山西晚古生代的聚煤歷程

薛沛霖

煤炭是現代工業的基石，它見證了人類發展史的第一次工業革命，而直到現在，它對人類社會的發展依然起著舉足輕重的作用。現在我們知道，煤炭實質上是原始的植物炭化了的遺體，也是一種化石，通常，在氣候濕熱、水量充足、沼澤廣布的地區，適宜的生存環境使得植物異常繁盛，這些植物不斷地生長，也不斷地倒下，經過逐年累月積累，森林的地面被巨厚的有機質堆積層所覆蓋。之后因環境變遷，這些巨厚的有機質被埋藏起來，進入一種還原的環境，并在漫長的地質歲月里，歷經一系列物理、化學及生物等復雜的變質作用，形成了煤炭。

山西處于華北板塊中心的位置，因煤炭資源聞名全國。山西的煤炭不僅資源量豐富，而且種類齊全，全區發育的煤層主要集中在晚古生代的太原組和山西組。從煤炭形成所需的條件來看，現在的山西地處黃土高原，屬于溫帶季風氣候，氣候和地形等因素與形成煤炭所需要的環境相去甚遠。那么，山西在遙遠的晚古生代到底處在怎樣的環境和地理？為什么山西可以成為聚煤的重要地點呢？帶著這樣的疑問，我們來探索山西在晚古生代的聚煤歷程。

時間回到3～3.6億年前，這個時期是地球演化歷史上首次出現大規模森林的時代，也是最早的世界性成煤時期，因此得名石炭紀。這個時期，包括山西在內的整個華北板塊還沒有與其他板塊拼接，是漂泊在史前海洋——古特提斯洋中的一個孤獨的旅行者，而且正在經歷著一次重要的演變。自從大約4.4億年前的晚奧陶世開始，先前被海水淹沒的華北板塊，因構造運動而逐漸隆起成為了陸地，脫離了海洋環境，在歷經了長達約1.3億年的風化剝蝕歷史后，華北板塊被改造成了近乎平原的狀態，并且缺失了這段地質歷史時期的所有沉積物，在地表形成了一層古風化殼。這種狀態一直持續到晚石炭世才發生改變。從晚石炭世開始，華北板塊才再次緩慢沉降，并且遭受到了大規模的海水侵入事件，在陸地表面形成了一種海相和陸相交互的特殊地理環境，于是浩浩蕩蕩的聚煤歷史在華北板塊上拉開了大幕。

華北板塊及山西省在其中所處構造位置圖

科學家們通過對古地磁的研究發現，華北板塊在這段地史時期內的平均古緯度在北緯10°左右，換句話說，山西在這個地史時期所處的緯度，大約相當于現在的越南、柬埔寨一般，這時期產出的蕨類、石松類等植物化石指示了溫暖潮濕的氣候，產出的?類、腕足類、珊瑚等生物化石組成了熱帶淺海生物群落，灰巖的碳氧同位素研究結果指示當時古海水溫為20℃左右，所以綜合判斷，山西當時是處于赤道熱帶的濕潤氣候下的海陸交互環境。

通過對這一時期山西發育的沉積巖的巖性及其厚度研究，則可以揭示山西不同時期的地理格局變化：在晚石炭世的早期（本溪組沉積期），山西南部和北部的總體沉積厚度薄，說明其地形較高，灰巖的厚度分布，則暗示了山西整體北低南高的地勢，海水由山西的北東側灌入，向西南方向侵入，由于山西近平原的地形，海水迅速覆蓋了大面積地區，使得山西處于濱海環境，古海岸線北達大同以北，南至垣曲-陵川一線，海水將先前古風化殼上殘留的鐵、鋁物質遷移到洼地中富集，造就了山西的鋁土礦以及山西式鐵礦，但是這個時期由于大范圍的海水覆蓋，沒有淡水優勢，不利于植物生長和泥炭沼澤的形成，這個時期沒有成為山西的主力聚煤時期。

