镜质组反射率反演的EASY_Ro数值模拟新方法
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∑ F = 1- w / w 0 = 1- f i( w i / w 0i) ,
式中 w 0——全部反应物的初始浓度; w 0i —— 第 i 个平行反应反应物的初始浓度; f i ——第 i 个平行反应的化学计算因子。 反应程度 F 可以通过把时间温度历史分解为一
系列恒温或等受热速率阶段而求得, 详细求算步骤 见文献[ 3] 。根据反应程度 F , 建立起模拟镜质组反 射率及其演化的数学模式:
沉积有机质的热演化反应遵循 Ar rhenius 一级 反应动力学方程: dw / dt = - A ·ex p( - E / RT ) 。 式中 w —— 残留组分的浓度;
A ——频率因子; E ——反应活化能; R ——通用气体常数; T ——绝对温度, 为时间的函数。
图 1 沉积有机质平行化学反 应活化能与计算因子的分布
% Ro = exp( - 1. 6+ 3. 7F) 。 在此模式中, F 的变化范围在 0～0. 85 之间, 所以% Ro 的最大值小于 4. 7% 。由于该模式的建立过程中 未考虑有机质化学结构的各向异性, 故所得结果应 为镜质组平均反射率。
3 应用: 山西南部晚古生代煤中镜质组反射率的演 化历史
P 0. 31 0. 35 0. 32 0. 35 0. 35 0. 35 0. 31 0. 35 0. 34 0. 31 0. 35 0. 35 0. 31 0. 35 0. 36 0. 31 0. 35 0. 36
注: A —— EA SY % R 0 法; B ——T TI 法; C ——LO M 法。
山西南部包括沁水盆地中南部、霍西煤田及临 汾盆地, 面积约为 30 000 km 2, 含上石炭统太原组和 下二叠统山西组煤层。煤中镜质组反射率变化范围 为 0. 75% ～ 4. 02% , 煤 级具 有 “南高 北 低、东 高 西 低、东南部最高”的总体展布特点[ 5] 。先期研究表明:
第3期
·16·
煤田地质与勘探
第 26 卷
虑反应活化能变化、小分子平行反应等长处, 创立起 一种镜质组反射率数值模拟的新方法—— EASY% Ro 数值模拟法, 并在北美、西欧等地煤化作用、盆地 古地温和油气资源评价的研究中加以成功应用, 引 起国际能源地质界的高度重视[ 2, 3, 4] 。为了深化我国 煤化作用以及盆地古地温研究, 作者引入 EASY% Ro 方法, 并编制计算机模拟软件对山西南部上古生 界煤层的煤化作用历史进行了数值模拟, 取得了良 好效果。
170～280℃, 古地温梯度普遍超过 6℃/ 100 m, 大地 热流密度普遍大于 96 mW / m2, 具有异常古地热场 的典型特征; 第四阶段, 晚白垩世至第四纪, 古地温 梯度 2. 03～3℃/ 100 m , 古地热场恢复正常[ 5] 。
根 据 上 述 前 期 古 地 热 史 研 究 成 果, 采 用 EA SY % Ro 对山西南部上古生界煤层镜质组反射率 演化 历史进行 了数值模 拟, 并 与实测 反射率 以及 T T I 法、LOM 法的模拟结果进行了对比, 结果见表 1。可以看出: EA SY % Ro 法结果与镜质组最大反射 率的实测值最为接近, T T I 法结果误差较大, L OM 法也有一定误差。因此 EA SY % Ro 法数值模拟结果 较为真实地反映出山西南部上古生界煤的煤化作用
J2 1. 15 2. 19 0. 85 0. 96 1. 73 0. 85 0. 76 1. 60 0. 62 0. 73 1. 22 0. 71 0. 78 1. 39 0. 65 0. 74 1. 15 0. 60
T 1. 00 1. 14 0. 82 0. 85 0. 95 0. 78 0. 69 0. 95 0. 78 0. 69 0. 68 0. 61 0. 72 0. 28 0. 65 0. 68 0. 10 0. 60
第 26 卷 第 3 期 1998 年 6 月
煤田地质与勘探 CO A L G EOL O GY & EX PL O RA T IO N
·1 5·
镜质组反射率反演的 EA SY% Ro 数值 模拟新方法*
宋党育 秦 勇 ( 中国矿业大学资源与环境学院 徐州 221008)
摘要 在 以往众多 镜质组 反射率 数值 模拟方 法的基 础上, 美国学 者在 90 年代 初创立 了 EASY% Ro 方法, 并成功地运用于北美和西欧的研究实践。本文在对其原理和方法进行介绍的同 时, 报道了应用该法对我国山西南部上古生界煤层镜质组反射率演化历史或煤化作用过程的数值 模拟结果。
32( 1) : 65～73 8 陈冰 如等 . 我国 107 个煤 矿样中微量 元素的浓 度分布 . 科学通
报, 1985; ( 1) : 27～29 9 V al kovic V . Tr ace elements in coal( V o1 II) . Boca R at on, Florida,
CR C Press , Inc, 1983: 173～180 10 Lyon W S. Trace el ement meas urment s at t he coal-f ired s t eam
plant . O xford : Bl ackw el l scient if ic, 1997: 144 ( 收稿日期 1997—08—21)
