Ya sea en petrología o geología de yacimientos de carbón, existen diferentes interpretaciones de la división de diagénesis y metamorfismo. En general, se cree que el lignito brillante (lignito antiguo en China y carbón subbituminoso en los Estados Unidos) tiene un fuerte efecto vitrinita y un brillo débil. Por tanto, se cree que el límite entre la diagénesis y el metamorfismo del carbón comienza con la formación de lignito brillante.
1. Diagénesis del carbón
Una vez formada la turba, ésta queda enterrada bajo tierra bajo la cubierta de sedimentos suprayacentes debido al hundimiento de la cuenca. Después de la compactación, deshidratación y carbonización, la celulosa libre desaparece y aparecen componentes gelificados que se solidifican gradualmente y se reflejan débilmente. Tras este cambio físico y químico, se transforma en lignito joven. La acción que experimenta esta transformación se denomina diagénesis del carbón. Según E. Stach, este efecto se produce generalmente en capas poco profundas, entre 200 y 400 m bajo tierra.
Figura 3-1 División en etapas de las vetas de carbón
Figura 3-2 Cambios en los grupos funcionales que contienen oxígeno en varios carbones (según Krevelen, 1981)
Durante la diagénesis Durante el proceso, el carbón sufre una compleja carbonificación química y física. La carbonificación química se refleja principalmente en la reducción de la cantidad de ácido húmico en la turba, la reducción de los grupos funcionales hidrófilos en las cadenas laterales de las moléculas de humus y la reducción de los grupos epoxi, formando diversos productos volátiles, lo que resulta en un aumento del contenido de carbono. , el contenido de oxígeno y el contenido de agua. Blom et al. (1957) enumeraron los cambios de varios grupos funcionales de carbón que contienen oxígeno con contenido de carbono (Tabla 3-1) y citaron el diagrama de Krevelen (1961) (Figura 3-2). Esto se debe a que las unidades estructurales básicas de la materia orgánica son principalmente hidrocarburos aromáticos policíclicos condensados con cadenas laterales y grupos funcionales (como hidroxilo-OH, metoxi-OCH3, carboxil-COOH, metil-CH3, grupo éter-C-O-C, carbonilo-=C -= C = O, etc.), mientras que los elementos de carbono se concentran principalmente en anillos fusionados. El anillo fusionado tiene una fuerte fuerza de unión y buena estabilidad. La fuerza de unión entre la cadena lateral y el grupo funcional y entre la cadena lateral y el anillo fusionado es relativamente débil, lo que da como resultado una estabilidad deficiente. Por lo tanto, durante el proceso de coalificación, a medida que aumentan la temperatura y la presión, las cadenas laterales y grupos funcionales continúan rompiéndose y cayendo, y el número disminuye, formándose diversos productos volátiles, como CO2, H2O, CH4, etc.
La coalificación física del carbón se refleja principalmente en la reacción física coloide, es decir, la gelificación diagenética, que transforma continuamente el tejido de fibra de madera no descompuesto o descompuesto de forma incompleta en ácido húmico y humus, formando ácido húmico y humus. transformado en un componente gelatinoso negro con un brillo tenue. Durante la diagénesis, también cambian la carbonización y la composición estabilizante de los filamentos.
2. Metamorfismo del carbón
El metamorfismo del carbón se refiere a cambios físicos y químicos adicionales del lignito joven bajo la acción de alta temperatura, alta presión y un largo tiempo geológico, convirtiéndose en lignito viejo ( brillante) lignito), hulla bituminosa, antracita y procesos de antracita. La coalificación química en esta etapa se caracteriza por la polimerización adicional de sustancias húmicas, la pérdida de una gran cantidad de grupos funcionales que contienen oxígeno (como carboxil-COOH y metoxi-OCH 3), la reducción adicional de sustancias húmicas y la cambio de sustancias húmicas de ácidas a neutras, aparecen más compuestos húmicos. La coalificación física en esta etapa se caracteriza por el fin de la gelificación diagenética, la formación de componentes gelificantes, sin residuos vegetales, y el componente estabilizador asfalteno, que desmetila la capa exterior de cera y polen de las hojas, formando una sustancia plástica fuerte y fácilmente ablanda. Los asfaltenos cohesivos comienzan a tener un brillo tenue. Bajo la acción continua de la temperatura y la presión, los compuestos húmicos continúan experimentando reacciones de polimerización, que aumentan el número de sistemas aromáticos de anillos condensados, reducen las cadenas laterales, mejoran el grado de aromatización y la regularidad de la disposición molecular, aumentan el grado de deterioro y luego transformarse en hulla bituminosa, antracita y carbón. m.r.teichüller basado en datos de algunos autores. Los cambios físicos, químicos y moleculares del carbón microscópico durante el proceso de coalificación del carbón bituminoso y del carbón de antracita se muestran en la figura (Figura 33).
