煤化作用是指泥炭轉變為褐煤、煙煤、無煙煤，或腐泥煤轉變為腐泥褐煤、腐泥煙煤、腐泥無煙煤的過程。煤化作用是成煤作用的第二階段，以物理化學作用為主。
基本介紹
- 中文名：煤化作用
- 外文名：coalification
- 學科：煤田地質
- 提出時間：19世紀70年代
- 階段：成岩作用、變質作用
- 影響因素：溫度、壓力、時間等
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簡介
這一術語是19世紀70年代開始使用的。煤化作用包括成岩作用和變質作用兩個階段。成岩作用是以壓力為主，使泥炭壓實、脫水、固結而轉變為褐煤；變質作用是在以溫度為主，壓力為副的條件下，使褐煤轉變為煙煤、無煙煤以至超無煙煤。超無煙煤進一步變質而成半石墨、石墨。煤是有機物，對溫度的反應比較靈敏，因而在相同溫度、壓力作用下，煤的變化較無機質的圍岩和煤中的礦物質深刻得多，如通過成岩作用形成的褐煤，其圍岩常常還只是未固結或未完全固結的泥質和碎屑沉積；煙煤和無煙煤的圍岩也多是未變質的正常沉積岩。至於成岩作用與變質作用的分界線的劃分則有不同看法。多數人根據褐煤含有腐殖酸，而從長焰煤開始腐殖酸已全部轉變為腐殖質，把分界線劃在褐煤與煙煤之間；也有人根據軟褐煤為褐色、土狀、無光澤、孔隙度大，這一階段只進行了少量的鏡煤化作用，而硬褐煤呈暗褐色到黑褐色，略顯光澤，鏡煤化作用和瀝青化作用明顯增強，認為應將二者的界線放在軟褐煤與硬褐煤之間。如以鏡質體最大反射率為準，則多數人認為是0.50%。
煤化作用
煤化作用煤化作用機理
煤化作用的加深，表現為鏡質體反射率的增高。而反射率的增高，是由於煤中有機分子縮合成更大的芳香結構（芳構化程度增高）的結果。在泥炭和軟褐煤階段，主要的生物化學反應是成煤原始物質形成腐殖酸；在硬褐煤階段，已形成的腐殖酸逐漸失去羥基（-OH）和羧基（-COOH）等官能團，轉變為腐殖質。在硬褐煤階段顏色由褐色轉向黑色，開始顯示光澤，同時反射率增高。煤中腐殖質為一種帶有眾多官能團和側鏈的芳香族稠環系統，在低煤化階段，煤中的芳環層還很小，而且是隨機分布的，是由大量富氫官能團、富氧橋以及脂肪族側鏈支撐和聯結著（如圖）。在煤化過程中，芳環層逐漸脫去羧基（-COOH）、羥基（-OH）、甲氧基（-OCH3）以及羰基等官能團，同時芳環層逐步增大，鏡質體反射率也隨之增高。
分子式
公式
分子式公式煤化作用的演化不是直線而有幾次躍變。當煤化作用達到鏡質體平均反射率（R0,m)0.5～0.6%階段，從芳環層脫落下來的脂肪族、脂環族官能團和側鏈，形成以甲烷為主的揮發物，並開始以生成瀝青質的瀝青化作用為代表的第一次躍變。煤化作用第一次躍變與石油開始形成的階段相當。煤化程度逐步增高到R0,m約為1.3%時，煤中進行的化學反應從以形成烴為主轉而為以裂化反應為主，已經形成的瀝青質轉而裂化為小分子氣態烴，生成大量非芳香組分的揮發分，即為第二次躍變。這與石油的“死亡線”和大量生成濕氣相當。在煤化程度繼續提高的同時，揮發分逐漸減少，芳香族稠環系統的縮合程度和芳香度逐步增高，反射率也隨之增高。在R0,m約2.0%的貧煤階段，煤的分子結構單元出現方向性，開始有序化，很可能是由於官能團大部分已經脫落，芳環疊片間距離小的結果。達到無煙煤階段時，芳香疊片排列有序化已呈現近似平行排列，反射率表現出較明顯的各向異性。這一變化相當於煤化作用的第三次躍變。及至演化到無煙煤與超無煙煤的分界，各向異性更明顯。第三和第四次躍變均以甲烷形式釋放大量氫為特徵。若煤化作用繼續增高到）仍繼續增高，但最小反射率（R0,min）相反，卻由增高轉而為減低。隨煤化程度的加深，約為6.5%時，鏡質組的最大反射率（第一與第二次躍變），使煤工藝性質出現明顯變化。這一些認識對合理利用煤資源，對油氣的評價和預測與勘探等有很大幫助。與R0,min的負相關關係更為明顯。
