煤田地质学讲义解析.docx
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煤田地质学讲义解析
绪论
1、煤田地质学的概念
它是研究煤在地壳中分布、聚集规律的科学。
2、煤田地质学简史
18世纪后半叶,蒸气机的广泛应用带来了工业革命,促进了煤炭资源的需求。
为了寻找煤炭资源,欧洲许多国家成立了地质调查机构,进行地质找矿。
19世纪末到20世纪初,电力、冶金和炼钢等工业飞速发展,加速了对煤炭资源的需求,一些发达国家进行了大规模地质调查,发表了许多煤地质学方面的学术成果。
1924年,德国学者波多涅发表了《普通煤岩学概论》一书。
我国煤地质学的研究起源于鸦片战争。
1922年,中国地质学会成立。
新中国成立后,开展了两次大规模煤田预测工作,出版了许多区域性煤田地质著作。
目前,煤地质学综合地层学、沉积学等理论,理论日趋成熟,煤地质学的发展呈现勃勃生机。
3、研究内容
①成煤的原始物质和植物的堆积环境。
②泥炭化作用和腐泥化作用。
③煤化作用及变质作用类型。
④煤的物理性质。
⑤含煤沉积体系。
⑥聚煤盆地及聚煤规律。
⑦煤的伴生矿产资源(煤层气)。
⑧中国煤田地质特征。
4、研究方法
结合植物学、沉积学、地层学和构造地质学等理论,利用现代测试技术手段进行综合研究。
5、学习的意义
掌握煤田地质规律,可以为预测和开发煤炭资源服务;了解煤的物理化学性质,可以为煤的加工利用及开发新产品服务。
第一章成煤原始物质与堆积环境
1、煤的概念:
煤是一种固态的可燃有机岩。
按照煤炭勘探规范的规定,煤的灰分产率低于40%,方可参与煤炭资源量(储量)计算。
2、成煤作用的概念:
从植物死亡、堆积一直到转变成煤,经历了复杂的生物化学、物理化学及地球化学等一系列变化,这些作用总称为成煤作用。
3、成煤作用的两个阶段:
第一阶段是腐泥化阶段或泥炭化阶段。
在这一阶段,植物的遗体被微生物分解、化合、聚积,低等植物转变为腐泥,高等植物转变为泥炭。
第二阶段为煤化作用阶段。
由于地壳沉降,植物死亡后形成的泥炭或腐泥埋藏于地下深处,在温度和压力条件下发生固结成岩作用和变质作用。
泥炭转变为年轻的褐煤所经历的作用是成岩作用,从年轻的褐煤转变为老褐煤、烟煤和无烟煤所经历的作用称为变质作用。
第一节成煤物质
1、植物的演化与成煤作用的关系:
植物是成煤的主要原始物质,因此植物的演化直接影响煤的形成。
①菌藻类植物时代。
太古代到早泥盆世。
②早期维管植物时代。
晚志留世到中泥盆世,水生植物向陆生植物过渡。
③蕨类和古老裸子植物时代。
晚泥盆世到晚二叠世,高等植物繁盛时期,典型植物是高大的乔木,聚煤作用强,石炭-二叠纪是第一大聚煤期。
④裸子植物时代。
晚二叠世到中生代,受海西和印支构造运动影响,陆地面积扩大,地形高差明显,侏罗纪和早白垩纪是第二大聚煤期。
我国西部侏罗纪煤炭资源是全国煤炭资源总量的60%左右。
⑤被子植物时代。
早白垩世到古近纪和新近纪,构造活动强烈,气候分带明显,是第三大聚煤期。
2、植物的组成
植物主要由碳水化合物(纤维素、半纤维素和果胶质)、木质素、蛋白质和脂类化合物组成。
低等植物主要由蛋白质和碳水化合物组成,脂类含量较高。
高等植物以纤维素、半纤维素和木质素为主。
①碳水化合物(纤维素、半纤维素和果胶质)
纤维素是构成植物细胞壁的主要物质,易于水解,水解后呈胶体状。
②木质素
木质素也是构成植物细胞壁的主要物质,比纤维素稳定,不易水解。
在沼泽环境中被微生物分解,参与形成腐植质。
③蛋白质
蛋白质是植物细胞质的主要物质,在植物体中所占比例不大,亲水性强,煤中的N和S与植物的蛋白质有关。
④脂类化合物
不溶于水,可溶于有机溶剂。
脂类化合物包括脂肪、蜡质、树脂、角质、木栓质和孢粉质。
脂肪性质较稳定,分解形成脂肪酸;蜡质、树脂、角质、木栓质性质稳定,孢粉质性质很稳定,能耐一定的温度和酸、碱处理,常保存于煤中。
第二节植物遗体的堆积环境
