
【建】 coal forming process
煤的形成過程(Coal Formation Process)
煤是古代植物遺體經過複雜的地質作用轉變而成的固體可燃礦産,其形成過程稱為成煤作用(Coalification),主要分為以下階段:
約3億年前的石炭紀至二疊紀,溫暖潮濕的森林沼澤環境中,大量蕨類、藻類等植物死亡後堆積于水體底部。缺氧環境減緩了微生物分解,形成泥炭(Peat),這是煤的原始物質。現代類似環境可見于印尼熱帶沼澤(中國地質調查局,2022)。
植物殘體在厭氧細菌作用下,纖維素、木質素等有機物經生物化學降解,逐漸脫氫、脫氧、富碳,形成腐殖酸。此過程需持續數千至數萬年,泥炭層被沉積物覆蓋後與空氣隔絕,進入下一階段(《煤地質學原理》,地質出版社)。
泥炭在地殼沉降中被埋藏,經曆成岩作用(Diagenesis) 和變質作用(Metamorphism):
泥炭在較低溫壓(<50°C)下脫水、壓實,形成棕褐色、質地疏松的褐煤,碳含量約60-70%(國際能源署《煤炭形成報告》)。
褐煤在更高溫壓(100-200°C,埋深1-3km)下揮發分減少,碳含量升至75-90%,産生瀝青質煙煤,具明顯條帶狀結構(美國地質勘探局,2021)。
煙煤在強烈構造運動下經受高溫高壓(>200°C),碳含量達90%以上,形成高密度、高發熱量的無煙煤,需數千萬年時間(《中國煤炭志》,煤炭工業出版社)。
煤化過程的本質是有機質的芳構化和縮聚反應,反應式可簡化為:
$$
text{纖維素 } (ce{C6H10O5})_n rightarrow text{腐殖酸} rightarrow ce{C135H96O9NS} text{(煙煤分子結構)}
$$
現代成煤環境參考
印度尼西亞蘇門答臘熱帶泥炭沼澤仍在進行泥炭積累,印證古代成煤初期環境(《Nature Geoscience》,Vol.15, 2022)。
煤的形成是一個跨越數千萬至數億年的地質過程,主要分為兩個核心階段:
植物堆積
在古生代、中生代等時期,溫暖潮濕的沼澤、湖泊環境中,大量蕨類、裸子植物等死亡後遺體堆積。水體覆蓋隔絕氧氣,為厭氧菌分解創造條件。
微生物分解
植物中的纖維素、木質素等成分在厭氧菌作用下分解,氫、氧元素逐漸流失,碳元素富集,形成泥炭或腐泥。此過程需數千年至上萬年。
成岩作用
因地殼運動,泥炭層被泥沙覆蓋埋藏。在壓力作用下脫水、壓縮,逐漸固結成褐煤(碳含量60-70%)。
變質作用
隨着埋深增加,溫度和壓力持續升高(深度每增加1公裡,溫度上升約25℃),褐煤發生脫揮發分、縮聚反應,依次轉變為:
不同煤種的形成條件可通過公式表達:
$$
text{煤階} propto frac{text{溫度} times text{壓力} times text{時間}}{text{氧含量}}
$$
注:具體地質年代和煤種對應關系可參考中的詳細分期。
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