Дискуссии на форуме по поводу цвета породы из разных каменноугольных бассейнов подтолкнула меня к этой публикации о том, как родился уголь. Это моя точка зрения, которая опирается на ряд публикаций в геологической литературе и Интернете. У участников форума может быть и другая точка зрения.

Климатические и географические предпосылки
За длительный, даже с точки зрения геолога, период времени, прошедший от кембрийского периода до современности, глобальная температура и концентрация углекислого газа в атмосфере значительно изменялись. Для карбона характерным было снижение как температуры, так и СО2.
Существует два важных условия одновременного снижения этих показателей планеты. Первое меридиональное распределение материков от полюса до полюса, и второе наличие обширного материка в приполюсной области.
Вы удивитесь, но, несмотря на огромный временной разрыв на шкале геологического времени, каменноугольный период в чем-то напоминает голоцен, то есть современную эпоху. Во-первых, в результате дрейфа континентальных плит материки располагались на всем пространстве от северного до южного полюса. Во-вторых, на мегаконтиненте Гондвана у южного полюса сформировалась ледниковая шапка, как сегодня в Антарктиде, толщиной более 2,5 км. Вообще, наличие крупного континента или группы континентов в приполюсном районе, способного накапливать большую толщу льда, - крайне важный фактор для формирования глобального климата. И, в-третьих, концентрация в атмосферном воздухе углекислого газа, а также средняя годовая температура на планете были почти такими же, как сегодня.

Распределение материков по планете формирует систему океанических течений и, соответственно, перераспределение тепла от экватора в приполюсные районы, которое определяет климат и наличие или отсутствие широтной зональности. В свою очередь, наличие огромного количества льда в южном приполюсном районе также влияет на климат и такие планетарного масштаба параметры, как уровень океана и площадь надводной суши.

Лед Гондваны
Обширное оледенение Гондваны в карбоне оказало огромное влияние на процессы углеобразования в экваториальных широтах той эпохи, в частности, в наших краях.
Европейские геологи делят каменноугольный период на три эпохи (раннюю, среднюю и позднюю), которые в свою очередь разделяются на семь геологических веков: турнейский, визейский, серпуховский, башкирский, московский, касимовский и гжельский. Обилие славянских корней в принятых мировой наукой названиях связано с тем, что отложения каменноугольного возраста очень широко распространены в европейской части России, где они, соответственно, были очень подробно изучены и описаны, ещё начиная с XIX века.

Интересно отместить, что американские геологи разделяют карбон на два периода: миссиссипский (360-320 млн. лет), который соответствует ранней эпохе карбона, и пенсильванский (320-286 млн. лет), объединяющий среднюю и позднюю. Так вот, интересной особенностью такого разделения является высокий относительный уровень океана в миссиссипский период и отсутствие либо незначительное количество льда у южного полюса. В пенсильванский же период обширный приполюсный район Гондваны покрылся толстым ледяным куполом и уровень океана значительно снизился, поскольку вода, из которой сформировались эти льды, была «взята» из Мирового океана. Граница миссиссипский/пенсильванский периоды приблизительно соответствует концу серпуховского - началу башкирского веков.
В этот период в течение миллионов лет наблюдалась такая картина. В какой-то период времени, из-за колебаний глобальной температуры, Земля то остывала и ледяная шапка росла, то нагревалась и часть ледяного щита таяла, а высвобождающиеся воды повышали уровень Мирового океана. Таким образом, возникают периодические колебания уровня океанических вод, называемые учеными гляциоэвстатическими колебаниями.

Океан и уголь
Как оказалось, для образования угольных пластов необходимы не только теплый, влажный климат и наличие обильной растительности, а и медленные периодические колебания уровня океана, которые приводят к периодической смене суши и моря в месте скопления отмершей органики. Угольные пласты, как правило, сопровождаются четким чередованием слоев осадков, характерных для материка и для морского мелководья. Таким образом, на разрезе можно видеть песчаники (характерные для дельтовых зон), пресноводные известняки, глинистые сланцы, образовавшиеся на материке, выше - угольный пласт, затем известняки и сланцы, образовавшиеся как морские осадки. Если пластов много, то картина повторяется. То есть, наблюдается цикличность образования осадков, связанная с колебаниями уровня океана и периодическими чередованиями моря и суши, которые, в свою очередь, определяются таянием или накоплением ледника Гондваны.
Такими местами скопления отживших свое или снесенных ураганами лепидодендронов и сигиллярий, кордаитов и каламитов были прибрежные дельтовые зоны. Сами зоны периодически меняли свое положение и, соответственно, места образования угольных пластов, однако, как видно из приведенных рисунков, в Донбассе в каменноугольном периоде находилась именно такая зона, маркируемая отложениями песчаников (желтый цвет).

Вернувшись к описанию лепидофитовых лесов, произраставших в паралических бассейнах (см. публикацию по палеоклимату), мы вспомним, что на этих заболоченных участках вдоль береговой линии были все условия для скопления больших объемов неокисленной органики, которые и обеспечили появление угольных пластов во всем мире и в Донбассе, в частности. На рисунке показана карта мира с расположением материков, которое они занимали в среднем карбоне. Как видим, Донбасс находился чуть выше экватора и замыкал цепочку мест угленакопления Еврамерики. Можно предположить, что условия угленакопления в Донбассе и, скажем, в Пенсильвании были сходными.

