《煤的生成》PPT课件.ppt

第二章煤的生成,第一节年代地层系统和主要聚煤期第二节成煤物质第三节成煤环境第四节成煤作用过程,第二章煤的生成,煤是植物遗体经过生物化学作用，又经过物理化学作用而转变成的沉积有机矿产，是多种高分子化合物和矿物质组成的混合物。它是极其重要的能源和工业原料。成煤作用包括(泥炭化作用、腐泥化作用)和煤化作用两个阶段。,第二节成煤物质,一、植物的演化植物在地史上，逐步由低级向高级发展演化，并经过多次飞跃。五个阶段：菌藻植物时代、裸蕨植物时代、蕨类和种子植物时代、裸子植物时代和被子植物时代。,低等植物是由单细胞或多细胞构成的丝状和叶片状植物体，没有根、茎、叶等器官的分化，如细菌和藻类。低等植物大多生活在水中，细菌的生存环境十分广泛，它们是地球上最早出现的生物，藻类从太古代、元古代开始一直发展到现在，其种类达两万种以上。,高等植物有根、茎、叶等器官的分化，包括苔藓植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物，地史上这些类别的植物除了苔藓外常能形成高大的乔木，具有粗壮的根和茎，成为重要的成煤物质。高等植物经成煤作用生成的煤为腐植煤。低等植物经成煤作用生成的煤为腐泥煤。高等植物和低等植物经成煤作用生成的煤为腐植腐泥煤。,二、植物的有机组成高等植物和低等植物的基本组成单元都是细胞。植物细胞是由细胞壁和细胞质构成的。细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，细胞质的主要成分是蛋白质和脂肪。,从化学角度看，植物的有机组成可以分为四类（1）糖类及其衍生物（2）木质素（3）蛋白质（4）脂类化合物,（1）糖类及其衍生物糖类及其衍生物包括纤维素、半纤维素和果胶质等成分。纤维素是一种高分子的碳水化合物，属于多糖，其链式结构可用通式(C5H10O5)n表示。,纤维素在生长着的植物体内很稳定，但植物死亡后，需氧细菌通过纤维素水解酶的催化作用可将纤维素水解为单糖，后者进一步氧化则分解为CO2和H2O，当环境缺氧时，厌氧细菌使纤维素发酵生成CH4、CO2、C2H7COOH和CH3COOH等。无论是水解产物还是发酵产物，它们都可与植物的其他分解产物缩合形成更复杂的物质参与成煤，或成为微生物的营养来源。,半纤维素也是多糖，其结构多种多样，例如多维戊糖(C5H8O4)n就是其中的一种。它们也能在微生物作用下分解成单糖。,果胶质属糖的衍生物，主要由半乳糖醛酸甲酯缩合而成，呈果冻状存在于植物的果实和木质部中。果胶质分子中有半乳糖醛酸，故呈酸性。果胶质不太稳定，在泥炭形成的开始阶段，即可因生物化学作用水解成一系列的单糖和糠醛酸。,(二)木质素木质素是成煤物质中最主要的有机组分，主要分布在高等植物的细胞壁中，包围着纤维素并填满其间隙，以增加茎部的坚固性。木质素的组成因植物种类不同而异，但已知它具有一个芳香核，带有侧链并含有-OCH3、-OH、-O-等多种官能团。木质素的单体以不同的连接方式连接成三维空间的大分子，因而比纤维素稳定，不易水解。但在多氧的情况下，经微生物的作用易氧化成芳香酸和脂肪酸,(三)蛋白质蛋白质是构成植物细胞原生质的主要物质，是生命起源最重要的有机物基础，是由许多不同的氨基酸分子按照一定的排列规律缩合而成的具有多级复杂结构的高分子化合物。植物物死后，蛋白质在氧化条件下可分解为气态产物；在泥炭沼泽中，它可水解生成氨基酸、卟啉等含氮化合物，参与成煤作用。,(四)脂类化合物脂类化合物通常指不溶于水，而溶于苯、醚和氯仿等有机溶剂的一类有机化合物，包括脂肪、树脂、蜡质、角质、木栓质和孢粉质等。,脂肪脂肪属于长链脂肪酸的甘油酯。低等植物脂肪较多，如藻类含脂肪可达20%。高等植物一般仅含1%2%，且多集中在植物的孢子或种子中。脂肪受生物化学作用可被水解，生成脂肪酸和甘油，前者参与成煤作用。,树脂树脂是植物生长过程中的分泌物，高等植物中的针状物含树脂最多。树脂是混合物，其成分主要是二萜类和三萜类的衍生物。在树脂中存在的典型树脂酸有松香和右旋海松酸。这两种树脂酸具有不饱和性，能起聚合作用。