探求成煤沼泽森林植被景观——记内蒙古乌达矿区早二叠世成煤植被现场地质调查

何 琦 王 军

探求成煤沼泽森林植被景观
——记内蒙古乌达矿区早二叠世成煤植被现场地质调查

何 琦 王 军

内蒙古乌达早二叠世（距今约2.9亿年）成煤植物群复原。成煤沼泽森林在火山灰重力作用下枝叶、主干等被埋藏于火山凝灰岩内，为重建其森林面貌提供了绝佳条件。森林高层植被由称为封印木（Sigillaria）的石松类乔木构成；森林中层植被主要是外形与现生桫椤树相似的名为莲座蕨树，以及和分类位置尚不明确的拟齿叶（Paratingia）。其他中层植被种类包括原始苏铁类带羊齿（Taeniopteris），侧羽叶（Pterophyllum）；草本植物仅零散分布，包括木贼纲楔叶（Sphenophyllum）和蕨类植物（Peopteris）。

人类社会现代文明的基础是能源，而被誉为工业食粮的煤炭是十八世纪以来人类使用的主要能源之一。随着科学技术的飞速发展和新技术的日趋成熟，煤炭注定将成为人类生产生活中无法替代的能源之一。人们都知道煤是地质史上的陆生植物在沼泽中大量堆积，并经菌解、煤化等作用形成的。然而，科学家是如何揭示煤的形成？又如何探明成煤植物的面貌？形成煤层的沼泽森林的景观如何？能够形成一定规模的煤田需要具备怎样的地质地理条件？植被经过怎样的地质作用过程和物理化学变化才能最终形成煤层？要想了解和认识这些有关煤炭及其成因的信息，还得从基本的地质古生物专业知识说起。笔者长期从事古生物博物馆的科普宣传工作，从天真活泼的小学生，到白发苍苍的退休老者，不同年龄和文化层次的观众都曾问及类似的问题。为了对此有一个较为清晰圆满的回答，笔者曾查阅过许多相关教科书和科普读物，可是由于未能结合实例进行说明，留给观众的印象还是“雾里看花”，难尽如人意。

近年来，中国科学院南京地质古生物研究所与宾夕法尼亚大学地球与环境科学系开展了对晚古生代成煤植物群的合作研究，笔者参与了这项国际合作大量的接待工作。当然，除了一些必要的日常事务，更多还是野外的地质调查工作。从这些第一手的野外材料中，笔者耳濡目染地学到了一些煤炭地质的新知识，并获得了大量的感性认识，其中印象最深的就是对于成煤植物群的认识。

2005年以来，中美双方共赴野外，对内蒙古乌达矿区6、7号煤层的成煤植物开展了大量的实地调查。前后十多次野外，每次约两个星期的现场奋战，从踏勘和选取适宜于样方统计的地层露头，到采用重型机械挖掘岩层使层面大面积出露，到破开含化石层面进行现场鉴定、统计和采集，到最后植被的整体面貌重建，笔者参与了各个环节的具体工作，对成煤沼泽植被的陆地景观有了比较全面深入的了解。据专业资料，国内外类似于乌达矿区这样保存良好的成煤植物群极为罕见。因此，笔者特地将中美学者对乌达7号煤层的成煤沼泽植物群景观的地质调查作一简略报道，与读者分享。

野外期间，来自美国宾夕法尼亚大学地球与环境科学系的合作者，年过花甲的Hermann W.Pfefferkorn教授亲临第一现场。他经常被矿区工人包围着，听他们好奇地询问有关煤层成因的问题，不厌其烦地解释和描述成煤沼泽植被景观。笔者作为翻译参与了相关交流活动，增长了许多煤田地质学知识，在此深表谢意！

地质剖面

乌达区位于内蒙古自治区西部乌海市境内、黄河之畔，东与海勃湾区相邻，西北与阿拉善盟接壤，南与宁夏重要化工基地石嘴山市毗邻，居“宁蒙（宁夏、内蒙古）经济小区”的中心地带，全区面积219.716平方千米。 乌达区资源富集，矿产资源量大质优，煤炭探明储量6.6亿吨，主要煤种有肥焦煤、肥煤、焦煤、肥气煤，全部为冶金焦、化工焦用煤。乌达矿区6、7号煤层东西向延伸约5公里，五虎山矿区附近的地层情况如图1所示。

