糖和糖醛酸。

②木質(zhì)素　木質(zhì)素主要分布在高等植物莖部的細(xì)胞壁中，包圍著纖維素并填充其間隙，以增加莖部的堅固性。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，以至于至今還不能用一個結(jié)構(gòu)式來表示，但人們已認(rèn)識到它具有芳香核，帶有側(cè)鏈，并含有甲氧基（—OCH3）、羥基（—OH）、醚基（—O—）和醛基等各種官能團(tuán)。木質(zhì)素的組成因植物的種類而異。目前已查明有三種類型的單體，如表1-5所示。

木質(zhì)素的單體以不同的鏈連接成三度空間的大分子，因而比纖維素穩(wěn)定，不易水解。但在多氧的情況下，經(jīng)微生物的作用易氧化成芳香酸和脂肪酸。

③蛋白質(zhì)　蛋白質(zhì)是構(gòu)成植物細(xì)胞原生質(zhì)的主要成分，也是有機(jī)體生命起源的最重要物質(zhì)。其結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。在低等植物中，蛋白質(zhì)含量較高，而在木本植物中，蛋白質(zhì)含量不高。蛋白質(zhì)是由氨基酸分子按一定排列方式結(jié)合而成的復(fù)雜的高分子化合物。植物死亡后，如果處在氧化條件下，蛋白質(zhì)經(jīng)微生物作用可全部分解成氣態(tài)產(chǎn)物（NH3、CO2、H2O、H2S等）。在泥炭沼澤中，蛋白質(zhì)可水解成簡單的氨基酸，參與成煤。由于蛋白質(zhì)的元素組成有碳、氫、氧、氮、硫等元素，有些蛋白中含有磷，所以有人認(rèn)為煤中的氮和有機(jī)硫可能來自成煤植物中的蛋白質(zhì)。

④脂類化合物　脂類化合物通常指不溶于水，而溶于苯、醚和氯仿等有機(jī)溶劑的一類有機(jī)化合物。存在于植物中的脂類化合物主要有以下幾種類型。

a．脂肪　脂肪屬于長鏈脂肪酸的甘油酯。低等植物含脂肪較多，如藻類含脂肪可達(dá)20％。高等植物一般僅含1％～2％，且多集中在植物的孢子或種子中。脂肪受化學(xué)作用可被分解，生成脂肪酸和甘油，前者參與成煤作用。在天然條件下，脂肪酸具有一定的穩(wěn)定性，因此從泥炭或褐煤的抽提瀝青中能發(fā)現(xiàn)脂肪酸。

b．樹脂　樹脂是植物生長過程中的分泌物。當(dāng)植物受創(chuàng)時，不斷分泌出膠狀的樹脂來保護(hù)傷口。高等植物中的針狀植物含樹脂最多。低等植物不含樹脂。樹脂是混合物，其成分主要是二萜和三萜類的衍生物。樹脂的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，不受微生物破壞，也不溶于有機(jī)酸，因此能較好地保存在煤中。我國撫順第三紀(jì)褐煤中的“琥珀”就是由植物的樹脂演變而成的。

c．樹蠟　樹蠟的化學(xué)性質(zhì)類似于脂肪，但比脂肪更穩(wěn)定。它呈薄層覆于植物的葉、莖和果實表面。以防止水分的過度蒸發(fā)和微生物的侵入。蠟質(zhì)是長鏈脂肪酸和含24～36（或更多）個碳原子的高級一元醇聚合形成的脂類，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，遇強(qiáng)酸也不易分解。

d．角質(zhì)　角質(zhì)是角質(zhì)膜的主要成分，其含量可達(dá)50％以上。植物的葉、嫩枝、幼芽和果實的表面常常覆蓋著角質(zhì)膜，其作用是防止水分的過度蒸發(fā)和微生物的侵入。角質(zhì)是脂肪酸脫水或聚合的產(chǎn)物，其主要成分是含16～18個碳原子的角質(zhì)酸。

e．木栓質(zhì)　木栓質(zhì)是將植物的木栓組織浸透以提高其抵抗微生物作用腐爛變質(zhì)的能力。在木栓中木栓質(zhì)含量為25％～50％。木栓質(zhì)的主要成分是脂肪醇酸、二羧酸、碳原子數(shù)大于20的長鏈羧酸和醇類。

f．孢粉質(zhì)　孢粉質(zhì)是構(gòu)成植物繁殖器官孢子、花粉外壁的主要有機(jī)成分，具有脂肪-芳香族網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，耐酸耐堿且不溶于有機(jī)溶劑，并可耐較高的溫度而不發(fā)生分解。

