第二章 沉积有机质的物质组成1.ppt

第一节 煤的物质组成第二节 石油、天然气、油页 岩的物质组成,第二章 沉积有机质的物质组成,一、煤的岩石组成 二、煤的化学组成,第一节 煤的物质组成,（一）概述 思考题：研究煤的岩石组成有哪些方法？,一、煤的岩石组成,煤薄片,煤砖光片,粉煤光片,（二）煤的显微组成 1、显微组分的定义 光学显微镜下能够识别出来的组成煤的基本单位。镜质组Vitrinite 有机显微组分 惰质组 Inertinite 壳质组 Exinite 无机显微组分 矿物质,2、镜质组 煤中含量在5080%以上，强覆水、还原条件下经生 物化学和地球化学凝胶化作用而形成。透射光下：橙红色、褐红色 反射光下：灰色、浅灰色，具有弱的荧光性 性脆，裂隙和微孔隙发育 O较高，、挥发分中等，较低，粘结、结焦性好 加氢液化时转化率较高 煤化过程生成少量油，较多甲烷气 在煤层中呈透镜状产生,结构镜质体 按细胞保存程度和形态特征划分 无结构镜质体 碎屑镜质体（1）结构镜质体 保存有植物的细胞结构，胞壁、胞腔清晰可辨。结构镜质体 胞腔呈圆形，椭圆形，方形，纺锤形胞腔排列 整齐，胞壁不膨胀或稍有膨胀。结构镜质体 胞壁膨胀，胞腔压扁呈短线状，胞腔变小，大小不一，排列不规则,（2）无结构镜质体 显微镜下观察不到植物的细胞结构。均质镜质体：透镜状或条带状产出，轮廓清楚，成分均一，不含杂质。基质镜质体：基质状，无固定形态，成分非均一，可包裹其它组分，矿物质含量较多。胶质镜质体：充填植物胞腔中，或其它空腔中沉淀 成凝胶，成分均一 团块镜质体：呈圆形或椭圆形，常呈个体或群体出现，团块状，轮廓清晰，成分均一。,（3）镜屑体 粒度小于10um，比较少见，泥炭阶段分解的植物或 腐植泥炭的碎屑，与基质镜质体在一起时不易区分，与 壳质组或惰质组在一起时，易于辨认。,3、壳质组（类脂组、稳定组）透射光：黄色，少数为绿黄色，红橙色 反射光：深灰色，灰色、有突起，发黄色的荧光 腐泥煤、残植煤、油页岩中富集，密度低，重液 易分离、Q、挥发分最高 液化 炼焦 生油 类型：孢子体角质体 藻类体荧光体 木栓体树脂体 沥青质体 渗透沥青质 壳屑体,孢子体 孢子体是孢子植物的繁殖器官，保存下来的是其外胞壁。特征：闭合长环状，拐角圆滑，有时表面具有纹饰。异孢植物，有雌雄之分 同孢植物，无雌雄之分。雌：大孢子 雄：小孢子 花粉：种子植物的繁殖器 官，大小约为0.05 mm，与小孢子难 以分别。,角质体 叶、叶柄、细茎、种子、果实上的一层透明薄 膜，不具有细胞结构。特征：细长条状，一边平滑，一边呈锯齿状，拐角尖锐 薄壁角质体：厚520um 厚壁角质体：50um 取决于植物种类、植物组织、生长环境,树脂体植物分泌的产物：树脂、树胶、胶乳、脂肪、蜡质、琥珀 特征：边缘平滑，球形、卵形、纺锤形，充填于胞腔中，内 部均一，无细胞结构。有机化学成分：萜烯体、异戊间二烯的缩聚。,木栓质体 树皮中木栓组织转变而来。特征：数层至十几层扁平的长方形木栓细胞所形成，波浪状排列紧密，纵切面呈叠瓦状结构，横切面呈鳞片状结构，荧光呈现褐黄色或暗褐色，荧光色不均匀。木栓化细胞壁除纤维素和木质素外，还含有25-50%木栓体。,藻类体 腐泥煤，腐植、腐泥煤，油页岩中常见。结构藻类体藻类群体，厚壁单细胞藻类 特征：水平切面上呈圆形，垂直切面上呈透镜状，扇 状、纺锤状，外形清晰，边缘呈锯齿状，表面 呈蜂窝状或海绵状、放射状，纹层状，云朵状 轮廓。