EA SY % Ro 法目前模拟的对象仅限于 III 型有 机质, 在热模拟以及理论计算的基础上, 分别求取有 机质热演化过程中脱水、脱二氧化碳、脱甲基及脱高 碳数烷基等一系列平行化学反应所需的反应活化能 及其分布范围, 然后根据 Arrhenius 化学反 应动力 学原理建立起数学模式, 以定量模拟镜质组反射率 的演化历程。EA SY % R o 法遵循以下原则: 镜质组最 大反射率的对数与有机质所受最高温度具有良好的 相关性。这种相关性是完全可能的, 因为镜质组演化 的化学 反应活化 能具有很 大变化范 围, 从 34～ 72 kcal/ m ole, 在给定的温度下, 有的反应已经完成, 有 的反应尚未开始, 而对时间的依赖较小。频率因子、 反应百分数和活化能见图 1。
2 EA SY % Ro 法原理与模拟方法
与 T isso t 法、L OM 法、T T I 法等类似, EASY% Ro 法的理论依据也是 A rrhenius 一级反应动力学原 理。但与 T issot 法相比, EA SY % R o 法在考虑平行反 应的同时, 极大地简化了一系列反应活化能呈高斯 分布的平行反应的数目, 简明而又较为全面地描述 了有机质类型、平行反应与受热条件之间的函数关 系, 使模拟方法更为简便实用: 与 L OM 法和 T T I 法 相比, EA SY % Ro 法考虑到平行化学反应与有机质 演化进程之间的关系, 使得模拟结果更接近于真实。
* 国家自然科学基金资助项目( 编号: 49472125) 部分研究内容。
其中, Kar weil 图解法、时间—温度指数( T T I ) 法、有 机成熟度水平( LOM ) 法和 T issot 法在一定的历史 阶段中得以广泛应用。然而这些方法均存在某些不 足, 或在理论上不够严密而只能得出经验性结果, 或 考虑因素过于简单而使结果存在较大偏差, 或模拟 方法及要求条件过于繁杂而导致应用不便。
PRELIMINARY STUDY ON THE TRACE ELEMENTS IN COALS OF
DONGSHENG MINING DISTRICT, SHENFU COALFIELD
Do u T inghuan Xiao Daxian Do ng Yaqin Zhang Suian Zhang Qing ling
关键词 EASY% Ro 方法 镜质体反射率 煤化作用 数值模拟 沁水盆地 中国图书资料分类法分类号 P 618. 1105 作者简介 宋党育 男 25 岁 硕士 煤田地质
1 引言
基于盆地热历史模型反演镜质组反射率的化学 反应动力学数值模拟方法经历了 4 个发展阶段, 包 括简单函数关系法、受热时间/ 经验法、反应活化能/ 温度函数模式法以及平行反应化学动力学模式法[ 1] 。
本区煤层经历了 4 个主要阶段: 第一阶段, 二叠纪至 三叠纪末期, 正常古地热场, 古地温梯度在 3℃/ 100
高北低、东高西低”以及低煤化烟煤—无烟煤均有赋 存的煤级展布格局。
m 左右; 第二 阶段, 早—中侏 罗世, 古地 温波 动阶
应予强调, 本区上古生界煤的煤化作用在燕山
段; 第三阶段, 晚侏罗世至早白垩世, 煤层受热温度 早期曾出现间断, 由此将整个煤化作用过程划分为
考虑到有机质化学组成的不均衡性, 可将复杂 的热降解反应视为一系列具有相同频率因子的平行 反应。对于组分 i 的化学反应, 在温度 T 时下式成 立:
dw / dt= - w i·A ·ex p[ - E i/ R T ( t ) ] ;
∑ 并且 dw / dt= iLeabharlann Baiduw i/ dt,
式中 w i —— 第 i 个平行反应中残留组分的浓度。 由此, 反应程度 F 为:
5 廖自基编 . 环境中微量元素的 污染危害与迁移转化 . 北京: 科学 出版社, 1989: 97～108
6 王运 泉, 任德贻 . 煤中 微量元素研 究的进展 . 煤田地质 与勘探, 1994; 22( 4) : 16～20
7 王运 泉等 . 煤中微量 元素分布 特征初步 研究 . 地质 科学, 1997;
T he contents and dist ributions o f t race elements in co als and the enrichment coefficient s o f t race elements relative to the crust
abundance ar e ex po unded, and t he hazar do us and useful elements ar e evaluated pr eliminarily . Keywords t race element ; coal; r eg ular ities o f dist ribution; Do ngsheng M ining Dist rict
( Xi' an Branch of China Coal Research Inst it ut e)
Abstract 732 cor e samples ar e sam pled fro m five minable coal seams in Y an'an fo rmation in Do ngsheng M ining Dist rict , Shenfu co alfield. 23 tr ace elements in coals ar e deter mined using spectro scopy, atomic fluo ro sco py, atomic absor pt ion methods.
