程美信(九米厚的煤层是多高的树木变成的)
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2023-12-04
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1. 程美信,九米厚的煤层是多高的树木变成的?
煤炭、石油和天然气是目前世界上利用历史最长、规模最大、在能源消费领域占比最高的3种一次能源,近现代几百年来,由它们的直接燃烧释放能量、或者深化加工制成相应能源产品,在推动世界经济社会发展和保障基本民生等方面,发挥了举足轻重的作用。在这3大传统能源中,煤炭的发现历史最长、开采强度最高、在能源结构中所占的比重最大,同时在燃烧过程中向空气中释放的二氧化碳总量也最多,在能源结构调整和推进绿色发展过程中,减煤降碳也成了最关键、难度最大的任务。
煤层的厚度千差万别关于煤炭的形成,目前科学界早已经形成共识,那就是在漫长的地质作用过程,以大量植物为基础,通过富集、沉积、有机物碳化等一系列过程,逐渐演化为煤炭。而根据成煤前植物的种类、数量、富集环境、沉积时间以及地质运动等条件的不同,所形成的煤炭形态、煤层位置和厚度都会有所差异。
其实九米厚的煤层,在地球所有煤炭矿藏中根本算不上什么,稍微规模大点的都能突破十米大关,比如辽宁抚顺的西露天矿,其煤层平均厚度为55米,最深处可达150多米,是我国最大的露天煤矿。对比之下,我国最大的井工煤矿-陕西神木大柳塔煤矿,有3个煤层可以开采,总厚度15米左右。根据行业默认的标准,井工煤矿煤层厚度超过3.5米、露天煤矿煤层厚度超过10米,方可称为“厚煤矿”,处在这个标准的煤炭产量,占到了我国煤炭总产量的45%左右。
煤炭的形成过程有很多朋友一直都非常疑惑,深达数米甚至数十米的煤层,需要多高的树木变成呢?其实,当我们清楚煤炭是如何演变而来,这个问题回过头来就知道怎么回事了。在地球历史上,曾经发生过五次生物大灭绝事件,其中有四次对植物造成了极具毁灭性的打击,比如3.5亿年前的泥盆纪晚期、2.5亿年前的二叠纪末期、2亿年前的三叠纪末期以及6500万年前的白垩纪末期,造成大量植物死亡的原因可归纳为以下几个方面,一是气候冷热剧烈变换,二是超级火山爆发,三是小行星撞击。
而在几次生物大灭绝期间,超级火山爆发是由剧烈的地质运行所引发,而小行星撞击则推动全球性火山和大规模地震的发生,在此过程中,大量植物的残骸随着水流冲击、地质运动从地球表面被带到了地下,在地下经过复杂的生化、物理化学和地球化学等作用过程,最终形成了不同品质的煤炭,这也是为何在有的煤炭中能够发现植物化石的原因。植物成残骸到变为煤炭,大体可以分为泥炭化和成煤化两个主要阶段。
泥炭化阶段:植物的残体在土壤积水环境中,通过好氧菌、放线菌、真菌等微生物的分解,除释放相应的气体、水之外,剩余植物的有机物质与分解产物之间又会发生合成作用,形成新的有机化合物,最终形成泥炭或者腐泥物质,这些物质是形成煤层的重要基础,而死去的微生物也成为以后形成煤层的一部分。在泥炭层的中上部为氧化环境,含有大量的腐殖酸、木质纤维、树脂等,在泥炭层的下部为还原环境,主要是沉积的较难分解的植物角质、树腊、沥青质等。在很多沼泽地带,由于具备了泥炭形成所有条件,上层聚积了大量泥炭化物质,一些附近的居民习惯于将这些物质抽离带回,适当干燥化后可直接作为燃料使用。
