第二节　煤的生成

一、成煤的原始物质

1.煤是由植物生成的

虽然煤的开采、利用可以追溯到远古时期，但是在19世纪以前，对于成煤的原始物质，并没有正确的认识。有人认为煤和地壳中的其他岩石一样，一有地球就存在；有人认为煤是由岩石转变而成。随着煤炭的大规模开采，人们在煤层的顶、底板岩层中发现了大量的树根、树叶、树干等植物化石。有人认为煤可能是由植物形成的，但缺乏直接证据。直到19世纪以后，发明了显微镜，人们利用显微镜在煤中观察到许多植物的细胞结构，例如，把煤磨成薄片放在显微镜下观察，可以看到煤中保留着植物的某些原始组分（如木质细胞结构、孢子、木栓质、角质层等），甚至有时还能观察到植物生长的年轮。最终揭开了成煤原始物质之谜，证实了煤是由植物变成的。

2.植物的演化

地质历史时期，植物的演化是由单细胞到多细胞，由低级到高级，由简单到复杂，由水生到陆生逐步进化和发展的。其演化发展主要经历以下几个阶段。

（1）菌藻植物时期　中志留世以前，植物界是以水生的菌类、藻类植物为主，如蓝绿藻等。

（2）裸蕨植物时期　晚志留世至中泥盆世，伴随着地壳上升，陆地逐渐扩大，促使那些能适应环境变化的植物由水生转为陆生，产生了最古老的陆生植物群（裸蕨植物为主）。

（3）蕨类植物时期　晚泥盆世至早二叠世，随着原始的裸蕨植物逐渐被淘汰，比它更优越的石松类、真蕨类迅速崛起，节蕨类也重趋繁盛，植物界进入了大发展时期，出现了茂密的森林。当各种蕨类植物演化达到高潮时，由它们又演化出一种新的植物类群，即裸子植物的古老类型。其中，以种子蕨纲和苛达树纲的迅速发展为代表。

（4）裸子植物时期　晚二叠世至早白垩世，气候逐渐干旱，适宜温暖潮湿环境生活的各种蕨类植物，除真蕨纲较能适应这一变化外，其他蕨类植物都逐渐衰退了。这一时期以裸子植物的苏铁类、银杏类、松柏类为主，它们大量繁殖并形成茂密森林。这一时期，被子植物的祖先开始从裸子植物中脱胎而出。

（5）被子植物时期　晚白垩世至现代，随着古地理、古气候的变化，苏铁、银杏等裸子植物逐渐走向衰退和灭绝，松柏类的数量大为减少。这一时期，被子植物迅速繁殖，成为占绝对优势的植物群。

3.各地质年代的成煤植物及成煤情况

（1）地质年代　地球从形成至今已经历了漫长的45亿年，而且地球始终进行着运动发展和变化，地壳上留下了许多反映地球运动、发展、变化的依据。为了便于开展地质研究及找矿工作，地质学家综合了地层层序、生物演化、地壳运动等因素，把地质历史划分为许多阶段，每个大阶段又可分为次级阶段，这样就产生了地质年代单位。

常用的地质年代单位主要有代、纪、世。其中代是根据生物演化的主要阶段划分的。如古生代的植物主要为孢子植物。中生代的植物主要为裸子植物。纪的划分主要依据地壳节奏运动造成的沉积旋回、古地理特征及生物群的变化。世是根据生物科目的发展演化阶段来划分的，见表1-3。

（2）中国主要聚煤期和聚煤作用　中国蕴藏着丰富的煤炭资源，含煤地层遍布全国各地。研究表明，中国的聚煤期主要有八个：早寒武世、早石炭世、晚石炭世-早二叠世、晚二叠世、晚三叠世、早-中侏罗世、晚侏罗世-早白垩世、第三纪。早寒武世是由低等植物成煤，在中国湘、鄂、浙、皖、黔、桂等地形成了一定规模的石煤资源。由陆生高等植物形成的煤，则开始于晚古生代的早石炭世，其中以石炭纪、二叠纪、侏罗纪、第三纪聚煤作用最强。以下简述中国几个主要聚煤期的聚煤作用。

