地球上的煤,為什麼主要形成於3億年前?

2021-01-15 百家號

煤的來源

現代社會的出現,煤起到了其他物質無可比擬的作用。但煤是怎麼形成的?

大約3億年前,出現了一個被地理學家稱為石炭紀的時代,石炭紀的植物看起來很難腐蝕。石炭紀的樹木死亡後,倒在地面。那時的地面大多是沼澤,但這些植物殘骸卻沒有被微生物分解,基本保持原有狀態。隨著時間的流逝,更多樹木倒在了早先樹木的上面。隨著越來越多的樹木倒下,下層的樹木受到後來倒下樹木覆蓋層的壓迫,再加上受到來自地球內部熱量的加熱,這些樹木殘骸逐漸喪失了揮發性元素,變成一種越來越接近純碳的物質。

這就是煤形成的過程。煤為工業革命提供了能源,驅動工廠和火車運轉,加熱壁爐,為煤氣燈提供煤氣,還是將礦石變成鋼鐵的還原劑,藥品、燃料和其他化學物質的原料,世界的絕大部分電力都是用煤生產的。但人們還不知道石炭紀形成的如此大量的煤的原因。森林在石炭紀之前的泥盆紀時代就存在了,並從那時起就一直存在至今;雖然不是所有煤是在石炭紀形成的,但石炭紀形成的煤遠遠高於其他時期,如下圖所示。石炭紀這個名稱也是因此而來。

有好奇者就會問為什麼石炭紀會形成這麼多煤?一個原因就是石炭紀時期的沼澤缺少氧氣,能減緩木腐微生物的活動。就其本身而言,這種原因也說的過去;可除了石炭紀,其他時代也存在著沼澤。為了解釋為什麼石炭紀會產生如此多的煤,有人認為石炭紀石炭紀的木腐微生物沒有將木頭腐爛掉。

植物化學的變化讓樹木長高,按照這一理論,植物化學也幹擾了腐木微生物的活動,讓植物的大部分有機物不腐爛。沒有人對第一種原因提出質疑,在最近出版的《美國國家科學院院刊》裡,史丹福大學的凱文·博伊斯和他的同事發表了質疑第二種原因的論文。凱文·博伊斯博士認為石炭紀時期的煤、沼澤和其他事物都是大陸板塊移動造成的意外結果。

伸向天空

凱文·博伊斯博士他們的認為是進化時間滯後假說導致石炭紀的微生物不能完全消化樹木。第一種維管植物(即有內部輸送水分管道的植物)出現在志留紀,志留紀是泥盆紀之前的時期。維管化植物意味著植物能從根部吸取水分,因而能長高;高大的植物導致了一場貫穿泥盆紀的競賽——長得越高的植物,越能無遮蔽地獲取陽光,結果卻是讓了多的樹木生長出來,從而出現了森林。

樹木必須變得強壯,要不然就會倒塌。樹木的一部分支撐力量來自於纖維素,纖維素是一種由長鏈狀的糖分子構成的古老物質,植物細胞的細胞壁就是由纖維素組成。但第二種分子的出現後,樹木的進化才加快了,這就是木質素分子。木質素分子由酚類化合物組成,與糖類物質相比,酚類化合物很難被分解。因此,凱文·博伊斯博士他們認為石炭紀後的微生物才進化出可以分解酚類化合物的能力。因此,在石炭紀時期,倒下的樹木就簡單地堆砌在沼澤裡,儘管他們的纖維素被微生物分解了,木質素卻被保留了下來,最終形成了煤。

這只是一種純粹的假設。對真菌植物進化的分析結果表明真菌的木質素消化酶(主要腐蝕介質)確實在二疊紀才首次出現,二疊紀是石炭紀之後的時代,這一結果支持上述假設。凱文·博伊斯博士和他的同事卻壓根不相信這種假設。

伊斯博士他們對此的質疑建立在對Macrostrat資料庫的極其仔細分析的基礎上,並且分析了哪種類型的植物是地層單元形成煤層植物群的主要植物。Macrostrat資料庫記錄了全部北美洲地層的數據。

石炭紀的植物與現代植物不同。此外,在石炭紀的不同時間段,主要的樹木品種也不同。伊斯博士的團隊發現一個現象:形成煤的高峰時期與一種被稱為石松植物類群居於統治地位的時間重合;而石松植物的樹幹主要由周皮組織構成,周皮相當於現代樹木的樹皮,木質素含量很低。存在於石炭紀之前和之後的石松類植物(在進化出能消化木質素的真菌之前)之中有很多含木質素較高的品種,但這些石松類樹木形成的煤少很多。

