煤化作用及煤变质作用类型

煤化作用及煤变质作用类型第1页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/122煤化作用的阶段与特征煤化作用的影响因素煤的变质作用类型第三章煤化作用及煤变质作用类型第2页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/123

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第3页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/124一、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。第4页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/125一、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）第5页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/126一、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。第6页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/127一、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。第7页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/128一、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。第8页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/129一、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。第9页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1210一、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植物残体已不存在，稳定组分发生沥青化作用。第10页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1211二、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。第11页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1212二、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。第12页，共71页，2023年，2月20日，星期一

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。二、煤化作用特点2、结构单一化趋势2023/4/1213第13页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、煤化作用特点3、结构致密化和定向排列的趋势第14页，共71页，2023年，2月20日，星期一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2023/4/1215第15页，共71页，2023年，2月20日，星期一4、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。二、煤化作用特点2023/4/1216第16页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、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。

2023/4/1217第17页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、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。2023/4/1218第18页，共71页，2023年，2月20日，星期一4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。二、煤化作用特点2023/4/1219第19页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、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。2023/4/1220第20页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、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；2023/4/1221第21页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、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。2023/4/1222第22页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、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”。

2023/4/1223第23页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、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。2023/4/1224第24页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、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。2023/4/1225第25页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、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。2023/4/1226第26页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、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2023/4/1227第27页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、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2023/4/1228第28页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1229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。第29页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1230一、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。第30页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1231

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、温度第31页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1232

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、温度第32页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1233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、温度第33页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1234二、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。第34页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1235二、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）第35页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1236三、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。第36页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1237三、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。第37页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1238

根据引起煤变质的热源及其作用方式和变质特征，可将煤变质作用划分为三种类型：

第三节煤的变质作用类型深成变质作用岩浆变质作用动力变质作用区域岩浆热力变质作用接触变质作用第38页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1239深成变质作用概念：

是指煤在地面下较深处受到地热和上覆岩系静压力作用所引起的变质作用。因其对煤的影响最广泛，也称为“区域变质作用”。

又因深成变质作用主要是由地热引起，故又称为“地热变质作用”。但作为深成变质热源的地热，在地壳各处是不同的。一、深成变质作用第39页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1240（一）深成变质的热源及地温影响因素

地热来源于：

原始地球残余热

化学反应热

潮汐磨擦热

放射性元素蜕变热

重物质位移热一、深成变质作用第40页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1241（一）深成变质的热源及地温影响因素一、深成变质作用地温的影响因素：热源不同；大地构造特征；构造断裂强度；岩石导热性;地下深处岩浆岩性质和活动特征;地下水活动特征等第41页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1242（一）深成变质的热源及地温影响因素一、深成变质作用地表下恒温带的温度和恒温带的深度在各地不同第42页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1243（一）深成变质的热源及地温影响因素一、深成变质作用地壳上的地热等温面不是水平的，反映了世界各地的地温梯度也是不同的。第43页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1244（一）深成变质的热源及地温影响因素地温梯度的差异，从而必然导致各地煤变质梯度的差异。

煤的变质梯度：是指煤在地壳恒温层之下每加深100米煤变质程度增高的程度。煤的变质梯度常以煤中可燃基挥发分减少的数值（△Vdaf）表示，亦称挥发分梯度；或以镜质组的反射率增高的数值表示（△Rmax）表示，称为反射率梯度。一、深成变质作用第44页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1245（一）深成变质的热源及地温影响因素一、深成变质作用

不同煤田地温梯度不同，挥发分梯度也不一样。如山西阳泉、大同煤田的挥发分梯度为1.4%~3.3%，豫西煤田挥发分梯度为2%~3%，鲁中煤田为4%等。第45页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1246一、深成变质作用不同位置煤层在同一深度，即使同一煤田，其煤的变质程度也是有差别；在地质历史时期，同一地点的地温梯度也不会是一成不变的。第46页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1247（二）深成变质的特点

1、希尔特定律地热是由地表向地下深处逐渐增高的，因而在深成变质过程中，煤的变质程度也是沿煤系垂直剖面由浅处向深处逐渐增高的。德国学者希尔特在研究德国、法国、英国诸煤田煤质变化的基础上，提出：在地层大体水平的条件下，煤的挥发分每百米降低约2.3%，即煤的变质程度随埋藏深度的加深而增高——希尔特定律。一、深成变质作用第47页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1248

希尔特定律是普遍存在的，但由于局部火成岩的侵入、构造变动、煤的成因类型或煤岩类型等因素的影响，也会使煤质发生异常变化。如徐州晚古生代煤田的Vdaf值随深度加深而增高，这是因为下部太原组4号煤为腐泥煤，含藻类体达70%，故使Vdaf值比其上部的煤还高。徐州煤田煤的挥发分随深度加深而增高煤系煤层VdafY/mm上石盒子组山西组太原组2号3号4号38.6437.8343.98111428一、深成变质作用第48页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1249一、深成变质作用希尔特定律√√希尔特定律是普遍存在第49页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1250（二）深成变质的特点

2、煤变质的分带性

一、深成变质作用

(1)垂直分带—原始分带在煤的深成变质过程中，由于煤系下部煤层或煤组受到大于上部的温度及压力，因而变质程度高低不同。这种煤质随沉降深度呈现规律性的变化，即为煤质的垂直分带。第50页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1251（二）深成变质的特点