公式
公式
公式公式煤化作用階段
煤的成岩作用
泥炭形成後，由於盆地的沉降，在上覆沉積物的覆蓋下被埋藏於地下， 經壓實、脫水、增碳作用，游離纖維素消失，出現了凝膠化組分，逐漸固結並具有了微弱的反射力，經過這種物理化學變化轉變成年輕褐煤。這一轉變所經歷的作用稱為煤的成岩作用。
在成岩作用中，煤受到複雜的化學煤化作用和物理煤化作用：
（1）化學煤化作用：主要反映在泥炭內的腐植酸、腐植質分子側鏈上的親水官能團，以及環氧數目不斷地減少，形成各種揮發性產物，並導致碳含量增加，氧和水分含量減少。
（2）物理煤化作用：主要反映在發生了物理膠體反應，即成岩凝膠化作用，從而使未分解或未完全分解的木質纖維組織，不斷轉變為腐植酸、腐植質，使已經形成的腐植酸、腐植質變為黑色具有微弱光澤的凝膠化組分。成岩作用中，絲炭化組分和穩定組分也發生了變化。
煤的變質作用
變質作用是煤化過程的主要作用。不同類型的變質作用對煤的影響也有所不同。根據熱源及其作用方式將煤的變質作用劃分為4種類型：
（1）深成變質作用
又稱區域變質作用或正常變質作用，是煤層沉降到地面下較深處，在地溫和上覆岩系靜壓力作用下發生的變質作用。深成變質作用具有普遍性，影響範圍廣。德國C.希爾特（1873）在研究德國魯爾、法國加來和英國南威爾斯煤田煤質變化的基礎上提出，在地層大體水平的條件下，向地下每深100米，煤的揮發分降低約2.3%，這一規律稱為“希爾特規律”。這表明煤的變質程度隨其埋藏深度的增加而增高，即由於地溫隨深度的增加而增高，導致煤層的變質程度隨深度而增高。這在含煤岩系的垂直剖面上顯示出煤變質的垂直分帶，稱煤級的垂直分帶，垂直分帶在平面上的反映，構成煤級的水平分帶。在含煤岩系厚度較小的情況下，如中國大部分華北晚古生代含煤岩系和華南二疊系含煤岩系的厚度不過幾百米，煤級分帶與含煤岩系厚度的關係不明顯。但是聚煤期後沉降幅度之差較大，煤層上覆岩系厚度的不同卻能形成煤級分帶。深成變質作用是普遍存在的，常形成區域性的煤變質分帶。
（2）接觸變質作用
指與煤層接觸的侵入岩漿的高溫、揮發性氣體促使煤發生的變質。煤層經受的溫度雖高，但因岩漿侵入的規模一般較小，受熱的持續時間較短，因此僅在接觸帶附近形成局部的煤級分帶。在揮發物質容易逸散的條件下，接觸帶附近的煤常形成天然焦；在溫度高、壓力大、揮發物質不易逸散的情況下，易形成石墨。
（3）岩漿熱變質作用
區域岩漿熱變質作用或遠岩漿熱變質作用：
是由於侵入岩漿的岩漿熱和伴生的熱液、熱氣以及岩漿所含放射性元素的蛻變熱等，在含煤地區形成地熱異常引起的煤變質作用。中國煤的區域岩漿熱變質主要與中生代酸性岩漿侵入有關，以大型花崗岩體、花崗閃長岩體、閃長岩體為主，且常隱伏於地下較深處。岩體的分布多與大型構造體系的活動有關，中國不少的中、高變質煤是在經受深成變質作用的基礎上，又受區域岩漿熱變質的疊加影響而成。
（4）動力變質作用
除 4種煤變質作用類型外，人們還在探討新的類型。如中國學者提出的“構造應力變質作用”，由於來自地下深處的熱液導致的煤熱液變質作用、來自侵入岩漿的高溫蒸氣與熱液的氣成熱液變質作用，以及主要以深循環熱水為熱源的熱水變質作用等。
在同一煤田內，煤常受到不止一種變質作用的影響，如太行山東麓的中高變質煤是在深成變質作用的基礎上，又疊加了區域岩漿熱變質作用的結果，局部也有接觸變質的影響；青海熱水煤田一部分煤在深成變質作用的基礎上，又受到來自地下深循環熱水為主的疊加作用。
煤化作用和煤變質作用的研究成果，現已套用於地層、構造、古地溫、古地理以及油氣的預測、評價等方面。
煤化作用特點
