煤炭是怎么形成的,或者说煤炭为什么可以几乎全是碳?

(长文不带图,全文复制于《煤田地质学》)
煤是由植物残骸经过复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的。这个转变过程叫做植物的成煤作用。一般认为,成煤过程分为两个阶段泥炭化阶段和煤化阶段。前者主要是生物化学过程,后者是物理化学过程。\\n在泥炭化阶段,植物残骸既分解又化合,最后形成泥炭或腐泥。泥炭和腐泥都含有大量的腐植酸,其组成和植物的组成已经有很大的不同。\\n煤化阶段包含两个连续的过程:\\n第一个过程,在地热和压力的作用下,泥炭层发生压实、失水、肢体老化、硬结等各种变化而成为褐煤。褐煤的密度比泥炭大,在组成上也发生了显著的变化,碳含量相对增加,腐植酸含量减少,氧含量也减少。因为煤是一种有机岩,所以这个过程又叫做成岩作用。\\n第二个过程,是褐煤转变为烟煤和无烟煤的过程。在这个过程中煤的性质发生变化,所以这个过程又叫做变质作用。地壳继续下沉,褐煤的覆盖层也随之加厚。在地热和静压力的作用下,褐煤继续经受着物理化学变化而被压实、失水。其内部组成、结构和性质都进一步发生变化。这个过程就是褐煤变成烟煤的变质作用。烟煤比褐煤碳含量增高,氧含量减少,腐植酸在烟煤中已经不存在了。烟煤继续进行着变质作用。由低变质程度向高变质程度变化。从而出现了低变质程度的长焰烟、气煤,中等变质程度的肥煤、焦煤和高变质程度的瘦煤、贫煤。它们之间的碳含量也随着变质程度的加深而增大。\\n温度对于在成煤过程中的化学反应有决定性的作用。随着地层加深,地温升高,煤的变质程度就逐渐加深。高温作用的时间愈长,煤的变质程度愈高,反之亦然。在温度和时间的同时作用下,煤的变质过程基本上是化学变化过程。在其变化过程中所进行的化学反应是多种多样的,包括脱水、脱羧、脱甲烷、脱氧和缩聚等。\\n压力也是煤形成过程中的一个重要因素。随着煤化过程中气体的析出和压力的增高,反应速度会愈来愈馒,但却能促成煤化过程中煤质物理结构的变化,能够减少低变质程度煤的孔隙率、水分和增加密度。\\n当地球处于不同地质年代,随着气候和地理环境的改变,生物也在不断地发展和演化。就植物而言,从无生命一直发展到被子植物。这些植物在相应的地质年代中造成了大量的煤。在整个地质年代中,全球范围内有三个大的成煤期:\\n (1)古生代的石炭纪和二迭纪,成煤植物主要是袍子植物。主要煤种为烟煤和无烟煤。\\n (2)中生代的株罗纪和白垩纪,成煤植物主要是裸子植物。主要煤种为褐煤和烟煤。\\n (3)新生代的第三纪,成煤植物主要是被子植物。主要煤种为褐煤,其次为泥炭,也有部分年轻烟煤。
煤的元素组成
煤的组成以有机质为主体,构成有机高分子的
主要是碳、氢、氧、氮等元素。煤中存在的元素有数十种之多,但通常所指的煤的元素组成主要是五种元素、即碳、氢、氧、氮和硫。在煤中含量很少,种类繁多的其他元素,一般不作为煤的元素组成,而只当作煤中伴生元素或微量元素。
一、煤中的碳
一般认为,煤是由带脂肪侧链的大芳环和稠环所组成的。这些稠环的骨架是由碳元素构成的。因此,碳元素是组成煤的有机高分子的最主要元素。同时,煤中还存在着少量的无机碳,主要来自碳酸盐类矿物,如石灰岩和方解石等。碳含量随煤化度的升高而增加。在我国泥炭中干燥无灰基碳含量为55~62%;成为褐煤以后碳含量就增加到60~76.5%;烟煤的碳含量为77~92.7%;一直到高变质的无烟煤,碳含量为88.98%。个别煤化度更高的无烟煤,其碳含量多在90%以上,如北京、四望峰等地的无烟煤,碳含量高达95~98%。因此,整个成煤过程,也可以说是增碳过程。
二、煤中的氢
氢是煤中第二个重要的组成元素。除有机氢外,在煤的矿物质中也含有少量的无机氢。它主要存在于矿物质的结晶水中,如高岭土(Al203·2Si02·2H2O)、石膏(CaS04·2H20 )等都含有结晶水。在煤的整个变质过程中,随着煤化度的加深,氢含量逐渐减少,煤化度低的煤,氢含量大;煤化度高的煤,氢含量小。总的规律是氢含量随碳含量的增加而降低。尤其在无烟煤阶段就尤为明显。当碳含量由92%增至98%时,氢含量则由2.1%降到1%以下。通常是碳含量在80~86%之间时,氢含量最高。即在烟煤的气煤、气肥煤段,氢含量能高达6.5%。在碳含量为65~80%的褐煤和长焰煤段,氢含量多数小于6%。但变化趋势仍是随着碳含量的增大而氢含量减小。 
三、煤中的氧 
氧是煤中第三个重要的组成元素。它以有机和无机两种状态存在。有机氧主要存在于含氧官能团,如羧基(–COOH),羟基(–OH)和甲氧基(–OCH3)等中;无机氧主要存在于煤中水分、硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐和氧化物中等。煤中有机氧随煤化度的加深而减少,甚至趋于消失。褐煤在干燥无灰基碳含量小于70%时,其氧含量可高达20%以上。烟煤碳含量在85%附近时,氧含量几乎都小于10%。当无烟煤碳含量在92%以上时,其氧含量都降至5%以下。 
四、煤中的氮 
煤中的氮含量比较少,一般约为0.5~3.0%。氮是煤中唯一的完全以有机状态存在的元素。煤中有机氯化物被认为是比较稳定的杂环和复杂的非环结构的化合物,其原生物可能是动、植物脂肪。植物中的植物碱、叶绿素和其他组织的环状结构中都含有氮,而且相当稳定,在煤化过程中不发生变化,成为煤中保留的氮化物。以蛋白质形态存在的氮,仅在泥炭和褐煤中发现,在烟煤很少,几乎没有发现。煤中氮含量随煤的变质程度的加深而减少。它与氢含量的关系是,随氢含量的增高而增大。 
五、煤中的硫 
煤中的硫分是有害杂质,它能使钢铁热脆、设备腐蚀、燃烧时生成的二氧化硫(SO2)污染大气,危害动、植物生长及人类健康。所以,硫分含量是评价煤质的重要指标之一。煤中含硫量的多少,似与煤化度的深浅没有明显的关系,无论是变质程度高的煤或变质程度低的煤,都存在着有机硫或多或少的煤。
煤中硫分的多少与成煤时的古地理环境有密切的关系。在内陆环境或滨海三角训平原环境下形成的和在海陆相交替沉积的煤层或浅海相沉积的煤层,煤中的硫含量就比较高,且大部分为有机硫。
根据煤中硫的赋存形态,一般分为有机硫和无机硫两大类。各种形态的硫分的总和称为全硫分。所谓有机硫,是指与煤的有机结构相结合的硫。有机硫主要来自成煤植物中的蛋白质和微生物的蛋白质。煤中无机硫主要来自矿物质中各种含硫化合物,一般又分为硫化物硫和硫酸盐硫两种,有时也有微量的单质硫。硫化物硫主要以黄铁矿为主,其次为白铁矿、磁铁矿((Fe7S8)、闪锌矿(ZnS)、方铅矿(PbS)等。硫酸盐硫主要以石膏(CaSO4·2H20)为主,也有少量的绿矾 (FeSO4·7H 20 )等。

