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16.1: 化石燃料的类型和形成

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    化石燃料是不可再生的能源，由生活在数百万年前的植物和微生物的有机物质形成。 这种能量最初是由植物、藻类和光合细菌等活生物通过光合作用捕获的。 有时这被称为化石太阳能，因为过去太阳的能量已转化为化石燃料中的化学能。 正如《食物链》和《食物网与物质》中所讨论的那样，有机分子储存化学能，当这些分子中能量较高（不太稳定）的键被破坏形成能量较低（更稳定）的键时，就会释放出化学能。 化石燃料是不可再生的，因为它们的形成需要数百万年的时间。 此外，古代环境中更高的生产力允许更多的化石燃料积累，这意味着现在可用的化石燃料储量不一定能在未来数百万年内再生。

    化石燃料主要由碳氢化合物（只有碳和氢的分子）组成，但它们所含的氮、硫、氧和其他元素含量也较少。 精确的化学结构因化石燃料（煤炭、石油或天然气）的类型而异。 煤炭中的分子往往比石油和天然气中的分子大。 因此，煤在室温下是固体，石油是液体，天然气处于气相。 具体而言，煤是一种黑色或深棕色的固体化石燃料，是在古代沼泽植被形成的岩层中的煤层中发现的。 石油和天然气都是地下发现的化石燃料，由海洋微生物形成。 石@@ 油（石油）是一种液态化石燃料，由各种碳氢化合物组成，而天然气是一种气态化石燃料，主要由甲烷和其他小碳氢化合物组成。

    煤炭

    煤炭是化石沼泽的产物，尽管据推测，陆地植物之前的一些较旧的煤炭矿床来自藻类积聚。 煤炭是在植物材料在缺氧条件下长时间掩埋、加热和压缩时形成的（图\(\PageIndex{a}\)）。 数百万年前，各大洲位于不同的地点，气候不同，沼泽状植被覆盖了许多地区。 当植被死亡时，由于缺氧条件，它无法完全分解。 相反，它形成了泥炭（一种有机含量高的棕色物质）。 经过数百万年的高压和高温，泥炭被掩埋并形成了煤炭。 压力来自沉积物的重量以及大陆碰撞。

    煤炭形成过程分为三个步骤，显示沼泽植被的掩埋情况
    图\(\PageIndex{a}\)：煤炭是在 3 亿年前（恐龙出现之前）沼泽中的大型植物死亡时形成的。 数百万年来，这种植被被埋在水和泥土之下（一亿年前）。 最终，高温和压力将枯死的植物变成了煤，煤炭存在于岩石和泥土层之下。 图片来自美国能源信息管理局/国家能源教育发展项目（公共领域）。

    有几种不同类型的煤炭质量各不相同（图\(\PageIndex{b}\)）。 煤炭在形成过程中承受的热量和压力越大，其燃料价值就越大，煤炭就越理想。 沼泽转化为煤炭各个阶段的一般顺序如下：

    沼泽 → 泥炭 → 褐煤 → 亚沥青煤 → 沥青煤 → 无烟煤 → 石墨

    该图显示了煤炭类型与能量含量和碳含量的关系
    图\(\PageIndex{b}\)：煤炭排名取决于能量含量，以总热值（燃烧释放的能量）和可以燃烧的碳含量（固定碳的百分比）来衡量。 无烟煤（橙色）是质量最高的煤，具有很高的能量和碳含量。 其次是沥青煤（灰色）、亚沥青煤（绿色）和褐煤（黄色）。 这三种煤的碳含量都低于无烟煤。 沥青煤的能量含量很高，但亚沥青煤和褐煤的能量含量较低。 图片由美国地质调查局（公共领域）提供。

    具体而言，泥炭压实通过一种称为岩化的过程形成坚硬的岩石，从而产生褐煤（褐煤，一种低质量的煤炭）。 随着热量和压力的增加，褐煤变成亚沥青煤和沥青煤。 褐煤、亚沥青煤和沥青煤被视为沉积岩，因为它们来自压实的沉积物。 在非常高的热量和压力下，沥青煤会转化为无烟煤，这是一种高品位煤，是最理想的煤炭，因为它提供了最高的能量输出（图\(\PageIndex{c}\)）。 无烟煤被认为是一种变质岩，因为它已经被压实和转化到比其他形式的煤更密集的程度，并且不再含有片状的沉积物层。 随着更多的热量和压力驱逐所有容易蒸发的成分并留下纯碳，无烟煤可以变成石墨。