脂類化合物的共同特點(diǎn)是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此能較完整地保存在煤中。

以上介紹了植物的各種有機(jī)組分及在生物化學(xué)變化過程中的變化情況，如果按分解的難易程度，由易到難依次為：原生質(zhì)、葉綠素、脂肪、半纖維素、纖維素、木質(zhì)素、木栓質(zhì)、角質(zhì)、孢子、花粉、樹蠟、鞣質(zhì)、樹脂?？梢姡参镏懈鞣N有機(jī)組分抵抗微生物分解的能力決定了它們的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。

（2）成煤原始物質(zhì)對煤質(zhì)的影響　各種植物，植物的各個部分，分解后的產(chǎn)物及參與分解的微生物都能參與成煤。但是，由于成煤植物及植物的不同部分在有機(jī)組成上存在差異，也由于不同有機(jī)組分在化學(xué)性質(zhì)、元素組成上的差異，使得不同植物和植物的不同部分的分解、保存和轉(zhuǎn)化存在很大差別，導(dǎo)致煤的組成、性質(zhì)的差異，影響到煤的工業(yè)利用。所以，成煤原始物質(zhì)是影響煤質(zhì)的重要因素之一。

在高等植物形成的煤中，如果成煤植物是以根、莖等木質(zhì)纖維組織為主，煤的氫含量較低；如果成煤植物是以角質(zhì)、木栓質(zhì)、樹脂、孢粉等脂類化合物為主，則煤的氫含量較高。

二、成煤過程

成煤過程是指從植物死亡，遺體堆積直到轉(zhuǎn)變成煤所經(jīng)歷的一系列演變過程。

（一）成煤條件

（1）古植物條件　植物是成煤的物質(zhì)基礎(chǔ)，只有植物大量繁殖的時期才是成煤的有利時期。

（2）氣候條件　溫暖、潮濕的氣候條件最適宜成煤。

（3）自然地理條件　泥炭沼澤是發(fā)生聚煤作用的良好古地理環(huán)境。

（4）地殼運(yùn)動條件　地殼運(yùn)動是地球運(yùn)動、發(fā)展、變化的一種表現(xiàn)形式。地殼運(yùn)動對成煤的影響表現(xiàn)在以下幾個方面。地殼運(yùn)動對自然地理環(huán)境起控制作用；地殼沉降速度直接影響泥炭層的沉積厚度。

（二）煤的形成過程

當(dāng)植物死亡后，遺體堆積在沼澤中，經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)變化轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗵炕蚋啵S著地殼沉降運(yùn)動，泥炭、腐泥被埋到地下深部，經(jīng)過物理化學(xué)作用、地質(zhì)作用，逐漸演變成腐殖煤或腐泥煤。

1．腐殖煤的成煤過程

由高等植物轉(zhuǎn)化為腐殖煤要經(jīng)歷復(fù)雜而漫長的過程，一般需要幾千萬年到幾億年的時間。整個成煤作用可劃分為兩個階段：泥炭化作用過程和煤化作用過程。如圖1-8所示。

煤化程度的概念：在褐煤向煙煤、無煙煤轉(zhuǎn)化的進(jìn)程中，由于地質(zhì)條件和成煤年代的差異，使煤處于不同的轉(zhuǎn)化階段。煤的這種轉(zhuǎn)化階段稱為煤化程度，有時稱為變質(zhì)程度或煤級。按煤化程度由低到高依次是：褐煤、煙煤（長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤）、無煙煤。

