Geochemical characteristics and paleoenvironmental significance of the Xishanyao Formation coal in the eastern Junggar Basin
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摘要:
准噶尔盆地是我国西北地区重要的含煤盆地,其东部煤田是我国新疆大型煤炭基地的重要组成部分,蕴藏着丰富的煤炭资源。以准噶尔盆地东部中侏罗世西山窑组B0、B1和B2煤层为研究对象,选取220个煤样品进行了详细的微量元素测定,并对16个煤样品进行了显微组分和镜质组最大反射率测试分析,在此基础上,综合分析了准噶尔盆地东部中侏罗世西山窑组成煤时期泥炭沼泽水体的氧化还原状态、古盐度特征以及成煤时期的古气候和大气氧含量变化特征。与世界低阶煤均值相比,准噶尔盆地东部中侏罗世西山窑组B0、B1和B2煤中Sr元素轻微富集,除此之外,B0煤中还存在Co元素轻微富集。Ni/Co-V/Cr和Ni/Co-Mo图解分析表明,泥炭沼泽处于氧化和贫氧状态,由此推断泥炭沼泽中水体的活动性较强,游离态的氧含量较高。煤中B/Ga比值的变化趋势表明,从B0到B1再到B2煤层,泥炭沼泽水体的古盐度逐渐升高,上部B2煤层沉积过程中泥炭沼泽古盐度较高可能是由水体蒸发量增加造成的,同时也表明B2煤层沉积时期的古气候呈现相对干热的特征。通过对B0、B1和B2煤中Sr/Cu比值分析得出,从西山窑组下部的B0煤层到中部的B1煤层再到上部的B2煤层,准噶尔盆地东部西山窑组成煤时期的古气候自下而上经历了由相对温湿逐渐向相对干热转变的过程。B0、B1和B2煤层中惰质组平均体积分数在40.4%~57.2%,平均值为48.5%,基于惰质组与大气氧含量的关系模型,估算出中侏罗世的大气氧体积分数约为27.7%,远高于持续燃烧所需的最低大气氧水平。
Abstract:The Junggar Basin is an important coal-bearing basin in northwestern China. The coalfield in the east of the Junggar basin is an important part of the large Xinjiang coal base, and contains rich coal resources. In this study, we undertook a multi-proxy study evaluating trace elements, macerals and vitrinite maximum reflectance from coal seams B0, B1 and B2 of the middle Jurassic Xishanyao Formation to characterize paleoredox and paleosalinity conditions of coal-forming swamp and atmospheric oxygen level and paleoclimate during coal-forming period in the eastern Junggar Basin. 220 coal samples were selected from coal seams B0, B1 and B2 in order to determine trace elements. Moreover, macerals and vitrinite maximum reflectance of 16 coal samples was investigated. Compared with average values for world low-rank coals, the coal seams B0, B1 and B2 of the middle Jurassic Xishanyao Formation in the eastern Junggar Basin are slightly enriched in Sr, in addition, the coal seam B0 is also slightly enriched in Co. The analysis of Ni/Co-V/Cr and Ni/Co-Mo diagrams indicates that swamp was in oxic and dysoxic condition, which infers that the water in swamp has strong activity and high free oxygen content. According to B/Ga ratio analysis, the paleosalinity of swamp gradually increases from coal seam B0 to coal seam B1 and then to coal seam B2. The high paleosalinity of swamp during coal-forming period of coal seam B2 may be caused by an increase in the evaporation of water, which also indicates that the paleoclimate was relatively dry and hot during this period. The Sr/Cu ratios in coal seams B0, B1 and B2 reveal that the paleoclimate experienced a gradual transition from relatively warm and humid condition to relatively dry and hot condition from bottom to top during the Xishanyao Formation coal-forming period. The inertinite content varies from 40.4% to 57.2% with an average of 48.5% in coal seams B0, B1, and B2. Inferred atmospheric oxygen concentration in the middle Jurassic, as estimated from inertinite contents, were ~27.7%, which is much higher than the minimum required for sustained combustion.
