成煤物質(zhì)

一、植物演化與成煤作用的關(guān)系成煤的原始物質(zhì)主要是植物，這種煤的植物成因觀點(diǎn)雖然早在18世紀(jì)初就有人提出，但直到19世紀(jì)30年代由于顯微鏡技術(shù)的廣泛應(yīng)用才得到公認(rèn)。由于植物是成煤的主要原始物質(zhì)，因此植物界的發(fā)展、演化，各類植物的興、盛、衰、亡必然影響著地史時(shí)期成煤特征的演化。植物界可分為低等植物和高等植物兩大類別。屬于低等植物的有藻類和菌類，在地史的早期(即元古宙到早泥盆世)，它們曾構(gòu)成了當(dāng)時(shí)植物界的主體，成為植物發(fā)展演化的菌藻類植物時(shí)期。它們是由單細(xì)胞或多細(xì)胞構(gòu)成的絲狀體和葉狀體植物，還不具備各種植物器官的分化，由柔軟的組織形成，構(gòu)造簡單，多生活于水體中。隨著地史的演化，相繼出現(xiàn)了以高等植物占主導(dǎo)地位的時(shí)期，即裸蕨類植物時(shí)期、蕨類種子蕨類植物時(shí)期、裸子植物時(shí)期和被子植物時(shí)期。高等植物是由一些低等植物歷經(jīng)長期演變而來的，在形體結(jié)構(gòu)和生理功能特征上都比低等植物更加復(fù)雜。如種子植物，包括裸子植物與被子植物，有了根、莖、葉、花等器官的分化，并用種子繁殖。植物演化與成煤作用具有密切關(guān)系，沒有植物的發(fā)育，地質(zhì)歷史中就不可能有聚煤作用的發(fā)生。植物演化具有明顯的階段性，因此，成煤作用也就具有階段性。1.菌藻類植物時(shí)代早泥盆世以前為低等植物發(fā)育時(shí)代，因此不可能有大規(guī)模的聚煤作用發(fā)生。由低等植物經(jīng)過一系列變化形成的煤，其灰分很高，有一定的發(fā)熱量，這類煤稱為“石煤”，如我國南方寒武紀(jì)的“石煤”。2.裸蕨植物時(shí)代晚志留世至早中泥盆世為世界上最古老的陸生植物時(shí)代。植物經(jīng)過漫長的發(fā)展演化，逐步從以水生為主到陸地生長，這是重要的植物演化飛躍。植物由水生到陸生的轉(zhuǎn)化過程，是植物由低等向高等發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折時(shí)期。裸蕨類植物是地質(zhì)歷史上最早的陸生植物，其特點(diǎn)是高度不足1m，還沒有真正的葉、根之分，只在地下有一種假根。因此，裸蕨植物仍然是比較原始的植物。3.蕨類、種子蕨類植物時(shí)代晚泥盆世至晚二疊世早期，是高等植物發(fā)育、發(fā)展和演化的最重要時(shí)期，以孢子植物蕨類和裸子植物的種子蕨為主。這個(gè)時(shí)期的氣候條件是溫暖、潮濕，適合植物生長，在全球范圍內(nèi)比較一致。典型的植物是高大的喬木，其高度達(dá)30m以上。石松類植物如鱗木、封印木等，節(jié)蕨類植物如蘆木等，種子蕨類植物如科達(dá)，是發(fā)育的鼎盛時(shí)期。石炭二疊紀(jì)是全世界范圍內(nèi)最重要的聚煤時(shí)期，地勢比較平坦，植物繁盛，聚煤作用強(qiáng)，為第一大聚煤時(shí)期。在我國石炭二疊紀(jì)是最早和最重要的聚煤時(shí)期，形成了分布廣泛的聚煤盆地和含煤地層，特別是我國華北和華南地區(qū)，含煤地層分布穩(wěn)定，煤層煤質(zhì)好，形成了我國重要的煤炭開發(fā)基地。如我國著名的鄂爾多斯盆地、華北盆地、華南盆地等，都是大型的石炭二疊紀(jì)聚煤盆地。4.裸子植物時(shí)代自晚二疊世晚期至中生代，是植物演化又一個(gè)非常重要的時(shí)代，是裸子植物最為繁盛的時(shí)代。由于海西運(yùn)動和印支運(yùn)動的影響，陸地面積擴(kuò)大，地勢變化大，地形高差分化明顯，氣候也隨之發(fā)生變化。這個(gè)時(shí)期的主要特點(diǎn)是:地球上干旱氣候帶擴(kuò)大，石炭二疊紀(jì)的植物群逐漸衰落，由蕨類植物進(jìn)入到裸子植物繁盛時(shí)期。