煤成因

矿产学术语

煤成因是煤形成的原因和条件，由植物遗体在沼泽中堆积埋藏后，经成煤作用转变而成。

转变过程

植物转变成煤的全过程，包括成煤作用条件、成煤植物种类、沉积环境、沼泽类型、植物堆积方式、泥炭化作用和煤化作用。

成煤作用

成煤作用包括由泥炭转变成褐煤、烟煤以至无烟煤的全过程，分为两大阶段：第一阶段为泥炭化作用阶段，是地表常温常压条件下，植物遗体在沼泽中经泥炭化作用转变成泥炭的过程，以生物化学降解作用为主；第二阶段为煤化作用阶段，泥炭被埋藏并沉降至地下深处，经成岩作用转变成褐煤，在温度和压力继续增高过程中，经物理化学变化为主的变质作用转变成烟煤和无烟煤。

组成结构

煤的岩石组成和成因类型取决于泥炭形成时的成煤植物种类、堆积环境和堆积方式。煤的物理、化学和工艺性质却在很大程度上取决于煤化作用中有机质热演化的程度，即煤级。

控制因素

古植物、古气候、古地理和古构造是影响成煤作用发生和强度的控制因素。这些条件的有利配合才能形成大规模有工业价值的煤炭资源。

①古植物。成煤植物群落不同，决定了煤的成因类型。石炭纪开始，富含木质纤维组织的陆生高等植物大量繁殖、堆积形成的煤大多为腐殖煤；富含蛋白质、脂肪的低等菌藻类为主形成的煤为腐泥煤；高等和低等植物混合形成的煤为腐殖腐泥煤。腐泥煤和腐殖腐泥煤在自然界分布量少，常呈薄层或透镜体夹于腐殖煤为主的煤层之中。

②古气候。泥炭是温暖潮湿气候条件下的产物，在气候条件中湿度所起的作用比温度更重要，热带地区植物生长和泥炭堆积速率快，但植物遗体腐烂分解也快，难以形成很厚的泥炭层。现代无论在温暖的低纬度区和寒冷的高纬度区（北纬或南纬50°～70°），凡是降水量大于蒸发量的地区，都有较厚的泥炭层堆积保存。干旱条件不利于植物生长和堆积并转变成煤。

③古地理。有利于成煤作用的地理环境是沼泽，沼泽分布在潟湖或滨海平原、海或湖的三角洲平原、河流冲积平原和冲积扇前等环境。

④古构造。成煤作用有利的构造背景是古构造稳定期，地壳缓慢沉降，有利于泥炭的埋藏保存，而造山运动和地壳上升阶段，均不利于泥炭的堆积和保存。成煤植物　形成煤的原始植物以陆生高等植物为主，低等植物菌藻类次之。成煤植物的有机组成及化学性质影响煤的类型和性质。

植物有机组成

植物有机组成包括：①纤维素、半纤维素、果胶质等碳水化合物。②木质素。③蛋白质。④脂类化合物，包括脂肪、树脂、树蜡、孢粉质、角质和木栓质等。此外，还有鞣质、色素等。高等植物的组成以纤维素、半纤维素和木质素为主，低等植物则以蛋白质为主，并含碳水化合物和脂肪。植物遗体堆积在沼泽中，在微生物的参与下发生分解。植物的不同组成，化学稳定性差异较大，纤维素、半纤维素和果胶质等容易水解成葡萄糖，还可进一步分解成二氧化碳、甲烷和水，木质素相对比较稳定，也可氧化成芳香酸和脂肪酸；蛋白质在分解过程中放出氨气并形成氨基酸、卟啉等含氮化合物，脂类化合物中只有脂肪容易因水解而产生脂肪酸和甘油，而树脂、树蜡、孢粉质等都很稳定，只有当沼泽水流通性强时才发生氧化分解。

