第二節　煤的生成

一、成煤的原始物質

1.煤是由植物生成的

雖然煤的開采、利用可以追溯到遠古時期，但是在19世紀以前，對于成煤的原始物質，并沒有正確的認識。有人認為煤和地殼中的其他巖石一樣，一有地球就存在；有人認為煤是由巖石轉變而成。隨著煤炭的大規模開采，人們在煤層的頂、底板巖層中發現了大量的樹根、樹葉、樹干等植物化石。有人認為煤可能是由植物形成的，但缺乏直接證據。直到19世紀以后，發明了顯微鏡，人們利用顯微鏡在煤中觀察到許多植物的細胞結構，例如，把煤磨成薄片放在顯微鏡下觀察，可以看到煤中保留著植物的某些原始組分（如木質細胞結構、孢子、木栓質、角質層等），甚至有時還能觀察到植物生長的年輪。最終揭開了成煤原始物質之謎，證實了煤是由植物變成的。

2.植物的演化

地質歷史時期，植物的演化是由單細胞到多細胞，由低級到高級，由簡單到復雜，由水生到陸生逐步進化和發展的。其演化發展主要經歷以下幾個階段。

（1）菌藻植物時期　中志留世以前，植物界是以水生的菌類、藻類植物為主，如藍綠藻等。

（2）裸蕨植物時期　晚志留世至中泥盆世，伴隨著地殼上升，陸地逐漸擴大，促使那些能適應環境變化的植物由水生轉為陸生，產生了最古老的陸生植物群（裸蕨植物為主）。

（3）蕨類植物時期　晚泥盆世至早二疊世，隨著原始的裸蕨植物逐漸被淘汰，比它更優越的石松類、真蕨類迅速崛起，節蕨類也重趨繁盛，植物界進入了大發展時期，出現了茂密的森林。當各種蕨類植物演化達到高潮時，由它們又演化出一種新的植物類群，即裸子植物的古老類型。其中，以種子蕨綱和苛達樹綱的迅速發展為代表。

（4）裸子植物時期　晚二疊世至早白堊世，氣候逐漸干旱，適宜溫暖潮濕環境生活的各種蕨類植物，除真蕨綱較能適應這一變化外，其他蕨類植物都逐漸衰退了。這一時期以裸子植物的蘇鐵類、銀杏類、松柏類為主，它們大量繁殖并形成茂密森林。這一時期，被子植物的祖先開始從裸子植物中脫胎而出。

（5）被子植物時期　晚白堊世至現代，隨著古地理、古氣候的變化，蘇鐵、銀杏等裸子植物逐漸走向衰退和滅絕，松柏類的數量大為減少。這一時期，被子植物迅速繁殖，成為占絕對優勢的植物群。

3.各地質年代的成煤植物及成煤情況

（1）地質年代　地球從形成至今已經歷了漫長的45億年，而且地球始終進行著運動發展和變化，地殼上留下了許多反映地球運動、發展、變化的依據。為了便于開展地質研究及找礦工作，地質學家綜合了地層層序、生物演化、地殼運動等因素，把地質歷史劃分為許多階段，每個大階段又可分為次級階段，這樣就產生了地質年代單位。

常用的地質年代單位主要有代、紀、世。其中代是根據生物演化的主要階段劃分的。如古生代的植物主要為孢子植物。中生代的植物主要為裸子植物。紀的劃分主要依據地殼節奏運動造成的沉積旋回、古地理特征及生物群的變化。世是根據生物科目的發展演化階段來劃分的，見表1-3。

（2）中國主要聚煤期和聚煤作用　中國蘊藏著豐富的煤炭資源，含煤地層遍布全國各地。研究表明，中國的聚煤期主要有八個：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-中侏羅世、晚侏羅世-早白堊世、第三紀。早寒武世是由低等植物成煤，在中國湘、鄂、浙、皖、黔、桂等地形成了一定規模的石煤資源。由陸生高等植物形成的煤，則開始于晚古生代的早石炭世，其中以石炭紀、二疊紀、侏羅紀、第三紀聚煤作用最強。以下簡述中國幾個主要聚煤期的聚煤作用。

