歷史地質學/泥炭和煤
在本文中，我們將探討泥炭在沼澤中的沉積以及如何變成煤炭。
在本文中，我將使用“沼澤”一詞作為對水淹土地的總稱，其中水足夠淺以使陸地植物生長：生態學家可能會更仔細地區分沼澤、溼地、泥炭沼澤、沼澤等等。
從我們的角度來看，沼澤變得有趣是因為沼澤植物沉積的植物物質速度快於其完全腐爛的速度：在這種情況下，部分分解的植物物質被稱為“泥炭”將在沼澤中堆積起來。這些物質會在成岩作用時變成“煤炭”。
讀者應該注意，煤炭有兩種型別：由陸地植物遺骸在沼澤中沉積形成的“腐殖煤”；以及較罕見且經濟意義較小的“腐泥煤”，由藻類在湖泊中沉積形成。它們的形成過程相似，但本文中我們將特別討論腐殖煤。
在泥炭沼澤中，有機物質的積累速度快於其腐爛速度：這就是使它們成為泥炭沼澤的原因。但是為什麼呢？一方面，泥炭沼澤會沉積大量物質，但可能不比普通森林中以落葉、樹枝等形式沉積的物質更多。關鍵的區別在於，在沼澤中，沉積的植被是水浸的。
空氣中的氧氣含量約為 20%，這使得好氧細菌、真菌等腐爛生物得以生存。另一方面，充氧水中的氧氣水平更方便地用百萬分之一來衡量，這是水中有機物質腐爛的限制因素。沉積的有機物為好氧細菌提供了一頓潛在的大餐，但在代謝可用營養物質的過程中，它們必須消耗氧氣；當它們的數量很多，進食如此旺盛，以至於消耗了所有可用的氧氣時，那麼它們的分解速度就達到了極限。
在包圍著更深埋植物物質的水中，可用的氧氣會更少，因此一旦這種物質的積累開始，它很可能就會持續下去；同樣，在堆積的沉積物中更深的地方，水會更酸，這也延緩了腐爛。泥炭沼澤防止腐爛的能力在歐洲泥炭沼澤中發現的儲存完好的數千年前的屍體中得到了很好的證明；例如，右側照片中顯示的丹麥“託倫德人”，其年代可以追溯到公元前 4 世紀。
並非所有沼澤都是泥炭沼澤：這取決於諸如植物物質沉積速率和氧氣進入系統的速率等因素，這些因素會根據水流速率（如果有）而變化。我們不知道是否有任何通用公式可以確定沼澤是否會變成泥炭沼澤：對我們來說，只要知道在某些沼澤中確實發生了這種植物物質的堆積就足夠了。
“泥炭化”是我們上面描述的部分腐爛過程。細菌的作用會破壞構成細胞壁的較弱的聚合物，例如纖維素，留下主要是木質素，木質素更堅韌。由於纖維素和木質素在植物細胞壁中起著結構作用，因此纖維素的去除會使細胞結構保持完整：透過電子顯微鏡觀察泥炭揭示即使是細胞結構的細微細節也被保留了下來。由此產生的物質被稱為泥炭。讀者應該注意，這個詞不僅僅指園丁的泥炭，即泥炭化的泥炭蘚，而是指經過泥炭化過程的任何植物物質。
“煤化”是指從原始泥炭物質中損失氫和氧的化學過程，從而提高了碳與其他元素的比例。這涉及對材料中剩餘分子的改變，特別是木質素轉化為鏡質體。煤化並非一個全有或全無的過程：而是產生不同“級別”的煤炭，這些煤炭的碳比例逐漸增加，從褐煤到次煙煤，再到煙煤，最後達到最高級別，即無煙煤。
在早期煤化過程中，該過程由細菌作用完成；當材料被壓實到水無法滲透（因此細菌也無法滲透）時，煤化的後期階段是由熱和壓力（這兩種因素都是由足夠深的埋藏產生的）的作用完成的。在實踐中，被稱為早期和晚期煤化的過程可能會有一些重疊。
在煤化過程中，壓力會從材料中去除水分：泥炭含水量為 95%，無煙煤含水量不到 1%。當然，與此同時，材料會被壓縮，因此它最終的體積可能只有原來體積的二十分之一。
由於煤化過程涉及煤炭化學性質的改變，因此從某種意義上說，所有煤炭都可以被認為是變質岩；但是，只有無煙煤通常被歸類為變質岩，因為只有無煙煤接近我們通常與變質作用相關的溫度和壓力。