成煤沼泽

适于植物遗体堆积并转变为泥炭的场所沼泽是被水饱和着的土壤区，长年或季节性地被水所覆盖，表面和周围有植物生长。当沼泽中堆积了一定厚度的泥炭层时称为泥炭沼泽。沼泽类型不同，影响成煤植物的生长、种类和堆积，从而影响煤层的分布和煤质。根据水源补给条件，沼泽分为低位沼泽和高位沼泽两大类，自然界常见的是低位沼泽。

低位沼泽

低位沼泽由地下水补给，潜水面高于沼泽表面，含矿物质丰富，植物繁茂，成煤原始物质丰富，能形成大量的泥炭，但含矿物质相对较多。低位沼泽有淡水的树沼或森林沼泽，海岸附近咸水、半咸水的草沼和湖泊或沼泽开阔水域中的漂浮沼泽3种基本类型。树沼有高大的乔木和灌木生长，易形成大规模厚的泥炭层，是低位沼泽的主要类型。此外，某些低位沼泽以占优势的植物群落命名：如分布在海岸潮间带半咸水的红树林沼泽；淡水、酸性土壤、有泥炭藓和菅茅生长的泥炭藓沼泽；淡水、碱性土壤、以芦苇为主的芦苇沼泽等。

高位沼泽

高位沼泽在自然界较少，地下水潜水面低于沼泽表面，由大气降水补给，缺乏矿物质，植物矮化、属种单调，常形成低滋育的苔藓沼泽。腐殖酸的堆积和藓类本身所含有的酚，均不利于微生物的生存和活动，易形成矿物质少、植物原生结构保存好的泥炭。沼泽水面或地下水潜水面发生变化时，上述不同类型沼泽可以相互发生转换。不同沼泽类型形成不同煤岩类型的煤，沼泽水介质的pH和Eh影响泥炭中硫的含量和有机质的分解程度（见煤相）。

植物堆积方式

成煤植物在沼泽中的堆积有两种基本方式，即原地生成和异地生成。成煤植物在其生长繁殖的原地堆积转变成泥炭，为原地生成；经长距离搬运再堆积，则称异地生成。自然界绝大部分煤层属于原地生成。异地生成的泥炭难以形成大规模有经济价值的煤层。河口三角洲常有巨大漂木堆积，埋藏后也有可能形成异地生成的煤；另一种情况是已形成的泥炭被飓风拔起搬运再沉积。德国R．波托尼提出微异地生成泥炭，仍属原地生成的范畴，指洪泛季节植物遗体在沼泽范围内经流水搬运再重新堆积，一般结构较破碎，矿物质含量较多，并易保存水平层理，甚至混有水生生物遗体。如烛煤或藻烛煤等，都属微异地生成。

泥炭化作用

高等植物遗体在沼泽中堆积后，经生物化学降解作用，转变成泥炭的作用。又称生物化学泥炭化作用。泥炭化作用以微生物为重要媒介。微生物通过分解破坏植物遗体的有机组成而吸取养分，死后遗体又成为煤原始物质的一部分。泥炭层的表层为氧化环境，植物遗体受喜氧细菌、放线菌和真菌的破坏，氧化分解成气体、水和化学性质活泼的产物。分解产物相互之间或与残留的植物有机组织发生合成作用产生新的有机化合物腐殖酸等。泥炭层的底部为还原环境，厌氧细菌的活动消耗了有机物中的氧，形成富氢的沥青产物。植物组成分解速度由快到慢的顺序是蛋白质、叶绿素、脂肪、淀粉、纤维素、木质素、周皮、种子皮壳、角质层、孢子花粉壳、树蜡和树脂。

