石炭紀

距今約3.55億年至2.95億年

石炭紀(Carboniferous)約處於地質年代兩億八千六百萬至三億六千萬年前,它可以區分為兩個時期:始石炭紀(又叫密西西比紀,三億兩千至三億六千萬年前)、和后石炭紀(又叫賓夕法尼亞紀,兩億八千六百至三億兩千萬年前)。石炭紀(Carboniferousperiod)是古生代的第5個紀,開始於距今約3.55億年至2.95億年,延續了6500萬年。石炭紀時陸地面積不斷增加,陸生生物空前發展。當時氣候溫暖、濕潤,沼澤遍布。大陸上出現了大規模的森林,給煤的形成創造了有利條件。

主要特徵


石炭紀是地殼運動非常活躍的時期,因而古地理的面貌有著極大的變化。這個時期氣候分異現象又十分明顯,北方古大陸為溫暖潮濕的聚煤區,岡瓦納大陸卻為寒冷大陸冰川沉積環境。氣候分帶導致了動、植物地理分區的形成。
石炭紀是地殼發展史上重要的造山時期,地殼上分佈最廣的晚古生代海西山系的雛型,基本上在石炭紀形成。早石炭世末期的蘇台德運動是晚古生代最主要一次構造變動,使北美的阿帕拉欽地槽、西歐的萊茵海西地槽、歐亞交界的烏拉爾地槽等的主體部分皺起形成山系;西伯利亞地台以南的遼闊地槽區,大致可以中天山-內蒙人民共和國南部一線為界,其北部石炭紀陸相為主,蘇台德運動也明顯存在。石炭紀的古氣候問題中最令人注意的是:崗瓦納大陸自石炭紀末至二疊紀初的大規模的冰川活動現象、持續時間長達5000萬年,屬極地大陸冰蓋類型。

煤炭來源


石炭紀是植物世界大繁盛的代表時期。石炭紀開始於距今3.5億年,延續了約6500萬年。由於這一時期形成的地層中含有豐富的煤炭,因而得名“石炭紀”。據統計,屬於這一時期的煤炭儲量約佔全世界總儲量的50%以上。

動物演化


石炭紀陸生生物飛躍發展,海生無脊椎動物也有所更新。
泥盆紀相比,蜓類是石炭紀海生無脊椎動物中最重要的類群,而腕足動物儘管在類群上減少,但數量多,依舊占相當重要地位,頭足類則以菊石迅速發展為主。
在石炭紀晚期,脊椎動物演化史出現一次飛躍,從此擺脫了對水的依賴,以適應更加廣闊的生態領域,以北美賓夕法尼亞早期地層中的林蜥為代表。生活在陸上的昆蟲,如蟑螂類和蜻蜓類,是石炭紀突然崛起的一類陸生動物,它們的出現與當時茂盛森林密切相關,其中有些蜻蜓個體巨大,兩翅張開大者可達70cm。
石炭紀的海生無脊椎動物與泥盆紀比較起來,有了顯著的變化。淺海底棲動物中仍以珊瑚、腕足類為主。早石炭世晚期的浮遊和游泳的動物中,出現了新興的筳類,菊石類仍然繁盛,三葉蟲到石炭紀已經大部分絕滅,只剩下幾個屬種。
最早發現於泥盆紀的昆蟲類,在石炭紀得到進一步的繁盛,已知石炭、二疊紀的昆蟲就達1300種以上。陸生脊椎動物進一步繁盛,兩棲動物佔到了統治地位。早石炭世一開始,兩棲動物蓬勃發展,主要出現了堅頭類(也稱迷齒類),同時繁盛的還有殼椎類。