针对上述存在的主要问题, 美国学者 Burnham 等( 1990) 吸取先前平行反应化学动力学模式法中考
3 钱丽君, 白清昭 等 . 陕 西北部 侏罗纪 含煤地 层及聚 煤特 征 . 西 安: 西北大学出版社, 1987: 128～167
4 孙景信, J ervis R E. 煤中微量元素及其在燃烧过程中的分布特征. 中国科学 A 辑, 1986; ( 12) : 1287～1294
宋党育, 秦勇: 镜质组反射率反演的 EASY% R o 数值模拟新方法
·1 7·
表 1 山西南部上古生界煤镜质组反射率演化历史数值模拟结果
R o/ %
地质 时代
阳城—翼城 ABC
临汾—洪洞 ABC
安泽 A BC
沁源—沁县 ABC
霍州 A BC
汾西 ABC
K1 3. 34 4. 95 3. 70 1. 78 2. 45 1. 70 2. 60 3. 02 2. 50 2. 87 4. 53 2. 50 1. 15 1. 50 1. 10 1. 46 2. 20 1. 30
式中 w 0——全部反应物的初始浓度; w 0i —— 第 i 个平行反应反应物的初始浓度; f i ——第 i 个平行反应的化学计算因子。 反应程度 F 可以通过把时间温度历史分解为一
系列恒温或等受热速率阶段而求得, 详细求算步骤 见文献[ 3] 。根据反应程度 F , 建立起模拟镜质组反 射率及其演化的数学模式:
沉积有机质的热演化反应遵循 Ar rhenius 一级 反应动力学方程: dw / dt = - A ·ex p( - E / RT ) 。 式中 w —— 残留组分的浓度;
A ——频率因子; E ——反应活化能; R ——通用气体常数; T ——绝对温度, 为时间的函数。
图 1 沉积有机质平行化学反 应活化能与计算因子的分布
% Ro = exp( - 1. 6+ 3. 7F) 。 在此模式中, F 的变化范围在 0～0. 85 之间, 所以% Ro 的最大值小于 4. 7% 。由于该模式的建立过程中 未考虑有机质化学结构的各向异性, 故所得结果应 为镜质组平均反射率。
3 应用: 山西南部晚古生代煤中镜质组反射率的演 化历史
P 0. 31 0. 35 0. 32 0. 35 0. 35 0. 35 0. 31 0. 35 0. 34 0. 31 0. 35 0. 35 0. 31 0. 35 0. 36 0. 31 0. 35 0. 36
注: A —— EA SY % R 0 法; B ——T TI 法; C ——LO M 法。
山西南部包括沁水盆地中南部、霍西煤田及临 汾盆地, 面积约为 30 000 km 2, 含上石炭统太原组和 下二叠统山西组煤层。煤中镜质组反射率变化范围 为 0. 75% ～ 4. 02% , 煤 级具 有 “南高 北 低、东 高 西 低、东南部最高”的总体展布特点[ 5] 。先期研究表明:
第3期
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煤田地质与勘探
第 26 卷
虑反应活化能变化、小分子平行反应等长处, 创立起 一种镜质组反射率数值模拟的新方法—— EASY% Ro 数值模拟法, 并在北美、西欧等地煤化作用、盆地 古地温和油气资源评价的研究中加以成功应用, 引 起国际能源地质界的高度重视[ 2, 3, 4] 。为了深化我国 煤化作用以及盆地古地温研究, 作者引入 EASY% Ro 方法, 并编制计算机模拟软件对山西南部上古生 界煤层的煤化作用历史进行了数值模拟, 取得了良 好效果。
170～280℃, 古地温梯度普遍超过 6℃/ 100 m, 大地 热流密度普遍大于 96 mW / m2, 具有异常古地热场 的典型特征; 第四阶段, 晚白垩世至第四纪, 古地温 梯度 2. 03～3℃/ 100 m , 古地热场恢复正常[ 5] 。
根 据 上 述 前 期 古 地 热 史 研 究 成 果, 采 用 EA SY % Ro 对山西南部上古生界煤层镜质组反射率 演化 历史进行 了数值模 拟, 并 与实测 反射率 以及 T T I 法、LOM 法的模拟结果进行了对比, 结果见表 1。可以看出: EA SY % Ro 法结果与镜质组最大反射 率的实测值最为接近, T T I 法结果误差较大, L OM 法也有一定误差。因此 EA SY % Ro 法数值模拟结果 较为真实地反映出山西南部上古生界煤的煤化作用
