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)時植物界的主體，成為植物發(fā)展演化的菌藻類植物時期。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)地位的時期，即裸蕨類植物時期、蕨類種子蕨類植物時期、裸子植物時期和被子植物時期。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.菌藻類植物時代早泥盆世以前為低等植物發(fā)育時代，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.裸蕨植物時代晚志留世至早中泥盆世為世界上最古老的陸生植物時代。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)折時期。裸蕨類植物是地質(zhì)歷史上最早的陸生植物，其特點是高度不足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期，以孢子植物蕨類和裸子植物的種子蕨為主。這個時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)育的鼎盛時期。石炭二疊紀(jì)是全世界范圍內(nèi)最重要的聚煤時期，地勢比較平坦，植物繁盛，聚煤作用強，為第一大聚煤時期。在我國石炭二疊紀(jì)是最早和最重要的聚煤時期，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.裸子植物時代自晚二疊世晚期至中生代，是植物演化又一個非常重要的時代，是裸子植物最為繁盛的時代。由于海西運動和印支運動的影響，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。這個時期的主要特點是: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期。這是地質(zhì)歷史時期又一個重要的聚煤期，侏羅紀(jì)和早白堊世被認(rèn)為是世界上第二個重要的聚煤期。在我國，侏羅紀(jì)是最為重要的聚煤時期，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。這個時期構(gòu)造活動更加強烈，氣候分帶也更加明顯。這個時期被稱為世界上第三個重要的聚煤時期。從以上分析可以看出，地質(zhì)歷史時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，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、無機鹽類和有機營養(yǎng)物質(zhì)運送到植物體的各個部分，同時又支持枝、葉、花、果，有利于進(jìn)行光合作用、開花、傳粉及果實和種子的散布，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)實器官(花、果實、種子)。隨著植物轉(zhuǎn)化為煤，各類組織的生理機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、機械組織和分泌組織。其中，后5種組織都是由器官形成時分生組織衍生的細(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)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，各個單獨的篩管細(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)有著一個或數(shù)個相伴生的細(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)植物主要是由有機物質(zhì)構(gòu)成，但也含有一定量的無機物質(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?，F(xiàn)分別簡述各種有機組分及其與成煤作用有關(guān)的特點。表1-1 植物的主要有機組分含量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，常分布于植物機械組織的細(xì)胞壁中。它能增強堅固性，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?、卟啉等含氮化合物，參與成煤作用，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、氯仿等有機質(zhì)溶劑的有機化合物，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，不溶于有機溶液。古生代煤中常保存有大量孢子。植物的有機組分中除以上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化合物組成外，植物有機質(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。植物體有機物、無機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?，F(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)。