关于煤地球化学介绍

[拼音]：mei diqiu huaxue

[外文]：geochemistry of coal

研究成煤物质在地壳中的形成、演化过程，是有机地球化学的重要组成部分。由于地壳中煤是各种有机物和无机物组成的混合物，因此煤地球化学不仅研究煤的有机地球化学，而且也涉及煤中金属微量元素地球化学问题。

自19世纪30年代用显微镜研究煤层以来，煤的植物成因已被公认（见煤的成因），但是主要由植物那些组分成煤，以及成煤作用中的生物化学过程和地球化学过程尚存在许多观点和学派。例如有木质素成煤说，纤维素成煤说，以及认为死亡植物的各种有机组分和聚煤盆地中生长的部分动物、微生物在成煤过程中也有一定贡献等（见成煤植物）。

石炭纪以来，地质历史中的煤田主要产于地形低洼、气候温湿、植物繁茂的沼泽盆地，由古代植物遗体经复杂的生物地球化学作用转变而来，转化形式和过程取决于成煤原始物质和地质地理环境。在积水度很少或在泥炭沼泽表层的氧化、弱氧化环境中，植物组织大部分被分解破坏成二氧化碳和水。在沼泽积水较多或泥炭层下部的还原环境中厌氧细菌生长繁茂,特别是在中性至弱碱性(PH=7～7.5)环境中繁殖很快，但是在PH值等于 5～3的酸性-强酸性环境中，各类微生物锐减。在水和微生物作用下，一方面将沼泽中死亡植物水解、氧化，分解成醇类、烃类、酯类、酚类、醛类、脂肪酸、氨基酸以及其他有机酸和二氧化碳等比较简单的化合物；另一方面将分解产物及分解残余合成各种腐殖酸、腐殖质、沥青质等复杂的高分子有机物质保存下来。在还原环境中保存下来的胶状腐殖酸和腐殖质，后经脱水、脱羧、凝聚、缩合作用进而形成腐殖煤中含量较多的黑色、光亮的亮煤和镜煤，因此这一过程也称凝胶化作用。相反，在沼泽比较干燥的氧化环境中，受氧和喜氧微生物作用，植物遗体多腐朽变干，形成煤中黑色暗淡的不透明物质，其中由于部分具有木炭状结构也称丝炭化作用（见泥炭化作用）。如果聚煤盆地为水流比较通畅的弱氧化环境，死亡植物的糖类、纤维素、木质素等大部分均分解破坏，仅残留少量在生物化学作用中比较稳定的角质层、树皮质、孢粉质、树蜡、树脂等光泽比较暗淡的残殖物即残殖煤，这种作用也称残殖化作用。

一些湖沼盆地水体中繁殖的大量藻类、浮游生物和水底植物，在水流比较停滞的厌氧环境中，死亡生物在微生物作用下，蛋白质、碳水化合物、脂肪等转变成氨基酸、脂肪酸、富氮腐殖酸等复杂的絮状胶体物质，后经压实、脱水、脱羧等逐步转变成腐泥质和腐泥煤，这一过程也称腐泥化作用。

地质历史中的泥炭或腐泥被沉积物覆盖以后，生物化学作用阶段逐渐转入以温度、压力作用为主的物理化学阶段。随着埋藏深度增加，温度、压力增高，成煤原始物质相继发生脱水、脱羧、脱甲基作用和热裂解反应，释放出水、二氧化碳、气态和部分液态烃类物质；另一方面保存在地层中的固体有机质进一步发生芳香缩聚反应，碳含量不断增加，氢含量和氧含量不断减少，碳原子平面网排列更加紧密和整齐。这一过程称为煤的变质作用，分别形成变质程度由低到高的长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤至超无烟煤（见煤化作用）。

煤是多种复杂有机组分的混合物，没有确定的组成和结构形式。煤的有机元素组成取决于煤岩组成和煤的变质程度，其变化范围：碳含量为50～98％；氢7～0.8％；氧35～1％；氮4～0.3%。随变质程度增加，碳含量增高，氢和氧减少。煤中的碳有60～80％分布在芳香核上；氢大部分在脂肪族侧链中，少数在甲基、次甲基和甲氧基中；氧主要在羟基和碳酰中,其次在醚、杂环或脂类中;硫主要以噻吩、硫醚、杂环等形式存在，其中约有70％的有机硫在芳香环上；氮也主要分布在杂环中。

煤的大分子结构模型是以若干相似的基本结构单元──如苯、萘、二氢菲等核的结构单元为主体，通过桥键联结的芳香缩体系。缩合体的芳香环数随煤的变质程度增高而增加。含碳量在70～83%的煤一般为两个环;含碳83～90％的煤有3～5个环；含碳达90％以上的半无烟煤至超无烟煤芳香环数急剧增加，可达40个环以上。低变质的煤芳核较小,含有较多的脂肪侧链和含氧基团,分子内和分子间的氢键阻碍分子的平行定向排列和紧密堆砌，结构比较“疏松”；变质程度较高的煤，芳核增大，脂肪侧链短，分子间平行定向排列程度高，层间距变小，逐步向微石墨结构过渡。

煤及煤灰中能检测出地壳中存在的绝大部分元素，它们的来源和富集形式是多种多样的。成煤植物在生命活动时期除了大量聚集碳、氢、氧、氮、硫等有机元素以外，也有铁、钒、碘、钙、镁、铝、锡、锌、铅等多种元素富集。在成煤植物死亡以后的堆积过程中，水流可能带来各种矿物岩石碎屑而大量富集硅、铝、钙、镁、铁、锰、钠、钾等造岩元素。由于成煤环境和元素的有机亲合力不同，煤中微量元素的赋存形式也是多种多样的。主要与煤中有机组分结合的元素有铍、锗、铀、锆、锌、铜、铬、铅、银、金、锑、钼以及部分镓、钒、镍、锡、砷、钛、硼等。主要存在于煤中外来灰分中的元素有镓、钒、镍、锡、钴、砷、钛、硼、汞、锆、锌、镉等，特别是锰、钡、锶几乎都赋存在煤的外来灰分中。

一些与煤中有机质结合或被有机质吸附的金属微量元素，例如与卟啉、氨基酸、腐殖酸、有机酸等结合或吸附的金属元素随着煤的变质程度增高将逐渐分解转变成各种金属硫化物或氧化物等分散在煤中。一般以钒和锗的螯合物比较稳定。

参考书目

1. G.Eglinton,M.T.J.Murphy ed.,Organic Geochemis-try; Methods and Results，Springer-Verlag,Ber-lin,1969.
2. V.Bouska, Geochemistry of Coal,Academia,Prague,1981.