①晚石炭世的聚煤作用。晚石炭世，中國的絕大部分地區為熱帶和亞熱帶氣候。高大的鱗木和松柏綱、楔葉綱、真蕨綱高等植物群非常茂盛，許多地區形成了茂密的沼澤森林，為聚煤作用提供了必要的物質基礎。當時中國華北、西北部分地區，華東和中南區為濱海平原，普遍沉積了晚石炭世太原組煤系，其中河北的開灤、峰峰；山西的陽泉、晉城、潞安、汾西、西山等礦區都沉積有較厚的太原組煤系。

②早二疊世的聚煤作用。早二疊世，中國華南、華北地區屬熱帶、亞熱帶氣候。銀杏、蘇鐵和松柏等植物組成的森林十分繁茂，沼澤遍布，具備較好的成煤條件，沉積了以華北為中心的山西組煤系。與此同時，湖北、湖南、四川、貴州、江西、陜西等地也沉積了具有一定經濟價值的梁山煤系。早二疊世晚期，中國北方已變成半干旱半潮濕氣候，大面積的聚煤作用已停止，僅在安徽、蘇北的徐州、河南平頂山沉積了石盒子組煤系。

③晚二疊世聚煤作用。晚二疊世，華北、西北東部氣候逐漸干旱，沒有形成有價值的煤系。在華南及西南一帶氣候溫暖潮濕，科達綱、鱗木類植物繁茂，沉積了巨厚的海陸交替相的龍潭煤系。其中以貴州境內沉積厚度最大。

④侏羅紀聚煤作用。早、中侏羅世，中國北方氣候溫暖、潮濕，銀杏、松柏和真蕨類植物大量繁殖，形成大面積的原始森林，為成煤提供了豐富的物質基礎，在華北、西北地區的許多內陸聚煤盆地中沉積了早、中侏羅世的陸相煤系。晚侏羅世，中國北方的植物群仍以松柏、銀杏、蘇鐵和真蕨植物為主，在內蒙古東北部、東北地區都沉積有晚侏羅世煤系。

⑤第三紀聚煤作用。第三紀早期，中國北方氣候溫暖，東部及沿海一帶為潮濕和半潮濕氣候，木本植物茂盛，在撫順、沈陽、梅河、琿春、舒蘭等地沉積了早第三紀煤系。第三紀晚期，中國北方干旱，南方及東南沿海一帶氣候潮濕，沉積了以云南小龍潭煤系為代表的陸相煤系。

4.植物的族組成及其成煤性質

（1）植物的族組成　在生物發展史上，植物經歷了由水生到陸生，由低級到高級，由簡單到復雜的逐步進化和發展。按其進化順序可分為菌藻植物、苔蘚植物、蕨類植物、裸子植物、被子植物，其中菌藻植物屬低等植物，其余為高等植物。

低等植物主要是單細胞植物或者是多細胞構成的絲狀體，葉狀體植物，它們沒有根、莖、葉與器官的分劃，大多數生活在水中或陰暗潮濕的環境中，如細菌、藍藻、綠藻等。

高等植物都是多細胞植物，具有根、莖、葉等器官的劃分，其中根為吸收和固著器官；莖能支持植物體和起輸導作用；葉進行光合作用。此外，高等植物還具有完善的繁殖器官（孢子、花粉）。所以，高等植物具有很強的陸地適應性，能適應陸地生活。

低等植物和高等植物都是由細胞組成的，細胞由細胞壁和原生質構成。組成細胞壁的主要成分是纖維素、半纖維素、木質素、果膠等，原生質主要由蛋白質和脂類化合物（脂肪、樹脂、樹蠟、角質、木栓質、孢粉等）組成。研究表明，不同種類植物的有機組成并不相同，而且同一種植物的不同部位其有機組成也存在差異，如表1-4所示。