①晚石炭世的聚煤作用。晚石炭世，中国的绝大部分地区为热带和亚热带气候。高大的鳞木和松柏纲、楔叶纲、真蕨纲高等植物群非常茂盛，许多地区形成了茂密的沼泽森林，为聚煤作用提供了必要的物质基础。当时中国华北、西北部分地区，华东和中南区为滨海平原，普遍沉积了晚石炭世太原组煤系，其中河北的开滦、峰峰；山西的阳泉、晋城、潞安、汾西、西山等矿区都沉积有较厚的太原组煤系。

②早二叠世的聚煤作用。早二叠世，中国华南、华北地区属热带、亚热带气候。银杏、苏铁和松柏等植物组成的森林十分繁茂，沼泽遍布，具备较好的成煤条件，沉积了以华北为中心的山西组煤系。与此同时，湖北、湖南、四川、贵州、江西、陕西等地也沉积了具有一定经济价值的梁山煤系。早二叠世晚期，中国北方已变成半干旱半潮湿气候，大面积的聚煤作用已停止，仅在安徽、苏北的徐州、河南平顶山沉积了石盒子组煤系。

③晚二叠世聚煤作用。晚二叠世，华北、西北东部气候逐渐干旱，没有形成有价值的煤系。在华南及西南一带气候温暖潮湿，科达纲、鳞木类植物繁茂，沉积了巨厚的海陆交替相的龙潭煤系。其中以贵州境内沉积厚度最大。

④侏罗纪聚煤作用。早、中侏罗世，中国北方气候温暖、潮湿，银杏、松柏和真蕨类植物大量繁殖，形成大面积的原始森林，为成煤提供了丰富的物质基础，在华北、西北地区的许多内陆聚煤盆地中沉积了早、中侏罗世的陆相煤系。晚侏罗世，中国北方的植物群仍以松柏、银杏、苏铁和真蕨植物为主，在内蒙古东北部、东北地区都沉积有晚侏罗世煤系。

⑤第三纪聚煤作用。第三纪早期，中国北方气候温暖，东部及沿海一带为潮湿和半潮湿气候，木本植物茂盛，在抚顺、沈阳、梅河、珲春、舒兰等地沉积了早第三纪煤系。第三纪晚期，中国北方干旱，南方及东南沿海一带气候潮湿，沉积了以云南小龙潭煤系为代表的陆相煤系。

4.植物的族组成及其成煤性质

（1）植物的族组成　在生物发展史上，植物经历了由水生到陆生，由低级到高级，由简单到复杂的逐步进化和发展。按其进化顺序可分为菌藻植物、苔藓植物、蕨类植物、裸子植物、被子植物，其中菌藻植物属低等植物，其余为高等植物。

低等植物主要是单细胞植物或者是多细胞构成的丝状体，叶状体植物，它们没有根、茎、叶与器官的分划，大多数生活在水中或阴暗潮湿的环境中，如细菌、蓝藻、绿藻等。

高等植物都是多细胞植物，具有根、茎、叶等器官的划分，其中根为吸收和固着器官；茎能支持植物体和起输导作用；叶进行光合作用。此外，高等植物还具有完善的繁殖器官（孢子、花粉）。所以，高等植物具有很强的陆地适应性，能适应陆地生活。

低等植物和高等植物都是由细胞组成的，细胞由细胞壁和原生质构成。组成细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素、果胶等，原生质主要由蛋白质和脂类化合物（脂肪、树脂、树蜡、角质、木栓质、孢粉等）组成。研究表明，不同种类植物的有机组成并不相同，而且同一种植物的不同部位其有机组成也存在差异，如表1-4所示。

低等植物主要由蛋白质和糖类物质组成，脂类化合物含量也较高。高等植物的有机组成以糖类物质和木质素为主。在木本植物的各部分中，根、茎、叶以糖类和木质素为主；孢子、花粉和角质层主要由脂类化合物组成；原生质则含有大量的蛋白质。所以，植物有机组成的差异，直接影响它们在成煤过程中的分解与转化，并且影响煤的性质和煤的用途。

