楊 博,田繼軍,馮 爍,楊金輝，李勇澤

(1.新疆大學 地質(zhì)與礦業(yè)工程學院,新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆大學 化學學院，新疆 烏魯木齊 830047；3.新疆力源信德環(huán)境檢測技術服務有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

野火是森林沼澤系統(tǒng)演化過程中一個重要的干擾因素，高強度野火毀滅現(xiàn)有的生物群落，隨著生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復，新生的生物群落可能會產(chǎn)生跳躍或倒退形式的演化，這極大改變了地區(qū)生物群落原有的演化進程[1-3]。大規(guī)模野火事件會產(chǎn)生大量二氧化碳、氨氣、二氧化硫和氣溶膠等排放物，這不僅會改變大氣反射率和成分，甚至能在一定時期內(nèi)改變區(qū)域的氣候環(huán)境[4-6]。野火燃燒使生物有機質(zhì)中的碳一部分以二氧化碳的形式釋放到大氣中，一部分則以生物殘骸的形式貯存在沉積物種，因此野火的發(fā)生加速了自然界中的碳循環(huán)[7]。研究野火事件對古生物群落演化、古氣候分析和地質(zhì)歷史時期的碳循環(huán)有著重要意義，而識別古野火事件更是研究的前提[8-11]。確定野火發(fā)生的條件能夠為我們識別古野火事件排除干擾。現(xiàn)有研究結(jié)果表明火源、燃料和氧氣濃度是野火發(fā)生的三大要素[12]。其中火源是隨機因素，它可能是雷擊、自燃和落石火星等。除海洋和湖泊的有機質(zhì)外，任何有機質(zhì)都可充當燃料[13]。氧氣濃度是影響火災發(fā)生的重要因素，已有的研究表明當氧氣濃度低于15%時，植物體是無法被點燃的[12，14-15]，這就很好解釋了為什么現(xiàn)有的古野火事件均發(fā)生在泥盆紀植物登陸以后[16-18]。在確定了三要素后，就需要對古野火發(fā)生的證據(jù)進行發(fā)現(xiàn)和整理。目前，古野火的識別標志主要有炭屑、碳黑、燃燒源多環(huán)芳烴和樹輪火疤等，這些物質(zhì)統(tǒng)一的特征是既易長時間保存在地質(zhì)體中又是物質(zhì)燃燒的特征產(chǎn)物[19-22]。SCOTT利用掃描電鏡觀察和反射率測定的方法從外形和物理性質(zhì)上對現(xiàn)代植物組織不完全燃燒形成的木炭和沉積巖的絲碳進行了研究，試驗結(jié)果表明無論是在宏觀特征(易形成立方體小塊)和微觀特征(具有植物胞腔結(jié)構)上，兩者都具有一致性。并且現(xiàn)代植物體在缺氧條件下經(jīng)加熱后產(chǎn)生的木炭擁有著和煤中絲炭類似的理化性質(zhì)，如植物組織細胞壁的均質(zhì)化、反射率升高和碳含量的增加。因此他認為木炭等同于宏觀煤巖類型中的絲碳和煤巖顯微組分中的惰質(zhì)組[23-24]。近年來，隨著對惰質(zhì)組研究的不斷深入，惰質(zhì)組是植物體不完全燃燒的產(chǎn)物這一論述被越來越多的學者所接受，因此其用作指示古野火的意義也更加突出[12，25-27]。同時惰質(zhì)組的反射率也被證明與其形成溫度成正相關，當惰質(zhì)組反射率大于1%時，其形成溫度大于350 ℃，顯然絕大部分地區(qū)的地溫梯度是達不到的，而自然界中的野火可以輕易達到這一溫度，大規(guī)模森林火災形成的高溫甚至在800 ℃以上[8-10]。因此，炭屑反射率的測定對判別古火災同樣有著重大的意義。多環(huán)芳烴(PAHs)主要以氣溶膠和固體的形式廣泛存在于土壤、大氣、水體及動植物組織等環(huán)境介質(zhì)中，并且由于其穩(wěn)定的化學性質(zhì)而很難被生物所利用。VENKATESAN等[28]在世紀20世紀80年代研究白堊紀古野火事件時就將PAHs作為了判別證據(jù)。YUNKER[29]更是進一步依據(jù)多環(huán)芳烴不同種類之間的比例將其劃分出了3個來源，分別是石油源、生物質(zhì)燃燒源和化石燃料燃燒源。