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Keywords:
- Eastern Junggar Basin /
- coal /
- Xishanyao Formation /
- geochemistry /
- paleoclimate /
- atmospheric oxygen concentration
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0. 引 言
煤作为“深时”地质信息的载体,记录了地质历史时期的重要古环境和古气候信息[1-2]。在成煤过程中,元素的迁移、富集以及显微组分的形成都与沉积环境密切相关,因此,煤中元素的变化规律和显微组分的变化特征可以用来指示和恢复成煤时期的古环境[1,3-6]。煤中微量元素尤其是对古环境具有指示意义的元素,如Sr、Ba、B、V、Co、Ni等元素,可以反映成煤泥炭沼泽中水体的古盐度、氧化还原等环境状态[7-8];随着对煤中惰质组成因的重新认识,蕴含在煤中的古野火信息受到广泛关注,基于煤中惰质组含量揭示古泥炭地野火事件以及估算地质历史中大气氧含量也成为古环境研究的新方向[5,9-10]。因此,关于煤中微量元素和显微组分变化规律的研究对成煤环境的重建具有重要意义。
煤炭是我国的主体能源和重要工业原料,在能源结构中长期占主导地位[11]。但我国东部可供开发的煤炭资源面临枯竭,中部煤炭资源开发强度大,生态环境问题突出,西部地区煤炭资源富集,勘探开发潜力巨大[12],这种煤炭资源的分布特点决定了在今后相当一段时间内煤炭资源生产和开发的重心将持续西移[13]。准噶尔盆地是我国西北地区重要的含煤盆地[14-16],尤其是在盆地东部的煤田(准东煤田)中蕴藏着丰富的煤炭资源。准东煤田是我国目前发现的最大整装煤田,同时也是我国新疆大型煤炭基地的重要组成部分。本研究以准噶尔盆地东部中侏罗世西山窑组B0、B1和B2煤层为研究对象,通过对煤中显微组分、镜质组最大反射率和微量元素地球化学特征分析,研究成煤泥炭沼泽中水体的氧化还原状态、古盐度以及成煤时期的古气候特征和大气氧含量,揭示成煤时期的古环境变化特征,为新疆大型煤炭基地中煤炭的勘探开发提供理论基础,为煤系矿产资源高效利用提供重要的科学依据。
1. 地质背景
准噶尔盆地位于新疆北部地区(图1),地处阿尔泰山与天山之间[17-18],大地构造位置属于中亚造山带南部,位于西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和塔里木板块的交汇区域[19-20](图1)。准噶尔盆地自晚泥盆世至第四纪,经历了晚泥盆世至早石炭世裂陷盆地阶段、晚石炭世至二叠纪碰撞型前陆盆地阶段、三叠纪至古近纪陆内坳陷盆地阶段、新近纪至第四纪陆内俯冲前陆盆地阶段[17,19]。其中,早侏罗世至中侏罗世早期,准噶尔盆地处于伸展、沉陷状态,该时期的盆地范围广阔,水体浅而宽,发育陆内坳陷的含煤盆地;自中侏罗世晚期至晚侏罗世,受周缘块体碰撞影响,准噶尔盆地处于压扭活动期[21]。
准噶尔盆地东部地区主要是指盆地一级构造单元东部隆起地区,位于北部克拉美丽山和南部博格达山之间[20,22],横跨五彩湾凹陷、沙帐断褶带、石树沟凹陷等二级构造单元[19](图1)。五彩湾矿区主要位于准噶尔盆地东部地区的沙帐断褶带(图1),发育晚古生代、中生代和新生代地层,其中,中侏罗世西山窑组是五彩湾矿区的主要含煤地层(图1),地层厚度为79~290 m,呈现南西厚北东薄的沉积特征[19]。西山窑组为一套灰白色砂岩、灰黑色泥岩和煤层为主的陆源沉积,主要发育辫状河三角洲和湖泊沉积体系(图2)。西山窑组自下而上分为下段、中段和上段,煤层主要发育在西山窑组中段,自下而上主要包括B0、B1和B2等3套煤层(图1),B0煤层厚度一般在0.13~6.91 m,平均厚度为2.56 m,B1煤层最发育,厚度在0.57~32.72 m,平均厚度为14.21 m;B2煤层厚度在0.35~13.75 m,平均为8.08 m。
2. 样品采集和试验方法
