第二節　煤的生成

一、成煤的原始物質

1．三種成煤的假說

①煤是和地球一起形成的，有地球就有煤；

②煤是由巖石變化而來的；

③煤是由植物殘骸形成的。

常常發現在煤層中有保存完好的古植物化石和由樹干變成的煤，有的甚至保留著原來斷裂樹干的形狀。煤層底極多富含植物根化石或痕木化石，證明它曾經是植物生長的土壤。直到19世紀以后，發明了顯微鏡，人們利用顯微鏡在煤中觀察到許多植物的細胞結構。

顯微鏡下觀察煤制成的薄片可以直接看到原始植物的木質細胞結構和其他殘骸，如孢子、花粉、樹脂、角質層和木栓體等；在實驗室用樹木進行人工煤化試驗，可以得到外觀和性質與煤類似的人造煤。因此，煤是由植物而且主要是由高等植物轉變而來的觀點已成為人們的共識。

2．植物的演化

低等植物主要是由單細胞或多細胞構成的絲狀或葉片狀植物體，沒有根、莖、葉的劃分，如細菌和藻類。它們大多數生活在水中，是地球上最早出現的生物。

高等植物則有根、莖、葉等器官的劃分。除了苔蘚外，高等植物常能長成高大的喬木，具有粗壯的莖和根，成為重要的成煤物質來源。

植物的分類見表1-3。

地質歷史時期，植物是由單細胞到多細胞，由低級到高級，由簡單到復雜，由水生到陸生逐步進化和發展的。其演化發展主要經歷以下幾個階段。

（1）菌藻類時期　中志留世以前，廣闊、穩定的淺海環境提供了藻類大量繁殖的良好條件，因此形成了具有工業價值的煤。這是地史上最早的聚煤時期。本時期形成的煤，一般屬于高灰分的腐泥無煙煤類，南方寒武紀地層。

（2）裸蕨類時期　晚志留世至中泥盆世，目前所知的最早陸生植物，主要是裸蕨類植物，還包括原始的石松類、節蕨類植物。該時期的植物仍沒有根。植物由水生到陸生的階段，是聚煤史和植物演變史的大事。

（3）蕨類、種子蕨類時期　晚泥盆世至早二疊世，是高等植物發育、發展和演化的最重要時期，以石松類、節蕨類、古羊齒類、種子蕨及科達類為主。該時期全球氣溫變暖、潮濕，適于植物生長。典型的植物是高大的喬木，高度可達30m以上。該時期是半陸生轉變為陸生的主要時期。早古生代聚煤期——第一個重要聚煤史。

（4）裸子植物時期　晚二疊世至早白堊世，海西和印支運動，陸地面積增大，地形分化，氣候改變，適應干燥氣候的被子植物繁盛。中生代聚煤期——第二個重要聚煤史。

（5）被子植物時期　晚白堊世至現代，隨著古地理、古氣候的變化，蘇鐵、銀杏裸子植物逐漸走向衰退和滅絕，松柏類植物大量減少。這一時期，被子植物迅速繁殖，成為占絕對優勢的植物群。新生代聚煤期——第三個重要聚煤史。

植物的主要演化發展階段如圖1-4所示。

3．各地質年代的成煤植物及成煤情況

（1）地質年代　是指地球上各種地質事件發生的時代。它包含相對地質年代和絕對地質年代。這兩方面結合，才構成對地質事件及地球、地殼演變時代的完整認識，地質年代表正是在此基礎上建立起來的。地質年代的劃分和研究，是通過巖石和化石的歷史來確定的。

地質年代按時間間隔的長短，劃分為五級時間單位，按從大到小的順序分別是宙、代、紀、世、期，常用的為代、紀、世。其中代是根據生物演變的主要階段劃分的，如古生代的植物主要是孢子植物。中生代的植物主要是裸子植物。紀的劃分主要依據地殼節奏運動造成的沉積旋回、古地理特征及生物群的變化。世是根據生物科目的發展演化階段來劃分的。地質年代與成煤期的關系見表1-4。

