19 世纪之交，随着发明家们不断完善蒸汽机，工业世界的大部分地区都采用了这种了不起的新机器。它彻底改变了制造业和交通运输，为纺织厂、磨坊和矿山、铁路和船只提供了动力。这项创新使我们今天的许多现实成为可能——但如果没有我们称之为煤炭的古代湿地遗迹，这一切都将无法实现。
当然，这种富含碳的岩石极大地加剧了气候变化（2019 年，它占全球能源相关二氧化碳排放量的 三分之一），但它对工业革命的技术进步至关重要。史密森学会古生物学家 Bill DiMichele 说：“煤炭曾经是王道。” 即使可持续能源满足了我们更多的能源需求，在一些地方它仍然是王道。去年，近 20% 的美国电力是由 燃煤电厂 产生的。“目前，”DiMichele 说，“煤炭仍然很重要。”
然而，地球将这种宝贵的资源赠予现代人类纯属偶然——数亿年前，在原始大陆的沼泽森林中，独特的气候条件和构造板块运动共同作用，创造了惊人的植物物质保存规模。经过足够的时间、压力和热量，这些植物就变成了泥炭，并最终变成了煤。正如加州大学伯克利分校的古植物学家 Cindy Looy 所说：“一切都必须恰到好处才能实现这一点。” 但为什么条件如此适宜呢？
煤炭的潮涨潮落
当早期的地质学家开始对岩层进行分类时，石炭纪（大约 3.6 亿至 3 亿年前）是第一个被命名的时期。它也是陆地上植物首次广泛定殖的时期。Carboniferous 这个词——在拉丁语中字面意思是“产煤的”——是由 William Conybeare 和 William Phillips 创造的，用来恰当地描述他们国家（英格兰）中包含大部分煤炭的沉积层。
但此后其他地方仍然形成了煤炭矿床，其中一些可能更大。斯坦福大学古植物学家 Kevin Boyce 解释说：“煤炭并没有停止，它只是迁移了”——他表示，西伯利亚、中国和澳大利亚的巨大煤层都属于接下来的二叠纪，一些估计表明二叠纪产生的煤炭比石炭纪还多。
也就是说，煤炭的形成速率并不稳定。在地质时间线上，有时会大量出现，但小块、孤立的区域更常见。这种零散的记录引发了一个问题：为什么煤炭的形成在地球历史上并非持续不断？
一种 一度流行的解释 认为，石炭纪之所以如此多产，是因为木本植物刚刚开始生长，而当时的真菌尚未进化出分解木质素的能力，木质素是使木材坚硬的多聚物。这些史前树木没有腐烂消失，而是被沉积物掩埋并变成了煤。
这是一个简单而优雅的解释，但许多专家认为它并不令人信服。首先，数千万年过去了，没有任何真菌偶然发现一种可以分解木质素的酶，这似乎不太可能。更重要的是，煤炭不仅仅是木本植物：在许多地方，死去的植物物质主要来自石松类植物，这是一种巨大的树，其现存的近亲包括石杉，而它含有的木质素很少。
精确的配方
在 2016 年的一篇 论文 中，Boyce、DiMichele 和他们的同事拒绝了这一假设，认为石炭纪——更不用说其他产煤时期——简直就是完美的“地质风暴”。在广阔的陆地上，它提供了煤炭的所有成分，Boyce 说这些成分相当容易管理：你需要大量降雨（形成沼泽并促进植物生长）和一个“洞”（让植物填满）。
在石炭纪，随着地球陆地合并成盘古大陆，构造板块的碰撞在它们旁边形成了山脉和宽阔的盆地。瞧——有了需要填满的“洞”。其中一些盆地，包括今天欧洲和美国东部的盆地，恰好形成在常年湿润的热带地区。Boyce 说，在全球范围内，这取决于有多少大型、沉降的构造盆地位于合适的位置，并允许腐烂的有机物积累。
当植物在这些被水淹没的地区死亡时，许多植物落入缺氧的停滞水池中。由于大多数分解者（细菌、真菌、蠕虫等）在这些条件下无法生存，植物从未完全腐烂。取而代之的是它们形成了泥炭，这是部分腐烂有机物的堆积。但即使这样也无法保证煤炭的形成——如果湿地干涸，暴露的泥炭就会分解。无论如何，它必须被沉积物覆盖。
有时，在靠近海洋或容易被上涨的海水淹没的平坦地区，这种情况会随着 冰期-间冰期循环 而反复发生。泥炭在冰期形成，此时极地冰盖增长，海平面下降。然后，当冰融化，海水涌入沼泽时，泥炭就会被保存下来，锁在新形成的海洋沉积物之下。在一些地方，岩层记录了数十个这样的重复海洋和非海洋层，称为旋回层。Looy 说：“然后你只需要等待十万年，直到下一个循环再次开始。” 泥炭也可以在内陆更远的地方保存下来，因为周围地貌的侵蚀性沉积物将其掩埋。
随着时间的推移，当新的沉积物和泥炭层压实埋藏的泥炭时，不断增加的重量会挤出水分，逐渐留下煤炭。它缓慢地硬化成越来越精炼的形式，从褐煤（或褐煤）开始，然后是亚烟煤和烟煤，最后是无烟煤——你可能会想象到的那种黑色、有光泽的块状物。
千载难逢的巧合
事实证明，石炭纪产生煤炭的原因可能比木材和食木真菌之间的进化差距更复杂。但是，DiMichele 认为，这种自然过程（冰川作用、降雨、沉积）的相互作用实际上相当简单。只要有合适的盆地，煤炭循环几乎就像钟表一样运转，时针不停地旋转。“一旦你看到这个系统是相互关联的，它就不那么复杂了，”他说。“冰川来来去去。泥炭形成，泥炭不形成。这说得通。”
煤炭几乎总是在世界某处出现。即使在今天，在婆罗洲 和刚果盆地 等选定的热带地区，泥炭堆积形成了下一代矿床（尽管并非所有泥炭都能转化为煤）。
但是，没有什么近期形成的能与石炭纪和二叠纪相媲美。要创造驱动我们人类活动如此之多的巨量化石燃料，需要精确的条件，而我们的星球并不经常提供这些条件。“条件发生了对齐……而这些条件产生了所有这些煤炭，”DiMichele 说。“要获得这一系列条件，并非总是能够重复发生。”