植物演化


石炭紀(3.58億年-2.98億年前)——壯觀的蕨類森林.
石炭紀是植物世界大繁盛的代表時期。早石炭世的植物面貌與晚泥盆世相似,古蕨類植物延續生長,但只能適應於濱海低地的環境;晚石炭世植物進一步發展,除了節蕨類和石松類外,真蕨類和種子蕨類也開始迅速發展。裸子植物中的苛達樹是一種高大的喬木,成為造煤的重要材料之一。
石炭紀的氣候溫暖濕潤,有利於植物的生長。隨著陸地面積的擴大,陸生植物從濱海地帶向大陸內部延伸,並得到空前發展,形成大規模的森林和沼澤,給煤炭的形成提供了有利條件,所以,石炭紀成為地史時期最重要的成煤期之一。此外,石炭紀也是地殼運動頻繁的時期,許多地區這時褶皺上升,形成山系和陸地,地形高差起伏,使地球上產生明顯的氣候分異。按照地理環境的不同,科學家們根據石炭紀的植物分佈特點劃分出各具特色的植物地理區,每一植物地理區都有自己的特色植物群(flora)和一定的生態特徵。
在石炭紀的森林中,既有高大的喬木,也有茂密的灌木。喬木中的木賊根深葉茂,木賊的莖可以長到20~40厘米粗,它們喜愛潮濕,廣泛分佈在河流沿岸和湖泊沼澤地帶。石松是另一類喬木,它們挺拔雄偉,成片分佈,最高的石松可達40米。石炭紀時,早期的裸子植物(如蘇鐵、松柏、銀杏等)非常引人注目,但蕨類植物的數量最為豐富。蕨類植物是灌木林中的旺族,它們雖然低矮,但大量佔據了森林的下層空間,緊簇擁擠,蒸蒸日上。可以這樣說,今天地球上之所以蘊藏有如此豐富的煤炭資源,與石炭紀的植物界的繁盛密切相關。中國是煤炭資源大國,外國科學家們曾經指出,石炭紀森林的廣袤和茂密可以從中國所產煤層的厚度上看出來,有的煤層厚度竟然超過120米,這相當於2440米的原始植物質的厚度。
植物是怎樣變成煤炭的呢?由於石炭紀的植物種類繁多,生長迅速,它們死後即便有一部分很快腐爛,但仍有許多枝幹倒伏后避免了風化作用和細菌、微生物的破壞。石炭紀森林的不少林地是被水浸泡著的沼澤地,死亡后的植物枝幹很快會下沉到稀泥中,那裡實際上是一種封閉的還原環境,在這種環境中植物枝幹避免了外界的破壞,並在壓實作用和其它作用下緩慢地演變成泥炭。年復一年,由植物形成的泥炭在地層中得到保存,並又經歷了成煤作用后成為初級的煤炭-褐煤。褐煤是一種劣質煤,褐煤再經過長時間的壓實后,才能形成真正意義上的煤——煙煤。褐煤轉化成煙煤要付出巨大的“代價”,據地質學家們推算,0.3米厚的煙煤是由6米厚的象褐煤這樣的植物質壓縮而成的。
石炭紀森林分佈在地球陸地的許多地方,在中國北方的華北平原,就曾保存著石炭紀的廣袤森林,山西的煤層應該是最好的證據。在石炭紀時,山西大地歷經海水的數次入侵,海陸頻頻交替。每當海水退卻,陸地植物便在溫暖潮濕的環境下迅速繁盛,一期又一期的森林就這樣生成了。成煤的泥炭沼澤植物林中,主要以石松類、科達類、種子蕨類、真蕨類等為主,當我們今天開發山西的煤炭資源時,有誰能夠知道並辨認出那些形形色色的史前植物呢?

古氣候與礦產


根據石炭紀的珊瑚礁分佈,可以推斷早石炭世的赤道帶通過北美洲中部,西北歐經黑海穿過中國西北、華南到達印尼和澳洲東部。石炭紀同大陸上的古氣候相適應的是植物地理區系的分佈,歐美植物區和華夏植物區為熱帶、亞熱帶氣候,岡瓦納植物區和安加拉植物區分別代表熱帶以外的南北溫涼氣候區。世界上各地石炭紀的成煤時期早晚也有差別,分別代表各地區的熱帶潮濕氣候,石炭紀的乾旱氣候區僅限於一定的地理分佈,同泥盆紀和二疊紀相比,乾旱面積較小,乾旱氣候同蒸發岩類沉積的分佈相適應,例如亞洲早石炭世從哈薩克南部經天山伸延至南天山和塔里木,哈薩克向東到西伯利亞乾旱氣候一直延續到中石炭世。南半球的岡瓦納大陸,石炭紀時高出海面,從石炭紀中晚期開始氣候變冷,冰川活動一直持續到早二疊世,冰期和間冰期沉積在南美、南非、印度和澳大利亞都有廣泛的分佈,在南非南部冰川呈放射狀方向流動。在北半球,僅在西伯利亞東部可能為寒冷乾燥氣候。石炭紀時陸地海岸和沼澤地區氣候溫暖潮濕,形成重要的煤礦,中國華南早石炭世晚期的測水組(湖南)、梓山組(江西)、葉家塘組(浙江),均含可採煤層。東北、華北和西北的上石炭統,含有重要的煤系。大陸上經過長期剝蝕的地區,往往形成鋁土礦和耐火粘土,中國華北石炭系含有G層鋁土礦和山西式鐵礦,貴州清鎮一帶下石炭統頂部亦含大型鋁土礦。北美晚石炭世蘊藏有油頁岩和石油。中國石炭系也是油氣勘探的重要層位。中國新疆、甘肅、寧夏中部石炭系含有石膏及蒸發岩礦床。石炭紀碳酸鹽岩沉積分佈廣泛,世界各地開採石灰岩和白雲岩作為石灰和水泥的原料。

形成過程


在泥盆紀中北美地塊和北歐——俄羅斯地塊結合到一起。這塊大陸與後來的剛瓦那超大陸的其它部分(今天的非洲、南美洲、南極洲、澳大利亞和印度)之間部分是由不同的地形組成的海洋。在上泥盆紀這些地區與北美——北歐——俄羅斯組成的大陸已開始有接觸。