成煤化阶段:随着沉积作用的持续或者地质作用对地表的扰动,前面形成的泥炭层会受到持续性的压力作用,从而发生失水、硬化过程,先演化为褐煤(是一种煤化程度不彻底的煤,杂质多、热值低),形成了类似岩石的性状,这个过程也叫作煤的成岩过程。此后,随着褐煤沉积的深度逐渐增加,所受到的压力和周围温度都逐渐提升,一方面含水量进一步降低,另一方面腐殖质含量越来越低直至消失、而含碳量增加,从而发生脱羟、脱羧、脱甲烷等变质作用,逐渐演化为烟煤、无烟煤甚至石墨。
煤炭的厚度和来源植物的高度之间存在对应关系吗?从以上煤炭的形成过程我们可以看出,煤层的高低,既取决于当时埋入的植物数量,同时也取决于煤层规模的大小(即延展长度),另外也取决于包裹煤层岩石的特性。由于树木等植物在形成煤炭之前,必然要发生相应的分解、重组和挤压等过程,所以,树木的高度和能够形成多厚的煤层之间没有必然的对应关系。
不过我们可以换一种思路来做个简单的推测,那就是用密度差。煤炭的平均密度我们取烟煤的中间值1.55克/立方厘米,木材取0.5克/立方厘米,也就是说二者是3.1:1的关系,考虑到木材在泥炭化和成煤化的过程中,有一部分会被微生物分解或者高温变性而损耗营养物质,所以估且用4:1来衡量,于是我们可以得出,在相同延展长度的情况下,9米厚的煤层至少需要36米厚的木材(忽略木材中间的空隙)才能够形成。
煤层产生倾角的原因至于煤层都有倾角,就非常容易解释了,毕竟在煤层的形成过程中,一方面基岩(承载煤层)不可能完全与地平面平行,煤层沿着基岩分布,底部的接触面也就不会水平,从而形成一定的倾角。
另一方面,在地质作用的影响下,原本相对规则的煤层,也有可能会有一部分区域发生沉降、隆起或者断层,这就使得从小尺度上看,煤层无论是上层还是下层,都会有一定的倾角。
还有,就是煤炭在形成过程中,不同的植物、不同的压力环境,也会造成煤层密度和分布的不均匀性,出现倾角也再所难免了。
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1. 程美信,九米厚的煤层是多高的树木变成的?
煤炭、石油和天然气是目前世界上利用历史最长、规模最大、在能源消费领域占比最高的3种一次能源,近现代几百年来,由它们的直接燃烧释放能量、或者深化加工制成相应能源产品,在推动世界经济社会发展和保障基本民生等方面,发挥了举足轻重的作用。在这3大传统能源中,煤炭的发现历史最长、开采强度最高、在能源结构中所占的比重最大,同时在燃烧过程中向空气中释放的二氧化碳总量也最多,在能源结构调整和推进绿色发展过程中,减煤降碳也成了最关键、难度最大的任务。
煤层的厚度千差万别关于煤炭的形成,目前科学界早已经形成共识,那就是在漫长的地质作用过程,以大量植物为基础,通过富集、沉积、有机物碳化等一系列过程,逐渐演化为煤炭。而根据成煤前植物的种类、数量、富集环境、沉积时间以及地质运动等条件的不同,所形成的煤炭形态、煤层位置和厚度都会有所差异。
其实九米厚的煤层,在地球所有煤炭矿藏中根本算不上什么,稍微规模大点的都能突破十米大关,比如辽宁抚顺的西露天矿,其煤层平均厚度为55米,最深处可达150多米,是我国最大的露天煤矿。对比之下,我国最大的井工煤矿-陕西神木大柳塔煤矿,有3个煤层可以开采,总厚度15米左右。根据行业默认的标准,井工煤矿煤层厚度超过3.5米、露天煤矿煤层厚度超过10米,方可称为“厚煤矿”,处在这个标准的煤炭产量,占到了我国煤炭总产量的45%左右。