這是地質(zhì)歷史時(shí)期又一個(gè)重要的聚煤期，侏羅紀(jì)和早白堊世被認(rèn)為是世界上第二個(gè)重要的聚煤期。在我國，侏羅紀(jì)是最為重要的聚煤時(shí)期，特別是我國西部地區(qū)，侏羅紀(jì)煤炭儲量占我國煤炭總儲量的60%左右。5.被子植物時(shí)代早白堊世以后至古、新近紀(jì)是植物進(jìn)入到高級發(fā)展的重要階段。這個(gè)時(shí)期構(gòu)造活動更加強(qiáng)烈，氣候分帶也更加明顯。這個(gè)時(shí)期被稱為世界上第三個(gè)重要的聚煤時(shí)期。從以上分析可以看出，地質(zhì)歷史時(shí)期的聚煤作用是與地質(zhì)歷史中植物演化密不可分的，植物的演化和發(fā)展決定了聚煤作用的發(fā)生，因此要首先研究植物的演化特點(diǎn)，將植物演化研究與地質(zhì)歷史發(fā)展、盆地聚煤作用研究緊密地結(jié)合起來，闡明聚煤作用的機(jī)制。二、植物組成以下主要敘述高等植物的組織。1.高等植物的器官高等植物的根是植物進(jìn)化過程中適應(yīng)陸生條件所形成的一種器官，它具有吸收、支持、合成和儲藏的功能。其主要功能是從土壤中吸收水、二氧化碳和無機(jī)鹽類(如硫酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽)，以及鉀、鈣、鎂等離子而轉(zhuǎn)化為植物生存所必須的物質(zhì)。根具有合成的能力，可制造某些有機(jī)物質(zhì)，如氨基酸等。根的分支可形成龐大根系，具有固著和支持植物的莖、葉的功能并牢固地直立于土地上。此外，根也可以成為儲存物質(zhì)的場所。高等植物莖的主要功能是將水分、無機(jī)鹽類和有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)送到植物體的各個(gè)部分，同時(shí)又支持枝、葉、花、果，有利于進(jìn)行光合作用、開花、傳粉及果實(shí)和種子的散布，此外，還有儲藏養(yǎng)料的功能。高等植物的葉，主要功能是光合作用和蒸騰作用，它們都是植物賴以生存所必須的。光合作用是綠色植物的葉片，在陽光下利用二氧化碳和水合成有機(jī)物質(zhì)，并放出氧氣的過程，因而形成了大氣中碳循環(huán)的重要途徑。光合作用所儲藏的能量，可供植物本身新陳代謝之用。水分以氣體狀態(tài)從植物葉內(nèi)散失到大氣中的過程，稱為蒸騰作用。由于葉片的氣孔是吸入空氣中的二氧化碳及排出體內(nèi)水分的通道，所以植物葉片是進(jìn)行光合作用與蒸騰作用的必要條件。2.高等植物的組織在植物細(xì)胞的分化過程中，逐漸演化成具有相同生理機(jī)能和形態(tài)結(jié)構(gòu)的細(xì)胞群(即各類植物組織)，它們分別組成了植物的營養(yǎng)器官(根、莖、葉)和結(jié)實(shí)器官(花、果實(shí)、種子)。隨著植物轉(zhuǎn)化為煤，各類組織的生理機(jī)能因植物死亡而消失，但一些組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)卻可保存下來，構(gòu)成了煤巖學(xué)乃至古植物解剖結(jié)構(gòu)研究的對象。根據(jù)高等植物的組織功能和結(jié)構(gòu)的不同，可劃分為分生組織、薄壁組織、保護(hù)組織、輸導(dǎo)組織、機(jī)械組織和分泌組織。其中，后5種組織都是由器官形成時(shí)分生組織衍生的細(xì)胞發(fā)展而成。1)分生組織具有細(xì)胞分裂能力，它處于植物體生長的部位，如根、莖的頂端生長和加粗生長都與分生組織的活動有關(guān)。2)薄壁組織在植物體中分布廣，是植物體的重要組成部分，因此又叫基本組織。其共同特點(diǎn)是:細(xì)胞壁薄，有細(xì)胞間隙，細(xì)胞體積大。