多少木材才能變出那麼厚的煤?變成爛泥還是煤,就一力…


多少木材才能變出那麼厚的煤?變成爛泥還是煤,就一力之差?的頭圖

多少木材才能變出那麼厚的煤?變成爛泥還是煤,就一力之差?

煤就是植物變的,當然這個植物不只是高大的喬木,當然還可能來自灌木的木本與草本植物,它們吸收大地的養分和水分,結合陽光固化了大氣層中的碳,變成了複雜的有機物,最後在漫長的地質化學作用中變成了煤炭!

植物到底會經歷什麼樣的過程,才能變成煤炭?

石油是無機成因還是有機成因到現在還在扯皮中,儘管石油的有機成因已經成為主流說法,但由於石油和史前有機物相差實在太大,因此懷疑的人還不在少數,甚至還包括極少數科學家!

但煤炭的成因很早就形成共識了,道理很簡單,我們可以在煤炭中發現煤化的植物化石,不只是化石,而是煤化的化石,從這個角度來看,煤炭就是植物變的,這個科學道理連肉眼都可以分辨!成煤的兩個階段:

第一階段是泥炭化階段

這個階段是在常溫與常壓下,堆積在停滯水體中的植物經過腐泥作用或者泥炭化作用,變成腐泥或者泥炭的階段,這個階段的植物已經經過分解和化合,最後才形成泥炭或者腐泥,此時的泥炭和腐泥含有大量的腐殖酸,和原來的植物成分上已經有了很大的不同!

西伯利亞苔原或者歐洲很多沼澤都有泥炭層,從很久以前起泥炭沼澤附近的居民都知道可以作為燃料使用,因此很多當地居民有將泥炭掘回家當過冬的燃料!

可做燃料的泥炭

這些泥炭沼澤的PH值很低,所以歐洲沼澤發現過很多沼澤木乃伊,比如著名的圖倫男子!而2020年發生的北極圈內火災,也燒到了泥炭層,這個類似於煤層燃燒的火災,可以在地下潛伏燃燒很久,一直到某個時刻露頭重新形成大火!

泥炭沼澤木乃伊

泥炭層發生的大火

第二階段是煤化階段

這個階段是泥炭或者腐泥因地質變動被深埋時,由於壓力的作用,經過成岩過程轉化成褐煤,當溫度和壓力繼續身高時會轉變成煙煤和無菸煤,這個階段以物理化學變化為主,這個階段也稱煤化作用。

褐煤中的植物殘片

泥炭:褐煤﹑煙煤﹑無菸煤﹑超無菸煤

腐泥:腐泥褐煤﹑腐泥煙煤﹑腐泥無菸煤和腐泥超無菸煤

煤炭

其中煤化作用包括成岩和變質作用兩個過程,前者主要以壓力為主,泥炭會在壓力作用下緊實,會經歷脫水、固結成為褐煤;後者則主要以溫度為主,在壓力輔助下,褐煤轉變成煙煤和無菸煤直至超無菸煤,變質作用繼續會形成半石墨和石墨!

1、煤炭的成煤作用是一個脫氧脫氫,芳構化秩序化的過程,也是一個富集有機質的沉積岩,比如在在泥炭和軟褐煤階段主要的生物化學反應是成煤原始物質形成腐殖酸。

2、硬褐煤階段,已形成的腐殖酸逐漸失去羥基(-OH)和羧基(-COOH)等官能團,轉變為腐殖質!

3、低煤化階段煤中的芳環層很小,而且是隨機分佈的,是由大量富氫官能團、富氧橋以及脂肪族側鏈支撐和聯結;

4、煤化過程中,芳環層逐漸脫去羧基(-COOH)、羥基(-OH)、甲氧基(-OCH 3 )以及羰基等官能團,同時芳環層逐步增大,鏡質體反射率也隨之增高,所以煤炭閃閃發亮就是這個原因

筆者老家就有一處還沒有煤化的褐煤露頭點,原本以為會成為煤礦大肆開採,結果經過評估後認為沒有開採價值,據說有幾個原因,首先是煤化不夠,其次是灰分太高,簡單的說就是夾雜了石頭太多了!

煤層

植物變成煤炭的比例大概是多少?也就是多少植物能變成多少煤炭?

煤炭中除了煙煤和無菸煤等區別外,灰分比例是煤炭等級的重要指標,最好的煤灰分比例很低,可以低至1%,如果灰分比例高於40%,那麼就無法稱之為煤了,只能叫炭質泥岩,或者高碳泥岩。

植物狀態到煤炭狀態的比例很難評估,不過我們可以從幾個側面來看看大概是多少交換比:

從燃燒值和密度比例可以做個簡單的比較,標準煤的熱值為2.93×10^7焦/千克,木材的熱值取1.26×10^7焦/千克,標準煤是木材的2.33倍,而煤炭的密度差異比較大,褐煤相對密度小於1.3噸/立方米,煙煤為1.3~1.4噸/立方米,無菸煤為1.4~1.9噸/立方米,我們取值1.5噸/立方米,木材密密度跨度從0.35~0.95噸/立方米,我們取值0.5噸/立方米

那麼兩者總差距大約為7倍,也就是一立方米煤炭至少需要7立方米木材來轉換,而且還不包括轉換過程中的損失,那麼從本案中9米厚煤層至少也需要63米厚的木材堆積腐化後才能形成,看起來是一個好恐怖的數字不是嗎?

但其實這並沒有什麼,我們在森林中步行時會發現有一個非常厚的腐殖質層,這一層就是森林中大量的落葉和枯枝等形成,而煤炭需要從能形成泥炭的地方開始,這些區域營養豐富,水分充足,而且時間可以是百萬年的加持,所以原材料並不是什麼大問題!

煤炭形成後的地質運動

泥炭沼澤都是水平沉積的,但成煤後的煤層大都是傾斜,當然也不排除水平煤層,這和成煤後的地質運動是有關的,我們知道普通的地面都會因多種因素沉降,而地球在長期的演化中出現一些變化也是非常正常事情!

畢竟只有在完全沒有乾擾的情況下才會形成水平煤層!