研究样品均取自准噶尔盆地东部地区的五彩湾矿区,根据GB/T 482—2008《煤层煤样采取方法》,对B0、B1和B2煤层分别进行采样,共采集220个煤样品,其中,B0煤层54个,B1煤层85个,B2煤层81个(图1c)。为了尽可能减少污染,采集到的样品用铝箔包裹,并保存在密封袋中。将研磨至200目的煤样品,用天平称取50 mg,微波消解后使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)对煤中12种微量元素进行测定。将煤样品粉碎至1 mm左右,过筛分选之后,按照GB 474—2008《煤样制备方法》制作成粉煤光片。利用Leica DM4500P LED显微镜在油浸反射光下进行显微组分鉴定,显微镜的放大倍数为500倍(物镜50×,目镜10×),显微组分定量统计依据GB/T 8899—2013《煤的显微组分组和矿物测定方法》要求,每个粉煤光片至少测定500个有效点。镜质组反射率的测定使用Leica DM4500P LED显微镜在油浸反射光下完成,显微镜的放大倍数为500倍(物镜50×,目镜10×),根据GB/T 6948—2008《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》要求,每个样品至少测定100个有效点。
3. 试验结果
3.1 煤中显微组分特征
准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组B0、B1和B2煤层的16个煤样品中识别出腐植组、惰质组和稳定组共3种显微组分,结果见表1。B0煤层中腐植组含量(体积分数)最高,在47.4%~52.6%,平均值为49.9%;惰质组的含量仅次于腐植组,范围在41.3%~46.5%,平均值为43.6%;稳定组含量最低,在5.8%~7.9%之间,平均值为6.6%。B1煤层中惰质组含量最高,在40.4%~57.2%之间,平均50.9%;腐植组含量次之,范围在34.5%~55.1%,平均值为43.3%;稳定组含量最低,在4.5%~8.3%,平均值为5.7%。B2煤层中惰质组含量最高,在43.3%~55.2%之间,平均值为49.4%;腐植组的含量仅次于惰质组,范围在39.4%~52.2%,平均值为44.9%;稳定组含量最低,在4.0%~9.4%,平均值为5.7%。整体而言,B0、B1和B2煤层中惰质组平均含量最高,在40.4%~57.2%,平均值为48.5%;腐植组平均含量次之,范围在34.5%~55.1%,平均值为45.6%;稳定组含量最低,在4.0%~9.4%,平均值为5.9%。
表 1 准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组煤中显微组分和镜质组最大反射率Table 1. Macerals and vitrinite maximum reflectance of coal samples from the Xishanyao Formation in Wucaiwan mine, eastern Junggar Basin煤层 样品数 显微组分体积分数/(%, mmf) 镜质组最大反射率/% 腐植组 惰质组 稳定组 B2 6 $\dfrac{39.4\sim 52.2}{44.9} $ $\dfrac{43.3\sim 55.2}{49.4} $ $\dfrac{4.0\sim 9.4}{5.7} $ $\dfrac{0.37\sim 0.41}{0.39} $ B1 6 $\dfrac{34.5\sim 55.1}{43.3} $ $\dfrac{40.4\sim 57.2}{50.9} $ $\dfrac{4.5\sim 8.3}{5.7} $ $\dfrac{0.40\sim 0.42}{0.41} $ B0 4 $\dfrac{47.4\sim 52.6}{49.9} $ $\dfrac{41.3\sim 46.5}{43.6} $ $\dfrac{5.8\sim 7.9}{6.6} $ $\dfrac{0.37\sim 0.42}{0.41} $ 注:mmf代表去矿物基;煤中显微组分含量和镜质组最大反射率数据来自《新疆准东煤田吉木萨尔县五彩湾矿区帐南西井田勘探报告》;数据格式为$\dfrac{最小值 \sim 最大值}{平均值} $。 3.2 镜质组最大反射率
