鄂尔多斯盆地南部延安组巨厚煤层内古气候旋回分析_董国旗.pdf

第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY paleoclimate cycle; Milankovitch cycle; controlling factor; eccentricity; Binchang mining area 煤是一种气候敏感型沉积能源矿产，其中记录 了丰富的成煤期古气候信息，特别是巨厚煤层能够 记录较长时期的古气候变化，为古气候恢复和演化 规律研究提供了良好的素材。此外，研究地史上古 气候的变化规律及其控制因素，可以在一定程度上 预测未来全球的气候变化。因此，煤层内部古气候 ChaoXing 52 煤田地质与勘探 第 48 卷 特征的研究一直是煤地质学的热点问题。 煤中常量、微量元素的含量及分布规律，可以用 来分析成煤期的古气候[1-3]及变化规律[4-7]。煤中铝、 镓在高岭石中普遍富集，与温暖潮湿气候有关[2-4]；而 煤中钾和铷的含量与伊利石相关，反映干冷气候条 件[4]。煤岩成分包含成煤期的古气候信息，可以用 来分析成煤期的古气候演化，时间跨度较小的煤层 甚至一层煤的形成过程中，可以很好地反映出气候 的细微差别[8]。煤中蕴含的孢粉信息可以重建成煤 期的古植物类型，根据成煤植物的生活习性也可以 分析成煤期古气候的基本格局和演化规律[9-10]。 煤泥炭中生物标志物芳烃和二萜化合物等分析， 并将其与海洋[11]和陆地[12]沉积物中生物标志物进行 比较，可以准确地识别成煤期的干湿气候变化[13-14]。 此外，煤层中稳定碳同位素值及其变化也可以反映 成煤期的古气候特征[15-16]。 基于前人的研究成果可知，煤中蕴含丰富的古 气候信息。为此，笔者以鄂尔多斯盆地南部彬长矿 区延安组巨厚煤层为例，采用煤岩显微组分法、特征 元素法和有机质稳定碳同位素法分别识别巨厚煤层中 蕴含的古气候旋回信息，探究巨厚煤层中古气候旋回 发育的控制因素，阐明古气候旋回的成因机制。 1 区域地质概况 鄂尔多斯盆地是中国中北部大型的中、新生代坳 陷盆地，是我国第二大沉积盆地，跨陕西、甘肃、宁 夏、 内蒙古和山西 5 个省自治区， 面积约 25 万 km2， 周围被秦岭、六盘山、贺兰山、大青山及吕梁山环 绕。盆地南缘紧邻渭河断陷，南界大致位于渭河河 谷一线；北缘紧邻河套断陷，北界大致在乌拉山– 大青山一线；东界应在大同–义马一线以东；西界位 于贺兰山西麓–青铜峡–固原一线。彬长矿区位于鄂 尔多斯盆地的西南部，成煤期在煤田内存在几个古 隆起，成为区域性的物源；彬长矿区的大佛寺煤矿 位于该煤田的南部图 1。 彬长矿区的含煤地层为中侏罗统延安组，其岩 相由河、湖相砂岩及泥岩夹煤层组成，含丰富的植 物化石，按其沉积特点，延安组自下而上可以分为5 段，延一段至延五段[17]，每段上部发育一个煤组， 下部以砂岩沉积为主图1c。 大佛寺煤矿延安组煤层 普遍较厚，本次的研究对象是彬长矿区大佛寺煤 矿 ZK1钻孔中的延安组一段4号巨厚煤层，单层厚 度11.30 m，主要成煤环境为河漫沼泽、滨湖沼泽 等图1c。 彬 长 矿 区 延 安 组 一 段 4 号 煤 中 主 要 发 育 Classopollos-Cyathidites minor 孢粉组合，裸子植物 花粉含量高于蕨类植物孢子， 以 Classopollis 花粉含 量高为特色，Cyathidits minor 孢子也占重要比例， 反映出成煤植物主要为蕨类和裸子植物[10]。一般认 为 Classopollis 的母体植物主要为掌鳞杉科， 一般出 现在干旱炎热的气候条件[18-20]，也能适应潮湿气候[21]； 而 Cyathidits minor孢子母体植物主要为桫椤科和蚌 壳蕨科部分，主要生长在潮湿的热带和亚热带[22]。 古植物孢粉、孢子组合等特征，反映了延安组 4 号 煤层成煤期古气候环境的复杂性；成煤沼泽以森林 沼泽为主， 局部存在草本植物相对富集的沼泽环境。 该时期植物群落的发育情况，反映了成煤期主要为 暖温带–亚热带气候。 2 采样与测试 在彬长矿区延安组一段 4 号煤层中按 0.5 m 等 间距系统采集 22 个样品。各样品分别进行煤岩测 试、有机质稳定碳同位素测试和微量元素测试。 煤岩显微组分定量依据 GB/T 88992013煤 的显微组分组和矿物测定方法测定。 有机质稳定碳同位素测试采用 MAT251/252 系 列同位素质谱仪，根据 GB/T 18340.22010有机 质稳定碳同位素测定同位素质谱法分析，样品测 试前需盐酸酸化去除无机碳元素。 微量元素测试采用等离子体质谱仪ICP-MS， 型号为 X Series 2，按照 GB/T 14506.302010硅 酸盐岩石化学分析方法第 30 部分44 个元素量测 定进行测试。 