科海钩沉

    提起煤炭，人们往往会想起轰鸣的巨大机器与烟囱里冒出的黑烟。它曾经充当过为人类提供能源的主角，又因为日益严重的气候变化与环境污染，逐渐退居二线。但无论在人类社会，还是在自然界，事物往往不止扮演一种角色，珠穆朗玛峰都曾经深藏海底，更何况经历了数亿年演变的煤炭呢？

    波茨坦气候影响研究所在《美国国家科学院院刊》刊发的研究指出，与现在成为全球变暖的罪魁祸首正相对应的是，3亿年前，煤炭在形成之时，地球险些变成一个“雪球”。

    3亿年前，大气二氧化碳浓度曾不足今天的四分之一。

    煤炭如何形成，至今仍是假说。最常见的解释认为，煤炭的前身是植物，准确地说，是未及腐烂分解便埋藏于地下的植物。此后，在地下经历漫长演化后最终形成煤炭。在整个地质年代中，有三个大的成煤期，发生在距今3亿年左右的石炭纪晚期到二叠纪早期之间这次非常重要，是烟煤和无烟煤的主要来源。

    在石炭纪，地球的陆地开始被大片森林覆盖，许多植物生长在海陆交汇的沼泽里，死去的植物沉入水下与空气隔绝阻止被氧化分解，新的植物在上面生长死亡然后继续堆积，整个过程周而复始。植物在生长过程中从大气中吸收的二氧化碳由此被埋藏。

    尽管有人对这一假说提出这样那样的异议，例如澳大利亚有700多米厚的煤层，难以理解这样规模植物是如何被埋藏的。但研究人员证实了从石炭纪晚期到二叠纪早期，大气中的二氧化碳大量减少。

    最近对高分辨率记录的分析显示，石炭纪的大气二氧化碳浓度发生过巨大变化，最高可达700ppm（1ppm为百万分之一），最低只有150ppm。而到了二叠纪早期，大气二氧化碳浓度进一步降低到了100±80ppm。作为参考，今 年4月，地 球 大 气 二 氧 化 碳 浓 度 为410.31ppm，是80万年来的最高值。

    二氧化碳浓度的变化会引发气候的剧烈改变。当其浓度在40ppm左右时，全球就会被冰川笼罩。造成大气二氧化碳浓度降低的原因很多，如地球轨道的变化、火山爆发造成的平流层气溶胶成分变化等，但碳被大量埋藏仍是不可忽视的。

    煤不仅是二氧化碳的收藏家，还是垄断者。在应对气候变化的诸多手段中，碳的捕获与封存是一项很有想象力的技术。人们试图把二氧化碳收集并储存至安全地点，使其与空气隔绝，如保存在水泥中，或埋藏在地下岩层里。

    其实，这个想法并不新奇，甚至可以说是对大自然的致敬。因为最为人们所熟知的煤炭，在其诞生时就曾高效地捕捉并封存了大量的二氧化碳。

    人类今天开采的煤，碳含量非常高。褐煤碳含量可达60%至76.5％，烟煤碳含量为77%至92.7％，无烟煤碳含量多在90％以上，有些可达98%，而煤的整个形成过程，伴随着一系列的化学反应，不断增加自身的碳含量。

    最初的阶段是泥炭化——植物残骸经过分解和化合，形成泥炭或腐泥，其中除了大量的碳，还包含水、氧、腐殖酸等。在地热和压力的作用下，泥炭层压实、失水、老化、硬结，最终变成褐煤，植物中的碳被保存下来，而腐殖酸和氧则被排除出去。此后，地壳继续下沉，褐煤在地热和压力的作用下，继续压实、失水，碳含量进一步上升，氧含量减少，腐殖酸则荡然无存。最后，随着地层进一步加深，地温越来越高，煤的变质程度也随之越来越深，碳被紧紧固定在煤炭中。

    就这样，由于碳被封存在地底，大气中的二氧化碳极端减少，气候随之失衡，石炭纪-二叠纪大冰期随之形成。

    大冰期持续8000万年，“南半球”冰天雪地。这次冰期，是自地球上大量生物出现以来至今最大的一次冰期。全球气温普遍下降。最寒冷时期约为距今2.8亿年至2.7亿年前，全球温度下降至少在10℃以上，南半球各陆地上普遍存在冰碛层。

    当然，那时的南半球并不等同于现在的南半球，根据大陆漂移说，当时南半球存在一个巨大的冈瓦纳古陆，包括今天的南美洲、非洲、澳大利亚、南极洲、印度半岛和阿拉伯半岛，以及中南欧和我国西藏的部分地区。

    如今，人们在大洋洲的大部分地区、南美洲南部、非洲中部和南部、南极大陆边缘和印度、我国西藏等地，广泛发现当年冰川活动留下的痕迹。巴西圣保罗的冰川沉积的厚度超过了1000米。印度有1/3的面积被冰川覆盖。如今遍布炎热沙漠的澳大利亚，在二叠纪初期可能有一半的面积是冰盖。

    今天人们回过头来，可以看到因煤的形成导致的二氧化碳浓度变化，曾在地球上留下了多么深刻的印记。当然，人们也不难联想到，自工业革命以来，这些煤的燃烧又将引发多么巨大的改变。