3)保護(hù)組織多構(gòu)成暴露在空氣中的器官(如莖、葉、花、果實(shí))表面的表皮，一般都是由一層細(xì)胞組成，這層細(xì)胞排列緊密，無細(xì)胞間隙，而且在與空氣接觸的纖維素的細(xì)胞壁上有角質(zhì)分布，這些脂肪性的角質(zhì)填夾于纖維素分子的間隙中，可在外壁表面形成一層角質(zhì)膜(圖11)，防止水分的流失，并具有防止微生物侵入的功能。有些植物在表皮的外壁上具有蠟質(zhì)，也起保護(hù)作用。有些植物的根、莖在生長加粗的過程中破壞了原有的表皮，在表皮下又產(chǎn)生新的保護(hù)組織，稱為周皮。周皮由木栓形成層、木栓和栓內(nèi)層共同組成。由于木栓細(xì)胞不透水、不透氣，而且排列整齊，因而能代替外皮層起保護(hù)作用。4)輸導(dǎo)組織是植物體內(nèi)輸送水分和各種物質(zhì)的組織，細(xì)胞呈長管形，細(xì)胞間以不同方式相互聯(lián)系起來，形成植物體內(nèi)各器官中的一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)。根據(jù)輸送物質(zhì)的不同，輸導(dǎo)組織又分為兩大類:一類是輸導(dǎo)營養(yǎng)物質(zhì)的篩管;另一類為輸導(dǎo)水分及溶解于水中的礦物質(zhì)的導(dǎo)管。篩管是一連串具有輸送營養(yǎng)物質(zhì)能力的細(xì)胞的總稱，各個(gè)單獨(dú)的篩管細(xì)胞頂端對頂端接的橫壁上有許多小的篩孔，聚集呈篩板，因此有利于物質(zhì)輸送;在篩管細(xì)胞一側(cè)有著一個(gè)或數(shù)個(gè)相伴生的細(xì)胞，稱伴胞。輸導(dǎo)水分的導(dǎo)管細(xì)胞與篩管細(xì)胞有類似之處，其本身的特點(diǎn)是:導(dǎo)管細(xì)胞為長形，在成熟過程中細(xì)胞的次生壁不均勻加厚，成為各種花紋，細(xì)胞壁木質(zhì)化;縱行排列的導(dǎo)管細(xì)胞間的橫壁，在細(xì)胞成熟過程中溶解形成穿孔，從而連通成管子，每一導(dǎo)管的長度可由幾厘米到1m左右，導(dǎo)管的口徑大小不等，口徑大輸水效率大。裸子植物中無導(dǎo)管，而具有靠細(xì)胞壁上的紋孔相溝通的管胞。圖1-1 植物莖周皮切面示意圖(據(jù)北京林學(xué)院，1961)5)機(jī)械組織在植物體內(nèi)起支持作用，細(xì)胞大多為細(xì)長形，其特征是:具有加厚的細(xì)胞壁，有的在細(xì)胞的角隅處細(xì)胞壁加厚，由纖維素組成;有的具有次生的加厚細(xì)胞壁，大都木質(zhì)化。6)分泌組織由植物體內(nèi)能產(chǎn)生特殊物質(zhì)(如樹脂等)的細(xì)胞所組成。隨著植物界的發(fā)展演變，植物器官及各種植物組織的演化程度將愈易成熟與復(fù)雜，因而不同地史時(shí)期形成的煤各具特征。例如，晚古生代隱花植物具有厚的樹皮，而木質(zhì)部較薄，中生代的喬木裸子植物則具有薄的樹皮和厚的木質(zhì)部;古近新近紀(jì)的針葉樹，具有大量樹脂的木質(zhì)部。三、植物的組成和化學(xué)性質(zhì)植物主要是由有機(jī)物質(zhì)構(gòu)成，但也含有一定量的無機(jī)物質(zhì)。不論是低等植物還是高等植物，主要都是由碳水化合物(包括纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)等)、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和脂類化合物等組成。各類植物以及同一植物的不同部分有機(jī)組成各不相同(表11)。低等植物主要由蛋白質(zhì)和碳水化合物組成，脂肪含量比較高;高等植物的組成則以纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為主。木本植物的有機(jī)組成差別很大，活細(xì)腦中的原生質(zhì)主要由蛋白質(zhì)組成，莖和葉以纖維素、木質(zhì)素為主。植物的角質(zhì)膜、木栓層、孢子和花粉則含有大量的脂類化合物。