3 研究方法与结果 在充分吸收借鉴前人相关研究成果的基础上， 本次主要通过煤岩显微组分法、特征元素法、碳同 位素法分析鄂尔多斯盆地南部延安组 4 号巨厚煤层 中蕴含的古气候旋回信息。 3.1 煤岩显微组分法 煤岩特征与古气候的温度、湿度密切相关，气 候越潮湿，植物遗体越能充分分解形成富镜质组的 煤层；相反，气候越干燥，越易形成富惰性组的煤 层[8,23]。 所以镜质组是在覆水还原的条件下， 经凝胶 化作用形成；惰质组是在干热的氧化沼泽环境下， 经丝炭化作用形成[24]。如果泥炭沼泽是水位高、覆 水和潮湿的微环境，形成的泥炭进而变质形成的煤 中镜质组就高；反之如果泥炭沼泽水位低、干燥微 环境居多，最后形成的煤惰质组就高[25-26]。根据各 显微组分含量关系，利用其统计值，引入几个参 ChaoXing 第 3 期 董国旗等 鄂尔多斯盆地南部延安组巨厚煤层内古气候旋回分析 53 图 1 鄂尔多斯盆地彬长矿区地质简图 Fig.1 Geological sketch of Binchang mining area in Ordos basin 数更加直观地反映煤层的成因特征[27]，其中，煤中 镜惰比V/I，也称潮湿系数大小，反映了成煤期泥 炭沼泽的潮湿–干燥程度[28-29]。 古气候温暖湿润与镜 质组、惰质组含量和镜惰比有关，V/I＞1，反映气 候较为温暖潮湿；V/I＜1，反映气候较为炎热干燥。 根据镜质组、惰质组含量和V/I的变化趋势，可 以在彬长矿区 4号巨厚煤层中识别出 4次温湿–干热 的古气候旋回变化，由早到晚各古气候旋回依次标 号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，该煤层厚度为 11.30 m，平均 每个气候旋回厚度为 2.83 m；4 次温湿–干热的古气 候旋回变化都表现为温湿–干热–温湿的变化过程， 且曲线的变化趋势总体较为一致图 2。 3.2 有机质稳定碳同位素法 稳定同位素是研究古环境的重要手段[30]，碳同位 素组成是古气候、 古环境等生态效应的综合体现[31-32]， 许多学者通过研究沉积物中碳同位素组成δ13C以 提取古气候信息[33]。 煤层中有机碳同位素 δ13C 可以表 示泥炭沉积时的温度和湿度条件， 气候因子湿度和温 ChaoXing 54 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 2 彬长矿区延安组 4 号煤层煤岩组分含量与古气候旋回变化 Fig.2 Changes of coal petrographic composition and paleoclimatic cycle in No.4 coal seam of Yan’an ation, Binchang mining area 度对植物碳同位素组成具有重要的影响[16,34-35]，所 以，δ13C与降水量具有负相关关系，即随着降雨量 的增多，δ13C值减小变轻；在较干旱环境下，植物 通过调节气孔阻力以避免过多的水分蒸发，导致细 胞内CO2浓度降低，进而引起δ13C值变化[16,36-37]。在 植物种类、大气成分等条件一定情况下，干热气候 有利于 13C在植物体内的富集，成煤植物δ13C值偏 高；相反，湿暖气候不利于 13C在植物体内富集，成 煤植物δ13C值偏低[38]。即随着温度升高δ13C值变大， 反映温湿干热的古气候变化；相反，δ13C值变小， 反映干热温湿的古气候变化。 彬长矿区延安组 4 号煤层中 δ13C 具有明显的负 偏移趋势和正偏移趋势，揭示了由干热向温湿、由 温湿向干热的古气候转变，进而也可识别出 4 号煤 层沉积期经历了温湿–干热–温湿的古气候演化过 程，编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ图 3。 3.3 特征元素法 不同的表生自然环境对不同性质元素的分解、 迁移、富集行为等具有影响，因此，元素在沉积物中 的波动性可一定程度地反映沉积时气候环境条件。笔 者在参考前人关于古气候地球化学判别标志[39-40]的 前提下，采用元素对比值进行沉积环境分析。 前人研究认为， 喜湿型微量元素主要有 Cr、 Ni、 Mn、Cu、Fe、Ba、Br、Co、Cs、Hf、Rb、Sc、Th 等，而喜干型微量元素主要有 Sr、Pb、Au、As、 Ca、Na、Ta、U、Zn、Mg、Mo、B 等[41]。元素 Sr 含量大于 20 μg/g，反映气候干热，小于 0.15 μg/g， 反映气候温湿；元素 Mn 含量大于 0.15 μg/g，反映 气候干热，小于 0.15 μg/g 反映气候温湿；Sr/Cu 值 大于 10 反映干热气候， 小于 10 反映温湿气候[42-45]。 使用微量元素对古气候进行研究过于单一，本文还 探讨了具有特征指示意义的常量元素的比值变化。 