1、煤的成分變化
1）元素組成方面
（1）增碳化趨勢
隨著煤化程度的增加，煤中揮發物減少，碳含量增加，但以褐煤至氣煤階段和無煙煤階段增高的幅度最大。即由泥炭階段含有C、H、O、N、S五種主要元素，演變到無煙煤階段基本上只含碳一種元素。因此，煤化作用，又稱作異種元素的排出過程。
（2）氫、氧含量減少
隨著煤化程度的增加，氫、氧含量減少，氫含量在碳含量大於87%（Vr為29%）時減少特別急劇，而氧含量在碳含量小於87%時比較顯著。
2）原生腐植酸的含量
原生腐植酸的含量在泥炭與年輕褐煤階段最高，隨著成岩作用的加強，腐植酸逐漸變成腐植質，而到了長焰煤階段腐植酸已經完全消失。
3）甲烷生成量的變化
甲烷生成量的變化隨著煤化程度的增高而遞增。
4）煤的結構緻密化和定向排列的趨勢
煤化作用過程實際上是依序排除不穩定結構的過程。在煤化過程中，煤的芳香化程度逐漸提高，芳香族物質逐漸縮合成較大的聚合體，脂肪族成分逐漸脫落並以揮發物形式逸出，分子排列逐漸定向化。
煤的結構上主要表現為芳香族稠環體系的縮合度進一步增加，側鏈更加減少，芳香單元直徑加大，層系間空間減小，使得順層面三維的定向排列更加緊密。
5）煤顯微組分性質的均一性
在煤化作用的低級階段，煤顯微組分的光性和化學組成結構差異顯著，也就是說具有不同的煤化作用軌跡。但隨著煤化作用的進行，只是在高變質階段，這些差異趨於一致，變得愈來愈不易區分。
例如：絲炭化組分中的碳、氫、氧含量在煤化過程中最為穩定，鏡質組分次之，孢子體等最不穩定；煤的揮發分產率、反射率以及真比重等的變化梯度以殼質組為最大，惰性組最小，到高變質階段則漸趨一致 ，煤化過程中各種顯微組分吸附水分的能力都逐漸降低，其中以鏡質最為顯著，但到中變質階段時彼此已接近一致。此外，煤的粘結性的變化主要取決於鏡質和殼質組，因為惰性組在任何煤化階段均無粘結性。鏡質的粘結性以肥、焦煤階段最高；殼質組的粘結性在老褐煤階段開始出現，到焦煤階段已消失，最大值大致在氣煤階段。
2、煤的性質變化
1）煤的工藝性質方面
（1）隨煤化程度的增高，揮發分逐漸降低。
（2）隨著煤化程度的增高，水分自褐煤至焦煤階段逐漸降低，在焦、瘦煤界線上達到最小值，由瘦煤至無煙煤階段又略有增加；發熱量值的變化恰與水分相反，自褐煤至焦煤階段逐漸增加，在焦、瘦煤界線上達到最大值，由瘦煤至無煙煤階段又略有減少。
（3）粘結性則以焦、肥煤階段為最強，這可從膠質層厚度和羅加指數的變化曲線上明顯的看出。
2）煤的物理性質方面
煤化過程中，煤的物理性質亦作規律性的變化。
（1）隨著煤化程度的增高，煤的顏色由褐色變為黑色再到黑灰色；粉末則由淺褐色到黑色和深黑色；
（2）隨著煤化程度的增高，光澤也逐步增強，年輕褐煤一般不具光澤，由老褐煤開始到無煙煤階段依次出現瀝青光澤、玻璃光澤、金剛光澤和似金屬光澤；在中變質階段之前，各種煤岩類型之間光澤的差別較大，而到高變質階段則漸趨一致；
（3）煤的鏡質組反射率隨煤化程度的增高而加大，到無煙煤階段尤為明顯；
（4）隨著煤化程度的增高，煤的硬度變化也很明顯，肥煤和焦煤的硬度最小，無煙煤最大，而長焰煤、氣煤與貧煤的硬度相近，僅次於無煙煤；
（5）內生裂隙數呈曲線變化，最大值在焦煤階段；
（6）煤的顯微鏡下的特徵也隨煤化程度的增高而變化。透明度逐漸降低，反射率增強，各顯微組分差異變小。
影響因素
溫度、壓力和時間是影響煤化作用的重要因素，其中溫度是煤化作用的主要因素。此外放射性元素蛻變的影響也值得注意。溫度升高促使煤進行化學變化，壓力增大主要是促使煤的物理結構發生變化，時間因素的作用體現在溫度和壓力持續的久暫上。3種因素中溫度最為重要。溫度愈高，煤化程度愈高；溫度愈高，時間的影響愈大；在同樣的溫度、壓力條件下，時間愈長，煤化程度也愈高（作用的溫度應大於50～60℃）；在較低溫度下受熱時間較長，或溫度較高而持續時間較短，可以達到同樣的煤化程度，如同是Vdaf=20%的煤，溫度在200℃下須經2000萬年形成，但在280℃下，經500萬年即可達到，Vdaf為乾燥無灰基揮發分。
