100多米厚的煤层是如何形成的？远古地球上，真有这么多植物吗？

黑色的“木块”

煤炭的开采最早可以追溯到几千年前，在已有的记录中，最早开采煤炭的时代在中国古代和古罗马帝国，包括历史中其他早期历史经济体中。

我们都知道，煤炭是由树木经过数十万年的沉积碳化出现。

煤炭与木材燃烧相比，每单位的煤能够产出更高的能量，带来更高的比能。

过去很长一段时间里，煤炭都是家用燃料的优秀选择。

尽管它会带来许多不可消除的影响，例如烟雾、燃烧废弃物，但在天然气完全替代煤炭作为家用燃料之前，煤的使用相当丰富。

如今煤炭更多用于工业制造和工业生产，特别是在冶炼、合金和发电方面，几乎很难再找到像煤炭这样简单直接的原生产材料。

工业革命之后，煤炭的开采技术更是大幅度提升。

典型的暴露煤层

无论是地表煤层的暴露面还是相对较浅的位置，煤炭都可以通过露天开采的方法进行大规模生产活动。

直到18世纪后期，英国发展出了开采地下煤层的主要技术，到了19和20世纪，这一技术得到推进。

露天开采的煤层在今天已经不再多见，除了人为开采对煤炭这样的不可再生资源的历史因素外，露天煤层需要一定的自然保存才能够让煤层暴露在地表。

决定采矿方法的两个因素中，煤层厚度和地质是主要因素。

对于露天采煤来讲，最经济的采煤方法是电铲一类的生产工具。

它带有两个硬质合金钻头的旋转鼓，沿着煤层一部分运行，并对煤层像剥洋葱一般开采。

露天采矿的大型采矿机

因此露天采矿和深地下采矿是采煤的两种基本方法，开采的方法选择主要取决于煤层深度、密度、覆盖层和厚度。

如果相对靠近地表，深度小于55米的煤层一般可以采用露天开采。

产于55~90米深度的煤层通常是深开采，如果深度超过90米则会更加复杂，并且更具挑战性。

不过也有十分特别的例子，即使是在地下300~460米的煤层中也有露天开采作业。

这样的煤层通常煤量丰富，并且煤层清晰，地质结构稳定，允许大型器械进行深度开采。

向下环绕开采的方式会让煤层逐渐形成一个大坑，运输车辆就通过开采出来的道路进行运输。

或许有人会因此感到疑惑，这些100多米厚的煤层是怎么形成的？

如果说煤炭的形成需要树木支持，要沉积这么多煤炭。远古地球上真有这么多植物吗？

煤炭怎么来的

煤炭的形成较为复杂，并且要从多个方面进行分析，首先是形成过程。

枯死的植物被转化为煤的过程被称作煤化，在地球地质历史的不同时期，煤化的表现也不一样。

在低洼湿地地区，植物死后的植物物质会被保护，从而免受生物降解和氧化。

通常这一过程是由泥浆或者酸性水完成，并在长期的积累过程中成为泥炭。

煤炭的沉积过程

这将碳捕获在巨大的泥炭沼泽中，最终被沉积物深深掩埋在地下。

经过数百万年的沉积，深埋在地下的泥潭由于受到热量和压力的影响，导致泥炭中的水、二氧化碳和甲烷丢失，碳的比例增加。

因此从这方面来讲，煤的生产等级取决于达到的最大压力和温度。

在涉及煤化的因素中，温度比压力或者埋藏时间来讲要重要得多。

比如次烟煤可以在低至35~80摄氏度之间形成，而无烟煤的形成至少需要180~245℃。

煤的化学结构

另外在煤炭的形成过程中，堆积作用也很重要，它需要大量的植物进行参与。

植物堆积大致可以分为原地堆积和异地堆积，前者通常指植物残骸没有经过流水或者风的搬运作用，直接在原地慢慢堆积。

后者情况与之相反，由于水流或者其他外界因素的干扰，煤炭堆积会因水流作用出现在其他没有植物堆积的地方。