（2）中國幾個主要聚煤期　聚煤期和主要聚煤期是就全球而論的。不同國家和地區，主要聚煤期各有差異。中國的主要聚煤期有八個：早寒武世、早石炭世、晚石炭世-早二疊世、晚二疊世、晚三疊世、早侏羅世-中侏羅世、晚侏羅世-早白堊世和第三紀。上述聚煤期中，以石炭紀、二疊紀、侏羅紀和第三紀的聚煤作用最強。

4．成煤植物的有機族組成及其成煤性質

高等植物和低等植物的基本組成單元是細胞。細胞是由細胞壁和原生質構成的。前者的主要成分是纖維素、半纖維素和本質素，而后者的主要成分是蛋白質和脂肪。高等植物的細胞含原生質較少，低等植物則相反。莖是高等植物的主體，其外面被一層表皮所包裹。表皮外層為角質層，里層為木栓層。從表皮向內，依次是形成層、木質部和髓心。

高等植物除了根、莖、葉外，還有繁殖器官孢子和花粉。孢子屬于孢子植物，花粉屬于種子植物。

（1）植物的族組成　從化學的觀點看，植物的有機族組成可以分為四類，即糖類及其衍生物、木質素、蛋白質和脂類化合物。

①糖類及其衍生物　糖類及其衍生物含有碳、氫、氧三種元素，常用通式Cn（H2O）m表示，所以這類化合物常被稱為碳水化合物。這類化合物包括纖維素、半纖維素和果膠質等。

a．纖維素　纖維素是一種高分子的碳水化合物，屬于多糖；其鏈式結構可用通式（C6H10O5）n表示，分子結構如圖1-5所示。

纖維素在生長著的植物體內很穩定，但植物死亡后，需氧細菌通過纖維素水解酶的催化作用可將纖維素水解為單糖，后者進一步氧化則分解為CO2和H2O，即：

當環境缺氧時，厭氧細菌使纖維素發酵生成CH4、CO2、C3H7COOH和CH3COOH等。無論是水解產物還是發酵產物，它們都可與植物的其他分解產物縮合形成更復雜的物質參與成煤，或成為微生物的營養來源。

b．半纖維素　半纖維素是多糖，其結構多種多樣，例如多維戊糖就是其中的一種。它們也能在微生物作用下分解成單糖。

c．果膠質　果膠質是糖的衍生物，呈果凍狀存在于植物的果實和木質部中。果膠質分子中有半乳糖醛酸HOC—（CHOH）4—COOH，故呈酸性。果膠質的結構式如圖1-6所示。

果膠質是不穩定的，在泥炭形成的開始階段，即可因生物化學作用水解成一系列的單糖和糖醛酸。

②木質素　木質素主要分布在高等植物莖部的細胞壁中，包圍著纖維素并填充其間隙，以增加莖部的堅固性。木質素結構非常復雜，以至于至今還不能用一個結構式來表示，但人們已認識到它具有芳香核，帶有側鏈，并含有甲氧基（—OCH3）、羥基（—OH）、醚基（—O—）和醛基等各種官能團。木質素的組成因植物的種類而異。目前已查明有三種類型的單體，如表1-5所示。

木質素的單體以不同的鏈連接成三度空間的大分子，因而比纖維素穩定，不易水解。但在多氧的情況下，經微生物的作用易氧化成芳香酸和脂肪酸。

③蛋白質　蛋白質是構成植物細胞原生質的主要成分，也是有機體生命起源的最重要物質。其結構如圖1-7所示。在低等植物中，蛋白質含量較高，而在木本植物中，蛋白質含量不高。蛋白質是由氨基酸分子按一定排列方式結合而成的復雜的高分子化合物。植物死亡后，如果處在氧化條件下，蛋白質經微生物作用可全部分解成氣態產物（NH3、CO2、H2O、H2S等）。在泥炭沼澤中，蛋白質可水解成簡單的氨基酸，參與成煤。由于蛋白質的元素組成有碳、氫、氧、氮、硫等元素，有些蛋白中含有磷，所以有人認為煤中的氮和有機硫可能來自成煤植物中的蛋白質。