此外,雖然北美的二疊紀巖石的煤層含量低,但中國的二疊紀巖石煤層含量高。這種現象看起來與木質素消耗率突然上升並不一致。雖然化石記錄不能顯示過去的真菌體內含有哪種酶,但化石記錄卻顯示石炭紀的真菌的多樣性和活躍性與二疊紀的真菌情況一樣。所有這些原因共同作用之下,石炭紀產生的大量的煤並不是真菌活動程度不高的原因。因此,伊斯博士認為不能簡單地將進化延遲假說作為原因。

否定一個假設卻是另一回事。如果有人能提出另一種理論來替代進化延遲假說,肯定有助於否定進化延遲假說。伊斯博士和他的同事們就準備提出另一個理論。伊斯博士他們認為石炭紀的大量的煤是大量漂移導致的結果。

在石炭紀,各個大陸都在一定程度上移動著。大陸移動,特別是大陸移動導致的大陸碰撞(確實如此)讓大陸扭曲,大陸扭曲導致山脈和盆地產生。伊斯博士對盆地感興趣,盆地的下撓表面此處曾經常被洪水衝刷,洪水沉澱物掩埋了樹木倒下的沼澤,降低了樹木遭受微生物腐蝕的程度。

在石炭紀,發生局部沉降不是什麼新鮮事。19世紀的地理學家認為石炭紀發生很多局部沉降,雖然他們不知道大陸漂移的事情。在進化延遲假說出現之前,對於石炭紀出現大量煤的解釋基本集中於生物學方面。伊斯博士認為造成這種情況的真正原因是地理原因。一旦樹木被洪水沉降物掩埋之後,煤沒有被侵蝕,從而被保存至今。

在二疊紀,大陸運動暫時停止了一陣,世界所有陸塊地塊聚集在一起,形成了一個超大陸,該超大陸被稱為泛古陸。但泛古陸並沒有讓局部沉降停止,還讓天氣變得乾燥(泛古陸的均值點離海洋的溼空氣的距離比小一些的大陸都要遠一些),意味著沼澤數量變少了。

使得形成的煤變少了,被腐蝕的樹木也比以前多了。直到白堊紀時,泛古陸發生分裂,煤形成和保存的條件再次形成。按照伊斯博士的假說,現代煤形成的第二個高峰期是白堊紀和緊隨其後的新生代。

如果伊斯博士的假說成立,大陸運動才是最終導致工業革命的原因。沒有大陸漂移,就沒有煤;沒有煤,就沒有人類;如果人類在沒有煤的情況下進化出來,現在人類還在田野裡耕作。