    一块黑色闪亮的岩石
    图\(\PageIndex{c}\)：无烟煤，最高等级的煤。

    石油和天然气

    由古代海洋微生物（浮游生物）形成的石油和天然气。 当浮游生物死亡时，它们被埋在沉积物中。 与煤一样，缺氧条件限制了分解。 随着沉积物的持续积累，死亡生物被进一步掩埋。 数百万年的高温和高压最终从这些死亡生物中产生了石油和天然气。

    石油和天然气的形成分为三个步骤。 海洋微生物被掩埋并暴露在高温和高压下。
    图\(\PageIndex{d}\)：石油（石油）和天然气是由海洋微生物形成的。 （图片文字提到了微小的海洋植物，但它们主要是藻类和光合细菌，而不是植物。） 在3亿至4亿年前，它们被层层的淤泥和沙子覆盖。 数百万年来，这些遗骸被埋得越来越深。 它们是在 1 亿年前拍摄的。 巨大的高温和压力使残留物变成了石油和天然气。 现在，石油和天然气矿床位于地下，可以通过钻探沙子、淤泥和岩石层来开采。 图片来自美国能源信息管理局/国家能源教育发展项目（公共领域）。

    当岩石由最初捕获浮游生物的沉积物形成时，由于压力和温度的升高，石油和天然气会从源岩中泄漏出来，然后迁移到岩柱中更高的另一个岩石单元。 如果岩石是多孔且可渗透的岩石，则该岩石可以充当石油和天然气的储层。 石油通常位于地球表面以下一到两英里（1.6 — 3.2 km）处，无论是在陆地还是海洋。

    陷阱是地下地质结构和不可渗透层的组合，有助于阻挡石油和天然气的流动，并将其浓缩以备日后人类开采。 陷阱将流体化石燃料汇集到一种结构中，在这种配置中，开采更有可能获利，这种化石燃料被称为传统石油和天然气（图\(\PageIndex{e}\)）。 在陷阱（非常规石油和天然气）之外开采石油或天然气效率较低且成本更高；有时在经济上根本不可行（不产生利润）。 非常规化石燃料的例子包括油页岩、致密油和天然气、焦油砂（油砂）和煤层气。

    地球部分显示了各种石油和天然气储量，有些是传统的，有些是非常规的。
    图\(\PageIndex{e}\)：传统的石油和天然气矿床被困在不可渗透的岩石之下（灰色）。 常规天然气可能与石油有关，也可能与石油无关。 页岩和砂岩中发现的煤层甲烷和致密气体就是非常规化石燃料的例子。 图片来自美国地质调查局/环境影响评估局（公共领域）

    油页岩

    油页岩是一种细粒沉积岩，有时含有干酪根，这是一种最终可以用来制造石油产品的固体材料。 为了开采化石燃料，必须对材料进行开采和加热，这很昂贵，通常会对环境产生负面影响。

    致密油和天然气

    致密油和天然气也被困在页岩中，即孔隙率相对较高、渗透率较低的细粒沉积岩中。 它们与油页岩的不同之处在于，它们可以通过称为水力压裂（水力压裂）的过程提取。

    同样，水力压裂法可用于从渗透率低的致密沙子中提取天然气，这些砂岩是含气的细颗粒砂岩或碳酸盐（由含有碳酸盐的矿物制成的岩石，二氧化碳 -）。

    焦油沙

    焦油砂或油砂是含有高粘度石油产品（如焦油）的砂岩，因此与传统石油不同，无法钻探和抽出地下（图\(\PageIndex{f}\)）。 所讨论的化石燃料是沥青，只有在极低的回收率下才能将其作为流体泵送，并且只有在加热或与溶剂混合时才能被泵送。 因此，注入蒸汽和溶剂或开采焦油砂以供后期加工可用于从沙子中提取焦油。 （请参阅有关采矿、加工和发电中煤炭的露天采矿的相关信息。） 众所周知，加拿大艾伯塔省拥有世界上最大的焦油砂储量。

    砂岩外观呈颗粒状，呈黑色，带有焦油。
    图\(\PageIndex{f}\)：来自加利福尼亚中新世蒙特雷组的焦油砂岩。

    煤层气

    还发现一些天然气与煤层（煤层气）有关，煤层气由煤炭形成过程中产生的甲烷组成。

    归因

    由 Melissa Ha 从以下来源修改：