1、煤怎么形成的?煤是由植物殘骸經過復雜的生物化學作用和物理化學作用轉變而成的。這個轉變過程叫做植 物的成煤作用。一般認為，成煤過程分為兩個階段泥炭化階段和煤化階段。前者主要是生物 化學過程，后者是物理化學過程。在泥炭化階段，植物殘骸既分解又化合，最后形成泥炭或腐泥。泥炭和腐泥都含有大量 的腐植酸，其組成和植物的組成已經有很大的不同。煤化階段包含兩個連續(xù)的過程：第一個過程，在地熱和壓力的作用下，泥炭層發(fā)生壓實、失水、肢體老化、硬結等各種 變化而成為褐煤。褐煤的密度比泥炭大，在組成上也發(fā)生了顯著的變化，碳含量相對增加， 腐植酸含量減少，氧含量也減少。因為煤是一種有機巖，所以這個過程又叫做成巖作用。第

2、二個過程，是褐煤轉變?yōu)闊熋汉蜔o煙煤的過程。在這個過程中煤的性質發(fā)生變化，所 以這個過程又叫做變質作用。地殼繼續(xù)下沉，褐煤的覆蓋層也隨之加厚。在地熱和靜壓力的 作用下，褐煤繼續(xù)經受著物理化學變化而被壓實、失水。其內部組成、結構和性質都進一步 發(fā)生變化。這個過程就是褐煤變成煙煤的變質作用。煙煤比褐煤碳含量增高，氧含量減少， 腐植酸在煙煤中已經不存在了。煙煤繼續(xù)進行著變質作用。由低變質程度向高變質程度變化。 從而出現了低變質程度的長焰煙、氣煤，中等變質程度的肥煤、焦煤和高變質程度的瘦煤、 貧煤。它們之間的碳含量也隨著變質程度的加深而增大。溫度對于在成煤過程中的化學反應有決定性的作用。隨著地層加深，地

3、溫升高，煤的變 質程度就逐漸加深。高溫作用的時間愈長，煤的變質程度愈高，反之亦然。在溫度和時間的 同時作用下，煤的變質過程基本上是化學變化過程。在其變化過程中所進行的化學反應是多 種多樣的，包括脫水、脫羧、脫甲烷、脫氧和縮聚等。壓力也是煤形成過程中的一個重要因素。隨著煤化過程中氣體的析出和壓力的增高，反 應速度會愈來愈饅，但卻能促成煤化過程中煤質物理結構的變化，能夠減少低變質程度煤的 孔隙率、水分和增加密度。當地球處于不同地質年代，隨著氣候和地理環(huán)境的改變，生物也在不斷地發(fā)展和演化。 就植物而言，從無生命一直發(fā)展到被子植物。這些植物在相應的地質年代中造成了大量的煤。 在整個地質年代中，全球范圍

4、內有三個大的成煤期：古生代的石炭紀和二迭紀，成煤植物主要是袍子植物。主要煤種為煙煤和無煙煤。中生代的株羅紀和白堊紀，成煤植物主要是裸子植物。主要煤種為褐煤和煙煤。新生代的第三紀，成煤植物主要是被子植物。主要煤種為褐煤，其次為泥炭，也有部分 年輕煙煤。天然氣的成因天然氣與石油生成過程既有聯系又有區(qū)別：石油主要形成于深成作用階段，由催化裂解作 用引起，而天然氣的形成則貫穿于成巖、深成、后成直至變質作用的始終；與石油的生成相 比，無論是原始物質還是生成環(huán)境，天然氣的生成都更廣泛、更迅速、更容易，各種類型的 有機質都可形成天然氣一一腐泥型有機質則既生油又生氣，腐植形有機質主要生成氣態(tài)烴。 因此天然氣的