相關焦點

  • 煤和石油是如何形成的?
    煤和石油都是化石燃料,它們的主要成分都為有機物,這意味著它們最初都應該是由早期地球生命演變而來。那麼,煤和石油具體是怎麼形成的呢?煤的形成理論根據現有的理論,地球上大部分的煤都起源於樹木、蕨類植物和其他熱帶森林植物,它們所生活的時代比現在更加溫暖。正因為如此,世界上的煤層都是在陸地上發現的。
  • 地球上的煤是怎樣形成的?由什麼組成?
    我們知道煤來自於開礦,那麼地下這麼多的煤又是如何形成的呢?斜線線索會顯示每塊根植物的關係,假設切開煤塊放大後,再看植物的外形和內部特徵,便會清晰的呈現在其中,甚至裡面還留有著樹幹之類的物質,撫順是中國最著名的產煤礦區之一。
  • 《地球物理學研究雜誌:行星》:火星上一些特殊的沙丘可能是在10億年前形成的
    《地球物理學研究雜誌:行星》:火星上一些特殊的沙丘可能是在10億年前形成的(神秘的地球uux.cn報導)據cnBeta:外媒BGR報導,來自火星勘測軌道飛行器的圖像顯示,火星上存在一些特殊的沙丘據研究沙丘的科學家說,這些沙丘大約是在10億年前形成的。一篇關注沙丘的新論文剛剛發表在《地球物理學研究雜誌:行星》上。顯然,像這樣的沙丘化石是相當罕見的,尤其是這種極端詳細的程度,使科學家們有機會研究過去10億年前火星的這一區域是什麼樣子的。「我們發現並繪製了Marineris谷地峽谷中廣泛的沙丘場,這些沙丘場顯示出石化和埋藏的明確證據。
  • 地球上的土壤是怎麼形成的?
    然而,土壤不是地球誕生後才存在的物質,那麼最早的土壤是什麼時候形成的呢?我們今天來談談。大約45.5億年前,地球是一個由熔融物質構成的熱行星。大約1.5億年後,地球表面逐漸冷卻,形成各種巖石。在隨後的時間裡,在太陽、水、冰川、重力、風等外力的作用下,這些巖石的物理化學性質會發生不同程度的變化,進而形成具有鬆散結構的風化殼。
  • 石油是如何形成的?地球上為什麼那麼多石油?
    在這上億年的時間內,經過海陸變遷等地質運動的影響,這些生物沉積物形成沉積巖並被捲入地殼,在地殼內部的高壓下脫氧據化石顯示,地球上最早的生命出現於35億年前,也就是說,我們現在所用的石油都是上億年前的生物形成的。 一個比較有說服力的石油生物起源的證據就是「乾酪根」(又被稱為「油母質」),乾酪根是kerogen音譯詞。地球上有大量的乾酪根儲量,據估計全球有10^16噸,這是全球最大的有機物庫,全部埋藏於地下。是全球現生活著的生命體有機物總量的一萬倍。
  • 當地球上的煤、石油和天然氣全部用完了之後,人類又該怎麼辦?
    那麼這些化石燃料還可以支持人類用多久呢?對於這個問題,目前還沒有準確的答案,但根據現在已知的情況來看,研究人員普遍認為地球上的化石燃料大概還能用兩三百年,這不由得讓人擔心,在不太遙遠的未來裡,當地球上的煤、石油和天然氣全部用完了之後,人類又該怎麼辦?下面我們就來討論一下。
  • 煤炭形成時,地球險些變成雪球
    但無論在人類社會,還是在自然界,事物往往不止扮演一種角色,珠穆朗瑪峰都曾經深藏海底,更何況經歷了數億年演變的煤炭呢?  波茨坦氣候影響研究所在《美國國家科學院院刊》刊發的研究指出,與現在成為全球變暖的罪魁禍首正相對應的是,3億年前,煤炭在形成之時,地球險些變成一個「雪球」。
  • 如果煤真是植物形成的,真有那麼多遠古植物形成百米厚煤礦嗎?
    有不少證據支持這個觀點,比如煤炭中的有機質和植物分化後的成分一致;人類發現最早的煤,形成於5億年前的寒武紀時期,這正是地球生物大量出現的時候;而且世界上超過一半的煤都形成於3億年前的石炭紀,石炭紀是地球植物的鼎盛時期,那時候地球上森林覆蓋率達到了60%;從事煤礦開採的人,還會見到煤礦的部分橫截面存在樹木的紋理。
  • 17億年前的核反應堆是自然形成,還是人為?
    如果人類是地球生命進化史上唯一出現的智慧生命,那麼由人類建造的核反應堆應該也是地球上最早的核裂變反應堆。這一點很符合邏輯。17億年前的地球,還沒有經歷寒武紀生命大爆發,根本沒有人類,也沒有恐龍,也沒有三葉蟲,毫不誇張的說,那時的地球上也許只存在簡單的單細胞生命,也許生命才剛剛起源。這就令很多人不解的是,為何遠古地球上會存在「核反應堆遺蹟」,這可是20世紀人類發現的科技文明,於是各種傳言四起,難道地球上的生命在循環,在我們之前還存在著一幫智慧文明?
  • 17億年前的核反應堆是自然形成,還是人為?
    如果人類是地球生命進化史上唯一出現的智慧生命,那麼由人類建造的核反應堆應該也是地球上最早的核裂變反應堆。這一點很符合邏輯。 17億年前的地球,還沒有經歷寒武紀生命大爆發,根本沒有人類,也沒有恐龍,也沒有三葉蟲,毫不誇張的說,那時的地球上也許只存在簡單的單細胞生命,也許生命才剛剛起源。
