煤成因

煤成因是煤形成的原因和條件，由植物遺體在沼澤中堆積埋藏後，經成煤作用轉變而成。

基本介紹

• 中文名：煤成因
• 所屬學科：礦產

轉變過程

植物轉變成煤的全過程，包括成煤作用條件、成煤植物種類、沉積環境、沼澤類型、植物堆積方式、泥炭化作用和煤化作用。

成煤作用

成煤作用包括由泥炭轉變成褐煤、煙煤以至無煙煤的全過程，分為兩大階段：第一階段為泥炭化作用階段，是地表常溫常壓條件下，植物遺體在沼澤中經泥炭化作用轉變成泥炭的過程，以生物化學降解作用為主；第二階段為煤化作用階段，泥炭被埋藏並沉降至地下深處，經成岩作用轉變成褐煤，在溫度和壓力繼續增高過程中，經物理化學變化為主的變質作用轉變成煙煤和無煙煤。

組成結構

煤的岩石組成和成因類型取決於泥炭形成時的成煤植物種類、堆積環境和堆積方式。煤的物理、化學和工藝性質卻在很大程度上取決於煤化作用中有機質熱演化的程度，即煤級。

控制因素

古植物、古氣候、古地理和古構造是影響成煤作用發生和強度的控制因素。這些條件的有利配合才能形成大規模有工業價值的煤炭資源。

①古植物。成煤植物群落不同，決定了煤的成因類型。石炭紀開始，富含木質纖維組織的陸生高等植物大量繁殖、堆積形成的煤大多為腐殖煤；富含蛋白質、脂肪的低等菌藻類為主形成的煤為腐泥煤；高等和低等植物混合形成的煤為腐殖腐泥煤。腐泥煤和腐殖腐泥煤在自然界分布量少，常呈薄層或透鏡體夾於腐殖煤為主的煤層之中。

②古氣候。泥炭是溫暖潮濕氣候條件下的產物，在氣候條件中濕度所起的作用比溫度更重要，熱帶地區植物生長和泥炭堆積速率快，但植物遺體腐爛分解也快，難以形成很厚的泥炭層。現代無論在溫暖的低緯度區和寒冷的高緯度區（北緯或南緯50°～70°），凡是降水量大於蒸發量的地區，都有較厚的泥炭層堆積保存。乾旱條件不利於植物生長和堆積並轉變成煤。

③古地理。有利於成煤作用的地理環境是沼澤，沼澤分布在潟湖或濱海平原、海或湖的三角洲平原、河流沖積平原和沖積扇前等環境。

④古構造。成煤作用有利的構造背景是古構造穩定期，地殼緩慢沉降，有利於泥炭的埋藏保存，而造山運動和地殼上升階段，均不利於泥炭的堆積和保存。成煤植物　形成煤的原始植物以陸生高等植物為主，低等植物菌藻類次之。成煤植物的有機組成及化學性質影響煤的類型和性質。

植物有機組成

植物有機組成包括：①纖維素、半纖維素、果膠質等碳水化合物。②木質素。③蛋白質。④脂類化合物，包括脂肪、樹脂、樹蠟、孢粉質、角質和木栓質等。此外，還有鞣質、色素等。高等植物的組成以纖維素、半纖維素和木質素為主，低等植物則以蛋白質為主，並含碳水化合物和脂肪。植物遺體堆積在沼澤中，在微生物的參與下發生分解。植物的不同組成，化學穩定性差異較大，纖維素、半纖維素和果膠質等容易水解成葡萄糖，還可進一步分解成二氧化碳、甲烷和水，木質素相對比較穩定，也可氧化成芳香酸和脂肪酸；蛋白質在分解過程中放出氨氣並形成胺基酸、卟啉等含氮化合物，脂類化合物中只有脂肪容易因水解而產生脂肪酸和甘油，而樹脂、樹蠟、孢粉質等都很穩定，只有當沼澤水流通性強時才發生氧化分解。

