历史地质学/泥炭和煤
在本文中，我们将探讨泥炭在沼泽中的沉积以及如何变成煤炭。
在本文中，我将使用“沼泽”一词作为对水淹土地的总称，其中水足够浅以使陆地植物生长：生态学家可能会更仔细地区分沼泽、湿地、泥炭沼泽、沼泽等等。
从我们的角度来看，沼泽变得有趣是因为沼泽植物沉积的植物物质速度快于其完全腐烂的速度：在这种情况下，部分分解的植物物质被称为“泥炭”将在沼泽中堆积起来。这些物质会在成岩作用时变成“煤炭”。
读者应该注意，煤炭有两种类型：由陆地植物遗骸在沼泽中沉积形成的“腐殖煤”；以及较罕见且经济意义较小的“腐泥煤”，由藻类在湖泊中沉积形成。它们的形成过程相似，但本文中我们将特别讨论腐殖煤。
在泥炭沼泽中，有机物质的积累速度快于其腐烂速度：这就是使它们成为泥炭沼泽的原因。但是为什么呢？一方面，泥炭沼泽会沉积大量物质，但可能不比普通森林中以落叶、树枝等形式沉积的物质更多。关键的区别在于，在沼泽中，沉积的植被是水浸的。
空气中的氧气含量约为 20%，这使得好氧细菌、真菌等腐烂生物得以生存。另一方面，充氧水中的氧气水平更方便地用百万分之一来衡量，这是水中有机物质腐烂的限制因素。沉积的有机物为好氧细菌提供了一顿潜在的大餐，但在代谢可用营养物质的过程中，它们必须消耗氧气；当它们的数量很多，进食如此旺盛，以至于消耗了所有可用的氧气时，那么它们的分解速度就达到了极限。
在包围着更深埋植物物质的水中，可用的氧气会更少，因此一旦这种物质的积累开始，它很可能就会持续下去；同样，在堆积的沉积物中更深的地方，水会更酸，这也延缓了腐烂。泥炭沼泽防止腐烂的能力在欧洲泥炭沼泽中发现的保存完好的数千年前的尸体中得到了很好的证明；例如，右侧照片中显示的丹麦“托伦德人”，其年代可以追溯到公元前 4 世纪。
并非所有沼泽都是泥炭沼泽：这取决于诸如植物物质沉积速率和氧气进入系统的速率等因素，这些因素会根据水流速率（如果有）而变化。我们不知道是否有任何通用公式可以确定沼泽是否会变成泥炭沼泽：对我们来说，只要知道在某些沼泽中确实发生了这种植物物质的堆积就足够了。
“泥炭化”是我们上面描述的部分腐烂过程。细菌的作用会破坏构成细胞壁的较弱的聚合物，例如纤维素，留下主要是木质素，木质素更坚韧。由于纤维素和木质素在植物细胞壁中起着结构作用，因此纤维素的去除会使细胞结构保持完整：通过电子显微镜观察泥炭揭示即使是细胞结构的细微细节也被保留了下来。由此产生的物质被称为泥炭。读者应该注意，这个词不仅仅指园丁的泥炭，即泥炭化的泥炭藓，而是指经过泥炭化过程的任何植物物质。
“煤化”是指从原始泥炭物质中损失氢和氧的化学过程，从而提高了碳与其他元素的比例。这涉及对材料中剩余分子的改变，特别是木质素转化为镜质体。煤化并非一个全有或全无的过程：而是产生不同“级别”的煤炭，这些煤炭的碳比例逐渐增加，从褐煤到次烟煤，再到烟煤，最后达到最高级别，即无烟煤。
在早期煤化过程中，该过程由细菌作用完成；当材料被压实到水无法渗透（因此细菌也无法渗透）时，煤化的后期阶段是由热和压力（这两种因素都是由足够深的埋藏产生的）的作用完成的。在实践中，被称为早期和晚期煤化的过程可能会有一些重叠。
在煤化过程中，压力会从材料中去除水分：泥炭含水量为 95%，无烟煤含水量不到 1%。当然，与此同时，材料会被压缩，因此它最终的体积可能只有原来体积的二十分之一。
由于煤化过程涉及煤炭化学性质的改变，因此从某种意义上说，所有煤炭都可以被认为是变质岩；但是，只有无烟煤通常被归类为变质岩，因为只有无烟煤接近我们通常与变质作用相关的温度和压力。
