石炭紀

石炭紀

石炭紀(Carboniferous)約處於地質年代兩億八千六百萬至三億六千萬年前,它可以區分為兩個時期:始石炭紀(又叫密西西比紀,三億兩千至三億六千萬年前)、和後石炭紀(又叫賓夕法尼亞紀,兩億八千六百至三億兩千萬年前)。 石炭紀(Carboniferous period)是古生代的第5個紀,開始於距今約3.55億年至2.95億年,延續了6500萬年。石炭紀時陸地面積不斷增加,陸生生物空前發展。當時氣候溫暖、濕潤,沼澤遍布。大陸上出現了大規模的森林,給煤的形成創造了有利條件。

基本介紹

  • 中文名:石炭紀
  • 外文名:Carboniferous Period
  • :古生代
  • 開始時間:3.55億年至2.95億年
  • 延續時間:6500萬年
主要特徵,煤炭來源,動物演化,植物演化,氣候資源,形成過程,巨蟲時代,巨型蜘蛛,巨型馬陸,巨型蜻蜓,生物滅絕事件,

主要特徵

石炭紀是地殼運動非常活躍的時期,因而古地理的面貌有著極大的變化。這個時期氣候分異現象又十分明顯,北方古大陸為溫暖潮濕的聚煤區,岡瓦納大陸卻為寒冷大陸冰川沉積環境。氣候分帶導致了動、植物地理分區的形成。
石炭紀是地殼發展史上重要的造山時期,地殼上分布最廣的晚古生代海西山系的雛型,基本上在石炭紀形成。早石炭世末期的蘇台德運動是晚古生代最主要一次構造變動,使北美的阿帕拉欽地槽、西歐的萊茵海西地槽、歐亞交界的烏拉爾地槽等的主體部分皺起形成山系;西伯利亞地台以南的遼闊地槽區,大致可以中天山-內蒙人民共和國南部一線為界,其北部石炭紀陸相為主,蘇台德運動也明顯存在。石炭紀的古氣候問題中最令人注意的是:崗瓦納大陸自石炭紀末至二疊紀初的大規模的冰川活動現象、持續時間長達5000萬年,屬極地大陸冰蓋類型。
石炭紀石炭紀

煤炭來源

石炭紀是植物世界大繁盛的代表時期。石炭紀開始於距今3.5億年,延續了約6500萬年。由於這一時期形成的地層中含有豐富的煤炭,因而得名“石炭紀”。據統計,屬於這一時期的煤炭儲量約占全世界總儲量的50%以上。

動物演化

石炭紀陸生生物飛躍發展,海生無脊椎動物也有所更新。
泥盆紀相比,蜓類是石炭紀海生無脊椎動物中最重要的類群,而腕足動物儘管在類群上減少,但數量多,依舊占相當重要地位,頭足類則以菊石迅速發展為主。
石炭紀晚期,脊椎動物演化史出現一次飛躍,從此擺脫了對水的依賴,以適應更加廣闊的生態領域,以北美賓夕法尼亞早期地層中的林蜥為代表。生活在陸上的昆蟲,如蟑螂類和蜻蜓類,是石炭紀突然崛起的一類陸生動物,它們的出現與當時茂盛森林密切相關,其中有些蜻蜓個體巨大,兩翅張開大者可達70cm。
石炭紀
石炭紀的海生無脊椎動物泥盆紀比較起來,有了顯著的變化。淺海底棲動物中仍以珊瑚、腕足類為主。早石炭世晚期的浮游和游泳的動物中,出現了新興的筳類,菊石類仍然繁盛,三葉蟲到石炭紀已經大部分絕滅,只剩下幾個屬種。
最早發現於泥盆紀的昆蟲類,在石炭紀得到進一步的繁盛,已知石炭、二疊紀的昆蟲就達1300種以上。陸生脊椎動物進一步繁盛,兩棲動物占到了統治地位。早石炭世一開始,兩棲動物蓬勃發展,主要出現了堅頭類(也稱迷齒類),同時繁盛的還有殼椎類

