古生代的第5個紀，約開始於3.6億年前，結束於2.9億年前。這段時期形成的地層稱石炭系。石炭系這一名稱首次見於 W.D.科尼比爾《英格蘭和威爾士的地質報告》（1822）一書。石炭紀是重要的成煤時期，該紀地層上部常含分佈廣泛的工業用煤，可作為識別地層的標誌。
地層 石炭紀沉積的巖層，在世界上許多地區表現為明顯的二分性，下部以海相灰巖為主，上部以海陸交互相或陸相含煤沉積為主，因此西歐歐和北美均將石炭紀二分。西歐早石炭世沉積的地層稱狄南系，晚石炭世沉積的地層稱西裡西亞系（1964）；北美的石炭系由H.S.威廉斯（1891）劃分為兩個獨立的系，下部的密西西比系和上部賓夕法尼亞系。俄羅斯地臺和中國華南，海相灰巖沉積連續，海相化石豐富，因此，前蘇聯、中國和日本都曾采用三分，將石炭系劃分為下、中、上3個統。1975年在莫斯科召開的第八屆國際石炭紀地層和地質大會期間，許多國傢的代表提出在國際上統一劃分石炭系為兩個亞系的建議，亞系之下再劃分為統和階。中國自第二屆全國地層會議（1979）以來，有些地質學傢主張中國石炭系二分，下統稱豐寧統，上統稱壺天統。
由於歷史的原因，國際石炭紀不僅在二分和三分上存在分歧，在石炭紀內部劃分界線上也並不一致。北美密西西比系的上部包括西歐上石炭統下部納繆爾階的 E帶，前蘇聯和中國海相下石炭統的頂部也包含瞭西歐納繆爾階的下部（前蘇聯的謝爾普霍夫階、中國的趙傢山組或擺佐組）。由於北美、前蘇聯、中國的下石炭統頂界均略高於西歐的下石炭統頂界，因此在第十屆國際石炭紀地層和地質大會上（1987年在西班牙召開），石炭紀中界委員會建議將上下石炭統（或亞系）之間的界線劃在真形菊石（Eumorphoceras）（E帶）和似菊石（Homcceras）（H帶）之間，並根據牙形石劃分在雙線顎齒牙形石（Gna-thodusbilineatus）帶和斜顎牙形石（Declinognathodusnoduliferus）帶之間。到目前為止，石炭紀內部還沒有國際上完全統一和適用於各國的階。歐洲各國和前蘇聯共同一致采用的階，隻有下石炭統的杜內階和維憲階，其他各國使用的階名和劃分階的數目並不完全一致（見表）。
中國石炭系主要剖面以及國際對比表
中國下石炭統劃分為巖關階和大塘階，南方海相上石炭統劃分為威寧階和馬平階，北方海陸交互相上石炭統劃分為本溪組和太原組。中國貴州、湘中、新疆天山、甘肅、江蘇寧鎮山等地區海相石炭紀發育連續而完全，早石炭世豐寧統與晚石炭世壺天統分別劃分為不同的組或群。
生物界 石炭紀的生物進入一個新的發展階段，海洋熱帶底棲生物繁殖，鈣藻、層孔蟲、床板珊瑚、四射珊瑚和苔蘚蟲可以形成礁體。原生動物有孔蟲在早石炭世晚期發展形成䗴類，它演化迅速，層位穩定，成為石炭、二疊紀的重要分帶化石；晚石炭世䗴類大發展，早期旋壁為三層式，晚期進化為蜂巢層。四射珊瑚在早石炭世仍以雙帶型屬種為主，早石炭世晚期出現復中柱的三帶型，其中柱構造為蛛網形；晚石炭世珊瑚中柱構造比較松散。石炭紀的腕足動物以新興的長身貝類和石燕貝類為主，早石炭紀早期長身貝類個體較小，紋飾簡單；早石炭世晚期長身貝類個體巨大，出現紋飾構造復雜的大戟貝、小戴維斯貝、大長身貝、線紋長身貝等。頭足動物鸚鵡螺類中的珠角石類，在早石炭世基本上滅絕瞭，代之以新發展的菊石類。菊石中具無棱菊石式縫合線的類型隻限於早中泥盆世，具棱菊石式縫合線的類型多為晚古生代。早石炭世菊石縫合線簡單，呈棱菊石式（Goniatitic），它們演化迅速，地質歷程較短；晚石炭世菊石縫合線有腹菊石式（Gastrioceratic），演化較慢。
