Var kommer kol från?

I de tropiska träskarna i antika Kentucky var ingen i närheten för att höra om fallande träd gjorde ett ljud. Men ungefär 300 miljoner år senare är bruset oundvikligt - dessa träd är nu kol, ett fossilt bränsle som länge har hjälpt människor att generera elektricitet, men vars inre demoner också framkallar klimatförändringar.

Kol ger fortfarande en stor del av amerikansk elektricitet, och eftersom mer än en fjärdedel av de globala reserverna sitter under amerikansk jord, är det en förståeligt frestande kraftkälla. Den organiska berget är faktiskt så potent och riklig att amerikanska kolresurser har en högre total energiinnehåll än all världens kända utvinnbara olja.

Men kol har också en mörk sida - det höga kolinnehållet innebär att det släpper ut mer koldioxid än andra fossila bränslen, vilket ger det ett oproportionerligt stort koldioxidavtryck. Lägg till de ekologiska kostnaderna för borttagning av bergstoppar, lagring av flygaska och koltransport, och den svarta klumpen tappar ännu mer av sin glans.

Det amerikanska energidepartementet och elkraftsindustrin har investerat mycket under åren för att rensa upp kol, från svaveldioxid och kväveoxider till dess partiklar och kvicksilver, med viss framgång. Dess växthusgasutsläpp har dock hittills trotsat kostnadseffektiva inneslutningsinsatser.

Med kol som nu genererar nästan lika många rubriker som megawatt, finns det inte många chanser att stoppa och överväga var all denna underjordiska energi kom från i första hand. Men för att fullt ut förstå de kolbaserade spöken som nu spöker vår atmosfär, hjälper det att ta en titt på fossilerna bakom bränslet.

Hur bildas kol?

Det grundläggande receptet för något bra fossilt bränsle är enkelt: Bland torv med surt, hypoxiskt vatten, täck med sediment och koka på högt i minst 100 miljoner år. När dessa förhållanden inträffade på land i massa under kolperiodperioden - särskilt i de stora tropiska torvträskarna som gav perioden dess namn - startade de den långa, långsamma koalifieringsprocessen.

"De flesta kol bildades nära ekvatorn under kolkolvet", säger geolog Leslie Ruppert, som är specialiserad på kolkemi för US Geological Survey. "Landmassorna som har dessa tjocka kol var nära ekvatorn, och förhållandena var vad vi kallar" ständigt vått ", vilket betyder ton och massor av regn."

Medan en superkontinent som kallas Gondwanaland skogade mycket av jordens jord nära Sydpolen vid den tiden, svävade några stragglare runt ekvatorn, särskilt Nordamerika, Kina och Europa (se bild till höger). Det varma "ständigt våta" vädret hjälpte till att skapa enorma torvträningar över dessa landmassor, som inte är en tillfällighet några av dagens toppkolproducenter. I vad som nu är USA täckte kolformiga torvträskor mycket av östra strandkusten och Mellanvästern, vilket gav foder för dagens kolval gruvdrift i Appalachian och Midwestern.

Kolbildningen börjar när massor av växter dör i täta, stillastående träsk som de kolformiga. Bakterier svärmar in för att äta allt och konsumerar syre under processen - ibland lite för mycket för deras eget bästa. Beroende på mängden och frekvensen för bakteriefästning, kan träskets ytvatten bli syreutarmat och utplåna samma aeroba bakterier som använde det hela. När dessa sönderdelande mikrober försvunnit slutar växtmaterialet att ruttna när det dör, istället hopar det sig i grumliga högar som kallas torv.

"Torv begravdes tillräckligt snabbt och begravdes i en anaerob miljö, vilket sker på ett bra sätt här och där, " säger USGS forskningsgeolog Paul Hackley. "En anaerob miljö förhindrade nedbrytning av bakterier. När torvträset fortsätter att växa kan du ha hundratals fot torv."

Torv själv har länge använts som bränslekälla i vissa delar av världen, men det är fortfarande långt ifrån kol. För att den omvandlingen ska ske, måste sediment så småningom täcka torven, förklarar Hackley och komprimerar den ner i jordskorpan. Den sedimenteringen kan förekomma på många olika sätt, och den svepte över många torvträsk när den kolhaltiga perioden slutade för cirka 300 miljoner år sedan. När kontinenter drev och klimat skiftades, skövdes torven ännu djupare, med sten som krossade den ovanifrån och geotermisk värme stekte den nedifrån. Över miljoner år har denna geologiska Crock-Pot tryckkokta torv avsatt för att skapa kolbäddar.

Medan Appalachias bergiga gruvor utnyttjar några av landets äldsta, största och mest ikoniska kolbäddar, bildades inte amerikanska kol samtidigt, påpekar Ruppert. Kolkoleperioden, som förut daterade dinosaurierna, var torvmyrens storhetstid, men ny koalifiering fortsatte långt in i och efter dinosauriernas ålder.