2. Características de la carbonización
En la serie continua de procesos de evolución, el carbón puede obviamente mostrar una tendencia a aumentar la carbonización, es decir, a partir de contener C, H, O, N, S5 De la etapa de turba, a la etapa de antracita que contiene básicamente un solo elemento. Por tanto, el proceso de coalificación también puede denominarse proceso de expulsión de elementos heterogéneos.
La forma de dispersión es que otros elementos se combinan con el carbono para formar materia volátil, lo que resulta en una disminución de la materia volátil en el carbón. A medida que aumenta el grado de carbonificación, aumenta el contenido de carbono. En segundo lugar, también muestra una tendencia a la simplificación estructural, es decir, de una estructura que contiene múltiples grupos funcionales en la etapa de turba, a una estructura que contiene solo núcleos aromáticos densos en la etapa de antracita y, finalmente, a una estructura de grafito. Por tanto, el proceso de coalificación es en realidad un proceso de eliminación secuencial de estructuras inestables. El proceso de coalificación también muestra la tendencia de densificación estructural y disposición direccional, es decir, a medida que avanza la coalificación, las cadenas laterales moleculares orgánicas del carbón cambian de largas a cortas y su número disminuye. El sistema aromático condensado de compuestos húmicos continúa aumentando. gradualmente se vuelve denso, el peso molecular aumenta, el grado de condensación aumenta, la disposición molecular gradualmente se vuelve regular, desde una disposición mixta hasta una disposición ordenada en capas, por lo que se mejoran las propiedades reflectantes.
Durante el proceso de carbonificación, las propiedades microscópicas de los componentes del carbón también tienden a homogeneizarse. En las etapas inferiores de la coalificación, existen diferencias significativas en las estructuras de composición óptica y química de los componentes microscópicos del carbón, pero a medida que avanza la coalificación, estas diferencias convergen y se vuelven cada vez más difíciles de distinguir.
La coalificación es una reacción irreversible. Que la carbonificación pueda formar una serie continua de procesos de evolución depende de condiciones geológicas específicas. Por ejemplo, la transición del hundimiento al levantamiento en una cuenca carbonífera conducirá a la terminación de la carbonificación, si el magmatismo se intensifica o la cuenca vuelve a hundirse, la carbonificación puede continuar nuevamente;
Figura 3-3 Cambios físicos, químicos y moleculares microscópicos del carbón durante el proceso de coalificación del carbón bituminoso y del carbón de antracita (simplificado y rediseñado con base en M.R. Teichmüller, 1954, 1968).
Tabla 3-1 Contenido de oxígeno de varios grupos funcionales en unidades de carbón:
(Según Blom et al., 1957)
El desarrollo de la carbonificación es no lineal, que se manifiesta como un salto en la coalificación, denominado salto de coalificación. Durante el proceso de carbonificación, los cambios en diversas propiedades físicas y químicas del carbón se desequilibran. En la década de 1940, los petrólogos del carbón británicos señalaron que durante el proceso de carbonificación, la reflectividad de la vitrinita aumentaba a pasos agigantados. Stach señaló en 1939 que el punto de inflexión para la coalificación de la liptinita se produce cuando el contenido volátil es 28. Desde la década de 1970, se han propuesto cuatro cambios obvios en el proceso de coalificación, a saber, la transición a la coalificación.
La primera transición ocurre en la etapa inicial del carbón de llama larga (Cdaf = 75 ~ 80, Vdaf = 43, reflectancia de vitrinita Romax = 0,6), que es equivalente a la etapa inicial de formación de petróleo (Cdaf y el significado simbólico de Vdaf (ver Capítulo 7). Este salto se caracteriza por la aparición de asfaltenos. A medida que aumenta el grado de coalificación, varios grupos funcionales que contienen oxígeno caen gradualmente, lo que se manifiesta principalmente como la precipitación de CO2 y H2O antes de Rom=0,6. Cuando la coalificación alcanza la etapa ROM = 0,5 ~ 0,6, los grupos funcionales alifáticos y alifáticos y las cadenas laterales comienzan a desprenderse de los anillos fusionados del núcleo aromático, formando componentes volátiles, principalmente metano, y comienzan a formarse asfaltenos.
