山西晚古生代的聚煤历程

薛沛霖

煤炭是现代工业的基石，它见证了人类发展史的第一次工业革命，而直到现在，它对人类社会的发展依然起着举足轻重的作用。现在我们知道，煤炭实质上是原始的植物炭化了的遗体，也是一种化石，通常，在气候湿热、水量充足、沼泽广布的地区，适宜的生存环境使得植物异常繁盛，这些植物不断地生长，也不断地倒下，经过逐年累月积累，森林的地面被巨厚的有机质堆积层所覆盖。之后因环境变迁，这些巨厚的有机质被埋藏起来，进入一种还原的环境，并在漫长的地质岁月里，历经一系列物理、化学及生物等复杂的变质作用，形成了煤炭。

山西处于华北板块中心的位置，因煤炭资源闻名全国。山西的煤炭不仅资源量丰富，而且种类齐全，全区发育的煤层主要集中在晚古生代的太原组和山西组。从煤炭形成所需的条件来看，现在的山西地处黄土高原，属于温带季风气候，气候和地形等因素与形成煤炭所需要的环境相去甚远。那么，山西在遥远的晚古生代到底处在怎样的环境和地理？为什么山西可以成为聚煤的重要地点呢？带着这样的疑问，我们来探索山西在晚古生代的聚煤历程。

时间回到3～3.6亿年前，这个时期是地球演化历史上首次出现大规模森林的时代，也是最早的世界性成煤时期，因此得名石炭纪。这个时期，包括山西在内的整个华北板块还没有与其他板块拼接，是漂泊在史前海洋——古特提斯洋中的一个孤独的旅行者，而且正在经历着一次重要的演变。自从大约4.4亿年前的晚奥陶世开始，先前被海水淹没的华北板块，因构造运动而逐渐隆起成为了陆地，脱离了海洋环境，在历经了长达约1.3亿年的风化剥蚀历史后，华北板块被改造成了近乎平原的状态，并且缺失了这段地质历史时期的所有沉积物，在地表形成了一层古风化壳。这种状态一直持续到晚石炭世才发生改变。从晚石炭世开始，华北板块才再次缓慢沉降，并且遭受到了大规模的海水侵入事件，在陆地表面形成了一种海相和陆相交互的特殊地理环境，于是浩浩荡荡的聚煤历史在华北板块上拉开了大幕。

华北板块及山西省在其中所处构造位置图

科学家们通过对古地磁的研究发现，华北板块在这段地史时期内的平均古纬度在北纬10°左右，换句话说，山西在这个地史时期所处的纬度，大约相当于现在的越南、柬埔寨一般，这时期产出的蕨类、石松类等植物化石指示了温暖潮湿的气候，产出的䗴类、腕足类、珊瑚等生物化石组成了热带浅海生物群落，灰岩的碳氧同位素研究结果指示当时古海水温为20℃左右，所以综合判断，山西当时是处于赤道热带的湿润气候下的海陆交互环境。

通过对这一时期山西发育的沉积岩的岩性及其厚度研究，则可以揭示山西不同时期的地理格局变化：在晚石炭世的早期（本溪组沉积期），山西南部和北部的总体沉积厚度薄，说明其地形较高，灰岩的厚度分布，则暗示了山西整体北低南高的地势，海水由山西的北东侧灌入，向西南方向侵入，由于山西近平原的地形，海水迅速覆盖了大面积地区，使得山西处于滨海环境，古海岸线北达大同以北，南至垣曲-陵川一线，海水将先前古风化壳上残留的铁、铝物质迁移到洼地中富集，造就了山西的铝土矿以及山西式铁矿，但是这个时期由于大范围的海水覆盖，没有淡水优势，不利于植物生长和泥炭沼泽的形成，这个时期没有成为山西的主力聚煤时期。

石炭纪森林面貌复原图

太原组沉积期古地理图（根据程保洲，有修改）

山西组沉积期古地理图（根据程保洲，有修改）

华北板块晚古生代时期古纬度、古生态气候及煤层分布情况（根据张泓等，有修改）

到了晚石炭世的晚期（太原组沉积期），随着华北板块的构造抬升，山西的古地理逐渐发生了“翘板”式的变化，由先前北低南高的地势，转变为北高南低，海水改由南东侧灌入，向北西方向侵入，此时，水体动荡，海面时升时降，最大海泛时期，古海岸线到达了平鲁-浑源一线，之后向南退缩，山西整体属于滨海环境，形成了滨海平原、三角洲平原、泻湖和滨浅海体系，这样的体系孕育了广袤原始森林和泥炭沼泽，而这些原始森林，就是由早期华夏植物群构成，例如高大的鳞木类，中等的科达类，低矮的真蕨、节蕨类植物等，这些植物组合成为了变为泥炭的物质来源。对沉积岩的研究显示出，这个时期曾经发生过6次大规模的海侵，山西地区时而露出海面，时而被海水淹没，伴随着每一次的海侵事件，先前生长的茂密森林会被集群埋葬，并被保存在一种还原环境中，而这也是形成煤炭的必要条件之一。如此一来，就形成了著名的太原组含煤地层。研究显示，在第4次形成最大规模的海侵之后，随着构造的抬升，海侵范围开始不断向南萎缩，泥炭沼泽沉积环境也随之向南逐步推进，这也导致了山西的含煤层位自北而南逐渐抬高、聚煤作用向南迁移的有趣现象。

时间进入到早二叠世（山西组沉积期），这时的山西仍然继承了晚石炭世的地理格局和气候环境，山西北部继续抬升，陆地的范围不断地扩大，海水范围继续向南萎缩，仅有山西南部局部地区受到海泛的影响。因此，山西大体由滨海环境变为了近海环境，古海岸线南移至霍县-长治一带，沉积岩的研究显示，此时山西最北端为河流，中北部为三角洲平原，南部则为三角洲的水下部分。中、北部三角洲平原体系下，同样孕育了大面积的原始森林和泥炭沼泽，森林依然由华夏植物群组成。正是在这样的环境下，中北部地区的山西组也发育了巨厚煤层。

然而，这样得天独厚的聚煤条件，随着时间推移到中二叠世（下石盒子组沉积期）后，也走到了尽头。此时华北板块所处位置，以及生态环境都发生了重大变化：古地磁显示，随着华北板块向北漂移，此时平均纬度为北纬16°左右，这个时期全球发生了古气候升温事件，热带-亚热带干旱气候带向低纬度扩张，这使得山西进入炎热、半干旱的生态环境，这一信息可以从此时山西的植物化石特征得到佐证：此时的植物密度锐减，先前生活在温暖潮湿环境中的成煤植物如鳞木、芦木类等已经大为衰退，而耐旱的松柏、苏铁等裸子植物开始兴起。从这以后的晚二叠世开始，随着华北板块继续向北漂移，山西的气候更加炎热和干旱，这样的环境无法再孕育出大规模森林。此外，沉积岩以及生物化石显示，此时海水基本退出了山西，基本以冲积平原上的曲流河环境为主，期间只有零星的浅湖发育，很难再发育泥炭沼泽环境。失去了成煤物质来源与适宜环境的支持，山西也不再具有聚煤所必须的条件。

至此，这场声势浩大的晚古生代的聚煤历程，就此落幕。

由此我们可以看到，煤炭资源的形成，不仅需要严苛的生态环境条件，更要植物被埋藏地下经历上亿年时间的演化，这使得煤炭资源不可再生。请珍惜现在的环境，节约集约使用不可再生资源，用低碳环保的生活方式，助力美丽中国的发展。