植物的有機(jī)組成的差別，直接影響到它的分解和轉(zhuǎn)化，以及煤的性質(zhì)和利用。現(xiàn)分別簡述各種有機(jī)組分及其與成煤作用有關(guān)的特點(diǎn)。表1-1 植物的主要有機(jī)組分含量1.碳水化合物碳水化合物包括纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)等，其中，纖維素是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的主要成分。纖維素在溶液中呈膠體，易于水解;在活的植物中它對于微生物的作用很穩(wěn)定，但當(dāng)植物死亡后，在氧化條件下容易受喜氧性細(xì)菌、霉菌等微生物的作用，分解成為CO2和CH4及水;在泥炭沼澤的酸性介質(zhì)中，纖維素可分解為纖維二糖和葡萄糖等。半纖維素及果膠質(zhì)的化學(xué)組成和性質(zhì)與纖維素相近，但比纖維素更易水解為糖類和酸。2.本質(zhì)素木質(zhì)素也是植物細(xì)胞鍵的主要成分，常分布于植物機(jī)械組織的細(xì)胞壁中。它能增強(qiáng)堅(jiān)固性，起支持作用。木本植物的木質(zhì)素含量高，針葉樹的木質(zhì)部中木質(zhì)素含量比闊葉樹多。木質(zhì)素的單體以不同的鏈連結(jié)成三度空間的大分子，所以比纖維素穩(wěn)定，不易水解，當(dāng)植物死亡后較易氧化為芳香酸和脂肪酸。在泥炭沼澤水中，由于水和微生物的作用，木質(zhì)素發(fā)生分解，并和其他化合物生成與腐植酸相似的物質(zhì)。因此，它是煤的原始物質(zhì)中重要的有機(jī)組分。3.蛋白質(zhì)在植物體內(nèi)，蛋白質(zhì)含量所占比例不大。由于它是構(gòu)成植物細(xì)胞原生質(zhì)的主要物質(zhì)，因此在植物生存過程中起著重要作用。蛋白質(zhì)是由若干氨基酸按一定鍵結(jié)合而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高分子化合物，含羧基和羥基，具有酸性和堿性，為一種具強(qiáng)烈親水性的膠體，低等植物中蛋白質(zhì)含量高。植物死亡后，如果氧化條件充分，蛋白質(zhì)可全部分解為氣態(tài)產(chǎn)物而逸散掉;在泥炭沼澤和湖沼水中，蛋白質(zhì)可分解并轉(zhuǎn)變?yōu)榘被帷⑦策群衔铮瑓⑴c成煤作用，煤中的氮、硫可能與成煤植物的蛋白質(zhì)有關(guān)。4.脂類化合物脂類化合物主要指不溶于水，而溶于醚、苯、氯仿等有機(jī)質(zhì)溶劑的有機(jī)化合物，這些類型的化合物現(xiàn)分述于下:1)脂肪脂肪屬長鏈脂肪酸的甘油酯。低等植物含脂肪多，藻類中含量可達(dá)20%;高等植物含脂肪一般為1%～2%，大多集中于孢子、種子或莖皮、樹皮中。在生物化學(xué)作用過程中，酸性、堿性溶液中的脂肪能被水解，生成脂肪酸及甘油，脂肪酸參與了成煤作用。在自然條件下，脂肪酸具有一定的穩(wěn)定性，因此從泥炭、褐煤中提煉出的瀝青內(nèi)可發(fā)現(xiàn)脂肪酸。2)蠟質(zhì)蠟質(zhì)多呈薄膜覆蓋于莖、葉和果實(shí)的表皮上，具有防止水分流失和保護(hù)植物免遭傷害的作用。蠟質(zhì)化學(xué)成分復(fù)雜，但化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易遭受分解，在泥炭、褐煤中常見有蠟質(zhì)。3)樹脂樹脂是植物分泌組織在生長過程中的分泌物質(zhì)，具有保護(hù)作用。樹脂是單、二、三萜烯類的混合物，其中含有一些萜烯酸，如樹脂酸、松香酸等。有人認(rèn)為1/10的植物都含有樹脂體，其中2/3為熱帶植物，所有針葉樹都有樹脂。古生代的科達(dá)樹，在其木質(zhì)部和薄壁組織中也有與樹脂有關(guān)的暗色樹脂狀物質(zhì);始新世、漸新世的南美杉樹(Araucaria)，能產(chǎn)生極多的樹脂。