树脂的化学性质十分稳定，不受微生物破坏也不溶于有机酸，因此能较好地保存在煤中。,蜡质蜡质的化学性质类似于脂肪，但比脂肪更稳定，通常以薄层覆盖于植物的叶、茎和果实表面，成分比较复杂，蜡质的主要成分是长链脂肪酸和含有2436(或更多)个碳原子的高级一元醇形成的酯类(如甘油硬脂酸类)，其化学性质稳定，不易分解。在泥炭和褐煤中常常发现有蜡质存在。,角质角质是角质膜的主要成分，植物的叶、嫩枝、幼芽和果实的表皮常常覆盖着角质膜。角质是脂肪酸脱水或聚合作用的产物，其主要成分是含有1618个碳原子的角质酸。,木栓质木栓质主要成分是脂肪醇酸、二羧酸、碳原子数大于20的长链羧酸和醇类。孢粉质孢粉质是构成植物繁殖器官孢子花粉外壁的主要有机成分，具有脂肪-芳香族网状结构。化学性质非常稳定，耐酸耐碱且不溶于有机溶剂，并可耐较高的温度而不发生分解。,（五）其他除上述4类有机化合物外，植物中还有少量螺质、色素等成分。,三、成煤植物对煤炭性质的影晌,由于植物的种类不同，其有机组分的百分含量也不同。低等植物主要是由蛋白质和碳水化合物组成，脂肪含量比较高，而高等植物的组成则以纤维素、半纤维素和木质素为主。相同植物其不同部分的有机组分百分含量也不同，如木本植物各部分的有机组成差别很大。高等植物和低等植物都是成煤的重要原始物质。由于成煤的原始物质不同，必然导致煤炭在性质上的差异和用途上的不同。,由不同种类的成煤植物所形成的各种类型的煤，称为不同成因类型的煤。“腐植煤”：由高等植物形成的煤叫“腐植煤”。腐泥煤：由低等植物形成的煤叫“腐泥煤”，腐植腐泥煤：而由高等植物、低等植物共同形成的煤叫“腐植腐泥煤”。,第三节成煤环境,植物遗体不是在任何情况下都能顺利地堆积并能转变为泥炭的，而是需要一定的条件。首先需要有大量植物的持续繁殖，其次是植物遗体没有被全部氧化分解，能够保存下来转变为泥炭。具备这样条件的场所就是沼泽。,一、泥炭沼泽的起源,沼泽是在一定的气候、地貌和水文条件下的产物。沼泽是常年积水或极其潮湿的地段，内有大量植物生长和堆积，植物死亡后遗体被沼泽水覆盖，并与氧呈半隔绝状态，使植物遗体不致完全氧化分解，经过生物化学作用，即可转变为泥炭。煤层通常源自沉积在沼泽中的泥炭。泥炭沼泽形成条件取决于古植物、古气候、古地理和大地构造。,泥炭沼泽形成条件古植物：植物遗体的大量堆积是泥炭形成的基础，亦是成煤的物质来源。只有植物演化到一定阶段，高大的木本植物大量繁殖堆积，才可形成广泛的、工业意义的煤层。古气候：植物生长需适宜的温度和湿度，即温暖潮湿的气候。其中潮湿时最重要的，只要有足够的湿度，热带、亚热带、温带和寒带都可发育泥炭沼泽，并形成泥炭层。,古地理:提供成煤的场所(泥炭形成环境)常年积水的洼地。包括地形和沉积环境在内的总体景观。大地构造(地壳运动):提供成煤作用缓慢而均匀的沉降运动(均衡补偿)和成煤拗陷，同时也产生拗陷内部的次级隆起以及拗陷所导致的沉积作用分异。地壳的剧烈或过缓沉降运动都不利于厚层泥炭层的形成，植物的堆积和地壳沉降的平衡，决定泥炭层形成厚度。在以上4个条件中，大地构造因素往往起主导作用,二、沼泽的分类,（一）根据水分补给来源的不同低位沼泽中位沼泽或过渡沼泽高位沼泽。,低位沼泽主要以地下水为补给来源的潜水面较高的沼泽，其地下水面的高度几乎与沼泽表面相等，而且由于地形低凹常被水淹没或周期性地被水淹没。,中位沼泽或过渡沼泽兼有低位沼泽和高位沼泽的特点，其水源部分由地下水补给、部分由大气降水补给的沼泽。高位沼泽主要以大气降水为补给来源的泥炭沼泽，其地下水面经常低于凸起的沼泽表面。,（二）根据沼泽距离海岸的远近（1）近海泥炭沼泽（2）内陆泥炭沼泽,（1）近海泥炭沼泽,滨海泥炭沼泽在北美大西洋、墨西哥湾沿岸的滨海平原，宽达五百余千米;而大部分滨海平原海拔不及30m，地势低平。滨海平原上分布着许多宽阔的河流盆地，由于泄水不良，有泥炭沼泽发育，有些面积可达几千平方千米。,三角洲平原泥炭沼泽美国密西西比河三角洲及墨西哥湾北岸发育着大片的滨海沼泽，局部伸入到大陆内部达50km。红树林泥炭沼泽红树林泥炭沼泽是一种特殊类型的滨海泥炭沼泽。红树林是热带地区的海岸植物，它生长在滨海的浅海滩上。