①糖类及其衍生物。糖类及其衍生物含有碳、氢、氧三种元素，常用通式Cn（H2O）m表示，所以这类化合物常被称为碳水化合物。这类化合物包括纤维素、半纤维素和果胶等。

a.纤维素。纤维素是组成植物细胞壁的主要成分，是构成植物支持组织的基础。在高等植物的木质部分，纤维素约占50％。纤维素是一种高分子化合物，属于多糖，分子式可用（C6H10O5）n表示，分子结构如图1-1所示。

纤维素在活着的植物体内很稳定，但植物死亡后，纤维素变得不稳定，需氧细菌通过纤维素水解酶的催化作用可将纤维素水解为单糖，如果这些单糖继续遭受氧化作用，则被分解为CO2和H2O。变化过程如下

但是，在沼泽环境下，氧化分解常常是不充分的。原因是：首先，随着泥炭沼泽水的覆盖和植物遗体堆积厚度的增加，使正在分解的植物遗体逐渐与空气隔绝而出现弱氧化环境或还原环境；其次，植物遗体转化过程中分解出的气体、液体和细菌新陈代谢的产物促使沼泽中介质的酸度增强，抑制了需氧细菌、真菌的生存和活动。由于上述原因，沼泽水被“毒化”。在缺氧环境下，厌氧细菌使纤维素发酵生成CH4、CO2、C3H7COOH和CH3COOH等。

这些水解产物和发酵产物都可与植物的其他分解产物缩合形成更复杂的物质参与成煤，或成为微生物的营养来源。

b.半纤维素。半纤维素也是植物细胞壁的组成部分，它在高等植物的木质部中占17％～41％。半纤维素也属于多糖，其结构多种多样，多维戊糖（C5H8O4）n就是其中之一。与纤维素相比，半纤维素更易水解和发酵，它们也能够在微生物作用下水解成单糖，变化过程如下

这种单糖的后续变化与上述纤维素的情况类似。

c.果胶。果胶属糖的衍生物，呈果冻状，存在于植物的木质部或集中分部于植物的果实中。果胶分子中含有半乳糖醛酸HOC—（CHOH）4—COOH，呈酸性，其分子结构如图1-2所示。

果胶不稳定，在微生物作用下，可以水解成一系列的单糖和糖醛酸，进一步分解可形成脂肪酸类物质而参与成煤。

②木质素。木质素主要分布在高等植物茎部的细胞壁中，包围着纤维素并填充其间隙，以增加茎部的坚固性。木质素结构非常复杂，以至于至今还不能用一个结构式来表示，但人们已认识到它具有芳香核，带有侧链，并含有甲氧基（—OCH3）、羟基（—OH）、醚基（—O—）和醛基等各种官能团。根据弗来格（FLaig）的研究，木质素的组成随植物种类的不同而变化，共有三种不同类型的单体，如表1-5所示。

木质素的单体以不同的链相互连接、形成三维空间的大分子，所以，它比纤维素更稳定，很难水解。在多氧的沼泽环境中，经微生物作用可被氧化成芳香酸和脂肪酸而参与成煤。研究表明，木质素是成煤的主要植物成分。

③蛋白质。蛋白质是构成植物细胞原生质的主要成分，也是有机体生命起源的最重要物质。在低等植物中，蛋白质含量较高，而在木本植物中，蛋白质含量不高。蛋白质是由氨基酸分子按一定排列方式结合而成的复杂的高分子化合物。植物死亡后，如果处在氧化条件下，蛋白质经微生物作用可全部分解成气态产物（NH3、CO2、H2O、H2S等）。在泥炭沼泽中，蛋白质可水解成简单的氨基酸，参与成煤。由于蛋白质的元素组成有碳、氢、氧、氮、硫等元素，有些蛋白中含有磷，所以有人认为煤中的氮和有机硫可能来自成煤植物中的蛋白质。