石炭紀森林面貌復原圖

太原組沉積期古地理圖（根據程保洲，有修改）

山西組沉積期古地理圖（根據程保洲，有修改）

華北板塊晚古生代時期古緯度、古生態氣候及煤層分布情況（根據張泓等，有修改）

到了晚石炭世的晚期（太原組沉積期），隨著華北板塊的構造抬升，山西的古地理逐漸發生了“翹板”式的變化，由先前北低南高的地勢，轉變為北高南低，海水改由南東側灌入，向北西方向侵入，此時，水體動蕩，海面時升時降，最大海泛時期，古海岸線到達了平魯-渾源一線，之后向南退縮，山西整體屬于濱海環境，形成了濱海平原、三角洲平原、瀉湖和濱淺海體系，這樣的體系孕育了廣袤原始森林和泥炭沼澤，而這些原始森林，就是由早期華夏植物群構成，例如高大的鱗木類，中等的科達類，低矮的真蕨、節蕨類植物等，這些植物組合成為了變為泥炭的物質來源。對沉積巖的研究顯示出，這個時期曾經發生過6次大規模的海侵，山西地區時而露出海面，時而被海水淹沒，伴隨著每一次的海侵事件，先前生長的茂密森林會被集群埋葬，并被保存在一種還原環境中，而這也是形成煤炭的必要條件之一。如此一來，就形成了著名的太原組含煤地層。研究顯示，在第4次形成最大規模的海侵之后，隨著構造的抬升，海侵范圍開始不斷向南萎縮，泥炭沼澤沉積環境也隨之向南逐步推進，這也導致了山西的含煤層位自北而南逐漸抬高、聚煤作用向南遷移的有趣現象。

時間進入到早二疊世（山西組沉積期），這時的山西仍然繼承了晚石炭世的地理格局和氣候環境，山西北部繼續抬升，陸地的范圍不斷地擴大，海水范圍繼續向南萎縮，僅有山西南部局部地區受到海泛的影響。因此，山西大體由濱海環境變為了近海環境，古海岸線南移至霍縣-長治一帶，沉積巖的研究顯示，此時山西最北端為河流，中北部為三角洲平原，南部則為三角洲的水下部分。中、北部三角洲平原體系下，同樣孕育了大面積的原始森林和泥炭沼澤，森林依然由華夏植物群組成。正是在這樣的環境下，中北部地區的山西組也發育了巨厚煤層。

然而，這樣得天獨厚的聚煤條件，隨著時間推移到中二疊世（下石盒子組沉積期）后，也走到了盡頭。此時華北板塊所處位置，以及生態環境都發生了重大變化：古地磁顯示，隨著華北板塊向北漂移，此時平均緯度為北緯16°左右，這個時期全球發生了古氣候升溫事件，熱帶-亞熱帶干旱氣候帶向低緯度擴張，這使得山西進入炎熱、半干旱的生態環境，這一信息可以從此時山西的植物化石特征得到佐證：此時的植物密度銳減，先前生活在溫暖潮濕環境中的成煤植物如鱗木、蘆木類等已經大為衰退，而耐旱的松柏、蘇鐵等裸子植物開始興起。從這以后的晚二疊世開始，隨著華北板塊繼續向北漂移，山西的氣候更加炎熱和干旱，這樣的環境無法再孕育出大規模森林。此外，沉積巖以及生物化石顯示，此時海水基本退出了山西，基本以沖積平原上的曲流河環境為主，期間只有零星的淺湖發育，很難再發育泥炭沼澤環境。失去了成煤物質來源與適宜環境的支持，山西也不再具有聚煤所必須的條件。

至此，這場聲勢浩大的晚古生代的聚煤歷程，就此落幕。

由此我們可以看到，煤炭資源的形成，不僅需要嚴苛的生態環境條件，更要植物被埋藏地下經歷上億年時間的演化，這使得煤炭資源不可再生。請珍惜現在的環境，節約集約使用不可再生資源，用低碳環保的生活方式，助力美麗中國的發展。