我是誰？我從哪里來？（三）
——煤炭的有機(jī)生成與無機(jī)生成之爭

文/胡高偉

我是誰？我從哪里來？（三）
——煤炭的有機(jī)生成與無機(jī)生成之爭

文/胡高偉

中國煤炭博物館是國家級煤炭行業(yè)博物館，年接待中外觀眾10萬余人，經(jīng)常舉辦煤炭學(xué)術(shù)交流活動。在舉辦活動的時候，我經(jīng)常會被一些學(xué)者問到一個問題，那就是煤炭究竟是有機(jī)生成，還是無機(jī)生成？按照傳統(tǒng)教科書的說法，在大多數(shù)地質(zhì)學(xué)家看來，煤炭是古植物遺體經(jīng)過生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變成的沉積有機(jī)礦產(chǎn)，是多種高分子化合物和礦物質(zhì)組成的混合物，所以煤炭是有機(jī)生成。但在不久前，《石油勘探與開發(fā)》雜志副主編王大銳博士經(jīng)過多年的研究后對石油有機(jī)說提出質(zhì)疑，石油形成的無機(jī)假說一經(jīng)提出，一下刺激了對煤炭無機(jī)生成的討論。煤炭的有機(jī)生成和無機(jī)生成再次成為熱議的話題。那么煤炭究竟是誰？煤炭究竟是從哪里來的？值得我們一起來探討。

上兩期，我們已經(jīng)了解了有機(jī)生成理論的直接證據(jù)和間接證據(jù)，今天就讓我來全面了解一下有機(jī)生成理論的理論依據(jù)。

一是能量守恒定律。按照能量守恒定律，能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只會從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而能量的總量保持不變。所以，我們可以理解為，古代動植物的能源最初也是來源于太陽。植物依靠陽光進(jìn)行光合作用制造養(yǎng)料并逐漸成長，植物將太陽能轉(zhuǎn)化成了生物能、化學(xué)能存儲在機(jī)體中。煤炭是古植物儲存了億萬年前的太陽能，因此煤、石油、天然氣所具有的能量來源于億萬年前的太陽能，也就是說我們目前使用的能量來源于億萬年前的太陽能。

二是生物化學(xué)反應(yīng)理論。一般認(rèn)為，成煤過程分為兩個階段，即泥炭化階段和煤化階段。前者主要是生物化學(xué)過程，后者是物理化學(xué)過程。在泥炭化階段，主要是植物殘骸的菌解過程，當(dāng)高等植物遺體在沼澤中堆積，在有水存在和微生物參與下，經(jīng)過分解、化合等復(fù)雜的生物化學(xué)變化，形成泥炭（泥煤）。泥炭化階段，當(dāng)原始物質(zhì)為低等植物和浮游生物時則形成腐泥，稱為腐泥化作用。泥炭和腐泥都含有大量的腐殖酸，其組成和植物的組成已經(jīng)有很大的不同。

三是物理化學(xué)反應(yīng)理論。在成煤過程的第二階段，即煤化階段，需要完成兩個連續(xù)的過程：第一個過程，是在地?zé)岷蛪毫Φ淖饔孟?，泥炭層發(fā)生壓實(shí)、失水、肢體老化、硬結(jié)等各種變化而成為褐煤。褐煤的密度比泥炭大，在組成上也發(fā)生了顯著的變化，碳含量相對增加，腐殖酸含量減少，氧含量也減少。因?yàn)槊菏且环N有機(jī)巖，所以這個過程又叫成巖作用。第二個過程，是褐煤轉(zhuǎn)變?yōu)闊熋汉蜔o煙煤的過程。在這個過程中煤的性質(zhì)發(fā)生變化，所以這個過程又叫變質(zhì)作用。地殼繼續(xù)下沉，褐煤的覆蓋層也隨之加厚。在地?zé)岷挽o壓力的作用下，褐煤繼續(xù)經(jīng)受物理化學(xué)變化而被壓實(shí)、失水，其內(nèi)部組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都進(jìn)一步發(fā)生變化，這個過程就是褐煤變成煙煤的變質(zhì)作用。煙煤比褐煤碳含量增高，氧含量減少，腐殖酸在煙煤中已經(jīng)不存在了。煙煤繼續(xù)進(jìn)行變質(zhì)作用，由低變質(zhì)程度向高變質(zhì)程度變化，從而出現(xiàn)了低變質(zhì)程度的長焰煙、氣煤，中等變質(zhì)程度的肥煤、焦煤，高變質(zhì)程度的瘦煤、貧煤。它們之間的碳含量也隨著變質(zhì)程度的加深而增大。

