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我是谁?我从哪里来?(四) ——煤炭的有机生成与无机生成之争

发布时间:2017年04月17日 信息来源:中国煤炭博物馆 胡高伟 点击:收藏此文 字体:

  中国煤炭博物馆是全国唯一的国家级煤炭行业博物馆,常年接待中外观众10多万人,经常性举办煤炭学术交流活动。2011年,时任山西省委书记袁纯清到中国煤炭博物馆学习考察,参观中,他问了一个问题:“煤炭究竟是有机生成,还是无机生成?”工作人员说:“按照传统教科书的说法,在大多数地质学家看来,煤炭是古植物遗体经过生物化学作用和物理化学作用转变成的沉积有机矿产,是多种高分子化合物和矿物质组成的混合物。煤是亿万年前大量植物埋在地下慢慢形成的。所以,煤炭是有机生成。”2013年,在中国煤炭博物馆举办的“全国煤炭博物馆展览馆纪念馆专业委员会”成立大会上,中国矿业大学薛毅教授在交流发言中提问:“煤炭究竟是有机生成,还是无机生成?”他说:“根据有关学者的研究,认为煤炭的无机生成具有一定的可能……”不久前,《石油勘探与开发》杂志副主编王大锐博士围绕石油的形成进行了研究,对石油有机说提出质疑,提出:“一些地区为什么找到了大约15亿年前形成的石油?而按照传统的石油地质与生物学理论,当时的生物量似乎并不足以形成石油。为什么在不含生物的地层中也能找到石油?比如加拿大阿尔伯塔省的阿塔巴斯河区和美国堪萨斯的克拉富特—普鲁斯油田,都处在没有富含生物的沉积岩层。”石油形成的无机假说再次刺激了对煤炭无机生成的讨论。煤炭的有机生成和无机生成再次成为热议的话题。煤炭究竟是谁?煤炭究竟是从哪里来?

  上两期,我们已经了解了有机生成理论的直接证据和间接证据,今天就让我来全面了解一下有机生成理论的理论依据。

  一是能量守恒定律。煤、石油、天然气所具有的能量从何而来?按照能量守恒定律,能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到其他物体,而能量的总量保持不变。所以,我们可以理解为,古代动植物的能源最初也是来源于太阳,植物依靠阳光进行光合作用制造养料并逐渐成长,植物将太阳能转化成了生物能、化学能存储在机体中。煤炭是古植物储存的亿万年前的太阳能(而动物则直接或间接地获取植物的营养成分而生存,它们所具有的能量也是来源于太阳能)。因此,煤、石油、天然气所具有的能量来源于亿万年前的太阳能。我们目前使用的能量大量来自煤、石油和天然气。也就是说,我们目前使用的能量来源于亿万年前的太阳能。

  二是生物化学反应理论。一般认为,成煤过程分为两个阶段,即泥炭化阶段和煤化阶段。前者主要是生物化学过程,后者是物理化学过程。泥炭化阶段,主要是植物残骸的菌解过程。高等植物遗体在沼泽中堆积,在有水存在和微生物参与下,经过分解、化合等复杂的生物化学变化,形成泥炭(泥煤)。泥炭化阶段,原始物质为低等植物和浮游生物时则形成腐泥,称为腐泥化作用。泥炭和腐泥都含有大量的腐植酸,其组成和植物的组成已经有很大的不同。 

  三是物理化学反应理论。  在成煤过程的第二阶段,即煤化阶段,需要完成两个连续的过程:第一个过程,是在地热和压力的作用下,泥炭层发生压实、失水、肢体老化、硬结等各种变化而成为褐煤。褐煤的密度比泥炭大,在组成上也发生了显著的变化,碳含量相对增加,腐植酸含量减少,氧含量也减少。因为煤是一种有机岩,所以这个过程又叫作成岩作用。第二个过程是褐煤转变为烟煤和无烟煤的过程。在这个过程中煤的性质发生变化,所以这个过程又叫作变质作用。地壳继续下沉,褐煤的覆盖层也随之加厚。在地热和静压力的作用下,褐煤继续经受着物理化学变化而被压实、失水。其内部组成、结构和性质都进一步发生变化。这个过程就是褐煤变成烟煤的变质作用。烟煤比褐煤碳含量增高,氧含量减少,腐植酸在烟煤中已经不存在了。烟煤继续进行着变质作用,由低变质程度向高变质程度变化,从而出现了低变质程度的长焰烟、气煤,中等变质程度的肥煤、焦煤和高变质程度的瘦煤、贫煤。它们之间的碳含量也随着变质程度的加深而增大。 