Как же происходит «углефикация» скопившейся растительной массы? Прежде всего, отметим, что, находясь под водой, органика уже не контактирует с достаточным количеством кислорода, и процессы окисления замедляются или вообще прекращаются.
Накапливающиеся сверху осадки еще более усиливают консервацию растительной массы. Со временем, когда толща вышележащих осадков станет значительной, и захороненное органическое вещество погрузится на большую глубину, оно подвергнется там воздействию высоких давлений и температур. Это и приводит к «углефикации». Кстати, скорость осадкообразования в наших краях в тот период составляла 35-40 см за тысячу лет, и в период позднего карбона (312-292 млн. лет) образовалось более 5 км осадков.
Во время «углефикации» из пласта удаляются 98% воды и летучих углеводородных соединений. В зависимости от глубины, которой достигнет пласт органики в своём погружении (и, соответственно давления и температуры), образуются торф, лигнит, уголь разных марок или антрацит.

Таким образом, наличие необходимых климатических и географических условий, а также обилие растительной массы есть необходимые условия для начала процесса углеобразования. На приведенной на рисунке циклотеме показаны слои осадочных отложений, исследованные в кернах, полученных при бурении на территории Донецка. Как видим, в течение 4 миллионов лет в нашем городе море несколько раз сменяло дельту реки, а в промежутках между наступлением и отступлением морских вод тут появлялись то озеро, то болото, то речная отмель. Можно предположить, что в те времена в окрестностях Донецка огромная река впадала в глубоко вдающийся залив Уральского океана. Дельта реки, неглубокая и заболоченная, служила местом скопления отмершей органики.
Благодаря упоминавшимся ранее периодическим колебаниям моря, дельта периодически затоплялась морскими водами, поверх органики откладывались морские отложения (глинистые сланцы), затем, море отступало, вновь возникала река, несущая характерные речные осадочные отложения и новый слой органики.
В итоге, как известно, каменноугольные отложения в Донбассе содержат около 130 угольных пластов, мощностью более 45 см каждый.

Как и из чего образовался уголь в наших краях
Временные интервалы, в которые происходило «заложение» угольных пластов в нашем крае, разное. Основная масса приходится на московский и касимовский века (312-304 млн. лет). Например, шахта Бутовка Донецкая 308-307 млн. лет, шахта Засядько и Трудовская - 309-308 млн. лет, шахта Калинина 311-310 млн. лет. Шахта Петровская имеет более ранние отложения углей порядка 318-312 млн. лет (башкирский век), а вот шахта Южнодонбасская имеет угли, заложение которых произошло в серпуховский век 326-318 млн. лет назад. Примечательно, что в наших краях образование угля в основном началось на рубеже серпуховского и башкирского веков, то есть как раз в тот период, когда наблюдалось значительное понижение уровня мирового океана и образовалась около южного полюса обширная гондванская полярная шапка.
Остатки каких растений на практике ученые находят, исследуя угольные пласты и прилегающие к ним породы? С помощью микроскопа можно исследовать их тонко отшлифованные образцы и обнаружить споры и пыльцу древних растений. Такими исследованиями в каменноугольных отложениях Донбасса обнаружено около 250 видов растений, однако, установлено, что в процессе образования торфа (как первой стадии образования угля) преобладающими были лепидодендроны, ботродендроны, сигиллярии, кордаиты, каламиты, клинолисты и в меньшей степени семенные и споровые папоротники. Причем, для различных территорий нашего региона преобладали различные виды растений. В районе Доброполья, например, преобладали лепидодендроны, кордаиты и папоротниковые (порядок перечисления соответствует значимости вида при формировании торфа). Лепидодендроны, сигиллярии, кордаиты - в Донецке на шахте Горького. Преобладание растений того или иного вида определялось сложившейся на момент формирования органических отложений климатической ситуацией и количеством доступной влаги. При достаточном обеспечении влагой (например, высоком положении грунтовых вод) преобладали влаголюбивые лепидодендроны и сигиллярии, при недостаточном - кордаиты и папоротники.
Не следует думать, что уголь появился в течение достаточно короткого времени после заложения слоев отмершей органики. Заложение, естественно, произошло в карбоне, авот собственно углефикация, то есть процесс превращение органики в углерод, был растянут на десятки миллионов лет. В основном в Донбассе углефикация произошла в ранней перми около 275 млн. лет назад (сакмарский век), т.е. с момента заложения прошло 30-40 млн. лет. На карте, представленной ниже, можно увидеть распределение интенсивности тепловых потоков, возникавших во время максимального погружения отложений карбона в сакмарское время.

Как вы помните, марка угля зависит от того, до какой температуры нагревается заложившаяся органическая масса в процессе увеличения толщины слоя осадков, образующихся в последующие геологические периоды. Следует обратить внимание на то, что температура (и, соответственно, тепловой поток) увеличиваются с северо-запада на юго-восток, что совпадает с распределением сортов углей в Донбассе, то есть антрациты сформировались к востоку от Донецка (например, в Шахтерске), а более низкосортные угли - к западу (район Красноармейска).
Любопытно, что процесс углеобразования в перми сопровождался активной тектонической деятельностью, в результате которой несколько довольно обширных магматических интрузий (интрузией называют подъем из глубинных очагов магматических пород и внедрение их в осадочные) возникли на территории Донецкого бассейна, что способствовало более активному метаморфизму органики.

Возраст окаменелости: Палеозой, Карбон Место находки: Украина, Донецкая область