煤中氮的地质地球化学特性

Coal is organic rock which is formed from plants through complicated biochemical and physical chemical action. Nitrogen is common element in coal,which is mainly from plants, and is also the main source of NOx pollutants in atmosphere. Hence, investigation on geological and geochemical characteristics of nitrogen is not only conducive to reveal coal-forming process, but also to understand nitrogen cycle in geological period and to identify the source of NOx in atmosphere,so far as to trace characteristics of ingredient of atmosphere and plants in geological history. However,there are very few references related to geological and geochemical characteristics of nitrogen in coal,especially lack for nitrogen isotope data. The scientific value of nitrogen in coal on the aspects geology and geochemistry is awaiting to be explored. Based on multidisciplinary theory and methods such as analytical chemistry, isotope geochemistry and coal geology,the concentrations, occurrence and structure, and isotope of nitrogen in series representative coal samples with different origins will be determined in order to elucidate the geological and geocheical characteristics of nitrogen in coals with different geological period, different sedimentary environment, different metamorphism type, different rank and different coal-forming plant.The investigaion results will enrich the basic theory of coal geology.

煤是在漫长地质历史中由植物经过复杂的生物化学和物理化学作用演化而成的有机岩石，氮是煤中常见的元素，主要来源于成煤植物；而煤中氮又是燃煤产生的氮氧化物污染物的主要来源。因此，研究煤中氮的地质地球化学特性不仅有助于揭示成煤过程，而且有助于理解地质历史时期氮的循环、识别大气氮氧化物污染物的来源，甚至可以示踪地质历史时期大气和植物组成特征。然而，对煤中氮的地质地球化学特性研究较少，特别是煤中氮的同位素数据极少，其蕴含的科学价值有待挖掘。因此，本项目通过运用分析化学、同位素地球化学和煤田地质学等多学科理论和方法，通过测试和研究不同成因煤中氮的含量、赋存状态和结构以及氮同位素组成特征，以初步揭示不同成煤时代、不同沉积环境、不同变质类型、不同变质程度、不同成因类型煤中氮的地质地球化学特性，丰富煤地质学基础理论。

本项目以我国不同成煤时代、不同成煤环境以及不同变质程度的系列煤样为研究对象，旨在揭示煤中氮的地质地球化学特性及其控制因素。项目对采集的中国140多个煤样品的煤岩学、煤化学、矿物学和地球化学特性进行了测试，在获得上述煤样品的基础数据、氮含量、氮赋存状态以及氮同位素组成数据的基础上，探讨了控制煤中氮同位素的地质因素。项目取得以下主要成果：. （1）建立了可靠的煤中氮同位素组成测试方法。对比研究发现，Kjeldahl-Rittenberg方法不能完全提取煤中的氮或者在回收转化过程中存在氮损失，其测定的氮同位素值明显偏高；密封石英管燃烧法和EA-Conflo IV-IRMS联机法都可以获得可靠的煤中氮同位素值，其中后者需经过系统参数优化和后期多次校正处理。. （2）获得了我国不同成煤时代、不同沉积环境和不同变质程度140多个煤样的氮含量和氮同位素组成数据，并初步查明了控制煤中氮同位素的地质因素。研究发现，煤中氮含量和氮同位素组成是成煤时代、沉积环境和煤变质程度等多因素综合作用的结果，各因素之间往往存在耦合关系。就煤变质程度（煤级）而言，随着煤级的增加，煤中氮含量整体上呈现先降低后增加再降低的趋势；而δ15N值表现出随煤级增加而增高趋势，到无烟煤阶段又有所降低。就沉积环境（硫含量）而言，随着硫含量的增加，氮含量降低；而δ15N值呈现先增加后降低的趋势。就成煤时代而言，晚古生代煤的氮含量略高于中生代煤，均低于新生代煤；而晚古生代煤和中生代煤δ15N值相近，均高于新生代煤，这主要是因为褐煤还未进入热变质阶段，氮损失较低。. （3）初步查明了煤变质作用对煤中氮赋存形式与氮同位素的影响。基于煤样密度梯度分离样品的研究表明，随着组分密度增加，组分的灰分产率增加，煤中有机质含量，碳含量、氮含量以及C/N原子比值均随之下降，但不同密度级组分的δ15N随密度增加而上升。这是因为随组分密度增加，组分中的含铵粘土矿物增加，而粘土矿物中NH4+离子的δ15N明显高于有机质。煤中含铵粘土矿物是煤变质作用过程中有机氮热解后以NH4+的形式替代K+离子而形成的，发生铵化作用的临界点可能在最大镜质体反射率为1.2%的变质阶段。