碳中和·碳中和的历史--碳基能源的沧海桑田

蓝 虹

学会用火，大大加速了人类的进化，在薪柴时代，人们生活、生产所用的能源几乎全部来自生物质的木材、秸杆。木柴烧制的木炭让人们注意到煤炭，其单位体积/质量发出的热量明显高于薪柴。燃煤蒸汽机发明之后，煤炭的使用量明显上升，第一次工业革命爆发。20世纪初，煤炭超越薪柴，在能源构成中占绝对优势，能源进入煤炭时代。

煤的形成史

长期薪柴时代的积累带来了大片森林的毁灭和相应地区的荒漠化，减少了自然界吸纳大气层二氧化碳的能力，而以煤炭作燃烧和动力的大规模的城市群、大规模的工业和交通又显著增加了向大气层的二氧化碳排放量，导致大自然碳中和失衡危机初步显现。

煤炭的形成，是历史时期碳中和时代的产物，是碳基生命碳循环的过程，是沉睡森林深埋地下由有机碳转化为无机碳的过程。

煤炭是几亿年前植物死亡后，被埋入深深的地下，因为缺氧状态，没有和空气中的氧气作用，经过压实、失水、硬结等变化而导致碳含量的上升，从而形成燃烧热值更高的煤炭。薪柴的碳含量一般是50％以下，而煤炭的碳含量要远远高于薪柴，最初级的褐煤中的碳含量是65％至75％，烟煤中的碳含量为75％至90％，无烟煤高达90％至98％。

所以，地球上的煤，实际上是远古时代因为大量植物残骸的缺氧化埋藏，深藏在地下的碳元素。这种缺氧状态，一般是发生在沼泽、湖泊地带，树木因为死亡等各种原因倾倒后，立即淹没在水底、泥沙中，与空气中的氧气隔离。在隔绝空气的情况下，经过漫长的地质年代和地壳运动，经过地下的高温高压，经过生物物理化学作用，逐步演变而成。

在正常情况下，森林碳库的有机碳循环应该是，树木依托太阳的光能，吸收空气中的二氧化碳，通过光合作用，将二氧化碳转化为碳水化合物、葡萄糖等树木生长需要的有机碳物质，并向空气中释放氧气。这一过程，实际上就是森林吸纳二氧化碳，并将其固化到树木中去的过程。所以，森林树木的生长是可以吸纳二氧化碳的碳汇。

但是，碳循环必须是闭环的，有吸纳有排放，才能实现碳平衡、碳中和状态。树木衰老死亡后，或者树木被砍伐燃烧后，通过有氧细菌的分解，通过木柴燃烧的化学反应，固化在树木里的碳又重新以二氧化碳的形态释放进大气层，从而保持大气层二氧化碳浓度的恒定。

而煤的形成，是植物死后，因为倾倒在充满水和泥沙的沼泽、湖泊、河流等地带，在与空气隔离无氧的状态下被深埋进地下，因此没有完成将树木中固态化的碳重新以二氧化碳形态释放回大气层的过程，反而在地下高温高压作用下，碳的固态化进一步凝练聚合，单位体积含碳密度更大。在森林有机碳循环中，煤的形成，减少了返回到大气层的二氧化碳，但是，因为煤的形成是几亿年的地质历史过程，时间跨度很大，形成过程非常漫长，这种碳储存也是非常缓慢进行的，所以，并没有对自然界有机碳循环和碳中和平衡造成很大的影响。

煤的形成分为两个阶段，泥碳化阶段和煤化阶段。当树木死后倾倒在充满水的沼泽、湖泊、河流地带，树木遗骸被水和泥沙淹没，形成了无氧的与空气隔绝状态。由于地壳的变动、沉积地带下降、泥沙的不断冲积，树木遗骸被一层层地埋在地层中，在缺氧的条件下，受厌氧细菌的作用，发生复杂的生物、化学、物理变化，逐渐变成泥炭。这是成煤过程的第一阶段，泥碳化阶段。

由于地壳下沉等原因，因为高温高压的作用，泥炭层进一步发生变化，被脱水被压紧，含碳量逐渐增加，腐殖酸含量减少，从而形成了含碳量在65％至75％的初级煤：褐煤。随着地壳的继续下沉，温度和压力因此更大，促进煤层的煤质继续发生变化，煤化过程进一步加深，褐煤逐渐变成含碳量为75％至90％的烟煤，最后变成含碳量高达90％至98％的无烟煤。