J2 1. 15 2. 19 0. 85 0. 96 1. 73 0. 85 0. 76 1. 60 0. 62 0. 73 1. 22 0. 71 0. 78 1. 39 0. 65 0. 74 1. 15 0. 60
T 1. 00 1. 14 0. 82 0. 85 0. 95 0. 78 0. 69 0. 95 0. 78 0. 69 0. 68 0. 61 0. 72 0. 28 0. 65 0. 68 0. 10 0. 60
第 26 卷 第 3 期 1998 年 6 月
煤田地质与勘探 CO A L G EOL O GY & EX PL O RA T IO N
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镜质组反射率反演的 EA SY% Ro 数值 模拟新方法*
宋党育 秦 勇 ( 中国矿业大学资源与环境学院 徐州 221008)
摘要 在 以往众多 镜质组 反射率 数值 模拟方 法的基 础上, 美国学 者在 90 年代 初创立 了 EASY% Ro 方法, 并成功地运用于北美和西欧的研究实践。本文在对其原理和方法进行介绍的同 时, 报道了应用该法对我国山西南部上古生界煤层镜质组反射率演化历史或煤化作用过程的数值 模拟结果。
32( 1) : 65～73 8 陈冰 如等 . 我国 107 个煤 矿样中微量 元素的浓 度分布 . 科学通
报, 1985; ( 1) : 27～29 9 V al kovic V . Tr ace elements in coal( V o1 II) . Boca R at on, Florida,
CR C Press , Inc, 1983: 173～180 10 Lyon W S. Trace el ement meas urment s at t he coal-f ired s t eam
plant . O xford : Bl ackw el l scient if ic, 1997: 144 ( 收稿日期 1997—08—21)
EA SY % Ro 法目前模拟的对象仅限于 III 型有 机质, 在热模拟以及理论计算的基础上, 分别求取有 机质热演化过程中脱水、脱二氧化碳、脱甲基及脱高 碳数烷基等一系列平行化学反应所需的反应活化能 及其分布范围, 然后根据 Arrhenius 化学反 应动力 学原理建立起数学模式, 以定量模拟镜质组反射率 的演化历程。EA SY % R o 法遵循以下原则: 镜质组最 大反射率的对数与有机质所受最高温度具有良好的 相关性。这种相关性是完全可能的, 因为镜质组演化 的化学 反应活化 能具有很 大变化范 围, 从 34～ 72 kcal/ m ole, 在给定的温度下, 有的反应已经完成, 有 的反应尚未开始, 而对时间的依赖较小。频率因子、 反应百分数和活化能见图 1。
2 EA SY % Ro 法原理与模拟方法
与 T isso t 法、L OM 法、T T I 法等类似, EASY% Ro 法的理论依据也是 A rrhenius 一级反应动力学原 理。但与 T issot 法相比, EA SY % R o 法在考虑平行反 应的同时, 极大地简化了一系列反应活化能呈高斯 分布的平行反应的数目, 简明而又较为全面地描述 了有机质类型、平行反应与受热条件之间的函数关 系, 使模拟方法更为简便实用: 与 L OM 法和 T T I 法 相比, EA SY % Ro 法考虑到平行化学反应与有机质 演化进程之间的关系, 使得模拟结果更接近于真实。
* 国家自然科学基金资助项目( 编号: 49472125) 部分研究内容。
其中, Kar weil 图解法、时间—温度指数( T T I ) 法、有 机成熟度水平( LOM ) 法和 T issot 法在一定的历史 阶段中得以广泛应用。然而这些方法均存在某些不 足, 或在理论上不够严密而只能得出经验性结果, 或 考虑因素过于简单而使结果存在较大偏差, 或模拟 方法及要求条件过于繁杂而导致应用不便。
PRELIMINARY STUDY ON THE TRACE ELEMENTS IN COALS OF
DONGSHENG MINING DISTRICT, SHENFU COALFIELD
Do u T inghuan Xiao Daxian Do ng Yaqin Zhang Suian Zhang Qing ling