5、成因是多種多樣的。歸納起來，天然氣的成因可分為生物成因氣、油型氣和煤 型氣。近年來無機成因氣尤其是非烴氣受到高度重視，這里一并簡要介紹，最后還了解各種 成因氣的判別方法。天然氣形成一、生物成因氣1.概念生物成因氣一指成巖作用（階段）早期，在淺層生物化學作用帶內，沉積有機質經微生物 的群體發(fā)酵和合成作用形成的天然氣。其中有時混有早期低溫降解形成的氣體。生物成因氣 出現在埋藏淺、時代新和演化程度低的巖層中，以含甲烷氣為主。形成條件生物成因氣形成的前提條件是更加豐富的有機質和強還原環(huán)境。最有利于生氣的有機母質是草本腐植型一腐泥腐植型，這些有機質多分布于陸源物質供應 豐富的三角洲和沼澤湖濱帶，通常含陸

6、源有機質的砂泥巖系列最有利。硫酸巖層中難以形成 大量生物成因氣的原因，是因為硫酸對產甲烷菌有明顯的抵制作用，H2優(yōu)先還原SO42- S2-形成金屬硫化物或H2S等，因此CO2不能被H2還原為CH4。甲烷菌的生長需要合適的地化環(huán)境，首先是足夠強的還原條件，一般Eh-300mV為宜（即 地層水中的氧和SO42-依次全部被還原以后，才會大量繁殖）；其次對pH值要求以靠近中 性為宜，一般6.08.0，最佳值7.27.6；再者，甲烷菌生長溫度O75C，最佳值3742C。 沒有這些外部條件，甲烷菌就不能大量繁殖，也就不能形成大量甲烷氣?；瘜W組成生物成因氣的化學組成幾乎全是甲烷，其含量一般98%，高的可達9

7、9%以上，重烴含量 很少，一般1%，其余是少量的N2和CO2。因此生物成因氣的干燥系數（Cl/EC2+） 一 般在數百數千以上，為典型的干氣，甲烷的513C1值一般-85-55%。，最低可達-100%。 世界上許多國家與地區(qū)都發(fā)現了生物成因氣藏，如在西西伯利亞683-1300米白堊系地層中， 發(fā)現了可采儲量達10.5萬億m3的氣藏。我國柴達木盆地（有些單井日產達1百多萬方）和 上海地區(qū)（長江三角洲）也發(fā)現了這類氣藏。油型氣概念油型氣包括濕氣（石油伴生氣）、凝析氣和裂解氣。它們是沉積有機質特別是腐泥型有機 質在熱降解成油過程中，與石油一起形成的，或者是在后成作用階段由有機質和早期形成的 液態(tài)石油

8、熱裂解形成的。形成與分布與石油經有機質熱解逐步形成一樣，天然氣的形成也具明顯的垂直分帶性。在剖面最上部（成巖階段）是生物成因氣，在深成階段后期是低分子量氣態(tài)烴C2C4） 即濕氣，以及由于高溫高壓使輕質液態(tài)烴逆蒸發(fā)形成的凝析氣。在剖面下部，由于溫度上升， 生成的石油裂解為小分子的輕烴直至甲烷，有機質亦進一步生成氣體，以甲烷為主石油裂解 氣是生氣序列的最后產物，通常將這一階段稱為干氣帶。由石油伴生氣一凝析氣一干氣，甲烷含量逐漸增多，故干燥系數升高，甲烷513C1值隨 有機質演化程度增大而增大。對我國四川盆地氣田的研究（包茨，1988）認為，該盆地的古生代氣田是高溫甲烷生氣期 形成的，從三疊系一震旦

9、系，干燥系數由小到大T： 35.5-P： 73.1-Z： 387.1），重烴由多 到少。川南氣田中，天然氣與熱變?yōu)r青共生，說明天然氣是由石油熱變質而成的。煤型氣概述煤型氣是指煤系有機質（包括煤層和煤系地層中的分散有機質）熱演化生成的天然氣。煤田開采中，經常出現大量瓦斯涌出的現象，如四川合川縣一口井的瓦斯突出，排出瓦斯 量竟高達140萬立方米，這說明，煤系地層確實能生成天然氣。煤型氣是一種多成分的混合氣體，其中烴類氣體以甲烷為主，重烴氣含量少，一般為干氣， 但也可能有濕氣，甚至凝析氣。有時可含較多Hg蒸氣和N2等。煤型氣也可形成特大氣田，1960S以來在西西伯利亞北部K2、荷蘭東部盆地和北海盆地

