馬雙忱，煤炭孫智濱，真源陳公達，于森別璇

（華北電力大學（保定）環境學院，煤炭河北保定 071003）

E-mail：[email protected]

摘要：隨著煤、真源石油、于森天然氣這些化石能源的煤炭消耗日益增加，研究其真正的真源來源具有現實意義。從國內外關于煤炭起源的于森一般性研究出發，指出煤炭源自植物的煤炭儲量、賦存、真源分布等矛盾之處，于森在石油來源 無機說 的煤炭基礎上，通過熱力學趨向論證和動力學速率分析、真源地殼中碳酸鹽和水的于森含量分析、煤中常量組分和惰性組分分析，提出煤炭源自碳酸鹽的化學轉化這一全新觀點，從而打通了石灰石、白云石等碳酸鹽向煤、石油、天然氣化學轉化的渠道。基于此認識，給出了自然界碳循環過程新的圖示，該碳循環圖更加完美的詮釋了碳的釋放與自然循環。

關鍵詞：煤炭；來源；碳酸鹽；碳循環

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

在當今世界上，被人們廣泛接受的一種觀點是煤炭是古代植物埋藏在地下經歷了復雜的生物化學和物理化學變化逐漸形成的固體可燃性礦物，即煤炭來源于植物[1-7]。

近些年來，關于石油、天然氣來源的 無機說 逐漸被人們熟知，但是關于煤炭的來源并沒有出現更新的說法。不過在很多方面上的矛盾都表明，煤來源于樹木的理論有很大的局限性[8-18]。

在石油、天然氣來源方向更加廣泛的前提下，通過熱力學論證、動力學分析、含量分析、組分分析等方法，作者認為煤也許也是來自于無機物。

1 煤炭來自森林的矛盾之處1.1 煤的儲量問題

煤的燃燒值取3.4 107焦/千克，木材燃燒值取1.26 107焦/千克，可見，每千克煤的熱量是木材的2倍多。煤的密度取1.8噸/立方米，木材的密度取0.5噸/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，單位體積煤的能量是木材的6倍多。假如一個煤田每層有30米厚的話，其能量需有200米厚的木材來對應，這還不包括由木材轉化為煤消耗的能量。

1.2 煤的賦存問題

如果說煤炭真的由樹木堆積而成，那么煤層的頂層和地板都不會如實際這般平滑整齊。一般來講，樹木的根部占樹木體積的四分之一左右，但是在煤層中并沒有出現像樹根這樣盤根錯節的部分，而是厚度均勻、平滑如鏡。

同時，煤矸石和樹化石的存在同樣讓我們認識到樹木成煤理論的局限。以沁水煤田為例，在近7米的煤層里分布著5層夾矸，這些夾矸中，厚的14厘米，薄的只有3厘米，且大范圍存在[1]。這些夾矸均勻平滑，與煤層分層界限平整明確，并無樹木枝干盤根錯節的特點，并且這些夾矸不會局部存在而是幾公里甚至幾百公里的普遍存在。

由此可知，遠古時期的樹木不一定轉化成了煤，現在的煤也不一定來自于樹木。

1.3 煤層分布極不平衡

查資料知[2]，亞洲煤炭儲量占世界總儲量的58%，北美占30%，其余大陸占12%（其中歐洲占8%，非洲不超過1%）。煤炭儲量集中在蘇聯、美國、中國等十個國家，而在非洲、格陵蘭島煤炭儲量卻極其缺乏。按照樹木成煤的理論，即使有地質變動，全球的煤炭資源分布也不應該這么不均衡。難道非洲和格陵蘭島在過去都沒有森林嗎？

1.4 煤礦開采若干年后煤炭的出現

按照樹木成煤的理論，煤的形成要經過非常漫長的時間，所以就有很多專家學者斷言地球上的煤炭資源難以支撐人類用過百年。但是，近幾年在開采多年的煤礦里出現的新煤田讓樹木成煤的理論更難以解釋。例如，2010年滎鞏煤田三李深部勘查區發現3.8億噸新煤田。新發現的煤田相比老礦的煤層較深一些，但是都是在同一區域[3]。再如，禹州市方山-白沙煤礦在2011年完成新的勘測，發現在原大型煤田的基礎上，儲量又大幅增加，初步估算煤炭資源量4億噸以上[4]。

1.5 煤、油、氣儲存深度的不同

煤的儲存深度在300-1000m，而石油儲存深度在1000-3000m，與煤的差異較大。難道說動物遺體掩埋的地方更深、樹木掩埋的更淺嗎？這顯然不符合一般自然規律。如果是有機成因論，多層煤層需要多次疊加的地殼運動才能形成，可檢測結果顯示，相鄰煤層的煤炭屬于同一地質年代，即碳的同位素相同，這顯然用植物成因難以解釋。按傳統觀點，地質大變動導致，植物和動物被埋于地下，可為何煤炭和石油儲存不在一處呢？