④脂类化合物。脂类化合物通常指不溶于水，而溶于苯、醚和氯仿等有机溶剂的一类有机化合物。存在于植物中的脂类化合物主要有以下几种类型。

a.脂肪。脂肪属于长链脂肪酸的甘油酯，是植物细胞内原生质的一种成分。低等植物脂肪含量较高，在藻类中可达20％；高等植物的脂肪含量一般为1％～2％，主要集中在植物的孢子和种子中。在生物化学作用过程中，脂肪可被水解，生成脂肪酸和甘油，脂肪酸能参与成煤。

b.树脂。树脂是植物生长过程中产生的分泌物，当植物受到伤害时，就会分泌出胶状的树脂来保护伤口。低等植物没有树脂，高等植物中的针叶植物含树脂最多。树脂的化学性质稳定，不溶于有机酸，也不易被微生物破坏，能完好地保存在煤中，直接参与成煤的作用。中国抚顺第三纪褐煤中的“琥珀”就是由成煤植物中的树脂转变成的。

c.树蜡。树蜡呈薄膜状覆盖在植物茎、叶和果实的表面，可以有效地防止水分的过度蒸发和微生物的侵入。树蜡的化学性质类似于脂肪，但比脂肪更稳定，遇强酸也不易分解。在泥炭和褐煤中经常可发现树蜡。

d.角质。角质是角质膜的主要成分，含量可达50％以上，角质膜常覆盖在植物的叶、嫩枝、幼芽和果实的表皮上，以防止水分的过度蒸发和微生物的侵入。角质是脂肪酸脱水或聚合的产物，其化学性质稳定，在生物化学作用过程中不易分解，能较完整地保存在煤中。

e.木栓质。木栓质能将植物的木栓组织浸透以提高其抵抗腐烂的能力。在木栓中木栓质的含量可达25％～50％。木栓质的主要成分是脂肪醇酸、二羧酸等。木栓的化学性质稳定，在煤中常保存着植物的木栓层。

f.孢粉质。孢粉质是构成植物繁殖器官孢子、花粉外壁的主要有机成分。在孢子中孢粉质的含量达20％，孢粉质具有脂肪-芳香族网状结构，它的化学性质非常稳定，能耐较高的温度和酸、碱，也不溶于有机溶剂，常完好地保存在煤中。

上述脂类化合物的共同特点是化学性质稳定，因此能较完整地保存在煤中。除上述主要有机化合物外，植物中还有鞣质、色素等成分。鞣质属芳香族化合物，它浸透了老年植物木质部细胞壁、种子外壳。在许多植物的树皮中鞣质高度富集，铁树、漆树、云杉、桦树等现代植物和一些古植物中都含有鞣质。鞣质的抗腐性很强，不易分解。色素是植物体内储存和传递能量的重要因子，含有能与金属原子相结合的吡咯化合物结构。

以上介绍了植物的各种有机组分及在生物化学变化过程中的变化情况，如果按分解的难易程度，由易到难依次为：原生质；叶绿素；脂肪；半纤维素、纤维素；木质素；木栓质；角质；孢子、花粉；树蜡；鞣质；树脂。

（2）成煤原始物质对煤质的影响　地质历史时期，植物的演化、发展经历了几个大的阶段，在不同的地质时期生物群的面貌存在很大差异。由于不同种类的植物，其有机组分的含量相差悬殊，相同植物的不同部分有机组分的含量也不相同（见表1-4）；而且，不同植物的元素组成有差异，不同类型的有机组分其元素组成也有较大变化（见表1-6）。

从理论上讲，各种植物、植物的各个部分，分解后的产物及参与分解的微生物都能参与成煤。但是，由于成煤植物及植物的不同部分在有机组成上存在差异，也由于不同有机组分在化学性质、元素组成上的差异，使得不同植物和植物的不同部分的分解、保存和转化存在很大差别，例如，低等植物中蛋白质、脂类化合物含量高，由低等植物形成的煤（腐泥煤）中氢含量较高。导致煤的组成、性质的差异，影响到煤的工业利用。所以，成煤原始物质是影响煤质的重要因素之一。

