何 琦 王 軍

探求成煤沼澤森林植被景觀
——記內(nèi)蒙古烏達(dá)礦區(qū)早二疊世成煤植被現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查

何 琦 王 軍

內(nèi)蒙古烏達(dá)早二疊世（距今約2.9億年）成煤植物群復(fù)原。成煤沼澤森林在火山灰重力作用下枝葉、主干等被埋藏于火山凝灰?guī)r內(nèi)，為重建其森林面貌提供了絕佳條件。森林高層植被由稱(chēng)為封印木（Sigillaria）的石松類(lèi)喬木構(gòu)成；森林中層植被主要是外形與現(xiàn)生桫欏樹(shù)相似的名為蓮座蕨樹(shù)，以及和分類(lèi)位置尚不明確的擬齒葉（Paratingia）。其他中層植被種類(lèi)包括原始蘇鐵類(lèi)帶羊齒（Taeniopteris），側(cè)羽葉（Pterophyllum）；草本植物僅零散分布，包括木賊綱楔葉（Sphenophyllum）和蕨類(lèi)植物（Peopteris）。

人類(lèi)社會(huì)現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)是能源，而被譽(yù)為工業(yè)食糧的煤炭是十八世紀(jì)以來(lái)人類(lèi)使用的主要能源之一。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和新技術(shù)的日趨成熟，煤炭注定將成為人類(lèi)生產(chǎn)生活中無(wú)法替代的能源之一。人們都知道煤是地質(zhì)史上的陸生植物在沼澤中大量堆積，并經(jīng)菌解、煤化等作用形成的。然而，科學(xué)家是如何揭示煤的形成？又如何探明成煤植物的面貌？形成煤層的沼澤森林的景觀如何？能夠形成一定規(guī)模的煤田需要具備怎樣的地質(zhì)地理?xiàng)l件？植被經(jīng)過(guò)怎樣的地質(zhì)作用過(guò)程和物理化學(xué)變化才能最終形成煤層？要想了解和認(rèn)識(shí)這些有關(guān)煤炭及其成因的信息，還得從基本的地質(zhì)古生物專(zhuān)業(yè)知識(shí)說(shuō)起。筆者長(zhǎng)期從事古生物博物館的科普宣傳工作，從天真活潑的小學(xué)生，到白發(fā)蒼蒼的退休老者，不同年齡和文化層次的觀眾都曾問(wèn)及類(lèi)似的問(wèn)題。為了對(duì)此有一個(gè)較為清晰圓滿(mǎn)的回答，筆者曾查閱過(guò)許多相關(guān)教科書(shū)和科普讀物，可是由于未能結(jié)合實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明，留給觀眾的印象還是“霧里看花”，難盡如人意。

近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所與賓夕法尼亞大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)系開(kāi)展了對(duì)晚古生代成煤植物群的合作研究，筆者參與了這項(xiàng)國(guó)際合作大量的接待工作。當(dāng)然，除了一些必要的日常事務(wù)，更多還是野外的地質(zhì)調(diào)查工作。從這些第一手的野外材料中，筆者耳濡目染地學(xué)到了一些煤炭地質(zhì)的新知識(shí)，并獲得了大量的感性認(rèn)識(shí)，其中印象最深的就是對(duì)于成煤植物群的認(rèn)識(shí)。

2005年以來(lái)，中美雙方共赴野外，對(duì)內(nèi)蒙古烏達(dá)礦區(qū)6、7號(hào)煤層的成煤植物開(kāi)展了大量的實(shí)地調(diào)查。前后十多次野外，每次約兩個(gè)星期的現(xiàn)場(chǎng)奮戰(zhàn)，從踏勘和選取適宜于樣方統(tǒng)計(jì)的地層露頭，到采用重型機(jī)械挖掘巖層使層面大面積出露，到破開(kāi)含化石層面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鑒定、統(tǒng)計(jì)和采集，到最后植被的整體面貌重建，筆者參與了各個(gè)環(huán)節(jié)的具體工作，對(duì)成煤沼澤植被的陸地景觀有了比較全面深入的了解。據(jù)專(zhuān)業(yè)資料，國(guó)內(nèi)外類(lèi)似于烏達(dá)礦區(qū)這樣保存良好的成煤植物群極為罕見(jiàn)。因此，筆者特地將中美學(xué)者對(duì)烏達(dá)7號(hào)煤層的成煤沼澤植物群景觀的地質(zhì)調(diào)查作一簡(jiǎn)略報(bào)道，與讀者分享。

