柏油样大便通常是由于上消化道出血引起的。当消化道出血量较大时，血液在肠道内停留时间较长，红细胞破坏后血红蛋白中的铁在胃酸和肠道细菌的作用下与硫化物结合形成硫化铁，使粪便呈现黑色，并且由于硫化铁刺激肠壁分泌大量粘液附在大便表面，使大便外层黑而发亮，类似柏油，因此被称为柏油样大便。
常见的导致上消化道出血的疾病包括食管疾病如食管炎、食管憩室炎、食管癌、食管裂孔疝、食管损伤等，以及胃、十二指肠疾病如消化性溃疡、胃泌素瘤、急性糜烂出血性胃炎、胃癌、胃血管异常、胃黏膜脱垂、急性胃扩张、十二指肠憩室炎、急性糜烂性十二指肠炎等。
其他导致柏油样大便的疾病还包括胆道出血、肝脏病变、胰腺疾病累及十二指肠、主动脉瘤破人食管、胃、十二指肠等。
此外，下消化道疾病如小肠疾病、结肠疾病、直肠肛管疾病等也可能导致柏油样大便。
全身性疾病如血管性疾病、血液病、结缔组织病、急性感染等也可能导致柏油样大便。
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