煤化作用的阶段和特征
无论是在岩石学还是煤田地质学中，对成岩作用和变质作用的划分都有不同的认识。一般认为亮褐煤(中国的老褐煤，美国的次烟煤)镜质组效应强，光泽弱。因此，认为煤的成岩作用和变质作用的界限是从光亮褐煤的形成开始的。
1.煤的成岩作用
泥炭形成后，由于盆地沉降，在上覆沉积物的覆盖下被掩埋在地下。经过压实、脱水、炭化后，游离纤维素消失，出现胶凝成分，逐渐固结，反射微弱。经过这种物理化学变化，转化为年轻的褐煤。这种转变所经历的作用称为煤的成岩作用。据E.Stach介绍，这种效应一般发生在地下200 ~ 400 m的浅层。
图3-1煤层的阶段划分
图3-2各种煤中含氧官能团的变化(根据Krevelen，1981)
在成岩作用中，煤经历了复杂的化学和物理煤化作用。化学煤化作用主要体现在泥炭中腐殖酸的数量减少，腐殖质分子侧链上的亲水官能团减少，环氧基减少，形成各种挥发性产物，导致含碳量增加，含氧量和含水量减少。Blom等人(1957)列举了煤的各种含氧官能团随含碳量的变化(表3-1)，并引用了Krevelen(1961)的图解(图3-2)。这是因为有机物的基本结构单元主要是带有侧链和官能团的稠合多环芳烃(如羟基-OH、甲氧基-—OCH3、羧基-—COOH、甲基-CH3、醚基-C-O-C、羰基-= C-= C = O等。)，而碳元素主要集中在稠环中。稠环结合力强，稳定性好。侧链与官能团之间以及侧链与稠环之间的结合力相对较弱，稳定性较差。因此，在煤化过程中，随着温度和压力的升高，侧链和官能团不断断裂脱落，数量减少，从而形成各种挥发性产物，如CO2、H2O、CH4等。
煤的物理煤化作用主要体现在物理胶体反应，即成岩胶凝作用，使未分解或未完全分解的木质纤维组织不断转化为腐殖酸和腐殖质，形成的腐殖酸和腐殖质转化为黑色的凝胶状组分，具有微弱的光泽。在成岩作用过程中，丝的碳化和稳定成分也发生了变化。
2.煤的变质
煤的变质作用是指年轻褐煤在高温、高压和长地质时间的作用下，进一步发生物理化学变化，成为老褐煤(光亮褐煤)、烟煤、无烟煤和无烟煤的过程。这一阶段的化学煤化作用表现为腐殖物质的进一步聚合，大量含氧官能团(如羧基-—COOH和甲氧基-OCH 3)的损失，腐殖物质的进一步还原，腐殖物质由酸性变为中性，更多的腐殖化合物出现。这一阶段的物理煤化作用表现为成岩胶凝作用结束，胶凝组分形成，无植物残体，稳定组分沥青质，使蜡质和孢粉叶外层脱甲基，形成易软化、可塑性强、粘结性强的沥青质，开始有微弱光泽。在温度和压力的持续作用下，腐殖质化合物继续发生聚合反应，使稠环芳香体系增多，侧链减少，芳构化程度和分子排列的规整性增强，变质程度增加，进而转化为烟煤、无烟煤和无烟煤。m . r . teichüller根据一些作者的数据。烟煤和无烟煤煤化过程中微观镜煤的物理、化学和分子变化如图所示(图33)。
二、煤化作用的特点
在连续系列演化过程中，煤可以明显地表现出增炭化的趋势，即从含C、H、O、N、S5的泥炭阶段，到基本只含一种元素的无烟煤阶段。因此，煤化作用过程也可称为异质元素的排出过程。散发方式是其他元素与碳结合形成挥发分，导致煤中挥发分减少，随着煤化程度的增加，碳含量增加。其次，还表现出结构简化的趋势，即从泥炭阶段含有多种官能团的结构，到无烟煤阶段只含有稠芳香核的结构，最后到石墨结构。因此，煤化过程实际上是一个按顺序消除不稳定结构的过程。煤化作用的过程还表现出结构致密化和定向排列的趋势，即随着煤化作用的进行，煤的有机分子侧链由长变短，数量减少，腐殖质化合物的缩合芳香体系不断增加，逐渐变得致密，分子量增加，缩合程度提高，分子排列逐渐变得规整，由混合排列变为层状有序排列，因而反光性能增强。
