[拼音]：Shitanji
[外文]：Carboniferous Period
古生代的第5个纪，约开始于3.6亿年前,结束于2.9亿年前。这段时期形成的地层称石炭系。石炭系这一名称首次见于 W. D.科尼比尔《英格兰和威尔士的地质报告》(1822)一书。石炭纪是重要的成煤时期，该纪地层上部常含分布广泛的工业用煤，可作为识别地层的标志。
地层
石炭纪沉积的岩层，在世界上许多地区表现为明显的二分性，下部以海相灰岩为主，上部以海陆交互相或陆相含煤沉积为主，因此西欧和北美均将石炭纪二分。西欧早石炭世沉积的地层称狄南系，晚石炭世沉积的地层称西里西亚系(1964)；北美的石炭系由H.S.威廉斯(1891)划分为两个独立的系，下部的密西西比系和上部宾夕法尼亚系。俄罗斯地台和中国华南，海相灰岩沉积连续，海相化石丰富，因此，前苏联、中国和日本都曾采用三分,将石炭系划分为下、中、上3个统。1975年在莫斯科召开的第八届国际石炭纪地层和地质大会期间，许多国家的代表提出在国际上统一划分石炭系为两个亚系的建议，亚系之下再划分为统和阶。中国自第二届全国地层会议(1979)以来，有些地质学家主张中国石炭系二分，下统称丰宁统，上统称壶天统。
由于历史的原因，国际石炭纪不仅在二分和三分上存在分歧,在石炭纪内部划分界线上也并不一致。北美密西西比系的上部包括西欧上石炭统下部纳缪尔阶的 E带，前苏联和中国海相下石炭统的顶部也包含了西欧纳缪尔阶的下部（前苏联的谢尔普霍夫阶、中国的赵家山组或摆佐组）。由于北美、前苏联、中国的下石炭统顶界均略高于西欧的下石炭统顶界，因此在第十届国际石炭纪地层和地质大会上（1987年在西班牙召开），石炭纪中界委员会建议将上下石炭统（或亚系）之间的界线划在真形菊石 (Eumorphoceras)(E带)和似菊石(Homcceras)(H带)之间，并根据牙形石划分在双线颚齿牙形石(Gna-thodusbilineatus)带和斜颚牙形石(Declinognathodusnoduliferus)带之间。到目前为止，石炭纪内部还没有国际上完全统一和适用于各国的阶。欧洲各国和前苏联共同一致采用的阶，只有下石炭统的杜内阶和维宪阶，其他各国使用的阶名和划分阶的数目并不完全一致（见表）。
中国下石炭统划分为岩关阶和大塘阶，南方海相上石炭统划分为威宁阶和马平阶，北方海陆交互相上石炭统划分为本溪组和太原组。中国贵州、湘中、新疆天山、甘肃、江苏宁镇山等地区海相石炭纪发育连续而完全，早石炭世丰宁统与晚石炭世壶天统分别划分为不同的组或群。
生物界
石炭纪的生物进入一个新的发展阶段，海洋热带底栖生物繁殖，钙藻、层孔虫、床板珊瑚、四射珊瑚和苔藓虫可以形成礁体。原生动物有孔虫在早石炭世晚期发展形成类,它演化迅速,层位稳定，成为石炭、二叠纪的重要分带化石;晚石炭世类大发展,早期旋壁为三层式，晚期进化为蜂巢层。四射珊瑚在早石炭世仍以双带型属种为主，早石炭世晚期出现复中柱的三带型，其中柱构造为蛛网形；晚石炭世珊瑚中柱构造比较松散。石炭纪的腕足动物以新兴的长身贝类和石燕贝类为主，早石炭纪早期长身贝类个体较小,纹饰简单;早石炭世晚期长身贝类个体巨大，出现纹饰构造复杂的大戟贝、小戴维斯贝、大长身贝、线纹长身贝等。头足动物鹦鹉螺类中的珠角石类，在早石炭世基本上灭绝了，代之以新发展的菊石类。菊石中具无棱菊石式缝合线的类型只限于早中泥盆世，具棱菊石式缝合线的类型多为晚古生代。早石炭世菊石缝合线简单，呈棱菊石式(Goniatitic)，它们演化迅速，地质历程较短；晚石炭世菊石缝合线有腹菊石式(Gastrioceratic)，演化较慢。
石炭纪开始由于陆地面积不断增加，陆地上的生物也得以迅速发展。陆生植物、昆虫和脊椎动物的发展，改变了泥盆纪时陆地上比较荒芜的景观。泥盆纪常见为结构简单的陆生植物裸蕨类，石炭纪繁盛较高级的石松类、节蕨类和种子厥，在沿海和沼泽地区形成茂密的森林同低矮的灌木，它们与科达类和木贼类构成丰富的成煤物质。随着陆生植物的大发展，昆虫开始发生古翅类(Paleoptera)，晚石炭世的大型蜻蜓，展翅宽约50～60厘米，创古今昆虫中身体最大的记录。石炭纪为两栖动物大发展时期，它们的卵和幼年期仍生活在水中，成年期水陆两栖，以肺呼吸，四肢爬行，最常见的是迷齿类(Labyrinthodontia)，它们广泛适应成煤的沼泽环境。最原始的爬行动物，开始出现在晚石炭世，但它们的发展,却是在二叠纪以后。晚石炭世早期森林环境如图1。