目前，國內(nèi)對古野火的研究主要集中在生物大滅絕時期，強度大、范圍廣、影響深是這一時期野火的主要特點[24，30-32]，而對于那些區(qū)域性的古野火事件研究則先對較少。事實上，我國西部地區(qū)中侏羅統(tǒng)蘊藏著大量煤炭資源，這說明其在中侏羅世時期有著豐富的植被。同時期的各種模型也顯示中侏羅世氧氣濃度在20%以上[1-2，33-34]。侏羅紀是全球重要的成煤期，我國侏羅紀煤更是占到了煤炭資源總量的2/3[35-31]，但是關于該時期古野火的研究卻相對較少[12，34，37-38]。通過煤巖樣品中惰質(zhì)組含量和反射率信息，結(jié)合PAHs數(shù)據(jù)對中侏羅世準噶爾盆地東部的古野火事件進行了識別，并對其產(chǎn)生的古環(huán)境影響進行了分析。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于新疆準噶爾陸相含煤盆地東部，卡拉美麗山南麓。研究區(qū)煤巖樣品均采自準噶爾東部煤田的五彩灣礦區(qū)。五彩灣礦區(qū)位于準噶爾東部煤田西北部(圖1)，北鄰卡拉麥里山南麓，東鄰沙帳褶皺帶。含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組，含煤層厚62 m，厚度穩(wěn)定，分布廣泛。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況Fig.1 Outline map of study area

準噶爾盆地經(jīng)過印支運動期間秦-昆洋于三疊紀末閉合和昆侖-秦嶺崛起的構造擠壓遠程效應，使得盆地周緣造山帶進一步隆起，逆沖推覆廣泛發(fā)育，盆山整體構造抬升，聚煤作用微弱；燕山早期，早-中侏羅世盆、山構造抬升已趨于平靜，而盆地開始向“廣盆”“大湖”的方向發(fā)育，因此該階段為準噶爾盆地乃至西北地區(qū)最大規(guī)模聚煤事件。并且自二疊紀以來，盆地內(nèi)就少有火山活動，尤其是研究區(qū)自侏羅紀以來更是少見巖漿侵入[41]。

2 采樣與測試方法

參照《煤層煤樣采取方法》(GB/T 482—2008)，對準東煤田五彩灣礦區(qū)一露天礦坑垂直采樣20件，樣品均來自同一巨厚煤層(63 m)，自上而下編號為SH1-20(圖2)。煤巖光片制備按照GB/T 15590—2008的標準進行，并利用光學顯微鏡對煤巖光片進行觀察。所采取的手段是通過蔡司 Axio Scope A1顯微鏡配以放大倍數(shù)為10倍的目鏡和50倍的油浸鏡頭對制備好的拋光塊進行觀察，在進行殼質(zhì)組的觀察時再配以紫色熒光，每個拋光塊均勻分布至少500個計數(shù)點。采用同樣的顯微鏡和鏡頭并配以J&M的MSP200顯微分光光度計對惰質(zhì)組反射率進行測定。煤中PAHs的提取與測定參照并改進王道瑋[42]萃取土壤中PAHs的方法，利用快速溶劑萃取裝置對PAHs進行提取，氮氣吹掃濃縮后再通過弗羅里硅土固相萃取柱對PAHs進一步提純，然后再進行氮氣吹掃濃縮。16種PAHs外標液濃度分別為0，0.1，0.2，1.0，2.0，4，10 μg/mL，內(nèi)標液為5種氘代多環(huán)芳烴。由于煤巖樣品中有機質(zhì)含量較高且較為致密，因此在前處理時要減少樣品量至5 g，采用33 mL的萃取池，煤巖顆粒應控制在0.150 mm以下。

3 試驗結(jié)果

3.1 煤中的惰質(zhì)組

對煤中顯微組分的觀察和定量分析表明，本次樣品顯微組分以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，殼質(zhì)組含量極少(表1)。其中惰質(zhì)組含量38.89%～87.72%(平均53.26%)，鏡質(zhì)組含量11.08%～59.68%(平均45.66%)。各層位惰質(zhì)組均以半絲質(zhì)體和碎屑惰質(zhì)組為主，絲質(zhì)體含量較少，并見少量微粒體。鏡質(zhì)組均以基質(zhì)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體為主，見少量的均質(zhì)鏡質(zhì)體。惰質(zhì)組反射率測定的主要目標是微觀木炭，即絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體和碎屑惰質(zhì)體(圖2)。惰質(zhì)組反射率測定結(jié)果顯示各樣品間除最大反射率相差較大外(1.95%～3.17%)，其平均反射率和最小反射率相差均在0.5%以內(nèi)，標準差范圍0.29～0.54。