在煤化作用过程中，煤的显微组分性质也有均匀化的趋势。在煤化作用的较低阶段，煤显微组分的光学和化学组成结构存在显著差异，但随着煤化作用的进行，这些差异趋于一致，变得越来越难以区分。
煤化是一个不可逆的反应。煤化作用能否形成连续的系列演化过程，取决于具体的地质条件。例如，含煤盆地由沉降向隆起的过渡会导致煤化作用的终止；如果岩浆作用加剧或盆地再次沉降，煤化作用可能再次继续。
图3-3烟煤和无烟煤煤化过程中显微镜煤的物理、化学和分子变化(根据M.R.Teichmüller，1954，1968简化和重绘)。
表3-1煤单位中各种官能团的氧含量:%
(据Blom等人，1957)
煤化作用的发展是非线性的，表现为煤化作用的跃变，简称煤化跃变。在煤化过程中，煤的各种物理化学性质的变化是不平衡的。20世纪40年代，英国煤岩学家指出，在煤化过程中，镜质组反射率突飞猛进。Stach在1939中指出，当挥发分含量为28%时，在liptinite中出现煤化的转折点。自20世纪70年代以来，人们提出了煤化过程中的四个明显变化，即煤化跃变。
第一次跃变发生在长焰煤的初始阶段(Cdaf = 75% ~ 80%，Vdaf=43%，镜质组反射率Romax=0.6%)，相当于石油形成的初始阶段(Cdaf和Vdaf的象征意义见第七章)。这种跳跃的特征是沥青质的出现。随着煤化程度的增加，各种含氧官能团逐渐脱落，在Rom=0.6%之前主要表现为CO2和H2O的析出。当煤化作用达到ROM = 0.5% ~ 0.6%阶段时，脂肪族和脂肪族官能团和侧链开始从芳核的稠环上脱落，形成以甲烷为主的挥发分，于是沥青质开始形成。
第二次煤化跳跃发生在从肥煤到焦煤(Cdaf=87%，Vdaf=29%，Romax=1.3%)。跳车的发生是由于大量甲烷从煤中逸出，从而释放出大量氢气。在这一阶段开始时，由于富氢侧链和键的缩短和减少，煤的比重降至最低。在压力的作用下，煤的微观孔隙逐渐减少，含水量降低。在成焦阶段(Cdaf=89%，Vdaf≈20%，Romax≈1.7%)，腐殖质凝胶基本完成脱水，水分和孔隙度均达到最低值，而发热量增加到最大值(这与成焦过程中镜质组硬度和密度最小，塑性最大相一致)。随后，由于化学结构的变化，腐殖质凝胶基本完成了脱水。此外，在第二跳中，耐磨性、结焦流动性、粘结性和内生裂纹数均达到最大值，而内部面积和润湿热达到最小值。这些性质变化曲线的明显转折点称为煤化作用的转折点。从第二跳开始，镜质组和几丁质在颜色、突起度、反射率上的差异越来越小。当Vdaf=22%时，孢子体、花粉体和镜质体不能用化学或光学方法分离，角质体也有类似趋势，其反射率甚至高于镜质体。因此，在VDAF = 29% ~ 22%阶段，壳质组的明显变化也被称为煤化阶段。这一阶段相当于油气深部形成的后期(即热解气开始形成的阶段)，石油烃转化为气态烃，因此对应着石油的“死亡线”。
第三次跃升发生在烟煤转变为无烟煤阶段(Cdaf=91%，Vdaf=8%，Romax=2.5%)。煤化作用第三次跃升后称为无烟煤化和半石墨化阶段(M.R.Teich-müller，1987)，代表煤化作用的最后阶段，产物为无烟煤和无烟煤的形成。
第四跳是无烟煤和变质无烟煤的分界线(Cdaf=93.5%，Hdaf=2.5%，Vdaf=4.0%，镜质组反射率Romax=4%，Rom=3.5%)。这个阶段与煤化作用的初始阶段有许多不同之处。在化学煤化方面，氢含量与氢和碳原子的比值急剧下降。随着埋深的增加，碳含量明显增加，芳香单元的芳香性和缩合度也急剧增加。