植物演化

石炭紀(3.58億年-2.98億年前)——壯觀的蕨類森林.
石炭紀是植物世界大繁盛的代表時期。早石炭世的植物面貌與晚泥盆世相似,古蕨類植物延續生長,但只能適應於濱海低地的環境;晚石炭世植物進一步發展,除了節蕨類和石松類外,真蕨類和種子蕨類也開始迅速發展。裸子植物中的苛達樹是一種高大的喬木,成為造煤的重要材料之一。
石炭紀的氣候溫暖濕潤,有利於植物的生長。隨著陸地面積的擴大, 陸生植物從濱海地帶向大陸內部延伸,並得到空前發展,形成大規模的森林和沼澤,給煤炭的形成提供了有利條件,所以,石炭紀成為地史時期最重要的成煤期之一。此外,石炭紀也是地殼運動頻繁的時期,許多地區這時褶皺上升,形成山系和陸地,地形高差起伏,使地球上產生明顯的氣候分異。按照地理環境的不同,科學家們根據石炭紀的植物分布特點劃分出各具特色的植物地理區,每一植物地理區都有自己的特色植物群(flora)和一定的生態特徵。
鱗木鱗木
在石炭紀的森林中,既有高大的喬木,也有茂密的灌木。喬木中的木賊根深葉茂,木賊的莖可以長到20~40厘米粗,它們喜愛潮濕,廣泛分布在河流沿岸和湖泊沼澤地帶。石松是另一類喬木,它們挺拔雄偉,成片分布,最高的石松可達40米。石炭紀時,早期的裸子植物(如蘇鐵、松柏、銀杏等)非常引人注目,但蕨類植物的數量最為豐富。蕨類植物是灌木林中的旺族,它們雖然低矮,但大量占據了森林的下層空間,緊簇擁擠,蒸蒸日上。可以這樣說,今天地球上之所以蘊藏有如此豐富的煤炭資源,與石炭紀的植物界的繁盛密切相關。中國是煤炭資源大國,外國科學家們曾經指出,石炭紀森林的廣袤和茂密可以從中國所產煤層的厚度上看出來,有的煤層厚度竟然超過120米,這相當於2440米的原始植物質的厚度。
植物是怎樣變成煤炭的呢?由於石炭紀的植物種類繁多,生長迅速,它們死後即便有一部分很快腐爛,但仍有許多枝幹倒伏後避免了風化作用和細菌、微生物的破壞。石炭紀森林的不少林地是被水浸泡著的沼澤地,死亡後的植物枝幹很快會下沉到稀泥中,那裡實際上是一種封閉的還原環境,在這種環境中植物枝幹避免了外界的破壞,並在壓實作用和其它作用下緩慢地演變成泥炭。年復一年,由植物形成的泥炭在地層中得到保存,並又經歷了成煤作用後成為初級的煤炭-褐煤。褐煤是一種劣質煤,褐煤再經過長時間的壓實後,才能形成真正意義上的煤——煙煤。褐煤轉化成煙煤要付出巨大的“代價”,據地質學家們推算,0.3米厚的煙煤是由6米厚的象褐煤這樣的植物質壓縮而成的。
石炭紀森林分布在地球陸地的許多地方,在中國北方的華北平原,就曾保存著石炭紀的廣袤森林,山西的煤層應該是最好的證據。在石炭紀時,山西大地歷經海水的數次入侵,海陸頻頻交替。每當海水退卻,陸地植物便在溫暖潮濕的環境下迅速繁盛,一期又一期的森林就這樣生成了。成煤的泥炭沼澤植物林中,主要以石松類、科達類、種子蕨類、真蕨類等為主,當我們今天開發山西的煤炭資源時,有誰能夠知道並辨認出那些形形色色的史前植物呢?