在高等植物形成的煤中，如果成煤植物是以根、茎等木质纤维组织为主，煤的氢含量较低；如果成煤植物是以角质、木栓质、树脂、孢粉等脂类化合物为主，则煤的氢含量较高。

二、成煤过程

成煤过程是指从植物死亡，遗体堆积直到转变成煤所经历的一系列演变过程。

1.成煤条件

地质历史时期，存在着大量植物，这些植物是否都能转变成煤呢。研究证实，并不是所有植物都能成煤，要想成煤，必须具备一定的条件。

（1）古植物条件　植物是成煤的物质基础，只有植物大量繁殖的时期才是成煤的有利时期。在植物发展史上，早期出现的植物是生活在水中的低等植物，如菌类、藻类。分布于中国南方省份的石煤就是由低等植物演变而成的。随着植物的进化，从晚志留世-早泥盆世植物开始“登陆”，出现了陆生的高等植物（裸蕨），裸蕨只能生活在水盆地的边缘，数量较少且个体矮小，未能形成大规模的煤层。到了石炭、二叠纪，陆生植物飞速发展，不仅数量多，而且发育成高大的木本植物，为成煤提供了大量的物质基础，形成大量具有工业价值的煤层。为了证明植物与成煤的关系，有人曾做过实验估算：5～10m厚的植物遗体能形成1m厚的泥炭，时间需400～500年；而5～10m厚的泥炭能形成约1m厚的褐煤，时间约需上万年。还有人根据成煤过程中的变化，估计10m厚的植物遗体堆积层可形成1m厚的泥炭，进而转变为0.5m厚的褐煤或0.17m厚的烟煤。可见，只有当植物大面积分布，且持续繁殖才能形成储量丰富的煤田。

（2）气候条件　气候与成煤的关系非常密切，它对成煤的影响主要表现在两个方面。首先，气候能影响植物的繁殖，研究表明，干旱的气候环境，不利于植物的生长，植被稀少；寒冷地区，植物生长缓慢，只有温暖、潮湿的气候环境最适宜植物的生长繁殖，植物非常茂盛。其次，气候控制着泥炭沼泽的发育。当年平均降水量小于年平均蒸发量时，只有少数有水源补给的低洼地区可能沼泽化。而当年平均降水量大于年平均蒸发量时，可导致低洼地区大范围沼泽化。所以，温暖、潮湿的气候条件最适宜成煤。

（3）自然地理条件　研究表明，要想形成分布面积广，具有开采价值的煤层，必须有既适宜植物大量繁殖，又能使植物遗体得以保存的良好自然地理环境。自然界中，只有泥炭沼泽具备这种条件。因为沼泽是地表常年积浅水，气候非常湿润的洼地，沼泽环境很适宜植物的生长、繁殖，通常植物丛生，当植物死亡后，又能及时被沼泽中的水掩盖，避免植物全部氧化，所以，泥炭沼泽是发生聚煤作用的良好古地理环境。

（4）地壳运动条件　地壳运动是地球运动、发展、变化的一种表现形式。地壳运动对成煤的影响表现在以下几个方面。

①地壳运动对自然地理环境起控制作用。当地壳发生沉降运动时，可以使近海平原或内陆洼地积水，引起沼泽化，形成沼泽。而且沼泽的面积大小、覆水深度、演化过程都受地壳运动控制。

②地壳沉降速度直接影响泥炭层的沉积厚度。当地壳的沉降进度与植物遗体的堆积速度大致相等时，沼泽基底沉降的空间恰好被植物遗体的堆积所充填，沼泽中积水的深度基本保持不变，继续维持沼泽环境，这种平衡持续时间越长，泥炭层的堆积厚度就越大。

当地壳沉降速度小于植物遗体堆积速度时，沼泽基底沉降的空间不足以充填植物遗体，相当于沼泽中积水的深度变浅，这种状况持续一段时间后，沼泽被植物遗体填满，后续植物死亡后不能被水掩盖，遭受氧化而破坏，无法形成较厚的泥炭层。

