楊 博,田繼軍,馮 爍,楊金輝，李勇澤

(1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；3.新疆力源信德環(huán)境檢測(cè)技術(shù)服務(wù)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(gè)重要的干擾因素，高強(qiáng)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(fù)，新生的生物群落可能會(huì)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(jìn)程[1-3]。大規(guī)模野火事件會(huì)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(huì)改變大氣反射率和成分，甚至能在一定時(shí)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(jī)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(duì)古生物群落演化、古氣候分析和地質(zhì)歷史時(shí)期的碳循環(huán)有著重要意義，而識(shí)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?yàn)槲覀冏R(shí)別古野火事件排除干擾?，F(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(jī)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(jī)質(zhì)外，任何有機(jī)質(zhì)都可充當(dāng)燃料[13]。氧氣濃度是影響火災(zāi)發(fā)生的重要因素，已有的研究表明當(dāng)氧氣濃度低于15%時(shí)，植物體是無法被點(diǎn)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(jì)植物登陸以后[16-18]。在確定了三要素后，就需要對(duì)古野火發(fā)生的證據(jù)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和整理。目前，古野火的識(shí)別標(biāo)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(shí)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(cè)定的方法從外形和物理性質(zhì)上對(duì)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(jìn)行了研究，試驗(yàn)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(gòu))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(xì)胞壁的均質(zhì)化、反射率升高和碳含量的增加。因此他認(rèn)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(duì)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(xué)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(shí)惰質(zhì)組的反射率也被證明與其形成溫度成正相關(guān)，當(dāng)惰質(zhì)組反射率大于1%時(shí)，其形成溫度大于350 ℃，顯然絕大部分地區(qū)的地溫梯度是達(dá)不到的，而自然界中的野火可以輕易達(dá)到這一溫度，大規(guī)模森林火災(zāi)形成的高溫甚至在800 ℃以上[8-10]。因此，炭屑反射率的測(cè)定對(duì)判別古火災(zāi)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(dòng)植物組織等環(huán)境介質(zhì)中，并且由于其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)而很難被生物所利用。VENKATESAN等[28]在世紀(jì)20世紀(jì)80年代研究白堊紀(jì)古野火事件時(shí)就將PAHs作為了判別證據(jù)。YUNKER[29]更是進(jìn)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(gè)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(duì)古野火的研究主要集中在生物大滅絕時(shí)期，強(qiáng)度大、范圍廣、影響深是這一時(shí)期野火的主要特點(diǎn)[24，30-32]，而對(duì)于那些區(qū)域性的古野火事件研究則先對(duì)較少。事實(shí)上，我國西部地區(qū)中侏羅統(tǒng)蘊(yùn)藏著大量煤炭資源，這說明其在中侏羅世時(shí)期有著豐富的植被。同時(shí)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(jì)是全球重要的成煤期，我國侏羅紀(jì)煤更是占到了煤炭資源總量的2/3[35-31]，但是關(guān)于該時(shí)期古野火的研究卻相對(duì)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(duì)中侏羅世準(zhǔn)噶爾盆地東部的古野火事件進(jìn)行了識(shí)別，并對(duì)其產(chǎn)生的古環(huán)境影響進(jìn)行了分析。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于新疆準(zhǔn)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(zhǔn)噶爾東部煤田的五彩灣礦區(qū)。五彩灣礦區(qū)位于準(zhǔn)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(zhǔn)噶爾盆地經(jīng)過印支運(yùn)動(dòng)期間秦-昆洋于三疊紀(jì)末閉合和昆侖-秦嶺崛起的構(gòu)造擠壓遠(yuǎn)程效應(yīng)，使得盆地周緣造山帶進(jìn)一步隆起，逆沖推覆廣泛發(fā)育，盆山整體構(gòu)造抬升，聚煤作用微弱；燕山早期，早-中侏羅世盆、山構(gòu)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(zhǔn)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(jì)以來，盆地內(nèi)就少有火山活動(dòng)，尤其是研究區(qū)自侏羅紀(jì)以來更是少見巖漿侵入[41]。

2 采樣與測(cè)試方法

參照《煤層煤樣采取方法》(GB/T 482—2008)，對(duì)準(zhǔn)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(hào)為SH1-20(圖2)。煤巖光片制備按照GB/T 15590—2008的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并利用光學(xué)顯微鏡對(duì)煤巖光片進(jìn)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(duì)制備好的拋光塊進(jìn)行觀察，在進(jìn)行殼質(zhì)組的觀察時(shí)再配以紫色熒光，每個(gè)拋光塊均勻分布至少500個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)。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(jì)對(duì)惰質(zhì)組反射率進(jìn)行測(cè)定。煤中PAHs的提取與測(cè)定參照并改進(jìn)王道瑋[42]萃取土壤中PAHs的方法，利用快速溶劑萃取裝置對(duì)PAHs進(jìn)行提取，氮?dú)獯祾邼饪s后再通過弗羅里硅土固相萃取柱對(duì)PAHs進(jìn)一步提純，然后再進(jìn)行氮?dú)獯祾邼饪s。16種PAHs外標(biāo)液濃度分別為0，0.1，0.2，1.0，2.0，4，10 μg/mL，內(nèi)標(biāo)液為5種氘代多環(huán)芳烴。由于煤巖樣品中有機(jī)質(zhì)含量較高且較為致密，因此在前處理時(shí)要減少樣品量至5 g，采用33 mL的萃取池，煤巖顆粒應(yīng)控制在0.150 mm以下。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 煤中的惰質(zhì)組

