Sci.Bull.评述文章: 构造应力对煤化学结构的影响

Sci. Bull. 评述文章

    干酪根热降解生烃是油气地质中发展成熟的生烃理论。但力特别是构造应力能否引起生烃呢？长期以来人们认为构造应力只影响有机质的物理结构而对其化学结构没有影响，因此并未考虑过应力在有机质生烃中的作用。这种认识和化学反应机理的研究水平相一致。和热化学相比，应力作用下发生的化学反应（力化学）由于缺少坚实的理论证据，一直未成为主流化学体系中的一个分支。近十年来，借助于原子力显微镜以及分子动力学模拟等先进手段，力化学取得了突破性的进展，其研究表明应力可以直接作用于分子结构并引发化学反应。力化学的发展为力化学生烃机理的研究提供了新的思路，但多数研究者并未意识到这样一种进展。在这种背景下，基于力化学的最新研究，中国科学院大学地球科学学院侯泉林教授等根据课题组十余年的研究成果对构造应力对煤（III型干酪根）化学结构的影响及其可能机理进行了简要综述。

       煤大分子结构的红外光谱，核磁共振以及电子顺磁共振等测试结果都表明，构造应力能够促进煤化学结构的超前演化。其课题组近些年开展的煤低温（低于煤热解温度）变形实验中也发现有烃类及非烃气体的产生。这些证据都表明，构造应力能够影响煤的化学结构，并有可能引发生烃或产气。但是应力的作用机制一直存在争议。力化学的最新研究认为，机械应力可以直接作用于分子结构，并改变分子结构中化学键的键长以及键角等几何构型，从而大大降低化学反应的能垒，加快化学反应的发生甚至促使某些在热条件下由于能垒过高而无法发生的化学反应。针对无烟煤大分子片段进行的量子化学计算结果表明，在应力的持续作用下，无烟煤大分子片段中键能较弱的化学键逐渐断裂，并伴随着一氧化碳气体的产生（图1）。

图1. 应力作用下无烟煤大分子结构的响应。(a)无烟煤大分子结构片段：含有8个苯环和一个连有羰基的六元环；(b)随着C1和C4原子间距离的增加，拉伸C1-C2和C1-C3化学键所需要的能量变化。

      和煤的大分子结构，尤其是无烟煤的结构相比，生油主力I型干酪根中含有更多的脂肪侧链和官能团等不稳定的化学键，可以推测应力作用下更容易发生化学变化而生成烃类。因此力化学生烃是完全有可能的。此外，侯泉林教授还指出力化学生烃可能成为传统生烃理论的一个重要补充，但其发展需要不同学科研究者们的共同推动。

该研究受到国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项和国家自然科学基金共同资助

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