我是誰？我從哪里來？（三）
——煤炭的有機生成與無機生成之爭

文/胡高偉

我是誰？我從哪里來？（三）
——煤炭的有機生成與無機生成之爭

文/胡高偉

中國煤炭博物館是國家級煤炭行業博物館，年接待中外觀眾10萬余人，經常舉辦煤炭學術交流活動。在舉辦活動的時候，我經常會被一些學者問到一個問題，那就是煤炭究竟是有機生成，還是無機生成？按照傳統教科書的說法，在大多數地質學家看來，煤炭是古植物遺體經過生物化學作用和物理化學作用轉變成的沉積有機礦產，是多種高分子化合物和礦物質組成的混合物，所以煤炭是有機生成。但在不久前，《石油勘探與開發》雜志副主編王大銳博士經過多年的研究后對石油有機說提出質疑，石油形成的無機假說一經提出，一下刺激了對煤炭無機生成的討論。煤炭的有機生成和無機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，我們已經了解了有機生成理論的直接證據和間接證據，今天就讓我來全面了解一下有機生成理論的理論依據。

一是能量守恒定律。按照能量守恒定律，能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，只會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到其他物體，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。植物依靠陽光進行光合作用制造養料并逐漸成長，植物將太陽能轉化成了生物能、化學能存儲在機體中。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。

二是生物化學反應理論。一般認為，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過程，后者是物理化學過程。在泥炭化階段，主要是植物殘骸的菌解過程，當高等植物遺體在沼澤中堆積，在有水存在和微生物參與下，經過分解、化合等復雜的生物化學變化，形成泥炭（泥煤）。泥炭化階段，當原始物質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有很大的不同。

三是物理化學反應理論。在成煤過程的第二階段，即煤化階段，需要完成兩個連續的過程：第一個過程，是在地熱和壓力的作用下，泥炭層發生壓實、失水、肢體老化、硬結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。因為煤是一種有機巖，所以這個過程又叫成巖作用。第二個過程，是褐煤轉變為煙煤和無煙煤的過程。在這個過程中煤的性質發生變化，所以這個過程又叫變質作用。地殼繼續下沉，褐煤的覆蓋層也隨之加厚。在地熱和靜壓力的作用下，褐煤繼續經受物理化學變化而被壓實、失水，其內部組成、結構和性質都進一步發生變化，這個過程就是褐煤變成煙煤的變質作用。煙煤比褐煤碳含量增高，氧含量減少，腐殖酸在煙煤中已經不存在了。煙煤繼續進行變質作用，由低變質程度向高變質程度變化，從而出現了低變質程度的長焰煙、氣煤，中等變質程度的肥煤、焦煤，高變質程度的瘦煤、貧煤。它們之間的碳含量也隨著變質程度的加深而增大。

四是生物進化理論。按照生物進化論的觀點，任何生物包括植物都是從低等到高等進化的，植物在這漫長的進化過程中遵循著以下的發育規律與演變歷程，即：生命物質的產生—細菌的形成—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。而煤炭的有機生成理論在生物進化論這里找到了依據，得到了印證。

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

每一種煤田地質理論都是一個相對獨立的理論體系，相互聯系也各有側重。傳統的成煤作用理論或以往大多數煤田地質研究者認為，成煤作用發生在一個水進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境形成的，海退條件下形成的煤系要求盆地沉降不能停止。“陸相成煤模式”更能說明成煤的環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育而成煤。在煤田地質學理論體系中，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境。在成煤作用過程中，這樣的過渡環境是非常關鍵的。

六是煤的結構理論。通過煤的結構分析，可以進一步證明煤炭是植物生成的事實。煤的結構是指煤巖成分的形態、大小、厚度、植物組織殘跡以及它們之間相互關系所表現出來的特征，反映了成煤原始物質的成分、性質及在成煤時和成煤后的變化。

煤的結構又分為原生結構和次生結構，前者是指由成煤原始物質及成煤環境所形成的結構，后者是指煤層形成后受到應力作用產生各種次生的宏觀結構。

常見的原生結構有：條帶狀結構、線理狀結構、凸鏡狀結構、均一狀結構、粒狀結構、葉片狀結構、纖維狀結構、木質狀結構。不同結構從不同側面印證植物與煤的聯系，比如木質狀結構分析中發現，煤中保存了植物莖部的木質纖維組織的痕跡，植物莖干的形態清晰可辨。褐煤中常可見到木質狀結構，有些低煤階煙煤中也可見到，山西繁峙發現的“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本

中國煤炭博物館侏羅紀場景復原