由此可知，化石燃料的生成也許與地殼的溫度或者壓力有關，其來源也許與動植物遺體關系不大。

2 煤炭來源新觀點的提出

按照煤炭來源于樹木的理論，煤炭是古代植物埋藏在地下經歷了復雜的生物化學和物理化學變化逐漸形成的，即煤是植物發生化學轉化形成的。針對上文提出的煤來自森林的矛盾之處，我們嘗試尋找另外一種化學轉化渠道，能夠更好地解釋這些矛盾。

2.1 煤礦與碳酸鹽礦伴生的現象

煤的伴生礦產資源主要有兩類：油頁巖和煤層氣。在油頁巖所包含的礦物質中，碳酸鹽巖大約占有2.5%的比例[5]。也就是說，碳酸鹽常與煤炭等化石能源伴生。例如，塔里木盆地中碳酸鹽巖油氣藏約占盆地油氣資源總量的三分之一。自2005年以來，塔里木油田碳酸鹽巖原油年產量從24萬噸增至目前的190萬噸左右，年均增長率超過12%，塔里木油田油氣三級地質儲量連續9年保持高位增長[6]。可見，在碳酸鹽存在的情況下，油氣等化石能源處于高位增長狀態。

由此可知，也許煤炭的生成與碳酸鹽的存在有些許關系。

2.2 石油 無機說 的出現

早在1876年，門捷列夫就提出一種假設，認為地球上有豐富的鐵和碳，因此在地球形成初期可以化合成大量的碳化鐵。這些碳化鐵又與當時過熱的地下水作用，遂生成碳氫化合物，這些碳氫化合物沿地殼裂縫上升到適當部位儲存冷凝，從而形成石油礦藏[7]。

2009年，美國卡耐基研究院利用金剛石砧壓槽和激光熱源，成功地使得甲烷所處的環境壓強超過2萬標準大氣壓，溫度也在704℃~1227℃之間。這種極端環境，與距離地面64千米至150千米處的上地幔的環境非常類似。結果他們發現，甲烷在這種環境中除了可以生成乙烷以外，還可以生成丙烷、丁烷、分子氫和石墨。更令研究人員趕到驚奇的是，他們發現這個化學反應過程是可逆的。這表明在地球深處的這種合成烴類的反應過程，更多是受熱力學控制的，并不一定需要有機物。這一最新成果，為無機生成理論提供了新的支持。

2.3 煤與石油的相似性

煤和石油中有機質是復雜的有機化合物，主要由、、、、硫等元素構成。在一定條件下，石油和煤炭可以相互轉化，二者的區別主要是在烴鏈的長短上。所以也可以將石油來源的 無機說 運用于到煤炭上，即煤炭是無機物轉化而來的，也許能夠得出更加完善的理論。

2.4 煤來自碳酸鹽的提出

由上文可知，或許煤炭的生成與碳酸鹽的存在有些許關系，在 無機說 的基礎上，我們不妨假設煤炭就是來源于碳酸鹽。

本文接下來就從自然現象出發，利用熱力學論證和動力學分析，逐步論證碳酸鹽成煤的可行性。

3 碳酸鹽成煤的論證3.1 熱力學 可行性論證3.1.1 二氧化碳與碳酸鹽的轉化

CO2+H2O H2CO3 H++HCO3-

HCO3- H++CO32-

CaCO3 CaO+CO2

3.1.2 CO2或碳酸鹽合成有機物反應綜合舉例

（1）CO2合成甲烷：CO2+4H2=CH4+2H2O（條件：高溫催化劑）

（2）CO2合成甲醇：CO2+3H2=CH3OH+H2O（條件：高溫催化劑）

（3）光合反應：12H2O+ 6CO2  C6H12O6（葡萄糖）+6O2+ 6H2O（條件：陽光、葉綠素）

（4）CaCO3制乙烯：

CaCO3=CaO+CO2（條件：高溫）                   

2CaO+5C=2CaC2+CO2（條件：高溫）                     

CaC2+2H2O=C2H2+Ca(OH)2

（5）CO2合成尿素：2NH3+CO2 H2NCOONH4（條件：加壓）   

H2NCOONH4 (NH2)2CO+H2O（條件：加熱）

（6）在自然水體藻類的光合作用反應：Ca2+＋2HCO3-= {CH2O}＋CaCO3 +O2（條件：陽光）

由上述反應可知，在自然界中存在從CO2或者碳酸鹽生成烷烴、烯烴、醇等有機物的反應，而這些有機物正是組成煤、石油等化石燃料的主要成分。同時，CO2和碳酸鹽之間也可以相互轉化，這也就提供了更多的反應渠道。受到人類能實現的化工反應條件的制約，目前我們對超高溫、超高壓條件下地質反應的認識還有許多局限性，以水、CO2為基質合成有機物是完全可能的。由此我們猜測，自然界中存在反應，使碳酸鹽和水生成有機物，最終轉化成煤等化石燃料，即煤來自于碳酸鹽。