准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组B0、B1和B2煤层16个煤样品中镜质组最大反射率测试结果见表1。B0煤层镜质组最大反射率的变化范围在0.37%~0.42%,平均值为0.41%;B1煤层镜质组最大反射率的变化范围在0.40%~0.42%,平均值为0.41%;B2煤层镜质组最大反射率的变化范围在0.37%~0.41%,平均值为0.39%。五彩湾矿区西山窑组B0、B1和B2煤均属于低阶煤。
3.3 煤中微量元素富集特征
煤中微量元素含量(质量分数)的厚度加权均值与世界低阶煤中对应元素均值的比值,即富集系数(Concentration Coefficient, CC),可以用来表征煤中各微量元素的相对富集或亏损程度。根据DAI等[23]提出的元素富集系数分级方法,将其划分为6个等级:亏损(CC≤0.5)、正常(0.5<CC≤2)、轻微富集(2<CC≤5)、富集(5<CC≤10)、高度富集(10<CC≤100)和异常富集(CC>100)。准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组煤中微量元素结果如图3和表2所示,与世界低阶煤中微量元素的均值[24]相比,B0煤层中Co和Sr元素富集系数分别为2.10和2.83,属于轻微富集;V、Cr、Ni、Cu、Zn、Ga和Pb元素的富集系数分别为0.65、0.87、1.35、0.7、1.33、0.65和0.87,表现为正常状态;Ge、Mo和B元素的富集系数分别为0.11、0.37和0.16,属于亏损状态。B1煤层中Sr元素富集程度最高,富集系数为2.81,属于轻微富集;Cr、Co、Ni和Zn元素的富集系数分别为0.63、0.98、0.97和1.04,表现为正常状态;Ge、V、Cu、Ga、Pb、Mo和B元素含量相对较低,富集系数分别为0.05、0.4、0.37、0.39、0.49、0.26和0.12,属于亏损状态。B2煤层中Sr元素富集程度最高,富集系数为3.45,属于轻微富集;V、Cr、Co、Ni、Zn、Ga和Pb元素的富集系数分别为0.66、0.96、1.23、1.19、1.34、0.63和0.81,表现为正常状态;Ge、Cu、Mo和B元素的富集系数为0.14、0.48、0.43和0.13,属于亏损状态。
表 2 准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组煤中微量元素含量Table 2. Trace element compositions of coal from the Xishanyao Formation in Wucaiwan mine, eastern Junggar Basin煤层 样品数 元素含量/(μg·g−1) Ge V Cr Co Ni Cu Zn Ga Pb Mo Sr B B2 81 $ \dfrac{0\sim 15}{0.54}$ $ \dfrac{3\sim 85}{21.12} $ $ \dfrac{4\sim 48}{16.37} $ $ \dfrac{1\sim 16}{5.73} $ $ \dfrac{3\sim 35}{11.68} $ $ \dfrac{1\sim 36}{9.09} $ $ \dfrac{4\sim 197}{26.16} $ $ \dfrac{1\sim 11}{4.06} $ $ \dfrac{0\sim 126}{5.99} $ $\dfrac{0\sim 8}{1.23} $ $ \dfrac{15\sim 1\;708}{453.96} $ $ \dfrac{2\sim 22}{8.73} $ B1 85 $ \dfrac{0\sim 7}{0.31} $ $ \dfrac{2\sim 58}{12.85} $ $ \dfrac{3\sim 33}{11.20} $ $ \dfrac{1\sim 15}{4.67} $ $ \dfrac{2\sim 29}{9.54} $ $ \dfrac{2\sim 32}{7.00} $ $ \dfrac{5\sim 154}{21.62} $ $ \dfrac{1\sim 11}{2.76} $ $ \dfrac{0\sim 53}{3.52} $ $ \dfrac{0\sim 14}{0.84} $ $ \dfrac{185\sim 1\;136}{359.65} $ $ \dfrac{2\sim 25}{7.69} $ B0 54 $\dfrac{0\sim 6}{0.37} $ $\dfrac{2\sim 183}{21.44} $ $\dfrac{4\sim 93}{15.67} $ $\dfrac{2\sim 49}{10.28} $ $\dfrac{3\sim 65}{14.39} $ $\dfrac{2\sim 65}{11.91} $ $\dfrac{3\sim 87}{24.87} $ $\dfrac{1\sim 39}{4.76} $ $\dfrac{0\sim 52}{7.35} $ $\dfrac{0\sim 14}{1.09} $ $\dfrac{195\sim 1\;603}{367.30} $ $\dfrac{1\sim 64}{10.65} $ 世界低阶煤 2 22 15 4.2 9 15 18 5.5 6.6 2.2 120 56 注:煤中微量元素数据来自《新疆准东煤田吉木萨尔县五彩湾矿区帐南西井田勘探报告》。 4. 讨 论
4.1 氧化还原环境
许多学者研究发现,根据水体中溶解氧的含量和硫化氢浓度可以将其氧化还原状态划分为氧化(oxic)、贫氧(dysoxic)、次氧化(suboxic)、缺氧(anoxic)和硫化(euxinic)五大类[25-27]。Mo、U、V、Ni、Co等氧化还原敏感型元素因受到氧化还原条件的控制而表现出不同的富集程度,因此,利用这些元素的含量或比值可以重建古沉积环境的氧化还原状态[1,7,28]。研究表明,Mo元素在上地壳中的含量很低,平均约为3.7 μg/g[29]。在氧化条件下,Mo元素以稳定的钼酸盐含氧阴离子的形式溶解于水体中,并且在沉积物中的富集受到限制,在缺氧−硫化条件下,Mo元素在硫化氢的作用下被还原成硫钼酸盐,并且易被吸附在腐殖质和Fe、Mn氢氧化物上而富集下来,因此,在相对缺氧环境下更有利于高浓度的Mo元素富集[30]。Cr元素在氧化条件下以铬酸根离子的形式溶解于水体中,在缺氧条件下被还原成难溶解的物质而富集下来,同样,V元素在缺氧条件下也会被还原成不易溶解的物质,但V元素的还原发生在硝化界面的下部而Cr元素的还原则发生在其上部[31]。Ni和Co属于亲硫元素,在氧化条件下均溶于水,但Co元素在缺氧条件下可以形成不溶的CoS,而Ni在强还原条件下才形成不溶的NiS[26]。V、Cr、Ni和Co元素的化学性质相似,在还原条件下均会发生一定程度的富集,但又因各自化学性质的不同而存在富集程度的差异,因此,V/Cr和Ni/Co质量分数比值可以用来指示水体的氧化还原状态。此外,V/Cr、Ni/Co等元素的质量分数比值也被用来指示泥炭沼泽水体的氧化还原状态[4,6,32]。JONES等[33]通过对挪威北海地区古沉积水体氧化还原状态的研究发现,当V/Cr质量分数比值<2时,代表氧化环境;V/Cr质量分数比值在2~4.24,代表贫氧环境;当V/Cr质量分数比值>4.24时,代表次氧化环境。此外,JONES等[33]指出Ni/Co质量分数比值也可以作为判断水体氧化还原状态的指标,Ni/Co质量分数比值<5时,代表氧化环境;Ni/Co质量分数比值在5~7之间,代表贫氧环境;Ni/Co质量分数比值>7时,代表缺氧环境。
准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组B0、B1和B2煤层中大多数煤样品的V/Cr质量分数比值<2,V/Cr质量分数比值在2~4.24之间的煤样品数次之,表明泥炭沼泽处于氧化和贫氧的状态。B0、B1和B2煤层中大多数煤样品的Ni/Co质量分数比值<5,少数煤样品的Ni/Co质量分数比值在5~7,同样表明泥炭沼泽处于氧化和贫氧的状态。此外,根据RIMMER[3]提出的Ni/Co-V/Cr和Ni/Co-Mo图解可以得出,准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组B0、B1和B2煤层的大多数样品点落在氧化和贫氧区域(图4)。前人的研究表明,准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组伴随着局部湖平面的多次升降以及沉积体系的演化[34],从而导致成煤时期泥炭沼泽水体的活动性产生波动,由此推断出,成煤时期泥炭沼泽中水体的活动性较强,游离态氧含量较高,此时水体呈现氧化和贫氧的状态。
4.2 古盐度特征