人们常在煤矿的横截面上发现树木的纹理，而在有些煤层，还存在着很多煤化的植物化石，仿佛在述说这些植物树木的前世，在几亿或者千万年前，他们也曾经是郁郁葱葱生机盎然的年轻模样。

根据考古发现，地球上的煤主要在三个地质时期形成，分别是石炭纪和二叠纪、侏罗纪、古近纪。石炭纪距今3.5亿年，二叠纪开始于距今2.99亿年，侏罗纪是大家都很熟悉的恐龙主宰地球的时代。这些时期，都是地球生命中生机勃勃的碳中和时期。

侏罗纪开始于距今1.99亿年，这是植物非常繁盛的时期，才使栖息在高大密林中的恐龙成为了森林和地球之王，我国大部分煤矿都是形成于恐龙时代的侏罗纪。古近纪开始于距今6500万年，是在行星撞击地球导致恐龙灭绝后，地球生态系统逐渐修复森林重建的基础上形成的，经历了4200万年。从上述成煤年代，我们可以知道，煤的形成，碳在地球深层的固化和凝聚，绝不是一朝一夕的变化，而是千万上亿年地质历史跨度的深深蕴藏。而煤炭形成的基础，是碳中和下适宜温润的气候导致的森林繁茂发展，

目前发现的特厚煤层已经超过100多米厚，人们会诧异，远古地球得有多少的森林和树木，而且这些树木还需要是在沼泽、湖泊、河流等易于形成缺氧环境的地带，那总的森林和树木资源太庞大了。但是，如果我们考虑到成煤年代和时间跨度，就可以理解了。这么厚的煤层不是短时间形成的，而是数千万上亿年形成的，如此漫长的时间跨度，即使煤层的厚度每年只增加0.01毫米，在一千万年以后，厚度也可以达到100米，何况很多煤矿的成煤时间是距今上亿年。

考虑上亿年的成煤时间，也可以使我们更好地认识到煤的燃烧使用和碳中和失衡的关系。自然界用了上亿年将大气层二氧化碳转化为固态碳并深埋存储于地下，人类只用了不到300年，就将这些固态碳通过煤的燃烧，重新以二氧化碳气体的形态释放到大气层，这必然会提升大气层二氧化碳的浓度，导致气候变暖，出现初步的碳中和失衡危机。

煤的形成历史，本身就是地球碳中和、失衡、碳循环修复、重新回到碳中和状态的过程，每一次碳循环从碳中和到碳失衡的过程，就是地球生物大灭绝的过程，而每一次地球从碳循环失衡到回归碳中和的过程，就是新的地球生物系统重建的过程。所以，回顾煤的形成史，对于我们理解碳中和对于碳基生命的重要性，非常有帮助。

二叠纪成煤期

二叠纪是古生代的最后一个纪，也是重要的成煤期。二叠纪开始于距今2.99亿年。二叠纪早期，地球气候温度适宜而湿润，这给大量植物的生长创造了条件。当时，郁郁葱葱的沼泽森林在许多沿海地区密集分布，内陆地区因为针叶树开始大面积繁殖，形成了茂密的内陆原始森林，因为气候湿润，即使内陆原始森林也存在着大量的湖泊河流，星罗棋布地与原始森林交融在一起。密集的森林树木、大量的水域环境，是煤形成的必要条件，二叠纪早期和中期都具备了，因此给煤层的形成提供了充足的物质条件。

这种气候森林特征也在我国考古发现中得到了证实。考古发现我国河北南部石炭纪——二叠纪古气候的变化趋势表现为：晚石炭世到早二叠世早期为温暖潮湿，早二叠世晚期到中二叠世则逐渐向干旱气候转变。世界各地的考古发现，也印证了二叠纪经历了非常剧烈的气候变化，从二叠纪早期的温暖湿润，气候适宜，森林茂密、生物繁荣，到二叠纪晚期的气候剧变，干旱炎热，沙漠化急剧扩大，气候升温导致了大量生物死亡，形成了严重的地球生物大灭绝，95％的海洋生物和75％的陆地脊椎动物灭绝，三叶虫、海蝎以及很多重要珊瑚群全部消失。

二叠纪这种气候剧变，是因为碳中和失衡造成的。在二叠纪早期，地球处于稳定的碳中和状态，所以气候湿润，温度适宜稳定。但是，从二叠纪中期开始，特别是到二叠纪晚期，地壳活动越来越活跃，古板块间的相对运动加剧，世界范围许多地方形成了褶皱山系，古板块间逐渐拼接形成联合古大陆（泛大陆），陆地面积逐渐扩大，海洋范围缩小。