（1）泥炭化作用　泥炭化作用是指高等植物的遺體經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)變化和物理化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成泥炭的過程。在這個過程中，植物有機(jī)組分的變化非常復(fù)雜，根據(jù)引起變化的微生物類型又可分兩個階段。

第一階段：植物遺體被沼澤中的水掩蓋后，最初是處于泥炭沼澤的表層，由于表層覆水淺、陽光充足、空氣流通，又有大量的有機(jī)質(zhì)提供養(yǎng)料，很適宜微生物的生存，水中含有大量的需氧細(xì)菌，植物遺體在需氧細(xì)菌的作用下發(fā)生氧化分解和水解作用，轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)簡單、化學(xué)性質(zhì)活潑的有機(jī)化合物。例如，纖維素經(jīng)需氧細(xì)菌水解后形成單糖，木質(zhì)素被氧化分解成芳香酸和脂肪酸，蛋白質(zhì)被分解為氨基酸。

第二階段：隨著地殼的沉降和植物遺體堆積，分解產(chǎn)物和未分解的植物遺體被埋到泥炭沼澤的中層和底層，氧化環(huán)境逐漸被還原環(huán)境取代，這時需氧細(xì)菌的數(shù)量不斷減少，厭氧細(xì)菌的數(shù)量顯著增多，在厭氧細(xì)菌的作用下，植物有機(jī)組分發(fā)生厭氧分解，其中纖維素、果膠質(zhì)經(jīng)厭氧分解生成丁酸、乙酸等產(chǎn)物，蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生氨基酸，脂肪分解成脂肪酸，在厭氧細(xì)菌的作用下分解產(chǎn)物之間、分解產(chǎn)物與植物殘體之間又不斷發(fā)生一系列復(fù)雜的生物化學(xué)變化，逐漸化合形成腐殖酸、腐殖酸鹽、瀝青質(zhì)、硫化氫、二氧化碳、甲烷、氫等，其中一部分不穩(wěn)定的氣體逸出后，剩下的物質(zhì)沉積成泥炭。

泥炭一般為棕褐色或黑褐色，無光澤，質(zhì)軟且富含水分及腐殖酸。

（2）煤化作用　煤化作用是指由泥炭轉(zhuǎn)變?yōu)楦趁旱倪^程，或由腐泥轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗝旱倪^程。

煤化作用中，主要發(fā)生物理化學(xué)變化和化學(xué)變化。根據(jù)作用條件的不同，煤化作用可分為成巖作用和變質(zhì)作用兩個階段。

成巖作用：泥炭在沼澤中層層堆積，越積越厚，當(dāng)?shù)貧は陆邓俣容^大時，泥炭將被泥沙等沉積物覆蓋。在上覆沉積物的壓力作用下，泥炭發(fā)生了壓緊、失水、膠體老化、固結(jié)等一系列變化，微生物的作用逐漸消失，取而代之的是緩慢的物理化學(xué)作用。這樣，泥炭逐漸變成了較為致密的巖石狀的褐煤。

變質(zhì)作用：當(dāng)褐煤層繼續(xù)沉降到地殼較深處時，上覆巖層壓力不斷增大，地溫不斷增高，褐煤中的物理化學(xué)作用速率加快，煤的分子結(jié)構(gòu)和組成產(chǎn)生了較大的變化。碳含量明顯增加，氧含量迅速減少，腐殖酸也迅速減少并很快消失，褐煤逐漸轉(zhuǎn)化成為煙煤。隨著煤層沉降深度的加大，壓力和溫度提高，煤的分子結(jié)構(gòu)繼續(xù)變化，煤的性質(zhì)也不斷發(fā)生變化，最終變成無煙煤。

2．腐泥煤的成煤過程

當(dāng)植物死亡后，遺體堆積在沼澤中，經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成腐泥，隨著地殼沉降運(yùn)動，腐泥被埋在地下深部，經(jīng)過物理化學(xué)作用、地質(zhì)作用，逐漸演變成腐泥煤。整個腐泥煤的成煤作用可劃分為兩個階段：腐泥化作用過程和成巖作用過程。

