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개요편집이의 제기
석탄(石炭, coal)은 셀룰로스와 리그닌을 주성분으로 한 수목이 두껍게 쌓여서 만들어진 층이 그 위의 압력으로 탄화되어 생성된 가연성 퇴적암이다[1][2]. 주로 탄소로 구성되며 수소·산소·유황 등이 포함되어 있다[2]. 탄화 정도에 따라 이탄(피트), 토탄, 갈탄(역청탄 하위), 역청탄(유연탄), 무연탄 등으로 구분된다[2]. 위키데이터에서는 고체연료, 퇴적암, 화석연료의 상위 개념에 속하며 용도는 연료로 기재되어 있다[1].
작동 방식과 유형편집이의 제기
형성 과정(석탄화)
석탄화(coalification)는 고사 식물체가 이탄(peat)으로 변하고, 이어서 열과 압력을 받아 석탄이 되는 과정이다[3]. 지질 과거 여러 시기에 저지대 습지에 빽빽한 숲이 있었고, 죽은 식물질이 진흙이나 산성수에 의해 산화로부터 보호받으며 이탄으로 변했다[3]. 이탄층이 퇴적물에 깊이 파묻히면서 수백만 년 동안 열과 압력을 받아 수분·메테인·이산화탄소가 빠져나가고 탄소 비율이 높아졌다[3]. 도달한 최고 온도·압력에 따라 갈탄(갈색탄), 아역청탄, 역청탄, 무연탄(경탄/흑탄) 순으로 등급이 올라간다[3]. 압력·매몰 시간보다 온도가 훨씬 결정적이며, 아역청탄은 35~80°C, 무연탄은 최소 180~245°C에서 형성된다[3].
지질 시대와 분포
전체 석탄층의 90%는 석탄기(Carboniferous)와 페름기(Permian)에 퇴적되었다[3]. 역설적으로 이 시기는 전 지구적 빙하기(Late Paleozoic icehouse)였으나, 해수면 저하로 대륙붕이 드러나고 하천 삼각주가 넓게 발달해 이탄 습지 형성에 이상적이었다[3]. 산소 농도 30% 이상으로 대형 산불과 숯 형성이 빈번했고, 분해자가 분해하기 어려운 리그닌 풍부 목본이 매몰되면서 탄소 저장이 촉진되었다[3]. 이산화탄소 고농도도 식물 성장을 가속했다[3]. 석탄기 숲에는 심재에 탄소를 오래 가두지 않는 결정성장(lycophyte) 교목이 우세했다[3].
약 3억 6천만 년 전 일부 식물이 리그닌 합성 능력을 얻어 최초의 교목이 진화했으나, 균류와 세균이 리그닌 분해 능력을 갖추기까지 약 3억 년(약 2억 년 전) 동안 목재가 썩지 않고 매몰되어 석탄이 되었다는 '리그닌 간극' 가설이 계통발생 효소 복원 연구로 뒷받침된다[3]. 중앙 판게아 산맥이 적도를 따라 융기하면서 계절 없는 폭우 지대를 만들어 이탄 보존을 도운 구조론적 요인도 거론된다[3].
캄브리아기 이전 선캄브리아기 지층에서도 석탄이 발견되는데, 이는 육상식물 이전이므로 조류 잔해에서 유래한 것으로 추정된다[3]. 때로 석탄층은 순환층(cyclothem) 속에서 타 퇴적암과 교호하는데, 이는 빙하기 해수면 변동에 기인한 것으로 해석된다[3].
화학적 변화
식물 목질부는 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌으로 구성되며, 현대 이탄은 리그닌 위주에 셀룰로스·헤미셀룰로스 5~40%를 포함한다[3]. 리그닌은 중량 기준 탄소 54%, 수소 6%, 산소 30%, 셀룰로스는 탄소 44%, 수소 6%, 산소 49%다[3]. 역청탄은 탄소 84.4%, 수소 5.4%, 산소 6.7%, 질소 1.7%, 유황 1.8%로, 산소 함량 저하는 탈수·탈카복실·탈메테인 반응으로 산소와 수소가 제거되는 탄소화(carbonization) 과정을 거쳤음을 보여준다[3].
탈수: 2 R–OH → R–O–R + H₂O
탈카복실: RCOOH → RH + CO₂
탈메테인: 2 R–CH₃ → R–CH₂–R + CH₄ 등 (비트루민 등급 이후 개시)
탈수는 초기부터, 탈메테인은 역청탄 단계부터 진행되며, 지방족 화합물이 방향족으로, 방향족 고리가 다환방향족으로 융합되어 그래핀/흑연 구조에 가까워진다[3]. 기공 크기 감소 등 물리 변화도 동반된다[3].
마세랄
마세랄(maceral)은 원래 식물의 형태와 일부 성질을 보존한 석탄화 식물 부위다[3]. 비트리나이트(vitrinite, 목질 유래), 리피나이트(liptinite, 포자·조류 유래), 이너타이트(inertinite, 선사시대 산불로 탄화된 목질), 휴미나이트(huminite, 비트리나이트 전구체) 등이 있으며, 비트루민화(역청화)와 탈비트루민화(무연탄화)를 거치며 광택·파단 면이 변한다[3].
등급 분류
지질 과정의 압력·시간 경과에 따라 전구체인 이탄 → 갈탄(가장 낮은 등급, 연소 시 건강 위해 최대, 거의 전량 발전용) → 아역청탄(갈탄과 역청탄 중간, 증기발전용) → 역청탄(치밀한 퇴적암, 보통 흑색, 명암대 발달, 증기발전·코크스 제조용, 영국에서 '증기탄', 과거 증기기관차·선박 연료) → 무연탄(최고 등급, 단단하고 광택 있는 흑색, 주거·상업 난방용) → 흑연(착화 곤란, 연필심·윤활분말용) 순으로 등급이 올라간다[3]. 캐넬탄(촛불탄)은 고등급 미립 석탄으로 수소 풍부, 립티나이트 주성분, 보그헤드탄과 연관된다[3].
국제 표준은 여러 가지이며, 보통 휘발분 함량 기준이나, 가장 중요한 구분은 열탄(증기탄, 발전용 증기 발생 연소)과 강점결탄(코킹탄, 제철용 고온 연소)이다[3]. 힐트 법칙(Hilt's law)은 좁은 지역 내에서는 깊을수록 등급이 높다는 지질 관찰이나, 지열 기울기가 수직일 때만 성립하며 변성작용으로 측방 등급 변화도 일어난다(예: 미국 뉴멕시코 마드리드 탄전 일부가 관입 암맥 접촉변성으로 무연탄화된 사례)[3].
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