石炭纪(Carboniferous, 358.9±0.4 ~ 298.9±0.15Ma)

• 石炭纪是地球历史中的一个地质时代。早在1822年石炭纪在英国就已经被看作是一个地质时代中的纪了。石炭纪的名字来自于石炭纪时期在全世界各地形成的煤。它从3.55亿年前开始，延续到2.9亿年前。它与二叠纪和泥盆纪之间的边界的年代主要是通过放射性同位素断代获得的。

• 对石炭纪的内部分类各个地区使用非常不同的系统，这些不同的系统在其使用地区和传统中却相当稳定。在西欧石炭纪一般被分为上下两个亚纪，在美国分密西西比纪和宾西法尼亚纪，在俄罗斯分上中下三个亚纪。古生物学上的细节划分一般使用海生动物：头足纲动物、腕足纲动物、珊瑚等。陆地植物也被用来对上石炭纪作细节划分。

植物

石炭纪，尤其是上石炭纪可以被称为是蕨类植物的时代。我们只要考虑一下，几个立方米的木头才能演变为一立方米的煤，那么上石炭纪时的蕨类植物森林的规模就可以从今天石煤层的规模中看出来了。这些成为今天的石煤的植物中最主要的是鳞木目和封印木属的植物。这些树状的植物属于今天的石松纲，它们可以达到40米高，其茎的直径可达1米。属于问荆的芦木也达到了20米高。舌羊齿目植物也成为树一般的高大木质植物。石炭纪末期有花植物（裸子植物如歧杉和瓦契杉）出现。

动物

海生动物

泥盆纪海中占支配作用的带有硬骨装甲的鱼在泥盆纪后期灭绝事件后没有再恢复过来。石炭纪海中的主要鱼类是活动灵便的辐鳍鱼类。

海百合是石炭纪出现的新生物，它们属于棘皮动物。这些动物在石炭纪的海底形成草地一般的大面积覆盖面，它们留下了许多化石。其它留下许多化石的动物有苔藓动物门的动物和希瓦格蜓和纺锤蜒，后两者是单细胞动物，但它们可以达到10厘米大。

陆地动物

最早的无翼的昆虫在下泥盆纪时代就出现了，到上石炭纪已有有翼的昆虫。这些昆虫还无法折叠它们的翅膀（如蜻蜓等），石炭统煤系地层中发现超过500种的昆虫。石炭纪时在陆地上生活的唯一的脊椎动物是两栖动物，但它们还保存着相当的水生习性。由于它们在陆地上还没有竞争对手，因此它们的种类非常多，有些一直大到6米长。

在上石炭纪的末期还找到了最古老的可以算作爬行动物的骨骼化石。这时也出现了最早的带有硬壳的蛋。

古地理

出发点

在泥盆纪中北美地块和北欧-俄罗斯地块结合到一起。这块大陆与后来的冈瓦那大陆的其它部分（今天的非洲、南美洲、南极洲、澳大利亚和印度）之间部分是由不同的地形组成的海洋。在上泥盆纪这些地区与北美-北欧-俄罗斯组成的大陆已开始有接触。

石炭纪的发展

石炭纪内这个过程继续发展，到上、下石炭纪交界的时期这个过程达到一个高潮。直到上石炭纪非洲西北部与北美之间的空隙才被填补。阿巴拉契亚山脉的造山运动完成。二叠纪内今天的西伯利亚与俄罗斯相接，乌拉尔山脉形成，盘古大陆形成。

气候

石炭纪开始时非洲的南角位于地球的南极。石炭纪中冈瓦那大陆按顺时钟方向旋转，到二叠纪时南极洲位于南极。石炭纪开始后气温下降，在下石炭纪就已经有冰川形成，但到石炭纪/二叠纪间期冰川发展到了高潮期。在冈瓦那大陆到处都可以找到冰川的痕迹。地质分析证明在石炭纪中气温比较温暖的时期与气温比较寒冷的时期不断交替。上石炭纪的大量煤的沉积可能与海面的不断上下波动。这个波动可能是由于冈瓦那大陆南部冰川的融化和延长而造成的。