野外期間，來(lái)自美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)系的合作者，年過(guò)花甲的Hermann W.Pfefferkorn教授親臨第一現(xiàn)場(chǎng)。他經(jīng)常被礦區(qū)工人包圍著，聽(tīng)他們好奇地詢(xún)問(wèn)有關(guān)煤層成因的問(wèn)題，不厭其煩地解釋和描述成煤沼澤植被景觀。筆者作為翻譯參與了相關(guān)交流活動(dòng)，增長(zhǎng)了許多煤田地質(zhì)學(xué)知識(shí)，在此深表謝意！

地質(zhì)剖面

烏達(dá)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部烏海市境內(nèi)、黃河之畔，東與海勃灣區(qū)相鄰，西北與阿拉善盟接壤，南與寧夏重要化工基地石嘴山市毗鄰，居“寧蒙（寧夏、內(nèi)蒙古）經(jīng)濟(jì)小區(qū)”的中心地帶，全區(qū)面積219.716平方千米。 烏達(dá)區(qū)資源富集，礦產(chǎn)資源量大質(zhì)優(yōu)，煤炭探明儲(chǔ)量6.6億噸，主要煤種有肥焦煤、肥煤、焦煤、肥氣煤，全部為冶金焦、化工焦用煤。烏達(dá)礦區(qū)6、7號(hào)煤層?xùn)|西向延伸約5公里，五虎山礦區(qū)附近的地層情況如圖1所示。

這一厚度不到5米的剖面保存了4個(gè)不同面貌的植物群。7號(hào)煤層底板所含植物群1代表了開(kāi)始形成該煤層時(shí)的植被面貌。植物種類(lèi)包括鱗木（Lepidodendron），華夏木（Cathaysiodendron），根座（Stigmaria），科達(dá)（Cordaites），櫛羊齒（Pecopteris），楔葉（Sphenophyllum）等?；鹕侥?guī)r下層植物群2代表了火山噴發(fā)時(shí)生長(zhǎng)在該成煤沼澤的植被。植物種類(lèi)包括封印木（Sigillaria）， 星 葉 （Asterophyllites）， 楔 葉（Sphenophyllum），齒葉（Tingia），擬齒葉（Paratingia），楔羊齒（Sphenopteris），櫛羊齒（Pecopteris），帶羊齒（Taeniopteris），側(cè)羽葉（Pterophyllum）和科達(dá)（Cordaites）?；鹕侥?guī)r上層植物群3為火山活動(dòng)毀滅前期成煤沼澤植物群后恢復(fù)的新植被。它們開(kāi)始形成6號(hào)煤層。該植物群植物種類(lèi)為一種石松類(lèi)，其根座為Stigmaria型。6號(hào)煤層頂板植物群4代表的是成煤沼澤變?yōu)闇\水湖泊、成煤作用停止之后生長(zhǎng)在湖泊周?chē)闹脖幻婷?。植物種類(lèi)包括盤(pán)穗（Discinites），卵葉（Yuania），帶羊齒（Taeniopteris），鱗木（Lepidodendron），楔羊齒（Sphenopteris）等。4個(gè)植物群反映了同一地點(diǎn)植被的先后更替。圖2簡(jiǎn)明扼要地展示了該連續(xù)更迭的植物群落序列和形成煤層的情況。