成煤沼澤

適於植物遺體堆積並轉變為泥炭的場所沼澤是被水飽和著的土壤區，長年或季節性地被水所覆蓋，表面和周圍有植物生長。當沼澤中堆積了一定厚度的泥炭層時稱為泥炭沼澤。沼澤類型不同，影響成煤植物的生長、種類和堆積，從而影響煤層的分布和煤質。根據水源補給條件，沼澤分為低位沼澤和高位沼澤兩大類，自然界常見的是低位沼澤。

低位沼澤

低位沼澤由地下水補給，潛水面高於沼澤表面，含礦物質豐富，植物繁茂，成煤原始物質豐富，能形成大量的泥炭，但含礦物質相對較多。低位沼澤有淡水的樹沼或森林沼澤，海岸附近鹹水、半鹹水的草沼和湖泊或沼澤開闊水域中的漂浮沼澤3種基本類型。樹沼有高大的喬木和灌木生長，易形成大規模厚的泥炭層，是低位沼澤的主要類型。此外，某些低位沼澤以占優勢的植物群落命名：如分布在海岸潮間帶半鹹水的紅樹林沼澤；淡水、酸性土壤、有泥炭蘚和菅茅生長的泥炭蘚沼澤；淡水、鹼性土壤、以蘆葦為主的蘆葦沼澤等。

高位沼澤

高位沼澤在自然界較少，地下水潛水面低於沼澤表面，由大氣降水補給，缺乏礦物質，植物矮化、屬種單調，常形成低滋育的苔蘚沼澤。腐殖酸的堆積和蘚類本身所含有的酚，均不利於微生物的生存和活動，易形成礦物質少、植物原生結構保存好的泥炭。沼澤水面或地下水潛水面發生變化時，上述不同類型沼澤可以相互發生轉換。不同沼澤類型形成不同煤岩類型的煤，沼澤水介質的pH和Eh影響泥炭中硫的含量和有機質的分解程度（見煤相）。

植物堆積方式

成煤植物在沼澤中的堆積有兩種基本方式，即原地生成和異地生成。成煤植物在其生長繁殖的原地堆積轉變成泥炭，為原地生成；經長距離搬運再堆積，則稱異地生成。自然界絕大部分煤層屬於原地生成。異地生成的泥炭難以形成大規模有經濟價值的煤層。河口三角洲常有巨大漂木堆積，埋藏後也有可能形成異地生成的煤；另一種情況是已形成的泥炭被颶風拔起搬運再沉積。德國R．波托尼提出微異地生成泥炭，仍屬原地生成的範疇，指洪泛季節植物遺體在沼澤範圍內經流水搬運再重新堆積，一般結構較破碎，礦物質含量較多，並易保存水平層理，甚至混有水生生物遺體。如燭煤或藻燭煤等，都屬微異地生成。

泥炭化作用

高等植物遺體在沼澤中堆積後，經生物化學降解作用，轉變成泥炭的作用。又稱生物化學泥炭化作用。泥炭化作用以微生物為重要媒介。微生物通過分解破壞植物遺體的有機組成而吸取養分，死後遺體又成為煤原始物質的一部分。泥炭層的表層為氧化環境，植物遺體受喜氧細菌、放線菌和真菌的破壞，氧化分解成氣體、水和化學性質活潑的產物。分解產物相互之間或與殘留的植物有機組織發生合成作用產生新的有機化合物腐殖酸等。泥炭層的底部為還原環境，厭氧細菌的活動消耗了有機物中的氧，形成富氫的瀝青產物。植物組成分解速度由快到慢的順序是蛋白質、葉綠素、脂肪、澱粉、纖維素、木質素、周皮、種子皮殼、角質層、孢子花粉殼、樹蠟和樹脂。