物理煤化最初不仅体现在硬度和光泽的增加，无烟煤变化时也呈现淡黄色金属光泽，宏观上微观分层不明显。比较明显的变化是在光学特性上，即在非偏振光下，无烟煤和无烟煤更加均匀；正交偏振光下，主要显微成分不同，角质群和孢子体达到最大反射率，双反射率也较高。惰质组最大反射率约等于或低于镜质组，无烟煤阶段后镜质组最大反射率有时可超过惰质组。
无烟煤的镜质组反射率随着煤化作用进一步增加，进入无烟煤后，最小反射率(Rmax为6%时)迅速下降，双反射率急剧增加(图3-4)。前联邦德国明斯克1钻孔，随着深度的增加煤化作用加深，带来镜质组反射率的变化(图35)。无烟煤和无烟煤(超无烟煤)阶段的镜质组反射率数据分布之所以如此离散，除了镜质组的双轴光学特性外，还因为难以区分不同的显微组分。
这一阶段煤的结构主要表现为芳香稠环体系的缩合程度进一步提高，侧链进一步减少，芳香单元直径增大，层间间距减小，使沿层面的三维定向排列更加紧密(图3-6)。
图3-4根据氢含量和镜质组反射率(Rmax，Rm和Rmin)，烟煤和石墨阶段之间煤阶的增加(根据Ragot，1977)。
在煤化作用中，腐殖质和沥青质的煤化作用是同时进行的。沥青质是指煤化过程中甲壳类动物(包括藻类)和镜质体形成沥青质，即石油烃。这种影响始于硬褐煤阶段(Rom=0.5%)，并持续到肥煤早期(Rom=1.2%)。
荧光显微镜的发展进一步促进了对沥青质的认识。在荧光显微镜下，老褐煤、次烟煤和高挥发分烟煤的裂隙和微孔中充满弱反射强荧光的有机物。烟煤中的沥青质来源于壳质和镜质组，尤其是富氢镜质组。用短波光照射时，在一些浸泡过聚酯树脂的高挥发分烟煤薄片上，可以看到从镜质组裂隙、树脂体和渗出沥青体中分离出来的黄绿色荧光油滴，在一些低阶烟煤薄片上，可以看到沥青质从镜质组微孔渗出形成的薄膜。在Rom为0.6% ~ 0.8%的阶段，部分沥青质和部分树脂体一起转化为微粒。
图3-5前联邦德国明斯克1钻孔镜质组反射率(Rmax，Rmin，Rm)随深度增加(根据M.R.Teichmüller，1979)。
由于镜质组中有0.4 ~ 0.6微米以下的微小孔隙充当分子筛，煤中生成的沥青质不能自由移动，而是被镜质组以吸附方式(也可能是化学方式)吸附，只有少数在裂缝微孔中形成渗出的沥青质。
富沥青煤多与海相或钙质沉积有关，富含壳质组(包括藻类)和基质镜质体，黄铁矿和有机硫含量高，具有高氢含量和高焦油产率、低水分含量、低反射率和强荧光的微镜煤特征。这种煤在炼焦时软化早，可塑性强，甚至在低煤化阶段表现出良好的粘结性，这显然与沥青质的影响有关。煤中沥青质的形成促进了煤化过程中的成岩胶凝作用，从而使煤更好地结焦，沥青质阶段(ROM = 0.5% ~ 1.3%)的煤最适合煤加氢。这是因为沥青质的形成也大大减少了阻碍高煤化阶段的富氧官能团，因此芳香层在上覆压力下容易沿层理面有序排列，从而增加反射率的各向异性。
对煤化作用特征的认识正在加深。近年来，煤化作用中惰性基团的演化受到越来越多的关注，一些研究成果改变了煤化作用中惰性基团不变的观点。有人提出，至少一部分惰性显微组分，如微粒体，是富氢显微组分(如沥青质)成油后煤化的产物。Teichmüller所指的变质丝状体也是腐殖质壳状组织，它是由于地球化学煤化过程中的惰性而形成的。
图3-6低煤阶和高煤阶的分子结构模式(Oberlin et al .，1980)