低等植物主要由蛋白質和糖類物質組成，脂類化合物含量也較高。高等植物的有機組成以糖類物質和木質素為主。在木本植物的各部分中，根、莖、葉以糖類和木質素為主；孢子、花粉和角質層主要由脂類化合物組成；原生質則含有大量的蛋白質。所以，植物有機組成的差異，直接影響它們在成煤過程中的分解與轉化，并且影響煤的性質和煤的用途。

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、半纖維素和果膠等。

a.纖維素。纖維素是組成植物細胞壁的主要成分，是構成植物支持組織的基礎。在高等植物的木質部分，纖維素約占50％。纖維素是一種高分子化合物，屬于多糖，分子式可用（C6H10O5）n表示，分子結構如圖1-1所示。

纖維素在活著的植物體內很穩定，但植物死亡后，纖維素變得不穩定，需氧細菌通過纖維素水解酶的催化作用可將纖維素水解為單糖，如果這些單糖繼續遭受氧化作用，則被分解為CO2和H2O。變化過程如下

但是，在沼澤環境下，氧化分解常常是不充分的。原因是：首先，隨著泥炭沼澤水的覆蓋和植物遺體堆積厚度的增加，使正在分解的植物遺體逐漸與空氣隔絕而出現弱氧化環境或還原環境；其次，植物遺體轉化過程中分解出的氣體、液體和細菌新陳代謝的產物促使沼澤中介質的酸度增強，抑制了需氧細菌、真菌的生存和活動。由于上述原因，沼澤水被“毒化”。在缺氧環境下，厭氧細菌使纖維素發酵生成CH4、CO2、C3H7COOH和CH3COOH等。

這些水解產物和發酵產物都可與植物的其他分解產物縮合形成更復雜的物質參與成煤，或成為微生物的營養來源。

b.半纖維素。半纖維素也是植物細胞壁的組成部分，它在高等植物的木質部中占17％～41％。半纖維素也屬于多糖，其結構多種多樣，多維戊糖（C5H8O4）n就是其中之一。與纖維素相比，半纖維素更易水解和發酵，它們也能夠在微生物作用下水解成單糖，變化過程如下

這種單糖的后續變化與上述纖維素的情況類似。

c.果膠。果膠屬糖的衍生物，呈果凍狀，存在于植物的木質部或集中分部于植物的果實中。果膠分子中含有半乳糖醛酸HOC—（CHOH）4—COOH，呈酸性，其分子結構如圖1-2所示。

果膠不穩定，在微生物作用下，可以水解成一系列的單糖和糖醛酸，進一步分解可形成脂肪酸類物質而參與成煤。

②木質素。木質素主要分布在高等植物莖部的細胞壁中，包圍著纖維素并填充其間隙，以增加莖部的堅固性。木質素結構非常復雜，以至于至今還不能用一個結構式來表示，但人們已認識到它具有芳香核，帶有側鏈，并含有甲氧基（—OCH3）、羥基（—OH）、醚基（—O—）和醛基等各種官能團。根據弗來格（FLaig）的研究，木質素的組成隨植物種類的不同而變化，共有三種不同類型的單體，如表1-5所示。

木質素的單體以不同的鏈相互連接、形成三維空間的大分子，所以，它比纖維素更穩定，很難水解。在多氧的沼澤環境中，經微生物作用可被氧化成芳香酸和脂肪酸而參與成煤。研究表明，木質素是成煤的主要植物成分。

