煤中煤质组对古环境恢复的研究进展

煤中煤质组对古环境恢复的研究进展

近年来，科学家对重要地质变化时期（如叠纪-三叠纪、叠纪-地壳-地壳）的变化、古气候和古代海平面的上升进行了研究。尤其是国际上对发生在距今约200Ma的三叠系—侏罗系(T—J)界线的全球性气候变暖、植被演变以及全球古大气CO需要特别指出的是,泥炭沼泽环境下的古森林研究在地质学中也有着不可小视的作用。国外的研究成果显示,地史时期频繁的雷电袭击会引发森林大火,从而使得植物燃烧产生丝炭。依据煤岩学分类,丝炭的显微结构被划归为惰质组。它的存在,说明当时在泥沼森林存在着大范围的野火活动(PetersenandLindstr¨om,2012;O’Keefeetal.,2013)。研究人员可以根据已经测得的惰质组反射率推算火灾的燃烧温度,分析当时的火灾类型(Petersen,1993,1994;Petersenetal.,2003;PetersenandLindstr¨om,2012;O’Keefeetal.,2013)。另外,可以结合孢粉学资料确定植被类型,恢复当时的泥沼古生态环境。国外研究人员利用此方法,提出在北欧丹麦、格陵兰和瑞典地区三叠纪—侏罗纪之交,晚三叠世末期的瑞替期(Rhaetian)晚期泥沼火灾均为高温树冠火,而瑞替期末期—辛涅缪尔期(Sinemurian)的野火为较低温地表火。显而易见,泥沼生态系统在三叠系—侏罗系界线上下发生了巨大变化,即界线之下植被发达,以松柏类为主,而界线之上主要为草本植物及灌木植物,从而较为细致地恢复了三叠系—侏罗系界线泥炭沼泽森林植被,并揭示了火灾等古环境事件(PetersenandLindstr¨om,2012)。我国地史时期泥炭沼泽沉积颇为发育,并蕴含有丰富的石油、煤炭等能源矿产资源。对泥炭沼泽古环境的研究具有非常重要的理论意义和实践意义,也颇受学术界关注。本文简要介绍煤中惰质组的概念及其划分,总结其应用和研究方法,结合国外的研究应用实例,为今后泥沼古环境的研究提供更多方法和思路,以便更广地应用于我国泥炭沼泽古生态、古环境的恢复重建等领域研究。1非均质组和应用1.1煤的产物的组分和反射率根据国际煤岩学术委员会(ICCP)的有机显微组分分类方案,在反射光的观察下,将煤的各种显微组分分为三类,即镜质组(Vitrinite)、壳质组(Liptinite)和惰质组(Inertinite)(韩德馨,1996)。其中,惰质组是煤中一种常见的显微组分,由植物的木质纤维组织转化而来,但在煤中的含量比镜质组少,在我国多数煤田的含量约为10%~20%。在泥炭化阶段,植物残体在相对氧化条件下经过丝炭化作用后形成了这种显微组分。根据细胞结构保存的完好程度,可以进一步将惰质组分为6种,即丝质体(Fusinite)、半丝质体(Semifusinite)、粗粒体(Macrinite)、菌粒体(Sclerotinite)、微粒体(Micrinite)和碎屑惰质体(Inertodetrinite)(赵师庆,1991;解维伟,2012;O’Keefeetal.,2013)。煤的反射率以单煤层煤样块煤光片或混配煤样粉煤光片为试样。各种煤岩显微组分的反射率都随煤阶的增高而增大。当煤化度较低时,各显微组分的反射率差别很大,其中惰质组最高,壳质组最低,镜质组随煤化度增加而增大。当碳含量为95%时,各显微组分的反射率趋于一致(赵师庆,1991;韩德馨,1996;解维伟,2012)。显微镜下组分含量测定的方法很多,但其原理只有一个,即先测定各组分所占的面积分数,此分数与体积分数成正比。