当海洋的大陆架因为海岸线的急剧退缩而暴露出地面后，原先埋藏在海底的有机碳因为暴露在空气中被氧化，这个氧化过程消耗了氧气，释放了大量的二氧化碳。大气层中的氧气减少了，而二氧化碳浓度升高。高浓度的二氧化碳好像给地球裹上了厚重的棉被，引起了气候升温变暖。大气中氧气的减少，影响了陆地动物的生存。大气中二氧化碳浓度的提升，使海洋超额吸纳二氧化碳，导致了海洋缺氧酸化，大量海洋生物因此死亡和灭绝。

这一时期地层中大量沉积的富含有机物的页岩是这场灾难的证明。气候剧变还导致了火山更频繁地爆发，引燃了海底的可燃冰，释放甲烷，进一步加剧了气候变化的危机。因氧气减少，厌氧的紫细菌活动更加频繁，其释放的毒气杀死了大量的生物。整个地球的生物圈一片死寂。

二叠纪时期的气候变化规模非常巨大，二叠纪早期海平面比今天高出约200英尺（60米），二叠纪晚期海平面暴跌至当前海平面下约20米（也就是低于现今20米），大气升温，特别是在大陆内陆更是炎热干燥。随着气候干燥和海平面下降，靠近海岸的针叶林让位于泛滥的沙漠，沙漠成了这一时期内陆的主要特征，这种焦土景观成为了有记录以来世界上最大的沙漠，在二叠纪晚期，因为大气中二氧化碳浓度过高，温度波动达到了极端：夜晚极其寒冷，而白天则被太阳的强烈热量所摧毁，到处都是沙漠。

大量二叠纪时期的成煤煤矿，告诉我们，二叠纪早期地球曾经是森林茂密、沼泽湖泊河流密布的景象。而二叠纪晚期地球到处是没有生命的死寂的荒凉沙漠景象，地质层岩石毫无生命特征的紫红色调，又在诉说着因为碳中和失衡地球生命大灭绝的灾难。长长的历史时间跨度，二叠纪的成煤煤层，都在向我们展示着地球从生命繁荣的碳中和状态走向碳中和失衡的大灭绝灾难，这一过程中，碳循环系统的改变，剧增的二氧化碳气体向大气层的排放，逐渐导致生物的灭绝和生态系统的崩溃。

灾难发生五万年后，地球板块运动逐渐稳定，火山爆发频率减少，地球生态逐渐好转。熬过灾难期的植物在倔强的进化中不断繁衍，它们吸收大气中的二氧化碳，通过光合作用制造氧气，使得大气中的含氧量逐渐增加，二氧化碳浓度逐渐下降，全球气温逐渐降低。而且植物光合作用形成的水汽聚合后，吸纳大气中的二氧化碳变成酸雨，掉落地面，进入土壤或者海洋，被转化为固态化的碳酸盐岩，沉入海底。大气层碳吸收和碳排放的循环再次实现平衡，进入碳中和状态，地球生物大灭绝事件终于告一段落。地球生态系统经过了数百万年乃至上千万年的时间才逐渐自我修复。

恐龙世纪

世界历史上第二个著名的成煤时期是侏罗纪时期，开始于公元前1.99亿年，离二叠纪晚期公元前2.51亿年发生的生物大灭绝事件，已经过去了近六千万年。这就是著名的恐龙世纪。

即使经过六千万年的地球自我修复，在侏罗纪前期，生物大灭绝事件还是对生态有着影响，各种动物植物不是很繁盛，属于休养生息阶段。但到了侏罗纪中晚期，地球碳循环趋于稳定，进入碳中和状态。气候变得温润潮湿，繁盛的森林植被，形成了如今澳大利亚和南极洲丰富的煤炭资源。盘 古大陆，被郁郁葱葱的森林和绿洲所覆盖，沼泽、湖泊、河流众多，雨量充沛。

侏罗纪中晚期开始，恐龙进入鼎盛时期，逐渐成为地球碳基生命的霸主，统治了地球长达1.5亿年。。

侏罗纪时代，在碳中和状态的加持下，生机盎然、天空晴朗、气候温和、雨水充沛。郁郁葱葱的森林里，植物争奇斗艳，不只有低矮的蕨类、藻类植物，还有高大的针叶树、银杏树。侏罗纪中晚期，地球上广泛覆盖着极其茂盛的裸子植物和蕨类，这是素食性恐龙丰盛的食物天堂。

