Than đá bắt đầu từ than bùn, lớp xác thực vật tích tụ trong đầm lầy với tốc độ thường chỉ khoảng 1 mm mỗi năm. Khi bị chôn sâu, nén và nung nóng qua hàng triệu năm, lớp than bùn co lại nhiều lần; theo ước tính phổ biến, khoảng 10 m than bùn mới cho ra 1 m than đá. Nghĩa là một vỉa than dày 1 m có thể chứa khoảng mười nghìn năm cây cỏ, cộng thêm hàng triệu năm biến đổi trong lòng đất.
Bước đầu: đầm lầy không cho cây mục
Trong rừng bình thường, lá và cành rụng xuống chỉ vài năm là bị nấm, vi khuẩn, mối phân huỷ hết. Than không thể hình thành ở đó. Than cần một nơi xác thực vật rơi xuống nước và bị ngập, thiếu oxy, nước chua. Ở đó vi sinh vật làm việc rất chậm, nên phần xác cây tích lại nhanh hơn phần bị phân huỷ.
Lớp xác thực vật đó là than bùn: mềm, ướt, màu nâu đen, còn nhìn rõ mảnh lá, rễ. Ở Việt Nam, rừng tràm U Minh trên bán đảo Cà Mau (nay thuộc Cà Mau và An Giang) là nơi có than bùn tự nhiên lớn nhất, chính là bước đầu tiên của quá trình tạo than, đang diễn ra trước mắt.
Tốc độ tích tụ than bùn thay đổi theo khí hậu. Các vùng đầm lầy ôn đới thường được ghi khoảng 0,5–1 mm mỗi năm; vùng nhiệt đới nóng ẩm, cây lớn nhanh, có nơi nhanh hơn. Lấy tròn 1 mm mỗi năm, một lớp than bùn dày 10 m cần khoảng 10.000 năm, tức gần bằng toàn bộ thời gian từ khi kết thúc kỳ băng hà cuối cùng tới nay.
Bị chôn và bị nấu: các bậc của than
Khi vùng đầm lầy lún xuống và bị cát, bùn phủ lên, lớp than bùn bị chôn sâu dần. Càng sâu, áp suất và nhiệt độ càng tăng. Nước bị ép ra, các chất bay hơi thoát đi, phần còn lại ngày càng giàu carbon. Các nhà địa chất gọi quá trình này là than hoá, và chia than theo bậc:
| Bậc than | Hàm lượng carbon khoảng (trên chất khô) | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Than bùn | Dưới 60% | Mềm, ướt, còn thấy xác thực vật, cháy nhiều khói |
| Than non (lignit) | Khoảng 60–70% | Nâu, nhiều nước, nhiệt lượng thấp |
| Than á bitum | Khoảng 70–76% | Đen xỉn, vẫn còn ẩm khá nhiều |
| Than bitum (than mỡ) | Khoảng 76–86% | Đen bóng, phân lớp, dùng nhiều nhất trong nhiệt điện và luyện cốc |
| Antraxit | Trên khoảng 86–90% | Đen ánh kim, cứng, ít khói, nhiệt lượng cao |
Các ngưỡng phần trăm khác nhau một chút giữa các hệ phân loại quốc gia, nhưng thứ tự thì như nhau. Bậc than không phụ thuộc chủ yếu vào tuổi mà vào nhiệt độ lớn nhất lớp than từng chịu. Một vỉa than trẻ bị chôn sâu hoặc nằm gần vùng magma có thể thành antraxit, còn một vỉa rất già nằm nông có thể vẫn là than non.
Phép tính co lại: 10 m thành 1 m
Tỉ lệ nén từ than bùn sang than đá thường được nêu khoảng 10:1, có tài liệu ghi từ 5:1 tới hơn 10:1 tuỳ bậc than. Lấy 10:1 để tính:
- Một vỉa than đá dày 1 m tương ứng khoảng 10 m than bùn ban đầu.
- Với tốc độ tích tụ than bùn 1 mm mỗi năm, 10 m than bùn cần khoảng 10.000 năm.
- Một vỉa than dày 10 m tương ứng khoảng 100 m than bùn, tức khoảng 100.000 năm đầm lầy liên tục không bị gián đoạn.
Đó mới chỉ là thời gian tích tụ nguyên liệu. Sau đó là hàng triệu năm bị chôn vùi và nung nóng để than bùn đi qua các bậc. Mỗi lớp đá kẹp giữa hai vỉa than là dấu vết một lần đầm lầy bị biển hoặc sông tràn vào, chôn vùi, rồi đầm lầy mới lại hình thành phía trên.
Than Quảng Ninh hình thành từ bao giờ
Bể than Đông Bắc ở Quảng Ninh, trải từ Uông Bí, Hạ Long tới Cẩm Phả, là nơi khai thác than lớn nhất Việt Nam. Than ở đây chủ yếu là antraxit và bán antraxit, hình thành trong kỷ Trias muộn, khoảng hơn 200 triệu năm trước, cùng thời với những loài khủng long đầu tiên.
Khi đó vùng này là những đồng bằng ven biển và đầm lầy rộng, rừng dương xỉ, tuế, cây hạt trần mọc dày. Các nhà địa chất đã tìm thấy nhiều hoá thạch thực vật trong lớp đá kẹp giữa các vỉa than ở Hòn Gai, Cẩm Phả. Qua hơn 200 triệu năm, lớp than bị chôn sâu, uốn nếp, rồi được nâng lên gần mặt đất, nên ngày nay có thể khai thác cả lộ thiên lẫn hầm lò.