巨蟲時代


石炭紀有個別名叫“巨蟲時代”,因為當時大氣含氧量很高,蟲子長得特別大。下面介紹幾種著名的節肢動物

巨型蜘蛛

巨型蜘蛛屬於中突蛛亞目。有人頭般大小。它住在自己的洞穴里,用蜘蛛絲探測外面的動靜。

巨型馬陸

巨型馬陸屬於多足綱,有大約3米長,身披堅硬的盔甲,長有鋒利的大顎。是有史以來最大的陸地節肢動物。

巨型蜻蜓

巨型蜻蜓是有史以來最大的昆蟲。翼展將近一米。

石炭紀生物大滅絕事件


3.06億年前,地球處於石炭紀晚期。此時的地球與現在的有很大不同:所有陸地連在一起,形成一塊超級大陸:盤古大陸(泛大陸)。石炭紀的盤古大陸99%由針葉林覆蓋,樹木產生了大量的氧氣,這使得地球的含氧量高達45%,是今天的兩倍。此時陸地上的霸主主要有兩類:兩棲動物和巨型昆蟲。石炭紀的含氧量極高,促進了昆蟲的進化。兩棲動物在超級地幔柱事件中由硬骨魚進化而來,由於沒有競爭對手,它們也進化出了巨大的體型。
如今最大的蜻蜓也只有18厘米長,可當時有一個叫巨脈蜻蜓的物種,翼展長達95厘米,依靠長長的翼,使它們的飛行時速達到了60千米。它們依靠巨大的體型和極快的飛行速度,成為了叢林的霸主。可它們也有天敵:引螈。引螈體長2.2米,重約100千克。它看上去就像一隻胖大的蠑螈。與現生兩棲動物一樣,引螈也以昆蟲為食。巨型昆蟲還有很多種類,如巨獨角仙、巨蜚蠊等。
此時有一個新興的物種:爬行動物。截止至2012年,只發現了一種那時的爬行動物:原蜥。它體長60厘米。爬行動物與兩棲動物有很大的不同,爬行動物的卵有硬殼保護,不需產在水中。它們的皮膚不像兩棲動物,只有一層薄膜,而是長有鱗片,這使它們不必隔一段時間就返回水中,防止脫水。它們還進化出了一種器官:聲帶。
這次災難的禍首是煤炭。一億年來,陸地都完全由森林覆蓋。它們的枯枝形成了一層厚達30米的煤炭,而且遍布全球。那時,地幔岩漿活動劇烈,產生高溫。高溫穿過岩石,直達煤炭層。煤炭在高溫下開始燃燒。3.06億年前的一天,一堆火苗出現在地面上,緊接著,越來越多的火苗出現了,它們燒毀了成片的樹木。倒下的燃燒樹木引燃了更多樹,很快,附近一片火海。
當時極高的含氧量,加快了大火的擴散。大火在數天內就擴散到了500千米以外的地方。叢林中的動物無處可逃,大多被燒死。巨脈蜻蜓等昆蟲雖能飛行,但它們的卵卻不可能。昆蟲們失去了棲息地,而它們不可能總在飛行,最終筋疲力盡,掉在了火海中。
十年後,大火還在繼續燃燒。它們覆蓋了陸地約50%的地區。在這範圍內的大多數生物都被燒死。由於山脈和河流的阻擋,大火沒能繼續擴散。但煤炭的燃燒產生了大量的有害氣體,漸漸擴散到了全球。這些氣體使全球發生溫室效應,平均溫度在十年內上升了5攝氏度。這使海洋動物的卵無法孵化,這摧毀了很多動物。
三十年後,由於可燃物燃燒殆盡,大火停止燃燒。大火燃燒的地區,有一層厚厚的灰燼,這是動植物被燃燒所形成的。倖存下來的動物由於沒有食物來源,很快被餓死。
大氣中充滿了有害氣體,這又摧毀了許多呼吸功能差的動物。這些氣體又使全球氣溫繼續上升,災難發生100年後,全球氣溫平均可能達30攝氏度。
一千年後,有毒氣體還在繼續揮發,它們遮住了太陽。地球表面所得的光源只有正常的50%,這使得植物無法進行光合作用,大量植物因此死亡。一些呼吸功能差的動物,如引螈,也因此大量死亡。
一萬年後,有毒氣體終於停止了揮發,但動植物遭到了重創,50%的陸地幾乎沒有生命跡象,地球開始進入恢復期。
距煤炭層燃燒過去了5萬年,滅絕事件基本結束。在這場災難中,兩棲動物受到重創,而引螈奇迹般的存活了下來。節肢動物可就沒那麼好運了,巨馬陸、巨脈蜻蜓、巨獨角仙、巨蜚蠊等動物都滅絕了,巨型昆蟲的時代結束了。在這場災難中,受益最大的就是哺乳動物、鳥類、爬行動物的直系祖先——原蜥。它們的種群在這次災難中發展壯大,在接下來的數百萬年進化出許多不同的物種。海洋動物中,三葉蟲受到了重創,並在下一次物種大滅絕事件中消亡。
值得一提的是,爬行動物開始多樣化,它們在短時間內成為全球霸主,地球進入了長達2.4億年的爬行動物時代。
燃燒的煤炭、有毒的氣體、高溫構成了造成46%物種滅絕的物種大滅絕——石炭紀燃煤事件。