زغال سنگ، یک سوخت فسیلی بسیار ارزشمند است که قرن‌ها در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. این ماده ارزشمند، از بقایای گیاهی تشکیل شده است که طی میلیون‌ها سال در محیط‌های بدون اکسیژن دفن شده و تحت فشار زیادی قرار گرفته‌اند. به این ترتیب، فرآیندهای پیچیده زمین‌شناسی، مواد آلی گیاهان را به این منبع انرژی فشرده تبدیل کرده‌اند. از آنجایی که زغال سنگ از بقایای گیاهان به وجود آمده است، یک منبع انرژی تجدیدناپذیر محسوب می‌شود که نقش مهمی در تامین انرژی جهان ایفا می‌کند.

زغال سنگ: فسیل، کانی یا سنگ؟ معمایی در دل زمین!

به دلیل ماهیت آلی زغال سنگ، دسته بندی آن در گروه سنگ‌ها، کانی‌ها و فسیل‌ها، چالش برانگیز است. در واقع، زغال سنگ از استانداردهای معمول این دسته بندی‌ها پیروی نمی‌کند.

• فسیل: فسیل به هرگونه اثر و نشانه‌ای از حیات گفته می‌شود که در سنگ‌ها حفظ شده باشد. با این حال، بقایای گیاهی تشکیل‌دهنده زغال سنگ، میلیون‌ها سال تحت فشار و پختگی قرار گرفته‌اند، بنابراین نمی‌توان به طور دقیق آن‌ها را فسیل نامید.
• کانی: کانی‌ها مواد جامد، طبیعی و غیرآلی هستند. در حالی که زغال سنگ ماده‌ای جامد و طبیعی است، از مواد آلی گیاهی تشکیل شده است.
• سنگ: سنگ‌ها از کانی‌ها تشکیل شده‌اند.

با این حال، زمین شناسان زغال سنگ را یک سنگ رسوبی آلی می‌دانند. اگرچه زغال سنگ به طور کامل با معیارهای تعریف سنگ مطابقت ندارد، اما ظاهر و بافتی شبیه به سنگ دارد و در بین لایه‌های سنگ‌های رسوبی یافت می‌شود. از این رو، در عمل به عنوان یک سنگ در نظر گرفته می‌شود.

زمین شناسی علمی است که با پدیده‌های پیچیده و متنوع زمین سروکار دارد و مانند شیمی و فیزیک، قوانین ثابت و بدون استثنا ندارد. زمین شناسی مملو از "استثناها" است و زغال سنگ یکی از این موارد است.

جالب است بدانید که این موضوع حتی در بین قانون‌گذاران ایالتی نیز اختلاف نظر ایجاد کرده است: ایالت‌های یوتا و ویرجینیای غربی، زغال سنگ را به عنوان "سنگ رسمی ایالت" معرفی کرده‌اند، در حالی که کنتاکی در سال 1998، زغال سنگ را "کانی رسمی ایالت" نامید.

زغال سنگ: سنگی از جنس ماده آلی

آنچه زغال سنگ را از سایر سنگ‌ها متمایز می‌کند، منشاء آلی آن است. زغال سنگ از بقایای واقعی گیاهان مرده تشکیل شده است، نه فسیل‌های معدنی شده آن‌ها. امروزه، بیشتر مواد گیاهی مرده در اثر آتش سوزی و تجزیه از بین می‌روند و کربن خود را به صورت دی‌اکسید کربن به جو باز می‌گردانند. به عبارت دیگر، اکسید می‌شوند. اما کربن موجود در زغال سنگ از اکسیداسیون حفظ شده و به شکل شیمیایی احیا شده باقی می‌ماند و همچنان پتانسیل اکسید شدن را دارد.

زمین‌شناسان زغال سنگ، این ماده را به همان روشی مطالعه می‌کنند که سایر زمین‌شناسان سنگ‌های دیگر را بررسی می‌کنند. با این تفاوت که به جای صحبت در مورد کانی‌های تشکیل‌دهنده سنگ (زیرا زغال سنگ کانی ندارد و فقط حاوی تکه‌های ماده آلی است)، زمین‌شناسان زغال سنگ از اصطلاح ماکرال برای اشاره به اجزای تشکیل‌دهنده زغال سنگ استفاده می‌کنند. سه گروه اصلی ماکرال وجود دارد: اینرتینیت (Inertinite)، لیپتینیت (Liptinite) و ویترینیت (Vitrinite). به بیان ساده، اینرتینیت معمولاً از بافت‌های گیاهی، لیپتینیت از گرده و رزین‌ها و ویترینیت از هوموس یا مواد گیاهی تجزیه شده به دست می‌آید.

زغال سنگ کجا تشکیل می‌شود؟ سفری به اعماق تاریخ زمین

یک اصل اساسی در زمین‌شناسی وجود دارد: "حال، کلید فهم گذشته است." امروزه می‌توانیم شاهد حفظ مواد گیاهی در محیط‌های بدون اکسیژن باشیم، مانند مرداب‌های ذغال سنگ نارس ایرلند یا تالاب‌هایی مانند اورگلیدز فلوریدا. در واقع، برگ‌ها و چوب‌های فسیل شده در برخی از معادن زغال سنگ یافت می‌شوند. بر این اساس، زمین‌شناسان مدت‌هاست بر این باورند که زغال سنگ نوعی ذغال سنگ نارس است که در اثر گرما و فشار ناشی از دفن در اعماق زمین به وجود آمده است. فرآیند زمین‌شناسی تبدیل ذغال سنگ نارس به زغال سنگ، زغال‌سازی نامیده می‌شود.