题主核心点在为何现在看到的煤中有机质含量如此之高或者说灰分如此之低,先说答案:当前主流认识是沉积的时候就是这么高的有机质含量,及这么低的灰分含量,后期无机物并没有多大改变。煤这个名词本身就自带低灰分属性。比如有机质含量在百分之60以上称之为煤,那些灰分高于百分之四十的只是叫做炭质泥岩,或者说高炭泥岩,这些有机质含量在百分之十至百分之四十炭质泥岩在自然界很多,但数量来说远小于煤,煤作为一种聚集有机质和一种沉积岩,是有它的特殊性。另外,无论哪种煤都含有灰分,我见过的最低的是百分之一,最高的就是上面说的百分之40,灰分含量再高点就考虑给它换个名称了,炭质泥岩或者夹矸,前面已经提及。
虽然说问题包含了成煤与煤结构演化,但煤结构演化一块基本已经清楚,同时也比较容易理解,其实就是脱氧脱氢,芳构化秩序化的过程,无机质只是稍微有些改变,部分矿物质会形成比如黄铁矿,还有裂隙中石英方解石充填,或者粘土矿物发生转化,但不会有特别大的改变,并不能解答题主的疑惑。所以这个问题的关键在于成煤理论,煤炭是怎么沉积的,为何沉积中无机质含量这么低,以沉积学的基本观点来看稍微有些不可思议,这也给学习者带来较多的困扰。
诚然,现在的成煤理论不算完善,主流的成煤理论是原地成煤理论,另外亦是有异地成煤理论和微异地成煤理论,异地成煤理论支持点在于个别成煤物质发生了搬运现象。不过原地成煤理论与异地成煤理论都认为煤沉积的时候有机质含量就是很高,很少有矿物质进入。
煤沉积过程是一层一层的植物遗体的堆积,前一批植物死亡后,后一批植物在死亡的遗体上继续生长,之后再倒下,新一批植物在此生长,实际上的泥炭沼泽的高度要略高于旁边的水位,也就使得外界的流水不能流入其中,而是再一旁绕过,泥炭沼泽内部的水主要靠降雨,这样外界的流水并不能携带泥沙进入沼泽,所以基本没有矿物质来源。厚煤层的沉积还要依靠地壳的稳定下降,使得沉下去一段时间的植物遗体在水面以下隔绝空气,不至于被彻底分解,巨厚煤层的形成是讲究天时地利人和。
(两侧是河流,中间凸起为泥炭沼泽)
(现今的事例)
(注意水流方向)
以上所述为偏向于陆相成煤理论,但对于海相如何成煤?煤炭的形成均变论与突变或者说灾变论各持什么观点,等有空的时候再继续更新。
草草回答,如有问题,敬请指出。