El segundo salto de carbonificación se produce desde el carbón graso al carbón coquizable (Cdaf=87, Vdaf=29, Romax=1,3). El salto se produce debido a que grandes cantidades de metano se escapan del carbón, lo que libera grandes cantidades de hidrógeno. Al comienzo de esta etapa, la gravedad específica del carbón se minimiza debido al acortamiento y reducción de las cadenas laterales y enlaces ricos en hidrógeno. Bajo la acción de la presión, los poros microscópicos del carbón disminuyen gradualmente y el contenido de agua disminuye. En la etapa de coquización (Cdaf=89, Vdaf≈20, Romax≈1.7), el gel de humus básicamente ha completado la deshidratación, la humedad y la porosidad han alcanzado el valor mínimo y la generación de calor ha aumentado al valor máximo (esto es consistente con la vitrinita durante el proceso de coquización. El grupo tiene la menor dureza y densidad y la mayor plasticidad). Posteriormente, debido a cambios en la estructura química, el gel de humus básicamente completa la deshidratación. Además, en el segundo salto, la resistencia al desgaste, la fluidez de la coquización, la adherencia y el número de grietas endógenas alcanzan sus valores máximos, mientras que el área interna y el calor de humectación alcanzan sus valores mínimos. Los puntos de inflexión obvios de estas curvas de cambio de propiedades se denominan puntos de inflexión de la coalificación. A partir del segundo salto, las diferencias de color, protuberancia y reflectividad entre vitrinita y quitina se hacen cada vez más pequeñas.
Cuando Vdaf = 22, el esporofito, la polenita y la vitrinita no se pueden separar mediante métodos químicos u ópticos. La cutinita tiene una tendencia similar y su reflectividad es incluso mayor que la de la vitrinita. Por lo tanto, en la etapa VDAF = 29 ~ 22, los cambios obvios en el grupo quitina también se denominan etapa de coalificación. Esta etapa es equivalente a la etapa posterior de formación profunda de petróleo y gas (es decir, la etapa en la que el gas de pirólisis comienza a formarse se convierte en hidrocarburos gaseosos, por lo que corresponde a la "línea de muerte" del petróleo).
El tercer salto se produce cuando el carbón bituminoso se transforma en carbón de antracita (Cdaf=91, Vdaf=8, Romax=2,5). El tercer salto en la carbonificación se denomina etapa de antracita y semigrafitización (M.R. Teich-müller, 1987), que representa la etapa final de la carbonificación, y los productos son la formación de antracita y antracita.
El cuarto salto es la línea divisoria entre antracita y antracita metamórfica (Cdaf=93,5, Hdaf=2,5, Vdaf=4,0, reflectancia de vitrinita Romax=4, Rom=3,5). Esta etapa es diferente de la etapa inicial de coalificación en muchos aspectos. En la carbonificación química, el contenido de hidrógeno y la proporción de átomos de hidrógeno y carbono disminuyen drásticamente. A medida que aumenta la profundidad del enterramiento, el contenido de carbono aumenta significativamente y la aromaticidad y el grado de condensación de las unidades aromáticas también aumentan drásticamente.
La coalificación física no solo se refleja en el aumento de la dureza y el brillo al principio, sino que también muestra un brillo metálico amarillo claro cuando la antracita cambia, y las capas microscópicas no son obvias macroscópicamente. El cambio más obvio está en las propiedades ópticas, es decir, bajo luz no polarizada, la antracita y la antracita son más uniformes bajo luz polarizada cruzada, los principales componentes microscópicos son diferentes, el grupo córneo y el esporofito alcanzan la máxima reflectividad y el doble; La reflectancia también es menor. La reflectividad máxima del grupo de inertinita es aproximadamente igual o menor que la del grupo de vitrinita. Después de la etapa de antracita, la reflectancia máxima del grupo de vitrinita a veces puede exceder la del grupo de inertinita.
La reflectancia de vitrinita del carbón de antracita aumenta aún más con la coalificación. Después de ingresar al carbón de antracita, la reflectancia mínima (cuando Rmax es 6) disminuye rápidamente y la reflectancia doble aumenta drásticamente (Figura 3-4). En el pozo Minsk 1, en la antigua República Federal de Alemania, la carbonificación se profundiza a medida que aumenta la profundidad, lo que da lugar a cambios en la reflectancia de la vitrinita (Figura 35). La razón por la que la distribución de los datos de reflectancia de la vitrinita para las etapas de antracita y antracita (superantracita) es tan discreta, además de las propiedades ópticas biaxiales de la vitrinita, también se debe a la dificultad para distinguir los diferentes componentes microscópicos.
