翻案!石炭紀煤層成因新假說

Storyteller/Ruei

澳洲費爾德山國家公園的蕨類與樹蕨,我們可以從這張照片想像石炭紀的雨林模樣。當時沒有甚麼裸子植物及被子植物,由大大小小的蕨類所構成,到處都有倒塌的植物殘骸。(圖片來源:Wikipedia)

煤礦是工業革命可以成功不可或缺的重要因素之一,它從那時就燃燒著自身的能量至今。世界上大部分煤的形成約在三億年前,在地質年代約為石炭紀(Carboniferous) ,也是盤古(Pangea)超大陸形成的年代。而關於石炭紀煤的形成,一篇2015年發表於美國國家科學院院刊(PNAS)的研究發現與現今流行的假說不同。

 

演化延滯是形成大量煤礦的原因?

該假說在1990年代提出,稱為演化延滯(evolutionary lag),其認為煤的形成是因為第一片森林出現與會消化木質素的細菌、微生物出現中間有六千萬年時間差,由於沒有這些微生物分解,倒塌之後的樹木、堆積的植物碎屑不會腐化,被保存至地層中形成大量的煤。木質素是一種在細胞壁出現的聚合物,它可以讓植物堅挺矗立。

「科學界大部分的聲音都支持這個假說,因為它簡單且直接地解釋了為什麼厚厚的煤層在石炭紀時廣泛分佈全世界。」史丹福大學地球、能源與環境學院的Kevin Boyce說:「所以,這個假說可以歷久不衰,而且變成一種常識(傳統的智慧)。」而Boyce與他的同事們要來好好地檢驗這個假說,該研究的第一作者Matthew Nelsen表示:「我們用地球化學、沉積學、古生物學和生物學的方法進行分析,發現到演化延滯導致古代煤形成這樣的論述有誤。」

科學家們分析來自北美洲古老的富氧沉積物,結果顯示並不是所有的石炭紀(三億六千萬年前)植物都有高含量的木質素,但它們都轉換成煤了。綜合生物學的資訊,他們認為木質素的含量豐富與否對煤的形成沒有顯著影響,也就是說即使沒有演化延滯,微生物一開始就分解植物碎屑也不會讓煤無法形成。研究進一步分析了石炭紀煤層的內含物,主要是由石松類(Lycopsids)的植物所組成,這種植物是一種大型非木質化的植物。

「整個演化延滯假說的中心思想是煤炭的主要生化成分為木質素,然而該年代的多數形成煤炭的植物木質素量都不高。」

 

獨特的構造與氣候造就了石炭紀煤

因此煤炭的形成可能與其它因素有關,例如當時獨特的構造環境和氣候,當時幾塊大陸正在努力地聚合成盤古超大陸。統合了不同科學領域的結論,科學家認為石炭紀時,會形成煤的環境是有大量植物有機碎屑被聚積在溫暖潮濕的濕地中。Boyce說:「如果你想要形成煤,你會需要一個可以放入大量植物碎屑的環境,而且那個環境還不能讓植物腐化。所以比較有可能發生在缺氧的潮濕環境中。」

另外一個關鍵因素是容積空間(accommodation space),想要堆積厚層又廣泛分佈的煤礦,就需要很多很大的容積空間來堆積有機碎屑沉積物,而且不會被侵蝕,這樣的空間我們在大地構造單元上稱之為「盆地」。

 

早石炭紀的煤層,露頭地點在Pulaski County, Virginia, United States。(圖片來源:Sam Heck’s Flickr)

「所以你需要兩個條件:潮濕熱帶氣候及沉積盆地。我們現在依然有熱帶氣候所造就的雨林,但缺乏許多沉積盆地來堆積,」Boyce道:「在地球歷史上,也只有狹窄的一條時間帶上有這條件,那就是石炭紀。」隨著構造運動,地殼各種不同變形造就不同種類的盆地,在石炭紀,因為山脈的隆升導致地殼撓曲而下沉為盆地的情況最為常見。Boyce說:「只要有足夠的時間,植物碎屑就能因埋藏而產生的溫壓條件轉換成煤,提供工業革命以來常用的能源之一。煤是死去植物留下來的物質,煤的堆積在整個碳循環過程中佔了重要的地位,而且往往動輒數百萬年的時間下才能完成。」

 

對原文文章有興趣的朋友請參考:

Coal formation linked to assembly of supercontinent Pangea, Geology page, 2016.01.21

Matthew et al.(2016)Delayed fungal evolution did not cause the Paleozoic peak in coal production, Proceedings of the National Academy of Sciences

 

延伸閱讀:

毛翔、李江海(2014)全球石炭紀煤的分佈規律,煤炭學報