古盐度是指保存于古沉积物之中的盐度[35],是指示地质历史时期沉积环境变化的重要标志。B和Ga是2种化学性质不同的微量元素,B为不稳定的元素,活动性强,硼酸盐溶解度大,迁移能力强,只有当水蒸发后才析出;Ga活动性较低,易于沉淀,因此,B/Ga质量分数比值常用来指示水体古盐度[36-37]。WEI等[8]研究发现,B/Ga质量分数比值<3代表淡水环境,B/Ga质量分数比值介于3~6代表半咸水环境,B/Ga质量分数比值>6代表咸水环境。尽管B/Ga质量分数比值多用于指示页岩/泥岩沉积过程中水体的古盐度[38],但煤中B/Ga质量分数比值也可以用来近似的反映泥炭沼泽水体的古盐度特征[1,39],然而,煤中B/Ga质量分数比值的有效性还需要谨慎对待。
准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组B0、B1和B2煤层中59%煤样品的B/Ga质量分数比值<3,36%煤样品的B/Ga质量分数比值介于3~6之间,表明西山窑组成煤沼泽的古盐度相对较低,以淡水环境为主(图5),与张冀等[34]研究得出准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组以河流、三角洲、湖泊沉积体系为主的陆相淡水沉积环境相一致。从西山窑组下部的B0煤层到中部的B1煤层再到上部的B2煤层,B/Ga质量分数比值呈现逐渐增大的趋势(图6),由此可以推断出,从B0到B1再到B2煤层,成煤时期泥炭沼泽水体的古盐度逐渐升高,上部B2煤层成煤泥炭沼泽古盐度较高可能是由沉积时期水体蒸发量增加造成的,同时也表明B2煤层沉积时期的古气候相对干热,从而促进了水体的蒸发。
4.3 古气候特征
煤中元素的富集受到古气候条件的影响,因此,煤中元素地球化学信息在一定程度上可以揭示古气候的变化特征[1,40]。研究发现,Sr元素在风化过程中稳定性相对较低,在温暖、湿润伴随强烈风化的情况下会导致Sr元素含量快速下降[41]。Sr/Cu质量分数比值对古气候变化比较敏感,因此,可用来作为判断古气候变化的指标[42],并且煤中Sr/Cu质量分数比值也可以用来指示成煤时期古气候变化特征[6,32,37]。LERMAN等[43]提出Sr/Cu质量分数比值介于1.3~5之间指示相对温湿的气候,Sr/Cu质量分数比值>5指示相对干热的气候。许多学者通过对Sr元素含量和古水体温度的研究,总结得出计算古水体温度的经验公式:Y=
2578 −80.8T,其中,Y代表Sr元素含量,T代表古水体温度[44-46]。准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组B0、B1和B2煤层中大多数煤样品的Sr/Cu质量分数比值>5,并且计算得出成煤泥炭沼泽的古水体温度在11~32 ℃,平均为27 ℃,表明西山窑组成煤泥炭沼泽的古水体温度相对较高,古气候呈现出相对干热的状态。从B0、B1和B2煤层中Sr/Cu质量分数比值的垂直变化趋势可以看出(图6),从西山窑组下部的B0煤层到中部的B1煤层再到上部的B2煤层,Sr/Cu质量分数比值呈现逐渐增大的趋势,结合B/Ga质量分数比值推断出的泥炭沼泽古盐度和水体蒸发量,综合分析得出,西山窑组煤层沉积时期的古气候自下而上由相对温湿逐渐向相对干热转变。张宇航等[47]通过对准东煤田东部矿区西山窑组煤层的研究发现,煤相类型垂向演化由下部浅覆水森林沼泽或湿地森林沼泽向上过渡为干燥森林沼泽,表明西山窑组成煤沉积时期的古气候由潮湿逐渐向干燥转变。何静[48]通过对准东煤田五彩湾矿区西山窑组煤中孢粉研究得出,煤相自下而上经历了潮湿森林沼泽向干燥森林沼泽转变的过程,成煤时期古环境先后经历了温暖潮湿、湿润−半湿润、半湿润−半干旱三个阶段的变化过程。这些关于准噶尔盆地东部西山窑组古气候的研究与本次研究中Sr/Cu质量分数比值推断的古气候垂向变化趋势相一致,进一步证明了准噶尔盆地东部西山窑组成煤时期的古气候自下而上经历了由相对温湿逐渐向相对干热转变的过程。
4.4 大气氧特征
惰质组作为野火不完全燃烧的产物[9,49-50],其产生的燃烧过程与大气氧含量($p{{\rm{O}}_2} $)密切相关,因此,可以借助沉积记录中的惰质组含量估算大气中的$p{{\rm{O}}_2} $[10,51]。GLASSPOOL[51]以及GLASSPOOL等[10]对不同地质时期的煤中惰质组数据进行了统计,并据此提出了惰质组与大气氧含量的关系模型。在本次研究中,准噶尔盆地东部五彩湾矿区中侏罗世西山窑组煤中惰质组体积分数平均值为48.5%,根据GLASSPOOL等[10]的模型可以估算出中侏罗世的大气$p{{\rm{O}}_2} $约为27.7%(图7)。