泥炭化作用的产物为腐殖酸、沥青质，还有受不同氧化程度的植物木质纤维组织及较难变化的角质、孢粉质、树脂、树蜡等有机质组分，同时还混有风和水带来的无机成分。有机质的转化过程和产物取决于氧的供应。泥炭化作用十分复杂，泥炭层表层多氧，下部覆水，植物遗体发生的生物化学变化不同。①凝胶化作用。覆水不深、酸性介质、弱氧化至弱还原的滞水条件下，植物的木质纤维组织因微生物的作用细胞壁吸水膨胀，细胞腔逐渐缩小以至消失，发生腐殖化作用和生物化学凝胶化作用，简称凝胶化作用，形成了以凝胶化物质为主的腐殖酸。微生物的活动受沼泽水酸度的制约，酸度越高微生物活动越弱，植物的木质结构保存越好。

反之，在弱碱性环境下，微生物大量繁殖，凝胶化物质呈均一状，植物的木质结构完全消失。凝胶化物质是含氢较丰富的碳氢化合物，在成岩过程中脱水老化变成腐殖质，转变成煤后成为煤中的镜质组。②丝煤化作用。又称丝炭化作用。植物的木质纤维组织在沼泽表面或暴露于大气中，在比较干燥的氧化条件下经喜氧细菌、真菌、放线菌的作用缓慢氧化分解，或因森林沼泽失火急剧氧化，转变成富碳、贫氢的丝煤的过程。丝煤是化学性质稳定的惰性物质，埋藏后转化成煤中的惰质组。

泥炭化过程中，因植物种类不同和沼泽覆水深度、氧的含量、介质酸度、微生物等条件的变化，使凝胶化、沥青化、丝煤化作用的各种产物，以不同比例共生或在垂向交替出现，加上混入的矿物质不等，埋藏后经煤化作用即形成暗亮相间、条带状的腐殖煤类。

腐泥化作用

低等生物在滨海沿岸、湖泊、沼泽底部缺氧的环境下，经生物化学降解作用转变成腐泥的过程。腐泥是富含水和沥青质的淤泥状物质，视混入矿物质的多少而为腐泥煤（灰分小于50%）或油页岩（灰分大于50%）的前身，腐泥经成岩作用形成腐泥褐煤，再经变质作用转变成腐泥烟煤以至腐泥无烟煤。形成腐泥的原始物质以藻类和水生生物（特别是漂浮植物）为主。有利的堆积环境是滞水缺氧的还原条件，介质为弱碱性（pH值为8左右）。

腐泥化作用进行到一定程度即被埋藏，藻类的原生结构大部分被保存时形成藻煤；腐泥化作用进行比较彻底，生物的原生结构完全消失成为腐胶质，转变成结构均匀的胶泥煤；腐泥化过程中混入高等植物稳定成分如孢子、花粉、树脂、树蜡等，转变成腐殖腐泥混合煤；当孢粉含量远超过藻类时形成烛煤；孢粉含量与藻类大致相当时，则形成烛藻煤或藻烛煤。在覆水较深的条件下，腐泥中容易混入大量黏土，埋藏后转变成油页岩。

煤化作用

泥炭转变为褐煤、烟煤、无烟煤、超无烟煤，或腐泥转变为腐泥褐煤、腐泥烟煤、腐泥无烟煤和腐泥超无烟煤的过程。煤化作用包括成岩作用和变质作用两个阶段：成岩作用以压力为主，使泥炭压实，脱水、固结而转变为褐煤；变质作用以温度为主，压力为辅，使褐煤转变为烟煤、无烟煤以至超无烟煤、半石墨和石墨。

煤是有机物，对温度的反应灵敏，在相同温度、压力下，煤的变化较无机质的围岩和煤中的矿物质深刻得多，烟煤和无烟煤的围岩仍是正常沉积岩而不是变质岩。因此煤变质作用比岩石变质时的温度、压力要低。

煤成岩作用与变质作用的界限多数人认为在褐煤与烟煤之间，因为褐煤仍含有腐殖酸，从烟煤开始腐殖酸已完全转变为腐殖质；也有人将界限放在软褐煤与硬褐煤之间。如以镜质组最大反射率Ro,max为准，中国的界限是0.5%。煤化作用机理　煤化作用加深，煤中高分子有机化合物缩合成更大的芳香团，即芳构化程度增高。

