煤炭从哪里来?

更新于2019年1月28日
在大约3亿年前的石炭纪时期,当今的大多数煤炭都在赤道附近形成。 Rasta777 /快门

在古代肯塔基州的热带沼泽中,没有人在附近听到树木倒下是否发出声音。但是,大约3亿年后,噪音不可避免地消失了-这些树木现在是煤炭,一种长期以来一直在帮助人类发电的化石燃料,但其内在的恶魔也会引起气候变化。

煤炭仍然占美国电力的很大一部分,而且 超过四分之一 的全球储备位于美国的土壤之下,'是可以理解的诱人动力。实际上,这种有机岩石是如此强大而丰富,以至于美国的煤炭资源具有比世界上更高的总能源含量'已知的可采油。

但是煤炭也有一个阴暗面-高碳含量意味着它比其他化石燃料排放更多的二氧化碳,这使其碳足迹不成比例。加上生态成本 清除山顶,粉煤灰存储和煤炭运输,黑块失去了更多的光泽。

多年来,美国能源部和电力行业已投入巨资清理煤炭,从二氧化硫和氮氧化物到颗粒物和汞,都取得了一定的成功。然而,迄今为止,其温室气体排放已超出了具有成本效益的遏制措施。

如今,煤炭发电量几乎与兆瓦一样多,因此'首先有很多机会停下来考虑所有地下能源的来源。但是,要完全了解现在困扰我们大气层的碳基鬼魂,它有助于查看燃料背后的化石。

煤是如何形成的?

任何优质化石燃料的基本配方都很简单:将泥炭与酸性,低氧的水混合,用泥沙覆盖,并在高温下烹饪至少一亿年。当这些情况在石炭纪时期大规模发生时,尤其是在以该时期命名的广阔的热带泥炭沼泽中,它们启动了漫长而缓慢的碳化过程。

"在石炭纪,大多数煤是在赤道附近形成的,"美国地质调查局专门研究煤化学的地质学家莱斯利·鲁伯特(Leslie Ruppert)说。"拥有这些厚煤的陆地接近赤道,我们称之为条件'ever-wet,'意味着无数的雨水。"

而超大陆 冈瓦纳兰 占据了地球的大部分'在当时南极附近的土地上,一些散布在赤道附近的游荡者,特别是北美,中国和欧洲(参见右图)。温暖的"ever-wet"天气有助于在这些土地上造成大量泥炭沼泽,而今天并非偶然'最大的煤炭生产商。在什么'现在是美国,石炭纪的泥炭沼泽覆盖了东部沿海和中西部的大部分地区,为今天提供了饲料'阿巴拉契亚和中西部的煤矿开采。

大量植物死亡时开始形成煤 茂密,停滞的沼泽 像石炭纪的。细菌蜂拥而至,吃掉了一切,在此过程中消耗了氧气-有时对自己有益。根据细菌盛宴的数量和频率,沼泽'的地表水可能会耗尽氧气,从而将用尽所有细菌的需氧细菌清除掉。随着这些分解微生物的消失,植物物质在死亡时不再腐烂,而是堆积在被称为泥炭的糊状堆中。

"泥炭被足够快地掩埋并掩埋在厌氧环境中,偶然的情况在这里和那里发生,"USGS研究地质学家Paul Hackley说。"厌氧环境可防止细菌降解。随着泥炭沼泽的不断增长,您可能拥有数百英尺的泥炭。"

泥炭本身早已在世界某些地区用作燃料来源,但是它'与煤炭仍然相去甚远。为了实现这种转变,哈克利解释说,沉积物必须最终覆盖泥炭,并将其压缩到地球上'地壳。这种沉积可以以多种方式发生,并且在大约3亿年前的石炭纪时期结束时,它席卷了许多泥炭沼泽。随着大陆的漂移和气候变化,泥炭被推得更深,岩石被从上方压碎,地热从下方被烘烤。数百万年以来,这种地质Crock-Pot压力蒸煮的泥炭沉积物产生了煤层。

