第3章 煤化作用及煤变质作用类型-1

成煤作用的阶段划分

第三章煤化作用及煤变质作用类型泥炭向褐煤转变经历了成岩作用，从褐煤的形成到下一步演化经历了煤的变质作用。煤再进一步演化成石墨，成为石墨化作用。变质作用不包括石墨化作用煤与岩石的成岩作用与变质作用不完全等同，主要是由于煤受到温度、压力变化的反应比无机沉积物敏感多，所以沉积物的成岩作用与变质作用滞后于煤。利用煤化作用可以解决很多问题：确定沉积盆地原始边界、分析盆地形成的古构造格局及演化、阐明盆地形成后的构造形变、盆地热演化的研究，确定地层剥蚀厚度、研究大规模构造形变、研究推覆构造的形成与演化等。第三章煤化作用及煤变质作用类型2023/2/422023/2/43第三章煤化作用及煤变质作用类型煤化作用的阶段与特征煤化作用的影响因素煤化程度指标煤的变质作用类型2023/2/44

煤的成岩作用与变质作用煤化作用的特点第一节煤化作用的阶段与特征2023/2/45一、煤的成岩作用与变质作用煤的成岩与变质作用的分界:

一般认为，由于亮褐煤(中国的老褐煤、美国的亚烟煤)已出现镜煤，具有强烈的镜煤化作用，并且具有微弱的光泽。因此，变质作用开始于亮褐煤的形成。

具有了光泽就进入了变质作用阶段。2023/2/46一、煤的成岩作用与变质作用1、煤的成岩作用（1）成岩作用概念由泥炭经过物理化学作用形成年青褐煤的过程，为煤的成岩作用。

泥炭→年青褐煤（不具光泽）2023/2/47一、煤的成岩作用与变质作用（2）成岩作用机制泥炭形成后，由于盆地的沉降，在上覆沉积物的覆盖下被埋藏于地下:①压实、脱水、增碳;②游离纤维素消失;③凝胶化组分逐渐固结;④具有了微弱的反射力。这一转变所历经的作用称为煤的成岩作用。据stach认为，这种作用大致发生于地下200～400m的浅层。2023/2/48一、煤的成岩作用与变质作用（3）成岩作用特点1）成岩作用的化学作用结果①泥炭内的腐植酸、腐植质分子侧链上的亲水官能团，以及环氧数目不断地减少，形成各种挥发性产物;②碳含量增加，氧和水分含量减少—脱水。碳元素(C)主要集中于稠环中。稠环的结合力强，具较大的稳定性。2023/2/49一、煤的成岩作用与变质作用各种煤的含氧官能团含量变化2023/2/410一、煤的成岩作用与变质作用（3）成岩作用特点2）煤的物理煤化作用主要反映在发生了物理胶体反应，即成岩凝胶化作用，从而使未分解或未完全分解的木质纤维组织，不断转变为腐植酸、腐植质，使已经形成的腐植酸、腐植质变为黑色具有微弱光泽的凝胶化组分。成岩作用中，丝炭化组分和稳定组分也发生变化。2023/2/411一、煤的成岩作用与变质作用2、煤的变质作用（1）煤变质作用概念

年青褐煤，在较高的温度、压力及较长地质时间等因素的作用下，进一步发生物理化学变化，变成老褐煤(亮褐煤)、烟煤、无烟煤、变无烟煤的过程。2023/2/412一、煤的成岩作用与变质作用（2）煤变质作用特点①腐植物质进一步聚合，腐植酸进一步减少，使腐植物质由酸性变为中性，出现了更多的腐植复合物;②失去大量的含氧官能团(如羧基—COOH和甲氧基—OCH3)。③结束成岩凝胶化作用，形成凝胶化组分(煤岩);④植物残体己不存在，稳定组分发生沥青化作用。2023/2/413一、煤化作用特点1、增碳化趋势

随着煤化程度的增加，煤中挥发物减少，碳含量增加。即由泥炭阶段含有C、H、O、N、S五种主要元素，演变到无烟煤阶段基本上只含碳一种元素。因此，煤化作用，又称作异种元素的排出过程。2023/2/414一、煤化作用特点2、结构单一化趋势