④脂類化合物　脂類化合物通常指不溶于水，而溶于苯、醚和氯仿等有機溶劑的一類有機化合物。存在于植物中的脂類化合物主要有以下幾種類型。

a．脂肪　脂肪屬于長鏈脂肪酸的甘油酯。低等植物含脂肪較多，如藻類含脂肪可達20％。高等植物一般僅含1％～2％，且多集中在植物的孢子或種子中。脂肪受化學作用可被分解，生成脂肪酸和甘油，前者參與成煤作用。在天然條件下，脂肪酸具有一定的穩定性，因此從泥炭或褐煤的抽提瀝青中能發現脂肪酸。

b．樹脂　樹脂是植物生長過程中的分泌物。當植物受創時，不斷分泌出膠狀的樹脂來保護傷口。高等植物中的針狀植物含樹脂最多。低等植物不含樹脂。樹脂是混合物，其成分主要是二萜和三萜類的衍生物。樹脂的化學性質十分穩定，不受微生物破壞，也不溶于有機酸，因此能較好地保存在煤中。我國撫順第三紀褐煤中的“琥珀”就是由植物的樹脂演變而成的。

c．樹蠟　樹蠟的化學性質類似于脂肪，但比脂肪更穩定。它呈薄層覆于植物的葉、莖和果實表面。以防止水分的過度蒸發和微生物的侵入。蠟質是長鏈脂肪酸和含24～36（或更多）個碳原子的高級一元醇聚合形成的脂類，其化學性質穩定，遇強酸也不易分解。

d．角質　角質是角質膜的主要成分，其含量可達50％以上。植物的葉、嫩枝、幼芽和果實的表面常常覆蓋著角質膜，其作用是防止水分的過度蒸發和微生物的侵入。角質是脂肪酸脫水或聚合的產物，其主要成分是含16～18個碳原子的角質酸。

e．木栓質　木栓質是將植物的木栓組織浸透以提高其抵抗微生物作用腐爛變質的能力。在木栓中木栓質含量為25％～50％。木栓質的主要成分是脂肪醇酸、二羧酸、碳原子數大于20的長鏈羧酸和醇類。

f．孢粉質　孢粉質是構成植物繁殖器官孢子、花粉外壁的主要有機成分，具有脂肪-芳香族網狀結構。化學性質非常穩定，耐酸耐堿且不溶于有機溶劑，并可耐較高的溫度而不發生分解。

脂類化合物的共同特點是化學性質穩定，因此能較完整地保存在煤中。

以上介紹了植物的各種有機組分及在生物化學變化過程中的變化情況，如果按分解的難易程度，由易到難依次為：原生質、葉綠素、脂肪、半纖維素、纖維素、木質素、木栓質、角質、孢子、花粉、樹蠟、鞣質、樹脂。可見，植物中各種有機組分抵抗微生物分解的能力決定了它們的結構和化學性質。

（2）成煤原始物質對煤質的影響　各種植物，植物的各個部分，分解后的產物及參與分解的微生物都能參與成煤。但是，由于成煤植物及植物的不同部分在有機組成上存在差異，也由于不同有機組分在化學性質、元素組成上的差異，使得不同植物和植物的不同部分的分解、保存和轉化存在很大差別，導致煤的組成、性質的差異，影響到煤的工業利用。所以，成煤原始物質是影響煤質的重要因素之一。

在高等植物形成的煤中，如果成煤植物是以根、莖等木質纖維組織為主，煤的氫含量較低；如果成煤植物是以角質、木栓質、樹脂、孢粉等脂類化合物為主，則煤的氫含量較高。

二、成煤過程

成煤過程是指從植物死亡，遺體堆積直到轉變成煤所經歷的一系列演變過程。

（一）成煤條件

（1）古植物條件　植物是成煤的物質基礎，只有植物大量繁殖的時期才是成煤的有利時期。

（2）氣候條件　溫暖、潮濕的氣候條件最適宜成煤。

（3）自然地理條件　泥炭沼澤是發生聚煤作用的良好古地理環境。

（4）地殼運動條件　地殼運動是地球運動、發展、變化的一種表現形式。地殼運動對成煤的影響表現在以下幾個方面。地殼運動對自然地理環境起控制作用；地殼沉降速度直接影響泥炭層的沉積厚度。