1、溫度因素的重要性
1930年Gropp和Bode曾將泥炭或年輕褐煤置於密閉的容器內，在1000個大氣壓的條件下逐漸加熱，在相當長的時間內試樣並無變化；但當溫度高過200℃時，試祥開始變化，最終轉變為煤化較深的褐煤。兩年後再度進行試驗，在1800個大氣壓，溫度低於320℃的條件下，雖然時間持續很久也未能使褐煤進一步變化，但當溫度升到320℃時，褐煤就轉變為具有長焰煤的產物，當溫度升高到345℃時，所得的產物就具有典型煙煤的性質。溫度再進一步增高到500℃時，產物則具有無煙煤的特性。
試驗不僅說明溫度和壓力是煤化作用的重要影響因素，而且還進一步證明了與壓力相比，溫度是促進煤變質的主導因素。
2、地熱和地溫梯度
隨著沉降深度的變化，溫度的增加使得煤化作用程度提高，因此煤化作用的演化決定於煤的受熱史。煤化程度增高的速度，有人稱為“煤級梯度”或“煤化梯度”。它首先決定於地區的地熱條件，即地熱梯度變化。
（1）地殼的等溫面：由於地殼結構和地質構造各處有異，各種熱源分布的不均一性，因而地熱場的特點也不一樣。首先表現在地殼的等溫面並不是一個理想的平面，而是起伏不平的曲面，其次是地殼各處的地溫梯度各有差異，等溫面的間隔往往也不相同。
現代地殼平均地溫梯度為3℃ /100米，但其變化範圍可由0.5℃ /100米到25℃ /100米。我國華北某地的地溫梯度為3.3 ℃ /100 。
（2）岩石導熱性能對煤化梯度的影響
地熱條件相類似的地區，由於下伏和共生岩石的導熱性能不同，對於煤化梯度的影響也不相同。
岩石的導熱性首先決定於岩石本身的熱導率，也還受到岩石的孔隙、裂隙、溶洞、構造破壞程度等的影響。
3、構造應力對煤化作用的影響--應力降解機制與應力縮聚機制：
壓力因素在煤化作用中的意義是一個長期爭議的問題,其主要原因在於混淆了地層壓力和構造應力兩種不同性質的"壓力"作用,前者有利於物理煤化作用但抑制化學煤化作用,後者對物理煤化作用和化學煤化作用均具有促進作用.與有機大分子演化途徑相適應,構造應力影響化學煤化作用存在兩種基本機制--應力降解和應力縮聚.應力降解是指構造應力以機械力或動能形式作用於煤有機大分子,使煤芳環結構上的側鏈、官能團等分解能較低的化學鍵斷裂,降解為分子量較小的自由基團,以流體有機質形式(烴類)逸出的過程.應力縮聚是指在各向異性的構造應力作用下,煤芳環疊片通過旋轉、位移、趨於平行排列使秩理化程度提高,基本結構單元定向生長和優先拼疊、芳香稠環體系增大的過程.採用X衍射(XRD)、傅立葉紅外(FTIR)和岩石熱解(Rock-Eval)等技術,進行構造煤系列和非構造煤系列的對比分析,結果表明,構造變形煤具有脂族吸收峰弱而芳核吸收峰強、熱解生烴潛力相對較低、基本結構單元增大等顯著特徵.應力降解和應力縮聚機制的提出,並未否認有機質演化的溫度主導作用,只是強調構造應力在煤化作用中的"催化"意義。
4、時間的影響
溫度和壓力持續作用於煤的時間長短，也是影響煤化作用的重要因素。在相同的溫度條件下，受熱時間越長，煤的變質程度越高；長時間的低溫作用（超過60℃）也能起到短時間的高溫作用的效果。
煤化程度指標
1、深成變質煤
（1）水分
在褐煤與尚未壓固的低煤化階段，由於上覆岩層壓力，使得煤中的孔隙度很快降低，親水官能團分解，水分迅速減少。如軟褐煤階段，埋深每增加100m，水分降低4%。因此，水分是低煤化階段的較敏感的煤化程度指標。
