地中に埋まった植物が地圧や地熱を受けて石炭になる変化を総称して石炭化と呼ぶ。これ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。
石炭が産出する地層
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30m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
二畳紀（2億2千万年前頃）: 中国、インド、オーストラリア、アフリカ
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殆ど瀝青炭だが、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、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、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、アフリカ
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が石炭が形成された。
石炭の成り立ちの主な参考文献 - 『石炭技術総覧』第2章石炭を採る、『太陽の化石:石炭』第1章石炭の生い立ち
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