石炭纪：持续了6500万年的成煤纪元，诞生了地球上一半的煤炭储量

人类社会从工业时代进入信息时代，但赖以维持现代生活的电力，很大一部分还是来自最早的工业能源——煤炭。煤炭貌不惊人，但对人类来说，却是最重要的一种石头，它们黝黑身形下蕴藏的炽热能量，誉为黑色的金子、工业的食粮，帮我们走进了工业时代。那么煤炭是怎么形成的？“成煤纪元”石炭纪又是怎么回事儿呢？

煤炭是如何形成的？

煤炭，在定义上是指古代植物埋藏在地下经历复杂的生物化学和物理变化后形成的固体可燃性矿物。也就是说煤炭是“植物死后埋藏地下，经过一系列物理化学变化后形成”的，但说来简单，实际上煤炭的形成过程相当复杂，需要具备的条件也特别严苛。

作为地球上蕴藏量最丰富，分布地域最广的化石燃料，碳、氢、氧是煤炭有机质的主体，占95%以上。也就是说富含碳、氢、氧的植物中，无论是枯枝落叶，还是孢子花粉甚至是藻类都有可能形成煤炭，不过要形成真正高品质的烟煤、无烟煤，还得是具有木质部的蕨类植物、裸子植物或被子植物，这些植物的木质部中含有丰富的“木质素”在地层中不易被分解，更容易成煤。

当然要形成煤矿，一两棵树是远远不够的，需要无数树木在漫长的时间里不断繁茂生长，并长期积累倒伏枯萎的树木残骸。同时这些残骸还需要在常年潮湿的沼泽洼地，因为这些地方不仅适合森林生长，也会让倒下的树干、树枝浸没在水中，形成一个封闭的还原环境，避免了风化作用和细菌、微生物的破坏。

这样一来，植物残骸便不会再被氧化作用分解，而是被厌氧微生物通过还原作用分解，并在压实作用和其它物理、化学作用下缓慢地演变成泥炭。生于大地的植物们，就这样再次回归了大地。但从植物残骸变成泥炭还只是成煤的第一步。随后泥炭在沼泽中不断沉积，并越压越深，并在地质作用下，温度和压力不断升高，原本松软并富含水分的泥炭被挤压得越来越实，泥炭最终成为初级煤炭—褐煤。

褐煤只是一种劣质煤，外表呈棕褐色，但仍含有大量水分和挥发成分，烧起来热量不高，却冒出滚滚浓烟，污染很重。褐煤再经过长时间的压实和变质作用后，才能形成真正意义上的煤——烟煤。褐煤转化成烟煤要付出巨大的“代价”，据地质学家推算，6米厚的褐煤才能压缩成0.3米厚的烟煤。

在这个过程中，煤化程度越深，碳的含量越高，氢和氧的含量就越低。其中碳和氢是煤炭燃烧过程中产生热量的元素，氧属于助燃元素。至于其他的氮、硫、磷、氟、氯和砷等物质，或以游离状态析出，或以氧化物的形式随烟气排放出去。尽管当前不少人质疑石油的生成原因，但无可否认的是，煤炭毫无疑问是植物的残骸经过一系列的演变形成的。

这点从煤炭本身就能找到证据，比如有些高品质煤块，可以直接看到有植物的叶和根茎的痕迹；如果把煤切成薄片放到显微镜下观察，就能发现非常清楚的植物组织和构造，而且有时在煤层里还保存着像树干一类的东西，有的煤层里还包裹着完整的昆虫化石。

石炭纪诞生了地球上一半的煤炭储量

据地质学家考证，在地球46亿年的地质时间里，全球范围内有三大成煤期，分别是古生代的石炭纪和二叠纪，成煤植物主要是孢子植物，代表煤种是烟煤和无烟煤；中生代的侏罗纪和白垩纪，成煤植物主要是裸子植，代表煤种为褐煤和烟煤；以及新生代的第三纪，成煤植物主要是被子植物，代表煤种为褐煤和泥炭，也有少量烟煤。

这三大成煤期中，属于石炭纪时期的煤炭储量约占全世界总储量的50%，这个始于距今3.5亿年前，延续了约6500万年的纪元，是一个植物生长无比繁盛、大气含氧量空前丰富的时代。当时的地球是一颗温暖潮湿的星球，除了海洋的一片蔚蓝，所有陆地连在一起的盘古大陆上几乎长满了绿色植物。

在一片沼泽周围，茂密的森林一眼望不到头。森林最上层是高达40米的石松和高达20多米的鳞木（因鱼鳞般的树皮而得名）；中层是矮一些的栉羊齿和木贼，这些蕨类植物枝条细长，有对称的羽状复叶，茎可以长到20~40厘米粗。森林下层则是多种低矮的蕨类和裸子植物，把地表盖得严严实实，无尽的蕨类森林覆盖着大地。

湿润的气候、遍布的沼泽，让蕨类、石松类等植物生长繁盛，这是地球生命自寒武纪大爆发以来，有一个生命大发展时期。茂密的森林产生了大量氧气，使地球的含氧量达到了惊人的35-45%，几乎是当今的两倍。极高的含氧量让昆虫进化成了巨虫，而两栖动物在超级地幔柱事件中由硬骨鱼进化而来，由于没有竞争对手，它们也进化出了巨大的体型，所以石炭纪也被称为“巨虫时代”。

由于形成了原始的木质部，这些在地球上大面积分布的蕨类植物森林,长得高大粗壮，但与此同时，地球上的微生物和真菌尚未进化出能够消化分解木质素的能力，这给成煤创造了有利条件，于是这些原始植物在经历地层的埋藏后,就变成了现在人类赖以生存的化石燃料—煤。而这一时期也因为地层中含有丰富的煤炭，而得名“石炭纪”。

石炭纪森林的广袤和茂密可以从山西所产煤层的厚度上看出来，大同煤田中有些煤层厚度竟然超过了120米，这相当于2440米原始植物堆积的厚度。不过石炭纪成也煤炭，败也煤炭，到了石炭纪末期，由于地表普遍形成了一层30米后的褐煤层，加上当时地幔岩浆活动活跃及超高的含氧量，便催生了石炭纪燃煤事件，煤层燃烧了约5万年，产生的高温和有毒气体，造成了地球46%的物种灭绝...。

直到侏罗纪，裸子植物和爬行动物取代了蕨类植物和两栖动物，地球史上才迎来了森林的第二繁盛期,这为恐龙的壮大提供了条件，只是此时的微生物真菌已经进化出了能够消化木质素的能力，不过即便如此侏罗纪形成的煤层总量,也仅次于石炭纪煤层。不过那是另外一件事了。

这就是煤炭的形成过程，进入21世纪以来，尽管由于石油和各种新能源的出现，煤炭的价值大不如从前，但在人类探寻并掌握高密度能源之前，煤炭还将继续是我们人类的生产生活必不可缺的能量来源之一。

上期回顾：从汶川玉树大地震，到泸定积石山地震，巴颜喀拉地块为何如此活跃？

备注：本文是《能源与文明合集》的第18章原创作品，仅为一家之言，转发请注明【著作权归原作者所有及出处】，抄袭必究。另文中配图部分引自网络，如有版权私联请删。