这一厚度不到5米的剖面保存了4个不同面貌的植物群。7号煤层底板所含植物群1代表了开始形成该煤层时的植被面貌。植物种类包括鳞木（Lepidodendron），华夏木（Cathaysiodendron），根座（Stigmaria），科达（Cordaites），栉羊齿（Pecopteris），楔叶（Sphenophyllum）等。火山凝灰岩下层植物群2代表了火山喷发时生长在该成煤沼泽的植被。植物种类包括封印木（Sigillaria）， 星 叶 （Asterophyllites）， 楔 叶（Sphenophyllum），齿叶（Tingia），拟齿叶（Paratingia），楔羊齿（Sphenopteris），栉羊齿（Pecopteris），带羊齿（Taeniopteris），侧羽叶（Pterophyllum）和科达（Cordaites）。火山凝灰岩上层植物群3为火山活动毁灭前期成煤沼泽植物群后恢复的新植被。它们开始形成6号煤层。该植物群植物种类为一种石松类，其根座为Stigmaria型。6号煤层顶板植物群4代表的是成煤沼泽变为浅水湖泊、成煤作用停止之后生长在湖泊周围的植被面貌。植物种类包括盘穗（Discinites），卵叶（Yuania），带羊齿（Taeniopteris），鳞木（Lepidodendron），楔羊齿（Sphenopteris）等。4个植物群反映了同一地点植被的先后更替。图2简明扼要地展示了该连续更迭的植物群落序列和形成煤层的情况。

调查方法与步骤

本次调查的目标是揭示7号煤层成煤植物群面貌，即上述植物群2。如上所述，它代表了火山喷发时生长在该成煤沼泽的植被。下面我们就以一棵树为例看一下植物保存的过程，火山喷发时，植物的树冠部分被厚重的火山灰压断，落在火山灰层内保存下来。这种保存状态，植物未经受其他运移，如水流搬运等，而直接得到保存，专业上称作原位埋藏。如果目标只是观察成煤植物群的植物种类，那么，检查那些开采7号煤时所剥离的四处散落的火山凝灰岩，鉴定其中的化石植物即可。但如果还想进一步揭示成煤植被森林结构，如高大树木的分布情况和密度，森林高层、中层和底层植被的组成，占据统治地位和次要地位的植物种类和比例等，则必须在岩层未被整体剥离开原地之前进行检查。为此，我们的野外工作大致按下列步骤，实现了对该成煤沼泽森林的局部重建调查。

1）沿地层出露状况追索，选取适宜于开采剥离的岩层，以便检查植物群面貌的地点。主要需要考虑两点：a，地势条件是否可行，覆盖在火山凝灰岩上的地层要尽可能薄，尽量减少工作量；b，附近是否有可供挖掘机和铲车等重型机械通行的便道，并且争取离租用重型机械的地点近，为了减少机械在路途中的消耗。本次野外经过两天往返观测（专业上称作“踏勘”），选中了中盘区附近的一段地层（图3A-B）。

2）借助挖掘机和铲车等重型机械剥离7号煤层顶板火山凝灰岩以上所有覆盖物（图2A），然后将凝灰岩层挖起并放置在原地，供专业人员检查（图3B）。

3）专业人员对已挖起并放置于原地的火山凝灰岩中的植物进行仔细检查（图3B）。具体包括：GPS定位，测量所揭露岩层的面积，并依据实际情况将所露面积分成若干等份，逐一进行植物种类检查，探明各具体位置上的植物类群。这一步专业上称为野外现场样方统计。所得数据均记录于一统计表格，作为原始数据供进一步深入分析研究。

4）选择具有代表性的化石标本，采集包装，并永久保存。对于一些保存完好或者具有分类学研究价值的标本，尽可能多地采集带回，以供深入分类学研究（如图3C-D）。

成煤沼泽森林景观图及成煤作用地质过程

通过本次野外调查，7号煤层成煤植被景观重建工作取得了重要进展。在此基础上，结合近年来中方课题组大量的野外调查，一幅7号煤层的成煤沼泽森林景观图终于跃然纸上：与现在干燥缺水，风沙盛行的乌达截然不同，距今约两亿九千万年前的石炭-二叠纪之交，乌达处在赤道低纬度热带雨林气候条件下，森林密布，为广阔的沼泽平原。放眼望去，长满高达20-30米的石松植物封印木（Sigillaria），它们是森林中的王者，不仅个子高而且密度大，占据了生态空间的三分之一以上。透过高大的树木，可以看到密密麻麻的、形同桫椤树的各种羊齿植物栉羊齿（Pecopteris）（图3D）——森林中层植被的主体，其间还夹杂有孢子植物齿叶（Tingia）、拟齿叶（Paratingia）（图 3C）、楔羊齿（Sphenopteris）以及原始苏铁植物带羊齿（Taeniopteris）和侧羽叶（Pterophyllum）等。森林底层的矮小分子代表则有星叶（Asterophyllites）和楔叶（Sphenophyllum）。它们生老病死、代代繁衍，枯死植物倒入沼泽中，沼泽中的水不深但足以淹没倒下的树干或掉下来的枝叶。于是，细菌在枯萎的植物上繁殖，植物体渐渐腐烂，并被缓慢沉入水体的黏土泥质所覆盖。又有许多植物继续生长、发育、枯死和腐烂，如此循环且层层叠加，再经过后期的地壳运动沉入地下，在高温高压作用下，经过失水和变质作用逐渐变成了煤。

