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化石燃料（英語：fossil fuel）亦稱礦石燃料，指由古生物殘骸因被無氧降解而在岩層中形成的各種可被人類用作燃料獲取化學能的碳化合物、碳氫化合物及其衍生物混合物，是一類通過地球地殼長期的地質作用過程才形成的不可再生能源。最重要的化石燃料包括煤炭、石油和天然氣等[1]，自第一次工業革命後成為維持工業化活動的重要天然資源，在第二次工業革命後更是成為人類社會最賴以生存的能量來源，是化工和能源產業 賴以生存的主要原料，其中原油通過石油化學精煉生產得到的石油產品也稱為石化產品。
化石燃料之間的差異很大，可以從低碳氫比的揮發性氣體（如天然氣）、到液態或半液態的石油和焦油、到沒有揮發性的固態無煙煤和可燃冰。化石燃料的能量密度使其非常適合為機械提供能源，隨著19世紀以來工業的大規模發展也使其被廣泛運用，從而使得火力替代了歷史上的人力、畜力、風力和水力等原始能源成為人類社會的主流。當發電的時候，燃燒化石燃料的過程中會推動渦輪機驅動發電機將動能轉換成電能，舊式的發電機是使用通過產生熱能將水加熱至沸騰產生高溫高壓的蒸氣來推動渦輪機，但現時很多發電站都已採用燃氣渦輪引擎直接利用燃氣來推動渦輪機。截至2022年[update]，超過80%的世界能源消耗量和超過60%的發電量仍然依賴化石能源[2]。
化石燃料是現今溫室氣體的主要來源，因此也是加快全球變暖和氣候變化的因素之一[3]。每年燃燒化石燃料產生的二氧化碳約有213億噸，但通過自然界現有的植被固碳只能吸收其中的一半，因此每年在大氣中約增加107億噸的二氧化碳[4]，因此降低對化石燃料的消耗是減少溫室氣體排放的關鍵，否則任何碳截存的努力都無濟於事。在控制消耗的基礎上，人類可以採用植樹造林、林地復育或人工碳捕集與封存等手段一定程度上逆轉化石燃料造成的溫室效應加劇。此外一些替代燃料（比如生物燃料和生物燃氣）雖然使用時也會釋放二氧化碳，但因其生產源自截存大氣層中的二氧化碳，加上所含雜質較少連帶引發的空氣污染也更低，因此發展此類技術也有利於減少使用燃料熱能造成的碳足跡和環境問題[5]。
化石燃料屬於耗竭性能源，需要千百萬年、甚至上億年才能生成（大部分煤床源自古生代石炭紀的煤炭森林，超過七成的石油和天然氣源自中生代的藻類和浮游生物），而被人類使用的消耗速度又遠超過其自然生成速度。因此化石燃料的供應量不足會造成能源危機[6]，特別是從石油提煉出來的汽油影響最大，20世紀下半葉就因為石油供應不足而出現三次石油危機[7]，甚至因此引發地緣政治衝突和戰爭。 現時，全球各大工業國正趨向發展替代能源來減少對化石燃料的依賴，其中對可再生能源（特別是綠色能源）的技術研發和普及應用被視作是下一輪技術革命的關鍵領域。
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石油和天然氣都是來自於數百萬年前海底、湖底大量浮游植物和浮游動物有機物殘骸的厭氧消化而成[9]。隨著地質年代變遷，這些有機化合物同泥土混合，被埋藏在層層的沉積物之下。由於極高的熱量和壓強條件下，有機物質發生了化學上的變化，首先轉變成存在於油頁岩中的一種蠟質物質稱為油母質，接著在更多熱量條件下，轉變成液態和氣態的碳氫化合物。
在任何化石燃料混合物中都有比例相差極大的有機物、碳氫化合物。碳氫化合物的含量決定了燃料的化學特性，例如沸點、冰點、密度、黏性等。
另一方面，陸生植物往往會形成煤和甲烷[10]。許多煤炭都可以追溯到地球歷史的石炭紀。陸生植物還會生成III型油母質，它是天然氣的來源之一。
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石油是一種全球使用量最高的化石燃料[11]，耗盡的時間較其他的較快。可廣泛使用的可再生能源例如生質能源、能量高的核能發電和科學不斷的進步都可減少對化石燃料的依賴。此外，石油使用量高也因為它是石化燃料的提煉物, 用途廣泛。
在供給和需求概念原則的建議下，當化石燃料的供應下降，價格就會上升。因此當化石燃料價格高的時候，能源選擇性會更多，原先普遍被認為不符合經濟效益的可再生能源會成為較符合經濟效益而開發的能源之一。現時，雖然可再生能源的所需要成本及加工技術較普通的石油生產為高及複雜，但在將來的經濟效益較普通的石油生產為高。
