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

何 琦 王 軍

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

何 琦 王 軍

內(nèi)蒙古烏達早二疊世（距今約2.9億年）成煤植物群復原。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。森林高層植被由稱為封印木（Sigillaria）的石松類喬木構(gòu)成；森林中層植被主要是外形與現(xiàn)生桫欏樹相似的名為蓮座蕨樹，以及和分類位置尚不明確的擬齒葉（Paratingia）。其他中層植被種類包括原始蘇鐵類帶羊齒（Taeniopteris），側(cè)羽葉（Pterophyllum）；草本植物僅零散分布，包括木賊綱楔葉（Sphenophyllum）和蕨類植物（Peopteris）。

人類社會現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)是能源，而被譽為工業(yè)食糧的煤炭是十八世紀以來人類使用的主要能源之一。隨著科學技術(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生產(chǎn)生活中無法替代的能源之一。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)地理條件？植被經(jīng)過怎樣的地質(zhì)作用過程和物理化學變化才能最終形成煤層？要想了解和認識這些有關(guān)煤炭及其成因的信息，還得從基本的地質(zhì)古生物專業(yè)知識說起。筆者長期從事古生物博物館的科普宣傳工作，從天真活潑的小學生，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及類似的問題。為了對此有一個較為清晰圓滿的回答，筆者曾查閱過許多相關(guān)教科書和科普讀物，可是由于未能結(jié)合實例進行說明，留給觀眾的印象還是“霧里看花”，難盡如人意。

近年來，中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所與賓夕法尼亞大學地球與環(huán)境科學系開展了對晚古生代成煤植物群的合作研究，筆者參與了這項國際合作大量的接待工作。當然，除了一些必要的日常事務，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，筆者耳濡目染地學到了一些煤炭地質(zhì)的新知識，并獲得了大量的感性認識，其中印象最深的就是對于成煤植物群的認識。

2005年以來，中美雙方共赴野外，對內(nèi)蒙古烏達礦區(qū)6、7號煤層的成煤植物開展了大量的實地調(diào)查。前后十多次野外，每次約兩個星期的現(xiàn)場奮戰(zhàn)，從踏勘和選取適宜于樣方統(tǒng)計的地層露頭，到采用重型機械挖掘巖層使層面大面積出露，到破開含化石層面進行現(xiàn)場鑒定、統(tǒng)計和采集，到最后植被的整體面貌重建，筆者參與了各個環(huán)節(jié)的具體工作，對成煤沼澤植被的陸地景觀有了比較全面深入的了解。據(jù)專業(yè)資料，國內(nèi)外類似于烏達礦區(qū)這樣保存良好的成煤植物群極為罕見。因此，筆者特地將中美學者對烏達7號煤層的成煤沼澤植物群景觀的地質(zhì)調(diào)查作一簡略報道，與讀者分享。

野外期間，來自美國賓夕法尼亞大學地球與環(huán)境科學系的合作者，年過花甲的Hermann W.Pfefferkorn教授親臨第一現(xiàn)場。他經(jīng)常被礦區(qū)工人包圍著，聽他們好奇地詢問有關(guān)煤層成因的問題，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，增長了許多煤田地質(zhì)學知識，在此深表謝意！

地質(zhì)剖面

烏達區(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)濟小區(qū)”的中心地帶，全區(qū)面積219.716平方千米。 烏達區(qū)資源富集，礦產(chǎn)資源量大質(zhì)優(yōu)，煤炭探明儲量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。烏達礦區(qū)6、7號煤層東西向延伸約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個不同面貌的植物群。7號煤層底板所含植物群1代表了開始形成該煤層時的植被面貌。植物種類包括鱗木（Lepidodendron），華夏木（Cathaysiodendron），根座（Stigmaria），科達（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)時生長在該成煤沼澤的植被。植物種類包括封印木（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（Cordaites）?；鹕侥?guī)r上層植物群3為火山活動毀滅前期成煤沼澤植物群后恢復的新植被。它們開始形成6號煤層。該植物群植物種類為一種石松類，其根座為Stigmaria型。6號煤層頂板植物群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在湖泊周圍的植被面貌。植物種類包括盤穗（Discinites），卵葉（Yuania），帶羊齒（Taeniopteris），鱗木（Lepidodendron），楔羊齒（Sphenopteris）等。4個植物群反映了同一地點植被的先后更替。圖2簡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)查的目標是揭示7號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)時生長在該成煤沼澤的植被。下面我們就以一棵樹為例看一下植物保存的過程，火山噴發(fā)時，植物的樹冠部分被厚重的火山灰壓斷，落在火山灰層內(nèi)保存下來。這種保存狀態(tài)，植物未經(jīng)受其他運移，如水流搬運等，而直接得到保存，專業(yè)上稱作原位埋藏。如果目標只是觀察成煤植物群的植物種類，那么，檢查那些開采7號煤時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。但如果還想進一步揭示成煤植被森林結(jié)構(gòu)，如高大樹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和比例等，則必須在巖層未被整體剝離開原地之前進行檢查。為此，我們的野外工作大致按下列步驟，實現(xiàn)了對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，選取適宜于開采剝離的巖層，以便檢查植物群面貌的地點。主要需要考慮兩點：a，地勢條件是否可行，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和鏟車等重型機械通行的便道，并且爭取離租用重型機械的地點近，為了減少機械在路途中的消耗。本次野外經(jīng)過兩天往返觀測（專業(yè)上稱作“踏勘”），選中了中盤區(qū)附近的一段地層（圖3A-B）。