随着煤化程度的增加，即由泥炭阶段含多种官能团的结构，逐渐演变到无烟煤阶段只含缩合芳核的结构，最后演变为石墨结构。具有六方晶格，原子呈层状排列一、煤化作用特点2、结构单一化趋势2023/2/415

煤化作用过程实际上是依序排除不稳定结构的过程。即逐渐保存稳定结构。一、煤化作用特点2、结构单一化趋势2023/2/416一、煤化作用特点3、结构致密化和定向排列的趋势低煤级分子结构高煤级分子结构①煤的有机分子侧链由长变短，数目变少；②腐植复合物的稠核芳香系统不断增大，逐渐趋于紧密；③分子量加大，缩合度提高；④分子排列逐渐规则化，从混杂排列到层状有序排列，反光性能增强。

3、结构致密化和定向排列的趋势2023/2/4184、随着煤化作用进程,煤显微组分性质呈现为均一性趋势。在煤化作用的低级阶段，煤显微组分的光性和化学组成结构差异显著，但随着煤化作用的进行，这些差异趋于一致，变得愈来愈不易区分。高变质煤的煤岩组分不易识别。一、煤化作用特点2023/2/419一、煤化作用特点5、煤化作用是一种不可逆的反应煤化作用只有由浅而深、或者被终止，不可能发生由深变质的煤转变为浅变质的煤，不可逆转性。煤化作用不是简单的化学反应。煤化作用能否形成连续的系列演化过程，决定于具体地质条件。例如，含煤盆地由沉降转变为抬升，这就会导致煤化作用的终止；如果后来由于岩浆作用的加剧，或盆地再度沉降，那么煤化作用还可能再次进行下去。

2023/2/420一、煤化作用特点6、煤化作用的发展是非线性的，表现为煤化作用的跃变，简称煤化跃变。

煤的各种物理、化学性质的变化，在煤化进程中，快、慢、多、少是不均衡的。

煤化过程中镜质组反射率的增高是跳跃式的，发生了4次跃变。2023/2/4214次煤化作用跃变：亮褐煤→长焰煤→气煤→肥煤→焦煤→瘦煤→贫煤→无烟煤→变无烟煤褐煤

Ⅰ

烟煤

Ⅱ

Ⅲ

无烟煤Ⅳ

（1）第一次跃变（Ⅰ）：发生在长焰煤开始阶段

(Cdaf=75％～80％，Vdaf＝43％，镜质体反射率Romax＝0.6％)，与石油开始形成阶段相当。即与生油阶段相当。一、煤化作用特点2023/2/422一、煤化作用特点特点是：发生沥青化作用，生成沥青质。

沥青化作用是指壳质组(包括藻类体)和镜质组在煤化过程中形成沥青质，即石油型烃类的一种作用。这种作用起始于硬褐煤阶段(Rom为0.5％)，持续到早期肥煤阶段(Rom=1.2％)。

随煤化程度的提高，各种含氧官能团逐渐脱落，在Rom＝0.6％以前主要析出CO2和H2O；当煤化作用达到Rom＝0.5％～0.6％阶段，芳香核稠环上开始①脱落脂肪族和脂肪族官能团和侧链，②形成以甲烷为主的挥发物，于是开始了生成沥青质的沥青化作用。2023/2/423一、煤化作用特点（2）第二次煤化跃变（Ⅱ）出现在肥煤到焦煤阶段

Cdaf＝87％，Vdaf＝29％，Romax＝1.3％。镜质体反射率Romax＝1.3％。第二次煤化跃变（Ⅱ）特点：①煤中甲烷的大量逸出，释放出大量的氢。富氢的侧链和键的大量缩短及减少；②煤的比重下降到最小值；③煤的显微孔隙度逐渐缩小，水分减少。到焦煤阶段(Cdaf=89％，Vdaf≈20％，Romax≈1.7％)腐植凝胶基本上完成了脱水作用，水分和孔隙度都达到了最低值；2023/2/424一、煤化作用特点第二次煤化跃变（Ⅱ）特点：④发热量则升高到最大值(这是和镜质组的硬度、密度的最小值，以及炼焦时可塑性最大值相一致)；⑤焦煤阶段，由于化学结构的变化，水分含量（主要是内在水分）又有所回升；⑥煤的物理、工艺性质发生转折：耐磨性、焦化流动性、粘结性、内生裂隙数目等都达到极大值，内面积、湿润热等达到最小值。称为煤化作用转折。2023/2/425一、煤化作用特点第二次煤化跃变（Ⅱ）特点：⑦第二次跃变的结果--煤化台阶：壳质组与镜质组在颜色、突起、反射率等的差异愈加变小。因此，壳质组从Vdaf=29％～22％这一阶段的明显变化又称为煤化台阶。⑧生油→生气：本阶段与油气形成的深成阶段后期(即热裂解气开始形成阶段)相当，石油烃转化为气体烃，因此它对应于石油的“死亡线”。