泥炭化作用的產物為腐殖酸、瀝青質，還有受不同氧化程度的植物木質纖維組織及較難變化的角質、孢粉質、樹脂、樹蠟等有機質組分，同時還混有風和水帶來的無機成分。有機質的轉化過程和產物取決於氧的供應。泥炭化作用十分複雜，泥炭層表層多氧，下部覆水，植物遺體發生的生物化學變化不同。①凝膠化作用。覆水不深、酸性介質、弱氧化至弱還原的滯水條件下，植物的木質纖維組織因微生物的作用細胞壁吸水膨脹，細胞腔逐漸縮小以至消失，發生腐殖化作用和生物化學凝膠化作用，簡稱凝膠化作用，形成了以凝膠化物質為主的腐殖酸。微生物的活動受沼澤水酸度的制約，酸度越高微生物活動越弱，植物的木質結構保存越好。

反之，在弱鹼性環境下，微生物大量繁殖，凝膠化物質呈均一狀，植物的木質結構完全消失。凝膠化物質是含氫較豐富的碳氫化合物，在成岩過程中脫水老化變成腐殖質，轉變成煤後成為煤中的鏡質組。②絲煤化作用。又稱絲炭化作用。植物的木質纖維組織在沼澤表面或暴露於大氣中，在比較乾燥的氧化條件下經喜氧細菌、真菌、放線菌的作用緩慢氧化分解，或因森林沼澤失火急劇氧化，轉變成富碳、貧氫的絲煤的過程。絲煤是化學性質穩定的惰性物質，埋藏後轉化成煤中的惰質組。

泥炭化過程中，因植物種類不同和沼澤覆水深度、氧的含量、介質酸度、微生物等條件的變化，使凝膠化、瀝青化、絲煤化作用的各種產物，以不同比例共生或在垂向交替出現，加上混入的礦物質不等，埋藏後經煤化作用即形成暗亮相間、條帶狀的腐殖煤類。

腐泥化作用

低等生物在濱海沿岸、湖泊、沼澤底部缺氧的環境下，經生物化學降解作用轉變成腐泥的過程。腐泥是富含水和瀝青質的淤泥狀物質，視混入礦物質的多少而為腐泥煤（灰分小於50%）或油頁岩（灰分大於50%）的前身，腐泥經成岩作用形成腐泥褐煤，再經變質作用轉變成腐泥煙煤以至腐泥無煙煤。形成腐泥的原始物質以藻類和水生生物（特別是漂浮植物）為主。有利的堆積環境是滯水缺氧的還原條件，介質為弱鹼性（pH值為8左右）。

腐泥化作用進行到一定程度即被埋藏，藻類的原生結構大部分被保存時形成藻煤；腐泥化作用進行比較徹底，生物的原生結構完全消失成為腐膠質，轉變成結構均勻的膠泥煤；腐泥化過程中混入高等植物穩定成分如孢子、花粉、樹脂、樹蠟等，轉變成腐殖腐泥混合煤；當孢粉含量遠超過藻類時形成燭煤；孢粉含量與藻類大致相當時，則形成燭藻煤或藻燭煤。在覆水較深的條件下，腐泥中容易混入大量黏土，埋藏後轉變成油頁岩。

煤化作用

泥炭轉變為褐煤、煙煤、無煙煤、超無煙煤，或腐泥轉變為腐泥褐煤、腐泥煙煤、腐泥無煙煤和腐泥超無煙煤的過程。煤化作用包括成岩作用和變質作用兩個階段：成岩作用以壓力為主，使泥炭壓實，脫水、固結而轉變為褐煤；變質作用以溫度為主，壓力為輔，使褐煤轉變為煙煤、無煙煤以至超無煙煤、半石墨和石墨。

煤是有機物，對溫度的反應靈敏，在相同溫度、壓力下，煤的變化較無機質的圍岩和煤中的礦物質深刻得多，煙煤和無煙煤的圍岩仍是正常沉積岩而不是變質岩。因此煤變質作用比岩石變質時的溫度、壓力要低。

