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从岩石圈物质循环看煤炭的“前世今生”

发表时间：2021/6/17 来源：《教学与研究》2021年5月下作者：马彩凤

[导读] 煤炭自古以来就是重要的燃料和化工原料。本文从岩石圈物质循环角度探究煤炭的前世今生，即：煤炭资源的生成以及经变质作用煤化石墨的形成过程。同时论述了我国北方地区能源矿（煤炭）储量远丰于南方地区的原因。探究实际教学过程中常见问题，也为三大类岩石的转化提供典型案例，帮助学生更好的理解岩石圈的物质循环过程。

盐城市田家炳中学马彩凤 224600

摘要：煤炭自古以来就是重要的燃料和化工原料。本文从岩石圈物质循环角度探究煤炭的前世今生，即：煤炭资源的生成以及经变质作用煤化石墨的形成过程。同时论述了我国北方地区能源矿（煤炭）储量远丰于南方地区的原因。探究实际教学过程中常见问题，也为三大类岩石的转化提供典型案例，帮助学生更好的理解岩石圈的物质循环过程。
关键词：岩石圈；物质循环；煤炭；变质作用
分类号：G634.55
        引言
        煤炭是可燃性有机岩的一种，主要由碳、氢、氧、氮、硫等有机质元素构成，是地球上蕴藏量最丰富、分布地域最广的固体燃料和化工原料之一，广泛应用于能源、冶金、化学、轻纺、交通运输等行业，是名副其实的工业粮食，自古以来就有“黑金子”的美誉，被称为太阳能化石[1]。
        一、煤炭的“前世”-成煤的地质条件
        煤炭储藏于沉积岩中，常见植物的枝、杆、叶等碳化标本藏于其中，把煤切成薄片在显微镜下观察，能够清楚看到植物组织和构造，有的煤层里还包裹着完整的昆虫化石。煤炭化学成分主要为碳元素，碳元素普遍存在于生物界，因此关于煤炭的成因，有机成因普遍得到大众认可。
        该学说认为煤炭由植物演变而来。远古时代，地球表面一些低洼积水地区尤其在湖畔和沼泽、盆地等低洼地带和有水的环境里繁殖着大量的植物，植物死后倒入水中，慢慢被泥沙覆盖，这就造成了倒木和氧隔绝的情况。在缺氧的环境里，植物体不会很快地分解、腐烂，随着倒木数量的不断增加，最终形成了植物遗体的堆积层。经过一系列生物化学变化，植物遗体逐渐形成了泥炭层。此时泥炭并不是煤，而是一种燃料。由于地壳的运动，泥炭层下沉，从而被泥沙、岩石等沉积物覆盖起来，一方面受到上面泥沙、岩石等的沉重压力，另一方面，泥炭层又受到地热的作用。随着泥炭层上覆盖沉积物逐渐加厚，泥炭层受到高温高压的作用，逐渐被压实脱水，碳的含量逐渐增加，氧的含量逐渐减少，从而引起物理性质和化学性质的变化，泥炭变成褐煤，再变成烟煤，最后变成无烟煤[2]。
