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石炭纪

石炭纪(Carboniferous)约处于地质年代两亿八千六百万至三亿六千万年前,它可以区分为两个时期:始石炭纪(又叫密西西比纪,三亿两千至三亿六千万年前)、和后石炭纪(又叫宾夕法尼亚纪,两亿八千六百至三亿两千万年前)。 石炭纪(Carboniferous period)是古生代的第5个纪,开始于距今约3.55亿年至2.95亿年,延续了6500万年。石炭纪时陆地面积不断增加,陆生生物空前发展。当时气候温暖、湿润,沼泽遍布。大陆上出现了大规模的森林,给煤的形成创造了有利条件。 [1]

石炭纪是地壳运动非常活跃的时期,因而古地理的面貌有着极大的变化。这个时期气候分异现象又十分明显,北方古大陆为温暖潮湿的聚煤区,冈瓦纳大陆却为寒冷大陆冰川沉积环境。气候分带导致了动、植物地理分区的形成。

石炭纪是地壳发展史上重要的造山时期,地壳上分布最广的晚古生代海西山系的雏型,基本上在石炭纪形成。早石炭世末期的苏台德运动是晚古生代最主要一次构造变动,使北美的阿帕拉钦地槽、西欧的莱茵海西地槽、欧亚交界的乌拉尔地槽等的主体部分皱起形成山系;西伯利亚地台以南的辽阔地槽区,大致可以中天山-内蒙人民共和国南部一线为界,其北部石炭纪陆相为主,苏台德运动也明显存在。石炭纪的古气候问题中最令人注意的是:岗瓦纳大陆自石炭纪末至二叠纪初的大规模的冰川活动现象、持续时间长达5000万年,属极地大陆冰盖类型。

石炭纪是植物世界大繁盛的代表时期。石炭纪开始于距今3.5亿年,延续了约6500万年。由于这一时期形成的地层中含有丰富的煤炭,因而得名“石炭纪”。据统计,属于这一时期的煤炭储量约占全世界总储量的50%以上。 [2]

石炭纪陆生生物飞跃发展,海生无脊椎动物也有所更新。

与泥盆纪相比,蜓类是石炭纪海生无脊椎动物中最重要的类群,而腕足动物尽管在类群上减少,但数量多,依旧占相当重要地位,头足类则以菊石迅速发展为主。

石炭纪晚期,脊椎动物演化史出现一次飞跃,从此摆脱了对水的依赖,以适应更加广阔的生态领域,以北美宾夕法尼亚早期地层中的林蜥为代表。生活在陆上的昆虫,如蟑螂类和蜻蜓类,是石炭纪突然崛起的一类陆生动物,它们的出现与当时茂盛森林密切相关,其中有些蜻蜓个体巨大,两翅张开大者可达70cm。

石炭纪的海生无脊椎动物与泥盆纪比较起来,有了显著的变化。浅海底栖动物中仍以珊瑚、腕足类为主。早石炭世晚期的浮游和游泳的动物中,出现了新兴的类,菊石类仍然繁盛,三叶虫到石炭纪已经大部分绝灭,只剩下几个属种。

最早发现于泥盆纪的昆虫类,在石炭纪得到进一步的繁盛,已知石炭、二叠纪的昆虫就达1300种以上。陆生脊椎动物进一步繁盛,两栖动物占到了统治地位。早石炭世一开始,两栖动物蓬勃发展,主要出现了坚头类(也称迷齿类),同时繁盛的还有壳椎类。

石炭纪(3.58亿年-2.98亿年前)壮观的蕨类森林.

石炭纪是植物世界大繁盛的代表时期。早石炭世的植物面貌与晚泥盆世相似,古蕨类植物延续生长,但只能适应于滨海低地的环境;晚石炭世植物进一步发展,除了节蕨类和石松类外,真蕨类和种子蕨类也开始迅速发展。裸子植物中的苛达树是一种高大的乔木,成为造煤的重要材料之一。

石炭纪的气候温暖湿润,有利于植物的生长。随着陆地面积的扩大, 陆生植物从滨海地带向大陆内部延伸,并得到空前发展,形成大规模的森林和沼泽,给煤炭的形成提供了有利条件,所以,石炭纪成为地史时期最重要的成煤期之一。此外,石炭纪也是地壳运动频繁的时期,许多地区这时褶皱上升,形成山系和陆地,地形高差起伏,使地球上产生明显的气候分异。按照地理环境的不同,科学家们根据石炭纪的植物分布特点划分出各具特色的植物地理区,每一植物地理区都有自己的特色植物群(flora)和一定的生态特征。

