煤地球化學

自19世紀30年代用顯微鏡研究煤層以來，煤的植物成因已被公認（見煤的成因），但是主要由植物那些組分成煤，以及成煤作用中的生物化學過程和地球化學過程尚存在許多觀點和學派。例如有木質素成煤說，纖維素成煤說，以及認為死亡植物的各種有機組分和聚煤盆地中生長的部分動物、微生物在成煤過程中也有一定貢獻等（見成煤植物）。

成煤作用的生物化學階段 石炭紀以來，地質歷史中的煤田主要產於地形低洼、氣候溫濕、植物繁茂的沼澤盆地，由古代植物遺體經複雜的生物地球化學作用轉變而來，轉化形式和過程取決於成煤原始物質和地質地理環境。在積水度很少或在泥炭沼澤表層的氧化、弱氧化環境中，植物組織大部分被分解破壞成二氧化碳和水。在沼澤積水較多或泥炭層下部的還原環境中厭氧細菌生長繁茂，特別是在中性至弱鹼性(PH=7～7.5)環境中繁殖很快，但是在PH值等於 5～3的酸性-強酸性環境中，各類微生物銳減。在水和微生物作用下，一方面將沼澤中死亡植物水解、氧化，分解成醇類、烴類、酯類、酚類、醛類、脂肪酸、氨基酸以及其他有機酸和二氧化碳等比較簡單的化合物；另一方面將分解產物及分解殘餘合成各種腐殖酸、腐殖質、瀝青質等複雜的高分子有機物質保存下來。在還原環境中保存下來的膠狀腐殖酸和腐殖質，后經脫水、脫羧、凝聚、縮合作用進而形成腐殖煤中含量較多的黑色、光亮的亮煤和鏡煤，因此這一過程也稱凝膠化作用。相反，在沼澤比較乾燥的氧化環境中，受氧和喜氧微生物作用，植物遺體多腐朽變干，形成煤中黑色暗淡的不透明物質，其中由於部分具有木炭狀結構也稱絲炭化作用（見泥炭化作用）。如果聚煤盆地為水流比較通暢的弱氧化環境，死亡植物的糖類、纖維素、木質素等大部分均分解破壞，僅殘留少量在生物化學作用中比較穩定的角質層、樹皮質、孢粉質、樹蠟、樹脂等光澤比較暗淡的殘殖物即殘殖煤，這種作用也稱殘殖化作用。

一些湖沼盆地水體中繁殖的大量藻類、浮游生物和水底植物，在水流比較停滯的厭氧環境中，死亡生物在微生物作用下，蛋白質、碳水化合物、脂肪等轉變成氨基酸、脂肪酸、富氮腐殖酸等複雜的絮狀膠體物質，后經壓實、脫水、脫羧等逐步轉變成腐泥質和腐泥煤，這一過程也稱腐泥化作用。

成煤作用的物理化學階段 地質歷史中的泥炭或腐泥被沉積物覆蓋以後，生物化學作用階段逐漸轉入以溫度、壓力作用為主的物理化學階段。隨著埋藏深度增加，溫度、壓力增高，成煤原始物質相繼發生脫水、脫羧、脫甲基作用和熱裂解反應，釋放出水、二氧化碳、氣態和部分液態烴類物質；另一方面保存在地層中的固體有機質進一步發生芳香縮聚反應，碳含量不斷增加，氫含量和氧含量不斷減少，碳原子平面網排列更加緊密和整齊。這一過程稱為煤的變質作用，分別形成變質程度由低到高的長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤、無煙煤至超無煙煤（見煤化作用）。

煤的有機組成和結構特徵 煤是多種複雜有機組分的混合物，沒有確定的組成和結構形式。煤的有機元素組成取決於煤岩組成和煤的變質程度，其變化範圍：碳含量為50～98％；氫7～0.8％；氧35～1％；氮4～0.3%。隨變質程度增加，碳含量增高，氫和氧減少。煤中的碳有60～80％分佈在芳香核上；氫大部分在脂肪族側鏈中，少數在甲基、次甲基和甲氧基中；氧主要在羥基和碳醯中，其次在醚、雜環或脂類中；硫主要以噻吩、硫醚、雜環等形式存在，其中約有70％的有機硫在芳香環上；氮也主要分佈在雜環中。

煤的大分子結構模型是以若干相似的基本結構單元──如苯、萘、二氫菲等核的結構單元為主體，通過橋鍵聯結的芳香縮體系。縮合體的芳香環數隨煤的變質程度增高而增加。含碳量在70～83%的煤一般為兩個環；含碳83～90％的煤有3～5個環；含碳達90％以上的半無煙煤至超無煙煤芳香環數急劇增加，可達40個環以上。低變質的煤芳核較小，含有較多的脂肪側鏈和含氧基團，分子內和分子間的氫鍵阻礙分子的平行定向排列和緊密堆砌，結構比較“疏鬆”；變質程度較高的煤，芳核增大，脂肪側鏈短，分子間平行定向排列程度高，層間距變小，逐步向微石墨結構過渡。

煤中微量元素地球化學 煤及煤灰中能檢測出地殼中存在的絕大部分元素，它們的來源和富集形式是多種多樣的。成煤植物在生命活動時期除了大量聚集碳、氫、氧、氮、硫等有機元素以外，也有鐵、釩、碘、鈣、鎂、鋁、錫、鋅、鉛等多種元素富集。在成煤植物死亡以後的堆積過程中，水流可能帶來各種礦物岩石碎屑而大量富集硅、鋁、鈣、鎂、鐵、錳、鈉、鉀等造岩元素。由於成煤環境和元素的有機親合力不同，煤中微量元素的賦存形式也是多種多樣的。主要與煤中有機組分結合的元素有鈹、鍺、鈾、鋯、鋅、銅、鉻、鉛、銀、金、銻、鉬以及部分鎵、釩、鎳、錫、砷、鈦、硼等。主要存在於煤中外來灰分中的元素有鎵、釩、鎳、錫、鈷、砷、鈦、硼、汞、鋯、鋅、鎘等，特別是錳、鋇、鍶幾乎都賦存在煤的外來灰分中。

一些與煤中有機質結合或被有機質吸附的金屬微量元素，例如與卟啉、氨基酸、腐殖酸、有機酸等結合或吸附的金屬元素隨著煤的變質程度增高將逐漸分解轉變成各種金屬硫化物或氧化物等分散在煤中。一般以釩和鍺的螯合物比較穩定。

參考書目

G.Eglinton,M.T.J.Murphy ed.,Organic Geochemis-try;　Methods and　Results，Springer-Verlag,Ber-lin,1969.

V.Bouska, Geochemistry of Coal,Academia,Prague,1981.