  • 地球上最古老,36.7億年前的巖石鼻祖,女媧補天的見證
    地球上最古老的東西是什麼?是一塊巖石,學名叫紫蘇斜長麻粒巖,形成於太古紀,同位素年齡達36.7億年,被學界稱為巖石鼻祖。47億年前形成時,是一個熾熱的、巖漿翻滾的星球,經過9億年降溫後巖漿逐漸冷卻,在38億年前形成了最早的巖石,那時地質活動依然劇烈、火山遍布、巖漿四溢,天空中瀰漫著氫氣和氦氣,那時沒有形成成片的大陸,更沒有任何生命存在。
  • 地球水起源與月球形成有關 大量水約44億年前到人間
    地球水起源與月球形成有關  大量水約44億年前來到人間  星辰在線5月23日訊 據科技日報 (記者劉霞)報導,據美國每日科學網站21日報導,德國科學家首次將地球上水的起源與月球的形成聯繫起來他們指出,約44億年前,伴隨著月球的形成,水也來到地球上,而這兩者也是生命在地球上繁衍生息的必要條件。  從月球上看到的地球。
  • 寧波發現大量3億年前就生活在地球上的瓶爾小草
    這是一種3億年前就生活在地球上的「活化石」植物。其「家族」中,狹葉瓶爾小草是國家二級保護植物,心臟葉瓶爾小草於2014年在象山被發現,是浙江省的新記錄種類。
  • 45億年前地球的自轉,有助於形成熔融巖漿海洋!
    同樣的撞擊也把新形成的地球整個表面變成了熔巖海洋。現在,新研究發現,地球的快速自轉可能已經影響了這片熔融海洋的冷卻方式。新研究發現,地球自轉速度可能影響了矽酸鹽礦物在巖漿海洋凝固時結晶和沉澱的位置。德國明斯特大學地球物理學家克裡斯蒂安·馬斯(Christian Maas)表示,矽酸鹽和其他礦物的不均勻積累可能影響了板塊構造的開始,甚至可能有助於解釋今天地幔的奇怪組成。博科園-科學科普:Maas是這項新研究的主要作者,該研究探索了古代巖漿海洋是如何冷卻的,以及其中的礦物質是如何結晶的。
  • 科學看世界--煤是怎樣形成的
    煤是一種十分優質的燃料。因此,在很長的歷史中,煤一直被人類當做主要的燃料。煤是由遠古時代的植物轉化形成的。人們曾發現過保存相當完好的植物化石,竟埋藏在煤層附近的巖石中,也曾在煤層中發現過保存完好、已經煤炭化的大樹幹。如果在顯微鏡下觀察切成薄片的煤,就能清楚地看到某些植物組織就在煤的薄片之中。
  • 2.3億年前地球變「桑拿房」,暴雨下了200萬年,形成原因正在出現
    2.5億年前,二疊紀-三疊紀生物大滅絕剛剛結束,三疊紀剛剛開始,這是第三次滅絕事件,導致了當時地球上大約96%-97%的生物滅絕,尤其是海洋生物受到了重創。
  • 2.3億年前下了一場持續200萬年的暴雨,科學家預測或再現
    導語:2.3億年前下了一場持續200萬年的暴雨,科學家預測或再次出現!這事發生在2.3億年前,這場大雨的強度和持久度都令人震驚。它也給地球帶來了很大的影響。原有的很多生物因為無法適應這種持續暴雨帶來的改變,所以大部分都消失了。而那些留下來的是因為適應了這種環境,也可以說是生命力的確頑強。
  • 最新研究顯示:地球古磁場40億年前形成
    極光是由地球磁場和太陽風暴的相互作用引起的。圖片來源:NASA   最新研究顯示,地球至少在40億年前便形成了磁場,比此前認為的早了5億多年。   這項7月31日發表於《科學》雜誌的研究,在理解地球何時以及如何開始演化形成現代形式上向前邁出了重要一步。古磁場通過阻止強勁的太陽風暴去除大氣層,使這個有著5億年歷史的星球更加適宜於生命居住。
  • 為什麼在宇宙中,恆星形成的腳步在110億年前慢下來
    一個在天文物理學存在已久的問題,研究人員看起來有一個解釋了:「為什麼在宇宙中,恆星形成的腳步在110億年前慢下來?」在110億年前,星繫到達它們最忙於製造恆星的時段,然後變慢下來。天文學家在這個發生什麼事的問題上,困惑了好幾年。在英國皇家天文學會月報 (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)報導他們所發現的研究人員解釋:「答案是來自恆星形成的星系之間類星體(quasar)的能量反饋。」
  • 遠古地球有森林卻沒有花開,地球第一朵花開在1.7億年前的中國
    地球從誕生到現在大概有46億年時間。然而,生命的出現最早是在元古宙時期,也就是在25億年前到5億年前之間。最早的生命是出現在原始地球海洋中的簡單藻類和菌類,此時離陸地上出現生物還有非常漫長時間。直到古生代的志留紀(4.38億年前到4.1億年前)晚期,即在4.1億年前的時候,陸地上才開始有植物出現。最初陸地上出現非常簡單的微管束類植物。