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

④脂類化合物。脂類化合物通常指不溶于水，而溶于苯、醚和氯仿等有機溶劑的一類有機化合物。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，是植物細胞內原生質的一種成分。低等植物脂肪含量較高，在藻類中可達20％；高等植物的脂肪含量一般為1％～2％，主要集中在植物的孢子和種子中。在生物化學作用過程中，脂肪可被水解，生成脂肪酸和甘油，脂肪酸能參與成煤。

b.樹脂。樹脂是植物生長過程中產生的分泌物，當植物受到傷害時，就會分泌出膠狀的樹脂來保護傷口。低等植物沒有樹脂，高等植物中的針葉植物含樹脂最多。樹脂的化學性質穩定，不溶于有機酸，也不易被微生物破壞，能完好地保存在煤中，直接參與成煤的作用。中國撫順第三紀褐煤中的“琥珀”就是由成煤植物中的樹脂轉變成的。

c.樹蠟。樹蠟呈薄膜狀覆蓋在植物莖、葉和果實的表面，可以有效地防止水分的過度蒸發和微生物的侵入。樹蠟的化學性質類似于脂肪，但比脂肪更穩定，遇強酸也不易分解。在泥炭和褐煤中經常可發現樹蠟。

d.角質。角質是角質膜的主要成分，含量可達50％以上，角質膜常覆蓋在植物的葉、嫩枝、幼芽和果實的表皮上，以防止水分的過度蒸發和微生物的侵入。角質是脂肪酸脫水或聚合的產物，其化學性質穩定，在生物化學作用過程中不易分解，能較完整地保存在煤中。

e.木栓質。木栓質能將植物的木栓組織浸透以提高其抵抗腐爛的能力。在木栓中木栓質的含量可達25％～50％。木栓質的主要成分是脂肪醇酸、二羧酸等。木栓的化學性質穩定，在煤中常保存著植物的木栓層。

f.孢粉質。孢粉質是構成植物繁殖器官孢子、花粉外壁的主要有機成分。在孢子中孢粉質的含量達20％，孢粉質具有脂肪-芳香族網狀結構，它的化學性質非常穩定，能耐較高的溫度和酸、堿，也不溶于有機溶劑，常完好地保存在煤中。

上述脂類化合物的共同特點是化學性質穩定，因此能較完整地保存在煤中。除上述主要有機化合物外，植物中還有鞣質、色素等成分。鞣質屬芳香族化合物，它浸透了老年植物木質部細胞壁、種子外殼。在許多植物的樹皮中鞣質高度富集，鐵樹、漆樹、云杉、樺樹等現代植物和一些古植物中都含有鞣質。鞣質的抗腐性很強，不易分解。色素是植物體內儲存和傳遞能量的重要因子，含有能與金屬原子相結合的吡咯化合物結構。

以上介紹了植物的各種有機組分及在生物化學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；葉綠素；脂肪；半纖維素、纖維素；木質素；木栓質；角質；孢子、花粉；樹蠟；鞣質；樹脂。

（2）成煤原始物質對煤質的影響　地質歷史時期，植物的演化、發展經歷了幾個大的階段，在不同的地質時期生物群的面貌存在很大差異。由于不同種類的植物，其有機組分的含量相差懸殊，相同植物的不同部分有機組分的含量也不相同（見表1-4）；而且，不同植物的元素組成有差異，不同類型的有機組分其元素組成也有較大變化（見表1-6）。

從理論上講，各種植物、植物的各個部分，分解后的產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組成上存在差異，也由于不同有機組分在化學性質、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、保存和轉化存在很大差別，例如，低等植物中蛋白質、脂類化合物含量高，由低等植物形成的煤（腐泥煤）中氫含量較高。導致煤的組成、性質的差異，影響到煤的工業利用。所以，成煤原始物質是影響煤質的重要因素之一。

在高等植物形成的煤中，如果成煤植物是以根、莖等木質纖維組織為主，煤的氫含量較低；如果成煤植物是以角質、木栓質、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，遺體堆積直到轉變成煤所經歷的一系列演變過程。

