煤炭真是来源于森林吗？
-煤炭成因新解
马双忱，孙智滨，陈公达，别璇
（华北电力大学（保定）环境学院，河北保定 071003）
E-mail：msc1225@163.com
摘要：随着煤、石油、天然气这些化石能源的消耗日益增加，研究其真正的来源具有现实意义。从国内外关于煤炭起源的一般性研究出发，指出煤炭源自植物的储量、赋存、分布等矛盾之处，在石油来源“无机说”的基础上，通过热力学趋向论证和动力学速率分析、地壳中碳酸盐和水的含量分析、煤中常量组分和惰性组分分析，提出煤炭源自碳酸盐的化学转化这一全新观点，从而打通了石灰石、白云石等碳酸盐向煤、石油、天然气化学转化的渠道。基于此认识，给出了自然界碳循环过程新的图示，该碳循环图更加完美的诠释了碳的释放与自然循环。
关键词：煤炭；来源；碳酸盐；碳循环
Does coal come from forest?
-A new analysis about the formation of coal
MA Shuang-chen, SUN Zhi-bin, CHENGong-da，BieXuan
(College of the Environment, North China Electric Power University (Baoding),Baoding071003,Hebei,China)
Abstract:With the increasing consumption of fossil energy suchas coal, oil and natural gas, it will have great realistic meanings to study itsreal source. This article points out the contradictions that coal comes fromthe forest through the general research conclusion. There are lots of contradictionin the theory that coal comes from the forest, such as the reserves, occurrencestate and distribution of the coal. We put forward a new point of view thatcoal comes from carbonate by dynamic demonstration, thermodynamic analysis, analyzingthe content of carbonate and water in the earth’s crust, the analysis about themajor components and inert components of coal. So there will be a new channelbetween the chemical conversion about limestone and dolomite. Basing on thisunderstanding, we propose a more perfect interpretation about the naturalcarbon cycle.
Keywords: coal; source; carbonate;carbon cycle
在当今世界上，被人们广泛接受的一种观点是煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物，即煤炭来源于植物[1-7]。
近些年来，关于石油、天然气来源的“无机说”逐渐被人们熟知，但是关于煤炭的来源并没有出现更新的说法。不过在很多方面上的矛盾都表明，煤来源于树木的理论有很大的局限性[8-18]。
在石油、天然气来源方向更加广泛的前提下，通过热力学论证、动力学分析、含量分析、组分分析等方法，作者认为煤也许也是来自于无机物。