煤炭的形成过程有很多朋友一直都非常疑惑,深达数米甚至数十米的煤层,需要多高的树木变成呢?其实,当我们清楚煤炭是如何演变而来,这个问题回过头来就知道怎么回事了。在地球历史上,曾经发生过五次生物大灭绝事件,其中有四次对植物造成了极具毁灭性的打击,比如3.5亿年前的泥盆纪晚期、2.5亿年前的二叠纪末期、2亿年前的三叠纪末期以及6500万年前的白垩纪末期,造成大量植物死亡的原因可归纳为以下几个方面,一是气候冷热剧烈变换,二是超级火山爆发,三是小行星撞击。
而在几次生物大灭绝期间,超级火山爆发是由剧烈的地质运行所引发,而小行星撞击则推动全球性火山和大规模地震的发生,在此过程中,大量植物的残骸随着水流冲击、地质运动从地球表面被带到了地下,在地下经过复杂的生化、物理化学和地球化学等作用过程,最终形成了不同品质的煤炭,这也是为何在有的煤炭中能够发现植物化石的原因。植物成残骸到变为煤炭,大体可以分为泥炭化和成煤化两个主要阶段。
泥炭化阶段:植物的残体在土壤积水环境中,通过好氧菌、放线菌、真菌等微生物的分解,除释放相应的气体、水之外,剩余植物的有机物质与分解产物之间又会发生合成作用,形成新的有机化合物,最终形成泥炭或者腐泥物质,这些物质是形成煤层的重要基础,而死去的微生物也成为以后形成煤层的一部分。在泥炭层的中上部为氧化环境,含有大量的腐殖酸、木质纤维、树脂等,在泥炭层的下部为还原环境,主要是沉积的较难分解的植物角质、树腊、沥青质等。在很多沼泽地带,由于具备了泥炭形成所有条件,上层聚积了大量泥炭化物质,一些附近的居民习惯于将这些物质抽离带回,适当干燥化后可直接作为燃料使用。
成煤化阶段:随着沉积作用的持续或者地质作用对地表的扰动,前面形成的泥炭层会受到持续性的压力作用,从而发生失水、硬化过程,先演化为褐煤(是一种煤化程度不彻底的煤,杂质多、热值低),形成了类似岩石的性状,这个过程也叫作煤的成岩过程。此后,随着褐煤沉积的深度逐渐增加,所受到的压力和周围温度都逐渐提升,一方面含水量进一步降低,另一方面腐殖质含量越来越低直至消失、而含碳量增加,从而发生脱羟、脱羧、脱甲烷等变质作用,逐渐演化为烟煤、无烟煤甚至石墨。
煤炭的厚度和来源植物的高度之间存在对应关系吗?从以上煤炭的形成过程我们可以看出,煤层的高低,既取决于当时埋入的植物数量,同时也取决于煤层规模的大小(即延展长度),另外也取决于包裹煤层岩石的特性。由于树木等植物在形成煤炭之前,必然要发生相应的分解、重组和挤压等过程,所以,树木的高度和能够形成多厚的煤层之间没有必然的对应关系。
不过我们可以换一种思路来做个简单的推测,那就是用密度差。煤炭的平均密度我们取烟煤的中间值1.55克/立方厘米,木材取0.5克/立方厘米,也就是说二者是3.1:1的关系,考虑到木材在泥炭化和成煤化的过程中,有一部分会被微生物分解或者高温变性而损耗营养物质,所以估且用4:1来衡量,于是我们可以得出,在相同延展长度的情况下,9米厚的煤层至少需要36米厚的木材(忽略木材中间的空隙)才能够形成。
煤层产生倾角的原因至于煤层都有倾角,就非常容易解释了,毕竟在煤层的形成过程中,一方面基岩(承载煤层)不可能完全与地平面平行,煤层沿着基岩分布,底部的接触面也就不会水平,从而形成一定的倾角。
另一方面,在地质作用的影响下,原本相对规则的煤层,也有可能会有一部分区域发生沉降、隆起或者断层,这就使得从小尺度上看,煤层无论是上层还是下层,都会有一定的倾角。
还有,就是煤炭在形成过程中,不同的植物、不同的压力环境,也会造成煤层密度和分布的不均匀性,出现倾角也再所难免了。
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