La estructura del carbón en esta etapa muestra principalmente que el grado de condensación del sistema de anillos fusionados aromáticos aumenta aún más, las cadenas laterales se reducen aún más, el diámetro de la unidad aromática aumenta y la capa intermedia el espaciado se reduce, lo que da como resultado una disposición direccional tridimensional a lo largo de las capas más cercanas (Figura 3-6).
Figura 3-4 Incremento del rango del carbón entre las etapas bituminosa y grafítica según el contenido de hidrógeno y la reflectancia de vitrinita (Rmax, Rm y Rmin) (según Ragot, 1977).
En la carbonificación, la carbonificación de humus y asfaltenos se produce simultáneamente. Los asfaltenos se refieren a la formación de asfaltenos, es decir, hidrocarburos de petróleo, por crustáceos (incluidas las algas) y vitrinita durante el proceso de coalificación. Este efecto comienza desde la etapa de lignito duro (Rom=0,5) y continúa hasta la etapa inicial de carbón graso (Rom=1,2).
El desarrollo de la microscopía de fluorescencia ha promovido aún más la comprensión de los asfaltenos. Bajo un microscopio de fluorescencia, las grietas y microporos del lignito viejo, el carbón subbituminoso y el carbón bituminoso altamente volátil se llenan de materia orgánica con una reflexión débil y una fuerte fluorescencia. Los asfaltenos del carbón bituminoso se originan a partir de quitina y vitrinita, especialmente vitrinita rica en hidrógeno. Cuando se irradian con luz de onda corta, en algunas láminas de carbón bituminoso altamente volátil empapadas en resina de poliéster, se pueden ver gotas de aceite fluorescente de color amarillo verdoso separadas de las grietas de vitrinita, cuerpos de resina y cuerpos de asfalto exudados. Se puede observar una fina película formada por asfalteno que exuda de los microporos de vitrinita. En la etapa en la que Rom es 0,6 ~ 0,8, parte del asfalteno y parte del cuerpo de resina se convierten juntos en partículas.
Figura 3-5 La reflectancia de vitrinita (Rmax, Rmin, Rm) del pozo Minsk 1 en la antigua República Federal de Alemania aumenta con la profundidad (según M.R. Teichmüller, 1979).
Debido a que hay pequeños poros de menos de 0,4 ~ 0,6 micrones en la vitrinita que actúan como tamices moleculares, el asfalteno generado en el carbón no puede moverse libremente, sino que es absorbido por la vitrinita (o posiblemente químicamente). Adsorción, solo unos pocos exudan Los asfaltenos se forman en los microporos de las grietas.
El carbón rico en asfalto está relacionado principalmente con depósitos marinos o calcáreos, es rico en quitina (incluidas algas) y vitrinita de matriz, tiene un alto contenido de pirita y azufre orgánico, y tiene un alto contenido de hidrógeno y altas características microscópicas del carbón. son el rendimiento de alquitrán, el bajo contenido de humedad, la baja reflectividad y la fuerte fluorescencia. Este tipo de carbón se ablanda temprano durante la coquización, tiene una fuerte plasticidad e incluso muestra buena cohesión en la etapa de baja carbonificación, lo que obviamente está relacionado con la influencia de los asfaltenos. La formación de asfalteno en el carbón promueve la gelificación diagenética durante el proceso de carbonificación, lo que hace que el carbón esté mejor coquizado. El carbón en la etapa de asfalteno (ROM = 0,5 ~ 1,3) es el más adecuado para la hidrogenación del carbón. Esto se debe a que la formación de asfalteno también reduce en gran medida los grupos funcionales ricos en oxígeno que dificultan la etapa de alta carbonificación, por lo que la capa aromática se ordena fácilmente a lo largo del plano de lecho bajo la presión de sobrecarga, aumentando así la anisotropía de la reflectividad.
La comprensión de las características de la coalificación es cada vez más profunda. En los últimos años, la evolución de los grupos inertes durante la carbonificación ha recibido cada vez más atención y algunos resultados de investigaciones han cambiado la opinión de que los grupos inertes permanecen sin cambios durante la carbonificación. Se ha sugerido que al menos una parte de los componentes microscópicos inertes, como los microsomas, son productos de la coalificación de componentes microscópicos ricos en hidrógeno (como los asfaltenos) en petróleo. Los filamentos metamórficos a los que se refiere Teichmüller también son tejidos húmicos en forma de conchas, que se forman debido a la inercia del proceso de coalificación geoquímica.
Figura 3-6 Patrones estructurales moleculares de carbón de bajo y alto rango (Oberlin et al., 1980)