"I hela USA är många koluppsättningar inte kolhaltiga, " säger Ruppert. "Vi har äldre kolkol i öst - Appalachians, Illinois-bassängen - medan i väst är kolen mycket yngre."

I själva verket är Västern nu Amerikas främsta kolproducerande region, och tar bort en stadig ström av mindre mogna kol från Mesozoic och Cenozoic. Landets mest produktiva kolgruvor finns i Powder River Basin, en underjordisk skål som sträcker sig över delstatslinjen Montana-Wyoming. Till skillnad från kolhaltiga kol, säger Ruppert, bildades yngre avlagringar i väst oftast i stora bassänger som steg upp ur grunt hav och gradvis gick tillbaka under jord.

"Nordamerika befann sig inte längre vid ekvatorn [när västra kol bildades], men det hade också snabbt avtagande bassänger som var tektoniskt aktiva, " säger hon. "Djupa sedimentära bassänger bildades, och vegetationen omvandlades så småningom till torv eftersom bassängerna var så djupa och fortsatte att sjunka under lång tid. Regnet var rätt, klimatet var rätt, och sedan begravdes allt."

Vilka typer av kol?

Koalifiering är en pågående process, med många av de kol som vi för närvarande gräver upp och bränner fortfarande anses vara "omogna" enligt geologiska standarder. De fyra huvudtyperna listas nedan, i förfallsordning:

• Lignit: Denna mjuka, smuliga och ljusa fossil är den minst mogna torvprodukten som kan betraktas som kol. En del av den yngsta brunkiten innehåller fortfarande synliga bitar av bark och annat växtämne, även om USGS-geolog Susan Tewalt säger att det är sällsynt i USA. "Det finns vissa ligniter där du fortfarande kan se woody strukturer, men de flesta av vår brunkol är lite högre än det", säger hon. Lignite är lågkol till att börja med och innehåller endast cirka 30 procent kol eftersom det inte har upplevt den intensiva värmen och trycket som smidda starkare typer. Det finns över stora delar av Gulf Coast Plain och norra Great Plains, men det finns bara 20 operativa amerikanska lignitgruvor, de flesta i Texas och North Dakota, eftersom det ofta inte är ekonomiskt att gräva. Lignite utgör cirka 9 procent av demonstrerade amerikanska kolreserver och 7 procent av den totala produktionen, varav de flesta bränns i kraftverk för att generera el.

• Sub-bituminöst: Något hårdare och mörkare än brunkol, sub-bituminöst kol är också kraftigare (upp till 45 procent kolinnehåll) och äldre, vanligtvis går minst 100 miljoner år tillbaka. Cirka 37 procent av USA: s demonstrerade kolreserver är subbituminösa, som alla ligger väster om Mississippifloden. Wyoming är landets bästa producent, men sub-bituminösa insättningar är spridda över Great Plains och östra Rocky Mountains. Powder River Basin, den största enskilda källan till kol i USA, är en subbituminös insättning.

• Bituminös: Som den vanligaste typen av kol som finns i USA, står bituminöst för mer än hälften av landets demonstrerade reserver. Formad under extrem värme och tryck kan den vara 300 miljoner år gammal och innehålla allt från 45 till 86 procent kol, vilket ger upp till tre gånger värmevärdet för brunkol. Väst Virginia, Kentucky och Pennsylvania är de viktigaste producenterna av USA: s bituminösa kol, som huvudsakligen är koncentrerat öster om Mississippi. Det används allmänt för att generera el, och är också ett viktigt bränsle och råmaterial för stål- och järnindustrin.

• Antracit: kolens mormor är inte lätt att komma med. Antracit är den mörkaste, hårdaste och vanligtvis äldsta typen, med en kolhalt av 86 till 97 procent. Det är så sällsynt i USA att det står för mindre än en halv procent av den totala amerikanska kolproduktionen och bara 1, 5 procent av de demonstrerade reserverna. Alla landets antracitgruvor ligger i nordöstra Pennsylvania: s kolregion.

USA har världens största kända totala kolreserver, totalt nästan 264 miljarder ton. När gruvarbetare utsöndrar dessa forntida tropiska träsk och kraftverk släpper sina ångor i luften, utvecklas en nationell och global klamra över kolens framtid. Oavsett vad som händer med framtida energiförordningar kommer kolens icke-förnybarhet så småningom att driva upp sökningen efter alternativ om ingenting annat gör - vid nuvarande användning förväntas till och med amerikanska reserver bara vara i ytterligare 225 år.

Foton med tillstånd NASA, DOE, USGS

Relaterade Artiklar