层状藻类体 单细胞藻薄壁浮游藻类底栖藻类群体 特征：水平切面呈扁平的小浑圆体，垂直切面呈细 薄层状，个体小，长宽比大，不易辨认。,沥青质体 类脂物质、藻类、浮游生物、细菌。特征：无固定形态，基质状，线理状或细小透镜状产出。随紫外线辐射时间加长，荧光性增强。渗出沥青体 次生煤岩组分：充填于孔隙裂隙中 特征：母质为壳质组时，较强的荧光，为绿黄色、亮 黄色；母质为富氢镜质体时，较弱的荧光，呈 褐黄，褐色。煤生烃，排烃的证据，煤成油的 重质烃类富集物。,荧光质体 叶肉细胞中油或脂肪，果实中的油或脂肪，煤化 过程中的油或脂肪。特征：呈小透镜状或粒状集合 体充填于细胞腔内或集 合成10-50um宽的薄层。壳屑体 特征：各种壳质组分的碎屑 体，不易与黏土矿物 区分，但具有荧光性。,3、惰质组 在结焦过程中不软化，呈惰性。成因：植物遗体在缺水多氧的环境中，氧化而成。森林火灾，植物不完全燃烧 C60 泥炭表层受真菌等微生物的腐解 强烈的煤化作用特征：透射光：不透明 反射光：亮白色，黄色或灰白色，无荧光，正突起 高，中等，和挥发分低，热解不具有粘结性 显微组分：丝质体半丝质体粗粒体微粒体 菌类体惰屑体,丝质体 植物的根、茎、叶经丝碳化作用而成，在煤层 中呈薄层状，透镜状。显微亚组分：火焚丝质体氧化丝质体原生丝质体 火焚丝质体 特征：细胞结构保存良好，细胞壁薄，胞间隙甚至 植物的年轮都能见到，性脆，呈星状、孤形 等碎片。氧化丝质体 特征：细胞结构保存较好，细胞壁较厚，有时胞腔 大小不一，排列不很整齐。原生丝质体 特征：有些植物在生长过程中，能将黑色素沉淀 在细胞膜中。,半丝质体 丝炭作用，半透明，可见结构。透射光：深棕色，黑棕色 反射光：灰白色，灰色 粗粒体 无定形、无结构的凝胶状惰质组分，条带状、团块状 成因：泥炭强烈氧化和干燥作用 富脂类形成煤化丝质体 火焚泥炭 微粒体 特征：1um的圆形小颗粒，微粒状、细分散，各向异性 成因：壳质组、富氢镜质组排出液态沥青后的残渣；泥炭阶段氧化丝质体、半丝质体碎片。,菌类体 菌孢子：真菌的繁殖器官，形态多样。真菌体 菌丝：真菌的营养器官，单细胞连接而成。菌核：由菌丝组成，形态、大小相差悬殊。特征：出现于第三纪煤中，圆形椭圆形，具蜂窝状结构。非真菌体（似菌类体）特征：出现于晚古生代煤中，为丝炭化的树脂体或团 块状镜质体，多呈园形、卵形或不规则状，没 有细胞结构。部分菌类体，透射光：棕色、黑棕色；反射光：灰白、灰白色，可归入半镜质组、镜质组中。,惰屑体 特征：丝质体，半丝质体，菌类体碎片，110um，菱角状，不规则状外形，轮廓清晰。成因：泥炭化阶段形成，真菌，放射菌氧化 森林火灾，搬运沉积 挤压破碎,思考题：1.镜质组各具体显微组分的成因联系？2.在光学显微镜下如何鉴定显微组分？3.聚集有机质与分散有机质中的显微组分种类、数量 有何区别？,4、煤中的矿物质（1）来源 原生矿物：生物体中带来，Ca、K、Mg、Na、O、Si、S、P、e、l等化合物，i、Cu、Mo、Zn、Co、V等微量元素。同生矿物：外源矿物泥炭堆积时，搬运而来。火山碎屑、粘土矿物、石英、长石、岩屑等。内源矿物化学或生物化学成因。黄铁矿、菱铁矿、蛋白石、玉髓等。后生矿物：埋藏演化中形成。地下水活动、物理化学条件的变化形成：方解石、石膏、黄铁矿、褐铁矿、高岭土、石英。岩浆热液：石英、黄铁矿、闪锌矿、方铅矿等。