（2） 發熱量
在褐煤及低煤化煙煤階段(Vdaf >30%)，鏡質組的發熱量主要決定於水分的含量。隨著水分的降低，發熱量大致成比例地增高。因此發熱量也和水分一樣，是褐煤及低煤化煙煤階段的煤化指標。
（3）氫含量
煤中氫含量一般小於6%。由於煤的芳香族稠環中富氫官能團和側鏈隨煤化程度的增高而逐漸脫落，從而析出甲烷，並且在無煙煤階段的析出量最大，氫含量減少得最為明顯，可由4%降至1%。因此，氫含量是無煙煤和變無煙煤階段較敏感的煤化指標。
（4）碳含量
隨著煤化程度的增高，因芳香族稠環中官能團和側鏈的不斷脫落使碳含量相應地增高。從肥煤到貧煤的階段內，碳含量僅從87%增加到91%，在軟褐煤和暗褐煤階段的變化也不明顯。從亮褐煤到接近氣煤與肥煤分界的階段及無煙煤階段，碳含量的變化較為明顯，可作為煤化程度指標。
（5）灰分
煤的灰分不是煤中的固有成分，而是煤在規定條件下完全燃燒後的殘留物。它是煤中礦物質在一定條件下經一系列分解、化合等複雜反應而形成的，是煤中礦物質的衍生物。
煤的灰分產率與礦物質含量間有一定的相關關係，可以用灰分來估算煤中礦物質含量。煤質研究中由於灰分與其他特性，如含碳量、發熱量、結渣性、活性及可磨性等有不同的依賴關係。因此，煤中灰分是一項在煤質特性和利用研究中起重要作用的指標。
（6）揮發分及鏡質組反射率
揮發分及鏡質組反射率是最常用的兩個煤化程度指標。
① 在氣肥煤到瘦煤的煤化階段中，鏡質組反射率隨芳香稠環縮合程度的增加而增高。由於鏡質組反射率和揮發分都與鏡質組結構單元的芳構化程度有關，因此鏡質組反射率的增高與揮發分降低的程度幾乎相同。故在肥煤到貧煤階段，鏡質組反射率和揮發分是良好的煤化程度指標。
② 在氣肥煤階段之前，煤中析出的氣體以CO2和H2O為主，此階段鏡質組反射率與揮發分變化不明顯且不規則。
③ 無煙煤階段，揮發分含量已很少，變化不大；鏡質組反射率自貧煤以後，由於煤化作用增加了芳環族單元層排列的有序性，它仍是良好的煤化程度指標。但隨著煤化程度的進行，煤的光學各向異性也增大，因此影響了反射率測定的精度。在變無煙煤階段，鏡質組的最小反射率反應更為靈敏。
2、接觸變質煤
對於接觸變質煤來說，由於變質過程中岩漿和礦化水往往與煤發生化學反應，所以其指標的變化常與深成變質煤不一致。
表現在：
①煤的粘結性遭到破壞；
②在長焰煤至貧煤階段，接觸變質煤的水分偏高，但在無煙煤階段反而偏低；
③煤的發熱量，揮發分產率和氫含量偏低；
④煤的比重在褐煤至肥煤階段偏低，在焦煤至無煙煤階段反而偏高；
⑤煤的顯微硬度隨著遠離火成岩而降低。
3、區域熱力變質煤
對於因受地殼深處岩漿源的影響而變質的區域熱力變質煤而言，其變質指標的變化基本上與深成變質煤相近，但在焦煤至無煙煤階段，其碳含量較小，粘結性較差，電阻率較低。
4、動力變質煤
由於地殼強烈構造運動而引起的動力熱變質煤的某些物理、化學指標與深成變質煤有區別，水分明顯偏低，孔隙度小而密度大。
相關研究
低煤級煤熱解H2生成動力學及其與第一次煤化作用躍變的關係：
相關研究結果顯示, 煤熱解失重率在碳含量(Cdaf)為80%(質量分數)和鏡質組最大反射率(R0max)為0.60%附近發生轉折; 氫氣生成的特徵溫度參數以及動力學參數均在Cdaf為80%(R0max為0.60%)左右表現為最低; 氫氣的總產率在此處最大. 這些特徵參數的極值點剛好與第一次煤化作用躍變點一致, 說明這些參數可以反映第一次煤化作用躍變的發生. 結合傅立葉變換紅外(FTIR)光譜法獲得的煤結構特徵, 對影響機制進行了分析解釋, 認為是由以下3個方面的原因導致的: (1)煤中脂肪類含氧官能團的演化特徵; (2)可溶有機質的低溫熱縮聚作用; (3)有機質的“兩極分化”作用。