調(diào)查方法與步驟

本次調(diào)查的目標(biāo)是揭示7號(hào)煤層成煤植物群面貌，即上述植物群2。如上所述，它代表了火山噴發(fā)時(shí)生長(zhǎng)在該成煤沼澤的植被。下面我們就以一棵樹(shù)為例看一下植物保存的過(guò)程，火山噴發(fā)時(shí)，植物的樹(shù)冠部分被厚重的火山灰壓斷，落在火山灰層內(nèi)保存下來(lái)。這種保存狀態(tài)，植物未經(jīng)受其他運(yùn)移，如水流搬運(yùn)等，而直接得到保存，專(zhuān)業(yè)上稱(chēng)作原位埋藏。如果目標(biāo)只是觀察成煤植物群的植物種類(lèi)，那么，檢查那些開(kāi)采7號(hào)煤時(shí)所剝離的四處散落的火山凝灰?guī)r，鑒定其中的化石植物即可。但如果還想進(jìn)一步揭示成煤植被森林結(jié)構(gòu)，如高大樹(shù)木的分布情況和密度，森林高層、中層和底層植被的組成，占據(jù)統(tǒng)治地位和次要地位的植物種類(lèi)和比例等，則必須在巖層未被整體剝離開(kāi)原地之前進(jìn)行檢查。為此，我們的野外工作大致按下列步驟，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該成煤沼澤森林的局部重建調(diào)查。

1）沿地層出露狀況追索，選取適宜于開(kāi)采剝離的巖層，以便檢查植物群面貌的地點(diǎn)。主要需要考慮兩點(diǎn)：a，地勢(shì)條件是否可行，覆蓋在火山凝灰?guī)r上的地層要盡可能薄，盡量減少工作量；b，附近是否有可供挖掘機(jī)和鏟車(chē)等重型機(jī)械通行的便道，并且爭(zhēng)取離租用重型機(jī)械的地點(diǎn)近，為了減少機(jī)械在路途中的消耗。本次野外經(jīng)過(guò)兩天往返觀測(cè)（專(zhuān)業(yè)上稱(chēng)作“踏勘”），選中了中盤(pán)區(qū)附近的一段地層（圖3A-B）。

2）借助挖掘機(jī)和鏟車(chē)等重型機(jī)械剝離7號(hào)煤層頂板火山凝灰?guī)r以上所有覆蓋物（圖2A），然后將凝灰?guī)r層挖起并放置在原地，供專(zhuān)業(yè)人員檢查（圖3B）。

3）專(zhuān)業(yè)人員對(duì)已挖起并放置于原地的火山凝灰?guī)r中的植物進(jìn)行仔細(xì)檢查（圖3B）。具體包括：GPS定位，測(cè)量所揭露巖層的面積，并依據(jù)實(shí)際情況將所露面積分成若干等份，逐一進(jìn)行植物種類(lèi)檢查，探明各具體位置上的植物類(lèi)群。這一步專(zhuān)業(yè)上稱(chēng)為野外現(xiàn)場(chǎng)樣方統(tǒng)計(jì)。所得數(shù)據(jù)均記錄于一統(tǒng)計(jì)表格，作為原始數(shù)據(jù)供進(jìn)一步深入分析研究。

4）選擇具有代表性的化石標(biāo)本，采集包裝，并永久保存。對(duì)于一些保存完好或者具有分類(lèi)學(xué)研究?jī)r(jià)值的標(biāo)本，盡可能多地采集帶回，以供深入分類(lèi)學(xué)研究（如圖3C-D）。

