电子顺磁共振波谱特征
在煤化作用古地热场条件下，沉积有机质大分子结构中化学双键受热发生均裂，形成不成对电子，致使煤中有机质具有了顺磁性。换言之，煤的电子顺磁特性与古地热场条件、有机质类型等之间具有函数关系，应用电子顺磁共振（EPR）波谱分析，可为这种关系的探测提供重要信息。
在煤的结构和受热历史研究中，通过解析电子顺磁共振能量吸收波谱，可以获得三个基本参数：
△Hx=H2—H1
山西南部煤化作用及其古地热系统：兼论煤化作用的控气地质机理
山西南部煤化作用及其古地热系统：兼论煤化作用的控气地质机理
式中：△Hx——待测样品电子顺磁共振谱线的线宽；
H1、H2——分别为一级微商谱线中谷点和峰点处的磁场强度，104T;
f0——最大吸收处磁场频率，Hz;
g—Land因子，无量纲；
Ng——待测样品顺磁中心（不成对电子）浓度，也称自由基浓度，spins/g;
Sx——样品电子顺磁共振信号幅度；
Gx、px、Hmx——分别为测定样品时仪器的增益，微波功率及调制，下标为s者代表标样的相应参数；
h——样品腔有效长度，cm;
Wh——样品的有效质量，g;
NA——阿伏加德罗常数，6.02×1023。
线宽△Hx取决于样品中“顺磁中心”从受微波场辐射时受激跃迁的不平衡状态恢复至平衡状态的“弛豫”过程，同时也受到电子自旋与样品内环境之间相互作用的影响。因此，通过研究线宽的分布特征及演化规律，可以得到有机质演化的平均信息。在煤化作用过程中，随煤化程度的加深，顺磁中心附近的N、S等杂原子含量减少，则线宽窄化。在相同演化程度的煤中，若杂原子含量高，则线宽较大。g因子表征外加磁场与样品中电子运动频率发生共振的位置。对于无轨道角动量的电子，其g因子等于自由电子的自旋值g。（2.0023）。煤的g因子高于g值。在煤化作用的前、中阶段，由于杂原子的含量降低，g因子呈下降趋势；至煤化作用末期，由于芳香结构急剧增大，造成g值重新急剧升高（Ret-cofsky,1982）。自由基浓度Ng代表在共振条件下样品所吸收的总能量，与样品中不成对电子（顺磁中心）浓度呈正比。由于煤中不成对电子仅在芳香结构的自由基中才能保持长期稳定，所以Ng的大小与有机质的芳香化程度有关。随煤化程度增高，Ng增大，但当达到一定煤级以后，Ng骤然下降。
在本书中，用于电子顺磁共振实验的样品主要是山西组上主煤层中的镜煤和亮煤，镜质组最大反射率在0.75%～3.75%之间。从原样中手选出镜煤和亮煤，再用盐酸、氢氟酸、硝酸处理，以除掉煤中的碳酸盐、粘土、硅质和硫化物等无机杂质，以将无机质对EPR信号的干扰抑制到最低限度。研究样品的电子顺磁共振波谱测定结果见表2-4。
测定结果表明，本区样品电子顺磁共振特性的煤化趋势符合腐殖煤或Ⅲ干酪根EPR特征的一般演化规律（图2-10）。线宽△Hx在镜质组最大反射率1.0%～1.5%之间首次达到最大值，随后急剧下降，并在镜质组最大反射率4.0%左右达到最低值。g因子尽管其离散性较大，但仍显示出“V”型的总体演化趋势，即在镜质组最大反射率小于1.3%之前逐渐降低，在镜质组最大反射率1.3%附近发生反转，当镜质组反射率在1.3%～4.0%之间时缓慢增高。自由基浓度随煤级增高而不断增大，但在镜质组最大反射率大于3.7%之后出现降低的趋势。
由于研究样品均属典型Ⅲ型有机质，故可以认为其EPR的上述演化趋势反映了煤中有机质缩合芳香体系不断增大，边基侧链及杂原子显著减少的过程。进一步来说，实测样品的EPR特性为本区煤化古地热场特征的标定提供了有机质化学结构方面的有用信息。
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