  四是生物进化理论。按照生物进化论的观点,任何生物(包括植物)都是从低等到高等进化的,植物在这漫长的进化过程中遵循着以下的发育规律与演变历程,即:生命物质的产生—细菌的形成—光合菌的诞生—藻类植物的开始—无明显分化的裸蕨类植物—有分化的蕨类植物—裸子植物—被子植物。而煤炭的有机生成理论在生物进化论这里找到了依据,得到了印证。

  五是煤田地质理论。煤田地质找矿理论最初起始于盆地分析理论,在煤田地质勘探工作中,主要应用的找煤理论包括地球动力学、板块构造理论、层序地层学、构造控煤理论、盆地分析理论和事件沉积学。其中,与煤的生成关系更为密切的是构造控煤理论、盆地分析理论和事件沉积学。应用构造控煤理论可以全面客观地分析构造控煤类型,研究不同构造条件下的成煤模式和构造演化以及聚煤规律,以此来有效地指导在预测工作中圈定远景区和富煤区。通过盆地分析重点研究沉积条件下含煤旋回岩相组合规律和煤层厚度发育特征,探讨富煤带的形成条件。事件沉积学认为沉积物都是各种地质事件的记录。可以说,正是地质事件的种类与规模的差异导致了沉积物质的多样化,所以对它们的研究也应该给予高度重视。值得说明的是,无论哪种煤田地质理论,都是在煤炭有机生成的基础上进行研究和实践的。这些理论既是对煤炭有机生成理论的印证,也是对煤炭有机生成理论的支撑。

  每一种煤田地质理论都是一个相对独立的理论体系,相互联系又各有侧重,比如盆地分析理论和事件沉积学研究中,就有关于“水(海)退成煤模式”和“陆相成煤模式”说的讨论和研究。传统的成煤作用理论或以往大多数煤地质研究者认为,成煤作用发生在一个水进水退旋回中的水退期。世界上很多煤层是在水退过程中或者是在近海成煤环境下形成的,海退条件下形成的煤系要求盆地沉降不能停止。“陆相成煤模式”更能说明成煤的环境是在陆相条件下或者是在盆地水域退却的情况下泥炭沼泽发育而成煤。在煤田地质学理论体系中,成煤作用理论是最重要的组成部分。对于泥炭沼泽的定位是既不是水域也不是陆地,沼泽是水域与陆地的过渡环境。在成煤作用过程中,这样的过渡环境是非常关键的。

  六是煤的结构理论。通过煤的结构分析,可以进一步证明煤炭是植物生成的事实。煤的结构是指煤岩成分的形态、大小、厚度、植物组织残迹以及它们之间相互关系所表现出来的特征,它反映了成煤原始物质的成分、性质及在成煤时和成煤后的变化。

  煤的结构又分为原生结构和次生结构,前者是指由成煤原始物质及成煤环境所形成的结构,后者是指煤层形成后受到应力作用产生各种次生的宏观结构。 

  常见的原生结构有:条带状结构、线理状结构、凸镜状结构、均一状结构、粒状结构、叶片状结构、纤维状结构 、木质状结构。不同结构从不同侧面印证植物与煤的联系,比如木质状结构分析中发现,煤中保存了植物茎部的木质纤维组织的痕迹,植物茎干的形态清晰可辨。褐煤中常可见到木质状结构有些低煤阶烟煤中也可见到。山西繁峙发现的“紫皮炭”就是最好的例证。 


(作者:胡高伟 编辑:meibo)

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