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石炭堆積岩
無煙炭
構成物
主要構成物炭素
他構成物硫黄
水素
酸素
窒素
プロジェクト:地球科学／Portal:地球科学
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石炭（せきたん、英語: coal）とは、太古（数千万年?数億年前）の植物が完全に腐敗分解する前に地中に埋もれ、そこで地熱や地圧を長期間受けて変質（石炭化）したことにより生成した物質の総称。見方を変えれば植物化石でもある[1]。

化石燃料の一つとして火力発電や製鉄などに使われるが、燃焼時に温暖化ガスである二酸化炭素（CO2）を大量に排出する。このため地球温暖化抑制のため石炭の使用削減が求められている一方で、2021年時点で74億トンの世界需要があり（国際エネルギー機関の推計）、炭鉱の新規開発計画も多い[2]。
概要

石炭は「黒いダイヤモンド」と称されたこともある[3]。特に産業革命以後20世紀初頭まで最重要の燃料として、また化学工業や都市ガスの原料として使われてきた。しかし、第一次世界大戦前後から、艦船の燃料が石炭の2倍のエネルギーを持つ石油に切り替わり始めた。戦間期から中東での油田開発が進み、第二次世界大戦後に大量の石油が採掘されて1バレル1ドルの時代を迎えると産業分野でも石油の導入が進み（エネルギー革命）、西側先進国で採掘条件の悪い坑内掘り炭鉱は廃れた。

1970年代に二度の石油危機で石油がバレルあたり12ドルになると、産業燃料や発電燃料は再び石炭に戻ったが、日本国内で炭鉱が復活することは無かった。豪州の露天掘りなど、採掘条件の良い海外鉱山で機械化採炭された、安価な海外炭に切り替わっていたからである。海上荷動きも原油に次いで石炭と鉄鉱石が多く、30万トンの大型石炭船も就役している。

他の化石燃料である石油や天然ガス等と比べても、燃焼した際のCO2や硫黄酸化物（SOx）などの有害物質の排出量が多く、地球温暖化、大気汚染の主な原因の一つとなっている。

日本では、一般的に石炭（せきたん）と呼ばれるようになったのは、明治初年に西欧の採炭技術が入って、特にドイツ語Steinkohleを和訳したものとされる[4]。それ以前は地方によって、五平太（ごへいだ）、石炭（いしずみ）、岩木（いわき）、燃石（もえいし）、烏丹（うに）、烏朱（うし）などと様々に呼称されていた[4]。
石炭の起源現存する泥炭地 霧多布湿原

石炭は数千万年前?数億年前の植物が湖底や海底に層状に堆積し、地殻変動や造山活動等による地圧や地熱の影響により変化し、濃集して石炭化したものである[5][3]。特に石炭の成因植物となっているのは、石炭紀時代（2億4千万年前?3億年前）の湿地帯で森林を形成していた巨大なシダ類と、第三紀時代（2千5百万年前?6千万年前）の針葉樹類などと考えられている[5]。

古生代においては、菌類等の分解者がまだ出現していなかったり少数派であったりしたため、大量の植物群が分解前に埋没していた。植物の遺体が分解されずに堆積する場所として湿原や湿地帯が挙げられる。これらの場所においては、植物の死体は酸素の少ない水中に沈むことによって生物による分解が十分進まず、分解されずに残った組織が泥炭となって堆積する。泥炭は植物が石炭になる入り口とされている。他の成因として大規模な洪水で大量の樹木が湖底等の低地に流れ込んで土砂に埋まることも考えられる。地中に埋まった植物は年代を経るに従って 泥炭→褐炭→歴青炭→無煙炭 に変わってゆく。この変化を石炭化と呼ぶ[6]。
石炭化

石炭化は多様な化学反応を伴った変化である。セルロースやリグニンを構成する元素は炭素、酸素、水素であるが、石炭化が進むに従って酸素や水素が減って炭素濃度が上がってゆき、外観は褐色から黒色に変わり、固くなってゆく。炭素の含有量は泥炭の70%以下から順次上昇して無煙炭の炭素濃度は90%以上に達する。化学的には植物生体由来の脂肪族炭化水素が脱水反応により泥炭・褐炭になり、次に脱炭酸反応により瀝青炭となり、最後に脱メタン反応により芳香族炭化水素主体の無煙炭に変わってゆく。植物が石炭化する速度は地中での圧力や温度の影響を受ける。日本は環太平洋造山帯に位置し地殻変動が盛んなため、諸外国の産地よりも高温・高圧にさらされて石炭化の進行が早いとする説もある[7]。
石炭が産出する地層と歴史

石炭は元となった植物が繁茂していた時代に相当する地層から産出される。古生代の地層は石炭が産出する地層としては最も古く、産出は無煙炭が主体。古生代に繁茂していた植物は現在のシダ類やトクサ類の祖先に相当するが、当時の代表的な植物であるリンボクは高さ30メートルになる大木で、大森林を形成していたと考えられている。

