中国西北地区中侏罗世煤中古野火证据及对古气候的影响

论文摘要

野火（wildfire）是地球生态系统的重要组成部分,对地球生态系统的循环有着重要影响。野火的发生与大气氧含量、气候及可燃物的类型有着非常密切的联系,燃烧产生的气体会对气候环境产生影响,气候的变化又影响着植被的生长。侏罗纪时期大气中的CO2明显偏高,气候变化明显,然而目前关于侏罗纪野火事件对气候影响的研究却寥寥无几。本次研究采集了鄂尔多斯盆地北缘的神东矿区、鄂尔多斯盆地南缘的彬长矿区、吐哈盆地的哈密矿区、准噶尔盆地南缘的阜康矿区的9个煤矿的主采煤层样品。采用煤岩显微组分定量、惰质组反射率测定、煤层顶底板中常量和微量元素分析、煤层顶底板中矿物组成分析、细胞壁的均质化程度观察、多环芳烃化合物检测等测试方法,综合研究了侏罗纪中国西北地区古野火存在的证据,古野火类型及其对古气候的影响,同时根据煤中惰质组的含量与古氧气含量的关系推测中侏罗世大气中的氧气含量,取得的成果与认识如下:中侏罗世中国西北地区古野火存在的煤岩学证据。前人研究表明宏观煤岩组分中的丝碳等同于宏观的Charcoal,显微煤岩组分中的惰质组等同于微观的Charcoal。在本次研究的煤层顶底板及煤样中发现了大量的不完全燃烧产物Charcoal。在西北地区中侏罗世煤中显微煤岩组分中惰质组含量在45%-72%之间,远高于华北地区晚石炭—早二叠世煤层中惰质组含量,这表明相对于华北晚石炭—早二叠时期,西北地区侏罗纪泥炭形成时期的野火事件更为频繁。中侏罗世中国西北地区古野火存在的多环芳烃证据。燃烧产生的分子标志物最具代表性的为多环芳烃（PAHs）类化合物,尤其是四环以上的多环芳烃基本上均为燃烧产物。在所有煤样中均检出了四环及其四环以上芳烃,特别是部分样品检测到了典型的高温燃烧产物六环芳烃—晕苯,通过多环芳烃同分异构体的比率计算表明荧蒽、苯并荧蒽、芘、苯并芘、苯并a蒽、茚并芘和苯并[g,h,j]花具有燃烧成因,同时还检测到了有机质不完全燃烧的产物—含氧的芳香类化合物,如苯并奈并呋喃,二奈并呋喃,苯并二苯并呋喃等,这些分子标志物同样指示出在中侏罗世中国西北地区发生过广泛而频繁的野火事件。中侏罗世中国西北地区的古野火类型以中低温燃烧的地表火为主。西北地区中侏罗统煤中惰质组分的的平均反射率为1.77,其中反射率在0.7-2%之间的惰质组占惰质组总量的75.96%,根据惰质组反射率与燃烧温度的关系计算出燃烧时的温度集中在400℃左右。在扫描电镜下观察发现植物细胞间层均同质化,这表明燃烧温度至少在325℃以上。在所有样品中五环及其以上化合物相对丰度较低,因此在中侏罗泥炭形成时期发生的古野火以中低温火为主,高温火频率较少。鄂尔多斯盆地北缘中侏罗世早期延安组沉积时期气候变化过程明显。鄂尔多斯盆地北缘的延安组主采煤层的底板中CAI、CaO/MgO、Al2O3/MgO、Sr/Cu等值具有先升高后降低的趋势,粘土矿物组合由伊利石和绿泥石组合变为高岭石,伊利石,蒙脱石组合,这表明在延安组一、二段沉积时期气候相对干冷,而三、四、五段沉积时期气候相对温暖湿润。侏罗纪时期的古野火事件中释放的巨量CO2可能是引起气候变化的因素之一。根据中国西北地区早—中侏罗世煤碳资源量及煤中惰质组的含量,计算出由不完全燃烧形成的惰质组含量,在此基础上根据现代森林火灾碳排放模型,保守计算出仅在中国西北地区早—中侏罗世成煤期,成煤沼泽中森林燃烧向大气中释放出的总碳量为5.56×1011吨,其中CO2的量为1.73×1012吨,CO的量为1.1×1011吨,CH4的量为1.0×1010吨,其中仅CO2的排放量就达到目前大气圈中CO2总量的57.7%。大量资料表明中侏罗早期大气中CO2含量呈明显上升趋势,在中侏罗世发生的广泛而频繁的野火释放的温室气体可能是导致这一时期CO2浓度上升,气候由寒冷干燥变为温暖潮湿的原因之一。中侏罗世延安组地层沉积时期鄂尔多斯盆地大气中古氧气含量为27.9%,高于现今的氧气含量（21%）。在西北地区中侏罗世煤中显微煤岩组分中惰性组分含量在45%-72%之间,平均值为55.76%,根据Glasspool和Scott建立的煤中惰质组含量与大气中古氧气含量的公式计算出中侏罗世早期延安组地层沉积时期鄂尔多斯盆地大气中古氧气含量为27.9%。