在石炭纪的森林中,既有高大的乔木,也有茂密的灌木。乔木中的木贼根深叶茂,木贼的茎可以长到20~40厘米粗,它们喜爱潮湿,广泛分布在河流沿岸和湖泊沼泽地带。石松是另一类乔木,它们挺拔雄伟,成片分布,最高的石松可达40米。石炭纪时,早期的裸子植物(如苏铁、松柏、银杏等)非常引人注目,但蕨类植物的数量最为丰富。蕨类植物是灌木林中的旺族,它们虽然低矮,但大量占据了森林的下层空间,紧簇拥挤,蒸蒸日上。可以这样说,今天地球上之所以蕴藏有如此丰富的煤炭资源,与石炭纪的植物界的繁盛密切相关。中国是煤炭资源大国,外国科学家们曾经指出,石炭纪森林的广袤和茂密可以从中国所产煤层的厚度上看出来,有的煤层厚度竟然超过120米,这相当于2440米的原始植物质的厚度。

植物是怎样变成煤炭的呢?由于石炭纪的植物种类繁多,生长迅速,它们死后即便有一部分很快腐烂,但仍有许多枝干倒伏后避免了风化作用和细菌、微生物的破坏。石炭纪森林的不少林地是被水浸泡着的沼泽地,死亡后的植物枝干很快会下沉到稀泥中,那里实际上是一种封闭的还原环境,在这种环境中植物枝干避免了外界的破坏,并在压实作用和其它作用下缓慢地演变成泥炭。年复一年,由植物形成的泥炭在地层中得到保存,并又经历了成煤作用后成为初级的煤炭-褐煤。褐煤是一种劣质煤,褐煤再经过长时间的压实后,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”,据地质学家们推算,0.3米厚的烟煤是由6米厚的象褐煤这样的植物质压缩而成的。

石炭纪森林分布在地球陆地的许多地方,在中国北方的华北平原,就曾保存着石炭纪的广袤森林,山西的煤层应该是最好的证据。在石炭纪时,山西大地历经海水的数次入侵,海陆频频交替。每当海水退却,陆地植物便在温暖潮湿的环境下迅速繁盛,一期又一期的森林就这样生成了。成煤的泥炭沼泽植物林中,主要以石松类、科达类、种子蕨类、真蕨类等为主,当我们今天开发山西的煤炭资源时,有谁能够知道并辨认出那些形形色色的史前植物呢?

根据石炭纪的珊瑚礁分布,可以推断早石炭世的赤道带通过北美洲中部,西北欧经黑海穿过中国西北、华南到达印尼和澳洲东部。石炭纪同大陆上的古气候相适应的是植物地理区系的分布,欧美植物区和华夏植物区为热带、亚热带气候,冈瓦纳植物区和安加拉植物区分别代表热带以外的南北温凉气候区。世界上各地石炭纪的成煤时期早晚也有差别,分别代表各地区的热带潮湿气候,石炭纪的干旱气候区仅限于一定的地理分布,同泥盆纪和二叠纪相比,干旱面积较小,干旱气候同蒸发岩类沉积的分布相适应,例如亚洲早石炭世从哈萨克斯坦南部经天山伸延至南天山和塔里木,哈萨克斯坦向东到西伯利亚干旱气候一直延续到中石炭世。南半球的冈瓦纳大陆,石炭纪时高出海面,从石炭纪中晚期开始气候变冷,冰川活动一直持续到早二叠世,冰期和间冰期沉积在南美、南非、印度和澳大利亚都有广泛的分布,在南非南部冰川呈放射状方向流动。在北半球,仅在西伯利亚东部可能为寒冷干燥气候。石炭纪时陆地海岸和沼泽地区气候温暖潮湿,形成重要的煤矿,中国华南早石炭世晚期的测水组(湖南)、梓山组(江西)、叶家塘组(浙江),均含可采煤层。东北、华北和西北的上石炭统,含有重要的煤系。大陆上经过长期剥蚀的地区,往往形成铝土矿和耐火粘土,中国华北石炭系含有G层铝土矿和山西式铁矿,贵州清镇一带下石炭统顶部亦含大型铝土矿。北美晚石炭世蕴藏有油页岩和石油。中国石炭系也是油气勘探的重要层位。中国新疆、甘肃、宁夏中部石炭系含有石膏及蒸发岩矿床。石炭纪碳酸盐岩沉积分布广泛,世界各地开采石灰岩和白云岩作为石灰和水泥的原料。

在泥盆纪中北美地块和北欧俄罗斯地块结合到一起。这块大陆与后来的刚瓦那超大陆的其它部分(今天的非洲、南美洲、南极洲、澳大利亚和印度)之间部分是由不同的地形组成的海洋。在上泥盆纪这些地区与北美北欧俄罗斯组成的大陆已开始有接触。

石 炭纪有个别名叫“巨虫时代”,因为当时大气含氧量很高,虫子长得特别大。下面介绍几种著名的节肢动物:

巨型蜘蛛属于中突蛛亚目。有人头般大小。它住在自己的洞穴里,用蜘蛛丝探测外面的动静。

巨型马陆属于多足纲,有大约3米长,身披坚硬的盔甲,长有锋利的大颚。是有史以来最大的陆地节肢动物。

巨型蜻蜓是有史以来最大的昆虫。翼展将近一米。

3.06亿年前,地球处于石炭纪晚期。此时的地球与现在的有很大不同:所有陆地连在一起,形成一块超级大陆:盘古大陆(泛大陆)。石炭纪的盘古大陆99%由针叶林覆盖,树木产生了大量的氧气,这使得地球的含氧量高达45%,是今天的两倍。此时陆地上的霸主主要有两类:两栖动物和巨型昆虫。石炭纪的含氧量极高,促进了昆虫的进化。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。

如今最大的蜻蜓也只有18厘米长,可当时有一个叫巨脉蜻蜓的物种,翼展长达95厘米,依靠长长的翼,使它们的飞行时速达到了60千米。它们依靠巨大的体型和极快的飞行速度,成为了丛林的霸主。可它们也有天敌:引螈。引螈体长2.2米,重约100千克。它看上去就像一只胖大的蝾螈。与现生两栖动物一样,引螈也以昆虫为食。巨型昆虫还有很多种类,如巨独角仙、巨蜚蠊等。

此时有一个新兴的物种:爬行动物。截止至2012年,只发现了一种那时的爬行动物:原蜥。它体长60厘米。爬行动物与两栖动物有很大的不同,爬行动物的卵有硬壳保护,不需产在水中。它们的皮肤不像两栖动物,只有一层薄膜,而是长有鳞片,这使它们不必隔一段时间就返回水中,防止脱水。它们还进化出了一种器官:声带。

这次灾难的祸首是煤炭。一亿年来,陆地都完全由森林覆盖。它们的枯枝形成了一层厚达30米的煤炭,而且遍布全球。那时,地幔岩浆活动剧烈,产生高温。高温穿过岩石,直达煤炭层。煤炭在高温下开始燃烧。3.06亿年前的一天,一堆火苗出现在地面上,紧接着,越来越多的火苗出现了,它们烧毁了成片的树木。倒下的燃烧树木引燃了更多树,很快,附近一片火海。

当时极高的含氧量,加快了大火的扩散。大火在数天内就扩散到了500千米以外的地方。丛林中的动物无处可逃,大多被烧死。巨脉蜻蜓等昆虫虽能飞行,但它们的卵却不可能。昆虫们失去了栖息地,而它们不可能总在飞行,最终筋疲力尽,掉在了火海中。

十年后,大火还在继续燃烧。它们覆盖了陆地约50%的地区。在这范围内的大多数生物都被烧死。由于山脉和河流的阻挡,大火没能继续扩散。但煤炭的燃烧产生了大量的有害气体,渐渐扩散到了全球。这些气体使全球发生温室效应,平均温度在十年内上升了5摄氏度。这使海洋动物的卵无法孵化,这摧毁了很多动物。

三十年后,由于可燃物燃烧殆尽,大火停止燃烧。大火燃烧的地区,有一层厚厚的灰烬,这是动植物被燃烧所形成的。幸存下来的动物由于没有食物来源,很快被饿死。

大气中充满了有害气体,这又摧毁了许多呼吸功能差的动物。这些气体又使全球气温继续上升,灾难发生100年后,全球气温平均可能达30摄氏度。

一千年后,有毒气体还在继续挥发,它们遮住了太阳。地球表面所得的光源只有正常的50%,这使得植物无法进行光合作用,大量植物因此死亡。一些呼吸功能差的动物,如引螈,也因此大量死亡。

一万年后,有毒气体终于停止了挥发,但动植物遭到了重创,50%的陆地几乎没有生命迹象,地球开始进入恢复期。

距煤炭层燃烧过去了5万年,灭绝事件基本结束。在这场灾难中,两栖动物受到重创,而引螈奇迹般的存活了下来。节肢动物可就没那么好运了,巨马陆、巨脉蜻蜓、巨独角仙、巨蜚蠊等动物都灭绝了,巨型昆虫的时代结束了。在这场灾难中,受益最大的就是哺乳动物、鸟类、爬行动物的直系祖先原蜥。它们的种群在这次灾难中发展壮大,在接下来的数百万年进化出许多不同的物种。海洋动物中,三叶虫受到了重创,并在下一次物种大灭绝事件中消亡。

值得一提的是,爬行动物开始多样化,它们在短时间内成为全球霸主,地球进入了长达2.4亿年的爬行动物时代。

燃烧的煤炭、有毒的气体、高温构成了造成46%物种灭绝的物种大灭绝石炭纪燃煤事件


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