10、 南部P等地層發(fā)現了特大的煤型氣田，這三個氣區(qū)探明儲量22萬億m3,占世界探明天然 氣總儲量的1/3弱。據統(tǒng)計（M.T哈爾布蒂，1970），在世界已發(fā)現的26個大氣田中，有16 個屬煤型氣田，數量占60%，儲量占72.2%，由此可見，煤型氣在世界可燃天然氣資源構成 中占有重要地位。我國煤炭資源豐富，據統(tǒng)計有6千億噸，居世界第三位，聚煤盆地發(fā)育， 現已發(fā)現有煤型氣聚集的有華北、鄂爾多斯、四川、臺灣一東海、鶯歌海一瓊東南、以及吐 哈等盆地。經研究，鄂爾多斯盆地中部大氣區(qū)的氣多半來自上古生界C-P煤系地層（上古： 下古氣源=7 : 3或6 : 4），可見煤系地層生成天然氣的潛力很大。成煤作用與煤型氣

11、的形成成煤作用可分為泥炭化和煤化作用兩個階段。前一階段，堆積在沼澤、湖泊或淺海環(huán)境下 的植物遺體和碎片，經生化作用形成煤的前身一一泥炭；隨著盆地沉降，埋藏加深和溫度壓 力增高，由泥炭化階段進入煤化作用階段，在煤化作用中泥炭經過微生物酶解、壓實、脫水 等作用變?yōu)楹置海划斅癫刂鸩郊由?，已形成的褐煤在溫度、壓力和時間等因素作用下，按長 焰煤一氣煤一肥煤一焦煤一瘦煤一貧煤一無煙煤的序列轉化。實測表明，煤的揮發(fā)分隨煤化作用增強明顯降低，由褐煤一煙煤一無煙煤，揮發(fā)分大約由 50%降到5%。這些揮發(fā)分主要以CH4、CO2、H2O、N2、NH3等氣態(tài)產物的形式逸出，是 形成煤型氣的基礎，煤化作用中析出的主要揮

12、發(fā)性產物見圖5-9。煤化作用中揮發(fā)性產物總量2.CO2 3.H2O 4.CH4 5.NH3 6.H2S從形成煤型氣的角度出發(fā)，應該注意在煤化作用過程中成煤物質的四次較為明顯變化（煤 巖學上稱之為煤化躍變）：第一次躍變發(fā)生于長焰煤開始階段，碳含量Cr=75-80%,揮發(fā)分Vr=43%，Ro=0.6%；第二次躍變發(fā)生于肥煤階段，Cr=87%,Vr=29%,Ro=1.3%；第三次躍變發(fā)生煙煤一無煙煤階段，Cr=91%，Vr=8%,Ro=2.5%；第四次躍變發(fā)生于無煙煤一變質無煙煤階段，Cr=93.5%,Vr=4%，Ro=3.7%，芳香族稠環(huán) 縮合程度大大提高。在這四次躍變中，導致煤質變化最為明顯的是

13、第一、二次躍變。煤化躍變不僅表現為煤的 質變，而且每次躍變都相應地為一次成氣（甲烷）高峰。煤型氣的形成及產率不僅與煤階有關，而且還與煤的煤巖組成有關，腐殖煤在顯微鏡下可 分為鏡質組、類脂組和惰性組三種顯微組分，我國大多數煤田的腐殖煤中，各組分的含量以 鏡質組最高，約占5080%，惰性組占1020% （高者達3050%），類脂組含量最低，一 般不超過5%。在成煤作用中，各顯微組分對成氣的貢獻是不同的。長慶油田與中國科院地化所（1984） 在成功地分離提純煤的有機顯微組分基礎上，開展了低階煤有機顯微組分熱演化模擬實驗， 并探討了不同顯微組分的成烴貢和成烴機理。發(fā)現三種顯微組分的最終成烴效率比約為類