煤层堆积形成的区域

例如我国的华北平原，那里的煤层就由西部高原河流的影响，从而带来了大量的煤炭。

再者就是微生物作用，它们会出现在已经死亡的植物中，然后逐步分解植物，形成新的有机体。

从化学层面看，植物的木质组织主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。

经历了数百万年历史的煤炭

现代泥炭多为木质素，纤维素和半纤维素的含量占据40%左右，并且还存在其他有机化合物。

不管是木质素还是纤维素，留存最多的元素为碳氢氧，煤作为植物高度碳化的结果，这意味着煤炭主要会通过脱水、脱羧和去甲烷。

除此之外，不同植物类型死亡后形成的煤炭也有较大区别。

木质素在植物中的表现

例如孢子植物主要生成烟煤和无烟煤，如果是新生代时期的被子植物则以褐煤和泥炭为主。

经过这一系列的介绍我们已经得知，煤炭的具体形成过程还有影响因素。

简单的思考就不难发现，那些特厚的煤层往往需要大量的植物进行沉积。

非常典型的烟煤

尽管在地球的大多数地质时期都有煤炭，但所有的煤层基本都在石炭纪和二叠纪。

晚古生代冰河期，由于冰川作用导致的海平面下降给煤炭形成提供了理想条件，但在三叠纪之后，煤炭的形成基本告终。

跨越时代的沉积

在过去的几十亿年中，石炭纪至三叠纪期间，地球的气候足够温暖湿润，非常适合植物生长。

因此这一时期植物的面积足够充足，个头也十分高大。

另外在远古时代的地球，植物的生长环境主要以藻类植物和菌类植物为主，包括石炭纪时期的沼泽地。

这些都为煤炭沉积带来的有利因素。

远古时代的地球几乎全是大型植物

另外在特厚煤层中还有一个因素不可忽略的是，地质活动的影响。

地质学家在对特厚煤层的研究中普遍发现，要想形成这样的煤层除了植物多，地壳运动对其的影响也很小。

这让沉积过程有了一个稳定的环境，由此不会出现断层的现象。

不过仅凭有利的地理位置和大量植物还不能广泛解释石炭纪的煤层，导致煤层快速沉积的其他因素还有高含氧量。

高含氧量便是富足的植物

这会促进野火的发生，并且增加木炭的出现。

但在3亿年前，煤层的形成被突然放缓。

后来科学家经过研究认为，木质分解素的出现导致树木沉积来不及碳化。

由真菌进化出来的木质分解素能够分解树木结构，并且大量降解木质素。

木头上长出的白腐真菌

相关分析认为，一种白腐真菌的祖先大约在2.9亿年前进化出了这种木质素降解能力。

在早期的树木中，木质素的出现使得植物能够长得更硬、更具木质化。

但这一时期的真菌和细菌还没有进化出分解能力。因此树木在死亡后并没有完全腐烂，而是跟着地质沉积被埋进了地下，最终碳化形成煤。

石炭纪沉积物中埋藏的石松石化石

白腐真菌分解木质素的过程简单来讲，真菌通过释放出的活性分子和酶将植物的保护化合物“撕裂”。

一旦保护树木的木质素被分解，白腐真菌就可以消化吸收纤维素，然后将其转为糖份供自己生长。

所以从这几个方面来讲，远古地球确实是有充足的资源让煤炭去慢慢发展。

另外在地球造煤的几个重要时期内，超过6000万年的时间足以让煤层有充足的时间去发育。

被褐腐真菌侵蚀的木头

不过在今天，科学家发现褐腐真菌已经进化出了一种绕开分解木质素的能力，这样植物在死亡后即使被真菌分解仍然可以保留木质素。

科学家认为温带地区的森林中，已经死去的棕色原木会在几百万年后逐渐形成煤炭。

这样的未来十分遥远，当下需要做的是尽可能避免依赖煤炭资源给环境带来的问题。