表1 樣品的顯微煤巖組分占比及惰質(zhì)組反射率統(tǒng)計

3.2 煤中的PAHs

根據(jù)提取的20個樣品中16種PAHs含量數(shù)據(jù)顯示，這16種PAHs分別是:萘(Nap)、苊烯(AcPy)、苊(Acp)、芴(Flu)、菲(PA)、蒽(Ant)、熒蒽(FL)、芘(Pyr)、苯并(a)蒽(BaA)、屈(CHR)、苯并(k)熒蒽(BkF)、苯并(b)熒蒽(BbF)、苯并(a)芘(BaP)、茚并(123-cd)芘(IND)、二苯并(ah)蒽(DBA)和苯并(ghi)芘(BghiP)。研究區(qū)內(nèi)不同層位間PAHs含量變化范圍相對較大(表2)，范圍3 881～6 525 ng/g，均值4 433 ng/g，且同層位不同種類的多環(huán)芳烴的含量相差極大。PAHs含量數(shù)據(jù)表明苯并(k)熒蒽、苯并(b)熒蒽和茚并(123-cd)芘的含量要普遍高于同層位其他種類的含量，以PAHs環(huán)數(shù)分類，二環(huán)芳烴占4.51%，三環(huán)占28.69%，四環(huán)占23.57%，五環(huán)占24.83%，六環(huán)占18.41%。

表2 樣品中16種PAHs的含量Table 2 Content of 16 PAHs of samples ng/g

4 討 論

4.1 古野火存在的證據(jù)

4.1.1 木炭方面的證據(jù)

前人的研究結(jié)果顯示煤中10～500 μm的惰質(zhì)組成分可以當做古野火證據(jù)[23]。許云等[44]通過煤中惰質(zhì)組的含量和反射率確定了侏羅紀鄂爾多斯盆地古野火類型和事件造成的氣候影響；WANG等[40]也通過同樣的手段對我國東北地區(qū)早白堊世的古野火范圍，類型和強度進行了分析，同時對當時的古氣候環(huán)境進行了推斷;蔡垚峰[45]通過對新疆大龍口一剖面木炭化石的顯微觀察和反射率測定，確定了古野火的發(fā)生層位和古環(huán)境信息。惰質(zhì)組相關數(shù)據(jù)顯示，樣品惰質(zhì)組含量31.14%～82.64%，平均55.78%。這一平均含量是被認為發(fā)生過野火事件二連盆地的1.6倍，更是高于當前環(huán)境下泥炭中4.27%惰質(zhì)組含量[39]，并與鄂爾多斯盆地相持平[44]。這表明研究區(qū)煤層沉積時期野火的頻率要高于二連盆地聚煤時期的野火頻率。依據(jù)煤巖學理論，較多的惰質(zhì)組含量，極少的殼質(zhì)組代表了其成煤植被以灌木和喬木為主，同時前人研究結(jié)果也顯示研究區(qū)成煤環(huán)境以干燥-潮濕森林沼澤為主[46]。大量發(fā)育的木質(zhì)類植物和較為干燥的環(huán)境也為野火的發(fā)生提供了物源和前提。現(xiàn)代研究表明煤中的絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體是有機質(zhì)受到野火影響熱變質(zhì)形成的，在低階煤中其反射率要明顯大于鏡質(zhì)組。因此樣品中含量較多且反射率較高的絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體表明研究區(qū)在聚煤階段發(fā)生過古野火事件。

4.1.2 PAHs方面的證據(jù)

SHEN等[31]在研究中國眉山二疊-三疊紀生物滅絕事件時，認為大規(guī)模的野火事件是生物滅絕的主要原因之一，并將PAHs的含量異常作為野火發(fā)生的重要證據(jù)；VERGNOUX等[21]對法國南部森林表層土壤中PAHs的分布特征進行研究，得出了森林火災主要產(chǎn)生低分子量的多環(huán)芳烴的結(jié)論；趙紅梅等[47]對三江平原沼澤土中多環(huán)芳烴的含量分布進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有火燒跡象沼澤土中的多環(huán)芳烴含量高于無火燒跡象的沼澤土。