• 石炭纪时期，冈瓦纳大陆与劳亚大陆碰撞形成泛大陆，构成全球板块构造的基本格局。这一时期全球主要板块大多向北、东或东北方向运动，并发生旋转（Scotese, 2002; Lawver et al., 2002）。非洲西北部与劳俄大陆（包括劳伦大陆与波罗的板块）东南缘沿南阿巴拉契亚山和Meseta山缝合；中欧洋闭合，波罗的大陆与南欧小型陆块（如莫尔丹努布地块）之间的海西造山带形成；哈萨克斯坦微陆块与西伯利亚板块碰撞。晚石炭世，随着乌拉尔洋和原特提斯洋闭合，西哈萨克斯坦与波罗的拼接，乌拉尔造山带形成（此时期伏尔加- 乌拉尔盆地东侧发育绿色磨拉石沉积序列，而西侧则仍然发育生物礁）（李斌与朱筱敏，2012），劳亚超大陆形成；与此同时，南美与劳亚大陆碰撞，莱茵洋闭合（ Dokuz et al., 2011），形成阿巴拉契亚山最南部分和Ouachita山脉；非洲东北部和阿拉伯地区随泛大陆向北漂移；冈瓦纳此时已位于南极附近（石炭纪（320Ma）古板块再造图）。

该时期的岩浆事件主要受控于现今位于非洲的大型核幔边界低速带（Large Low Shear Wave Velocity Provinces，LLSVP）（Torsvik et al., 2008b），包括非洲板块北部、阿拉伯板块、北美板块北部以及伊朗、印度、波罗的板块的泛大陆核部受其影响；全球仅在北海和西伯利亚南缘发育3个大岩浆岩省（石炭纪（320Ma古板块再造图）；Kravchinsky，2012），例如，西伯利亚二叠纪大玄武岩省，玄武岩体积大于3×106km3。

石炭纪中期开始出现大冰期，全球气候急剧变冷，南半球普遍有冰川活动，冰碛物分布在冈瓦纳大陆之内（晚石炭世（320〜299Ma）全球古地理环境恢复图），海平面明显低于泥盆纪（Golonka and Ford, 2000），泛大陆整体高出海面，仅南美中北部、泛大洋东侧主动大陆边缘、古特提斯洋大陆边缘及乌拉尔洋区域被浅海覆盖（Scotese, 2002）。

非洲板块横跨寒带、温带、干旱带和热带4 个气候带，但仅其西北边缘位于热带范围（Tabor and Poulsen，2008），东北非和阿拉伯地区持续发育古特提斯洋大陆边缘，南部区域被冰盖覆盖，西南部的冰川由东向西流动。南美板块气候与非洲类似，其北部被浅海覆盖，冰盖分布区与非洲相比更为靠北（Mullins and Servais，2008）。北美大陆一直处于赤道附近，气候湿热（热带、干旱带气候），北美中部被浅海覆盖，北部则为被动陆缘沉积环境。欧亚大陆的各板块此时大多处于北半球（如西伯利亚板块、波罗的板块、塔里木陆块、华北陆块等），但尚未完全汇聚。西伯利亚板块纬度最高，主体位于温带区域，除西南侧与哈萨克斯坦板块接触部位为陆相外，其余均被较窄的浅海环绕；哈萨克斯坦与波罗的板块大部分处于北干旱带气候区，二者之间尚存乌拉尔洋，但该洋此时已经收缩成浅海环境（Scotese, 2002 ；李斌与朱筱敏，2012）；中国的几个主要陆块此时大多处于热带（ Tabor and Poulsen, 2008），华北和塔里木陆块表现为海陆交互，华南陆块则大部分被浅海覆盖。澳大利亚大陆基本上高出海面，南侧边缘位于冰盖区范围内（Mullins and Servais，2008），其余三侧则被浅海环绕。

石炭纪时期的全球洋流主要存在两个体系。一个洋流体系是泛大洋内部存在的冷流自西向东流动，接近泛大陆后沿大陆边缘向赤道汇聚，赤道附近暖流自东向西运移。另一个洋流体系主要分布于古特提斯洋及其南北两侧的浅海，表现为古特提斯洋内部的暖流自东向西流动，之后分为两支：一支由波罗的板块与哈萨克斯坦板块之间的浅海流向北寒带区域，后与来自西伯利亚东北侧的寒流交汇；另一支则沿古特提斯洋南侧被动大陆边缘的浅海自西向东流动，至澳大利亚北端与来自南部的寒流交汇。两个洋流体系由华北—华南—印支板块之间的浅海沟通。