Ngoài Quảng Ninh, Việt Nam còn có than non ở bể sông Hồng, nằm sâu dưới đồng bằng Bắc Bộ, trẻ hơn nhiều, hình thành trong khoảng vài chục triệu năm gần đây, và than bùn ở đồng bằng sông Cửu Long.
Kỷ Than Đá và câu hỏi về nấm mục gỗ
Phần lớn than đá ở châu Âu và Bắc Mỹ hình thành trong kỷ Than Đá (Carbon), khoảng 359 tới 299 triệu năm trước. Tên kỷ được đặt chính vì than. Câu hỏi tự nhiên: vì sao thời đó than hình thành nhiều như vậy?
Một giả thuyết được nhắc nhiều cho rằng thời đó các loại nấm có khả năng phân huỷ lignin, chất làm gỗ cứng, chưa tiến hoá đầy đủ, nên gỗ chết tích lại mà không mục. Năm 2012, một nghiên cứu phân tích bộ gen nấm cho rằng nấm mục trắng xuất hiện vào khoảng cuối kỷ Than Đá, ủng hộ ý này. Nhưng năm 2016, một nhóm khác phản bác, cho rằng lượng than lớn chủ yếu do điều kiện địa chất và khí hậu: châu lục ở vùng xích đạo ẩm ướt, nhiều bồn trũng sụt lún liên tục giữ đầm lầy ngập nước. Đến nay câu hỏi vẫn còn tranh luận.
Chiều ngược: hàng triệu năm đốt trong vài thế kỷ
Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), lượng than tiêu thụ toàn cầu năm 2023 vào khoảng 8,7 tỉ tấn, mức cao nhất từng ghi nhận. Năm 2003, nhà sinh thái học Jeffrey Dukes ước tính lượng nhiên liệu hoá thạch con người đốt trong một năm (năm 1997) tương đương lượng thực vật mà toàn bộ thực vật trên Trái Đất tạo ra trong khoảng 400 năm. Bài báo của ông có tên rất gợi hình: "Đốt ánh nắng bị chôn vùi".
Đặt cạnh nhau: than bùn tích tụ 1 mm mỗi năm, một mét than cần mười nghìn năm cây cỏ và hàng triệu năm nung nấu. Còn một nhà máy nhiệt điện lớn có thể đốt hàng nghìn tấn than mỗi ngày. Đây là lý do than được gọi là tài nguyên không tái tạo: không phải vì Trái Đất ngừng làm ra than, mà vì tốc độ làm ra chậm hơn tốc độ đốt hàng triệu lần.
Góc nhìn hôm nay: đọc lịch sử trong một cục than
Cầm một cục than đá lên soi kỹ, đôi khi bạn thấy những vân mỏng sáng tối xen nhau, đó là các lớp thực vật khác nhau đã từng tích tụ. Than bitum hay bám bụi đen và có lớp rõ; antraxit cứng, ánh như kim loại, sạch tay hơn.
Muốn tìm hiểu thêm, Bảo tàng Quảng Ninh ở Hạ Long có khu trưng bày về ngành than, còn Bảo tàng Địa chất Việt Nam ở Hà Nội trưng bày mẫu than và hoá thạch thực vật. Đi thuyền qua vùng rừng tràm U Minh, bạn sẽ thấy bước đầu tiên của quá trình ấy: một lớp than bùn đang dày lên từng milimét dưới mặt nước đen.
Câu hỏi thường gặp
Than đá hình thành mất bao lâu?
Than bùn tích tụ khoảng 1 mm mỗi năm, và khoảng 10 m than bùn mới nén thành 1 m than đá, nên riêng phần nguyên liệu cho một vỉa dày 1 m đã cần khoảng 10.000 năm. Sau đó còn hàng triệu năm bị chôn vùi và nung nóng để thành than đá thật sự.
Than bùn khác than đá thế nào?
Than bùn là xác thực vật mới tích tụ trong đầm lầy, mềm, ướt, hàm lượng carbon thấp. Than đá là than bùn đã bị chôn sâu, nén và nung nóng qua hàng triệu năm, cứng, đen, nhiều carbon và cho nhiều nhiệt hơn.
Than Quảng Ninh là loại than gì?
Than ở bể Đông Bắc, Quảng Ninh chủ yếu là antraxit và bán antraxit, bậc than cao nhất. Than hình thành trong kỷ Trias muộn, khoảng hơn 200 triệu năm trước, từ những khu rừng đầm lầy ven biển.
Vì sao than đá là tài nguyên không tái tạo?
Trái Đất vẫn đang tạo than bùn, nhưng để thành than đá phải mất hàng triệu năm. Con người đốt than nhanh hơn tốc độ tự nhiên tạo ra hàng triệu lần, nên trên thang thời gian của loài người, lượng than coi như cố định và cạn dần.
Vì sao kỷ Than Đá có nhiều than?
Thời đó có nhiều đầm lầy rộng ở vùng xích đạo ẩm và nhiều bồn trũng sụt lún liên tục. Một giả thuyết cho rằng nấm phân huỷ gỗ chưa phổ biến nên gỗ không mục, nhưng giả thuyết này còn đang tranh luận.