石炭紀開始由於陸地面積不斷增加，陸地上的生物也得以迅速發展。陸生植物、昆蟲和脊椎動物的發展，改變瞭泥盆紀時陸地上比較荒蕪的景觀。泥盆紀常見為結構簡單的陸生植物裸蕨類，石炭紀繁盛較高級的石松類、節蕨類和種子厥，在沿海和沼澤地區形成茂密的森林同低矮的灌木，它們與科達類和木賊類構成豐富的成煤物質。隨著陸生植物的大發展，昆蟲開始發生古翅類（Paleoptera），晚石炭世的大型蜻蜓，展翅寬約50～60厘米，創古今昆蟲中身體最大的記錄。石炭紀為兩棲動物大發展時期，它們的卵和幼年期仍生活在水中，成年期水陸兩棲，以肺呼吸，四肢爬行，最常見的是迷齒類（Labyrinthodontia），它們廣泛適應成煤的沼澤環境。最原始的爬行動物，開始出現在晚石炭世，但它們的發展，卻是在二疊紀以後。晚石炭世早期森林環境如圖1。
晚石炭世早斯森林復原圖 a 根座（真蕨植物石松） b 鱗木（真蕨植物石松） c 羊齒植物 d 木賊植物 e 蜻蜓
生物地理區系 地球上的維管束植物雖然在志留紀已經出現，到晚泥盆世有一定的發展，但尚未發現明顯的植物地理區系。由於陸地的擴大，石炭紀開始第一次出現明顯的植物地理區，根據古植物的資料，石炭、二疊紀可劃分為以下4個植物地理區（圖2）：
晚生石炭世-早二疊世古植物地理分區圖（據Meyen，S.V.，1987）
①歐美植物區。時限為石炭紀至早二疊世，包括北美、北非、歐洲、小亞細亞和中亞。中國和東南亞地區，僅早、中石炭世植物屬於歐美植物區，更晚時期則屬於華夏植物區。歐美植物區當時以熱帶、亞熱帶潮濕氣候的植物為特征，但晚石炭世晚期開始氣候變為幹燥。
②華夏植物區。早石炭世至晚石炭世早期中國和東南亞仍屬歐美植物區，晚石炭世晚期當著逐漸變幹燥的氣候席卷歐美植物區時，中國及東南亞仍然保持著潮濕的氣候，一直繼續到二疊紀末，形成獨特的大羽羊齒（Gi-gantopteris） 植物群。晚石炭世的華夏植物群雖然仍保留一部分歐美植物區的屬種，但有一系列地方性的屬種發生，到二疊紀時，華夏植物區缺乏歐美常見的美羊齒（Callipteris）、松柏類以及封印木（Sigillaria）。
③安加拉植物區。時限為早石炭世至二疊紀，典型地區為西伯利亞通古斯、哈薩克斯坦及其南緣包括蒙古和中國天山-興安地槽以北的廣大地區，安加拉的植物從早石炭世已有發生。安加拉植物區周圍同其他植物地理區之間為中間過渡地區，S.V.梅茵（1987）稱為亞安加拉區，包括前烏拉爾、哈薩克斯坦西部等，這些地區為西伯利亞的植物類型同西歐-北美植物分子混合，該區向東則為西伯利亞和遠東植物群相混合。
④岡瓦納植物區。早石炭世的岡瓦納植物發現於南美阿根廷、澳大利亞東部和南亞克什米爾。晚石炭世開始的舌羊齒（Glossopteris）植物群同後來的恒河羊齒（Gangamopteris）植物群為該區特征分子，在地理上包括南美、南非、印度、巴基斯坦、澳大利亞和南極大陸，中國主要發現於西藏雅魯藏佈江以南。