1、沼泽的概念
沼泽是地表土壤充分湿润、季节性或长期积水,丛生着喜湿性植物的低洼地段。
形成泥炭层堆积的沼泽称泥炭沼泽。
它既不是真正的陆地,也不是水体,而是介于二者之间的过渡状态。
2、泥炭的形成与积累
植物死亡后,经生物化学作用分解、合成和聚积,当有机物堆积量超过分解量时,才会形成泥炭层。
泥炭沼泽垂直剖面分三层:
表层(氧化环境)、中间层(过渡海景)、底层(还原环境)。
3、植物残骸的堆积方式
以原地堆积为主,少数是异地堆积。
具有工业可采意义的煤层大都是原地堆积。
第三节泥炭沼泽
1、泥炭沼泽的类型
根据泥炭沼泽的表面形态、水源补给、营养和植被特征,可以分为三种类型:
①低位泥炭沼泽
低位泥炭沼泽潜水位较高,水源补给充足、营养丰富、植被茂盛。
易堆积泥炭层。
②高位泥炭沼泽
高位泥炭沼泽潜水位较低,水源补给主要依靠降水,营养差,多为草本和苔藓,不利于泥炭层形成。
③中位泥炭沼泽
中位泥炭沼泽的状态介于上述二者之间。
2、泥炭沼泽的发育地段
①滨海平原。
具有低位泥炭沼泽发育环境。
②内陆的河流、湖泊。
③山地和高原地段。
3、泥炭沼泽形成的方式
①水域转化为泥炭沼泽,又包括三种模式:
浅水缓岸湖转化为泥炭沼泽,植物生长类型具有分带现象,在泥炭形成过程中,湖水不断淤浅,植物类型也相应推移。
深水陡岸湖转化为泥炭沼泽,浮游植物死亡后,沉入湖底,转化为泥炭。
河流转化为泥炭沼泽,类似浅水缓岸湖转化模式。
②陆地沼泽化
地面上封闭的洼地可能形成沼泽。
第四节泥炭的主要组成及性质
1、泥炭的化学组成
泥炭中除了含有大量的水分外,还包括有机质和矿物质。
①有机质。
包括植物残体和腐植质。
泥炭有机质含量是指有机质占泥炭干物质总量的百分比。
我国泥炭以草本泥炭为主,有机质含量占60%左右。
有机质中,C:
55%,O:
35%,H:
6%,N:
2%,S:
0.3%
在泥炭有机质中,以稀碱溶液提取的物质称为腐植酸,是泥炭的特征组分,腐植酸不是单一化合物,而是由分子大小不同、结构也不同的羟基芳香羧酸组成的混合物。
②矿物质
泥炭中的矿物质主要来源于风、水流挟带的矿物质通过沉积作用,转化为泥炭的组分。
常见的矿物质有石英、次生粘土矿物。
元素以硅为主,其次是铁、铝、钙、镁,矿物质的另一来源是植物本身。
2、泥炭的物理化学性质
①分解度:
是指植物残体由于腐解作用失去细胞结构物质的相对含量,或者是泥炭中无定形腐植质占有机质的百分含量。
②含水性
有湿度和持水量两种表示方法。
泥炭湿度是指泥炭中水分占泥炭总重的百分比。
持水量是指泥炭中水分占泥炭干物质重量的百分比。
③泥炭的比重和容重
泥炭的比重一般为1.4左右,藓类泥炭较轻,木本泥炭和草本泥炭偏重。
无量纲。
泥炭在自然状态下的容重称湿容重,干燥后的容重称干容重。
单位是g/cm3
④结构和颜色
泥炭结构疏松多孔,力学稳定性差。
苔藓泥炭呈海绵状,草本泥炭呈纤维状,木本泥炭为碎块状。
泥炭的颜色与植物、分解度和矿物质有关。
例如,苔藓泥炭呈黄色,分解转变为腐植质呈黑色,含蓝铁矿呈蓝色,含菱铁矿呈浅绿色。
⑤泥炭的可燃性
泥炭具有可燃性,用发热量表示。
我国泥炭发热量多在10-12MJ/Kg。
3、泥炭的类型
根据植物的组成,泥炭分为草本泥炭、木本泥炭和藓类泥炭。
泥炭类型
灰分含量
分解能力
酸碱度
含水量
颜色
弹性
草本泥炭
较高
较强
微酸碱性
较少
暗
较差
木本泥炭
较低
较弱
少
红褐色
差
藓类泥炭
低
弱
酸性
高
淡
强
第二章泥炭化作用和腐泥化作用
第一节泥炭化作用
1、泥炭化的生物化学变化可分为两个阶段:
生物化学分解和生物化学合成。
①植物残骸中的有机化合物经氧化分解、水解,转化为简单的化学性质活泼的化合物。
②分解产物之间合成较稳定的有机化合物,如腐植酸、沥青质。
形成腐植酸的过程或作用称为腐植化作用,腐植化作用不是生物作用,而是在氧化环境中的化学作用。
2、凝胶化作用