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初級能源資源水平是指地下的儲量水平。產量則是流量。最重要的初級能源資源是含碳的化石燃料，2002年，煤炭、石油和天然氣占初級能源產量的79.6%。
2005-2006年（已探明儲量）水平：
- 煤炭：9977.48億短噸（9050億公噸），[12]702.1 km3油當量
- 石油：177.9 km3到209.4 km3[13]
- 天然氣：6,183–6,381萬億立方英尺（175–181萬億立方米），[13]184.6×109 m3油當量
2006年（每日產量）流量：
- 煤炭：18,476,127短噸（16,761,260公噸），[14]每日 52,000,000桶（8,300,000立方公尺）油當量
- 石油：每日84,000,000桶（13,400,000立方公尺）[15]
- 天然氣：104,435萬億立方英尺（2,963萬億立方米），[16]每日19,000,000桶（3,000,000立方公尺）油當量
根據目前已探明儲量和上述開採流量預測尚可開採年限：
- 煤炭：148年
- 石油：43年
- 天然氣： 61年
根據最樂觀的探明儲量估計值作出所預測的尚可開採年限：[17]
- 煤炭：417年
- 石油：43年
- 天然氣：167年
以上計算是在假設之後的數年間，生產量適中保持在一個固定的水平上，另外所有已探明的儲量都可以供開採。實際上，以上三種燃料的消費量在近年來一直在上升。儘管這樣看來似乎資源會更快地被使用完，但實際上產量曲線應該是一條鐘形曲線。在未來某個時點，各資源在某一區域、國家或全球的產量會達到一個最大值，在這之後，產量會開始衰減，直到生產其不再具有經濟價值或者在物理上存在困難時停止。技術、價格、政治政策等因素的變動都可能會產生重大的影響。
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美國的地質學家哈伯特（King Hubbert）於1953年大膽預言，美國石油出產將於1969年左右達到頂峰，達到了頂峰之後就會一直下降。雖然當時許多專家對他的預測提出質疑，但是在1970年，他所預見的情況真的發生了。從此以後，石油專家把這種情形叫做哈伯特頂點（Hubbert's peak）[18]。有專家提出，全球將於2004年和2015年之間達到哈伯特頂點，這種情形將導致空前的能源危機，因為可代替石油的能源（特別是太陽能）產電效率不夠高。 無論單獨的油田或者某個地帶，石油出產量按照以下的哈伯特曲線發展：
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美國只有世界上不到5%的人口，但是由於較大的房屋和私家車，美國人消耗了世界上四分之一的化石燃料供應量。[19]在美國，有超過九成的溫室氣體排放來自於化石燃料的燃燒。[20]化石燃料的燃燒還帶來其他空氣污染物，例如氮氧化物、二氧化硫、揮發性有機化合物和重金屬。
化石燃料的燃燒產生了硫酸、碳酸和硝酸等酸性物質，它們同空氣中的水氣混合後降落地面，形成酸雨，對於自然環境和建築物都有腐蝕作用[21]。其中，用大理石或石灰石建成的雕像、紀念碑特別容易被破壞，因為它們的成分都是碳酸鈣，容易被酸腐蝕。
化石燃料還包含放射性物質，主要是鈾和釷，它們被釋放到大氣中。2000年，全球因為燃燒煤炭，向大氣中釋放了大約12,000噸的釷和5,000噸的鈾。[22]根據估計，在1982年，美國燃燒的煤炭向大氣中釋放的放射物質是三哩島核洩漏事故的155倍。[23]
開採、處理和運輸化石燃料也可能產生環境問題。採煤的方法，尤其是移除山頂等往往對於環境有負面影響，離岸石油開採則對於水生生物產生生存威脅。煉油廠對於環境的負面影響主要體現為空氣和水污染。運輸煤需要動力機車，而運輸石油則需要有大型油輪，這都需要消耗更多的化石燃料。
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