樹脂的化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，不溶于有機(jī)酸，微生物及昆蟲都不能破壞它，因此可以完好地保存于煤中。在煤化作用中，樹脂的主要揮發(fā)組分(如單萜烯烴、雙萜烯烴等)大部分將消失，少量可以保存下來。4)角質(zhì)與木栓質(zhì)角質(zhì)與木栓質(zhì)都是植物保護(hù)組織產(chǎn)生的物質(zhì)。角質(zhì)是構(gòu)成角質(zhì)層的主要成分，它是脂肪酸脫水或聚合作用的產(chǎn)物，主要成分是各種角質(zhì)酸。木栓質(zhì)是構(gòu)成植物的木栓層的主要成分。角質(zhì)和木栓質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因而由它們形成的植物組織常保存于煤中。5)孢粉質(zhì)孢粉質(zhì)是構(gòu)成植物孢子與花粉外壁的主要有機(jī)組分。它具有脂肪族芳香族碳網(wǎng)結(jié)構(gòu)，化學(xué)性質(zhì)甚為穩(wěn)定，能耐一定的溫度和酸、堿的處理，不溶于有機(jī)溶液。古生代煤中常保存有大量孢子。植物的有機(jī)組分中除以上5類外，還有鞣質(zhì)、色素等成分。鞣質(zhì)(又稱丹寧)是由不同的芳香族化合物，如丹寧酸、五倍子酸、鞣花酸等混合而成的，具有酚的特性。鞣質(zhì)具抗腐性，可浸透老年木質(zhì)部的細(xì)胞壁、種子外殼、樹皮，從而增強(qiáng)了抗腐性。色素是植物體內(nèi)儲存和傳送能量的重要組分。除了上述植物的有機(jī)化合物組成外，植物有機(jī)質(zhì)的元素組成也影響著成煤特征和煤的利用。構(gòu)成植物有機(jī)質(zhì)的元素種類雖少，但含量大，主要由碳、氫、氧、氮4種元素組成(表12)。表1-2 成煤植物各種物質(zhì)的元素成分植物中的有機(jī)氮化合物在植物死亡后，被細(xì)菌分解形成氮，大部分為土壤中的細(xì)菌氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽。氮是形成蛋白質(zhì)的重要組分，蛋白質(zhì)中含氮l5%～20%，氮也是葉綠素、生物堿等的組分。此外，硫和磷也是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要組分。硫常和α生物素及一些氨基酸有關(guān);磷是形成細(xì)胞核和種子熟化所必需的，在花中含磷量可達(dá)1.5%，花粉中達(dá)2%～3%，種子含磷達(dá)0.5%～1%。磷是原生質(zhì)和細(xì)胞核活性化合物以及核酸、蛋白質(zhì)和脂類的重要組分，它可以促使能量轉(zhuǎn)化。植物中的鉀能影響果實(shí)的性質(zhì)，起著催化劑的功能，也是細(xì)胞質(zhì)中的重要元素。在構(gòu)成植物組織和成熟的木質(zhì)部中，鈣起著重要作用，它主要聚集于死細(xì)胞內(nèi)，鈣與鉀一起控制著植物體對水的吸入及運(yùn)動。鉀增加水的吸入、增多原生質(zhì)，鈣起著脫水的作用。鎂是形成葉綠素所必需的元素，它含于細(xì)胞核的蛋白質(zhì)中并大量存在于種子中。鐵作為一種催化劑參與葉綠素的形成。除上述元素外，植物中還含有微量的Na，Si，Al，Mn，B，Ba，Sr等，它們在植物體內(nèi)主要作催化劑，其他功用有待探索。植物體有機(jī)物、無機(jī)物中的元素是眾多的，它們的存在不僅直接影響植物體的生存和演化，而且也影響植物遺體的轉(zhuǎn)化、煤的特征和煤的加工利用，以及加工利用中帶來的環(huán)境污染。現(xiàn)將陸生植物及陸生植物灰分中的元素平均含量列于表1-3和表1-4中。表1-3 陸生植物中元素的平均含量(據(jù)Zyka，1971)表1-4 陸生植物灰分中的元素平均含量
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。