一般情况下， mMg/mCa值大于 0.5 反映温湿气候， 小于 0.5 反映干旱气候[46]； mFeO/mFe2O3比值大于 0.7 反映潮湿气候，小于 0.7 反映干旱气候[30,47]； mCaO/mMgOAl2O3值大于 0.6 反映温暖气候， 小于 0.6 反映较冷气候；mCaOK2ONa2O/mAl2O3 值大于 5 反映干旱气候，小于 5 反映湿润气候[48-49]。 在彬长矿区延安组 4 号煤层中，各元素含量及 各元素比值的变化趋势基本相似，变化幅度局部略 有差别。根据元素含量及其比值的变化趋势识别出 4 号煤层沉积期经历了 4 次温湿–干热的古气候旋回 ChaoXing 第 3 期 董国旗等 鄂尔多斯盆地南部延安组巨厚煤层内古气候旋回分析 55 图 3 彬长矿区延安组 4 号煤层碳同位素与 古气候旋回变化 Fig.3 Carbon isotope and paleoclimatic cycles of No.4 coal seam of Yan’an ation in Binchang mining area 变化，由早到晚各古气候旋回依次标号为Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ，该煤层厚度为 11.30 m，平均每个气候旋回 厚度为 2.83 m图 4。 4 分析与讨论 根据煤岩显微组分法、特征元素法和有机质稳 定碳同位素法，均可在鄂尔多斯南部彬长矿区延安 组 4号巨厚煤层中识别出 4个温湿–干热的古气候旋 回，每个旋回变化都表现为温湿–干热–温湿的变化 过程，平均每个气候旋回厚度为 2.83 m。 4.1 结果可靠性对比分析 植物历来有自动“温度计”之称，实践证明， 一定的植物群落反映一定的气候，古植物遗体的 大量堆积是聚煤作用发生的物质基础，通过对煤 层夹矸中古植物孢粉组合的相关分析与古植物 化石的识别，可以恢复成煤期的古植物群落。古 植物孢粉在煤层及细碎屑岩中数量繁多、保存完 好，不同类型的古植物孢粉组合及生态特征可反 映成煤期气候。 根据煤层中古植物的孢粉类型、含量及孢粉母 体的生态特征干湿、冷热等，提取煤层中蕴含的 古气候信息。本文利用 3 种识别方法所得出的古气 候旋回变化次数，与庄军等[10]在鄂尔多斯盆地南部 黄陇煤田延安组 4号巨厚煤层中识别出的 4次温湿– 干热的古气候旋回变化一致，论证了以上 3 种识别 方法的可靠性。 4.2 古气候旋回成因分析 前人研究表明，新近纪煤层中蕴含着米兰科维 奇旋回信息，并且可以利用频谱分析等信号寻找这 些旋回信息，进而研究煤层中的古气候旋回[50-52]。 通过对 4 号巨厚煤层的测井数据自然伽马、岩石密 度测井数据进行频谱分析处理，查明其中蕴含的地 球公转轨道参数，识别出米兰科维奇旋回，进而分 析巨厚煤层中由地球公转轨道参数形成的古气候旋 回次数和平均厚度，从成因机制上阐明古气候旋回 机理，进而验证上述 3 种方法综合识别出的古气候 旋回的可靠性。 Wang Dongdong 等[53]通过对彬长矿区延安组 4 号煤层的自然伽马和岩石密度测井数据进行一维连 续小波变换分析，根据频谱分析识别出的低频、中 频和高频的平均值分别为 0.28、0.65、1.33 周期/m， 进而识别出其中蕴含的米兰科维奇旋回，并进一步 划分出 4 号煤层中存在的不同轨道参数控制的米 兰科维奇旋回，即 4 个偏心率控制的长周期旋回、 9 个斜率控制的中周期旋回和 15 个岁差控制的短 周期旋回。由此可知，笔者用 3 种方法识别出的 4 号煤层中的古气候旋回，是由偏心率控制的天文 周期旋回，再次验证了本文方法判定的旋回结果 的可靠性。 5 结 论 a. 通过煤岩显微组分、特征元素及有机质稳定 碳同位素等方法均可在鄂尔多斯盆地彬长矿区延安 组 4 号煤层内识别出 4 个温湿–干热的古气候旋回。 识别结果与前人在邻区使用古植物含量系数法识别 的古气候旋回结果非常吻合，证实本研究方法的可 靠性。 b. 通过比较分析彬长矿区巨厚煤层中蕴含的 控制气候演化的米兰科维奇旋回信息，认为该巨厚 煤层中古气候旋回的发育与演化主要受到天体轨道 参数中偏心率长周期的控制。 ChaoXing 56 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 4 彬长矿区延安组 4 号煤层元素特征与古气候旋回变化 Fig.4 Element characteristics and paleoclimatic cycle changes of No.4 coal seam of Yan’an ation in Binchang mining area 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] SUTTNER L J， DUTTA P K. 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