        一座煤矿的煤层厚薄与地区地壳下降速度及植物遗骸堆积的多少有关。地壳下降速度快，植物遗骸堆积越厚，煤层就厚，反之，煤层就越薄[3]。同时由于地壳的构造运动使水平煤层发生褶皱和断裂，一些煤层埋到地下更深的地方，有的出露到地表。
        不同地区煤炭的成矿原因：一是成煤的地质条件，二是成煤时代。
        石炭纪、二叠纪、侏罗纪和第三纪是重要的成煤时代。最早的煤层出现在4亿年前，在一些宁静浅水海湾中，有低等菌藻植物大量繁殖，遗体经过成煤作用，形成石煤。石炭纪开始，陆地面积扩大，出现了茂密的森林以及高大植物个体，为大规模成煤提供了物质条件，一直延续到二叠纪。第二个成煤期为侏罗纪，主要与气候和造山运动（持续下陷的盆地）有关。第三纪也是一个世界性聚煤时期，但规模和分布较前面成煤期较小[4]。
        对于我国而言，石炭纪和二叠纪早期，我国北方气候温暖湿润，以陆地环境为主，是重要的煤炭形成期；二叠纪中期以后，气候逐渐转为干旱，我国南方浅海广布，石炭、二叠纪煤田规模小而分散。侏罗纪时期我国“南海北陆”格局形成，气候条件加上持续下陷的盆地形成了良好的成矿条件，如陕甘宁盆地煤田的形成就是如此。但我国南方大型盆地气候偏于干旱，形成了大面积红色岩层，煤层的发育比北半球各大陆少得多[5]。这也解释了我国煤炭南少北多格局的成因。
        这一观点肯定了煤炭来源于植物，经过一系列系统的演变而成。但同时部分学者提出了不同观点：①煤炭形成条件。煤层厚度最大可达百米以上，一个矿区煤储量达数百万亿立方米，如何做到大量的森林在某一时刻迅速沉入地下堆积成矿？从植物“生长-死亡-堆积-成矿”周期来看，不符合生物发展规律。②不同时期的煤层却集中分在同一地域。煤炭由植物堆积而成，远古时代地球植被茂盛，世界各地都应分布有深浅不一的煤层，面积应该很大，土层与煤层界限也不会过于清晰。事实显然不符合地质变迁规律。③生态环境在时间上是延续的，现代生态环境中未发现生物体碳化痕迹。在煤层中也未见到大量植物状态的煤炭，而是结晶块状或粉状的煤。因此有学者提出煤炭无机成因说[6]。该学说认为煤炭是地球大气中单质碳的沉淀物。5.8亿年前，太阳系灾变，地球遭受了天外流星体的袭击，大气中同一种元素的尘埃颗粒相互聚集，其中，由单质碳颗粒沉降形成原始的煤炭矿藏。最终经历不同时期的地质演变过程，最初形成的碳沉积层被深埋地下部分，经高温高压变成了优质煤炭；沉积于地表浅层的碳沉积层，由于没有高温高压的过程，形成的煤质相对较差。煤炭与原始的沉积岩几乎是在同一时期形成的，都是大气尘埃的沉淀物，所以煤层与沉积岩层夹伴而生，呈现出多层次结构。