（二）煤的形成過程

當植物死亡后，遺體堆積在沼澤中，經過復雜的生物化學變化轉變為泥炭或腐泥，隨著地殼沉降運動，泥炭、腐泥被埋到地下深部，經過物理化學作用、地質作用，逐漸演變成腐殖煤或腐泥煤。

1．腐殖煤的成煤過程

由高等植物轉化為腐殖煤要經歷復雜而漫長的過程，一般需要幾千萬年到幾億年的時間。整個成煤作用可劃分為兩個階段：泥炭化作用過程和煤化作用過程。如圖1-8所示。

煤化程度的概念：在褐煤向煙煤、無煙煤轉化的進程中，由于地質條件和成煤年代的差異，使煤處于不同的轉化階段。煤的這種轉化階段稱為煤化程度，有時稱為變質程度或煤級。按煤化程度由低到高依次是：褐煤、煙煤（長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤）、無煙煤。

（1）泥炭化作用　泥炭化作用是指高等植物的遺體經過復雜的生物化學變化和物理化學變化轉變成泥炭的過程。在這個過程中，植物有機組分的變化非常復雜，根據引起變化的微生物類型又可分兩個階段。

第一階段：植物遺體被沼澤中的水掩蓋后，最初是處于泥炭沼澤的表層，由于表層覆水淺、陽光充足、空氣流通，又有大量的有機質提供養料，很適宜微生物的生存，水中含有大量的需氧細菌，植物遺體在需氧細菌的作用下發生氧化分解和水解作用，轉化成結構簡單、化學性質活潑的有機化合物。例如，纖維素經需氧細菌水解后形成單糖，木質素被氧化分解成芳香酸和脂肪酸，蛋白質被分解為氨基酸。

第二階段：隨著地殼的沉降和植物遺體堆積，分解產物和未分解的植物遺體被埋到泥炭沼澤的中層和底層，氧化環境逐漸被還原環境取代，這時需氧細菌的數量不斷減少，厭氧細菌的數量顯著增多，在厭氧細菌的作用下，植物有機組分發生厭氧分解，其中纖維素、果膠質經厭氧分解生成丁酸、乙酸等產物，蛋白質分解產生氨基酸，脂肪分解成脂肪酸，在厭氧細菌的作用下分解產物之間、分解產物與植物殘體之間又不斷發生一系列復雜的生物化學變化，逐漸化合形成腐殖酸、腐殖酸鹽、瀝青質、硫化氫、二氧化碳、甲烷、氫等，其中一部分不穩定的氣體逸出后，剩下的物質沉積成泥炭。

泥炭一般為棕褐色或黑褐色，無光澤，質軟且富含水分及腐殖酸。

（2）煤化作用　煤化作用是指由泥炭轉變為腐殖煤的過程，或由腐泥轉變為腐泥煤的過程。

煤化作用中，主要發生物理化學變化和化學變化。根據作用條件的不同，煤化作用可分為成巖作用和變質作用兩個階段。

成巖作用：泥炭在沼澤中層層堆積，越積越厚，當地殼下降速度較大時，泥炭將被泥沙等沉積物覆蓋。在上覆沉積物的壓力作用下，泥炭發生了壓緊、失水、膠體老化、固結等一系列變化，微生物的作用逐漸消失，取而代之的是緩慢的物理化學作用。這樣，泥炭逐漸變成了較為致密的巖石狀的褐煤。

變質作用：當褐煤層繼續沉降到地殼較深處時，上覆巖層壓力不斷增大，地溫不斷增高，褐煤中的物理化學作用速率加快，煤的分子結構和組成產生了較大的變化。碳含量明顯增加，氧含量迅速減少，腐殖酸也迅速減少并很快消失，褐煤逐漸轉化成為煙煤。隨著煤層沉降深度的加大，壓力和溫度提高，煤的分子結構繼續變化，煤的性質也不斷發生變化，最終變成無煙煤。