2023/2/426一、煤化作用特点（3）第三次跃变（Ⅲ）发生于烟煤变为无烟煤阶段

Cdaf=91％，Vdaf＝8％，Romax＝2.5％。煤化作用的第三次跃变以后，就是有人称为无烟煤化作用和半石墨化作用的阶段，代表了煤化作用的最终阶段，其产物是无烟煤和变无烟煤的形成。2023/2/427一、煤化作用特点（4）第四次跃变为无烟煤与变无烟煤分界

Cdaf＝93.5％，Hdaf=2.5％，Vdaf＝4.0％，镜质体反射率Rmax＝4％，Rmin＝3.5％。

已经不属于煤化作用阶段。2023/2/428一、煤化作用特点第四次跃变特点是：

①在化学煤化作用方面，主要表现为氢含量与氢碳原子比的急剧下降。碳含量随埋藏深度的增加也明显地增大。②硬度增大、光泽增强，到变无烟煤时几乎呈金属光泽，宏观上微层理已不明显。2023/2/429一、煤化作用特点无烟煤阶段镜质组反射率随着煤化作用进一步增高，进入变无烟煤以后，由于最小反射率（Rmax为6％时）迅速减小，双反射率而急剧加大。图3-4以氢含量和镜质组反射率（Rmax、Rm和Rmin）为基础，介于烟煤和石墨阶段之间的煤级的增高2023/2/430一、煤化作用特点随深度增加煤化作用程度加深，并由此带来的镜质组反射率的变化。图3－5原联帮德国北部闵斯特兰1号钻孔中的镜质组反射率（Rmax，Rmin和Rm）随深度而增加2023/2/4312023/2/432第二节煤化作用的影响因素

温度、压力和时间是促使煤变化的重要因素，其中温度是煤化作用的主要因素。2023/2/433一、温度1930年Gropp和Bode曾将泥炭或低煤化褐煤置于密闭的容器内，在1000个大气压的条件下逐渐加热，在相当长的时间内试样并无变化；但当温度高过200℃时，试祥开始变化，最终转变为煤化较深的褐煤。两年后再度进行试验，在1800个大气压，温度低于320℃的条件下，虽然时间持续很久也不能使褐煤进一步变化，但当温度升到320℃时，褐煤就转变为具有长焰煤的特点，当温度升高到346℃时，所得的产物就具有典型烟煤的性质。温度再进一步增高到500℃时，产物则具有无烟煤的特性。

Gropp和Bode的试验不仅说明温度和压力是煤化的因素，而且还进一步证明了与压力相比，温度是更重要的因素。2023/2/434

温度对于在成煤过程中的化学反应有决定性的作用。随着地层加深，地温升高，煤的变质程度就逐渐加深。高温作用的时间愈长，煤的变质程度愈高，反之亦然。在温度和时间的同时作用下，煤的变质过程基本上是化学变化过程。在其变化过程中所进行的化学反应是多种多样的，包括脱水、脱羧、脱甲烷、脱氧和缩聚等。一、温度2023/2/435

但是受热持续时间和不同古地热史的影响，特定的煤化程度与精确的最大温度之间的关系较难确定。前苏联学者提出，受热50Ma，顿巴斯煤田的受热温度与煤化程度的关系：温度/℃Rm/％温度/℃Rm/％65901100.500.650.851301401701.151.532.00一、温度2023/2/436温度的影响因素：（1）当地的大地热流及古地温梯度：盆地地温场；（2）地球深部岩浆活动，岩浆热的叠加状况；（3）构造热流场；（4）放射性物质产生的热；（5）下伏和共生岩石的导热性能等。一、温度联帮德国萨尔区Tevfelspforte钻孔砂岩带影响了煤化程度的增高