煤层顶底板中的宏观Charcoal指示在燃烧区域发生过水流侵蚀现象。鄂尔多斯盆地北缘神东矿区的5组主要煤层的顶底板中均发现了宏观的Charcoal混杂在砂—泥岩中,这表明燃烧事件后水流对燃烧区域进行过侵蚀作用,河流携带的碎屑物可能使河道淤积、改道,废弃的河道及岸后积水区域为泥炭的形成提供了有利的场所。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
•   1.1 古野火的研究意义
•     1.1.1 野火对气候变化的影响
•     1.1.2 古野火对古大气氧含量的指示意义
•     1.1.3 古野火对研究植物演化的意义
•     1.1.4 野火是导致陆地风化侵蚀加速的重要因素
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 古野火发生的指标
•     1.2.2 煤中惰质组的成因
•     1.2.3 对古氧气含量的厘定
•     1.2.4 古野火对地球生态系统的影响
•   1.3 研究内容
•   1.4 研究思路及技术路线
•   1.5 论文创新点
• 2 研究区地质背景
•   2.1 中侏罗世全球古环境特征
•   2.2 中国西北地区构造演化
•   2.3 地层发育特征
•     2.3.1 鄂尔多斯盆地早—中侏罗世沉积环境及含煤岩系
•     2.3.2 新疆北部早—中侏罗世沉积环境及含煤岩系
•     2.3.3 采样点地层对比
•   2.4 样品采集和实验方案
•     2.4.1 样品来源及工作量
•     2.4.2 实验方案
•   2.5 本章小结
• 3 指示古野火的煤岩学证据
•   3.1 西北地区中侏罗统煤的工业分析
•   3.2 西北地区中侏罗统煤宏观煤岩特征
•     3.2.1 宏观煤岩组成及煤的物理性质
•     3.2.2 煤层顶底板中的宏观Charcoal
•   3.3 西北地区中侏罗统煤显微煤岩特征
•   3.4 西北地区中侏罗统煤中的Natural char和Natural coke
•   3.5 本章小结
• 4 指示古野火的多环芳烃化合物
•   4.1 煤中多环芳烃分布特征
•   4.2 煤中多环芳烃的来源
•   4.3 本章小结
• 5 西北地区中侏罗世古野火燃烧类型
•   5.1 惰质组反射率对古野火类型的指示
•   5.2 植物细胞壁的均质化程度对古野火类型的指示
•   5.3 多环芳烃对古野火类型的指示
•   5.4 本章小结
• 6 古野火对侏罗纪气候影响初探
•   6.1 中侏罗世早期鄂尔多斯盆地北缘古气候特征
•     6.1.1 元素地球化学对古气候的指示
•     6.1.2 粘土矿物对古气候的指示
•     6.1.3 多环芳烃对古气候的指示
•   6.2 古野火对古气候的影响初探
•     6.2.1 中国西北地区侏罗纪成煤期古野火碳排放估算
•     6.2.2 野火对侏罗纪古气候的影响
•   6.3 古野火事件对古氧气含量的指示意义
•   6.4 古野火对鄂尔多斯盆地北缘煤层沉积的影响
•   6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 许云

导师: 梁汉东,孙玉壮

关键词: 中国西北地区,中侏罗世,古野火,古气候,古氧气含量

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 地质学,地质学,植物保护,林业

单位: 中国矿业大学(北京)

分类号: S762;P532;P534.5

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000161

总页数: 126

文件大小: 12807K

下载量: 41