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地球上的煤,为什么主要形成于3亿年前?

煤的来源

现代社会的出现,煤起到了其他物质无可比拟的作用。但煤是怎么形成的?


大约3亿年前,出现了一个被地理学家称为石炭纪的时代,石炭纪的植物看起来很难腐蚀。石炭纪的树木死亡后,倒在地面。那时的地面大多是沼泽,但这些植物残骸却没有被微生物分解,基本保持原有状态。随着时间的流逝,更多树木倒在了早先树木的上面。随着越来越多的树木倒下,下层的树木受到后来倒下树木覆盖层的压迫,再加上受到来自地球内部热量的加热,这些树木残骸逐渐丧失了挥发性元素,变成一种越来越接近纯碳的物质。

这就是煤形成的过程。煤为工业革命提供了能源,驱动工厂和火车运转,加热壁炉,为煤气灯提供煤气,还是将矿石变成钢铁的还原剂,药品、燃料和其他化学物质的原料,世界的绝大部分电力都是用煤生产的。但人们还不知道石炭纪形成的如此大量的煤的原因。森林在石炭纪之前的泥盆纪时代就存在了,并从那时起就一直存在至今;虽然不是所有煤是在石炭纪形成的,但石炭纪形成的煤远远高于其他时期,如下图所示。石炭纪这个名称也是因此而来。

有好奇者就会问为什么石炭纪会形成这么多煤?一个原因就是石炭纪时期的沼泽缺少氧气,能减缓木腐微生物的活动。就其本身而言,这种原因也说的过去;可除了石炭纪,其他时代也存在着沼泽。为了解释为什么石炭纪会产生如此多的煤,有人认为石炭纪石炭纪的木腐微生物没有将木头腐烂掉。

植物化学的变化让树木长高,按照这一理论,植物化学也干扰了腐木微生物的活动,让植物的大部分有机物不腐烂。没有人对第一种原因提出质疑,在最近出版的《美国国家科学院院刊》里,斯坦福大学的凯文·博伊斯和他的同事发表了质疑第二种原因的论文。凯文·博伊斯博士认为石炭纪时期的煤、沼泽和其他事物都是大陆板块移动造成的意外结果。

伸向天空

凯文·博伊斯博士他们的认为是进化时间滞后假说导致石炭纪的微生物不能完全消化树木。第一种维管植物(即有内部输送水分管道的植物)出现在志留纪,志留纪是泥盆纪之前的时期。维管化植物意味着植物能从根部吸取水分,因而能长高;高大的植物导致了一场贯穿泥盆纪的竞赛——长得越高的植物,越能无遮蔽地获取阳光,结果却是让了多的树木生长出来,从而出现了森林。

树木必须变得强壮,要不然就会倒塌。树木的一部分支撑力量来自于纤维素,纤维素是一种由长链状的糖分子构成的古老物质,植物细胞的细胞壁就是由纤维素组成。但第二种分子的出现后,树木的进化才加快了,这就是木质素分子。木质素分子由酚类化合物组成,与糖类物质相比,酚类化合物很难被分解。因此,凯文·博伊斯博士他们认为石炭纪后的微生物才进化出可以分解酚类化合物的能力。因此,在石炭纪时期,倒下的树木就简单地堆砌在沼泽里,尽管他们的纤维素被微生物分解了,木质素却被保留了下来,最终形成了煤。

这只是一种纯粹的假设。对真菌植物进化的分析结果表明真菌的木质素消化酶(主要腐蚀介质)确实在二叠纪才首次出现,二叠纪是石炭纪之后的时代,这一结果支持上述假设。凯文·博伊斯博士和他的同事却压根不相信这种假设。

伊斯博士他们对此的质疑建立在对Macrostrat数据库的极其仔细分析的基础上,并且分析了哪种类型的植物是地层单元形成煤层植物群的主要植物。Macrostrat数据库记录了全部北美洲地层的数据。

石炭纪的植物与现代植物不同。此外,在石炭纪的不同时间段,主要的树木品种也不同。伊斯博士的团队发现一个现象:形成煤的高峰时期与一种被称为石松植物类群居于统治地位的时间重合;而石松植物的树干主要由周皮组织构成,周皮相当于现代树木的树皮,木质素含量很低。存在于石炭纪之前和之后的石松类植物(在进化出能消化木质素的真菌之前)之中有很多含木质素较高的品种,但这些石松类树木形成的煤少很多。

此外,虽然北美的二叠纪岩石的煤层含量低,但中国的二叠纪岩石煤层含量高。这种现象看起来与木质素消耗率突然上升并不一致。虽然化石记录不能显示过去的真菌体内含有哪种酶,但化石记录却显示石炭纪的真菌的多样性和活跃性与二叠纪的真菌情况一样。所有这些原因共同作用之下,石炭纪产生的大量的煤并不是真菌活动程度不高的原因。因此,伊斯博士认为不能简单地将进化延迟假说作为原因。

否定一个假设却是另一回事。如果有人能提出另一种理论来替代进化延迟假说,肯定有助于否定进化延迟假说。伊斯博士和他的同事们就准备提出另一个理论。伊斯博士他们认为石炭纪的大量的煤是大量漂移导致的结果。

在石炭纪,各个大陆都在一定程度上移动着。大陆移动,特别是大陆移动导致的大陆碰撞(确实如此)让大陆扭曲,大陆扭曲导致山脉和盆地产生。伊斯博士对盆地感兴趣,盆地的下挠表面此处曾经常被洪水冲刷,洪水沉淀物掩埋了树木倒下的沼泽,降低了树木遭受微生物腐蚀的程度。

在石炭纪,发生局部沉降不是什么新鲜事。19世纪的地理学家认为石炭纪发生很多局部沉降,虽然他们不知道大陆漂移的事情。在进化延迟假说出现之前,对于石炭纪出现大量煤的解释基本集中于生物学方面。伊斯博士认为造成这种情况的真正原因是地理原因。一旦树木被洪水沉降物掩埋之后,煤没有被侵蚀,从而被保存至今。

在二叠纪,大陆运动暂时停止了一阵,世界所有陆块地块聚集在一起,形成了一个超大陆,该超大陆被称为泛古陆。但泛古陆并没有让局部沉降停止,还让天气变得干燥(泛古陆的均值点离海洋的湿空气的距离比小一些的大陆都要远一些),意味着沼泽数量变少了。

使得形成的煤变少了,被腐蚀的树木也比以前多了。直到白垩纪时,泛古陆发生分裂,煤形成和保存的条件再次形成。按照伊斯博士的假说,现代煤形成的第二个高峰期是白垩纪和紧随其后的新生代。

如果伊斯博士的假说成立,大陆运动才是最终导致工业革命的原因。没有大陆漂移,就没有煤;没有煤,就没有人类;如果人类在没有煤的情况下进化出来,现在人类还在田野里耕作。

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