相关研究表明,中生代的大气$p{{\rm{O}}_2} $发生了显著的变化[52-53]。MILLS等[54]通过修订GEOCARBSULF模型,计算出侏罗纪的含氧量在20%~27%之间,中侏罗世早期的最低含氧量为20%。WANG等[5]通过对中国各成煤期的煤中惰质组含量与其相对应的大气$p{{\rm{O}}_2} $变化特征系统研究得出,中侏罗世西山窑组煤中平均惰质组体积分数在12.2%~68.8%之间,根据GLASSPOOL等[51]的模型估算得出,中侏罗世大气$p{{\rm{O}}_2} $高达30%及以上,达到有地质历史时期最高值。XU等[55]研究得出中国西北地区中侏罗世煤中惰质组体积分数在45.23%~72.18%之间,基于GLASSOOL等[10]的惰质组与大气氧含量关系模型,估算出中侏罗世的大气$p{{\rm{O}}_2} $大约在27%~29%之间。此外,关于准噶尔盆地东部煤中惰质组的研究表明,西山窑组煤中惰质组平均体积分数为53.6%,根据GLASSPOOL等[10]的模型可以得出,相对应的大气$p{{\rm{O}}_2} $高达28.1%[56]。本次研究通过准噶尔盆地东部五彩湾矿区煤中惰质组估算的中侏罗世大气$p{{\rm{O}}_2} $约为27.7%的结果与MILLS等[54]、GLASSPOOL[51]、XU等[55]、WANG等[5]以及杨博[56]的研究结果十分相近。
燃烧试验表明,大气氧含量在低于16%时,将不能维持燃烧;当大气氧体积分数在18.5%以下,燃烧会受到抑制;当大气氧体积分数在19%~22%,燃烧将迅速增强[53]。如果大气氧体积分数超过25%,燃烧事件将会广泛存在,甚至在全球范围内发生[53,57-58]。由此推断,中侏罗世的大气$p{{\rm{O}}_2} $远高于持续燃烧所需的最低氧气水平,甚至达到了促进野火剧烈燃烧的水平,此研究结果与中侏罗世全球范围内广泛存在的野火事件相吻合[55-56,59-60]。
5. 结 论
1)基于Ni/Co-V/Cr和Ni/Co-Mo氧化还原判别图的综合分析得出,准噶尔盆地东部中侏罗世西山窑组成煤时期泥炭沼泽处于氧化和贫氧的状态,由此推断泥炭沼泽中水体的活动性较强,游离态的氧含量较高。
2)从准噶尔盆地东部中侏罗世西山窑组下部的B0煤层到中部的B1煤层再到上部的B2煤层,成煤时期的古气候经历了由相对温湿逐渐向相对干热转变的过程,泥炭沼泽水体的古盐度也呈现逐渐升高的趋势。上部B2煤层成煤时期沼泽古盐度较高可能与相对干热的古气候条件下增加的水体蒸发量有关。
3)B0、B1和B2煤层中惰质组平均含量在40.4%~57.2%之间,平均值为48.5%,基于惰质组与大气氧含量的关系模型,估算出中侏罗世的大气$p{{\rm{O}}_2} $约为27.7%,远高于持续燃烧所需的最低大气氧水平(16%)。
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表 1 准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组煤中显微组分和镜质组最大反射率
Table 1 Macerals and vitrinite maximum reflectance of coal samples from the Xishanyao Formation in Wucaiwan mine, eastern Junggar Basin
煤层 样品数 显微组分体积分数/(%, mmf) 镜质组最大反射率/% 腐植组 惰质组 稳定组 B2 6 $\dfrac{39.4\sim 52.2}{44.9} $ $\dfrac{43.3\sim 55.2}{49.4} $ $\dfrac{4.0\sim 9.4}{5.7} $ $\dfrac{0.37\sim 0.41}{0.39} $ B1 6 $\dfrac{34.5\sim 55.1}{43.3} $ $\dfrac{40.4\sim 57.2}{50.9} $ $\dfrac{4.5\sim 8.3}{5.7} $ $\dfrac{0.40\sim 0.42}{0.41} $ B0 4 $\dfrac{47.4\sim 52.6}{49.9} $ $\dfrac{41.3\sim 46.5}{43.6} $ $\dfrac{5.8\sim 7.9}{6.6} $ $\dfrac{0.37\sim 0.42}{0.41} $ 注:mmf代表去矿物基;煤中显微组分含量和镜质组最大反射率数据来自《新疆准东煤田吉木萨尔县五彩湾矿区帐南西井田勘探报告》;数据格式为$\dfrac{最小值 \sim 最大值}{平均值} $。 表 2 准噶尔盆地东部五彩湾矿区西山窑组煤中微量元素含量