1 煤炭来自森林的矛盾之处1.1 煤的储量问题
煤的燃烧值取3.4×107焦/千克，木材燃烧值取1.26×107焦/千克，可见，每千克煤的热量是木材的2倍多。煤的密度取1.8吨/立方米，木材的密度取0.5吨/立方米，每立方米煤的重量是木材的3倍多。保守的算法估算，单位体积煤的能量是木材的6倍多。假如一个煤田每层有30米厚的话，其能量需有200米厚的木材来对应，这还不包括由木材转化为煤消耗的能量。
1.2 煤的赋存问题
如果说煤炭真的由树木堆积而成，那么煤层的顶层和地板都不会如实际这般平滑整齐。一般来讲，树木的根部占树木体积的四分之一左右，但是在煤层中并没有出现像树根这样盘根错节的部分，而是厚度均匀、平滑如镜。
同时，煤矸石和树化石的存在同样让我们认识到树木成煤理论的局限。以沁水煤田为例，在近7米的煤层里分布着5层夹矸，这些夹矸中，厚的14厘米，薄的只有3厘米，且大范围存在[1]。这些夹矸均匀平滑，与煤层分层界限平整明确，并无树木枝干盘根错节的特点，并且这些夹矸不会局部存在而是几公里甚至几百公里的普遍存在。
由此可知，远古时期的树木不一定转化成了煤，现在的煤也不一定来自于树木。
1.3 煤层分布极不平衡
查资料知[2]，亚洲煤炭储量占世界总储量的58%，北美占30%，其余大陆占12%（其中欧洲占8%，非洲不超过1%）。煤炭储量集中在苏联、美国、中国等十个国家，而在非洲、格陵兰岛煤炭储量却极其缺乏。按照树木成煤的理论，即使有地质变动，全球的煤炭资源分布也不应该这么不均衡。难道非洲和格陵兰岛在过去都没有森林吗？
1.4 煤矿开采若干年后煤炭的出现
按照树木成煤的理论，煤的形成要经过非常漫长的时间，所以就有很多专家学者断言地球上的煤炭资源难以支撑人类用过百年。但是，近几年在开采多年的煤矿里出现的新煤田让树木成煤的理论更难以解释。例如，2010年荥巩煤田三李深部勘查区发现3.8亿吨新煤田。新发现的煤田相比老矿的煤层较深一些，但是都是在同一区域[3]。再如，禹州市方山-白沙煤矿在2011年完成新的勘测，发现在原大型煤田的基础上，储量又大幅增加，初步估算煤炭资源量4亿吨以上[4]。
1.5 煤、油、气储存深度的不同
煤的储存深度在300-1000m，而石油储存深度在1000-3000m，与煤的差异较大。难道说动物遗体掩埋的地方更深、树木掩埋的更浅吗？这显然不符合一般自然规律。如果是有机成因论，多层煤层需要多次叠加的地壳运动才能形成，可检测结果显示，相邻煤层的煤炭属于同一地质年代，即碳的同位素相同，这显然用植物成因难以解释。按传统观点，地质大变动导致，植物和动物被埋于地下，可为何煤炭和石油储存不在一处呢？
由此可知，化石燃料的生成也许与地壳的温度或者压力有关，其来源也许与动植物遗体关系不大。
2 煤炭来源新观点的提出
按照煤炭来源于树木的理论，煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的，即煤是植物发生化学转化形成的。针对上文提出的煤来自森林的矛盾之处，我们尝试寻找另外一种化学转化渠道，能够更好地解释这些矛盾。
2.1 煤矿与碳酸盐矿伴生的现象
煤的伴生矿产资源主要有两类：油页岩和煤层气。在油页岩所包含的矿物质中，碳酸盐岩大约占有2.5%的比例[5]。也就是说，碳酸盐常与煤炭等化石能源伴生。例如，塔里木盆地中碳酸盐岩油气藏约占盆地油气资源总量的三分之一。自2005年以来，塔里木油田碳酸盐岩原油年产量从24万吨增至目前的190万吨左右，年均增长率超过12%，塔里木油田油气三级地质储量连续9年保持高位增长[6]。可见，在碳酸盐存在的情况下，油气等化石能源处于高位增长状态。
由此可知，也许煤炭的生成与碳酸盐的存在有些许关系。
2.2 石油“无机说”的出现
早在1876年，门捷列夫就提出一种假设，认为地球上有丰富的铁和碳，因此在地球形成初期可以化合成大量的碳化铁。这些碳化铁又与当时过热的地下水作用，遂生成碳氢化合物，这些碳氢化合物沿地壳裂缝上升到适当部位储存冷凝，从而形成石油矿藏[7]。