對(duì)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(cè)定的主要目標(biāo)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)

3.2 煤中的PAHs

根據(jù)提取的20個(gè)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(duì)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(dāng)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(jì)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(duì)我國東北地區(qū)早白堊世的古野火范圍，類型和強(qiáng)度進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)當(dāng)時(shí)的古氣候環(huán)境進(jìn)行了推斷;蔡垚峰[45]通過對(duì)新疆大龍口一剖面木炭化石的顯微觀察和反射率測(cè)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(guān)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(rèn)為發(fā)生過野火事件二連盆地的1.6倍，更是高于當(dāng)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(shí)期野火的頻率要高于二連盆地聚煤時(shí)期的野火頻率。依據(jù)煤巖學(xué)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(shí)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?，F(xiàn)代研究表明煤中的絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體是有機(jī)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(jì)生物滅絕事件時(shí)，認(rèn)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(duì)法國南部森林表層土壤中PAHs的分布特征進(jìn)行研究，得出了森林火災(zāi)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(duì)三江平原沼澤土中多環(huán)芳烴的含量分布進(jìn)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(fēng)化會(huì)導(dǎo)致PAHs的降解，當(dāng)PAHs作為古野火事件指標(biāo)時(shí)一定要排除這3個(gè)因素的干擾[3，9，48]?，F(xiàn)有的研究顯示準(zhǔn)噶爾盆地東部侏羅紀(jì)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(shí)期的差異性又極小，采集新鮮樣品又排除了風(fēng)化因素的干擾，因此本次試驗(yàn)得出的PAHs的數(shù)據(jù)是有效的。將試驗(yàn)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(jī)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(rèn)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(duì)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?yàn)樵疽呀?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(yīng)，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(shí)上，采樣點(diǎn)是一整套厚約63 m的煤層，如此厚的煤層其沉積時(shí)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(biāo)也指示出了至少3個(gè)時(shí)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(jī)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(duì)應(yīng)關(guān)系并沿用至今，盡管這種關(guān)系不是完全的線性關(guān)系，但是燃燒溫度大致可以通過式(1)進(jìn)行計(jì)算[51-53]。

T=184.10+117.76Ro(r2=0.91)

(1)

其中，T為惰質(zhì)組形成時(shí)的溫度；Ro為所測(cè)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(cè)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(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到微觀木炭(惰質(zhì)組)可能會(huì)被周圍空氣產(chǎn)生的熱氣流卷入高空，然后隨風(fēng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離搬運(yùn)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(shí)上，利用平均反射率來判斷古野火類型也并非是最準(zhǔn)確的，因?yàn)闊o論是何種強(qiáng)度的野火，在其發(fā)生時(shí)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(shí)應(yīng)當(dāng)將這一部分?jǐn)?shù)據(jù)多加處理，尤其是在判別地表火和樹冠火時(shí)應(yīng)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(shí)應(yīng)當(dāng)如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和修正，解決這一問題需要大量的室內(nèi)試驗(yàn)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(duì)應(yīng)的形成溫度分別為351、365和347 ℃，表明這3個(gè)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(jì)古野火事件與古氣候的關(guān)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?dòng)增加了大氣中的CO2濃度，而進(jìn)行光合作用的植物大量滅絕則導(dǎo)致了氧含量的急劇下降。由于巖漿活動(dòng)和大部分進(jìn)行光合作用的植被滅絕，大氣CO2含量上升的趨勢(shì)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(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，直至中侏羅世，此時(shí)大氣中CO2含量達(dá)到頂峰[54]，植物種類變得豐富[55]，大量植物進(jìn)行光合作用消耗CO2產(chǎn)生O2，在提升了大氣氧含量的同時(shí)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(jī)碳含量的增加將會(huì)導(dǎo)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(diǎn)燃并保持燃燒[39]。因此在這一時(shí)期野火頻發(fā)，野火對(duì)植被的破壞和產(chǎn)生的大量CO2氣體又極大干擾了植物對(duì)C的固定作用，使得大氣CO2含量削減變緩，去溫室效應(yīng)減弱。

BERNER[37，57]的研究顯示:頻繁的野火會(huì)將大量的碳固定在沉積物中，導(dǎo)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(dāng)于當(dāng)時(shí)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(duì)光合作用的影響也會(huì)抑制植物對(duì)大氣中二氧化碳的吸收從而延長溫室效應(yīng)的周期[5-6]。

泥炭的積累對(duì)整個(gè)全新世的地球氣候產(chǎn)生了凈降溫效應(yīng)[61]，與全新世一樣，侏羅紀(jì)也是全球重要的成煤時(shí)期。泥炭沉積區(qū)的野火會(huì)干擾碳儲(chǔ)量，導(dǎo)致土壤碳流失[62]，同時(shí)減緩去溫室效應(yīng)的進(jìn)程。但是已沉積的泥炭是否會(huì)在野火或其他因素影響下(大氣氧含量、溫度和加熱時(shí)間)被點(diǎn)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(jìn)一步的研究。

6 結(jié) 論

1)準(zhǔn)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(duì)植被的破壞能夠在一定程度上干擾植被對(duì)大氣中碳的固定，使得大氣中碳含量增加，溫室效應(yīng)加劇。