由于熱事件、生物降解和風化會導致PAHs的降解，當PAHs作為古野火事件指標時一定要排除這3個因素的干擾[3，9，48]?，F(xiàn)有的研究顯示準噶爾盆地東部侏羅紀之后沒有規(guī)模性的巖漿侵入事件，而生物降解在同一地質(zhì)歷史時期的差異性又極小，采集新鮮樣品又排除了風化因素的干擾，因此本次試驗得出的PAHs的數(shù)據(jù)是有效的。將試驗數(shù)據(jù)代入到Y(jié)UNKER等判別PAHs來源的模型中，可以得出所有樣品的PAHs主要來源均為有機生物質(zhì)燃燒(圖3)[29];另一方面，SH-6，SH-10，SH-18所在層位，無論是PAHs總量還是常見的8種被認為是燃燒源的PAH[21，31]含量要明顯高于其他層位(圖4);最后將木炭豐度和反射率數(shù)據(jù)與PAHs含量數(shù)據(jù)對比，可以觀察到兩者有較高的吻合度(圖5)，均在SH-6，SH-10，SH-18所在層位出現(xiàn)了異常。結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，足以說明研究區(qū)在聚煤期間至少發(fā)生了3次規(guī)模較大的野火事件。

圖3 常見的8種燃燒源PAHs含量Fig.3 Concentration of 8 combustion-derived PAHs

圖4 PAHs來源模型[29]Fig.4 Model of source of PAHs[29]

圖5 惰質(zhì)組和PAHs特征綜合分析Fig.5 Comprehensive analysis of inertinite and PAHs

雖然模型顯示所有樣品PAHs的來源均為生物質(zhì)燃燒，但是全都處于化石燃料燃燒源和生物質(zhì)燃燒源的邊界上，而與化石燃料燃燒源沒有十分清晰的界限。這可能是因為原本已經(jīng)沉積的泥炭受到后期野火事件的影響，野火產(chǎn)生的高溫使得已沉積泥炭中的PAHs產(chǎn)生了類似于化石燃料燃燒的熱解反應，一定程度上破壞了原有PAHs成分，造成了在模型上的偏移。事實上，采樣點是一整套厚約63 m的煤層，如此厚的煤層其沉積時期必定是漫長的，期間可能發(fā)生過多次的野火事件，各種指標也指示出了至少3個時期的高頻率野火事件，即SH-6,SH-10和SH-18所在層位的野火事件。因此研究區(qū)在聚煤期間至少有過3次規(guī)模較大的野火事件是可靠的。

4.2 古野火的類型

根據(jù)燃燒物質(zhì)和溫度的不同，野火的類型可分為3類:① 燃燒地表落葉層之下有機質(zhì)的地面火，溫度在300 ℃左右；② 燃燒地表落葉層、草本植物和灌木的地表火，溫度在600 ℃左右；③ 燃燒樹木樹冠和大型灌木的樹冠火，溫度在800 ℃，甚至更高[12，16，49]。JONES[50]最早得出了惰質(zhì)組反射率與形成溫度之間的對應關系并沿用至今，盡管這種關系不是完全的線性關系，但是燃燒溫度大致可以通過式(1)進行計算[51-53]。

T=184.10+117.76Ro(r2=0.91)

(1)

其中，T為惰質(zhì)組形成時的溫度；Ro為所測得的惰質(zhì)組反射率。利用惰質(zhì)組反射率判別古野火類型的研究早已屢見不鮮[40，44]。將測得的惰質(zhì)組反射率代入式(1)，再結(jié)合古野火劃分依據(jù)即可得出研究區(qū)中侏羅世西山窯組沉積期間的野火類型。在選取反射率值時應當考慮到微觀木炭(惰質(zhì)組)可能會被周圍空氣產(chǎn)生的熱氣流卷入高空，然后隨風進行遠距離搬運到幾百甚至幾千公里以外的地方，因此常見的選取惰質(zhì)組平均反射率來判斷古野火類型。事實上，利用平均反射率來判斷古野火類型也并非是最準確的，因為無論是何種強度的野火，在其發(fā)生時總有燃燒不充分和溫度較低的位置，這些位置的反射率不具有代表性，因此在判別古野火類型時應當將這一部分數(shù)據(jù)多加處理，尤其是在判別地表火和樹冠火時應該尤為注意。但是現(xiàn)有的研究還未明確在利用惰質(zhì)組反射率判別古野火類型時應當如何對數(shù)據(jù)進行處理和修正，解決這一問題需要大量的室內(nèi)試驗和數(shù)據(jù)分析，暫用惰質(zhì)組平均反射率來判別古野火類型。研究區(qū)西山窯組沉積煤層中SH-6、SH-10和SH-18樣品平均反射率對應的形成溫度分別為351、365和347 ℃，表明這3個樣品沉積期間野火主要以中低溫的地面火為主。