3.1.3 碳酸鹽合成有機物條件淺析

煤儲存在地殼中，我們就猜想轉化成煤的物質也存在于地殼中。在前文中，我們假設煤來源于碳酸鹽，那么地殼中是否有儲量可觀的碳酸鹽呢？

3.1.3.1 地殼中碳元素的分布情況

地殼中碳元素的分布情況如表1所示：

表1 地殼中碳元素的分布情況[8]

Table1 The distribution of carbon element in the earth s crust

由表1可知，地殼中碳酸鹽的含量很大，基本滿足成煤的需要。但是僅僅有碳酸鹽就能生成煤炭嗎？

我們發現，二氧化碳與碳酸鹽的轉化需要有水的參與，同時水也是許多化學反應必備的反應環境，要是煤真的是由碳酸鹽轉化的，那么地殼中有足夠的水來滿足這一反應嗎？

3.1.3.2 地殼中水存在的最新證據

從一般角度來看，地殼中幾千度的高溫，早已把水蒸發干凈，而缺少了反應所必須的條件。直到美國科學家在北美地殼約660公里下發現隱藏水源，為迄今發現的最大地下水源，含水量足以填滿海洋3次[9]。

2014年3月，加拿大艾伯塔大學研究人員在英國《自然》雜志上報告說，他們首次發現了來自上下地幔過渡帶的一塊林伍德石，其含水量為1.5%，從而證明有關過渡區含有大量水的理論是正確的[10]。

3.2 動力學 速率分析

不論是相變化還是化學變化，既要研究變化的可能性，也要研究變化的速率及變化機理。

3.2.1 溫度對反應速率的影響

對于均相熱化學反應，反應溫度每升高10K，其反應速率常數變為原來的2~4倍，即范特霍夫規則

K（T+10K）/K（T） 2~4

阿倫尼烏斯方程表明活化能越高，反應速率對溫度越敏感[11]。

在淺層地殼溫度不太高時，阿倫尼烏斯方程受溫度影響可忽略。

3.2.2 催化劑、微生物對反應速率的影響

由已知研究可得，在地殼中Cu-Zn-Cr氧化物的存在，能使生成烴的收率提高；Fe、K、Cu、Co、Mn、Ni等元素對合成烯烴過程有催化效應[12]。藻青菌、海洋假單胞桿菌、輪藻、易蓋蟲、球房蟲等都參與碳酸鈣的合成；巨大芽孢桿菌、糖化菌、固氮菌、微球菌等都能參與對碳酸鹽的降解[13]。

3.2.3 輻射對反應速率的影響

有研究表明，花崗巖和沉積巖都在不同程度上存在輻射，有很多碳酸鹽巖礦也都會檢測出不同程度的輻射。這就說明，在地殼中純天然的碳酸鹽中可能都含有少量的輻射元素[14]。

在一般的化學反應中，以微波輻射為例，能夠促進分子間的轉變，加快化學反應的進程。而地殼中輻射的存在，也能在一定程度上影響碳酸鹽合成有機物的反應速率。

3.3 源分析 化學組分分析3.3.1 煤的常量組分 碳分析

碳是煤中有機質的主要組成元素。碳含量隨著煤化度升高而有規律地增加。在我國各種煤中，泥炭的干燥無灰基碳含量wdaf（C）為55%~62%，褐煤為60%~77%，煙煤為77%~93%，無煙煤為88%~98%。在同一種煤中，各種顯微組分的碳含量也不一樣，一般絲質組wdaf（C）最高，鏡質組次之，穩定組最低[15]。

作者認為，煤中碳含量的不同更能印證煤是來源于碳酸鹽而并非樹木。因為樹木在轉變過程中并不會加碳，而碳酸鹽在反應過程中碳鏈的增加和有機物的聚合都能使生成物的含碳量逐漸升高。