每年雨季来临之前，生活在今天南美洲的喙嘴翼手龙都会飞越大西洋来到今天的法国西海岸寻找它的异性进行交配。这时候的大西洋只有300公里宽，雄性翼龙在飞越大洋的途中，会不时地贴近海面啄食海水中跳跃的鱼类来补充体力，而且随时存在被恐怖的海洋杀手滑齿龙吞食的危险。在飞达目的地时，翼手龙已是精疲力竭。往往要休息一个多星期才会去寻觅自己的配偶。

侏罗纪时的气候对恐龙的繁衍十分有利，而且在中生代的哺乳动物还处于进化的早期阶段，恐龙基本上没有任何生存竞争的对手，所以它们迅速占领各个大陆，进入了鼎盛时期。丰富的食物和适宜的气候，使恐龙们迅速繁盛起来，前所未有的巨型恐龙争相亮相，在广阔的森林和草原之间游荡，粗大的脚印深深印在泥土上。

那时候地球上的气候都非常温暖湿润，植物生长茂密葱茏，良好的降雨和光照条件使植物可以长得很大。而由于食物充足，动物就没有了营养缺乏之虞，无论是草食动物还是肉食动物，都可以不缺食物来源，所以动物也能长得很大，这也是巨型恐龙产生的原因。恐龙中最具代表性的迷惑龙，体长25米，体重达30吨。在海洋里，体形接近鱼类的爬行动物——鱼龙，族类繁荣昌盛，与其他海洋掠食者，例如蛇颈龙和海洋鳄目动物一起分享着侏罗纪温暖的海水。

世界各地丰厚的侏罗纪成煤期煤矿的发现，也印证了侏罗纪时期森林的茂盛，河流湖泊沼泽雨水的众多和丰沛。例如我国侏罗纪煤就在内蒙古、陕西、甘肃、宁夏等省广泛分布。

但是，这样一个碳基生命旺盛的时代，因为行星撞击地球导致的碳中和失衡而毁灭，并导致了恐龙的灭绝。6500万年前，一颗名为巴普提斯蒂娜的小行星，直径接近160公里，进入了地球轨道，撞击了地球，形成了著名的希克苏鲁伯陨石坑。撞击的地点就在墨西哥的犹卡坦半岛。

撞击事件引发了频繁的火山爆发，大气层二氧化碳浓度显著升高。撞击事件造成大量灰尘进入大气层，遮蔽阳光，使植物无法获得太阳光进行正常的光合作用，导致二氧化碳吸纳能力减弱，而且也导致食物链最底层依赖光合作用生存的生物，例如浮游植物和陆地植物，大量死亡。草食性动物，因为所依赖的植物的剧减而死亡。同样地，顶级掠食者例如暴龙，也受到影响。大气层二氧化碳浓度的急剧升高，氧气浓度的急剧下降，碳中和失衡带来的生态系统崩溃，导致在撞击事件后艰辛存活的物种，又会在生态恶化的效应中死亡。

始新世

世界成煤的第三个高峰期，是古近纪，又称为早第三纪，开始于公元前6500万年，也就是恐龙大灭绝之后。早第三纪包括古新世、始新世和渐新世。古新世持续了1000多万年，此时，地球依然在修复因为行星撞击导致的碳中和失衡，虽然因为地球强大的自我碳中和调节功能，在经过千万年后已经逐渐修复，但地球生物仍然处于休养生息状态。

随着古新世的结束，地球生态在重建碳中和的基础上开始了复苏和新一轮的兴盛期，进入了始新世，持续了约1800万年。气候重新变得湿润适宜，给植物生命带来了新的生机，在景观上增加了多样性。被子植物开始极度繁盛。以前由古代羊齿和各种松柏组成的植被，逐渐被被子植物所取代。此时的被子植物基本上都是乔木，无论是从新科、新属，还是从个体数量，比以前都有很大增加。热带、亚热带植物，如棕榈等，大量繁殖，显花植物和草类的发展给动物界的昆虫、脊椎动物等的繁荣，创造了必要条件。

从始新世开始，哺乳动物得到了迅速的繁衍，地球开始进入哺乳动物繁盛时期。始新世的哺乳动物科目一级的总数比古新世约增加了80％，奇蹄目和偶蹄目成为动物群的重要角色，啮齿动物、食肉目也有了较大的发展和繁衍。