ذخایر زغال سنگ بسیار بزرگتر از مرداب‌های ذغال سنگ نارس هستند، گاهی ده‌ها متر ضخامت دارند و در سراسر جهان یافت می‌شوند. این نشان می‌دهد که جهان باستان دارای تالاب‌های عظیم و طولانی‌مدت بدون اکسیژن بوده است، یعنی زمانی که زغال سنگ در حال شکل‌گیری بوده است.

تاریخچه زمین‌شناسی زغال سنگ: روایتی از اعصار دور

اگرچه زغال سنگ در سنگ‌هایی به قدمت پرکامبرین (احتمالاً 2 میلیارد سال) و به جوانی پلیوسن (2 میلیون سال) گزارش شده است، اما بخش اعظم زغال سنگ جهان در دوره کربونیفر نهشته شده است، دوره‌ای 60 میلیون ساله (359-299 میلیون سال پیش) که در آن سطح دریا بالا بود و جنگل‌هایی از سرخس‌های بلند و سیکادها در مرداب‌های گرمسیری غول‌پیکر رشد می‌کردند.

کلید حفظ مواد مرده جنگل‌ها، دفن کردن آن‌ها بود. می‌توان از سنگ‌هایی که معادن زغال سنگ را احاطه کرده‌اند، به چگونگی وقوع این فرآیند پی برد: سنگ‌های آهکی و شیل در بالا قرار دارند که در دریاهای کم عمق نهشته شده‌اند و ماسه سنگ‌ها در زیر قرار دارند که توسط دلتاهای رودخانه‌ای رسوب‌گذاری شده‌اند.

بدیهی است که مرداب‌های زغال سنگ بر اثر پیشروی دریا غرق شدند. این امر باعث شد تا شیل و سنگ آهک بر روی آن‌ها رسوب کنند. فسیل‌های موجود در شیل و سنگ آهک از موجودات آب‌های کم عمق به گونه‌های آب‌های عمیق و سپس دوباره به اشکال کم عمق تغییر می‌کنند. سپس ماسه سنگ‌ها با پیشروی دلتاهای رودخانه‌ای به دریاهای کم عمق ظاهر می‌شوند و یک لایه زغال سنگ دیگر در بالای آن قرار می‌گیرد. این چرخه از انواع سنگ‌ها، سیکلوتم نامیده می‌شود.

صدها سیکلوتم در توالی سنگ‌های کربنیفر وجود دارد. تنها یک عامل می‌تواند چنین چرخه‌ای را ایجاد کند: یک سری طولانی از عصر یخبندان که سطح دریا را بالا و پایین می‌برد. و به طور قطع، در منطقه‌ای که در آن زمان در قطب جنوب قرار داشت، سوابق سنگ‌ها شواهد فراوانی از یخچال‌ها را نشان می‌دهد.

این مجموعه از شرایط هرگز تکرار نشده است و زغال سنگ‌های کربونیفر (و دوره پرمین بعد از آن) قهرمان بلامنازع نوع خود هستند. استدلال شده است که حدود 300 میلیون سال پیش، برخی از گونه‌های قارچ توانایی هضم چوب را پیدا کردند و این پایان عصر بزرگ زغال سنگ بود، اگرچه معادن زغال سنگ جوان‌تر نیز وجود دارند. یک مطالعه ژنومی در نشریه Science در سال 2012 این نظریه را بیشتر تقویت کرد. اگر چوب قبل از 300 میلیون سال پیش در برابر پوسیدگی مصون بود، شاید شرایط بدون اکسیژن همیشه ضروری نبوده‌اند.

انواع زغال سنگ: از لینیت نرم تا آنتراسیت درخشان

زغال سنگ در سه نوع یا درجه اصلی یافت می‌شود:

1. لینیت (Lignite): اولین مرحله در تشکیل زغال سنگ، لینیت است. ذغال سنگ نارس مردابی تحت فشار و حرارت قرار می‌گیرد و به زغال سنگ قهوه‌ای و نرمی به نام لینیت تبدیل می‌شود. در این فرآیند، هیدروکربن‌ها آزاد می‌شوند که مهاجرت کرده و در نهایت به نفت تبدیل می‌شوند.
2. زغال سنگ بیتومینه (Bituminous Coal): با افزایش حرارت و فشار، لینیت هیدروکربن‌های بیشتری آزاد می‌کند و به زغال سنگ بیتومینه با درجه بالاتر تبدیل می‌شود. زغال سنگ بیتومینه سیاه، سخت و معمولاً ظاهری مات تا براق دارد.
3. آنتراسیت (Anthracite): بالاترین درجه زغال سنگ، آنتراسیت است که در اثر حرارت و فشار بسیار بیشتر ایجاد می‌شود. در این فرآیند، زغال سنگ متان یا گاز طبیعی آزاد می‌کند. آنتراسیت، سنگی سیاه، سخت و براق است که تقریباً از کربن خالص تشکیل شده و با حرارت زیاد و دود کم می‌سوزد.

اگر زغال سنگ تحت حرارت و فشار بیشتری قرار گیرد، به یک سنگ دگرگونی تبدیل می‌شود، زیرا ماکرال‌ها در نهایت متبلور شده و به یک کانی واقعی، یعنی گرافیت، تبدیل می‌شوند. این کانی لغزنده همچنان می‌سوزد، اما به عنوان روان‌کننده، ماده اولیه در مداد و کاربردهای دیگر بسیار مفیدتر است. سرنوشت کربن دفن شده در اعماق بیشتر زمین، ارزشمندتر است. در شرایط موجود در گوشته زمین، کربن به شکل کریستالی جدیدی به نام الماس تبدیل می‌شود. با این حال، زغال سنگ احتمالاً خیلی زودتر از رسیدن به گوشته زمین اکسید می‌شود، بنابراین فقط سوپرمن می‌تواند این ترفند را انجام دهد.