1.成煤條件

地質歷史時期，存在著大量植物，這些植物是否都能轉變成煤呢。研究證實，并不是所有植物都能成煤，要想成煤，必須具備一定的條件。

（1）古植物條件　植物是成煤的物質基礎，只有植物大量繁殖的時期才是成煤的有利時期。在植物發展史上，早期出現的植物是生活在水中的低等植物，如菌類、藻類。分布于中國南方省份的石煤就是由低等植物演變而成的。隨著植物的進化，從晚志留世-早泥盆世植物開始“登陸”，出現了陸生的高等植物（裸蕨），裸蕨只能生活在水盆地的邊緣，數量較少且個體矮小，未能形成大規模的煤層。到了石炭、二疊紀，陸生植物飛速發展，不僅數量多，而且發育成高大的木本植物，為成煤提供了大量的物質基礎，形成大量具有工業價值的煤層。為了證明植物與成煤的關系，有人曾做過實驗估算：5～10m厚的植物遺體能形成1m厚的泥炭，時間需400～500年；而5～10m厚的泥炭能形成約1m厚的褐煤，時間約需上萬年。還有人根據成煤過程中的變化，估計10m厚的植物遺體堆積層可形成1m厚的泥炭，進而轉變為0.5m厚的褐煤或0.17m厚的煙煤。可見，只有當植物大面積分布，且持續繁殖才能形成儲量豐富的煤田。

（2）氣候條件　氣候與成煤的關系非常密切，它對成煤的影響主要表現在兩個方面。首先，氣候能影響植物的繁殖，研究表明，干旱的氣候環境，不利于植物的生長，植被稀少；寒冷地區，植物生長緩慢，只有溫暖、潮濕的氣候環境最適宜植物的生長繁殖，植物非常茂盛。其次，氣候控制著泥炭沼澤的發育。當年平均降水量小于年平均蒸發量時，只有少數有水源補給的低洼地區可能沼澤化。而當年平均降水量大于年平均蒸發量時，可導致低洼地區大范圍沼澤化。所以，溫暖、潮濕的氣候條件最適宜成煤。

（3）自然地理條件　研究表明，要想形成分布面積廣，具有開采價值的煤層，必須有既適宜植物大量繁殖，又能使植物遺體得以保存的良好自然地理環境。自然界中，只有泥炭沼澤具備這種條件。因為沼澤是地表常年積淺水，氣候非常濕潤的洼地，沼澤環境很適宜植物的生長、繁殖，通常植物叢生，當植物死亡后，又能及時被沼澤中的水掩蓋，避免植物全部氧化，所以，泥炭沼澤是發生聚煤作用的良好古地理環境。

（4）地殼運動條件　地殼運動是地球運動、發展、變化的一種表現形式。地殼運動對成煤的影響表現在以下幾個方面。

①地殼運動對自然地理環境起控制作用。當地殼發生沉降運動時，可以使近海平原或內陸洼地積水，引起沼澤化，形成沼澤。而且沼澤的面積大小、覆水深度、演化過程都受地殼運動控制。

②地殼沉降速度直接影響泥炭層的沉積厚度。當地殼的沉降進度與植物遺體的堆積速度大致相等時，沼澤基底沉降的空間恰好被植物遺體的堆積所充填，沼澤中積水的深度基本保持不變，繼續維持沼澤環境，這種平衡持續時間越長，泥炭層的堆積厚度就越大。

當地殼沉降速度小于植物遺體堆積速度時，沼澤基底沉降的空間不足以充填植物遺體，相當于沼澤中積水的深度變淺，這種狀況持續一段時間后，沼澤被植物遺體填滿，后續植物死亡后不能被水掩蓋，遭受氧化而破壞，無法形成較厚的泥炭層。

當地殼沉降速度大于植物遺體堆積速度時，沼澤基底沉降的空間不能被植物遺體填滿，相當于沼澤中積水的深度增大，這種狀況持續一段時間后，沼澤逐漸演變為湖泊，植物的生長繁殖受到限制，泥炭層的沉積中斷，不能形成較厚的泥炭層，轉而沉積泥沙物質。

