问题

为何绝大部分煤炭形成于石炭纪?

回答
说“绝大部分”煤炭形成于石炭纪,这其实是一个略带夸张的说法,但石炭纪(Carboniferous Period)确实是地球历史上一个异常关键的时期,它为我们今天所知的绝大部分煤炭储备奠定了基础。准确地说,这是一个非常特别的“煤炭形成的高峰期”。

那么,为什么会这样呢?这背后涉及一系列非常独特的地球环境和生物演化因素,就像一个精密调校的宇宙化学反应一样,将无数世纪的植物生命转化为我们赖以生存的能源。

首先,我们需要理解煤炭是如何形成的。简单来说,煤炭是古代植物遗骸在经历漫长地质时期、在高温高压(但不是极高)的条件下发生化学变化而形成的。这个过程大致是:

1. 植物大量生长和死亡: 这是一个关键的起始步骤。
2. 快速埋藏: 植物遗骸被迅速掩埋,阻止了其完全腐烂。
3. 泥炭化: 在缺氧的环境中,植物物质转化为泥炭(Peat)。
4. 煤化作用(Coalification): 随着地质时间的推移和上覆岩层的压力及地热的增加,泥炭中的水分、挥发物逐渐减少,碳含量不断升高,最终形成褐煤(Lignite)、烟煤(Bituminous Coal)和无烟煤(Anthracite)。

现在,我们来看看石炭纪为什么如此得天独厚,能够催生如此庞大的煤炭资源:

1. 极度繁茂且独特的植被:

石炭纪的地球,尤其是北半球的陆地,被一片前所未有的原始森林所覆盖。这些森林与我们今天看到的森林截然不同。当时占主导地位的植物是:

大型蕨类植物(Ferns): 比如适应水湿环境的 असतात(Scouring Rush)家族的巨型代表,如巨型石松(Lepidodendron)和鳞木(Sigillaria)。它们可以长到几十米高,拥有粗壮的树干和分支。
楔叶类植物(Calamites): 类似于今天的木贼(Horsetail),但体型巨大,形成密集的竹林状景观。
种子蕨类植物(Seed Ferns): 虽然名字里有“蕨类”,但它们已经开始进化出种子繁殖的能力,是森林的重要组成部分。

这些植物为何如此繁茂?这与当时的气候和大气成分密切相关。

2. 持续温暖湿润的气候和适宜的地理分布:

石炭纪全球大部分地区,特别是位于赤道附近的陆地,享受着温暖湿润的气候,这为植物的生长提供了得天独厚的条件。大量的低洼、沼泽地遍布,这些地方为植物的生长提供了充足的水分和养分,也为植物遗骸的堆积和早期埋藏创造了理想的环境。

而且,石炭纪期间大陆板块的分布也很有意思。当时地球上大多数陆地集中在劳亚古陆(Laurasia)和冈瓦纳古陆(Gondwana)这两个超级大陆块上。石炭纪大部分的煤层就形成于这些大陆块的边缘,特别是劳亚古陆,在那里大片低洼的沼泽地可以容纳海量的植物残骸。

3. 独特的生物地球化学循环——“氧化事件”的缺失:

这是石炭纪煤炭形成的关键原因之一。在石炭纪之前和之后的大部分时期,地球的生物地球化学循环,尤其是碳循环,与石炭纪有着显著的不同。

大气二氧化碳含量极高: 石炭纪早期的大气中二氧化碳浓度比现在高得多。这个高浓度是地球历史上一个长期过程的结果,也与当时火山活动等因素有关。
大型分解者的缺位: 这是一个非常重要的点。在石炭纪,真菌和其他能够有效分解木质素(Lignin)的微生物(如一些现代真菌所属的谱系)尚未完全进化或普及。木质素是植物细胞壁中的一种复杂有机化合物,它非常坚韧,难以被微生物分解。
缺乏有效的腐烂机制: 当石炭纪的巨型植物死亡后,尽管它们生长在湿润的环境中,但由于缺乏高效的分解者来彻底“吃掉”它们,特别是木质素部分,大量的植物残骸并没有像我们今天在森林里看到的那样被快速分解殆尽。这些遗骸在沼泽的缺氧条件下,堆积得非常厚实。
低氧含量波动与高二氧化碳背景: 有一种重要的理论认为,石炭纪大气中的氧气含量经历了一个显著的上升期,而同时二氧化碳含量也处于高位。高二氧化碳促进了植物的生长,而相对较低或波动(相对后来)的氧气含量,以及最重要的“分解者短板”,使得死亡的植物更容易逃脱完全腐烂的命运,堆积起来形成有机质层。