生物地理区系
地球上的维管束植物虽然在志留纪已经出现，到晚泥盆世有一定的发展，但尚未发现明显的植物地理区系。由于陆地的扩大，石炭纪开始第一次出现明显的植物地理区，根据古植物的资料，石炭、二叠纪可划分为以下4个植物地理区（图2）：
（1）欧美植物区。时限为石炭纪至早二叠世，包括北美、北非、欧洲、小亚细亚和中亚。中国和东南亚地区，仅早、中石炭世植物属于欧美植物区，更晚时期则属于华夏植物区。欧美植物区当时以热带、亚热带潮湿气候的植物为特征，但晚石炭世晚期开始气候变为干燥。
（2）华夏植物区。早石炭世至晚石炭世早期中国和东南亚仍属欧美植物区，晚石炭世晚期当着逐渐变干燥的气候席卷欧美植物区时，中国及东南亚仍然保持着潮湿的气候,一直继续到二叠纪末,形成独特的大羽羊齿(Gi-gantopteris) 植物群。晚石炭世的华夏植物群虽然仍保留一部分欧美植物区的属种，但有一系列地方性的属种发生，到二叠纪时, 华夏植物区缺乏欧美常见的美羊齿(Callipteris)、松柏类以及封印木(Sigillaria)。
（3）安加拉植物区。时限为早石炭世至二叠纪，典型地区为西伯利亚通古斯、哈萨克斯坦及其南缘包括蒙古和中国天山-兴安地槽以北的广大地区,安加拉的植物从早石炭世已有发生。安加拉植物区周围同其他植物地理区之间为中间过渡地区，S.V.梅茵(1987)称为亚安加拉区，包括前乌拉尔、哈萨克斯坦西部等，这些地区为西伯利亚的植物类型同西欧-北美植物分子混合,该区向东则为西伯利亚和远东植物群相混合。
（4）冈瓦纳植物区。早石炭世的冈瓦纳植物发现于南美阿根廷、澳大利亚东部和南亚克什米尔。晚石炭世开始的舌羊齿（Glossopteris）植物群同后来的恒河羊齿(Gangamopteris)植物群为该区特征分子,在地理上包括南美、南非、印度、巴基斯坦、澳大利亚和南极大陆，中国主要发现于西藏雅鲁藏布江以南。
海洋无脊椎动物地理分区
海洋气温变化并不像陆地显著，但仍可以划分出以下动物区系：
（1）特提斯动物区或称欧亚区。介于欧亚大陆和冈瓦纳大陆之间的古地中海，从中国南部经欧洲西部、非洲北部和中亚也可能包括日本南部及澳大利亚，特点是中维宪期至纳缪尔早期腕足类以大长身贝科(Gigantopro-ductidae)、小戴维斯贝科 (Daviesiellidae)和大戟贝科(Megachonetidae)广泛分布为特征，珊瑚以石柱珊瑚（Lithostrotion）、郎士德珊瑚（Lonsdaleia）和棚珊瑚（Dibunophyllum）为主。该区还可以划分一些地方性的分区，例如, 中国华南早石炭世除有许多西欧型属种外，珊瑚和腕足类出现不少地方性的属种，如假乌拉珊瑚 (Pseudouralinia)、贵州珊瑚 (Kueichowphyllum)、岩关贝（Yanguania）、始分喙石燕(Eochoristites)、鳍石燕(Finospirifer)、大塘贝（Datangia）、甘肃贝(Kansuella)和罗城贝(Lochengia)等。
（2）北美－西伯利亚区。包括北美中部和西部。特别是密西西比河流域和科迪勒拉(Cordillera)区，西伯利亚库兹巴斯盆地以及中国北方准噶尔－兴安槽区也包括在内。该区早石炭世大长身贝(Gigantoproductus)、小戴维斯贝(Daviesiella)和大戟贝 (Megachonetes)稀少或缺失；晚石炭世分喙石燕(Choristites)不发育,珊瑚有显著的区别,以小石柱珊瑚(Lithostrotionella)为主。美国科迪勒拉区大长身贝被巨形贝(Titannaria)属代替。北美密西西比区出现螺旋形的阿基米德苔藓虫(Archim-edes)。中国天山以北的北方地槽区早石炭世早期（杜内至维宪初期）动物群显示同北美-西伯利亚区相似,许多属种同库兹巴斯、哈萨克斯坦相同，但从中维宪期以后通过祁连海槽同华南接近，中国南北连成一体。
（3）冈瓦纳区或称古地中海南区。包括南美和澳大利亚、印度、巴基斯坦和中国西藏南部,Levipustula动物群发育在澳大利亚和南美，冈瓦纳大陆上阿舍尔期在间冰期发育冷水型双壳类宽铰蛤Eurydesma动物群。（见彩图）
古地理、古构造及海水进退
