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化石燃料（英语：fossil fuel）亦称矿石燃料，指由古生物残骸因被无氧降解而在岩层中形成的各种可被人类用作燃料获取化学能的碳化合物、碳氢化合物及其衍生物混合物，是一类通过地球地壳长期的地质作用过程才形成的不可再生能源。最重要的化石燃料包括煤炭、石油和天然气等[1]，自第一次工业革命后成为维持工业化活动的重要天然资源，在第二次工业革命后更是成为人类社会最赖以生存的能量来源，是化工和能源产业 赖以生存的主要原料，其中原油通过石油化学精炼生产得到的石油产品也称为石化产品。
化石燃料之间的差异很大，可以从低碳氢比的挥发性气体（如天然气）、到液态或半液态的石油和焦油、到没有挥发性的固态无烟煤和可燃冰。化石燃料的能量密度使其非常适合为机械提供能源，随着19世纪以来工业的大规模发展也使其被广泛运用，从而使得火力替代了历史上的人力、畜力、风力和水力等原始能源成为人类社会的主流。当发电的时候，燃烧化石燃料的过程中会推动涡轮机驱动发电机将动能转换成电能，旧式的发电机是使用通过产生热能将水加热至沸腾产生高温高压的蒸气来推动涡轮机，但现时很多发电站都已采用燃气涡轮引擎直接利用燃气来推动涡轮机。截至2022年[update]，超过80%的世界能源消耗量和超过60%的发电量仍然依赖化石能源[2]。
化石燃料是现今温室气体的主要来源，因此也是加快全球变暖和气候变化的因素之一[3]。每年燃烧化石燃料产生的二氧化碳约有213亿吨，但通过自然界现有的植被固碳只能吸收其中的一半，因此每年在大气中约增加107亿吨的二氧化碳[4]，因此降低对化石燃料的消耗是减少温室气体排放的关键，否则任何碳截存的努力都无济于事。在控制消耗的基础上，人类可以采用植树造林、林地复育或人工碳捕集与封存等手段一定程度上逆转化石燃料造成的温室效应加剧。此外一些替代燃料（比如生物燃料和生物燃气）虽然使用时也会释放二氧化碳，但因其生产源自截存大气层中的二氧化碳，加上所含杂质较少连带引发的空气污染也更低，因此发展此类技术也有利于减少使用燃料热能造成的碳足迹和环境问题[5]。
化石燃料属于耗竭性能源，需要千百万年、甚至上亿年才能生成（大部分煤床源自古生代石炭纪的煤炭森林，超过七成的石油和天然气源自中生代的藻类和浮游生物），而被人类使用的消耗速度又远超过其自然生成速度。因此化石燃料的供应量不足会造成能源危机[6]，特别是从石油提炼出来的汽油影响最大，20世纪下半叶就因为石油供应不足而出现三次石油危机[7]，甚至因此引发地缘政治冲突和战争。 现时，全球各大工业国正趋向发展替代能源来减少对化石燃料的依赖，其中对可再生能源（特别是绿色能源）的技术研发和普及应用被视作是下一轮技术革命的关键领域。
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石油和天然气都是来自于数百万年前海底、湖底大量浮游植物和浮游动物有机物残骸的厌氧消化而成[9]。随着地质年代变迁，这些有机化合物同泥土混合，被埋藏在层层的沉积物之下。由于极高的热量和压强条件下，有机物质发生了化学上的变化，首先转变成存在于油页岩中的一种蜡质物质称为油母质，接着在更多热量条件下，转变成液态和气态的碳氢化合物。
在任何化石燃料混合物中都有比例相差极大的有机物、碳氢化合物。碳氢化合物的含量决定了燃料的化学特性，例如沸点、冰点、密度、黏性等。
另一方面，陆生植物往往会形成煤和甲烷[10]。许多煤炭都可以追溯到地球历史的石炭纪。陆生植物还会生成III型油母质，它是天然气的来源之一。
石油是一种全球使用量最高的化石燃料[11]，耗尽的时间较其他的较快。可广泛使用的可再生能源例如生质能源、能量高的核能发电和科学不断的进步都可减少对化石燃料的依赖。此外，石油使用量高也因为它是石化燃料的提炼物, 用途广泛。
在供给和需求概念原则的建议下，当化石燃料的供应下降，价格就会上升。因此当化石燃料价格高的时候，能源选择性会更多，原先普遍被认为不符合经济效益的可再生能源会成为较符合经济效益而开发的能源之一。现时，虽然可再生能源的所需要成本及加工技术较普通的石油生产为高及复杂，但在将来的经济效益较普通的石油生产为高。