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        无论有机成因还是无机成因，碳来源是核心问题，但不可否认的是煤炭主要由碳元素构成，在持续的高温高压条件下，碳质物质发生转化，埋藏于地层，并且呈现出一定的地域性特点。
        二、煤炭的“今生”-煤基石墨的转化
        地球上的一切物质都处在有序的循环过程中，岩石圈同样遵循这一自然规律。三大类岩石可在一定作用下相互转化，沉积岩、岩浆岩经变质作用形成变质岩；变质岩、岩浆岩经风化、侵蚀、搬运、堆积、固结成岩等外力作用形成沉积岩；岩浆岩、沉积岩、变质岩在地下深处经过重熔再生再次形成新的岩浆。如此循环往复，实现岩石圈物质交换和能量传输。
        说到煤炭就离不开石墨。煤炭和石墨均由碳元素组成，二者为同素异构体，在外观上也具有相似性，颜色为黑色或钢灰色，染手，半金属光泽，质软，指甲可划动。石墨矿是价值极高的矿产资源，广泛应用于高温坩埚、润滑剂、电极、铸模面涂料、原子反应堆的中子减速剂以及作为人工合成金刚石的原料等各个行业，当前石墨矿已成为我国具有战略意义的矿产资源。
        石墨是煤层在大规模岩浆侵入作用下经高温高压热变质作用而成。煤在温度、压力及较长地质时间等因素作用下，煤结构发生一系列物理化学变化，包括脱氢、脱氧、碳比例升高、挥发分减少等。煤的变质作用起步于褐煤阶段，经不同变质程度形成烟煤、无烟煤。无烟煤在受到地热梯度、高压和构造应力作用(与变质作用)时，可以从变质无烟煤转化成半石墨，最后变成石墨[6，7]。在变质过程中，煤与周围环境进行物质和能量交换、元素迁移。因此，石墨常见于石墨大理岩、石墨片岩或石墨片麻岩等变质岩中。不同的地质作用条件下，石墨化程度不同，因此天然石墨矿石的晶体结构有着较大的差异。石墨是含碳有机质连续演化过程的终态产物。其中碳质来源、含矿岩石、热力学条件、石墨化时间是重要的成矿要素。
        三、岩石圈物质循环过程中矿物的转化
        以煤炭的石墨化为例，在岩石圈的物质循环过程中，尤其是持续高温高压条件下，原岩经变质作用形成特定矿物，即变质相，变质相带内的矿物组合能够反映其大致的变质条件。
        例如煤炭中黏土类矿物（主要包括高岭石、伊利石、绢云母、蒙皂石、绿泥石、叶腊石等）占比较大，约为煤中矿物总量的70%，而粘土矿物对环境中温度、压力的变化比较敏感，因此常作为划分沉积地层的依据。以高岭土为例，温度约500 ℃时，高岭土发生脱水反应生成偏高岭土，后者即使在900 ℃的高温下仍会存在；温度为925 ~1000℃时，偏高岭石分解为硅尖晶石；当温度高于1000℃以后，形成似莫来石；温度高于1400℃，主要的稳定相物质是莫来石和方石英；莫来石在1800℃分解为熔融石英和刚玉[8]。
煤中硫化矿物主要是黄铁矿、少量的黄铜矿、方铅矿和闪锌矿等。黄铁矿在无氧条件下高温分解为单质铁和硫。铁质矿物在高温热处理过程中， Fe会与其它矿物反应生成铁橄揽石、铁尖晶石、铁铝榴石、斜铁辉石等[9]。
        石英也是煤中最常见的矿物质之一，石英在热处理过程中会发生形态上的转变：573℃低温石英发生相变成为高温石英；高温石英在876℃时部分转变为鳞石英；鳞石英在1470℃时转变为方石英；1723 ℃时成为熔融石英[10]。
        小结
        煤是储藏在沉积岩层中，由一定地质年代生长的繁茂植物，在适宜的地质环境中，逐渐堆积成厚层，并埋没在水底或泥沙中，经过漫长地质年代的天然煤化作用而形成的。在变质作用下煤可转化为石墨。并且在高温高压作用下，会形成相对固定的矿物组合，可作为岩石类型“将今论古”的依据。本文阐述的实例可作为实际教学过程典型案例进行讲解，使得学生更好的理解沉积岩的形成以及变质作用对矿产资源的形成、岩石岩性的改变起到十分重要的作用，更好的帮助学生理解三大类岩石之间的转化以及岩石圈物质循环的地理意义。
参考文献
[1]沈毅，怀俊东，彭成龙，李飞，胡春燕，李珍.我国石墨资源特征与差异化应用进展[J].矿产保护与利用，2020，40(02):171-178.
[2]王建华.浅析薄煤层成因及煤炭分布格局[J].企业导报，2011(18):270.
[3]李久庆，秦勇，陈义林，师庆民，郑长东.我国煤基石墨资源与制烯潜力[J].煤炭科学技术，2020，48(S1):261-269.
[4]敖双龙.浅谈煤炭资源的成因及性质[J].中国新技术新产品，2011(16):196.
[5]李阔.湖南新化煤系石墨结构有序化过程研究[D].中国矿业大学(北京)，2019.
[6]邱钿.煤的石墨化过程及煤系矿物变迁规律研究[D].中国矿业大学，2019.
[7]闫超.石墨矿床成矿规律分析[J].世界有色金属，2017(03):197+199.
[8]路言秋.黏土矿物高温热变及对储层孔隙结构的影响[J].科学技术与工程，2015，15(24):66-71.
[9]杨慧沙.中等嗜热、高温菌体系磁黄铁矿的浸出行为及浸出过程电化学研究[D].中南大学，2014.
[10]吴逍.高纯石英原料选择评价及提纯工艺研究[D].西南科技大学，2016.