綜上所述，在地質歷史時期，聚煤盆地只有同時具備植物、氣候、古地理和地殼運動這四個條件，且相互配合默契、持續時間長，才能形成煤層多、儲量大的重要煤田。

2.成煤過程

當植物死亡后，遺體堆積在沼澤中，經過復雜的生物化學變化轉變為泥炭或腐泥，隨著地殼沉降運動，泥炭、腐泥被埋到地下深部，經過物理化學作用、地質作用，逐漸演變成腐殖煤或腐泥煤。

根據成煤過程中影響因素和結果的不同，成煤過程可分為泥炭化作用（或腐泥化作用）和煤化作用兩個階段。

（1）泥炭化作用與腐泥化作用　泥炭化作用是指高等植物的遺體經過復雜的生物化學變化和物理化學變化轉變成泥炭的過程。在這個過程中，植物有機組分的變化非常復雜，根據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，又有大量的有機質提供養料，很適宜微生物的生存，水中含有大量的需氧細菌，植物遺體在需氧細菌的作用下發生氧化分解和水解作用，轉化成結構簡單、化學性質活潑的有機化合物。例如，纖維素經需氧細菌水解后形成單糖，木質素被氧化分解成芳香酸和脂肪酸，蛋白質被分解為氨基酸。

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，氧化環境逐漸被還原環境取代，這時需氧細菌的數量不斷減少，厭氧細菌的數量顯著增多，在厭氧細菌的作用下，植物有機組分發生厭氧分解，其中纖維素、果膠經厭氧分解生成丁酸、乙酸等產物，蛋白質分解產生氨基酸，脂肪分解成脂肪酸，在厭氧細菌的作用下分解產物之間，分解產物與植物殘體之間又不斷發生一系列復雜的生物化學變化，逐漸化合形成腐殖酸、腐殖酸鹽、瀝青質、硫化氫、二氧化碳、甲烷、氫等，其中一部分不穩定的氣體逸出后，剩下的物質沉積成泥炭。

研究表明，由植物轉變成泥炭后，其化學組成發生了明顯的變化，其中，植物中所含的蛋白質全部消失了，在植物中占主要地位的纖維素、木質素也所剩無幾；而植物中原本沒有的腐殖酸在泥炭中的含量卻相當高。元素組成上，泥炭的碳含量比植物高，氫、氮的含量有所增高，而氧、硫的含量降低較多（見表1-7）。

泥炭一般為棕褐色或黑褐色，無光澤，質軟且富含水分及腐殖酸。

我國泥炭儲量約270億噸，80％屬裸露型，20％屬埋藏型。主要分布于大小興安嶺、三江平原、長白山、青藏高原東部以及燕山、太行山等山前洼地和長江沖積平原等地。埋藏淺、易開采，具有很高的利用價值。干燥后可作燃料，泥炭中的腐殖酸可做腐殖酸肥料，可進行低溫干餾制取化工原料等。近年來，泥炭的開發和利用受到有關國家的高度重視。

腐泥化作用是指低等植物的遺體經復雜的生物化學變化轉變成腐泥的過程。

在湖泊、積水較深的沼澤及潟湖中，菌類、藻類等低等植物及浮游生物大量繁殖，它們死亡后沉積下來，在缺氧的還原環境中，經過厭氧細菌的作用，蛋白質、脂肪等遭受分解，再經過聚合、縮合等作用，逐漸形成一種含水很多且富含瀝青質的棉絮狀膠體物質，這種物質經脫水致密，逐漸形成腐泥。