图1 内蒙古乌达矿区五虎山矿附近6、7号煤层出露状况及其顶、底板所含植物群序列

图2 内蒙古乌达矿区6、7号煤层成煤植被群落演替概况(参阅图1）。说明见正文。值得说明的是，图中所述煤层开始形成阶段，均采用了“煤层”这一术语，但实际上煤层的形成因变质程度不同学术上采用了不同的概念，包括“泥煤”、“泥炭”、“褐煤”、“烟煤”、“无烟煤”和“硬煤”等。严格地说，当前图中所述“煤层”实际指形成煤的第一阶段，相当于“泥炭”的概念。

图3 乌达矿区7号煤层露头及其成煤植物群野外现场调查。A，在中盘区的一段露头上借助挖掘机移去覆盖层并挖起火山凝灰岩放置在原地；B，专业人员现场样方统计；C-D，火山凝灰岩中的化石标本。C，拟齿叶属（Paratingia），D，栉羊齿属（Pecopteris）；E，封印木属（Sigillaria）。

封面图显示的是雨季里的乌达成煤沼泽森林景观。森林覆盖率非常高，分层结构显著，一些树蕨类大概是每3米左右即出现新的植株。就整体环境条件来讲，为一望无际的水体，水深很浅，仅仅覆盖了植物的根座。

上述对煤层形成的描述只是成煤作用最基本的条件。要形成一定规模的煤层，还需经历以下的地质过程和条件：首先，在构造背景上，本地长期处于下沉状态，下沉的快慢与上述植被及黏土质等在沼泽中的沉积速度均衡。如果沉降速度过快，则沼泽可能水体变深，导致植被无法生长。这种情况正是6号煤层停止成煤作用的原因（图2）。如果沉降速度太慢，则水体渐浅，导致植被倒下无法被水体淹没而暴露在空气中，最终被氧化消失，而非经过腐烂和细菌作用形成泥炭。如图2所示，乌达6、7号煤层的地质作用过程表现为从7号煤层开始形成，到本地区缓慢沉降，与沼泽森林形成泥炭的沉积速率达到了自然和谐，同时植被不断地繁衍更迭，物种成分由最初的植物群1，包括鳞木（Lepidodendron） 和科达（Cordaites），以及栉羊齿（Pecopteris）和楔叶（Sphenophyllum）等，演变到发生火山喷发时的植物群 2:封印木（Sigillaria），星叶（Asterophyllites），楔叶（Sphenophyllum），齿叶（Tingia），拟齿叶（Paratingia），楔羊齿（Sphenopteris），栉羊齿（Pecopteris），带羊齿（Taeniopteris），侧羽叶（Pterophyllum）和科达（Cordaites）。火山喷发对植物群2的损坏是毁灭性的，使得整个生态域内植物荡然无存。在经历了另一个长时间的植被空白之后，本地区凝灰岩层的顶部土壤化，机会主义植物分子——石松类封印木（其根座是一种独具特色的Stigmaria）能够适应这种生存条件，并且迅速占领了整个生态域（植物群3）。整个地区几乎看不到任何其他植物成分，而且，仍然保持了本地区沉降速率和泥炭沉积速率的动态平衡，于是又开始形成6号煤层。斗转星移，终于有一天，大地山川的动态守衡被打破，沉降速率悄然提高，植物与泥质的沉积速率不足以弥补大地的沉降，沼泽平原渐渐转变为浅水湖泊。本地区成煤作用告一段落。围绕湖泊生长的植物被风力或水力搬运沉积到湖底，附着在湖底得以保存（植物群4），并一起形成6号煤层的顶板。

资料表明，乌达地区发育的所有煤层的地质年龄均属晚古生代石炭-二叠纪。它们的形成都大致经历了与本文所述相似的地质作用过程和背景。而且，我国华北和西北地区，如陕、甘、宁、晋、冀、鲁、豫及内蒙古等省区的煤炭资源也都主要形成于晚古生代，成煤作用原理也都与本文所述背景和过程相似。认识了乌达成煤植物群的代表性，也才真正认识到对乌达成煤沼泽森林植被景观进行地质调查的重要价值。2007年6月在南京召开的国际石炭-二叠纪大会的野外考察路线之一，就选择了本文所述乌达地区地质剖面，它是我国古生物学界研究成煤植物群的重要成果。大批国际同行奔赴现场，考察了这一罕见的保存精美的成煤沼泽森林植被，并对我国古植物学者在这一领域取得的研究成果给予了充分的肯定和高度的评价。祝愿我国学者在该研究领域获得更加丰硕的科研成果，获得更加辉煌的成就！■