,（2）内陆泥炭沼泽内陆泥炭沼泽发育在山间盆地、内陆湖泊、冲积扇前缘、河漫滩阶地和牛扼湖等处。,（三）根据沼泽内的植物群（1）草本泥炭沼泽（2）木本泥炭沼泽。（四）担根据水介质的含盐度（1）淡水沼泽（2）半咸水沼泽（3）咸水沼泽,淡水沼泽一般是内陆的沼泽，在大陆上分布很广，有些是由湖泊淤泥形成的，有些是由河流两侧的泛滥平原和扇前地区形成的。咸水沼泽和半咸水沼泽，都是与海有关的近海泥炭沼泽,三、煤相的发育,在关“煤相”的概念，一部分学者强调环境因素，一部分学者强调物质因素。大多数学者认为煤相应一定的形成环境下所沉积的泥炭物质的表现，是煤的原始成因类型，它取决于泥炭形成时的环境。煤相是通过煤的显微组分、矿物含量(显微煤岩类型组合)、与煤级关系不大的某些化学参数(如硫、氮的含量和镜质组的氢碳比)以及某些结构特征来表现的。同时它也反映了不同的工艺类型,Hacquebard（1964，1967）-Marchioni（1980）用四端元-双三角法划分出陆地森林沼泽煤相（FTM)、森林沼泽煤相（FM)、芦苇沼泽煤相（RM）和开阔水体沼泽煤相（OM）。不同的煤相类型，成因不同，工艺性质也不相同。,第四节成煤作用过程,由植物转化为煤要经历复杂而漫长的过程，一般需要几千万年到几亿年的时间，逐步由低级向高级转化，依次是：植物、泥炭(腐泥)、褐煤、烟煤(长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤)、无烟煤。,一、泥炭化作用与腐泥化作用（1）泥炭化作用：高等植物死亡后，在生物化学作用下，变成泥炭的过程称为泥炭化作用。一般认为，泥炭化过程中的生物化学作用大致分为两个阶段阶段。第一阶段，植物遗体中的有机化合物，经过氧化分解和水解作用，转化为简单的化学性质活泼的化合物;第二阶段，分解产物相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青等。这两个阶段不是截然分开的，在植物分解作用进行不久，合成作用也就开始了。,泥炭沼泽的垂直剖面分为氧化环境表层、中间层及还原环境底层。如果氧化分解作用一直进行到底，植物遗体将全部遭到破坏，变成气态或液态产物而逸去，就不可能形成泥炭。但实际上泥炭沼泽中植物遗体的氧化分解作用往往是不充分的，其原因是：,泥炭沼泽覆水程度的增强和植物遗体堆积厚度的增加，使正在分解的植物遗体逐渐与大气隔绝。在泥炭化过程中，植物分解出的某些气体、有机酸、酸胶体和微生物新陈代谢的酸性产物，使沼泽水变为酸性，则不利于喜氧性细菌的生存。所以泥炭的酸度越大，细菌越少，植物的结构就保存得越完好。有的植物本身就具有防腐和杀菌的成分，如高位沼泽泥炭藓辞能分泌酚类，某些阔叶树有鞣质保护纤维素，某些针叶树含酚，并有树脂保护纤维素，都使植物不致遭到完全分解。,泥炭的有机组成腐植酸:它是泥炭中最主要的成分。腐植酸是高分子是基芳香竣酸所组成的复杂混合物，具有酸性，溶于碱性溶液而呈黑褐色，是一种无定形的高分子胶体，能吸水而膨胀。沥青质:它是由合成作用形成的，也可以由树脂、蜡质、抱粉质等转化而来。沥青质溶于一般的有机溶剂。未分解或未完全分解的纤维素、半纤维素、果胶质和木质素。变化不多的稳定组分，如角膜、树脂和泡粉等。,（2）腐泥化作用：在还原条件下，有低等植物转变为腐泥的作用，称为腐泥化作用。,二、煤化作用,煤化作用包括成岩作用和变质作用至于成岩作用与变质作用的分界线划在煤化作用的哪一个阶段则有不同意见。一种意见认为从泥炭转变为褐煤是成岩过程，而从烟煤起则属变质阶段的开始，主要根据是烟煤已不含腐植酸。,另一种意见则认为成岩作用限于成熟的软褐煤阶段，软褐煤只进行少量的镜煤化作用，为暗褐色，多为土状、无光泽、孔隙大，水分含量高达35%以上;从暗褐煤阶段就进入了煤的变质阶段，暗褐煤能进行较强的镜煤化作用，为暗褐色到黑色，暗淡而略有光泽。褐煤与烟煤、无烟煤(超无烟煤)之间在物理性质、化学性质和转化的地质条件上都有差别，但同时又有一定的过渡关系，区分成岩阶段和变质阶段是必要的，但又不应把它们之间的界限绝对化。,三、煤化作用越变及实质,根据国外的近期研究，在煤的演变过程中，出现四次较明显