煤成岩作用與變質作用的界限多數人認為在褐煤與煙煤之間，因為褐煤仍含有腐殖酸，從煙煤開始腐殖酸已完全轉變為腐殖質；也有人將界限放在軟褐煤與硬褐煤之間。如以鏡質組最大反射率Ro,max為準，中國的界限是0.5%。煤化作用機理　煤化作用加深，煤中高分子有機化合物縮合成更大的芳香團，即芳構化程度增高。

煤化作用的演化不是直線進行而有幾次躍變：當煤化作用達到鏡質組平均反射率(Ro,m)為0.5%～0.6%階段（開始生成煙煤）為第一次躍變，以甲烷為主的揮發物和瀝青質形成，與石油開始生成的階段相當。

煤化程度增高到Ro,m約1.3%時（焦煤生成時）為第二次躍變，煤中有機質以裂解作用為主，瀝青質裂化為氣態烴，同時生成大量非芳香組分的揮發物，與石油的“死亡線”和濕氣大量生成階段相當。

煤化程度繼續升高，揮發物逐漸減少，在Ro,m達到2.0%的貧煤階段，反射率表現出較明顯的各向異性，為第三次躍變。

及至演化到無煙煤與超無煙煤的界限，各向異性更加明顯，為第四次躍變。

第三和第四次躍變均以甲烷形成和釋放出氫為特徵。煤化作用因素　指溫度、壓力和時間。溫度升高煤發生化學變化，壓力增大使煤的物理結構發生變化，時間因素體現在溫度和壓力持續的久暫。3種因素中溫度最為重要，溫度愈高，煤化程度愈高，時間的影響愈大。同樣的溫度壓力條件下，時間愈長，煤化程度愈高；在較低溫度下受熱時間長，或溫度較高而持續時間短，可以達到同樣的煤化程度。例如同是Vdaf（乾燥無灰基煤樣的揮發分）為20%的煙煤，溫度在200℃下須經2 000萬年才能形成，但在280℃下經500萬年即可形成。

作用類型

根據熱源及其作用方式，煤的變質作用傳統分為4種類型，不同類型的變質作用對煤的影響不同。

深成變質作用

煤層埋藏到地下較深處，在地熱和上覆岩系靜壓力作用下發生的變質作用。又稱區域變質作用或正常變質作用。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，在正常地熱場下地溫梯度為3℃（每深100米地溫增加3℃），煤的揮發分降低約2.3%，這一規律稱為希爾特規律。表明煤的變質程度隨其埋藏深度的增加而有規律地增高，在含煤岩系的垂向上顯示出煤變質的垂直分帶，稱為煤級的垂直分帶，垂直分帶在平面上的反映構成煤級的水平分帶。煤系厚度不大時，煤級分帶與含煤岩系厚度的關係不明顯；但煤系和上覆岩系厚度橫向變化大時，煤級分帶就很明顯，會形成區域性的煤變質分帶現象。

接觸變質作用

岩漿侵入到地殼淺部與煤層接觸時，煤因受到溫度和壓力的突然升高而發生變質作用，形成局部的煤級分帶。煤層經受的溫度雖高，但受熱持續的時間較短，影響範圍限於接觸帶附近，煤中揮發物逸散易形成天然焦；深成岩體與煤層接觸，在高溫、高壓下揮發物不易逸散，常形成石墨。

區域岩漿熱變質作用

大型岩漿體侵入到煤層以下深部，未直接與煤層接觸，由於岩漿熱和伴生的熱液和揮發性氣體以及岩漿中放射性元素的蛻變熱等，在煤層附近形成異常地熱場，引起煤的變質作用。又稱遠岩漿熱變質作用。岩體的分布多與大型構造帶的分布有關。

動力變質作用

因構造運動應力及伴生的熱效應導致煤的變質。煤的物理結構發生變化，如密度加大、水分減少、反射率和各向異性增強。有時也會引起煤的化學變化，但往往限於強烈構造活動帶附近，影響範圍不大。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，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，又受到地下深循環熱水的疊加作用等。（楊起.中國煤變質作用.北京:煤炭工業出版社,1996.）