植物在泥炭化过程中经历腐植化作用后形成腐殖酸,继而将经历凝胶化作用。
由于植物的木质素和纤维素在物理化学性质上都属于凝胶体,吸水能力强,在还原环境中逐渐分解,细胞壁先吸水膨胀,胞腔缩小,最后完全丧失细胞结构,形成无结构胶体,或进一步转化为溶胶;当电性、酸碱性、温度变化时,产生胶体化学变化,上述物质形成凝胶状态。
因为这一过程既有厌氧生物作用,又有胶体化学作用,所以又称“生物化学凝胶化作用”。
3、丝炭化作用
当沼泽表面比较干燥,氧供应充足的情况下,植物细胞壁中的木质素和纤维素在微生物参与下脱氢、脱水,碳含量增加,氧化到一定阶段后植物遗体迅速转入弱氧化或还原环境中,或被泥沙覆盖后中断氧化作用,这个过程称为丝炭化作用。
如果丝炭化过程持续进行,将可能导致植物遗体全部分解。
当植物遗体存在氧化和还原环境交替变化时,丝炭化和凝胶化作用可能交替进行。
需说明的是,当丝炭化作用充分形成丝炭物质后,凝胶化作用也就终止了。
第二节残植化作用
残植化作用是泥炭化作用中的一种特殊情况。
当泥炭沼泽水流畅通时,在长期供氧充足情况下,不稳定组分被充分分解,被流水带走,稳定组分富集的过程。
还有一种情况是,当沼泽潜水面下降,植物遗体没有被水覆盖而强烈氧化,造成稳定组分富集。
残植化作用的产物经煤化作用形成残植煤。
第三节腐泥化作用
在湖泊、沼泽水深地带、海湾、浅海等水体中,低等植物藻类和浮游生物遗体在还原环境中厌氧微生物的参与下,经过复杂的生物化学变化形成富含水分的有机软泥。
这个过程称腐泥化作用。
低等植物经分解、缩合和聚合,形成富水棉絮状的胶体物质,经脱水和压实,形成腐泥。
腐泥的颜色一般为黄色、暗褐色和黑灰色。
第四节泥炭成分、性质不同的影响因素
1、植物群落
木本植物富含纤维素和木质素,易形成凝胶化物质,形成的煤以光亮煤为特征;草本植物含有较多的纤维素和蛋白质,不稳定成分分解,稳定组分富集,形成富含稳定组分(壳质组)的煤,氢含量和焦油产出率高;苔藓植物能分泌防腐剂,因此苔藓类泥炭常保留较多的不稳定组分。
2、营养供应
根据植物生长的营养供应,可分为三种类型:
富营养型、中营养型和贫营养型。
低位泥炭沼泽常形成富营养型泥炭,高位泥炭沼泽常形成贫营养型泥炭,中位泥炭沼泽常形成中营养型泥炭。
3、介质的酸度
酸度高不利于细菌生存,中性或弱碱性有利于细菌繁殖。
富钙的沼泽中,多以石灰岩为基底,喜氧细菌活跃,水生植物为主,形成的煤中S、N含量高,可能与硫细菌的强烈活动有关。
高位泥炭沼泽中,酸度高,加上藓类可分泌防腐剂(酚类),不利于细菌生存,所以植物的细胞结构能保存下来。
4、氧化还原条件
泥炭的表层处于氧化环境中,容易被氧化形成丝炭;泥炭的底层处于还原环境中,容易形成镜质组煤。
第五节煤的成因分类
根据成煤的原始物质和堆积环境,煤分为三类:
①腐植类:
腐植煤、残植煤。
高等植物在沼泽环境中形成。
②腐植腐泥类:
腐植腐泥煤。
高低等植物混合,在湖泊和沼泽环境中形成。
③腐泥类:
腐泥煤。
低等植物和少量动物在湖泊、沼泽深水部位形成。
第三章煤化作用及煤的变质作用类型
第一节煤化作用的阶段和特征
1、煤化作用的两个阶段
①煤的成岩作用
泥炭形成后,由于盆地沉降,在上覆沉积物的覆盖下埋藏于地下,经压实、脱水、增碳作用,逐渐固结,经过物理化学作用转变成年轻的褐煤,称为煤的成岩作用。
在成岩过程中,木质素和纤维素继续参与形成腐植酸,已形成的腐植质形成凝胶化组分。
②煤的变质作用
年轻的褐煤在较高的温度、压力和较长的时间作用下,进一步发生物理化学变化,变成老褐煤、烟煤、无烟煤和变无烟煤的过程。
在这个过程中,腐植质不断发生聚合反应,稠环芳香系统的侧链减少,芳构化程度提高,分子排列更加规则。
2、煤化作用特点
①结构致密化,定向排列化。
②增碳化趋势。
挥发分减少,碳相对含量增加。
③结构单一化趋势。
泥炭阶段含多种
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