3.3.2 惰性組分分析

3.3.2.1煤的惰性組分構成

在煤中，碳、氫、氧等主要元素所組成的物質都是活性的，可能會在成煤過程中發生不同程度的反應，而使其在煤中所占的比例發生變化。要想研究煤究竟是怎樣形成的，就要研究煤中具有固定比例的惰性物質的來源。本文就以硅元素代表，研究煤、植物和碳酸鹽中典型惰性物質的組成。

由相關研究可知，用電感耦合等離子體原子發射光譜法測定煤和焦炭中硅、鈣、鎂和鋁的比例。結果如表2所示。

表2 電感耦合等離子體原子發射光譜法測定煤和焦炭中硅[16]

Table2 Determination of siliconin coal and coke by inductively coupled plasma atomic emissionspectrometry

由表2可知，不同煤種中硅的含量大致為2%~5%。

下邊就分別研究植物和碳酸鹽巖中惰性元素硅的含量。

3.3.2.2 植物中的硅元素成分

一般來講，可將植物按含硅量分為三類：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 禾本科植物小麥等；三是含硅量在1%以下的植物，如豆科植物和雙子葉植物楊樹、榆樹等。另外，還發現硅含量越高的植物鈣含量越低[17]。

由植物成煤理論可知，煤大多是由雙子葉植物轉化而來，但是雙子葉植物中1%以下的硅含量，與煤中2%~5%的硅含量相差較大。并且煤中硅含量越高，鈣含量也較高，雙子葉植物則相反。所以，我們有理由懷疑植物成煤理論的局限性。

3.3.2.3 碳酸鹽巖中的硅元素成分

由相關研究可知，巖漿碳酸鹽巖和沉積碳酸鹽巖次要造巖元素含量如表3所示。

表3  巖漿碳酸鹽巖和沉積碳酸鹽巖次要造巖元素含量[18]

Table3 Magma carbonateand carbonate sedimentary secondary rock forming elementscontent

由表3可知，巖漿碳酸鹽巖中SiO2含量平均值為7.6%，沉積碳酸鹽巖中SiO2含量平均值為13.4%，則巖漿碳酸鹽巖中Si的含量平均值為3.55%，沉積碳酸鹽巖中Si的含量平均值為6.26%。

將碳酸鹽巖中硅元素的含量與煤中硅元素的含量進行對比發現，二者的含量非常近似。

綜上所述，煤中的惰性物質 硅的含量與碳酸鹽巖中的硅含量較為相近，而與雙子葉植物中的硅含量相差較多。由此可知，煤更有可能是由碳酸鹽轉化而來的，而不是由植物所形成的。同樣，石油是在地下深處不斷無機合成，并通過斷層或者遷移通道，擠壓到地殼的淺層被人類開采。

3.4 自然界碳循環的完善

在上文中我們假設煤來源于碳酸鹽，在這種理論的基礎上，我們打通了石灰石、白云石等地質碳酸鹽向煤、油、氣化學轉化的渠道，如圖1所示。

圖1 自然界碳循環圖

Fig.1 Thenatural carbon cycle diagram

由圖1可知，我們打通了碳酸鹽到化石燃料的通道，所以從一定程度上來講，我們又找到了一種尋找化石燃料的新途徑。由此可知，以地殼中的碳酸鹽礦為基礎源頭，對于尋找煤、石油等能源具有一定的方向指導作用。同時，碳酸鹽與化石燃料之間的相互轉化，更符合我們可持續發展的要求，一定程度上打消人們關于 能源耗竭 的擔憂，為人類從容應對能源危機提供了一種全新的思路。另外，圖1將自然界中的碳循環描述得更為完善，突出了自然界所特有的 完美循環 特性。

4 總結

隨著科學研究的發展，對于煤等化石資源的來源問題的研究更加廣泛和深入。植物成煤的理論在歷史發展的過程中呈現出了越來越多的局限性，許多自然現象的出現并不能用植物成煤的理論來解釋。在石油 無機說 理論逐漸成熟的條件下，我們認為煤也是來源于無機物的轉化，即煤是來自碳酸鹽，而非植物。地殼中高溫高壓多水的環境，就像一個高溫高壓的化工反應釜，為碳酸鹽礦物質轉化成化石燃料提供了很好的條件，化石燃料其實也是地下超高熱能的一種儲存形式。同時，對自然界碳循環的補充和修正，打通了石灰石、白云石向煤、油、氣化學轉化的渠道，在地質條件下，煤、油、氣之間也能發生相互轉化，這更符合大自然完美循環的特點，也為今后對于化石能源的研究提供了更廣泛的方向。煤來自碳酸鹽的全新理論對于地下資源的開采、可持續資源的創造具有很好的指導和借鑒作用，為能源行業的發展也會帶來更好的前景和推動。

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