2）借助挖掘機和鏟車等重型機械剝離7號煤層頂板火山凝灰?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，供專業(yè)人員檢查（圖3B）。

3）專業(yè)人員對已挖起并放置于原地的火山凝灰?guī)r中的植物進行仔細檢查（圖3B）。具體包括：GPS定位，測量所揭露巖層的面積，并依據(jù)實際情況將所露面積分成若干等份，逐一進行植物種類檢查，探明各具體位置上的植物類群。這一步專業(yè)上稱為野外現(xiàn)場樣方統(tǒng)計。所得數(shù)據(jù)均記錄于一統(tǒng)計表格，作為原始數(shù)據(jù)供進一步深入分析研究。

4）選擇具有代表性的化石標本，采集包裝，并永久保存。對于一些保存完好或者具有分類學研究價值的標本，盡可能多地采集帶回，以供深入分類學研究（如圖3C-D）。

成煤沼澤森林景觀圖及成煤作用地質(zhì)過程

通過本次野外調(diào)查，7號煤層成煤植被景觀重建工作取得了重要進展。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來中方課題組大量的野外調(diào)查，一幅7號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，風沙盛行的烏達截然不同，距今約兩億九千萬年前的石炭-二疊紀之交，烏達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，長滿高達20-30米的石松植物封印木（Sigillaria），它們是森林中的王者，不僅個子高而且密度大，占據(jù)了生態(tài)空間的三分之一以上。透過高大的樹木，可以看到密密麻麻的、形同桫欏樹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倒下的樹干或掉下來的枝葉。于是，細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、發(fā)育、枯死和腐爛，如此循環(huán)且層層疊加，再經(jīng)過后期的地殼運動沉入地下，在高溫高壓作用下，經(jīng)過失水和變質(zhì)作用逐漸變成了煤。

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

圖2 內(nèi)蒙古烏達礦區(qū)6、7號煤層成煤植被群落演替概況(參閱圖1）。說明見正文。值得說明的是，圖中所述煤層開始形成階段，均采用了“煤層”這一術(shù)語，但實際上煤層的形成因變質(zhì)程度不同學術(shù)上采用了不同的概念，包括“泥煤”、“泥炭”、“褐煤”、“煙煤”、“無煙煤”和“硬煤”等。嚴格地說，當前圖中所述“煤層”實際指形成煤的第一階段，相當于“泥炭”的概念。

圖3 烏達礦區(qū)7號煤層露頭及其成煤植物群野外現(xiàn)場調(diào)查。A，在中盤區(qū)的一段露頭上借助挖掘機移去覆蓋層并挖起火山凝灰?guī)r放置在原地；B，專業(yè)人員現(xiàn)場樣方統(tǒng)計；C-D，火山凝灰?guī)r中的化石標本。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，一些樹蕨類大概是每3米左右即出現(xiàn)新的植株。就整體環(huán)境條件來講，為一望無際的水體，水深很淺，僅僅覆蓋了植物的根座。

上述對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)過程和條件：首先，在構(gòu)造背景上，本地長期處于下沉狀態(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。如果沉降速度過快，則沼澤可能水體變深，導致植被無法生長。這種情況正是6號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，導致植被倒下無法被水體淹沒而暴露在空氣中，最終被氧化消失，而非經(jīng)過腐爛和細菌作用形成泥炭。如圖2所示，烏達6、7號煤層的地質(zhì)作用過程表現(xiàn)為從7號煤層開始形成，到本地區(qū)緩慢沉降，與沼澤森林形成泥炭的沉積速率達到了自然和諧，同時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（Cordaites），以及櫛羊齒（Pecopteris）和楔葉（Sphenophyllum）等，演變到發(fā)生火山噴發(fā)時的植物群 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（Cordaites）?；鹕絿姲l(fā)對植物群2的損壞是毀滅性的，使得整個生態(tài)域內(nèi)植物蕩然無存。在經(jīng)歷了另一個長時間的植被空白之后，本地區(qū)凝灰?guī)r層的頂部土壤化，機會主義植物分子——石松類封印木（其根座是一種獨具特色的Stigmaria）能夠適應這種生存條件，并且迅速占領(lǐng)了整個生態(tài)域（植物群3）。整個地區(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態(tài)平衡，于是又開始形成6號煤層。斗轉(zhuǎn)星移，終于有一天，大地山川的動態(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。圍繞湖泊生長的植物被風力或水力搬運沉積到湖底，附著在湖底得以保存（植物群4），并一起形成6號煤層的頂板。

資料表明，烏達地區(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。它們的形成都大致經(jīng)歷了與本文所述相似的地質(zhì)作用過程和背景。而且，我國華北和西北地區(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程相似。認識了烏達成煤植物群的代表性，也才真正認識到對烏達成煤沼澤森林植被景觀進行地質(zhì)調(diào)查的重要價值。2007年6月在南京召開的國際石炭-二疊紀大會的野外考察路線之一，就選擇了本文所述烏達地區(qū)地質(zhì)剖面，它是我國古生物學界研究成煤植物群的重要成果。大批國際同行奔赴現(xiàn)場，考察了這一罕見的保存精美的成煤沼澤森林植被，并對我國古植物學者在這一領(lǐng)域取得的研究成果給予了充分的肯定和高度的評價。祝愿我國學者在該研究領(lǐng)域獲得更加豐碩的科研成果，獲得更加輝煌的成就！■