Kivihiilikausi

Mannerliikunnot

Kivihiilikaudella mantereiden sijainti oli hyvin erilainen nykyiseen verrattuna. Paleomagnetismista ja mannerten liikejäljistä on koetettu päätellä mannerten muinaisia sijainteja. Kivihiilikaudella maassa oli kaksi suurta päämannerta, Gondwana ja Laurussia, jotka ajautuivat toisiaan kohti. Gondwana sijaitsi etelänavan ympärillä. Siihen kuuluivat nykyiset Etelä-Amerikka, Afrikka, Intia, Australia ja Etelämanner. Lisäksi oli pienempiä mantereita, muun muassa Siperia ja Kiina.
Mantereita ympäröi suuri Panthalassa. Pohjoisnapa oli merellä, ja sitä lähinnä sijaitsi Siperian pienmanner. Panthalassan osana oli Paleotethys Siperian, Australian, Afrikan ja Kiinan sisässä päiväntasaajan lähellä. Kivihiilikauden alkupuolella eteläinen suurmanner Gondwana ja Pohjois-Amerikasta ja Euroopasta koostuvat Laurussia olivat erillään toisistaan. Maapallo oli silloin lämmin, koska lämmin merivirta pääsi kulkemaan Pohjois-Amerikan ja Afrikan välisestä salmesta.
Kauden lopussa Gondwana ja Laurussia olivat törmänneet toisiinsa. Siperia ja Kiina olivat erillisinä pienmantereina. Laurussia esti päiväntasaajaa kiertävän lämpimän, maapalloa lämmittävän merivirran kulun.
Meren pinta oli korkealla. Se alkoi vaihdella kauden lopulla jäätiköitymisten takia, ja niinpä Pohjois-Amerikassa mantereiset metsät ja planktonia sisältänyt matala meri vuorottelivat. Siksi kerrostumiin syntyi ajoittain kivihiiltä, ajoittain kalkkia. Näiden välissä oli muun muassa hiekkakiveä, jota syntyi jokisuistoihin. Eräs tyypillinen kerrostumasarja on hiili - kalkkikivi - piipitoinen kalkkikivi - hiekkakivi - savi - hiili. Näitä kerrostumia sanotaan sykloteemeiksi.

Ilmasto

Ilmasto oli kauden alussa lämmin ja kostea. Se oli nykyistä lämpimämpi, muttei niin lämmin kuin trias- tai liitukaudella. Ilmasto viileni kauden jälkipuoliskon alussa melko nopeasti jäätiköitymisvaiheen lähestyessä. Ilmasto kostui kauden alussa ja kuivui nopeasti kauden keskivaiheilla ja pysyi koko kauden nykyistä kosteampana. Ilmaston vyöhykkeisyys oli suuri varsinkin silloin, kun Gondwanamanner jäätiköityi kivihiilikauden loppupuolella. Jää ulottui laajimmillaan jopa 30 eteläiselle leveysasteelle. Korkeilla leveysasteilla olleiden puiden jäännöksissä näkyy vuosirenkaita ja tropiikista ne puuttuivat niin kuin nykyään.
Ilmakehän happipitoisuus nousi korkealle, jolloin happipitoisuus oli kaksinkertainen nykyiseen verrattuna. Noin 330 miljoonaa vuotta sitten Maan keskilämpötila oli korkea, 20 astetta. Noin 320 miljoonaa vuotta sitten ylemmän kivihiilikauden, Pennsylvaniakauden alussa Maa viileni nykyistä kylmemmäksi. Noin 290 miljoonaa vuotta sitten Maan keskilämpötila oli noin 10 astetta, oltiin Kivihiili-Permin jääkaudessa. Happipitoisuus oli samaan aikaan korkeimmillaan. Jääkausi päättyi seuraavan permikauden alussa noin 270 miljoonaa vuotta sitten.