当地壳沉降速度大于植物遗体堆积速度时，沼泽基底沉降的空间不能被植物遗体填满，相当于沼泽中积水的深度增大，这种状况持续一段时间后，沼泽逐渐演变为湖泊，植物的生长繁殖受到限制，泥炭层的沉积中断，不能形成较厚的泥炭层，转而沉积泥沙物质。

综上所述，在地质历史时期，聚煤盆地只有同时具备植物、气候、古地理和地壳运动这四个条件，且相互配合默契、持续时间长，才能形成煤层多、储量大的重要煤田。

2.成煤过程

当植物死亡后，遗体堆积在沼泽中，经过复杂的生物化学变化转变为泥炭或腐泥，随着地壳沉降运动，泥炭、腐泥被埋到地下深部，经过物理化学作用、地质作用，逐渐演变成腐殖煤或腐泥煤。

根据成煤过程中影响因素和结果的不同，成煤过程可分为泥炭化作用（或腐泥化作用）和煤化作用两个阶段。

（1）泥炭化作用与腐泥化作用　泥炭化作用是指高等植物的遗体经过复杂的生物化学变化和物理化学变化转变成泥炭的过程。在这个过程中，植物有机组分的变化非常复杂，根据引起变化的微生物类型又可分两个阶段。

第一阶段　植物遗体被沼泽中的水掩盖后，最初是处于泥炭沼泽的表层，由于表层覆水浅、阳光充足、空气流通，又有大量的有机质提供养料，很适宜微生物的生存，水中含有大量的需氧细菌，植物遗体在需氧细菌的作用下发生氧化分解和水解作用，转化成结构简单、化学性质活泼的有机化合物。例如，纤维素经需氧细菌水解后形成单糖，木质素被氧化分解成芳香酸和脂肪酸，蛋白质被分解为氨基酸。

第二阶段　随着地壳的沉降和植物遗体堆积，分解产物和未分解的植物遗体被埋到泥炭沼泽的中层和底层，氧化环境逐渐被还原环境取代，这时需氧细菌的数量不断减少，厌氧细菌的数量显著增多，在厌氧细菌的作用下，植物有机组分发生厌氧分解，其中纤维素、果胶经厌氧分解生成丁酸、乙酸等产物，蛋白质分解产生氨基酸，脂肪分解成脂肪酸，在厌氧细菌的作用下分解产物之间，分解产物与植物残体之间又不断发生一系列复杂的生物化学变化，逐渐化合形成腐殖酸、腐殖酸盐、沥青质、硫化氢、二氧化碳、甲烷、氢等，其中一部分不稳定的气体逸出后，剩下的物质沉积成泥炭。

研究表明，由植物转变成泥炭后，其化学组成发生了明显的变化，其中，植物中所含的蛋白质全部消失了，在植物中占主要地位的纤维素、木质素也所剩无几；而植物中原本没有的腐殖酸在泥炭中的含量却相当高。元素组成上，泥炭的碳含量比植物高，氢、氮的含量有所增高，而氧、硫的含量降低较多（见表1-7）。

泥炭一般为棕褐色或黑褐色，无光泽，质软且富含水分及腐殖酸。

我国泥炭储量约270亿吨，80％属裸露型，20％属埋藏型。主要分布于大小兴安岭、三江平原、长白山、青藏高原东部以及燕山、太行山等山前洼地和长江冲积平原等地。埋藏浅、易开采，具有很高的利用价值。干燥后可作燃料，泥炭中的腐殖酸可做腐殖酸肥料，可进行低温干馏制取化工原料等。近年来，泥炭的开发和利用受到有关国家的高度重视。

腐泥化作用是指低等植物的遗体经复杂的生物化学变化转变成腐泥的过程。

在湖泊、积水较深的沼泽及潟湖中，菌类、藻类等低等植物及浮游生物大量繁殖，它们死亡后沉积下来，在缺氧的还原环境中，经过厌氧细菌的作用，蛋白质、脂肪等遭受分解，再经过聚合、缩合等作用，逐渐形成一种含水很多且富含沥青质的棉絮状胶体物质，这种物质经脱水致密，逐渐形成腐泥。