氣候資源

根據石炭紀的珊瑚礁分布,可以推斷早石炭世的赤道帶通過北美洲中部,西北歐經黑海穿過中國西北、華南到達印尼和澳洲東部。石炭紀同大陸上的古氣候相適應的是植物地理區系的分布,歐美植物區華夏植物區為熱帶、亞熱帶氣候岡瓦納植物區安加拉植物區分別代表熱帶以外的南北溫涼氣候區。世界上各地石炭紀的成煤時期早晚也有差別,分別代表各地區的熱帶潮濕氣候,石炭紀的乾旱氣候區僅限於一定的地理分布,同泥盆紀和二疊紀相比,乾旱面積較小,乾旱氣候同蒸發岩類沉積的分布相適應,例如亞洲早石炭世從哈薩克斯坦南部經天山伸延至南天山和塔里木,哈薩克斯坦向東到西伯利亞乾旱氣候一直延續到中石炭世。南半球的岡瓦納大陸,石炭紀時高出海面,從石炭紀中晚期開始氣候變冷,冰川活動一直持續到早二疊世,冰期間冰期沉積在南美、南非、印度和澳大利亞都有廣泛的分布,在南非南部冰川呈放射狀方向流動。在北半球,僅在西伯利亞東部可能為寒冷乾燥氣候。石炭紀時陸地海岸和沼澤地區氣候溫暖潮濕,形成重要的煤礦,中國華南早石炭世晚期的測水組(湖南)、梓山組(江西)、葉家塘組(浙江),均含可採煤層。東北、華北和西北的上石炭統,含有重要的煤系。大陸上經過長期剝蝕的地區,往往形成鋁土礦和耐火粘土,中國華北石炭系含有G層鋁土礦和山西式鐵礦,貴州清鎮一帶下石炭統頂部亦含大型鋁土礦。北美晚石炭世蘊藏有油頁岩和石油。中國石炭系也是油氣勘探的重要層位。中國新疆、甘肅、寧夏中部石炭系含有石膏及蒸發岩礦床。石炭紀碳酸鹽岩沉積分布廣泛,世界各地開採石灰岩和白雲岩作為石灰和水泥的原料。
石炭紀化石石炭紀化石

形成過程

在泥盆紀中北美地塊和北歐——俄羅斯地塊結合到一起。這塊大陸與後來的剛瓦那超大陸的其它部分(今天的非洲、南美洲、南極洲、澳大利亞和印度)之間部分是由不同的地形組成的海洋。在上泥盆紀這些地區與北美——北歐——俄羅斯組成的大陸已開始有接觸。

巨蟲時代

石炭紀有個別名叫“巨蟲時代”,因為當時大氣含氧量很高,蟲子長得特別大。下面介紹幾種著名的節肢動物:

巨型蜘蛛

巨型蜘蛛屬於中突蛛亞目。有人頭般大小。它住在自己的洞穴里,用蜘蛛絲探測外面的動靜。
巨型蜘蛛巨型蜘蛛

巨型馬陸

巨型馬陸屬於多足綱,有大約3米長,身披堅硬的盔甲,長有鋒利的大顎。是有史以來最大的陸地節肢動物。
巨型馬陸巨型馬陸

巨型蜻蜓

巨型蜻蜓是有史以來最大的昆蟲。翼展將近一米。

生物滅絕事件

3.06億年前,地球處於石炭紀晚期。此時的地球與現在的有很大不同:所有陸地連在一起,形成一塊超級大陸:盤古大陸泛大陸)。石炭紀盤古大陸99%由針葉林覆蓋,樹木產生了大量的氧氣,這使得地球的含氧量高達45%,是今天的兩倍。此時陸地上的霸主主要有兩類:兩棲動物和巨型昆蟲。石炭紀的含氧量極高,促進了昆蟲的進化。兩棲動物在超級地幔柱事件中由硬骨魚進化而來,由於沒有競爭對手,它們也進化出了巨大的體型。
如今最大的蜻蜓也只有18厘米長,可當時有一個叫巨脈蜻蜓的物種,翼展長達95厘米,依靠長長的翼,使它們的飛行時速達到了60千米。它們依靠巨大的體型和極快的飛行速度,成為了叢林的霸主。可它們也有天敵:引螈。引螈體長2.2米,重約100千克。它看上去就像一隻胖大的蠑螈。與現生兩棲動物一樣,引螈也以昆蟲為食。巨型昆蟲還有很多種類,如巨獨角仙、巨蜚蠊等。
此時有一個新興的物種:爬行動物。截止至2012年,只發現了一種那時的爬行動物:原蜥。它體長60厘米。爬行動物與兩棲動物有很大的不同,爬行動物的卵有硬殼保護,不需產在水中。它們的皮膚不像兩棲動物,只有一層薄膜,而是長有鱗片,這使它們不必隔一段時間就返回水中,防止脫水。它們還進化出了一種器官:聲帶。
這次災難的禍首是煤炭。一億年來,陸地都完全由森林覆蓋。它們的枯枝形成了一層厚達30米的煤炭,而且遍布全球。那時,地幔岩漿活動劇烈,產生高溫。高溫穿過岩石,直達煤炭層。煤炭在高溫下開始燃燒。3.06億年前的一天,一堆火苗出現在地面上,緊接著,越來越多的火苗出現了,它們燒毀了成片的樹木。倒下的燃燒樹木引燃了更多樹,很快,附近一片火海。
當時極高的含氧量,加快了大火的擴散。大火在數天內就擴散到了500千米以外的地方。叢林中的動物無處可逃,大多被燒死。巨脈蜻蜓等昆蟲雖能飛行,但它們的卵卻不可能。昆蟲們失去了棲息地,而它們不可能總在飛行,最終筋疲力盡,掉在了火海中。
十年後,大火還在繼續燃燒。它們覆蓋了陸地約50%的地區。在這範圍內的大多數生物都被燒死。由於山脈和河流的阻擋,大火沒能繼續擴散。但煤炭的燃燒產生了大量的有害氣體,漸漸擴散到了全球。這些氣體使全球發生溫室效應,平均溫度在十年內上升了5攝氏度。這使海洋動物的卵無法孵化,這摧毀了很多動物。
三十年後,由於可燃物燃燒殆盡,大火停止燃燒。大火燃燒的地區,有一層厚厚的灰燼,這是動植物被燃燒所形成的。倖存下來的動物由於沒有食物來源,很快被餓死。
大氣中充滿了有害氣體,這又摧毀了許多呼吸功能差的動物。這些氣體又使全球氣溫繼續上升,災難發生100年後,全球氣溫平均可能達30攝氏度。
一千年後,有毒氣體還在繼續揮發,它們遮住了太陽。地球表面所得的光源只有正常的50%,這使得植物無法進行光合作用,大量植物因此死亡。一些呼吸功能差的動物,如引螈,也因此大量死亡。
一萬年後,有毒氣體終於停止了揮發,但動植物遭到了重創,50%的陸地幾乎沒有生命跡象,地球開始進入恢復期。
距煤炭層燃燒過去了5萬年,滅絕事件基本結束。在這場災難中,兩棲動物受到重創,而引螈奇蹟般的存活了下來。節肢動物可就沒那么好運了,巨馬陸、巨脈蜻蜓、巨獨角仙、巨蜚蠊等動物都滅絕了,巨型昆蟲的時代結束了。在這場災難中,受益最大的就是哺乳動物、鳥類、爬行動物的直系祖先——原蜥。它們的種群在這次災難中發展壯大,在接下來的數百萬年進化出許多不同的物種。海洋動物中,三葉蟲受到了重創,並在下一次物種大滅絕事件中消亡。
值得一提的是,爬行動物開始多樣化,它們在短時間內成為全球霸主,地球進入了長達2.4億年的爬行動物時代。
燃燒的煤炭、有毒的氣體、高溫構成了造成46%物種滅絕的物種大滅絕——石炭紀燃煤事件

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