,（2）种类 粘土矿物：高岭石，蒙脱石、伊利石 碳酸盐矿物：方解石、白云石、铁白云石、菱铁矿 硫化物：黄铁矿、白铁矿、闪锌矿、方铅矿 氧化物、氢氧化物：石英、蛋白质、玉髓、金红石、赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿 盐类：氯化物、芒硝、石膏、磷灰石 重矿物：锆石、电气石、石榴子石，金红石、橄榄石等 微量元素：Ag、As、Ge、a、i、Sr、Ni、Mo,反射光下煤中常见矿物的鉴定标志,5高岭石；6分散状粘土矿物；7菱铁矿；8方解石脉（正交偏光）,1充填胞腔的粘土矿物；2团块状和细分散状粘土矿物；3结核状菱铁矿；4后生脉状方解石,5充填胞腔的黄铁矿；6结核状黄铁矿；7团块状黄铁矿；8石英,（三）显微煤岩组分分类方案、ICCP分类 1957年提出，1974年被国际标准组织采用，1987年增补。特征：侧重于化学工艺性质，分大类显微组分组 以成因划分类显微组分、显微亚组分 以具体的植物种类划分种显微组分种 2、中国分类（GB/T 155881995）,表 3-1 国际硬煤显微组分分类,续表3-1,表2-2 中国烟煤显微组分分类 与国际硬煤分类方案的差别,粗粒体1：相当于同煤级半丝质体，反射光下呈灰白色。粗粒体2：相当于同煤级丝质体，反射光下呈亮白色、黄白色。菌类体1：真菌菌类体，可见细胞结构。菌类体2：氧化树脂体、似菌类体，不具细胞结构，见氧化裂纹。,（1）半镜质组（美国假镜质组、原苏联弱丝炭化组）特征：光性特征，物理性质，化学工艺性质介于 镜质组与惰质组之间，炼焦时可软化，但 一般不能变成塑性状态；反射光：棕色、红棕色 透射光：灰、浅灰色，微突起 daf、daf、原子比小于镜质组 密度、C daf、芳香度大于镜质组（2）树皮体 由多层长方形细胞紧密排列而成，常呈迭瓦状，其 形态多为不规则块状。各细胞的色调常不均匀，具突起，具绿黄色、黄色、褐黄色荧光。,a结构半镜质体，胞腔充填胶质镜质体；b结构半镜质体（左），均质半镜质体（右）；c基质半镜质体（中）；d基质半镜质体，团块半镜质体，小孢子体,c树皮体；d树皮体，弦切面，近等粒状细胞形态；e树皮体，叠瓦状构造；f树皮体，荧光体,a各向同性体；b各向同性体，粗、细粒镶嵌结构；c球粒状各向异性热解炭；d中间相小球体反射正交偏光,e粗粒镶嵌结构；f片状、纤维状粗粒镶嵌结构体；g球粒状各向异性热解炭；h各向异性丝质体反射正交偏光,3、褐煤的显微组分分类,（四）显微煤岩类型,显微煤岩类型是各种显微煤岩组分的组合特征、化学工艺性质、沉积环境的反映。1、ICCP的分类 显微煤岩类型条带最小宽度为50um，即，最小覆盖 面积为5050um 侧重于煤的化学工艺性质的分类 以镜质组、壳质组、惰质组三组分为100%划分类型 微镜煤 V95%单组分组类型组 微壳煤 E95%微惰煤 I95%,按主要显微组分、亚组分组再细划分为类型；考虑优势组分命名，含量小于5%的不计；ICCP的镜质组=中国的镜质组+半镜质组；精煤（矿物总量20%或硫化物含量5%，密度1.5g/cm3）大致反映沉积环境,表3-4 微矿质煤分类,矿物总量60%或硫化物含量20%，密度2.0g/cm3为矿质类型,2、成因分类（1）前苏联热姆丘日尼可夫和金兹堡分类 煤与煤层的形成条件 显微研究与宏观研究结合起来 按凝胶化组分（镜质组）含量划分六种类型，再按各显微组分划分亚型,（2）地科院、重庆煤研所的分类 据腐植煤镜质组百分含量划为四种类型 再按惰质组、壳质组、矿物质划分15种亚型 镜质组/%类型 80 亮煤型思考题：1.生物质、沉积有机质、煤岩类型的成因意义？