2009年，美国卡耐基研究院利用金刚石砧压槽和激光热源，成功地使得甲烷所处的环境压强超过2万标准大气压，温度也在704℃~1227℃之间。这种极端环境，与距离地面64千米至150千米处的上地幔的环境非常类似。结果他们发现，甲烷在这种环境中除了可以生成乙烷以外，还可以生成丙烷、丁烷、分子氢和石墨。更令研究人员赶到惊奇的是，他们发现这个化学反应过程是可逆的。这表明在地球深处的这种合成烃类的反应过程，更多是受热力学控制的，并不一定需要有机物。这一最新成果，为无机生成理论提供了新的支持。
2.3 煤与石油的相似性
煤和石油中有机质是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素构成。在一定条件下，石油和煤炭可以相互转化，二者的区别主要是在烃链的长短上。所以也可以将石油来源的“无机说”运用于到煤炭上，即煤炭是无机物转化而来的，也许能够得出更加完善的理论。
2.4 煤来自碳酸盐的提出
由上文可知，或许煤炭的生成与碳酸盐的存在有些许关系，在“无机说”的基础上，我们不妨假设煤炭就是来源于碳酸盐。
本文接下来就从自然现象出发，利用热力学论证和动力学分析，逐步论证碳酸盐成煤的可行性。
3 碳酸盐成煤的论证3.1 热力学——可行性论证3.1.1 二氧化碳与碳酸盐的转化
CO2+H2O→H2CO3→H++HCO3-
HCO3-→H++CO32-
CaCO3→CaO+CO2
3.1.2 CO2或碳酸盐合成有机物反应综合举例
（1）CO2合成甲烷：CO2+4H2=CH4+2H2O（条件：高温催化剂）
（2）CO2合成甲醇：CO2+3H2=CH3OH+H2O（条件：高温催化剂）
（3）光合反应：12H2O+ 6CO2 → C6H12O6（葡萄糖）+6O2+ 6H2O（条件：阳光、叶绿素）
（4）CaCO3制乙烯：
CaCO3=CaO+CO2（条件：高温）
2CaO+5C=2CaC2+CO2（条件：高温）
CaC2+2H2O=C2H2+Ca(OH)2
（5）CO2合成尿素：2NH3+CO2→H2NCOONH4（条件：加压）
H2NCOONH4→(NH2)2CO+H2O（条件：加热）
（6）在自然水体藻类的光合作用反应：Ca2+＋2HCO3-= {CH2O}＋CaCO3↓+O2（条件：阳光）
由上述反应可知，在自然界中存在从CO2或者碳酸盐生成烷烃、烯烃、醇等有机物的反应，而这些有机物正是组成煤、石油等化石燃料的主要成分。同时，CO2和碳酸盐之间也可以相互转化，这也就提供了更多的反应渠道。受到人类能实现的化工反应条件的制约，目前我们对超高温、超高压条件下地质反应的认识还有许多局限性，以水、CO2为基质合成有机物是完全可能的。由此我们猜测，自然界中存在反应，使碳酸盐和水生成有机物，最终转化成煤等化石燃料，即煤来自于碳酸盐。
3.1.3 碳酸盐合成有机物条件浅析
煤储存在地壳中，我们就猜想转化成煤的物质也存在于地壳中。在前文中，我们假设煤来源于碳酸盐，那么地壳中是否有储量可观的碳酸盐呢？
3.1.3.1 地壳中碳元素的分布情况
地壳中碳元素的分布情况如表1所示：
表1 地壳中碳元素的分布情况[8]
Table1 The distribution of carbon element in the earth’s crust
|
分布种类 |
含量（单位：g） |
|
大气中CO2 |
6.4×1017 |
|
生物体质量 |
8.3×1017 |
|
不溶有机质 |
1.5×1018 |
|
沉淀和土壤中的有机碳 |
3.5×1018 |
|
未溶CO2 |
3.8×1019 |
|
石灰石和其他固相碳酸盐 |
1.8×1022 |
|
有机碳：天然气、煤、汽油、沥青、油母岩质 |
2.5×1022 |
由表1可知，地壳中碳酸盐的含量很大，基本满足成煤的需要。但是仅仅有碳酸盐就能生成煤炭吗？
我们发现，二氧化碳与碳酸盐的转化需要有水的参与，同时水也是许多化学反应必备的反应环境，要是煤真的是由碳酸盐转化的，那么地壳中有足够的水来满足这一反应吗？
3.1.3.2 地壳中水存在的最新证据