Table 2 Trace element compositions of coal from the Xishanyao Formation in Wucaiwan mine, eastern Junggar Basin
煤层 样品数 元素含量/(μg·g−1) Ge V Cr Co Ni Cu Zn Ga Pb Mo Sr B B2 81 $ \dfrac{0\sim 15}{0.54}$ $ \dfrac{3\sim 85}{21.12} $ $ \dfrac{4\sim 48}{16.37} $ $ \dfrac{1\sim 16}{5.73} $ $ \dfrac{3\sim 35}{11.68} $ $ \dfrac{1\sim 36}{9.09} $ $ \dfrac{4\sim 197}{26.16} $ $ \dfrac{1\sim 11}{4.06} $ $ \dfrac{0\sim 126}{5.99} $ $\dfrac{0\sim 8}{1.23} $ $ \dfrac{15\sim 1\;708}{453.96} $ $ \dfrac{2\sim 22}{8.73} $ B1 85 $ \dfrac{0\sim 7}{0.31} $ $ \dfrac{2\sim 58}{12.85} $ $ \dfrac{3\sim 33}{11.20} $ $ \dfrac{1\sim 15}{4.67} $ $ \dfrac{2\sim 29}{9.54} $ $ \dfrac{2\sim 32}{7.00} $ $ \dfrac{5\sim 154}{21.62} $ $ \dfrac{1\sim 11}{2.76} $ $ \dfrac{0\sim 53}{3.52} $ $ \dfrac{0\sim 14}{0.84} $ $ \dfrac{185\sim 1\;136}{359.65} $ $ \dfrac{2\sim 25}{7.69} $ B0 54 $\dfrac{0\sim 6}{0.37} $ $\dfrac{2\sim 183}{21.44} $ $\dfrac{4\sim 93}{15.67} $ $\dfrac{2\sim 49}{10.28} $ $\dfrac{3\sim 65}{14.39} $ $\dfrac{2\sim 65}{11.91} $ $\dfrac{3\sim 87}{24.87} $ $\dfrac{1\sim 39}{4.76} $ $\dfrac{0\sim 52}{7.35} $ $\dfrac{0\sim 14}{1.09} $ $\dfrac{195\sim 1\;603}{367.30} $ $\dfrac{1\sim 64}{10.65} $ 世界低阶煤 2 22 15 4.2 9 15 18 5.5 6.6 2.2 120 56 注:煤中微量元素数据来自《新疆准东煤田吉木萨尔县五彩湾矿区帐南西井田勘探报告》。 -
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1. 王超群,李凤杰,王佳. 川东北地区二叠系吴家坪组地球化学特征及其古环境意义. 天然气地球科学. 2025(01): 183-195 . 百度学术
2. 程长领,刘华,纪雪冰,张奎华,王慧,范恩硕,赵晓东. 准噶尔盆地中部4区块侏罗系西山窑组煤岩特征及成煤环境. 地质科学. 2025(02): 474-483 . 百度学术
3. 张玉兰,刘云华,高晓峰,王硕,莫文毅,王清璇. 新疆昌吉南部中侏罗统西山窑组沉积相及物源分析. 世界地质. 2025(02): 242-258 . 百度学术
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