如果已知各组分的密度,即可换算成质量分数(解维伟,2012)。一般利用粉煤制成的光片,根据不同显微组分在显微镜下所具有的不向颜色和结构特征,进行定量分析。显微镜放大倍数为400~500倍,在一个光片上测量400~500个点,按四大组即镜质组、惰质组、壳质组和矿物组计数,再计算分数(赵师庆,1991;解维伟,2012)。1.2燃烧温度和火灾类型煤和煤层的惰性组分是调查古森林大火的理想物质,惰质组反射率可以恢复古火灾的燃烧温度并确定其类型(Petersen,1993,1994;Petersenetal.,2003)。惰质组(丝炭)反射率与碳化实验研究中记载的燃烧温度有关,都说明反射率会随着温度的增加而增加(Scott,1989;Jonesetal.,1991;Jones,1997)(图1)。尽管惰质组反射率和燃烧温度之间的修正指数不完全呈线性关系,但仍能把这个关系式描述成为一个线性方程:t=184.10+117.76R煤炭中惰性组分的含量极好地反映了早期泥炭沉积时野火活动及特征。根据这些火灾温度可以推算燃烧温度和火灾类型(Petersen,1993,1994;Petersenetal.,2003)。结合煤中的孢粉学数据及该地区的古植物学资料,可从中得出泥沼中受到野火影响的主要植物群特征及植被类型,再根据古气候、古地理等特征,便能恢复当时的泥沼古环境特征。1.3区域组成和含量测定惰质组反射率的测定方法和流程主要包括:将样品粉碎至粒径为63μm~1mm,把这些颗粒嵌入在环氧树脂中研磨、抛光,得到平整表面;测定时使用546nm的单色光,完成后会得到约300个测量值。系统会根据这些数值形成总反射率直方图,经过计算可以得出其平均惰性组分反射率R惰质组含量的测定:使用自动计数器可在总共500个煤样中点出显微组份和矿物组份,并生成各点间隔均匀的网格图(PetersenandLindstr¨om,2012)。计数点会分析产生显微组分和显微组份在总体积中的比例。需要指出的是,分析和鉴定显微组份时必须根据国际标准。惰质组含量计算公式(赵师庆,1991;解维伟,2012)如下:其中V—预测组分的体积分数;n—预测组分在各视域中的总点数;N—样品中各组分点数的总和。2应用研究2.1不同时代的中国海湾岛a层生活质量众多碳化实验研究表明,惰质组反射率和燃烧温度有关,而且反射率会随着温度的增加而增加(Scott,2000;ScottandGlasspool,2005,2007)。国外学者对北欧地区三叠系—侏罗系界线地层的研究显示,该界线附近的煤或煤层中平均惰质组含量有明显的增长(图2),同时在该界线附近的丝炭化石也显著增加。研究证实,在瑞典波恩赫姆(Bornholm)岛地区,晚三叠世瑞替期晚期B层惰质组平均含量大约为17%,而在其上部的瑞替期晚期A层惰质组含量高达27%。与此形成鲜明对照的是,早侏罗世赫塘期(Hettangian)煤层的惰质组含量则呈现大幅增长,平均在66%~75%之间,而且单个样本的最高含量达到82%。之后在辛涅缪尔阶,其平均惰性组分含量有小幅增长。相比而言,该地区下侏罗统上部的普林斯巴赫阶(Pliensbachian)—托尔阶(Toarcian)的煤层样本的平均惰质组含量呈现出大幅下降,只有4%(图2)。如前所述,惰质组反射率随着燃烧温度的增加而增加,这是因为在碳化作用过程中富碳发生了芳构化。将测量的惰质组分反射率值和孢粉学数据相结合,可以推导出燃烧温度(Scott,1989;Jonesetal.,1991;Jones,1997;Scott,2000;ScottandGlasspool,2005,2007)。