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煤化作用 |
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科技名詞定義 中文名稱：煤化作用 英文名稱：coalification 定義：泥炭或腐泥轉變為褐煤、煙煤、無菸煤的地球化學作用。包括煤成岩作用和煤變質作用。應用學科： 煤炭科技（一級學科）；煤田地質與勘探（二級學科）；成煤作用（二級學科） 以上內容由全國科學技術名詞審定委員會審定公佈 煤化作用coalification 泥炭轉變為褐煤、煙煤、無菸煤，或腐泥煤轉變為腐泥褐煤、腐泥煙煤、腐泥無菸煤的過程。煤化作用是成煤作用的第二階段，以物理化學作用為主。 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、無菸煤以至超無菸煤。超無菸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；煙煤和無菸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%。 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，而且是隨機分佈的，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。 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。達到無菸煤階段時，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。及至演化到無菸煤與超無菸煤的分界，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 約為6.5%時，鏡質組的最大反射率（ ）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， 與R0,min的負相關關係更為明顯。 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。 因素 指溫度、壓力和時間。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。 煤變質作用類型 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： 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。 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。 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。岩體的分佈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。 動力變質作用 |
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