成煤沼澤森林景觀圖及成煤作用地質(zhì)過(guò)程

通過(guò)本次野外調(diào)查，7號(hào)煤層成煤植被景觀重建工作取得了重要進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來(lái)中方課題組大量的野外調(diào)查，一幅7號(hào)煤層的成煤沼澤森林景觀圖終于躍然紙上：與現(xiàn)在干燥缺水，風(fēng)沙盛行的烏達(dá)截然不同，距今約兩億九千萬(wàn)年前的石炭-二疊紀(jì)之交，烏達(dá)處在赤道低緯度熱帶雨林氣候條件下，森林密布，為廣闊的沼澤平原。放眼望去，長(zhǎng)滿(mǎn)高達(dá)20-30米的石松植物封印木（Sigillaria），它們是森林中的王者，不僅個(gè)子高而且密度大，占據(jù)了生態(tài)空間的三分之一以上。透過(guò)高大的樹(shù)木，可以看到密密麻麻的、形同桫欏樹(shù)的各種羊齒植物櫛羊齒（Pecopteris）（圖3D）——森林中層植被的主體，其間還夾雜有孢子植物齒葉（Tingia）、擬齒葉（Paratingia）（圖 3C）、楔羊齒（Sphenopteris）以及原始蘇鐵植物帶羊齒（Taeniopteris）和側(cè)羽葉（Pterophyllum）等。森林底層的矮小分子代表則有星葉（Asterophyllites）和楔葉（Sphenophyllum）。它們生老病死、代代繁衍，枯死植物倒入沼澤中，沼澤中的水不深但足以淹沒(méi)倒下的樹(shù)干或掉下來(lái)的枝葉。于是，細(xì)菌在枯萎的植物上繁殖，植物體漸漸腐爛，并被緩慢沉入水體的黏土泥質(zhì)所覆蓋。又有許多植物繼續(xù)生長(zhǎng)、發(fā)育、枯死和腐爛，如此循環(huán)且層層疊加，再經(jīng)過(guò)后期的地殼運(yùn)動(dòng)沉入地下，在高溫高壓作用下，經(jīng)過(guò)失水和變質(zhì)作用逐漸變成了煤。

圖1 內(nèi)蒙古烏達(dá)礦區(qū)五虎山礦附近6、7號(hào)煤層出露狀況及其頂、底板所含植物群序列

圖2 內(nèi)蒙古烏達(dá)礦區(qū)6、7號(hào)煤層成煤植被群落演替概況(參閱圖1）。說(shuō)明見(jiàn)正文。值得說(shuō)明的是，圖中所述煤層開(kāi)始形成階段，均采用了“煤層”這一術(shù)語(yǔ)，但實(shí)際上煤層的形成因變質(zhì)程度不同學(xué)術(shù)上采用了不同的概念，包括“泥煤”、“泥炭”、“褐煤”、“煙煤”、“無(wú)煙煤”和“硬煤”等。嚴(yán)格地說(shuō)，當(dāng)前圖中所述“煤層”實(shí)際指形成煤的第一階段，相當(dāng)于“泥炭”的概念。

圖3 烏達(dá)礦區(qū)7號(hào)煤層露頭及其成煤植物群野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。A，在中盤(pán)區(qū)的一段露頭上借助挖掘機(jī)移去覆蓋層并挖起火山凝灰?guī)r放置在原地；B，專(zhuān)業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)樣方統(tǒng)計(jì)；C-D，火山凝灰?guī)r中的化石標(biāo)本。C，擬齒葉屬（Paratingia），D，櫛羊齒屬（Pecopteris）；E，封印木屬（Sigillaria）。

封面圖顯示的是雨季里的烏達(dá)成煤沼澤森林景觀。森林覆蓋率非常高，分層結(jié)構(gòu)顯著，一些樹(shù)蕨類(lèi)大概是每3米左右即出現(xiàn)新的植株。就整體環(huán)境條件來(lái)講，為一望無(wú)際的水體，水深很淺，僅僅覆蓋了植物的根座。

