在过去的很长一段时间里,煤都是人类的主要能源来源,时至今日,虽然人类对煤的需求已大幅降低,但它们仍然被视为一种重要的资源,每时每刻,都有大量的煤被开采出来。
煤在地球上的分布广泛,蕴藏量也非常可观,有些煤田的规模更是令人叹为观止,一个引人注目的例子就是,位于北美洲的阿巴拉契亚高地的阿巴拉契亚煤田(Appalachian Coalfield),其煤层厚度一般都可以超过500米,最厚处的煤层甚至可厚达900米。
除此之外,阿巴拉契亚煤田的煤层覆盖面积也非常大,其宽度通常都在50到300公里之间,长度可绵延上千公里,总面积达到了大约18万平方公里,也正因如此,这个煤田被认为是世界最大的煤田。这样的情况不免会令人疑惑,规模如此巨大的煤田,真是植物形成的吗?下面我们就来聊一下这个话题。
就目前的情况来看,“植物成煤说”早已得到了科学界的普遍认同,其原理简单来讲就是,煤的形成始于远古地球上那些低洼的、积水的湿地区域。
在这些区域,大量的植物生长茂盛,当植物死亡后,它们的遗骸会不断地沉积在水中的泥沙层之中,由于这些沉积物长期处于缺氧的环境里,它们并不会完全分解,其残留物会逐渐形成一种含有大量有机物和水分的物质,这也被称为泥炭。
泥炭可以认为是煤的“前身”,但它们要形成煤,则需要地壳沉降的“帮助”,在沉降过程中,泥炭所处地层的温度会逐步攀升,静岩压力也会持续增强,泥炭中的氢、氧、氮等较轻的元素会因为不断上升的温度和压力逐渐散失,而较重的碳元素则会被有效固定。
其结果就是泥炭中的碳元素含量持续增加,当其含量达到55%-60%临界值时,泥炭就转变成了煤化程度最低的煤——褐煤,在此之后,如果沉降继续发生,那么褐煤中的碳元素含量还会进一步增加,进而形成煤化程度更高的烟煤和无烟煤,其中无烟煤的煤化程度最高,其碳元素含量可达到90%甚至更高。
值得一提的是,在煤田的岩层剖面上,时常可见清晰的植物茎干纹理,甚至在有些煤层之中,还可以发现完整保存的已经煤化的植物,而这些都可视为“植物成煤说”的良好证据。
从理论上来讲,只要存在稳定且持久的成煤条件,例如丰富的水资源、茂盛的植物以及速率稳定的地壳沉降等等,那么煤就会一直生成,只要时间足够长,就可以形成规模巨大的煤田。
实际上,阿巴拉契亚煤田之所以能够成为世界最大的煤田,正是因为它具备这样的条件。相关研究表明,这个煤田形成于石炭纪,在那个时候,地球表面的陆地分布与现代地球大不相同,由于板块运动的作用,阿巴拉契亚地区当时位于赤道附近,气候湿热多雨且地势低洼,因而形成了大片沼泽与繁盛的植被。
另一方面来讲,石炭纪时的地球整体气候温暖湿润,大量的植物类群(如蕨类植物、木质蕨类植物、苏铁类以及早期裸子植物等)迅猛生长,由于这些植物含有丰富的木质素,而在当时地球上尚未出现能有效分解木质素的微生物,故其遗骸得以更多地沉积并逐渐演化为煤。
正因如此,石炭纪所沉积下来的地层中蕴藏了极为丰富的煤资源,以至于现代地球上已知的约有半数的煤,都形成于这一时期,重要的是,石炭纪始于大约3.6亿年前,延续了大约6000万年时间,在这漫长的地质时期内,阿巴拉契亚煤田所在的区域基本上一直具备了良好的成煤条件。
这是什么概念呢?这样说吧,这里的煤层厚度只需要每年增加0.015毫米,那么在经过6000万年的成煤期之后,其厚度就可达到900米。
虽然这只是粗略估算,实际情况可能存在较大偏差(因为煤层的形成并不会一直都是匀速和连续的),但据此我们也可以清楚地看到,该区域经历了数千万年成煤期之后,其煤层完全可达以到“煤层厚达900米,绵延上千公里”这样的规模。
总的来讲,我们的疑惑,其实只是因为对岁月的力量缺乏直观清晰的认知,毕竟对于我们人类而言,6500万年实在是太长了……