虽然阿巴拉契亚's 山地雷 进入一些国家'美国煤炭公司是美国最古老,最大,最具标志性的煤床'鲁珀特指出,所有这些都立即形成。早于恐龙的石炭纪时期是泥炭沼泽'鼎盛时期,但是新的煤化作用一直持续到恐龙时代以后。

"在美国各地,很多煤炭矿床都不是石炭纪的," Ruppert says. "在东部,我们有较老的石炭纪煤—伊利诺伊州阿巴拉契亚盆地—而在西部,煤要年轻得多。"

实际上,西方现在 美国'最大的产煤区,从中生代和新生代开始不断生产不成熟的煤。国家'最多产的煤矿位于 粉末河流域,一个横跨在蒙大拿州-怀俄明州线的地下碗。鲁珀特说,与石炭质煤不同,西方的年轻矿床大多形成在大型盆地内部,这些盆地从浅海中升起,然后逐渐滑回地下。

"北美不再处于赤道(西方煤炭形成时),但它也迅速沉降了活跃的构造盆地," she says. "形成了深厚的沉积盆地,由于这些盆地很深且持续了很长时间的沉降,植被最终转变为泥炭。降雨合适,气候合适,然后一切都被掩埋了。"

煤的种类是什么?

煤化是一个持续的过程,目前我们仍在研究和挖掘许多煤炭。"immature"根据地质标准。下面按成熟度列出了四种主要类型:

•褐煤: 这种柔软,易碎和浅色的化石是被认为是煤炭的最不成熟的泥炭产品。尽管USGS地质学家Susan Tewalt表示,一些最年轻的褐煤仍包含可见的树皮和其他植物碎片。'在美国很少见。"在某些褐煤中,您仍然可以看到木质结构,但是我们大多数褐煤的品位比这更高。"她说。褐煤一开始就是低品位煤,自从开始就只含有约30%的碳。'经历了强烈的热和压力,从而形成了更强的类型。它'分布在墨西哥湾沿岸平原和大平原北部的大部分地区,但只有20座在美国运营的褐煤矿,大部分位于德克萨斯州和北达科他州'挖掘往往不经济。褐煤约占美国已探明煤炭储量的9%,占总产量的7%,其中大部分在发电厂燃烧以发电。

•次沥青: 亚烟煤比褐煤稍硬和暗,比煤更强大(碳含量高达45%)和更老的版本,通常可以追溯到至少一亿年前。美国约37%'探明的煤炭储量为次烟煤,均位于密西西比河以西。怀俄明州是国家'是最大的生产国,但次沥青矿床遍布大平原和落基山脉东部。粉末河盆地是美国煤炭的最大单一来源,是次烟煤矿床。

•沥青: 作为美国最丰富的煤炭类型,烟粉占美国一半以上'的探明储量。它是在极高的热量和压力下形成的,具有3亿年的历史,并且碳含量在45%至86%之间,是褐煤发热量的三倍。西弗吉尼亚州,肯塔基州和宾夕法尼亚州是美国烟煤的主要生产国,这些烟煤主要集中在密西西比州以东。它'广泛用于发电,也是钢铁行业的重要燃料和原材料。

•无烟煤: 煤炭的祖父是'很难得到。无烟煤是最暗,最硬且通常最古老的类型,碳含量为86%至97%。它'在美国如此罕见,它仅占美国煤炭总产量的不到0.5%,仅占已证实储量的1.5%。全国各地'的无烟煤矿位于宾夕法尼亚州东北部's 煤炭地区.

美国拥有世界'最大的已知总煤炭储量,总计近2640亿吨。随着矿工们挖掘出这些古老的热带沼泽和发电厂将其蒸气释放到空中,在煤炭的未来中,全国乃至全球的喧嚣声正在形成。不管未来的能源法规发生什么,煤炭'如果没有其他措施,则不可再生性最终将推动寻找替代品的可能性-在目前的使用情况下,甚至美国的储量也只能预期再维持225年。

图片由NASA,DOE,USGS提供