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煤炭是地球上最重要的化石燃料之一，它的形成是一个极其漫长的地质过程。煤炭主要由古代植物残体经过数百万年的复杂地质作用而形成。这个过程需要特定的环境条件，包括大量植物残体的积累、缺氧的沼泽环境，以及长期的地质压力和温度作用。从最初的植物死亡到最终形成我们今天开采的煤炭，通常需要几百万年的时间。
古生代的石炭纪，大约在三点六到二点九亿年前，是地球历史上煤炭形成的黄金时期。当时的地球气候温暖湿润，大气中二氧化碳浓度很高，为植物的繁茂生长提供了理想条件。广阔的沼泽湿地覆盖了大片陆地，成为各种植物的天堂。主要的植物类型包括巨型蕨类植物、木贼类植物、鳞木类植物和封印木等。这些植物死亡后，在沼泽的缺氧环境中逐渐堆积，为后续的煤炭形成奠定了物质基础。
泥炭化阶段是煤炭形成过程中的关键步骤。当植物残体堆积在沼泽的缺氧环境中时，由于水位较高、氧气稀少，微生物的活动受到很大限制，植物的分解过程变得非常缓慢。在这种特殊条件下，植物中的纤维素开始部分分解，而木质素则相对富集，同时形成各种有机酸和腐殖酸。随着时间的推移，有机物质的含碳量逐渐增加，最终在沼泽底部形成了厚厚的泥炭层，这为后续的煤化作用提供了原始材料。
在泥炭层形成之后，地质历史进入了埋藏与压实阶段。由于地壳运动、海平面变化和持续的沉积作用，泥炭层逐渐被各种沉积物覆盖，包括砂岩、页岩、石灰岩等。随着上覆沉积物厚度的不断增加，泥炭层承受着越来越大的压力。在这种巨大压力的作用下，泥炭层发生显著的压实作用，厚度大幅减少，密度急剧增加，孔隙度明显降低，大量水分被挤出。例如，原本十米厚的泥炭层可能被压缩到只有两米厚。这个压实过程为后续的煤化作用创造了必要的物理条件。
煤化作用是煤炭形成过程中最关键的阶段，在温度和压力的共同作用下，泥炭逐步转化为不同等级的煤炭。这个过程主要受三个因素影响：温度通常在五十到二百摄氏度之间，压力达到数百至数千个大气压，时间跨度长达数百万年。随着煤化程度的加深，煤炭发生显著变化：含碳量从泥炭的百分之五十到六十，逐步增加到无烟煤的百分之九十到九十五；挥发分逐渐减少，热值逐步提高，密度不断增大。整个过程遵循泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤的演化序列，分子结构中氢碳比和氧碳比都呈下降趋势。