2.显微煤岩类型的环境意义？3.成因分类中各类型的成因意义？,（五）煤的宏观组成 1、腐植煤的宏观煤岩成分（1）镜煤：乌黑，色深光强，成分均一，性脆，贝壳状断 口，轮廓清晰，粘结性好，矿物杂质少，裂隙 发育，大多由结构镜质体，均质镜质体组成。（2）丝炭：外观像木炭，颜色黑灰色或浅灰色，纤维状结 构，丝绢光泽，疏松多孔，丝质体为主，质轻 者性脆，易污手，质重者，被矿物充填。（3）亮煤：表面隐约可见微细层理，光泽较强，结构不均一（4）暗煤：含壳质组多，灰黑色，韧性好，油脂光泽，水介 质活动性强；含矿物质多，煤质差；含惰质组 多，成分结构不均一，氧化环境。,条带厚度3-5mm构 成一个煤岩成分，不到3-5mm则合并；过渡类型：暗亮煤、亮暗煤；宏观与微观的结合 和联系；根据宏观煤岩成分 绘制煤层的形成曲 线，用于煤相研究。,2、腐植煤的宏观煤岩类型 宏观煤岩类型 光泽 镜煤亮煤 光亮型煤 光泽极强 75%半亮型煤 光泽较强75%-50%半暗型煤 光泽暗淡50%25%暗淡型煤 光泽极暗25%煤级和成因类型相同，才能进行光泽强度对比，新鲜面，不考虑具体光泽；相同煤层中光泽最强的煤岩成分条带（镜煤）为参考标准，相对光泽；最小分层厚度为310cm，视煤层厚度而定；每一种光泽类型，据构造、结构再分。,3、褐煤的岩石类型 按变质作用的强弱分为：软褐煤，暗褐煤、亮褐煤（1）宏观煤岩成分 木煤：保存有植物细胞结构的纤维组织 丝炭：植物组织经过氧化，森林火灾 凝胶团块：轮廓清楚，结构均一，可演变为镜煤 基质：木煤、丝炭、凝胶团块的混合物 树脂体：植物的分泌物 矿物：粘土矿物、硫化物、氧化物、盐类矿物 动物化石,（2）岩石类型组和岩石类型的划分 表 3-5 褐煤的岩石类型组和岩石类型划分（ICCP，1986）,中国分为四种宏观煤岩类型 木质煤含木质10%；碎屑煤木煤，丝炭，均10%；矿化煤矿物质含量25%,4、煤的成因类型(1)腐植煤 包括由高等植物木质纤维组成的狭义腐植煤 和高等植物的壳质组分组成的残植煤。残植煤的特征：壳质组含量50%，一般为7090%黑灰色、灰黑色，油脂光泽，叶片状、粒状结构 H和Vdaf含量、Tar产率高，韧性大 活水、富氧的环境（2）腐植腐泥煤 高等植物与低等植物混合而成。（3）腐泥煤 低等植物组成和动物组成。,腐泥煤特征：灰黑、灰色，沥青光泽，致密均一，贝壳状 断口，密度低、硬度大，韧性好，易点燃，具沥青气味表 3-6 煤的成因类型,1树脂残植煤，黑龙江东宁；2角质残植煤，云南禄劝；3烛藻煤，贵州水城；4藻烛煤（小孢子），山东腾州,1烛煤，小孢子体，山西大同；2烛煤，小孢子体，江苏徐州；3藻煤，山西浑源；4胶泥煤，层状藻类体，沥青质体，结构藻类体碎屑,（六）煤的结构与构造 1、煤的宏观结构 宏观煤岩成分的形态、大小、厚度、生物残体所 表现出来的特征。宽条带状结构 条带宽5mm 条带状结构 中条带状结构 条带宽3-5mm 细条带状结构 条带宽1-3mm 线理状结构：煤岩成分呈1mm的线理 透镜状结构：煤岩成分成透镜状 均一状结构：成分单一、均匀，镜煤、腐植腐泥煤,粒状结构：大量孢子、树脂体、矿物杂质 叶片状结构：树皮或角质形成 木质状结构：植物茎干的木质纤维组织的痕迹 纤维状结构：为丝炭所特有，一向延长，保存木质 纤维组织结构，疏松多孔，细胞排列2、煤的次生结构 构造应力下产生的宏观结构 碎裂构造碎块2cm 碎粒构造粒度1cm 糜棱构造层理，煤岩成分看不见思考题：构造煤研究的地质意义？