腐泥常呈黃褐色、暗褐色、黑灰色等，水分含量可達70％～90％，是一種粥狀流動的或凍膠淤泥狀物質；干燥后水分降低至18％～20％，為具有彈性的橡皮狀物質。

腐泥干燥后也可做燃料或肥料使用；干餾時腐泥的焦油產率很高。

（2）煤化作用　是指由泥炭轉變為腐殖煤的過程，或由腐泥轉變為腐泥煤的過程。

煤化作用中，主要發生物理化學變化和化學變化。根據作用條件的不同，煤化作用可分為成巖作用和變質作用兩個階段。

①成巖作用。泥炭層沉積之后，由于地殼持續沉降，泥炭層被埋到地下一定深度，泥炭在以壓力、溫度為主的物理化學作用下，逐漸被壓緊，失去水分，密度增大。當生物化學作用減弱以至消失后，泥炭中碳元素的含量逐漸增加，氧、氫元素的含量逐漸減少，腐殖酸的含量不斷降低直至完全消失，經過這一系列的復雜變化，泥炭變成了褐煤，這種由泥炭變成褐煤的過程稱為煤的成巖作用。泥炭變成褐煤后，化學組成發生了明顯變化（見表1-8）。

一般認為泥炭化作用和成巖作用是逐步過渡的，隨著泥炭的不斷堆積泥炭層底部已開始了成巖作用。

腐泥經過成巖作用可轉變為腐泥煤。其變化過程也是受壓力、溫度為主的物理化學作用。

②變質作用。褐煤形成后，由于地殼繼續沉降，使褐煤層被埋到地下更深的地方，褐煤繼續受到深部不斷增高的溫度和壓力的作用，進一步引起煤中有機質分子的重新排列，聚合程度增高，使煤的結構、物理性質和化學性質發生變化；同時元素組成和含量也在改變，其中碳含量進一步增加，氧和氫的含量逐漸減少；揮發分和水分的含量減少，腐殖酸完全消失，煤的光澤增強，密度進一步增大，褐煤逐漸演變成煙煤、無煙煤。這個變化過程稱為煤的變質作用。

褐煤變成煙煤、無煙煤后，化學組成也發生了明顯變化（見表1-8）。

腐泥煤經過變質作用后，煤化程度進一步增高。

③影響煤變質的因素。影響煤變質的因素主要有溫度、壓力和時間。

溫度。溫度是影響煤變質的主要因素。在煤田地質勘探過程中，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。

另外，為了研究溫度與煤化程度的關系，人們做了一系列的煤化實驗，例如1930年，格羅普（W.Gropp）曾將泥炭置于密閉的高壓容器內進行加熱實驗，在100MPa的壓力條件下加熱到200℃時，試樣在很長時間內并無變化，當溫度超過200℃時，試樣開始發生變化，泥炭轉變成褐煤；當壓力升高到180MPa，而溫度低于320℃時，褐煤一直無明顯變化，當溫度升到320℃時，褐煤轉變成具有長焰煤性質的產物；繼續升溫到345℃，可得到具有典型煙煤性質的產物，當溫度升至500℃時，產物具有無煙煤的性質。可見溫度是促使煤變質的重要因素。

根據變質條件和變質特征的不同，煤的變質作用可以分為深成變質作用、巖漿變質作用和動力變質作用三種類型。

深成變質作用是指煤在地下較深處，受到地熱和上覆巖層靜壓力的影響而引起的變質作用。這種變質作用與大規模的地殼升降運動直接相關。煤的變質作用具有垂直分布規律，即在同一煤田大致相同的構造條件下，隨著埋藏深度的增加，變質程度逐漸增高。一般地深度每增加100m，煤的干燥無灰基揮發分Vdaf減少2.3％左右。這個規律稱為希爾特（Hilt）定律。煤的變質程度還具有水平分布規律，在同一煤田中，同一煤層沉積時沉降幅度可能不同，按照希爾特定律，這一煤層在不同的深度上變質程度也就不同，反映到平面上可以造成變質程度呈帶狀或環狀分布的規律。

巖漿變質作用是指煤層受到巖漿帶來的高溫、揮發性氣體和壓力的影響使煤發生異常變質的作用，屬于局部變質現象。主要由淺層浸入的巖漿直接浸入、穿過或接近煤層而使煤變質程度增高叫做接觸變質作用；煤層下部巨大的浸入巖漿引起煤變質程度增高叫做區域熱變質作用。