植物枯落物与动植物残骸及有机残留物在土壤中,经过各种菌类及微生物的分解,会形成腐殖质。腐殖质现在业界还没有一个很清晰透彻的研究,我们现在只知道它的主要组成成分。而它的组成成分大部分为有机物,这是其一。其二,虽然类似碳酸钙这样的反应参与者,但他们参与变化的那些量并不大,所占比重也不是特别的大。因为他们的化学反应的比例这是一定的,再多也没用,也融不进。其三,煤炭在地下深埋。它的物质交换并不频繁,在有限的空间内,它的元素交换是有限的,这行成了一个特定的环境。愚见,希望对楼主有帮助。一定有错误和遗漏的地方,希望各位知友指出来,

分类\\n\\n有褐煤、烟煤、无烟煤、半无烟煤等几种煤炭。 \\n\\n褐煤  多为块状,呈黑褐色,光泽暗,质地疏松;含蒸发分40%左右,燃点低,简单着火,焚烧时上火快,火焰大,冒黑烟;含碳量与发热量较低(因产地煤级不同,发热量差异很大),焚烧时间短,需经常加煤。 \\n\\n烟煤  一般为粒状、小块状,也有粉状的,多呈黑色而有光泽,质地详尽,含蒸发分30%以上,燃点不太高,较易点燃;含碳量与发热量较高,焚烧时上火快,火焰长,有很多黑烟,焚烧时间较长;大多数烟煤有粘性,焚烧时易结渣。 \\n\\n无烟煤  有粉状和小块状两种,呈黑色有金属光泽而发亮。杂质少,质地紧密,固定碳含量高,可达80%以上;蒸发分含量低,在10%以下,燃点高,不易着火;但发热量高,刚焚烧时上火慢,火上来后比较大,火力强,火焰短,冒烟少,焚烧时间长,粘结性弱,焚烧时不易结渣。应掺入适量煤土烧用,以减轻火力强度。   \\n\\n 1989年10月 ,国家规范局发布《 中国煤炭分类国家规范 》(GB5751-86),依据枯燥无灰基蒸发分Vdaf、粘结指数G、胶质层最大厚度Y、奥亚膨胀度 b、煤样透光性 P、煤的恒湿无灰基高位发热量Qgr,maf等6项分类指标,将煤分为14类。即褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气煤、气肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤和无烟煤。这种煤归于规范的无烟煤,蒸发份不高含硫量也很低,是好煤

1,植物的体积的大部分是水,所以变煤前期的过程主要是脱水。脱水再加压力,碳的比例就增加了。
2,泥炭纪的时候可以分解死亡植物的微生物还未进化出来,所以植物倒在地上后,这些被固化的碳并不会变回气体,而是持续在原地积累。没有分解植物的微生物,不等于植物倒下去还会保持树木原状,而是会变干变软,成为类似“木粉”或“木质土”堆积在新一代植物脚下。
3,生长在成煤区的植物并不会像如今的植物这样可以屹立上百年,植物生长到一定高度,因为自重就会在木粉中倒下,为后一代植物开拓了生长空间,继续吸收太阳能固碳,直到长到一定高度后倒下,如此循环。这个时候下一层的木质土就受到了上一层的压力,密度增加,水分继续散失。同时由于区域压力的增加,有可能导致整个地质的下沉,为新一代植物生长提供了空间,厚煤层都是如此形成的。

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