Kasvillisuus

Kivihiilikaudella sanikkaismetsät kukoistivat ja kasvillisuus oli rehevimmillään, sillä ilmasto oli ainakin osan kautta päiväntasaajan lähellä hyvin lämmin ja kostea. Muita kaudella kasvaneita kasvilajeja olivat kortteet ja liekokasvit (Lycopodum, Selaginella). Kaudella oli monilajisia, suuria kortemetsiä. Puusto koostui muun muassa sinettipuista (Sigillaria) ja suomupuista (Lepidodendron). Suomupuu saattoi kasvaa yli 35 metriä korkeaksi. Jotkin sanikkaispuut kasvoivat 50 metriä korkeiksi ja saniaispuut kahdeksanmetrisiksi. Kivihiilikauden maailma oli vihreä, mutta kukkakasveja ei vielä ollut.
Noin 350 miljoonaa vuotta sitten kasveille kehittyivät ilmaraot. Noin 305 miljoonaa vuotta sitten ilmestyi yksi varhaisimmista tunnetuista puumaisista siemenkasveista, Cordaites.
Noin 335-325 miljoonaa vuotta sitten kasvoivat ensimmäiset laajat trooppiset metsät. Kasvun kukoistuksen on ajateltu johtuneen nykyistä suuremmasta ilmakehän hiilidioksidipitoisuudesta. Tällä kaudella syntyivät suuret kivihiilikerrostumat maahan hautautuneiden kasvien jätteistä. Syyksi puiden laajamittaiseen fossiloitumiseen on epäilty kasvien solujen kuorien ligniiniä hajottavan bakteeriston puuttumista yhdessä tai erikseen suoperäisen maaperän kanssa, johon kaatuneet rungot upposivat ennen kuin aerobiset bakteerit ehtivät hajottaa niitä. Ennen kaikkea on selvitetty, että lahottajasienet kehittyivät vasta maailmankauden aikana, ja tästä syystä laajojen fossiilisten polttoainekerrostumien synty oli mahdollista. Ensimmäiset havupuut ja siemenkasvit ilmestyivät kauden aikana.

Eläimistö

Puuvartisten kasvien muodostamissa metsissä eli mm. sammakkoeläimiä ja jättimäisiä hyönteisiä. Lentävät hyönteiset kehittyivät kivihiilikaudella. Kivihiilikauden loppupuolella ja seuranneella permikaudella hyönteisten lajiutuminen oli nopeaa. Kivihiilikaudella ilmestyivät mm. torakoiden edeltäjät. Tunnetuimpia kivihiilikauden hyönteisiä ovat jättiläissudenkorennot (Namurotypus), joiden siipien kärkiväli saattoi olla 66 cm. Oli myös noin kaksimetrisiä tuhatjalkaisia (Arthropleura) ja metrin pituisia jättiläisskorpioneja Gigantoscorpio. Megarachne-hämähäkki oli noin 30 cm:n pituinen. Ilmakehässä oli happea enimmillään jopa 35 %, minkä arvellaan mahdollistaneen jättiläismäisten hyönteisten kehittymisen.
Kivihiilikauden valtiaita olivat kauden alussa ilmaantuneet nykyisiä salamantereita muistuttaneet ensimmäiset maaselkäjänteiset sammakkoeläimet (Amphibia). Kivihiilikaudella eli sammakoista kehittyneitä matelijamaisia sammakoita, muun muassa kauden alun Westlothiana. Myöhemmin kivihiilikaudella kehittyivät ensimmäiset matelijat, mm. anapsidi Hylonomus. Se eli noin 310 miljoonaa vuotta sitten nykyisessä Kanadan Nova Scotiassa. Tämä pieni lisko lienee ollut metsän pohjalla elävä hyönteissyöjä. Anapsidin kallo oli samanlainen kuin sammakkoeläimellä.
Kauden lopussa noin 300 miljoonaa vuotta sitten eli Pohjois-Amerikassa pitkähäntäinen, neljällä jalalla kulkeva matala Petrolacosaurus, joka taas oli varhainen diapsidi. Samoihin aikoihin eli sammakkomainen Paleothyris.
Fossiilistossa on runsaasti myös rustokaloja ja luukaloja.