腐泥常呈黄褐色、暗褐色、黑灰色等，水分含量可达70％～90％，是一种粥状流动的或冻胶淤泥状物质；干燥后水分降低至18％～20％，为具有弹性的橡皮状物质。

腐泥干燥后也可做燃料或肥料使用；干馏时腐泥的焦油产率很高。

（2）煤化作用　是指由泥炭转变为腐殖煤的过程，或由腐泥转变为腐泥煤的过程。

煤化作用中，主要发生物理化学变化和化学变化。根据作用条件的不同，煤化作用可分为成岩作用和变质作用两个阶段。

①成岩作用。泥炭层沉积之后，由于地壳持续沉降，泥炭层被埋到地下一定深度，泥炭在以压力、温度为主的物理化学作用下，逐渐被压紧，失去水分，密度增大。当生物化学作用减弱以至消失后，泥炭中碳元素的含量逐渐增加，氧、氢元素的含量逐渐减少，腐殖酸的含量不断降低直至完全消失，经过这一系列的复杂变化，泥炭变成了褐煤，这种由泥炭变成褐煤的过程称为煤的成岩作用。泥炭变成褐煤后，化学组成发生了明显变化（见表1-8）。

一般认为泥炭化作用和成岩作用是逐步过渡的，随着泥炭的不断堆积泥炭层底部已开始了成岩作用。

腐泥经过成岩作用可转变为腐泥煤。其变化过程也是受压力、温度为主的物理化学作用。

②变质作用。褐煤形成后，由于地壳继续沉降，使褐煤层被埋到地下更深的地方，褐煤继续受到深部不断增高的温度和压力的作用，进一步引起煤中有机质分子的重新排列，聚合程度增高，使煤的结构、物理性质和化学性质发生变化；同时元素组成和含量也在改变，其中碳含量进一步增加，氧和氢的含量逐渐减少；挥发分和水分的含量减少，腐殖酸完全消失，煤的光泽增强，密度进一步增大，褐煤逐渐演变成烟煤、无烟煤。这个变化过程称为煤的变质作用。

褐煤变成烟煤、无烟煤后，化学组成也发生了明显变化（见表1-8）。

腐泥煤经过变质作用后，煤化程度进一步增高。

③影响煤变质的因素。影响煤变质的因素主要有温度、压力和时间。

温度。温度是影响煤变质的主要因素。在煤田地质勘探过程中，穿过煤系的深孔钻探提示了随煤层的埋藏深度增加，煤化程度增高这一事实，说明地温增高，煤化程度增高。

另外，为了研究温度与煤化程度的关系，人们做了一系列的煤化实验，例如1930年，格罗普（W.Gropp）曾将泥炭置于密闭的高压容器内进行加热实验，在100MPa的压力条件下加热到200℃时，试样在很长时间内并无变化，当温度超过200℃时，试样开始发生变化，泥炭转变成褐煤；当压力升高到180MPa，而温度低于320℃时，褐煤一直无明显变化，当温度升到320℃时，褐煤转变成具有长焰煤性质的产物；继续升温到345℃，可得到具有典型烟煤性质的产物，当温度升至500℃时，产物具有无烟煤的性质。可见温度是促使煤变质的重要因素。

根据变质条件和变质特征的不同，煤的变质作用可以分为深成变质作用、岩浆变质作用和动力变质作用三种类型。

深成变质作用是指煤在地下较深处，受到地热和上覆岩层静压力的影响而引起的变质作用。这种变质作用与大规模的地壳升降运动直接相关。煤的变质作用具有垂直分布规律，即在同一煤田大致相同的构造条件下，随着埋藏深度的增加，变质程度逐渐增高。一般地深度每增加100m，煤的干燥无灰基挥发分Vdaf减少2.3％左右。这个规律称为希尔特（Hilt）定律。煤的变质程度还具有水平分布规律，在同一煤田中，同一煤层沉积时沉降幅度可能不同，按照希尔特定律，这一煤层在不同的深度上变质程度也就不同，反映到平面上可以造成变质程度呈带状或环状分布的规律。