从始新世开始，地球从碳中和失衡导致的大灭绝灾难中修复，进入了新的碳中和时期，碳基生命繁盛繁衍。而早第三纪煤矿的丰盛，也记录了该地质时期地球从碳中和失衡危机通过修复走向碳中和的过程。因为森林植物的茂盛，早第三纪在历史上是一个重要的成煤时期，在我国主要见于秦岭以北，贺兰山—六盘山以东地区，以及南岭以南珠江—右江地区。

这些大自然几千万上亿年逐渐累积的煤炭，却因为燃煤蒸汽机的发明和大范围的使用，在短短的不到300年时间，就通过煤炭的燃烧，全部以二氧化碳气体的形式，返回了大气层。

燃煤蒸汽机

十七世纪中期，英国毛纺织业迫切需要发现有效的新动力源。新大陆的发现和地理大扩张，使英国打开了巨大的海外商品市场。毛纺织业是英国当时对外贸易的主要产品，海外市场的扩张导致了英国毛纺织业需求的急剧增加，传统的手工操作无法满足急剧增加的巨大市场需求。英国工程师发明了飞梭，继而又发明了水力纺纱机、水力织布机，这些机械的应用大大提高了纺织业的效率。但利用水力作为能源有很大的局限性，工厂必须建在河流附近，但河流的流量流速都不稳定，这显然不适合机械化大生产的需要。于是，很多工程师开展了以煤为燃料的燃煤蒸汽机改良的尝试。

1765年，瓦特发明了带冷凝器的单向式燃煤蒸汽机，1782年又发明了双向式燃煤蒸汽机。瓦特燃煤蒸汽机的发明和使用，使英国的毛纺织品产量，从1766年至1789年，二十多年内增长了五倍，促进了英国对外贸易的发展。而毛纺织品海外市场的扩张，又导致了对长途运输业的迫切需求。

在船舶上采用燃煤蒸汽机作为推动力的实验开始于1776年，经过不断改良，至1807年，美国的富尔顿制成了第一艘实用的明轮推进的燃煤蒸汽机船“克莱蒙”号。此后，燃煤蒸汽机在船舶上作为推动力达百年之久。

1800年，英国的特里维西克设计了可安装在较大车体的高压燃煤蒸汽机。1803年，他把它用来推动在一条环形轨道上开动的机车，这就是机车的雏型。英国的史蒂芬孙将该机车不断改进，于1829年创造了火箭号燃煤蒸汽机。该机车拖带一节载有30位客人的车厢，时速达46公里每小时，开创了铁路时代。

到十八世纪末，燃煤蒸汽机普遍代替其他动力，成为英国和欧洲许多工业部门的主要动力来源。

燃煤蒸汽机的发明和广泛使用，带来了第一次工业革命高峰，人们的生产和生活方式因此发生了巨大的变化，极大地推进了技术进步，促进了规模化经济的发展，极大地提高了生产效率的同时也使商业投资更有效率。燃煤蒸汽机在纺织业的运用，提高了纺织业的效率和产量；燃煤蒸汽机在运输行业的运用，使载重上千吨的火车开始在大陆快速穿越，载重上万吨的轮船开始在大洋中横渡；燃煤蒸汽机在矿山开采中的运用，降低了矿工的劳动强度，并且可以昼夜不停，连续开采；燃煤蒸汽机在金属冶炼上的运用，煤炭带动大型鼓风机，更高的温度更强大的能源，提高了金属冶炼的精度和纯度，扩大了金属的使用范围，开发出各种新型设备和武器；燃煤蒸汽机在机械制造上的运用，制造出更复杂更精密的器械和工具，为近代工业的创建奠定了基础。

燃煤蒸汽机的使用，使人们从依靠人力、畜力等原始动力中解脱出来，实现了机械化大生产。伴随着燃煤蒸汽机在工业领域的广泛使用，近代的能源工业——煤炭工业，开始在世界范围广泛建立，从而带动了煤炭开采和利用的爆发式增长。1861年，英国的煤炭年产量就已经超过五千万吨，成为十九世纪以来人类使用的主要能源之一。2019年，世界煤炭产量达到81.29亿吨。

但是，人类将大自然在地下储存积累了几千万上亿年的碳，在不到300年的时间就通过煤的燃烧以二氧化碳气体的形态释放到大气中，肯定会严重影响大气层的碳循环，损害碳中和系统，全球气候危机初步显现。