想象一下,一片巨大的、持续扩张的沼泽地带,生长着一种你从未见过的巨型植物,它们死亡后,一部分被埋在缺氧的泥浆里,但更关键的是,没有任何东西能有效地将它们分解干净。这些植物残骸就这样一层层堆积,不断被新的沉积物覆盖,在地质时间的压力下,慢慢变成了煤。

4. 缺氧环境的持续性:

石炭纪的大部分时间,特别是在重要的煤层形成期,广泛存在着缺氧的沼泽环境。氧气是许多分解微生物进行活动的必要条件。在缺氧环境中,有机物的分解速度大大减慢,这为植物遗骸的保存提供了有利条件。这和今天我们看到的森林地面,虽然也有落叶,但它们在有氧条件下被细菌和真菌快速分解回收了。

为什么之后就没那么多了?

到了石炭纪之后,地质历史进入了新的阶段:

分解者的进化: 随着时间的推移,真菌等更高效的分解生物进化和扩散,能够更有效地分解木质素等复杂有机物。这意味着植物死亡后,其残骸被分解的比例大大增加,能被埋藏并最终形成煤炭的数量就相对减少了。
气候变化: 地球气候经历了周期性的干旱和冰期,这可能影响了大规模沼泽的形成和植被的生长模式。
大陆漂移: 地壳运动改变了大陆的分布和形态,影响了区域气候和沉积环境。

所以,石炭纪就像地球为我们准备的一次“有机物大储藏”。它汇集了独特的植物生命、适宜的气候和地理条件,以及一个关键性的生物化学“漏洞”——分解者的相对不给力,让那段时期的植物能量以煤炭的形式被封存下来。今天我们开采的绝大多数煤炭,都来自那片古老而神奇的沼泽森林。当然,地球在其他时期也形成了煤炭,比如二叠纪、侏罗纪也有重要的煤层,但论储量和影响力,石炭纪无疑是那个最耀眼的“煤炭之星”。

网友意见

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知乎传统,先问是不是,再问为什么。

1. 是不是绝大多数煤炭形成于石炭纪?答案是否定的,主要的成煤期有三个,石炭二叠纪,侏罗白垩纪,还有就是第三纪。单说石炭纪煤炭占总数的多少,我觉得在百分之30以下,这个比例应该算不上绝大多数吧。比如全国煤炭储量最大的省份新疆,主要是侏罗系的煤。第二大的省份内蒙,特大型煤矿基本上是采侏罗白垩纪的煤,当然内蒙石炭二叠纪煤也很多,但很多埋深太大。华北的山西山东河南河北是主要是采石炭二叠纪的煤,各省都有例外,比如山西大同朔州侏罗纪煤比例很大,这几个省份的石炭二叠纪煤中,石炭纪的煤可能不如二叠纪煤多。西南贵州云南等也会采石炭二叠纪的煤。若放眼全国,石炭纪煤储量不占优势,应该排不了第一。石炭二叠纪煤普遍不是太厚,和第三纪和侏罗白垩纪厚度比有点差,但高变质煤,如无烟煤焦煤等大多数是石炭二叠纪的煤。注意,一般讲石炭纪和二叠纪的煤一块说,沉积上是连续的往往同时出现,距离上常在几十米之内,我想题主说的石炭纪煤基本是指石炭二叠纪吧。

2,为什么主要在这三个成煤期?从两个方面分析,生物发展进程与生物生长环境,两个都可归结为一个问题就是物质来源。众所周知,煤炭主要是偏陆生植物遗体。这样问题就分为什么时期植物生长的多?那就是温暖湿润环境,比如热带雨林,干旱沙漠长不了太多植物。上文所述的即是三个温湿期。其他泥盆纪以来的时期多为干旱,观察泥岩的颜色即可明白,红色多数代表干旱。另外一个非常重要的因素,所有提前是首先需要陆生植物出现。泥盆纪后植物才开始登陆,因此泥盆纪以前煤炭很少。那么,泥盆纪以前的温湿期干了什么?生成了灰黑色的泥岩或者灰岩,这些是很多油气的母质,现在火的页岩气,在中国主要是这些。

。。。。。。。。。。。。。。。。。

2017年9月8日17时更新:

对事不对人,4中所述的事情,在这个问题中其他答案中有所应验。大家可以看看答主“鲸鱼”对本问题所答,我相信鲸鱼是地质专业人士,但我不觉得他是行内人,他的回答看着很专业,表面上能蛊惑人,但其实都有问题:

另外有的问题刚好在评论中有人提到,我在此阐述我的观点:

  1. “第一,石炭-二叠期是几大成煤期之一,不算最大。”?请问哪个是最大?它排第几?可能石炭二叠纪真的是最大的,直接下定义说不是最大的,太伤了。
  2. “因为石炭-二叠相对于侏罗-白垩和第三纪的煤来说埋深更大”。暂不谈答非所问的事,当前埋深和沉积时代的早晚的关系没有这么简单。山西分布着大量的埋深为0米的石炭二叠纪煤,那你找找埋深低于0米的侏罗白垩第三纪的煤?现在所采的煤基本都是小于1000米的,用时代来标定埋深太局限。
  3. “且经历了更强烈的构造运动。这造成煤层连续性不好”事实上,大范围看石炭二叠纪的煤是连续性最好的,可能有断层错开,判断之后还是可以找到,第三系的煤往往是断陷盆地沉积的,分布范围很小,过个断层就没有了,是彻底没有了,大范围来看是一小块一小块的。
  4. “且更大的埋深意味着更强的压实作用和成煤作用,煤层厚度也会更薄”更大埋深和成煤作用会使煤层厚度变小,但这个影响小,本质上还是沉积的时候就不够厚,泥炭和褐煤之间在厚度上会有比较低的转化率,但低煤阶煤转化为无烟煤的时候厚度变化很小。我也提到了石炭二叠纪的煤层往往不太厚,这个原因主要是和沉积环境有关,石炭二叠纪的煤主要是海陆过渡相环境,煤的厚度一个必要条件是地壳的稳定沉降,华北石炭二叠纪煤取决于基本是整个板块大范围的整体沉降,特点是范围大,连续性好但厚度不太大,而断陷盆地容易形成巨厚层的煤,断陷盆地取决于拉张断层的活动,范围小,情况变化多,时间上也短。断陷盆地很容易形成厚度巨大的沉积物,这个是海陆过渡相不能比的。
  5. “但这也意味着石炭-二叠的煤品质更好,相对更加无烟。”品质和煤的演化程度没有必然关系,控制品质绝大多数方面和时代是没有关系,比如灰分、硫分、水分等等,第三系依兰矿区中煤层煤,特低灰,特低硫,发热量高,公认的品质好。相对更加无烟,就理解为演化程度高,偏向于无烟煤吧,但首先得说明,正常的石炭二叠纪煤演化到不了无烟煤,现存的无烟煤多是受岩浆作用的影响。另外,这句话很容易误导,觉得无烟煤就比其他煤好,事实远非如此,决定煤所谓好中差(体现为的也就是价格)只是供需关系,低煤阶煤可以炼制石油,这活无烟煤是干不了的,若论供需关系最紧张或者说最为稀缺的是焦煤,焦煤的价格要比无烟煤高不少。

由于时间问题,下一段不在逐句评论,挑几个原则性的问题:

  1. “所有的煤都不可能早于泥盆纪”事实上很多志留系或者更早的煤。
  2. “全球尺度的构造运动会撕裂稳定的克拉通,形成系列盆地,为煤炭的沉积提供有利地形”华北石炭二叠纪的煤就是形成在华北克拉通上面的,没有所谓的系列盆地,沁水盆地、鄂尔多斯盆地是在煤形成之后的事情,就拿华北来说,大规模的造山造盆运动是开始于印支期,这个时候煤层已经沉积很久了。

...............................

2017年9月8日19点更新:

鲸鱼前辈评论了我的回答,让我学到了很多,也让我明白了我认识的局限性。思考下各个问题之后,我觉得我俩可能都有自己的局限性,我是对华北地质了解较多,前辈是对新疆地质了解较多,所以我的回答是基于华北煤炭情况的,他的回答是基于新疆煤炭情况的。我把前辈的评论放在回答中,共读者参阅。

from 鲸鱼前辈:“可能我的答案更局限于我在新疆长期的工作经验。1,这是科普,按照我个人的经验它不算最大。因为新疆的煤大部分都是中生代的。2,地层学上古生代的地层必然在中生代地层下面,至于现在的埋深是构造运动的结果。举一两个反例并不能说古生代的地层和中生代的地层没有可比性。3,在文中我提到的中亚造山带范围内,古生代的煤很少,且因为造山运动支离破碎。反而是中生代的煤层更完整,更容易开采。4,所以我这句话没错啊。在同样的沉积条件下,压实作用更强当然煤层薄了。5,我说的是一般情况。煤的演化大部分确实受埋深控制。科普性质的回答,我肯定要回教科书答案。当然我欢迎答主提供反例。6,这个属于我个人知识有限,但是新疆最早的煤确实是泥盆。因为新疆前泥盆的陆相地层几乎没有。7,华北东部的中生代构造盆地确实跟构造运动有关。华北之前的古生代海侵事件,目前没有明确的板块构造体系下的科学解释。我只是说,这有可能和石炭-二叠的中亚造山带活动有关。如果您有更好的解释,欢迎讨论。”

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