岩浆变质作用是指煤层受到岩浆带来的高温、挥发性气体和压力的影响使煤发生异常变质的作用，属于局部变质现象。主要由浅层浸入的岩浆直接浸入、穿过或接近煤层而使煤变质程度增高叫做接触变质作用；煤层下部巨大的浸入岩浆引起煤变质程度增高叫做区域热变质作用。

动力变质作用是指由于地壳构造变化所产生的动压力和热量使煤发生的变质作用，也属于局部变质现象。

压力。压力也是引起煤变质的因素之一。由于上覆岩层沉积厚度不断增大，使地下的岩层、煤层受到很大的静压力，导致煤和岩石的体积收缩，在体积收缩过程中，发生内摩擦而放出热量，使地温升高，间接地促进煤的变质。此外在地壳运动的过程中，还会产生一定方向的构造应力，在构造应力的作用下，形成断裂构造，断裂两侧岩块相对位移时，放出热量，也可引起煤变质。

压力可以使成煤物质在形态上发生变化，使煤压实、孔隙率降低、水分减少，还可以使煤的岩相组分沿垂直压力的方向定向排列和促使煤的芳香族稠环平行层面作有规则的排列。一般认为压力是煤变质的次要因素。

时间。时间是影响煤变质的另一重要因素。在温度、压力大致相同的条件下，煤化程度取决于受热时间的长短，受热时间越长，煤化程度越高，受热时间短，煤化程度低。例如，某地的石炭二叠纪煤系，形成于距今二亿七千万年前，煤系沉降深度约5100m，受热温度约为147℃，经取样化验，煤种属焦煤；另一地区从钻进深度约5400m的第三纪中新统地层中获取了煤的包裹体，包裹体所在位置温度约141℃，第三纪中新世距今1300万年～1900万年，经分析，煤包裹体属低煤化程度烟煤。另外，有人将长焰煤置于密闭的条件下加热，在温度、压力不变的情况下，加热96h后，得到具有肥煤特征的产物；加热150h后则得到具有肥煤过渡到焦煤特征的产物。可见，时间在变质过程中具有重要意义。

（3）成煤环境和过程对煤质的影响　根据沼泽水的补给来源，沼泽分为低位沼泽、中位沼泽和高位沼泽。低位沼泽的水源主要靠地下水和地表水补给，水质为微酸性到中性，富含矿物质和无机盐类。由于低位沼泽的水中矿物质、无机盐丰富，且有地表水携带的泥沙沉积，所以低位沼泽中形成的泥炭灰分含量较高，干燥基灰分一般大于7％。高位沼泽的水源主要靠大气降水补给，水中矿物质含量低，形成的泥炭灰分含量低，干燥基灰分一般低于5％。中位沼泽的水源一部分靠地下水补给，一部分靠大气降水补给，形成的泥炭灰分介于以上两者之间，干燥基灰分一般为5％～7％。

根据古地理环境，沼泽可分为滨海沼泽和内陆沼泽两类。滨海沼泽是由于地壳沉降使由近海平原积水、沼泽化而形成的沼泽。内陆沼泽是由于湖泊中沉积物不断堆积，湖泊淤塞演变成沼泽，或由于地壳沉降使内陆洼地积水、沼泽化而形成沼泽。

首先，由于滨海沼泽的植物多生长在盐碱土上，植物本身的硫含量就较高，另外，滨海沼泽中水介质呈弱碱性，有利于硫酸盐还原菌的活动，硫酸盐还原菌利用植物有机质提供氢使海水中的还原为H2S。H2S可与铁离子结合形成FeS2（黄铁矿），或者与植物分解产物反应形成有机硫化物转变成煤中的有机硫。所以，在滨海沼泽中形成的煤硫含量通常较高，有时可高达8％～12％。而内陆沼泽形成的煤硫含量一般较低，大多在1％左右。其次，受沼泽中水的深度、酸碱度、流动性、微生物的类型等因素的影响，滨海沼泽中形成的煤镜质组含量高，壳质组也占相当比例；内陆沼泽形成的煤，惰质组和树脂含量高。