海洋無脊椎動物地理分區 海洋氣溫變化並不像陸地顯著，但仍可以劃分出以下動物區系：
①特提斯動物區或稱歐亞區。介於歐亞大陸和岡瓦納大陸之間的古地中海，從中國南部經歐洲西部、非洲北部和中亞也可能包括日本南部及澳大利亞，特點是中維憲期至納繆爾早期腕足類以大長身貝科（Gigantopro-ductidae）、小戴維斯貝科（Daviesiellidae）和大戟貝科（Megachonetidae）廣泛分佈為特征，珊瑚以石柱珊瑚（Lithostrotion）、郎士德珊瑚（Lonsdaleia）和棚珊瑚（Dibunophyllum）為主。該區還可以劃分一些地方性的分區，例如，中國華南早石炭世除有許多西歐型屬種外，珊瑚和腕足類出現不少地方性的屬種，如假烏拉珊瑚（Pseudouralinia）、貴州珊瑚（Kueichowphyllum）、巖關貝（Yanguania）、始分喙石燕（Eochoristites）、鰭石燕（Finospirifer）、大塘貝（Datangia）、甘肅貝（Kansuella）和羅城貝（Lochengia）等。
②北美－西伯利亞區。包括北美中部和西部。特別是密西西比河流域和科迪勒拉（Cordillera）區，西伯利亞庫茲巴斯盆地以及中國北方準噶爾－興安槽區也包括在內。該區早石炭世大長身貝（Gigantoproductus）、小戴維斯貝（Daviesiella）和大戟貝（Megachonetes）稀少或缺失；晚石炭世分喙石燕（Choristites）不發育，珊瑚有顯著的區別，以小石柱珊瑚（Lithostrotionella）為主。美國科迪勒拉區大長身貝被巨形貝（Titannaria）屬代替。北美密西西比區出現螺旋形的阿基米德苔蘚蟲（Archim-edes）。中國天山以北的北方地槽區早石炭世早期（杜內至維憲初期）動物群顯示同北美-西伯利亞區相似，許多屬種同庫茲巴斯、哈薩克斯坦相同，但從中維憲期以後通過祁連海槽同華南接近，中國南北連成一體。
③岡瓦納區或稱古地中海南區。包括南美和澳大利亞、印度、巴基斯坦和中國西藏南部，Levipustula動物群發育在澳大利亞和南美，岡瓦納大陸上阿舍爾期在間冰期發育冷水型雙殼類寬鉸蛤Eurydesma動物群。（見彩圖）
石炭紀植物群示意圖
中國地質博物館供稿
古地理、古構造及海水進退 早石炭世繼承瞭泥盆紀的海陸分佈格局。自古生代以來陸塊不斷地聚集。石炭紀早期地球上有瞭大陸塊互相靠近，石炭紀末3個陸塊終於形成一個泛大陸。這3個陸塊是：①斯堪的納維亞大陸，包括北美經格陵蘭到西歐；②歐亞大陸，包括東歐和亞洲北部及東部；③岡瓦納古陸，包括南美、非洲、印度、澳大利亞和南極。前兩個大陸合稱勞亞古陸，但石炭紀時尚未連成一個整體。勞亞大陸和岡瓦納大陸之間是向東擴展的特提斯海（古地中海）。根據古地磁的資料，石炭紀時的南極中心位於岡瓦納大陸，北極的中心位近西伯利亞，美國大部分、歐洲和亞洲的一部分位於熱帶。石炭紀的構造運動使幾個陸塊的邊緣和相鄰地槽區（如萊茵海西地槽、阿伯拉契亞地槽、烏拉爾地槽、中亞-蒙古地槽等）沉積的巨厚巖層，受到擠壓而褶皺上升，形成島嶼和山系，山系又不斷遭受侵蝕。在地臺區，石炭紀早期廣佈的是淺海，後期逐漸轉變為海陸交互相或陸相成煤環境（見成煤沉積環境）。