上述對(duì)煤層形成的描述只是成煤作用最基本的條件。要形成一定規(guī)模的煤層，還需經(jīng)歷以下的地質(zhì)過(guò)程和條件：首先，在構(gòu)造背景上，本地長(zhǎng)期處于下沉狀態(tài)，下沉的快慢與上述植被及黏土質(zhì)等在沼澤中的沉積速度均衡。如果沉降速度過(guò)快，則沼澤可能水體變深，導(dǎo)致植被無(wú)法生長(zhǎng)。這種情況正是6號(hào)煤層停止成煤作用的原因（圖2）。如果沉降速度太慢，則水體漸淺，導(dǎo)致植被倒下無(wú)法被水體淹沒(méi)而暴露在空氣中，最終被氧化消失，而非經(jīng)過(guò)腐爛和細(xì)菌作用形成泥炭。如圖2所示，烏達(dá)6、7號(hào)煤層的地質(zhì)作用過(guò)程表現(xiàn)為從7號(hào)煤層開(kāi)始形成，到本地區(qū)緩慢沉降，與沼澤森林形成泥炭的沉積速率達(dá)到了自然和諧，同時(shí)植被不斷地繁衍更迭，物種成分由最初的植物群1，包括鱗木（Lepidodendron） 和科達(dá)（Cordaites），以及櫛羊齒（Pecopteris）和楔葉（Sphenophyllum）等，演變到發(fā)生火山噴發(fā)時(shí)的植物群 2:封印木（Sigillaria），星葉（Asterophyllites），楔葉（Sphenophyllum），齒葉（Tingia），擬齒葉（Paratingia），楔羊齒（Sphenopteris），櫛羊齒（Pecopteris），帶羊齒（Taeniopteris），側(cè)羽葉（Pterophyllum）和科達(dá)（Cordaites）?；鹕絿姲l(fā)對(duì)植物群2的損壞是毀滅性的，使得整個(gè)生態(tài)域內(nèi)植物蕩然無(wú)存。在經(jīng)歷了另一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的植被空白之后，本地區(qū)凝灰?guī)r層的頂部土壤化，機(jī)會(huì)主義植物分子——石松類(lèi)封印木（其根座是一種獨(dú)具特色的Stigmaria）能夠適應(yīng)這種生存條件，并且迅速占領(lǐng)了整個(gè)生態(tài)域（植物群3）。整個(gè)地區(qū)幾乎看不到任何其他植物成分，而且，仍然保持了本地區(qū)沉降速率和泥炭沉積速率的動(dòng)態(tài)平衡，于是又開(kāi)始形成6號(hào)煤層。斗轉(zhuǎn)星移，終于有一天，大地山川的動(dòng)態(tài)守衡被打破，沉降速率悄然提高，植物與泥質(zhì)的沉積速率不足以彌補(bǔ)大地的沉降，沼澤平原漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水湖泊。本地區(qū)成煤作用告一段落。圍繞湖泊生長(zhǎng)的植物被風(fēng)力或水力搬運(yùn)沉積到湖底，附著在湖底得以保存（植物群4），并一起形成6號(hào)煤層的頂板。

資料表明，烏達(dá)地區(qū)發(fā)育的所有煤層的地質(zhì)年齡均屬晚古生代石炭-二疊紀(jì)。它們的形成都大致經(jīng)歷了與本文所述相似的地質(zhì)作用過(guò)程和背景。而且，我國(guó)華北和西北地區(qū)，如陜、甘、寧、晉、冀、魯、豫及內(nèi)蒙古等省區(qū)的煤炭資源也都主要形成于晚古生代，成煤作用原理也都與本文所述背景和過(guò)程相似。認(rèn)識(shí)了烏達(dá)成煤植物群的代表性，也才真正認(rèn)識(shí)到對(duì)烏達(dá)成煤沼澤森林植被景觀進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查的重要價(jià)值。2007年6月在南京召開(kāi)的國(guó)際石炭-二疊紀(jì)大會(huì)的野外考察路線(xiàn)之一，就選擇了本文所述烏達(dá)地區(qū)地質(zhì)剖面，它是我國(guó)古生物學(xué)界研究成煤植物群的重要成果。大批國(guó)際同行奔赴現(xiàn)場(chǎng)，考察了這一罕見(jiàn)的保存精美的成煤沼澤森林植被，并對(duì)我國(guó)古植物學(xué)者在這一領(lǐng)域取得的研究成果給予了充分的肯定和高度的評(píng)價(jià)。祝愿我國(guó)學(xué)者在該研究領(lǐng)域獲得更加豐碩的科研成果，獲得更加輝煌的成就！■