,3、煤的构造 煤岩成分空间排列和分布所表现出来的组合特征，与煤岩成分自身大小，形态无关，而与成煤物质聚积时的环境有关。层状构造：水平层理，水平波状层理、斜层理、同生变形构造，与水动力条件有关 块状结构：岩石组成单一，看不到层理，覆水较 深的滞水条件。,（一）概述 有机质：主要由C、H、O、N、S等元素组成，是复杂的 高分子有机化合物，是煤的主要组成部分；无机质：包括矿物杂质和水分，它降低了煤的利用价值。（二）煤中的水分 1、水分的来源：植物本身水，泥炭堆积吸水，煤化脱 水，地下水，开采、运输中掺入 2、水在煤中的存在状态 外在水分（Mf）:大毛细管（d200nm）中的游离水,二、煤的化学组成,内在水分（Minh）:存在d200nm中的吸附水 MinhMad（空气干燥基水分）结晶水（化合水）：以分子或离子形式参加矿物晶格构造 的水分。如 CaSO42H2O、Al2O3 SiO2 2H2O3、煤中水对工业利用的影响 4、煤中水分的测定 表3-8 全水分（Mt）与空干基（Mad）水分测定条件,煤分类研究中常采用最高内在 水分(MHC)：即煤样在30，相对湿度为9697%的条件下 达到吸湿平衡时测得的内在水 分。也即煤中毛细管吸附的 水分达到饱和时的水分。最高 内在水分与煤级有关，它不受 空气湿度的影响，便于不同地 区对比。图3-1 MHC与Vdaf的关系5、影响煤中水分的因素 表3-12 中国不同煤级煤空气干燥基水分的变化范围,基准的换算ar as received basis 收到基adair dried basis 空气干燥基d dry basis 干燥基daf dry ash-free basis 干燥无灰基dmmf dry mineral-matter free basis 干燥无矿物基maf moist ash-free basis 恒湿无灰基m,mmf moist mineral-matter free basis 恒湿无矿物基,图 3-10 煤质指标不同基准示意图,（二）煤的灰分 1、灰分的概念 煤中可燃质完全燃烧，煤中矿物质在一定温度下产生 分解、化合等复杂反应后剩下的残渣。2、矿物质对煤加工利用的影响 1）造成运输和贮存的浪费；2）降低了焦炭的质量和炼钢锅炉效率；3）降低了煤的发热量，增加了灰渣处理量；4）煤灰利用，提取Ga、Ge、V、Ti 3、煤灰分产率的测定 粒级 0.2mm ad 1g O2 815 5 1h 测得A ad 灰分产率是一个固定值，与水分无关。,4、影响煤灰分的因素 1）煤岩成分、煤岩类型 2）原生矿物、同生矿物、后生矿物 3）人为因素 5、灰分划分等级（Ad%）特低灰煤 低灰煤 中灰煤 富灰煤 高灰煤 40%,（三）煤的挥发分 1、测定方法 粒级 0.2mm ad 1g 隔绝空气 900 10 7min 煤样减轻的质量占原煤质量的百分数，减去煤的M ad.测得V ad，挥发分产率是一个固定值，与水分、灰分无关 2、影响因素 同一煤化程度，煤岩成分的影响表2-14 不同煤岩成分的挥发分(Vdaf%)比较,相同煤岩成分，煤化程度影响表2-15 不同煤级煤的挥发分变化范围3、焦渣特征分类 号粉状：没有相互粘着的颗粒 号粘着：用手指轻碰焦渣即成粉状或团块 号弱粘结：用手指轻压即碎成小块 号不熔融粘结：用手指用力压才裂成小块 号不膨胀熔融粘结：呈扁平状，银白色光泽，颗粒界线不清 号微膨胀熔融粘结：用手指压不碎，银白色光泽，有小膨胀泡 号膨胀熔融粘结：焦渣h15mm，银白色光泽，强膨胀,（四）固定碳（FC）1、固定碳（FC）的概念 FC不是纯碳，是由、组成的混合物。