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1、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：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
2、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 coalMA Shuang-chen, SUN Zhi-bin, CHENGong-da，BieXuan(College of the Environment,NorthChinaElectricPowerUniversity(Baoding),Baoding071003,Hebei,China)Abstract:With the increasing consumption of fossil energy
3、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 th
4、e 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 earths crust, the analysis about themajor components and inert components of
5、 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
6、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3.4107焦/千克，木材燃烧值取1.26107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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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7041227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
13、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+H2OH2CO3H+HCO3-HCO3-H+CO32-CaCO3CaO+CO23.1.2 CO2或碳酸盐合成有机物反应综合举例（1）CO2合成甲烷：CO2+4H2
14、=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+CO2H2NCOONH4（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-= CH2OCaCO3+O2（条件：
15、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8Table1 The distribution of carbon element in the earths crust分布种类含量（单位：g）大气中CO26.41017生物体质量8.31017不溶有机质1.51018沉淀和土壤中的有机碳3.51018未溶CO23.81019石灰石和其他固相碳酸盐1.81022有机碳：