煤化作用的演化不是直线进行而有几次跃变：当煤化作用达到镜质组平均反射率(Ro,m)为0.5%～0.6%阶段（开始生成烟煤）为第一次跃变，以甲烷为主的挥发物和沥青质形成，与石油开始生成的阶段相当。

煤化程度增高到Ro,m约1.3%时（焦煤生成时）为第二次跃变，煤中有机质以裂解作用为主，沥青质裂化为气态烃，同时生成大量非芳香组分的挥发物，与石油的“死亡线”和湿气大量生成阶段相当。

煤化程度继续升高，挥发物逐渐减少，在Ro,m达到2.0%的贫煤阶段，反射率表现出较明显的各向异性，为第三次跃变。

及至演化到无烟煤与超无烟煤的界限，各向异性更加明显，为第四次跃变。

第三和第四次跃变均以甲烷形成和释放出氢为特征。煤化作用因素　指温度、压力和时间。温度升高煤发生化学变化，压力增大使煤的物理结构发生变化，时间因素体现在温度和压力持续的久暂。3种因素中温度最为重要，温度愈高，煤化程度愈高，时间的影响愈大。同样的温度压力条件下，时间愈长，煤化程度愈高；在较低温度下受热时间长，或温度较高而持续时间短，可以达到同样的煤化程度。例如同是Vdaf（干燥无灰基煤样的挥发分）为20%的烟煤，温度在200℃下须经2 000万年才能形成，但在280℃下经500万年即可形成。

作用类型

根据热源及其作用方式，煤的变质作用传统分为4种类型，不同类型的变质作用对煤的影响不同。

深成变质作用

煤层埋藏到地下较深处，在地热和上覆岩系静压力作用下发生的变质作用。又称区域变质作用或正常变质作用。德国C．希尔特(1873)在研究德国鲁尔、法国加来和英国南威尔斯煤田煤质变化的基础上提出，在正常地热场下地温梯度为3℃（每深100米地温增加3℃），煤的挥发分降低约2.3%，这一规律称为希尔特规律。表明煤的变质程度随其埋藏深度的增加而有规律地增高，在含煤岩系的垂向上显示出煤变质的垂直分带，称为煤级的垂直分带，垂直分带在平面上的反映构成煤级的水平分带。煤系厚度不大时，煤级分带与含煤岩系厚度的关系不明显；但煤系和上覆岩系厚度横向变化大时，煤级分带就很明显，会形成区域性的煤变质分带现象。

接触变质作用

岩浆侵入到地壳浅部与煤层接触时，煤因受到温度和压力的突然升高而发生变质作用，形成局部的煤级分带。煤层经受的温度虽高，但受热持续的时间较短，影响范围限于接触带附近，煤中挥发物逸散易形成天然焦；深成岩体与煤层接触，在高温、高压下挥发物不易逸散，常形成石墨。

区域岩浆热变质作用

大型岩浆体侵入到煤层以下深部，未直接与煤层接触，由于岩浆热和伴生的热液和挥发性气体以及岩浆中放射性元素的蜕变热等，在煤层附近形成异常地热场，引起煤的变质作用。又称远岩浆热变质作用。岩体的分布多与大型构造带的分布有关。

动力变质作用

因构造运动应力及伴生的热效应导致煤的变质。煤的物理结构发生变化，如密度加大、水分减少、反射率和各向异性增强。有时也会引起煤的化学变化，但往往限于强烈构造活动带附近，影响范围不大。同一煤田内煤常受到不止一种变质作用的影响；如太行山东麓的中高变质煤是在深成变质作用的基础上，又叠加了区域岩浆热变质作用，局部也有接触变质的影响；青海热水煤田一部分煤在深成变质作用的基础上，又受到地下深循环热水的叠加作用等。（杨起.中国煤变质作用.北京:煤炭工业出版社,1996.）

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