研究结果表明,三叠系—侏罗系界线之前的瑞替晚期泥沼火灾均为高温树冠火,而瑞替晚期—辛涅缪尔期天然泥沼火灾为更低温的地表火,到了早侏罗世晚期,火灾活动的数量逐渐恢复到了相当低的水平(PetersenandLindstr¨om,2012)。2.2不同生活型根据瑞典斯堪尼亚、丹麦和格陵兰地区早中生代古植物特征的分析(McElwainetal.,2007,PottandMcLoughlin,2011),可以识别出不同的植物生活型,即地表植被(groundcover)、林下植物(understory)、中层树冠(midcanopy)和上层树冠(uppercanopy)。由于木炭化更显著的乔木植被存在更高的初始芳香度(Scott,1989),因此可以比富含纤维素的植物产生更高反射率的惰质组。根据对赫塘期地层的分析,如果某地区惰质组的平均反射率(R2.3泥沼生态习性在沼泽沉积中,孢粉记录可以提供短期内详细的古环境变化证据。柏科—杉科花粉(平均8%)、本内苏铁目(平均1.5%)和开通目(0.5%)花粉数量显著增长的资料表明,赫塘阶下部煤层泥沼似乎为植被相对稀少的沼泽,因为该煤层的上层树冠类的树木很少,而且缺失中层树冠类的绝大部分树木。相反,树蕨类(平均49%)和普通地面蕨类(平均10%)可能主导着泥沼植被。其中,煤和煤层样品可以揭示更多代表本地泥沼生态习性的陆相孢粉记录,该记录表明在晚瑞替期陆地生态系统持续恶化(PetersenandLindstr¨om,2012)。在三叠系—侏罗系界线附近的泥沼环境中,火灾活动显著增加而且其类型以表面火为主导,可以说明当时转变为干旱缺水的环境,干燥的地表燃料常自发燃烧。也许是受到全年降雨分布季节性不均引起的气候波动的影响,在早侏罗世赫塘期之前大范围的植被都遭到严重破坏。而从赫塘期开始,该区域的所有木本植被及陆地生态系统开始逐渐恢复。由于环境的变化对敏感的沼泽生态系统有着更加长期的影响,因此直到大约赫塘期—辛涅缪尔期之交植被才开始真正全面得以恢复(Lindstr¨ometal,2012)。辛涅缪尔阶下部的上冠层柏科—杉科针叶林有所增加,中冠层区域植物可能增加,表明当时沼泽生态系统结构变得更为密集。下侏罗统惰质组含量也在下降,说明火灾活动逐渐减少,并恢复到更为正常的水平。3煤中a-a的研究(1)煤中惰质组是古环境重建的有效方法和重要参数,尤其是在针对泥沼环境方面,是颇为有效的途径。在古环境恢复时,首先要对煤岩样品中的惰质组及其反射率进行测定,再根据反射率推算当时火灾的燃烧温度,并确定火灾类型。其次结合煤层样品中的孢粉学数据,确定该地区当时的植被类型,还原植被分布状况。在此基础上,对泥炭沼泽古环境进行恢复与重建。(2)应用煤中惰质组进行古环境恢复与传统方法相比,具有一定的优势。目前中国在这方面的工作还未大量开展,因此可以为该领域研究提供新的思路。另一方面,可与利用其它传统常规方法恢复的古环境进行参考与对照,确保结果的精确和全面。(3)目前国际上对惰质组的含量及其反射率的测定及应用已有成功范例。我国煤的种类多样,对煤地质学的研究已经有了一定的基础,因此利用煤中惰质组,可与传统常规方法相结合,对成煤环境进行恢复重建工作,但此方法并不一定适用于所有的煤炭种类,因此可能存在一定的误差,需要具体问题具体分析。(4)利用煤中惰质组的含量及反射率进行古环境的恢复工作最主要的科学价值,在于对植物复杂繁多、沉积岩层中夹煤层或者煤炭的泥沼环境进行恢复和重建工作,尤