動力變質作用是指由于地殼構造變化所產生的動壓力和熱量使煤發生的變質作用，也屬于局部變質現象。

壓力。壓力也是引起煤變質的因素之一。由于上覆巖層沉積厚度不斷增大，使地下的巖層、煤層受到很大的靜壓力，導致煤和巖石的體積收縮，在體積收縮過程中，發生內摩擦而放出熱量，使地溫升高，間接地促進煤的變質。此外在地殼運動的過程中，還會產生一定方向的構造應力，在構造應力的作用下，形成斷裂構造，斷裂兩側巖塊相對位移時，放出熱量，也可引起煤變質。

壓力可以使成煤物質在形態上發生變化，使煤壓實、孔隙率降低、水分減少，還可以使煤的巖相組分沿垂直壓力的方向定向排列和促使煤的芳香族稠環平行層面作有規則的排列。一般認為壓力是煤變質的次要因素。

時間。時間是影響煤變質的另一重要因素。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，受熱時間短，煤化程度低。例如，某地的石炭二疊紀煤系，形成于距今二億七千萬年前，煤系沉降深度約5100m，受熱溫度約為147℃，經取樣化驗，煤種屬焦煤；另一地區從鉆進深度約5400m的第三紀中新統地層中獲取了煤的包裹體，包裹體所在位置溫度約141℃，第三紀中新世距今1300萬年～1900萬年，經分析，煤包裹體屬低煤化程度煙煤。另外，有人將長焰煤置于密閉的條件下加熱，在溫度、壓力不變的情況下，加熱96h后，得到具有肥煤特征的產物；加熱150h后則得到具有肥煤過渡到焦煤特征的產物。可見，時間在變質過程中具有重要意義。

（3）成煤環境和過程對煤質的影響　根據沼澤水的補給來源，沼澤分為低位沼澤、中位沼澤和高位沼澤。低位沼澤的水源主要靠地下水和地表水補給，水質為微酸性到中性，富含礦物質和無機鹽類。由于低位沼澤的水中礦物質、無機鹽豐富，且有地表水攜帶的泥沙沉積，所以低位沼澤中形成的泥炭灰分含量較高，干燥基灰分一般大于7％。高位沼澤的水源主要靠大氣降水補給，水中礦物質含量低，形成的泥炭灰分含量低，干燥基灰分一般低于5％。中位沼澤的水源一部分靠地下水補給，一部分靠大氣降水補給，形成的泥炭灰分介于以上兩者之間，干燥基灰分一般為5％～7％。

根據古地理環境，沼澤可分為濱海沼澤和內陸沼澤兩類。濱海沼澤是由于地殼沉降使由近海平原積水、沼澤化而形成的沼澤。內陸沼澤是由于湖泊中沉積物不斷堆積，湖泊淤塞演變成沼澤，或由于地殼沉降使內陸洼地積水、沼澤化而形成沼澤。

首先，由于濱海沼澤的植物多生長在鹽堿土上，植物本身的硫含量就較高，另外，濱海沼澤中水介質呈弱堿性，有利于硫酸鹽還原菌的活動，硫酸鹽還原菌利用植物有機質提供氫使海水中的還原為H2S。H2S可與鐵離子結合形成FeS2（黃鐵礦），或者與植物分解產物反應形成有機硫化物轉變成煤中的有機硫。所以，在濱海沼澤中形成的煤硫含量通常較高，有時可高達8％～12％。而內陸沼澤形成的煤硫含量一般較低，大多在1％左右。其次，受沼澤中水的深度、酸堿度、流動性、微生物的類型等因素的影響，濱海沼澤中形成的煤鏡質組含量高，殼質組也占相當比例；內陸沼澤形成的煤，惰質組和樹脂含量高。