第一次工业革命的核心其实是能源革命，燃煤蒸汽机替代了薪柴能源，推进了工业的机械化大生产，带动了交通运输创新，使人类从农业文明进入了工业文明。但是，随着生产的发展，燃煤蒸汽机的缺点也显现出来。蒸汽机是外燃机，是通过燃烧煤获得的能量加热水，通过水蒸气的动力带动机械。所以，燃煤蒸汽机的使用，需要携带大量的煤和水，需要笨重而庞大的锅炉。因为不是直接燃烧能源带动机械，而是先燃烧能源产生水蒸气，再用水蒸气的压力带动机械，所以，热效率不高，不足10％。

为了解决燃煤蒸汽机存在的问题，内燃机被发明并不断完善。内燃机必须以液体的石油为燃料，所以内燃机的普遍运用，使石油能源异军突起逐渐取代煤炭，成为新的主体能源。

燃煤蒸汽机属于外燃机，要先使用煤燃烧烧水，再用水蒸气做功。能的转化过程越多，在转化中损耗的功率就越多，效率就会降低。当时的人们就想，如果直接通过燃烧产生能量，而不需要二次转化，效率是不是就可以提高呢？17世纪惠更斯曾经尝试将火药放入活塞中，通过火药的爆破燃烧直接带动活塞做功，结果由于火药爆炸难以控制，最终失败了。这时候，人们开始关注用石油燃烧替代火药。1876年美国人奥托发明了汽油发动机，将内燃机的热效率提升到28％，1892年，德国人鲁道夫·迪赛尔发明了柴油发动机，将内燃机的热效率提升到34％。内燃机就此逐渐取代蒸汽机，获得广泛推广运用，并引发了一系列生产技术的大变革，被称之为第二次工业革命，使人类的工作效率进一步提高。

石油也是一种碳基能源，主要成分是碳，是浓缩碳能的最终形态。与同样的碳基能源煤相比，石油作为能源的主要优势是：第一，石油是液体，比固体的煤更便于运输，特别适应于通过管道连续运输；第二，石油是液体，所以容易萃取精炼提纯，形成非常纯粹几乎不含任何杂质的液体燃料，因此，燃烧效率高，没有废渣，这对内燃机非常重要；第三，比煤炭的能源密度更高，单位体积所能产生的能量远远高于煤炭，所以可以作为汽车、飞机等空间有限的交通运输工具的燃料，支撑其长途远距离运输。

由于汽车、坦克、装甲车、飞机、拖拉机、轮船等大都采用内燃机，推动着世界石油开采和炼油业的飞速发展，世界石油工业开始建立，确立和巩固了石油作为主体能源的地位。因此，在能源史上，第二次工业革命，就是从煤炭时代走向石油时代的转折，就此，世界能源进入石油时代。

生命与石油

同为碳基能源，石油和煤的形成有相似之处，都是远古时期生物遗骸因为无氧化环境沉入地下，经过几千万上亿年的地下高温高压作用形成的。地球上的生命都是碳基生命，全是由碳构成，所以这些远古时期生物遗骸主要成分都是碳。但石油主要是海洋里的动物和藻类遗骸演化而成，因为动物富有油脂，所以，在几千万上亿年的演进中，最后形成了以碳为主体的液体的石油；而煤是由陆地的植物，因为死亡倒下的地点是在湖泊、河流、沼泽地带，水的隔离形成无氧环境埋入地下，因为是植物遗骸的高温高压风干压缩，所以是以碳为主体的固体。

在现今发现的石油油藏中，时间最古老的达五亿年之久。大部分石油集中形成于石炭纪、二叠纪、侏罗纪。我们可以发现，石油集中形成时期，和历史上煤炭的成煤时期，几乎是重合的。我们在前面分析了煤炭的成煤时期形成原因，都是有一个碳中和状态的气候适宜时期，温润潮湿，适宜森林植物生长，所以，为煤的形成提供了物质条件。而经历了漫长的碳中和平衡状态，这几个时期也都经历了生物大灭绝阶段。

无论是石油的形成，还是煤炭的形成，都在远古时期先经历了繁盛期，所以才有大量的地球生物，海洋繁盛的海洋动物，森林繁盛的森林树木，为石油和煤炭的形成奠定物质基础。而繁盛期之后的地球碳基生命集体大灭绝事件，大量动植物的死亡，使大量的动植物遗骸被埋入地下。比如，因为大气中二氧化碳浓度过高，海洋酸化缺氧引发大量海洋动物的死亡，这些集体大量死亡的生物，被海底泥沙埋葬后，经过几千万上亿年，在地下的高温高压下，它们逐渐转化，首先形成腊状的油页岩，在继续的高温高压下，形成液态的石油。