早石炭世植物主要生长在滨海低地，气候分异和古地理隔离不明显；石炭纪晚期，植物界为适应气候分异产生了纬度分带现象（刘本培与全秋琦，1996）（晚石炭世（320〜299Ma）全球古地理环境恢复图）。冈瓦纳大陆的南美、非洲中北部，印度南部与澳大利亚虽然处于南温带，但其植物区属于寒带植物区，这是由于冈瓦纳大陆中部、南部发育冰盖造成的。石松、节蕨、真蕨、种子蕨和科达类植物大量出现、高度繁盛，在滨海沼泽等区域形成大片森林，为成煤创造了条件（孙克勤等，2000）。石炭纪全球煤主要分布在热带环境的劳俄大陆南部阿巴拉契亚造山带北侧与波罗的板块西部，华力西造山带西南侧的冈瓦纳大陆非洲西北部、华北陆块以及北温带的西伯利亚板块；从植物分区上看，前几个区域为热带全年潮湿植物区，西伯利亚板块属于温带植物区。此外，在哈萨克斯坦、澳大利亚西北缘、印度与南美东北部也有零星煤分布。整体而言，冈瓦纳大陆的南美、印度、非洲与澳大利亚石炭纪煤的分布较少，是由于其处于较高纬度且接近冰盖区，植物分布主要为寒带植物区造成的。

石炭纪时期，全球主要沉积作用发生在各大陆周缘及陆内浅海分布区（晚石炭世（311〜299Ma）全球沉积岩相图）。碳酸盐岩主要分布在古特提斯洋南侧被动大陆边缘及华南陆块大部分、华北与塔里木陆块的一部分、乌拉尔洋西侧的波罗的板块、南美，以及北美等区域（ Golonka and Ford, 2000）。河湖相沉积主要分布在劳伦大陆北部，在北美、格陵兰区域有面积广泛的湖盆沉积，在古特提斯洋南缘被动大陆边缘部位则与碳酸盐岩沉积交互层，华北陆块的主要沉积类型均为河湖相。石炭纪澳大利亚大陆基本上高出海面，东部形成特有的巨厚陆相碎屑岩夹冰碛层及泥炭沼泽环境沉积（ Henry et al., 2012）。石炭纪中期开始全球进入冰期，泛大陆南部普遍有冰碛物分布（ Mullins and Servais，2008）。此外，在热带与南、北半球干旱带的过渡区域均有风成沙漠沉积保留，表明该区域石炭纪曾存在沙漠环境。

受晚石炭世冰期事件影响，全球海平面降低，平均气温较泥盆纪降低2℃以上（ Dowey et al., 2012），在面积扩大了的陆地上植物繁盛。由于石炭纪全球火山岩浆活动不强烈，地球内部新释放的二氧化碳并不十分丰富；加之植物的光合作用，大气中氧气含量突增约一倍，二氧化碳含量下降（ Huey and Ward, 2005）。空气中氧气含量的增加导致海水氧化增强，破坏还原环境，对烃源岩沉积保存非常不利，全球石炭纪烃源岩比例仅占整个地质时代的约8%。

石炭纪北美大陆一直处于赤道附近，气候湿热，是烃源岩有利发育时期。南美玻利维亚-阿根廷北部的查科盆地是重要的油气产地，具有重要经济价值；西伯利亚板块与哈萨克斯坦板块缝合带北缘，近洋一侧的浅海盆地内堆积了早石炭世富含炭质的细碎屑岩及碳酸盐岩，成为该时期重要的烃源岩（石炭纪全球烃源岩分布图）。整体而言，石炭纪烃源岩分布集中于热带及其两侧的干旱带，但位于北温带的西伯利亚地区也有烃源岩分布，其原因可能为与其邻近地区冷流与暖流交汇，一方面暖流提高了该高纬地区的海水温度，另一方面冷暖流交汇使海水搅动，底层海水上升，上升的洋流富磷、硅、铁族元素等营养盐，提高有机质的生产力和埋藏效率，与烃源岩有机质的含量正相关（吕炳全等，2004）。

石炭纪两栖类动物空前发展，爬行类从晚石炭世开始出现，大型有翼昆虫首次出现。全球比较繁盛的生物包括四足动物、爬行动物、两栖动物、硬骨鱼类、鲨鱼和鳐鱼、牙形石、笔石动物、海百合、海蛇尾、海星、海胆、蛤、蜗牛、甲壳类、三叶虫、腕足类、苔藓、珊瑚、海绵。本图选取其中最为繁盛且分布广泛的鲨鱼和鳐鱼、爬行动物、两栖动物、硬骨鱼类、腕足类、蜗牛、珊瑚、甲壳类与三叶虫进行投图，绘制了石炭纪全球代表性古生物分布图（石炭纪全球主要古生物分布图）。整体而言，各物种多交互分布。热带、北半球干旱带区域的北美地区、格陵兰板块之南、波罗的板块以及华南板块为全球生物分布最为繁盛的区域；此外，在南半球温带区域的澳大利亚板块东部、南半球寒带的南美洲南部也有较多的生物分布。在生物分布较少的南美板块北部、非洲北部、西伯利亚板块，腕足类、蜗牛与珊瑚为当地群落的重要生物。