石炭紀（2億8千万年前頃）: ヨーロッパ、北米大陸

ペルム紀（2億2千万年前頃）: 中国、インド亜大陸、オーストラリア大陸、アフリカ大陸

中生代はソテツやイチョウなどの裸子植物が優勢となった。この時代の地層から産出する石炭は海外ではほとんど瀝青炭だが、日本で産出するのは無煙炭が主体である。

三畳紀（1億9千万年前頃）: ヨーロッパ中部、北米大陸、中国南部、インドシナ

ジュラ紀（1億5千万年前頃）: ヨーロッパ中南部、北米大陸、アジア東部

白亜紀（1億2千年万前頃）: ヨーロッパ中部 北米、南米大陸、アフリカ大陸

新生代第三紀（7?2千万年前）の植物は、現在に近い樹種が主体。産出する石炭は、外国では石炭化の低い褐炭が主体だが、日本の炭鉱では瀝青炭が産出される。

ドイツ、北米、中米、オーストラリア、日本

植物の体はセルロース、リグニン、タンパク質、樹脂などなどで構成されている。このうち古生代に繁茂したシダ類ではセルロースが40?50%リグニンが20?30%であり、中生代以後に主体となる針葉樹類ではセルロースが50%以上リグニンが30%である（何れも現生種のデータ）。これらの生体物質を元にして石炭が形成された。石炭の成り立ちの主な参考文献 - 『石炭技術総覧』Batman、『太陽の化石:石炭』第1章石炭の生い立ち

シルル紀後期にリグニンを有した植物が登場した。歴史上上陸した植物が立ち上がるためにはセルロース、ヘミセルロースを固めるためのリグニンが必要であった。リグニンを分解できる微生物がその当時はいなかったので植物は腐りにくいまま地表に蓄えられていった。これが石炭の由来となる。石炭紀に石炭になった植物はフウインボク、リンボク、ロボクなどであり、大量の植物が腐らないまま積み重なり、良質の無煙炭となった。石炭紀以降も石炭が生成されたが時代を下るに従って生成される石炭の量も質も低下することとなった[8]。白色腐朽菌は、地球上で唯一リグニンを含む木材を完全分解できる生物で、リグニン分解能を獲得したのは古生代石炭紀末期頃（約2億9千万年前）であると分子時計から推定された。石炭紀からペルム紀にかけて起こった有機炭素貯蔵量の急激な減少は白色腐朽菌のリグニン分解能力の獲得によるものと考えられている[9][10]。
石炭の種類石炭の化学構造の例：瀝青炭
石炭化度による分類

石炭は炭素の濃集度合（炭素の濃縮の程度） により石炭化度の高い方から、無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭、亜炭、泥炭に分類される[5][3]。日本で一般に石炭と呼ばれているものは、このうち無煙炭から褐炭までである[5]。なお、石炭化度は発熱量と燃料比(固定炭素÷揮発分、通常では無煙炭：4以上、瀝青炭：1?4、褐炭：1以下)を用いているが、国際的には一般に揮発分が用いられている[5]。

(石炭化度の高い順に)
無煙炭 (anthracite)
炭素含有量90%以上[5]。最も石炭化度（炭素分）が高く燃やしても煙をほとんど出さない[5][3]。カーバイドの原料、工業炉の燃料に使われるほか、家庭用の練炭や豆炭の原料となることもある[5]。かつては軍艦用燃料に重んじられた。ただし揮発分が低く、着火性に劣る。焼結に使用可能な低燐のものは原料炭の一種として高価格で取引される。
半無煙炭 (semianthracite)
炭素含有量80%以上。無煙炭に次いで石炭化度が高いが、粉鉄鉱焼結にも適さない一方、電力等微粉炭ボイラー用としては揮発分が少なすぎて適さず、比較的安値で取引される一般炭。セメント産業の燃料や流動床ボイラに使われる。着火性に劣るが比較的発熱量が高く、内陸工場への輸送コストが安く済む。
瀝青炭（れきせいたん） (bituminous coal)
炭素含有量70?75%[5]。石炭として最も一般的なもの[3]。加熱により溶けて固まる粘結性が高く、コークス原料や製鉄用燃料となる[5]。
亜瀝青炭 (subbituminous coal)
瀝青炭に似た性質を持つが、水分を15?45%含むため比較すると扱いにくい[5]。粘結性がほとんどないものが多い。コークス原料には使えないが、揮発分が多くて火付きが良く、熱量も無煙炭・半無煙炭・瀝青炭に次いで高い。特にボイラー用の燃料として需要がある[5]。豊富な埋蔵量が広く分布しており、日本で生産されていた石炭の多くも亜瀝青炭であった[5]。
褐炭 (brown coal)
炭素含有量60%以上[5]。石炭化度は低く植物の形を残すものも含まれ、水分・酸素の多い低品位な石炭である[5][3]。練炭・豆炭などの一般用の燃料として使用される[5]。色はその名の示す通りの褐色。水分が高すぎて微粉炭ボイラの燃料としては粉砕/乾燥機の能力を超えてしまう場合が多く、重量当たり発熱量が低いので輸送コストがかさみ、脱水すれば自然発火しやすくなるという扱いにくい石炭なので価格は最安価で、輸送コストの関係で鉱山周辺で発電などに使われる場合が多い。褐炭を脱水する様々な技術の開発が行われている。また、水素原料として有望視されている[11]。
亜炭 (lignite)
褐炭の質の悪いものに付けられた俗名[5]。炭素含有量60%未満[5]。ただし、亜炭と呼ぶ基準は極めて曖昧である。学名は褐色褐炭。埋れ木も亜炭の一種である。日本では太平洋戦争中に燃料不足のため多く利用された。現在では亜炭は肥料の原料としてごく少量利用されているにすぎない[5]。
泥炭 (peat)
泥状の炭。石炭の成長過程にあるもので、品質が悪いため工業用燃料としての需要は少ない[5]。ウイスキーに使用するピートは、大麦麦芽を乾燥させる燃料として香り付けを兼ねる[5]。