2、煤变质的分带性

一、深成变质作用

（2）垂直分带的影响因素煤质垂直分带的明显程度与分带的宽窄，主要决定于煤的变质梯度，变质梯度的大小又取决于地热梯度和煤本身的特征。①煤的变质梯度与带的关系。②受热时间与带的关系。③不同变质程度的煤，其挥发分梯度各异。第51页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1252一、深成变质作用①梯度与带的关系：地热梯度大→挥发分梯度和变质梯度也大→引起相同煤质变化所需要的沉降深度也就愈小→煤质的垂直分带就窄。

（2）垂直分带的影响因素第52页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1253一、深成变质作用（2）垂直分带的影响因素②受热时间与带的关系：受热时间的延长会使煤质变化所需的深度变的更小，煤质垂直分带则更窄。第53页，共71页，2023年，2月20日，星期一③不同变质程度的煤，其挥发分梯度各异。中变质煤的变质梯度最大，因此中变质程度煤的分带现象明显，变质带厚度一般较小，这也是焦煤分布一般不如低和高变质煤广泛的原因之一。一、深成变质作用第54页，共71页，2023年，2月20日，星期一（3）水平分带—垂直分带的表现煤变质的水平分带是垂直分带性的一种表现，由于地壳构造运动的影响，同一煤田内同一煤层或煤组在形成和形变过程中沉降深度不同，这就表现在煤系本身厚度变化和煤系上覆岩系厚度变化的不相同。

因此，使同一煤层或煤组所经受的变质程度不同，反映在平面上就构成煤质的水平带状分布特征。一、深成变质作用第55页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1256煤质分带示意图第56页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1257德国鲁尔煤田石炭纪煤系厚度约5000m，挥发份随深度而递减，大致是每100m降低2.3%，在垂直剖面可以划分四个带。一、深成变质作用第57页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1258一、深成变质作用3、深成变质作用与上覆岩系厚度①煤系与上覆岩系为连续沉积或有小的间断--上覆岩系厚度与煤系本身的沉降有关，对煤的深成变质有较大影响；②如果上覆岩系与煤系之间存在长期间断，甚至经历了不同的构造运动，必须对其剥蚀的上覆岩系厚度做专门研究。第58页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1259一、深成变质作用4、深成变质作用与煤层赋存深度的关系

煤层现今赋存的深度对煤的变质也有影响。在含煤岩系发生构造变动之后，由于后期形变造成了更大埋藏深度，在这种条件下由于温度、压力和时间因素的影响，仍然可使煤的变质程度累积加深。尽管经受的温度低于构造变形之前(不低于50℃)，但由于经历足够长的时间，煤的变质仍会继续加深。如开平向斜轴部煤（焦煤）的变质程度高于两翼（肥煤和气煤）。

第59页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1260一、深成变质作用因而，形成了等变质面与煤岩层面呈一定交角的状况。两者交角愈大，反映构造形变后煤层赋存深度对煤变质的影响愈大。根据等变质面与煤岩层面的关系，可以说明煤化作用发生的时间、强弱与构造形变（褶皱形变）的关系。

第60页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1261二、岩浆变质作用

由于岩浆热、挥发分气体和压力的影响，使煤发生了变质作用。形成条件：岩浆的侵入、穿过或靠近煤层或煤系。

根据侵入岩体的大小和侵人部位，以及侵入岩体与煤层的直接接触或间接影响，将此变质作用进一步划分为两种类型：一种是与浅成侵入岩有关的接触变质作用；另一种是与地下庞大的深成侵人体有关的区域岩浆热力变质作用。第61页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1262（一）区域岩浆热力变质作用

这种变质作用又称区域热力变质作用或远程岩浆变质作用等。区域岩浆热力变质作用有以下主要特征：1、由于变质作用是在区域地热场上叠加了岩浆热，故地区的地热温度较高，地热梯度较大，煤变质的垂直分带明显，变质带厚度及平面宽度都较小。2、这种变质作用所产生的变质带，在平面上的展布特征与煤系和上覆岩系等厚线的展布无关，而与深成岩体分布有一定关系。3、煤的变质程度决定于岩体大小，以及与岩体距离的远近。距岩体近的煤变质程度高，并常有热液矿化现象，远离岩体则变质程度较低。二、岩浆变质作用第62页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1263（一）区域岩浆热力变质作用

二、岩浆变质作用区域岩浆热变质作用的标志：在这种区域热力变质过程中，由于岩浆热液作用，无烟煤带的围岩往往发生蚀变，如硅化、叶蜡石化、绢云母化、碳酸盐化、绿泥石化、黄铁矿化作用等，且石英砂岩变为石英岩，灰岩变质为结晶灰岩或大理岩，泥质岩变质为板岩。

特别是热液石英脉的发育，是区域岩浆热变质作用的标志之一。第63页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1264（二）接触变质作用

接触变质作用：是指各种岩床、岩墙、岩脉等浅成岩体侵入或接近煤层，这些侵入体的热能使煤层达1000℃以上。这种热影响多是局部的、多变的，地质时间是短暂的。二、岩浆变质作用第64页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1265（二）接触变质作用

1、接触变质作用的特征：

1）在侵入体与煤层接触带附近，煤层受热温度和增温速率高，但延续时间短，受热均匀性差。邻近侵入体附近，往往有不规则的天然焦带。二、岩浆变质作用第65页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/1266（二）接触变质作用

1、接触变质作用的特征：2）经接触变质作用的煤，颜色变浅，密度增大，灰分增高，挥发分和发热量降低，粘结性消失，愈近岩体愈明显。在接触变质过程中，由于氧含量迅速减少，碳含量增加得慢，所以与正常煤相比、这种煤的挥发分、发热量均偏低。此外，由于