四是生物進(jìn)化理論。按照生物進(jìn)化論的觀點(diǎn)，任何生物包括植物都是從低等到高等進(jìn)化的，植物在這漫長的進(jìn)化過程中遵循著以下的發(fā)育規(guī)律與演變歷程，即：生命物質(zhì)的產(chǎn)生—細(xì)菌的形成—光合菌的誕生—藻類植物的開始—無明顯分化的裸蕨類植物—有分化的蕨類植物—裸子植物—被子植物。而煤炭的有機(jī)生成理論在生物進(jìn)化論這里找到了依據(jù)，得到了印證。

五是煤田地質(zhì)理論。煤田地質(zhì)找礦理論最初起始于盆地分析理論，在煤田地質(zhì)勘探工作中，主要應(yīng)用的找煤理論包括地球動力學(xué)、板塊構(gòu)造理論、層序地層學(xué)、構(gòu)造控煤理論、盆地分析理論和事件沉積學(xué)。其中，與煤的生成關(guān)系更為密切的是構(gòu)造控煤理論、盆地分析理論和事件沉積學(xué)。應(yīng)用構(gòu)造控煤理論可以全面客觀地分析構(gòu)造控煤類型，研究不同構(gòu)造條件下的成煤模式和構(gòu)造演化以及聚煤規(guī)律，以此來有效地指導(dǎo)在預(yù)測工作中圈定遠(yuǎn)景區(qū)和富煤區(qū)。通過盆地分析重點(diǎn)研究沉積條件下含煤旋回巖相組合規(guī)律和煤層厚度發(fā)育特征，探討富煤帶的形成條件。事件沉積學(xué)認(rèn)為，沉積物都是各種地質(zhì)事件的記錄?？梢哉f，正是地質(zhì)事件的種類與規(guī)模的差異，導(dǎo)致了沉積物質(zhì)的多樣化，所以對它們的研究也應(yīng)該給予高度重視。值得說明的是，無論哪種煤田地質(zhì)理論，都是在煤炭有機(jī)生成的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究和實(shí)踐的。這些理論既是對煤炭有機(jī)生成理論的印證，也是對煤炭有機(jī)生成理論的支撐。

每一種煤田地質(zhì)理論都是一個相對獨(dú)立的理論體系，相互聯(lián)系也各有側(cè)重。傳統(tǒng)的成煤作用理論或以往大多數(shù)煤田地質(zhì)研究者認(rèn)為，成煤作用發(fā)生在一個水進(jìn)水退旋回中的水退期。世界上很多煤層是在水退過程中或者是在近海成煤環(huán)境形成的，海退條件下形成的煤系要求盆地沉降不能停止?！瓣懴喑擅耗Ｊ健备苷f明成煤的環(huán)境是在陸相條件下或者是在盆地水域退卻的情況下泥炭沼澤發(fā)育而成煤。在煤田地質(zhì)學(xué)理論體系中，成煤作用理論是最重要的組成部分。泥炭沼澤的定位是既不是水域也不是陸地，沼澤是水域與陸地的過渡環(huán)境。在成煤作用過程中，這樣的過渡環(huán)境是非常關(guān)鍵的。

六是煤的結(jié)構(gòu)理論。通過煤的結(jié)構(gòu)分析，可以進(jìn)一步證明煤炭是植物生成的事實(shí)。煤的結(jié)構(gòu)是指煤巖成分的形態(tài)、大小、厚度、植物組織殘跡以及它們之間相互關(guān)系所表現(xiàn)出來的特征，反映了成煤原始物質(zhì)的成分、性質(zhì)及在成煤時和成煤后的變化。

煤的結(jié)構(gòu)又分為原生結(jié)構(gòu)和次生結(jié)構(gòu)，前者是指由成煤原始物質(zhì)及成煤環(huán)境所形成的結(jié)構(gòu)，后者是指煤層形成后受到應(yīng)力作用產(chǎn)生各種次生的宏觀結(jié)構(gòu)。

常見的原生結(jié)構(gòu)有：條帶狀結(jié)構(gòu)、線理狀結(jié)構(gòu)、凸鏡狀結(jié)構(gòu)、均一狀結(jié)構(gòu)、粒狀結(jié)構(gòu)、葉片狀結(jié)構(gòu)、纖維狀結(jié)構(gòu)、木質(zhì)狀結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)從不同側(cè)面印證植物與煤的聯(lián)系，比如木質(zhì)狀結(jié)構(gòu)分析中發(fā)現(xiàn)，煤中保存了植物莖部的木質(zhì)纖維組織的痕跡，植物莖干的形態(tài)清晰可辨。褐煤中常可見到木質(zhì)狀結(jié)構(gòu)，有些低煤階煙煤中也可見到，山西繁峙發(fā)現(xiàn)的“紫皮炭”就是最好的例證。

（作者單位：中國煤炭博物館）

各成煤時期與成煤古植物的對照

中國煤炭博物館收藏的褐煤標(biāo)本

中國煤炭博物館侏羅紀(jì)場景復(fù)原