由于本文旨在供缺乏化学知识的读者阅读，因此我们尽可能简要地介绍了泥炭化和煤化的细节。该课题已被详细研究：感兴趣的读者可以在这里找到更多信息，以及在这里找到更多信息。
在最低级别的煤炭中，细胞结构在显微镜下仍然可见，清楚地显示出它们的植物来源。至于更高级别的煤炭，我们应该注意，从化学角度来看，不同级别的煤炭形成一个连续体：我们在地质学中通常将煤炭划分为褐煤、次烟煤等，这些都是人为的划分，实际上是连续的。这在一些地方得到了很好的证明，在这些地方，上部的煤层是褐煤，而下部的煤层则从次烟煤过渡到烟煤：这与以下理论相吻合，即相同的物质由于与埋藏相关的热量和压力的增加而发生了改变。
此外，可以在实验室中模拟煤化。没有人曾经把一块木头变成无烟煤，因为必须缺少一个重要的成分，即时间。但可以证明，对泥炭施加热量和压力会使其在化学上更像褐煤，而对褐煤进行类似的处理会使其更像次烟煤。
因此，煤炭起源于植物物质这一点毫无疑问。我们现在转向一个问题，即地质学家为什么将这种植物物质的来源归因于沼泽。
首先，煤田正是我们预期看到泥炭沉积物被埋藏到足够深的深度时会看到的情况，因为正如我们已经观察到的那样，热量和压力（这两种因素都是由深层埋藏产生的）会导致煤化过程中发生的化学变化。因此，煤田看起来就像泥炭沉积物在经历足够大的热量、时间和压力后应该有的样子。
然后，我们可以问问自己：这些沉积物还能如何形成？为了产生我们观察到的煤层厚度和范围，我们需要大量的植物物质在缺氧条件下沉积在很广的区域，以便它们不会腐烂。没有其他环境符合要求。例如，在森林地面上，虽然植物物质会在很长一段时间内沉积在很广的区域，但它会很快分解，而且永远不会积累到很大的厚度，这一点很容易用铲子验证。当我们看到厚达 10 米的煤层（这种情况并不罕见），当我们考虑到它与原始体积相比被压实了多少（可能是 10 到 20 倍）时，我们可以看到，原始的植物物质一定是在只有部分腐烂发生的条件下沉积的：也就是说，在沼泽中。
我们可以想象泥炭化发生在沼泽以外的其他环境中：例如，我们可以想象滑坡将树木从山坡上运送到所谓的“死湖”中。然后这些树木可能会泥炭化，如果被埋藏在其他沉积物下足够深，可能会煤化。但再一次，我们发现这并不能解释煤层的巨大深度和横向范围。
因此，泥炭沼泽是唯一合理的解释，可以解释煤炭的形成。对煤层上下方的岩层进行研究可以证实这一点。
在煤层下方，我们发现了 古土壤，这些沉积物如 先前文章 所述，地质学家将其识别为化石土壤：最明显的特征是它们含有化石根系。事实上，古土壤 有时会含有树木或树根，它们会从煤层中向上延伸，而且这些树木与煤层中发现的化石植物一致。这与沼泽形成煤炭理论相吻合。煤层下方的古土壤（被称为底土或底层粘土）也表现出我们在积水土壤中应该发现的土壤特征。
右侧的图片取自 Dawson 的《Acadian Geology》，展示了煤层与古土壤的关系。
原文中的图例从上到下识别地层如下
- 页岩。
- 页岩状煤，1 英尺。
- 带根系的底层粘土，1 英尺 2 英寸。
- 灰色砂岩，向下过渡为页岩，3 英尺。在煤层上方的直立树木，带有Stigmaria 根系 (e)。
- 煤，1 英寸。
- 带根系的底层粘土，10 英寸。
- 灰色砂岩，1 英尺 5 英寸。来自上层地层的Stigmaria 根系继续延伸；直立的Calamites。
- 灰色页岩，含黄铁矿。扁平的植物。
覆盖在煤层上的地层也与沼泽理论一致：它们是水生沉积物，可能是淡水或海水沉积物，具体取决于沼泽的位置和性质。
基于这些原因，我们可以确信腐殖煤确实起源于沼泽中植物物质的沉积。