由於本文旨在供缺乏化學知識的讀者閱讀，因此我們儘可能簡要地介紹了泥炭化和煤化的細節。該課題已被詳細研究：感興趣的讀者可以在這裡找到更多資訊，以及在這裡找到更多資訊。
在最低級別的煤炭中，細胞結構在顯微鏡下仍然可見，清楚地顯示出它們的植物來源。至於更高級別的煤炭，我們應該注意，從化學角度來看，不同級別的煤炭形成一個連續體：我們在地質學中通常將煤炭劃分為褐煤、次煙煤等，這些都是人為的劃分，實際上是連續的。這在一些地方得到了很好的證明，在這些地方，上部的煤層是褐煤，而下部的煤層則從次煙煤過渡到煙煤：這與以下理論相吻合，即相同的物質由於與埋藏相關的熱量和壓力的增加而發生了改變。
此外，可以在實驗室中模擬煤化。沒有人曾經把一塊木頭變成無煙煤，因為必須缺少一個重要的成分，即時間。但可以證明，對泥炭施加熱量和壓力會使其在化學上更像褐煤，而對褐煤進行類似的處理會使其更像次煙煤。
因此，煤炭起源於植物物質這一點毫無疑問。我們現在轉向一個問題，即地質學家為什麼將這種植物物質的來源歸因於沼澤。
首先，煤田正是我們預期看到泥炭沉積物被埋藏到足夠深的深度時會看到的情況，因為正如我們已經觀察到的那樣，熱量和壓力（這兩種因素都是由深層埋藏產生的）會導致煤化過程中發生的化學變化。因此，煤田看起來就像泥炭沉積物在經歷足夠大的熱量、時間和壓力後應該有的樣子。
然後，我們可以問問自己：這些沉積物還能如何形成？為了產生我們觀察到的煤層厚度和範圍，我們需要大量的植物物質在缺氧條件下沉積在很廣的區域，以便它們不會腐爛。沒有其他環境符合要求。例如，在森林地面上，雖然植物物質會在很長一段時間內沉積在很廣的區域，但它會很快分解，而且永遠不會積累到很大的厚度，這一點很容易用鏟子驗證。當我們看到厚達 10 米的煤層（這種情況並不罕見），當我們考慮到它與原始體積相比被壓實了多少（可能是 10 到 20 倍）時，我們可以看到，原始的植物物質一定是在只有部分腐爛發生的條件下沉積的：也就是說，在沼澤中。
我們可以想象泥炭化發生在沼澤以外的其他環境中：例如，我們可以想象滑坡將樹木從山坡上運送到所謂的“死湖”中。然後這些樹木可能會泥炭化，如果被埋藏在其他沉積物下足夠深，可能會煤化。但再一次，我們發現這並不能解釋煤層的巨大深度和橫向範圍。
因此，泥炭沼澤是唯一合理的解釋，可以解釋煤炭的形成。對煤層上下方的岩層進行研究可以證實這一點。
在煤層下方，我們發現了 古土壤，這些沉積物如 先前文章 所述，地質學家將其識別為化石土壤：最明顯的特徵是它們含有化石根系。事實上，古土壤 有時會含有樹木或樹根，它們會從煤層中向上延伸，而且這些樹木與煤層中發現的化石植物一致。這與沼澤形成煤炭理論相吻合。煤層下方的古土壤（被稱為底土或底層粘土）也表現出我們在積水土壤中應該發現的土壤特徵。
右側的圖片取自 Dawson 的《Acadian Geology》，展示了煤層與古土壤的關係。
原文中的圖例從上到下識別地層如下
- 頁岩。
- 頁岩狀煤，1 英尺。
- 帶根系的底層粘土，1 英尺 2 英寸。
- 灰色砂岩，向下過渡為頁岩，3 英尺。在煤層上方的直立樹木，帶有Stigmaria 根系 (e)。
- 煤，1 英寸。
- 帶根系的底層粘土，10 英寸。
- 灰色砂岩，1 英尺 5 英寸。來自上層地層的Stigmaria 根系繼續延伸；直立的Calamites。
- 灰色頁岩，含黃鐵礦。扁平的植物。
覆蓋在煤層上的地層也與沼澤理論一致：它們是水生沉積物，可能是淡水或海水沉積物，具體取決於沼澤的位置和性質。
基於這些原因，我們可以確信腐殖煤確實起源於沼澤中植物物質的沉積。