一、温度2023/2/4372023/2/438二、时间

温度和压力持续作用于煤的时间长短，也是影响煤化作用的重要因素。在相同的温度条件下，受热时间越长，煤的变质程度越高；长时间的低温作用（大于60℃）也能起到短时间的高温作用的效果。2023/2/439二、时间煤化程度与温度和受热时间的关系

1—5×106a；2—10×106a；3—20×106a

（据Karweil，1956）2023/2/440二、时间据反应动力学计算的不同温度下煤化时间与煤化程度的关系1—50℃（埋深1000~1300m）；2—80℃（埋深1000~1200m）；3—100℃（埋深2000~3000m）；4—150℃（埋深3500~4700m）（据Karweil，1956）2023/2/441三、压力压力的双重特点

在不同压力下的煤化实验更加确认了静压力对化学煤化作用起着抑制作用。压力因素虽阻碍化学反应，但却引起煤的物理结构发生变化。在煤化作用中，起决定作用的是化学煤化作用，而不是物理煤化作用。2023/2/442三、压力压力的双重特点①在构造压应力作用下，剪切与拉伸能使芳香族单元层沿石墨形成的方向更加排列有序，这在半石墨化、石墨化阶段表现的更为明显。②静压力使煤的孔隙率和水分降低、比重增加，还促使芳香族稠环平行于层面作有规则的排列。③构造应力影响到反射率值及镜质组的各向异性，其光性也发生变化。2023/2/443第三节煤化程度指标

煤化程度指标简称煤化指标，又称煤级指标。由于煤化作用是个复杂的过程，不同煤化阶段中各种指标变化的显著性各不相同，因此对于一定煤化阶段往往具有不同的煤化程度指标。

水分、发热量、氢含量、碳含量、挥发分及镜质组反射率、壳质组的荧光性、X射线衍射曲线等。2023/2/4441．水分在褐煤与尚能压固的低煤化阶段，由于上覆岩层压力，使得煤中的孔隙度很快降低，亲水官能团分解，水分迅速减少。如软褐煤阶段，埋深每增加100m，水分降低4％。因此，水分是低煤化阶段的较敏感的煤化程度指标。煤化过程中水分与挥发分的关系第三节煤化程度指标2023/2/4452．发热量在褐煤及低煤化烟煤阶段(Vdaf>30％)，镜质组的发热量主要决定于水分的含量。随着水分的降低，发热量大致成比例地增高。因此发热量也和水分一样，是褐煤及低煤化烟煤阶段的煤化指标。第三节煤化程度指标2023/2/4463．氢含量煤中氢含量一般小于6％。由于煤的芳香族稠环中富氢官能团和侧链随煤化程度的增高而逐渐脱落，从而析出甲烷，并且在无烟煤阶段的析出量最大，氢含量减少得最为明显，可由4％降至1％。因此，氢含量是无烟煤和变无烟煤阶段较敏感的煤化指标。第三节煤化程度指标2023/2/4474．碳含量随着煤化程度的增高，因芳香族稠环中官能团和侧链的不断脱落使碳含量相应地增高。从肥煤到贫煤的阶段内，碳含量仅从87％增加到91％，在软褐煤和暗褐煤阶段的变化也不明显。从亮褐煤到接近气煤与肥煤分界的阶段及无烟煤阶段，碳含量的变化较为明显，可作为煤化程度指标。第三节煤化程度指标2023/2/4485.挥发分及镜质组反射率挥发分及镜质组反射率是最常用的两个煤化程度指标。（1）在气肥煤到瘦煤的煤化阶段中，镜质组反射率随芳香稠环缩合程度的增加而增高。由于镜质组反射率和挥发分都与镜质组结构单元的芳构化程度有关，因此镜质组反射率的增高与挥发分降低的程度几乎相同。故在肥煤到贫煤阶段，镜质组反射率和挥发分是良好的煤化程度指标。第三节煤化程度指标2023/2/449（2）在气肥煤阶段之前，煤中析出的气体以CO2和H2O为主，此阶段镜质组反射率与挥发分变化不明显且不规则。（3）无烟煤阶段，挥发分含量已很少，变化不大；镜质组反射率自贫煤以后，由于煤化作用增加了芳环族单元层排列的有序性，它仍是良好的