(FC)ad=100-(Mad+Aad+Vad)(FC)daf=100-Vdaf 当以固定碳产率表示煤有机质特性时，必须用干燥无灰基表 示，因为固定碳与煤中的水 分矿物质无关。随煤阶的增高，煤的固定碳产率也逐渐升高。2、燃料比 国外尤其是日本用 FC daf/V daf 表示燃料比 思考题：1.煤工业分析（水分、灰分、挥发分）方法如何更新？2.煤的灰分产率与矿物质含量的关系？,（五）元素分析 1、煤中、含量测定 燃烧法 粒级 0.2mm ad 0.2g O2 2H2O+CaCl2 CaCl22H2O(吸H2O)CO2+2NaOH Na2CO3+H2O(吸CO2)4SO2+4PbCrO4 4PbSO4+2Cr2O3+O2(除 S)4SO3+4PbCrO4 PbSO4+2Cr2O3+3O2(除S)Cl2+2Ag 2AgCl(除Cl)2NO2+MnO2 Mn(NO3)2(除N),2、煤中N含量测定 开氏蒸馏法 粒级 0.2mm ad 0.2 混合催化剂(Na2SO4和HgSO4)和H2SO4 加热分解，煤中的氮则转化为NH3，与H2SO4作用，转化为NH3(HSO4)。加入过量的NaOH溶液中和H2SO4，把NH3从NaOH溶液中蒸出，并吸收在硼酸溶液中。用H2SO4标准液滴定，根据用去 H2SO4的量，计算煤中的氮含量。3、煤中O含量计算 Oad=100-Cad-Had-Nad-St,ad-Mad-Aad(CO2)ad Odaf=100-(Cdaf+Hdaf+Ndaf+So,daf),4、煤中S含量测定（1）来源，种类，分布,（2）煤中硫对煤利用的影响（3）煤中硫的测定方法 煤中全硫含量的测定(St%)高温燃烧法：粒级 0.2mm ad 0.5克，1250煤中各 种硫变成SO2和SO3，通入H2O2溶液中，氧 化为H2SO4，以标准的NaOH溶液滴定生成 的H2SO4，便可计算出煤中的全硫含量。,重量法：粒级 0.2mm ad 1克，850 与2g艾什卡试剂混合（Na2CO3：MgO=1：2)，在850下燃烧，煤中各种硫变成SO2和SO3，并 与艾氏剂反应生成Na2SO4和MgSO4，加入BaCl2 溶液，即生成BaSO4沉淀，称取BaSO4的质量，即可计算出全硫含量。煤中硫化铁硫(Sp)的测定 粒级 0.2mm ad 1g，用稀HCl浸出非FeS2硫，然后用稀HNO 3把FeS2 中的 硫氧化成硫酸盐，把Fe2+氧化成Fe3+，把Fe3+盐溶液用 SnCl2还原为Fe2+,然后用重铬酸钾溶液滴定，再以Fe的 量计算煤中FeS2硫。,煤中硫酸盐硫(Ss)的测定 用稀HCl浸出Ss，在浸液中加入BaCl2溶液，即可生 成BaSO4沉淀。据BaSO4的量，即可计算出Ss的含量。煤中有机硫(So)的计算 煤中有机硫一般不作测定，而是用差减法计算得出。即:So,ad=St,adSp,adSs,ad（4）煤中全硫（St,d%）的分级 特低硫煤 低硫煤 中硫煤 富硫煤 高硫煤 4.0,5、煤中其它有害元素和稀散元素 有害元素：、As、Cl、Hg、稀散元素：Ge、Ga、Th、Ti、Be、Li、Sr、Re6、影响煤元素组成的因素（1）同一煤阶煤岩成分的影响：EV：EVI：VIE：E、VI,（2）同一煤岩成分煤阶的影响 表2-18 随煤阶增高，煤的元素含量变化范围,