由于石油比附近的岩石轻，它们向上渗透到附近的岩层中，直到渗透到上面紧密无法渗透、本身则多空的岩层中。这样聚集在一起的石油形成油田。通过钻井和泵取人们可以从油田中获得石油。

通过中东地区石油的形成，我们可以理解石油形成的历史和原因。中东地区是目前石油储油最多的地区。中东海湾地区地处欧、亚、非三洲的枢纽位置，原油资源非常丰富，被誉为“世界油库”。据美国《油气杂志》数据显示，世界原油探明储量为1804.9亿吨。其中，中东地区的原油探明储量为1012.7亿吨，约占世界总储量的2/3。在世界原油储量排名的前十位中，中东国家占了五位，依次是沙特阿 拉伯、伊朗、伊拉克、科威特和阿联酋。

中东地区为什么会有这么丰富的石油蕴藏呢？

中东是地中海东南岸、俄罗斯高加索山脉、波斯湾以及非洲红海沿岸围成的那一片区域。中东地区是一块年轻的陆地，其前身，是广阔的海洋。形成中东地区这块年轻的陆地，来自于阿尔卑斯-喜马拉雅的造山运动。

7千万年前，欧亚大陆还没有完全成形，非洲板块、印澳板块不断向北推移，与欧亚板块全线碰撞。板块碰撞之处，大地崩裂，熔岩喷射，海岸边，地震引发海啸，数十米高的巨浪吞噬着一切，造成大批海洋生物的集体死亡。此次碰撞范围如此之广，力量如此之大，导致了欧亚大陆南侧全线隆起，大量超级山脉和高原就此诞生。它西起大西洋东岸，东至印度尼西亚孤岛。这次造山运动，造就了阿尔卑斯山、喜马拉雅山、伊朗高原、青藏高原等，全长超过1万公里。它横贯地球，地质学上称之为阿尔卑斯—喜马拉雅造山带。

伴随着这次碰撞，世界地理格局也为之改变。欧亚大陆与非洲板块、印澳板块之间，原本存在的海洋大面积萎缩甚至消失。中东地区所在地域原来是特提斯海，因为这次碰撞事件，特提斯海开始缩小，无数小岛从海中冒出来，地壳运动导致海底隆起，新的陆地诞生，这里面就有中东地区。所以中东地区丰富的石油来源于之前特提斯海丰富的海洋生物遗骸的累积。

经过几千万年的挤压，最终特提斯海消失在地球的历史中，只留下一小部分，就是今天的地中海。而那些因为这次碰撞而挤压隆起的山脉，西起阿尔卑斯山东至青藏高原，就是阿尔卑斯-喜马拉雅山系。

中东就是这个造山运动出来的地区，由于前身是海洋，里面大量的海洋生物在这个变迁过程中埋入地壳，非洲板块又和亚欧板块发生挤压，中东处在二者的交界处，这样的作用之下，海洋生物经过复杂的物理化学反应生成了石油。因为地壳很年轻，中东的石油埋得不深，全部是浅表石油，易开采，所以中东的开采效率全世界最高。

失衡的碳循环

目前，石油已经成为了现代工业的命脉，液体的黄金，与我们的生活紧密关联。石油作为燃料，广泛用于各种类型汽车、拖拉机、轮船、军舰、飞机、火箭、锅炉、火车等动力机械；石油作为润滑剂，使各类滑动、滚动、转动的仪器减少磨损，保证效率；石油作为溶剂，是橡胶、皮革、油漆等工业必须的萃取物质，并可以用于洗练机器和零件；我们使用的五颜六色形态各异的塑料制品，牙刷、盆、瓶子、iPad等，都是石油化工产品；石油还是制作合成橡胶的主要原料，合成橡胶具有高弹性、耐高温、低温等性能，广泛应用于工农业、国防、交通及日常生活中，我们生活中随处可见的鞋子、体育用具、轮胎、电线电缆等物品都要使用合成橡胶；我们用的清洁用品很多都是石油制品，如洗涤剂、洗发水、沐浴乳、肥皂等等，里面都含有石油的衍生物；我们从衣服标签看到的涤纶、腈纶、锦纶等面料，都是由石油生产的合成纤维；最后的石油渣，成为沥青，铺成柏油大马路。目前全球有铺装沥青的路面公路总长为1700多万公里，可以想象消耗了多少沥青！