14、脂 組:鏡質組:惰性組=3:1:0.71，產氣能力比約為3.3:1:0.8,說明惰性組也具一定生氣能力。無機成因氣地球深部巖漿活動、變質巖和宇宙空間分布的可燃氣體，以及巖石無機鹽類分解產生的氣 體，都屬于無機成因氣或非生物成因氣。它屬于干氣，以甲烷為主，有時含CO2、N2、He 及H2S、Hg蒸汽等，甚至以它們的某一種為主，形成具有工業(yè)意義的非烴氣藏。甲烷無機合成：CO2 + H2 一 CH4 + H2O條件：高溫（250C）、鐵族元素地球原始大氣中甲烷：吸收于地幔，沿深斷裂、火山活動等排出板塊俯沖帶甲烷：大洋板塊俯沖高溫高壓下脫水，分解產生的H、C、CO/CO2-CH4CO2天然氣中高含CO

15、2與高含烴類氣一樣，同樣具有重要的經濟意義，對于CO2氣藏來說， 有經濟價值者是CO2含量80% （體積濃度）的天然氣，可廣泛用于工業(yè)、農業(yè)、氣象、 醫(yī)療、飲食業(yè)和環(huán)保等領域。我國廣東省三水盆地沙頭圩水深9井天然氣中CO2含量高達 99.55%，日產氣量500萬方，成為有很高經濟價值的氣藏。目前世界上已發(fā)現的CO2氣田藏主要分布在中一新生代火山區(qū)、斷裂活動區(qū)、油氣富集 區(qū)和煤田區(qū)。從成因上看，共有以下幾種：無機成因：上地幔巖漿中富含CO2氣體當巖漿沿地殼薄弱帶上升、壓力減小，其中CO2逸出。碳酸鹽巖受高溫烘烤或深成變質可成大量CO2,當有地下水參與或含有Al、Mg、Fe 雜質，98200C也能

16、生成相當量CO2，這種成因CO2特征：CO2含量35%，5 13CCO2 8%o。碳酸鹽礦物與其它礦物相互作用也可生成CO2，如白云石與高嶺石作用即可。另外，有機成因有：生化作用熱化學作用油田遭氧化煤氧化作用N2N2是大氣中的主要成分，據研究，分子氮的最大濃度和逸度出現在古地臺邊緣的含氮地 層中，特別是蒸發(fā)鹽巖層分布區(qū)的邊界內。氮是由水層遷移到氣藏中的，由硝酸鹽還原而來， 其先體是NH4+。N2含量大于15%者為富氮氣藏，天然氣中N2的成因類型主要有：有機質分解產生的N2： 100-130C達高峰，生成的N2量占總生氣量的2.0%，含量較 低；（有機）地殼巖石熱解脫氣：如輝綠巖熱解析出氣量，N

17、2可高達52%，此類N2可富集；地下鹵水（硝酸鹽）脫氮作用：硝酸鹽經生化作用生成N2O+N2；地幔源的N2:如鐵隕石含氮數十數百個ppm；大氣源的N2：大氣中N2隨地下水循環(huán)向深處運移，混入最多的主要是溫泉氣。從同位素特征看，一般來說最重的氮集中在硝酸鹽巖中，較重的氮集中在芳香烴化合物中， 而較輕的氮則集中在銨鹽和氨基酸中。H2S全球已發(fā)現氣藏中，幾乎都存在有H2S氣體，H2S含量1%的氣藏為富H2S的氣藏，具 有商業(yè)意義者須5%。據研究（Zhabrew等，1988），具有商業(yè)意義的H2S富集區(qū)主要是大型的含油氣沉積盆地， 在這些盆地的沉積剖面中均含有厚的碳酸鹽一蒸發(fā)鹽巖系。自然界中的H2S生

18、成主要有以下兩類：生物成因（有機）：包括生物降解和生物化學作用；1熱化學成因（無機）：有熱降解、熱化學還原、高溫合成等。根據熱力學計算，自然環(huán) 境中石膏（CaSO4）被烴類還原成H2S的需求溫度高達150C，因此自然界發(fā)現的高含H2S 氣藏均產于深部的碳酸鹽一蒸發(fā)鹽層系中，并且碳酸鹽巖儲集性好。稀有氣體（He、Ar、）這些氣體盡管在地下含量稀少，但由于其特殊的地球化學行為，科學家們常把它們作為地 球化學過程的示蹤劑。He、Ar的同位素比值3He/4He、40Ar/36Ar是查明天然氣成因的極重要手段，因沿大氣一 殼源一殼、幔源混合一幔源，二者不斷增大，前者由1.39X10-6-10-5，后者則