圖6 部分樣品惰質(zhì)組反射率占比Fig.6 Proportion of reflectivity of inertinite in some samples

4.3 侏羅紀古野火事件與古氣候的關系

眾多研究表明三疊-侏羅邊界發(fā)生了6億年來最大生物滅絕事件，大西洋中部巖漿省火山的大規(guī)?；顒釉黾恿舜髿庵械腃O2濃度，而進行光合作用的植物大量滅絕則導致了氧含量的急劇下降。由于巖漿活動和大部分進行光合作用的植被滅絕，大氣CO2含量上升的趨勢一直持續(xù)。根據(jù)SELLWOOD[53]的大氣環(huán)流模型，在早、中侏羅世全球氣溫比現(xiàn)代高5～10 ℃，海水溫度比現(xiàn)代高8 ℃。大氣CO2含量增加產(chǎn)生了強烈的溫室效應，直至中侏羅世，此時大氣中CO2含量達到頂峰[54]，植物種類變得豐富[55]，大量植物進行光合作用消耗CO2產(chǎn)生O2，在提升了大氣氧含量的同時固定大氣中的碳。BAKER[56]的研究結(jié)果表明，在全球碳總量不變的情況下，地層中有機碳含量的增加將會導致大氣氧含量的增加，而在氧含量上升的影響下，即使是濕潤燃料依舊能被點燃并保持燃燒[39]。因此在這一時期野火頻發(fā)，野火對植被的破壞和產(chǎn)生的大量CO2氣體又極大干擾了植物對C的固定作用，使得大氣CO2含量削減變緩，去溫室效應減弱。

BERNER[37，57]的研究顯示:頻繁的野火會將大量的碳固定在沉積物中，導致大氣中碳含量降低，繼而引起氧氣濃度升高。然而PAGE[58]和VAN DER WERF等[59]的研究則證明1997年和1998年的印尼大火使得約0.95 Gt的碳被釋放到大氣中，這大約相當于當時15%的全球化石燃料的碳排放量[60]。此外，野火產(chǎn)生的煙霧對光合作用的影響也會抑制植物對大氣中二氧化碳的吸收從而延長溫室效應的周期[5-6]。

泥炭的積累對整個全新世的地球氣候產(chǎn)生了凈降溫效應[61]，與全新世一樣，侏羅紀也是全球重要的成煤時期。泥炭沉積區(qū)的野火會干擾碳儲量，導致土壤碳流失[62]，同時減緩去溫室效應的進程。但是已沉積的泥炭是否會在野火或其他因素影響下(大氣氧含量、溫度和加熱時間)被點燃，使泥炭地成為碳排放的一大來源，從而更深層次的影響全球碳循環(huán)，還需要進一步的研究。

6 結(jié) 論

1)準噶爾盆地東部中侏羅世西山窯組煤中惰質(zhì)組含量較高，惰質(zhì)組含量38.89%～87.72%，平均53.26%，各層位惰質(zhì)組均以半絲質(zhì)體和碎屑惰質(zhì)組為主。

2)PAHs特征表明，該煤層PAHs來源為生物質(zhì)燃燒源，且在SH-6、SH-9、SH-18層位生物質(zhì)燃燒源PAHs含量明顯增多，該異常與惰質(zhì)組特征相吻合，這表明在該煤層(62 m)沉積期間至少發(fā)生過3次廣泛的古野火事件，且這3次古野火類型均為中低溫的地下火。

3)古野火產(chǎn)生的CO2、煙塵和對植被的破壞能夠在一定程度上干擾植被對大氣中碳的固定，使得大氣中碳含量增加，溫室效應加劇。