初级能源资源水平是指地下的储量水平。产量则是流量。最重要的初级能源资源是含碳的化石燃料，2002年，煤炭、石油和天然气占初级能源产量的79.6%。
2005-2006年（已探明储量）水平：
- 煤炭：9977.48亿短吨（9050亿公吨），[12]702.1 km3油当量
- 石油：177.9 km3到209.4 km3[13]
- 天然气：6,183–6,381万亿立方英尺（175–181万亿立方米），[13]184.6×109 m3油当量
2006年（每日产量）流量：
- 煤炭：18,476,127短吨（16,761,260公吨），[14]每日 52,000,000桶（8,300,000立方米）油当量
- 石油：每日84,000,000桶（13,400,000立方米）[15]
- 天然气：104,435万亿立方英尺（2,963万亿立方米），[16]每日19,000,000桶（3,000,000立方米）油当量
根据目前已探明储量和上述开采流量预测尚可开采年限：
- 煤炭：148年
- 石油：43年
- 天然气： 61年
根据最乐观的探明储量估计值作出所预测的尚可开采年限：[17]
- 煤炭：417年
- 石油：43年
- 天然气：167年
以上计算是在假设之后的数年间，生产量适中保持在一个固定的水平上，另外所有已探明的储量都可以供开采。实际上，以上三种燃料的消费量在近年来一直在上升。尽管这样看来似乎资源会更快地被使用完，但实际上产量曲线应该是一条钟形曲线。在未来某个时点，各资源在某一区域、国家或全球的产量会达到一个最大值，在这之后，产量会开始衰减，直到生产其不再具有经济价值或者在物理上存在困难时停止。技术、价格、政治政策等因素的变动都可能会产生重大的影响。
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美国的地质学家哈伯特（King Hubbert）于1953年大胆预言，美国石油出产将于1969年左右达到顶峰，达到了顶峰之后就会一直下降。虽然当时许多专家对他的预测提出质疑，但是在1970年，他所预见的情况真的发生了。从此以后，石油专家把这种情形叫做哈伯特顶点（Hubbert's peak）[18]。有专家提出，全球将于2004年和2015年之间达到哈伯特顶点，这种情形将导致空前的能源危机，因为可代替石油的能源（特别是太阳能）产电效率不够高。 无论单独的油田或者某个地带，石油出产量按照以下的哈伯特曲线发展：
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美国只有世界上不到5%的人口，但是由于较大的房屋和私家车，美国人消耗了世界上四分之一的化石燃料供应量。[19]在美国，有超过九成的温室气体排放来自于化石燃料的燃烧。[20]化石燃料的燃烧还带来其他空气污染物，例如氮氧化物、二氧化硫、挥发性有机化合物和重金属。
化石燃料的燃烧产生了硫酸、碳酸和硝酸等酸性物质，它们同空气中的水气混合后降落地面，形成酸雨，对于自然环境和建筑物都有腐蚀作用[21]。其中，用大理石或石灰石建成的雕像、纪念碑特别容易被破坏，因为它们的成分都是碳酸钙，容易被酸腐蚀。
化石燃料还包含放射性物质，主要是铀和钍，它们被释放到大气中。2000年，全球因为燃烧煤炭，向大气中释放了大约12,000吨的钍和5,000吨的铀。[22]根据估计，在1982年，美国燃烧的煤炭向大气中释放的放射物质是三哩岛核泄漏事故的155倍。[23]
开采、处理和运输化石燃料也可能产生环境问题。采煤的方法，尤其是移除山顶等往往对于环境有负面影响，离岸石油开采则对于水生生物产生生存威胁。炼油厂对于环境的负面影响主要体现为空气和水污染。运输煤需要动力机车，而运输石油则需要有大型油轮，这都需要消耗更多的化石燃料。
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