早石炭世继承了泥盆纪的海陆分布格局。自古生代以来陆块不断地聚集。石炭纪早期地球上有了大陆块互相靠近，石炭纪末 3个陆块终于形成一个泛大陆。这3个陆块是：
（1）斯堪的纳维亚大陆，包括北美经格陵兰到西欧；
（2）欧亚大陆，包括东欧和亚洲北部及东部；
（3）冈瓦纳古陆，包括南美、非洲、印度、澳大利亚和南极。前两个大陆合称劳亚古陆，但石炭纪时尚未连成一个整体。劳亚大陆和冈瓦纳大陆之间是向东扩展的特提斯海（古地中海）。根据古地磁的资料，石炭纪时的南极中心位于冈瓦纳大陆，北极的中心位近西伯利亚，美国大部分、欧洲和亚洲的一部分位于热带。石炭纪的构造运动使几个陆块的边缘和相邻地槽区（如莱茵海西地槽、阿伯拉契亚地槽、乌拉尔地槽、中亚-蒙古地槽等）沉积的巨厚岩层,受到挤压而褶皱上升，形成岛屿和山系，山系又不断遭受侵蚀。在地台区，石炭纪早期广布的是浅海，后期逐渐转变为海陆交互相或陆相成煤环境（见成煤沉积环境）。
全球性的海平面升降引起频繁的海进、海退，形成多个沉积旋回。旋回完整的剖面多发育在盆地内部，而海进、海退之间的间断，常见于盆地边缘。石炭纪的巨大海进并非持续不断，往往是一次大的海进，表现为几个小的脉动。W.H.C.拉姆斯波通(1973,1978,1979)总结英国西北部从早石炭世至晚石炭世威斯特伐利亚 C期的海进、海退形成的沉积旋回达30多个。他认为早石炭世共有6次大旋回,棚珊瑚(Dibunophyllum)(D1)带之下有4次，D1带之上有两次，大旋回包含有一系列小旋回。大的海进、海退受全球性的海平面升降控制，影响世界上许多地区；而较小的旋回可能受局部地区的构造影响。石炭纪每个旋回具有特征性的岩性和化石群，海进一般表现为各种生物碎屑灰岩，海退表现为鲕状灰岩、叠层石、蒸发盐和白云岩化。大旋回的界线同化石群的变化相一致，生物灭绝于每个旋回的顶部，新生类型发生在次一个旋回的底部附近。各类特征性的生物群最繁荣时期，即发育最好的部位是在大旋回的中上部。因此较大的旋回的界线，基本上是同地层划分单位（统、阶）相吻合。这种海进、海退的特点在世界上许多地区都有表现，拉姆斯波通(1979)曾经利用他区分的主要海进、海退旋回同英国各地以及比利时、顿巴斯和北美进行过地层对比。
古气候与矿产
根据石炭纪的珊瑚礁分布，可以推断早石炭世的赤道带通过北美洲中部，西北欧经黑海穿过中国西北、华南到达印尼和澳洲东部。石炭纪同大陆上的古气候相适应的是植物地理区系的分布，欧美植物区和华夏植物区为热带、亚热带气候，冈瓦纳植物区和安加拉植物区分别代表热带以外的南北温凉气候区。世界上各地石炭纪的成煤时期早晚也有差别，分别代表各地区的热带潮湿气候，石炭纪的干旱气候区仅限于一定的地理分布,同泥盆纪和二叠纪相比，干旱面积较小,干旱气候同蒸发岩类沉积的分布相适应，例如亚洲早石炭世从哈萨克斯坦南部经天山伸延至南天山和塔里木，哈萨克斯坦向东到西伯利亚干旱气候一直延续到中石炭世。南半球的冈瓦纳大陆，石炭纪时高出海面，从石炭纪中晚期开始气候变冷，冰川活动一直持续到早二叠世，冰期和间冰期沉积在南美、南非、印度和澳大利亚都有广泛的分布，在南非南部冰川呈放射状方向流动。在北半球，仅在西伯利亚东部可能为寒冷干燥气候。石炭纪时陆地海岸和沼泽地区气候温暖潮湿,形成重要的煤矿,中国华南早石炭世晚期的测水组(湖南)、梓山组（江西）、叶家塘组（浙江），均含可采煤层。东北、华北和西北的上石炭统，含有重要的煤系。大陆上经过长期剥蚀的地区，往往形成铝土矿和耐火粘土，中国华北石炭系含有G层铝土矿和山西式铁矿,贵州清镇一带下石炭统顶部亦含大型铝土矿。北美晚石炭世蕴藏有油页岩和石油。中国石炭系也是油气勘探的重要层位。中国新疆、甘肃、宁夏中部石炭系含有石膏及蒸发岩矿床。石炭纪碳酸盐岩沉积分布广泛，世界各地开采石灰岩和白云岩作为石灰和水泥的原料。
- 参考书目
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- 杨敬之：中国的石炭系，《全国地层会议学术报告汇编》，科学出版社，北京，1963。
- Yang Shipu, Gao Lianda, Li Xingxue et al.,The Carboniferous of the World,Vol.I, China, pp.11～172,IUGS Publication No.16,1983.