2．腐泥煤的成煤過程

當植物死亡后，遺體堆積在沼澤中，經過復雜的生物化學變化轉變成腐泥，隨著地殼沉降運動，腐泥被埋在地下深部，經過物理化學作用、地質作用，逐漸演變成腐泥煤。整個腐泥煤的成煤作用可劃分為兩個階段：腐泥化作用過程和成巖作用過程。

腐泥化作用：在停滯缺氧的滯水盆地中，浮游生物和菌藻類等低等植物死亡后，在缺氧的環境中，由厭氧細菌的作用，低等植物中的蛋白質、糖類化合物、脂肪分解，再經聚合和縮合作用，形成一種含水很多的棉絮狀膠體物質。這種物質再經過脫水、致密，密度增大，逐漸形成腐泥。腐泥經煤化作用而成腐泥煤。隨煤化程度的增加，腐泥煤發生的變化與腐殖煤相似。

腐泥常呈黃褐色、暗褐色、黑灰色等，水分含量可達70％～90％，是一種粥狀流動的或凍膠淤泥狀物質；干燥后水分降低至18％～20％，為具有彈性的橡皮狀物質。腐泥干燥后也可作燃料或肥料使用，干餾時腐泥的焦油產率很高。

（三）影響煤變質的因素

1．溫度

溫度是影響煤變質的主要因素。在煤田地質勘探過程中，穿過煤系的深孔鉆探提示了隨煤層的埋藏深度增加，煤化程度增高這一事實，說明地溫增高，煤化程度增高。

2．壓力

壓力也是引起煤變質的因素之一。

3．時間

時間是影響煤變質的另一重要因素。在溫度、壓力大致相同的條件下，煤化程度取決于受熱時間的長短，受熱時間越長，煤化程度越高，受熱時間越短，煤化程度越低。見圖1-9。

三、沼澤

沼澤是在一定的氣候、地貌和水文條件下，常年積水或極其潮濕的地段，內有大量植物生長和堆積。如圖1-10所示。

沼澤按水分補給來源的不同，可劃分為三種類型：低位沼澤，主要由地下水補給、潛水面較高的沼澤；高位沼澤，主要以大氣降水為補給來源的泥炭沼澤；中位沼澤或過渡沼澤，兼有低位沼澤和高位沼澤的特點，其水源部分由地下水補給，部分由大氣降水補給。根據沼澤距離海岸的遠近，分為近海泥炭沼澤與內陸泥炭沼澤。根據水介質的含鹽度，沼澤又可分為淡水沼澤、半咸水沼澤和咸水沼澤。

小結

一、成煤的物質

二、植物的族組成及對煤的影響

三、成煤作用過程

測試題

一、填空題

1．植物的演化過程主要經歷了（　）植物、（　）植物、（　）植物、（　）植物和（　）植物5個階段，其中（　）植物屬低等植物，其余為（　）植物。

2．植物的有機組成可以分為4類，即（　）、（　）、（　）和（　）。

3．糖類及其衍生物常被稱為（　）化合物。這類化合物包括（　）、（　）和（　）等。脂類化合物主要包括（　）、（　）、（　）、（　）、（　）和（　）。

4．根據成煤過程的影響因素和結果不同，成煤過程可分為（　）作用（或腐泥化作用）和（　）作用兩個階段。

5．成煤的外界條件有（　）、（　）、（　）和（　）。

二、簡答題

1．煤炭形成需要哪些條件？成煤的外界條件在成煤過程中各起什么作用？

2．簡述泥炭化作用和腐泥化作用的過程。

3．成煤植物的主要化學組成是什么？它們各自對成煤的貢獻如何？為什么木質素對成煤作用的貢獻最大？

4．什么是腐泥煤？什么是腐殖煤？簡述其主要特征。

5．什么是沼澤？按水的補給來源分，沼澤分為哪幾類？