全球性的海平面升降引起頻繁的海進、海退，形成多個沉積旋回。旋回完整的剖面多發育在盆地內部，而海進、海退之間的間斷，常見於盆地邊緣。石炭紀的巨大海進並非持續不斷，往往是一次大的海進，表現為幾個小的脈動。W.H.C.拉姆斯波通（1973，1978，1979）總結英國西北部從早石炭世至晚石炭世威斯特伐利亞 C期的海進、海退形成的沉積旋回達30多個。他認為早石炭世共有6次大旋回，棚珊瑚（Dibunophyllum）（D1）帶之下有4次，D1帶之上有兩次，大旋回包含有一系列小旋回。大的海進、海退受全球性的海平面升降控制，影響世界上許多地區；而較小的旋回可能受局部地區的構造影響。石炭紀每個旋回具有特征性的巖性和化石群，海進一般表現為各種生物碎屑灰巖，海退表現為鮞狀灰巖、疊層石、蒸發鹽和白雲巖化。大旋回的界線同化石群的變化相一致，生物滅絕於每個旋回的頂部，新生類型發生在次一個旋回的底部附近。各類特征性的生物群最繁榮時期，即發育最好的部位是在大旋回的中上部。因此較大的旋回的界線，基本上是同地層劃分單位（統、階）相吻合。這種海進、海退的特點在世界上許多地區都有表現，拉姆斯波通（1979）曾經利用他區分的主要海進、海退旋回同英國各地以及比利時、頓巴斯和北美進行過地層對比。
古氣候與礦產 根據石炭紀的珊瑚礁分佈，可以推斷早石炭世的赤道帶通過北美洲中部，西北歐經黑海穿過中國西北、華南到達印尼和澳洲東部。石炭紀同大陸上的古氣候相適應的是植物地理區系的分佈，歐美植物區和華夏植物區為熱帶、亞熱帶氣候，岡瓦納植物區和安加拉植物區分別代表熱帶以外的南北溫涼氣候區。世界上各地石炭紀的成煤時期早晚也有差別，分別代表各地區的熱帶潮濕氣候，石炭紀的幹旱氣候區僅限於一定的地理分佈，同泥盆紀和二疊紀相比，幹旱面積較小，幹旱氣候同蒸發巖類沉積的分佈相適應，例如亞洲早石炭世從哈薩克斯坦南部經天山伸延至南天山和塔裡木，哈薩克斯坦向東到西伯利亞幹旱氣候一直延續到中石炭世。南半球的岡瓦納大陸，石炭紀時高出海面，從石炭紀中晚期開始氣候變冷，冰川活動一直持續到早二疊世，冰期和間冰期沉積在南美、南非、印度和澳大利亞都有廣泛的分佈，在南非南部冰川呈放射狀方向流動。在北半球，僅在西伯利亞東部可能為寒冷幹燥氣候。石炭紀時陸地海岸和沼澤地區氣候溫暖潮濕，形成重要的煤礦，中國華南早石炭世晚期的測水組（湖南）、梓山組（江西）、葉傢塘組（浙江），均含可采煤層。東北、華北和西北的上石炭統，含有重要的煤系。大陸上經過長期剝蝕的地區，往往形成鋁土礦和耐火粘土，中國華北石炭系含有G層鋁土礦和山西式鐵礦，貴州清鎮一帶下石炭統頂部亦含大型鋁土礦。北美晚石炭世蘊藏有油頁巖和石油。中國石炭系也是油氣勘探的重要層位。中國新疆、甘肅、寧夏中部石炭系含有石膏及蒸發巖礦床。石炭紀碳酸鹽巖沉積分佈廣泛，世界各地開采石灰巖和白雲巖作為石灰和水泥的原料。
參考書目
楊敬之：中國的石炭系，《全國地層會議學術報告匯編》，科學出版社，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.