关键词 EASY% Ro 方法 镜质体反射率 煤化作用 数值模拟 沁水盆地 中国图书资料分类法分类号 P 618. 1105 作者简介 宋党育 男 25 岁 硕士 煤田地质
1 引言
基于盆地热历史模型反演镜质组反射率的化学 反应动力学数值模拟方法经历了 4 个发展阶段, 包 括简单函数关系法、受热时间/ 经验法、反应活化能/ 温度函数模式法以及平行反应化学动力学模式法[ 1] 。
本区煤层经历了 4 个主要阶段: 第一阶段, 二叠纪至 三叠纪末期, 正常古地热场, 古地温梯度在 3℃/ 100
高北低、东高西低”以及低煤化烟煤—无烟煤均有赋 存的煤级展布格局。
m 左右; 第二 阶段, 早—中侏 罗世, 古地 温波 动阶
应予强调, 本区上古生界煤的煤化作用在燕山
段; 第三阶段, 晚侏罗世至早白垩世, 煤层受热温度 早期曾出现间断, 由此将整个煤化作用过程划分为
考虑到有机质化学组成的不均衡性, 可将复杂 的热降解反应视为一系列具有相同频率因子的平行 反应。对于组分 i 的化学反应, 在温度 T 时下式成 立:
dw / dt= - w i·A ·ex p[ - E i/ R T ( t ) ] ;
∑ 并且 dw / dt= iLeabharlann Baiduw i/ dt,
式中 w i —— 第 i 个平行反应中残留组分的浓度。 由此, 反应程度 F 为:
5 廖自基编 . 环境中微量元素的 污染危害与迁移转化 . 北京: 科学 出版社, 1989: 97～108
6 王运 泉, 任德贻 . 煤中 微量元素研 究的进展 . 煤田地质 与勘探, 1994; 22( 4) : 16～20
7 王运 泉等 . 煤中微量 元素分布 特征初步 研究 . 地质 科学, 1997;
T he contents and dist ributions o f t race elements in co als and the enrichment coefficient s o f t race elements relative to the crust
abundance ar e ex po unded, and t he hazar do us and useful elements ar e evaluated pr eliminarily . Keywords t race element ; coal; r eg ular ities o f dist ribution; Do ngsheng M ining Dist rict
( Xi' an Branch of China Coal Research Inst it ut e)
Abstract 732 cor e samples ar e sam pled fro m five minable coal seams in Y an'an fo rmation in Do ngsheng M ining Dist rict , Shenfu co alfield. 23 tr ace elements in coals ar e deter mined using spectro scopy, atomic fluo ro sco py, atomic absor pt ion methods.
针对上述存在的主要问题, 美国学者 Burnham 等( 1990) 吸取先前平行反应化学动力学模式法中考
3 钱丽君, 白清昭 等 . 陕 西北部 侏罗纪 含煤地 层及聚 煤特 征 . 西 安: 西北大学出版社, 1987: 128～167
4 孙景信, J ervis R E. 煤中微量元素及其在燃烧过程中的分布特征. 中国科学 A 辑, 1986; ( 12) : 1287～1294
宋党育, 秦勇: 镜质组反射率反演的 EASY% R o 数值模拟新方法
·1 7·
表 1 山西南部上古生界煤镜质组反射率演化历史数值模拟结果
R o/ %
地质 时代
阳城—翼城 ABC
临汾—洪洞 ABC
安泽 A BC
沁源—沁县 ABC
霍州 A BC
汾西 ABC
K1 3. 34 4. 95 3. 70 1. 78 2. 45 1. 70 2. 60 3. 02 2. 50 2. 87 4. 53 2. 50 1. 15 1. 50 1. 10 1. 46 2. 20 1. 30