19、由295.6 2000。此外，根據圍巖與氣藏中Ar同位素放射性成因，還可計算出氣體的形成年齡（朱銘，1990）。各種成因氣識別標志自然界中天然氣分布很廣，成因類型繁多且熱演化程度不同，其地化特征亦多種多樣，因 此很難用統(tǒng)一的指標加以識別。實踐表明，用多項指標綜合判別比用單一的指標更為可靠（戴 金星，1993）。天然氣成因判別所涉及的項目看，主要有同位素、氣組分、輕烴以及生物標 志化合物等四項，其中有些內容判別標準截然，具有絕對意義，有些內容則在三種成因氣上 有些重疊，只具有一定的相對意義。石油怎么形成的石油的原料是生物的尸體，生物的細胞含有脂肪和油脂，脂肪和油脂則是由碳、氫、氧等3 種元素組成

20、的。生物遺體沉降于海底或湖底并被淤泥覆蓋之后，氧元素分離，碳和氫則組成 碳氫化合物。我們已經在地球上發(fā)現3000種以上的碳氫化合物，石油是由其中350種左右的碳氫化合物 形成的，比石油更輕的碳氫化合物則成為天然氣。煤礦與石油的成因很類似，但煤是植物的 化石，又是固態(tài)。大量產生碳氫化合物的巖石即稱為“石油源巖”。埋沒于地中的石油源巖受到地熱和壓力的 影響，再加上其他多種化學反應之后就產生石油，而石油積存于巖石間隙之間便形成油田。地殼變動而石油生成我們最近逐漸了解地球內部的變化與石油的生成有十分密切的關系，在描述此種關系之前， 讓我們先來了解一下地球內部的狀況。地球的半徑大約是6400公里，覆蓋地

21、球表面的地殼下方是由巖石形成厚達2900公里的“地 慢”，其下方則是由金屬形成的“地核”，并以大約5100公里深處分界，分為“外核”與“內 核”。外核主要是由液態(tài)金屬鐵組成，內核則主要是固態(tài)鐵。地球表面鋪滿堅硬的“板塊”， 厚度約有100公里，是由向上噴出的“洋脊”產生的，在緩緩移動到“海溝”后就沉降于 另一板塊下方。80年代后期，人們學會捕捉地震波傳遞到地球內部時的立體圖，于是發(fā)現 令人驚訝的地慢活動狀況。高溫又巨型的上升流“超級卷流”由地底涌上后，以蘑菇形態(tài)分 別存在于夏威夷和非洲大陸正下方。此外，低溫的巨型下降流“冷卷流”則以水滴形態(tài)占據 亞洲大陸及南美洲大陸正下方的冷卷流似乎是沉降到地

22、函底部。我們現在的知道的是，地幔內部落熱對流是以冷卷流向超級卷注移動的形態(tài)而形成的。此種 運動不僅影響板塊運動，似乎也對整個地球的地質和環(huán)境的變化產生很大的影響。超級卷流是石油制造者？現在全球生產的石沒之中，有60%是產生了恐龍稱霸地球時期所形成的石油源巖，所形成 的“黑色頁巖”則遍布世界各地。黑色頁巖主要是由未經氧化的藻類等浮游植物遺骸堆積而 成。由此可知當時必須有可讓浮游植物繁殖又不會產生氧化的缺氧環(huán)境條件，大量的黑色頁 巖才會形成。最近發(fā)現，石油源巖在此時代的形成似乎與超級卷流運動的活化可以促使由地下涌出的地幔 物質所形成的洋脊體積增大，海面因而上升，使得較低的陸地變成淺海，而淺海則具有可當 石油原料的藻類等浮游植物極易繁殖的環(huán)境。淺海地區(qū)的藻類等浮游植物因而出現大幅增加和大量死亡的現象，周圍的細菌為分解其殘骸 而消耗氧氣，于是出現了缺氧環(huán)境。地球溫暖化也會改變深層海水的流動狀況，由于高緯度地區(qū)與低緯度地區(qū)海水的溫度