从一般角度来看，地壳中几千度的高温，早已把水蒸发干净，而缺少了反应所必须的条件。直到美国科学家在北美地壳约660公里下发现隐藏水源，为迄今发现的最大地下水源，含水量足以填满海洋3次[9]。
2014年3月，加拿大艾伯塔大学研究人员在英国《自然》杂志上报告说，他们首次发现了来自上下地幔过渡带的一块林伍德石，其含水量为1.5%，从而证明有关过渡区含有大量水的理论是正确的[10]。
3.2 动力学——速率分析
不论是相变化还是化学变化，既要研究变化的可能性，也要研究变化的速率及变化机理。
3.2.1 温度对反应速率的影响
对于均相热化学反应，反应温度每升高10K，其反应速率常数变为原来的2~4倍，即范特霍夫规则
K（T+10K）/K（T）≈2~4
阿伦尼乌斯方程表明活化能越高，反应速率对温度越敏感[11]。
在浅层地壳温度不太高时，阿伦尼乌斯方程受温度影响可忽略。
3.2.2 催化剂、微生物对反应速率的影响
由已知研究可得，在地壳中Cu-Zn-Cr氧化物的存在，能使生成烃的收率提高；Fe、K、Cu、Co、Mn、Ni等元素对合成烯烃过程有催化效应[12]。藻青菌、海洋假单胞杆菌、轮藻、易盖虫、球房虫等都参与碳酸钙的合成；巨大芽孢杆菌、糖化菌、固氮菌、微球菌等都能参与对碳酸盐的降解[13]。
3.2.3 辐射对反应速率的影响
有研究表明，花岗岩和沉积岩都在不同程度上存在辐射，有很多碳酸盐岩矿也都会检测出不同程度的辐射。这就说明，在地壳中纯天然的碳酸盐中可能都含有少量的辐射元素[14]。
在一般的化学反应中，以微波辐射为例，能够促进分子间的转变，加快化学反应的进程。而地壳中辐射的存在，也能在一定程度上影响碳酸盐合成有机物的反应速率。
3.3 源分析——化学组分分析3.3.1 煤的常量组分——碳分析
碳是煤中有机质的主要组成元素。碳含量随着煤化度升高而有规律地增加。在我国各种煤中，泥炭的干燥无灰基碳含量wdaf（C）为55%~62%，褐煤为60%~77%，烟煤为77%~93%，无烟煤为88%~98%。在同一种煤中，各种显微组分的碳含量也不一样，一般丝质组wdaf（C）最高，镜质组次之，稳定组最低[15]。
作者认为，煤中碳含量的不同更能印证煤是来源于碳酸盐而并非树木。因为树木在转变过程中并不会加碳，而碳酸盐在反应过程中碳链的增加和有机物的聚合都能使生成物的含碳量逐渐升高。
3.3.2 惰性组分分析
3.3.2.1煤的惰性组分构成
在煤中，碳、氢、氧等主要元素所组成的物质都是活性的，可能会在成煤过程中发生不同程度的反应，而使其在煤中所占的比例发生变化。要想研究煤究竟是怎样形成的，就要研究煤中具有固定比例的惰性物质的来源。本文就以硅元素代表，研究煤、植物和碳酸盐中典型惰性物质的组成。
由相关研究可知，用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定煤和焦炭中硅、钙、镁和铝的比例。结果如表2所示。
表2 电感耦合等离子体原子发射光谱法测定煤和焦炭中硅[16]
Table2 Determination of siliconin coal and coke by inductively coupled plasma atomic emissionspectrometry
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样品 |
含量测定值/% |
|
硅 |
|
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精煤 |
4.45 |
|
粉煤 |
2.52 |
|
无烟煤 |
3.47 |
|
焦炭 |
2.68 |
由表2可知，不同煤种中硅的含量大致为2%~5%。
下边就分别研究植物和碳酸盐岩中惰性元素硅的含量。
3.3.2.2 植物中的硅元素成分
一般来讲，可将植物按含硅量分为三类：一是含硅量在5%~20%的植物，如水稻等；二是含硅量在2%~4%的植物，如“旱地”禾本科植物小麦等；三是含硅量在1%以下的植物，如豆科植物和双子叶植物杨树、榆树等。另外，还发现硅含量越高的植物钙含量越低[17]。