碳基能源石油的形成，也是地球碳循环的产物，是地球碳循环的重要环节。动植物死后，本来应该在氧化作用下，重新生成气体的二氧化碳和水，回到大自然，形成二氧化碳的源。但是，海洋水对空气的隔离，泥沙淤泥迅速掩埋形成的无氧环境，将这些有机碳以液态的方式保存在了地下，没有释放进大气中。考虑到石油形成时期经历的地球碳基生命大灭绝，行星撞击地球引发大量频发的火山爆发，大量二氧化碳从地底被带出释放到大气中，导致大气二氧化碳浓度的急剧升高，导致大气和海洋都因为二氧化碳浓度过高，氧气含量急剧下降，大量海洋动物因为海洋缺氧死亡，堆积的遗骸因为缺氧没有被重新氧化变成二氧化碳气体和水，而是以液体碳的形态埋在了地下，本身就减少了大气中二氧化碳浓度，是大自然努力调节碳循环平衡的产物，是大自然稳定碳中和的调节机制之一。

随着第二次工业革命，石油被广泛运用。从地球碳循环的角度，这也就是意味着，我们把几千万年上亿年存储在地下的液态碳，通过石油燃烧的方式，转化为二氧化碳气体，重新释放回大气层中。这种人为的大量对自然碳循环的干扰，肯定会影响到自然界的碳循环平衡和碳中和状态。

1870年，全球生产大约80万吨石油，1900年年产量猛增到2000万吨，2016年产量接近39.2亿吨，2021年全球石油年产量即使在疫情影响的情况下也达到了44.23亿吨。石油支撑了人类工业的大发展，使人类在改造自然的过程中取得了前所未有的成就。但是也对世界经济产生了极大的影响，几次石油危机使世界为之震撼，说明了我们目前的工业体系对石油的高度依赖。

第一次石油危机发生在1973年，因为阿 拉伯国家与以色列的恩怨，他们决定对以色列背后的支持者美国实施报复。阿拉 伯 成员国停止石油生产并收回标价权，这直接导致了世界的油价翻了三倍以上，整个世界的工业被按下了倒退键，美国经济倒退14％，日本经济倒退了20％。这次石油危机使世界各国都很震撼，之后成立了国际能源署，规定了每个国家必须要有60天的原油储备量。

第二次石油危机发生在1978年，两个石油生产大国伊朗和伊拉克发生了战争，史称“两伊战争”。二者就波斯湾霍尔木兹海峡的所有权大打出手，战争持续了8年。作为世界石油的主力出口国，伊朗和伊拉克战争导致了世界原油数量吃紧，世界经济承受巨大压力，国际能源署不得不将原来规定的每个国家必须要有60天的原油储备量提高到了90天，以应对石油危机。

第三次石油危机发生在1990年，因为伊拉克攻打科威特，受到了国际社会的制裁，其原油出口停滞，给世界工业带来了重创。导致英美等国家的GDP直接下跌，后来以沙特阿 拉伯为首的石油出口国加大了原油产量，才勉强将危机化解，拉回了正轨。

这三次全球能源危机，都来源于中东地区国家石油供给能力，因为战争等因素出现了问题。而这三次石油危机给世界经济带来的严峻影响，也引起我们的反思。我们在前面已经介绍了中东地区石油形成的历史，来自于7000万年前的大陆板块运动，这说明石油的形成需要漫长的几千万年的历史，说明了石油是不可再生资源，人类不可能等这样一个几千万年的地质周期。终有一天石油会被开采完，整个世界的能源将何去何从？

薪柴时代、煤炭时代、石油时代，这三次能源革命，无论是薪柴，还是化石能源的煤炭、石油，都是碳基能源，燃烧产生能量的关键，都是这些能源中的碳元素在高温下与空气中的氧气结合，形成二氧化碳并重新释放到大气中的过程，在这一化学反应过程中，会释放出巨大的能量。人们通过获取这些能量增强了改造大自然的能力，但同时，也人为地增加了向大气层排放的二氧化碳量，从而在一定程度上破坏了自然界上亿年才形成的碳中和平衡系统。

而薪柴、煤炭、石油的形成，却都是地球漫长碳中和过程中森林茂密、动植物繁盛的产物。我们正处在一个由碳基化石能源支撑的经济神话面临严峻挑战的时代，能源危机和气候变化逼迫着我们必须进行新能源转型。能源是一国经济的命脉，谁掌握了新能源核心技术，谁就会成为下一任经济的霸主。无论为攻为守，各国都必须应战。这是一场世界领域的能源战争的春秋战国时期，也是一场人类命运共同体的碳中和保卫战。期盼地球再次回归森林茂密、气候温润、生命繁盛、鸟语花香的碳中和常态。