腐泥化作用：在停滯缺氧的滯水盆地中，浮游生物和菌藻類等低等植物死亡后，在缺氧的環(huán)境中，由厭氧細(xì)菌的作用，低等植物中的蛋白質(zhì)、糖類化合物、脂肪分解，再經(jīng)聚合和縮合作用，形成一種含水很多的棉絮狀膠體物質(zhì)。這種物質(zhì)再經(jīng)過脫水、致密，密度增大，逐漸形成腐泥。腐泥經(jīng)煤化作用而成腐泥煤。隨煤化程度的增加，腐泥煤發(fā)生的變化與腐殖煤相似。

腐泥常呈黃褐色、暗褐色、黑灰色等，水分含量可達(dá)70％～90％，是一種粥狀流動的或凍膠淤泥狀物質(zhì)；干燥后水分降低至18％～20％，為具有彈性的橡皮狀物質(zhì)。腐泥干燥后也可作燃料或肥料使用，干餾時腐泥的焦油產(chǎn)率很高。

（三）影響煤變質(zhì)的因素

1．溫度

溫度是影響煤變質(zhì)的主要因素。在煤田地質(zhì)勘探過程中，穿過煤系的深孔鉆探提示了隨煤層的埋藏深度增加，煤化程度增高這一事實，說明地溫增高，煤化程度增高。

2．壓力

壓力也是引起煤變質(zhì)的因素之一。

3．時間

時間是影響煤變質(zhì)的另一重要因素。在溫度、壓力大致相同的條件下，煤化程度取決于受熱時間的長短，受熱時間越長，煤化程度越高，受熱時間越短，煤化程度越低。見圖1-9。

三、沼澤

沼澤是在一定的氣候、地貌和水文條件下，常年積水或極其潮濕的地段，內(nèi)有大量植物生長和堆積。如圖1-10所示。

沼澤按水分補(bǔ)給來源的不同，可劃分為三種類型：低位沼澤，主要由地下水補(bǔ)給、潛水面較高的沼澤；高位沼澤，主要以大氣降水為補(bǔ)給來源的泥炭沼澤；中位沼澤或過渡沼澤，兼有低位沼澤和高位沼澤的特點(diǎn)，其水源部分由地下水補(bǔ)給，部分由大氣降水補(bǔ)給。根據(jù)沼澤距離海岸的遠(yuǎn)近，分為近海泥炭沼澤與內(nèi)陸泥炭沼澤。根據(jù)水介質(zhì)的含鹽度，沼澤又可分為淡水沼澤、半咸水沼澤和咸水沼澤。

小結(jié)

一、成煤的物質(zhì)

二、植物的族組成及對煤的影響

三、成煤作用過程

測試題

一、填空題

1．植物的演化過程主要經(jīng)歷了（?。┲参?、（　）植物、（　）植物、（?。┲参锖停ā。┲参?個階段，其中（?。┲参飳俚偷戎参?，其余為（?。┲参铩?/p>

2．植物的有機(jī)組成可以分為4類，即（　）、（?。?、（?。┖停ā。?。

3．糖類及其衍生物常被稱為（　）化合物。這類化合物包括（?。?、（　）和（　）等。脂類化合物主要包括（　）、（?。?、（　）、（?。?、（?。┖停ā。?。

4．根據(jù)成煤過程的影響因素和結(jié)果不同，成煤過程可分為（　）作用（或腐泥化作用）和（?。┳饔脙蓚€階段。

5．成煤的外界條件有（　）、（?。ⅲā。┖停ā。?/p>

二、簡答題

1．煤炭形成需要哪些條件？成煤的外界條件在成煤過程中各起什么作用？

2．簡述泥炭化作用和腐泥化作用的過程。

3．成煤植物的主要化學(xué)組成是什么？它們各自對成煤的貢獻(xiàn)如何？為什么木質(zhì)素對成煤作用的貢獻(xiàn)最大？

4．什么是腐泥煤？什么是腐殖煤？簡述其主要特征。

5．什么是沼澤？按水的補(bǔ)給來源分，沼澤分為哪幾類？