由植物成煤理论可知，煤大多是由双子叶植物转化而来，但是双子叶植物中1%以下的硅含量，与煤中2%~5%的硅含量相差较大。并且煤中硅含量越高，钙含量也较高，双子叶植物则相反。所以，我们有理由怀疑植物成煤理论的局限性。
3.3.2.3 碳酸盐岩中的硅元素成分
由相关研究可知，岩浆碳酸盐岩和沉积碳酸盐岩次要造岩元素含量如表3所示。
表3 岩浆碳酸盐岩和沉积碳酸盐岩次要造岩元素含量[18]
Table3 Magma carbonateand carbonate sedimentary secondary rock forming elementscontent
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氧化物 SiO2 |
岩浆碳酸盐岩 |
|||
|
含量范围 |
一般含量 |
平均值 |
中间值 |
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痕量-35 |
1-10 |
7.6 |
5 |
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沉积碳酸盐岩 |
||||
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|
含量范围 |
一般含量 |
平均值 |
中间值 |
|
0.01-40 |
1-20 |
13.4 |
10 |
|
由表3可知，岩浆碳酸盐岩中SiO2含量平均值为7.6%，沉积碳酸盐岩中SiO2含量平均值为13.4%，则岩浆碳酸盐岩中Si的含量平均值为3.55%，沉积碳酸盐岩中Si的含量平均值为6.26%。
将碳酸盐岩中硅元素的含量与煤中硅元素的含量进行对比发现，二者的含量非常近似。
综上所述，煤中的惰性物质—硅的含量与碳酸盐岩中的硅含量较为相近，而与双子叶植物中的硅含量相差较多。由此可知，煤更有可能是由碳酸盐转化而来的，而不是由植物所形成的。同样，石油是在地下深处不断无机合成，并通过断层或者迁移通道，挤压到地壳的浅层被人类开采。
3.4 自然界碳循环的完善
在上文中我们假设煤来源于碳酸盐，在这种理论的基础上，我们打通了石灰石、白云石等地质碳酸盐向煤、油、气化学转化的渠道，如图1所示。
图1 自然界碳循环图
Fig.1 Thenatural carbon cycle diagram
由图1可知，我们打通了碳酸盐到化石燃料的通道，所以从一定程度上来讲，我们又找到了一种寻找化石燃料的新途径。由此可知，以地壳中的碳酸盐矿为基础源头，对于寻找煤、石油等能源具有一定的方向指导作用。同时，碳酸盐与化石燃料之间的相互转化，更符合我们可持续发展的要求，一定程度上打消人们关于“能源耗竭”的担忧，为人类从容应对能源危机提供了一种全新的思路。另外，图1将自然界中的碳循环描述得更为完善，突出了自然界所特有的“完美循环”特性。
4 总结
随着科学研究的发展，对于煤等化石资源的来源问题的研究更加广泛和深入。植物成煤的理论在历史发展的过程中呈现出了越来越多的局限性，许多自然现象的出现并不能用植物成煤的理论来解释。在石油“无机说”理论逐渐成熟的条件下，我们认为煤也是来源于无机物的转化，即煤是来自碳酸盐，而非植物。地壳中高温高压多水的环境，就像一个高温高压的化工反应釜，为碳酸盐矿物质转化成化石燃料提供了很好的条件，化石燃料其实也是地下超高热能的一种储存形式。同时，对自然界碳循环的补充和修正，打通了石灰石、白云石向煤、油、气化学转化的渠道，在地质条件下，煤、油、气之间也能发生相互转化，这更符合大自然完美循环的特点，也为今后对于化石能源的研究提供了更广泛的方向。煤来自碳酸盐的全新理论对于地下资源的开采、可持续资源的创造具有很好的指导和借鉴作用，为能源行业的发展也会带来更好的前景和推动。
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