
【建】 coal forming process
煤的形成过程(Coal Formation Process)
煤是古代植物遗体经过复杂的地质作用转变而成的固体可燃矿产,其形成过程称为成煤作用(Coalification),主要分为以下阶段:
约3亿年前的石炭纪至二叠纪,温暖潮湿的森林沼泽环境中,大量蕨类、藻类等植物死亡后堆积于水体底部。缺氧环境减缓了微生物分解,形成泥炭(Peat),这是煤的原始物质。现代类似环境可见于印尼热带沼泽(中国地质调查局,2022)。
植物残体在厌氧细菌作用下,纤维素、木质素等有机物经生物化学降解,逐渐脱氢、脱氧、富碳,形成腐殖酸。此过程需持续数千至数万年,泥炭层被沉积物覆盖后与空气隔绝,进入下一阶段(《煤地质学原理》,地质出版社)。
泥炭在地壳沉降中被埋藏,经历成岩作用(Diagenesis) 和变质作用(Metamorphism):
泥炭在较低温压(<50°C)下脱水、压实,形成棕褐色、质地疏松的褐煤,碳含量约60-70%(国际能源署《煤炭形成报告》)。
褐煤在更高温压(100-200°C,埋深1-3km)下挥发分减少,碳含量升至75-90%,产生沥青质烟煤,具明显条带状结构(美国地质勘探局,2021)。
烟煤在强烈构造运动下经受高温高压(>200°C),碳含量达90%以上,形成高密度、高发热量的无烟煤,需数千万年时间(《中国煤炭志》,煤炭工业出版社)。
煤化过程的本质是有机质的芳构化和缩聚反应,反应式可简化为:
$$
text{纤维素 } (ce{C6H10O5})_n rightarrow text{腐殖酸} rightarrow ce{C135H96O9NS} text{(烟煤分子结构)}
$$
现代成煤环境参考
印度尼西亚苏门答腊热带泥炭沼泽仍在进行泥炭积累,印证古代成煤初期环境(《Nature Geoscience》,Vol.15, 2022)。
煤的形成是一个跨越数千万至数亿年的地质过程,主要分为两个核心阶段:
植物堆积
在古生代、中生代等时期,温暖潮湿的沼泽、湖泊环境中,大量蕨类、裸子植物等死亡后遗体堆积。水体覆盖隔绝氧气,为厌氧菌分解创造条件。
微生物分解
植物中的纤维素、木质素等成分在厌氧菌作用下分解,氢、氧元素逐渐流失,碳元素富集,形成泥炭或腐泥。此过程需数千年至上万年。
成岩作用
因地壳运动,泥炭层被泥沙覆盖埋藏。在压力作用下脱水、压缩,逐渐固结成褐煤(碳含量60-70%)。
变质作用
随着埋深增加,温度和压力持续升高(深度每增加1公里,温度上升约25℃),褐煤发生脱挥发分、缩聚反应,依次转变为:
不同煤种的形成条件可通过公式表达:
$$
text{煤阶} propto frac{text{温度} times text{压力} times text{时间}}{text{氧含量}}
$$
注:具体地质年代和煤种对应关系可参考中的详细分期。
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