邵龙义, 汪浩. (2011)中国西南地区晚二叠世泥炭地净初级生产力及其控制因素* [J]. 古地理学报, 13(5): 473-480
Shao Longyi, Wang Hao, Large D J. (2011)Net primary productivity and its control of the Late Permian peatlands in southwestern China[J]. Journal Of Palaeogeography, 13(5): 473-480. DOI:  
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中国西南地区晚二叠世泥炭地净初级生产力及其控制因素*
邵龙义1, 汪浩1
1 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083
2 英国诺丁汉大学工程学院,NG72RD

第一作者简介：邵龙义,男,1964年生,1989年毕业于中国矿业大学(北京),获工学博士学位,现为中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院教授,博士生导师,长期从事沉积学和煤田地质学的教学及研究工作。E-mail:ShaoL@cumb.edu.cn。

收稿日期:2011-05-15
基金:国家自然科学基金重点项目(编号:1030213)及国家科技重大专项(编号:2011ZX05009-002)联合资助
摘要

米兰科维奇旋回理论是古环境研究中重要的时间“度量”工具。文中以贵州普安糯东 17号煤层和云南富源天佑 10号煤层为例,对晚二叠世煤层的地球物理测井信号进行频谱分析,以获得其中的米兰科维奇轨道周期参数。研究发现,测井信号所反映出的煤层灰分含量变化受泥炭地发育时期的米兰科维奇轨道周期( 123 ka(偏心率): 35.6 ka(斜率): 21.2 ka(岁差))驱动。以煤层剖面中的轨道周期为时间尺度,进一步计算出晚二叠世泥炭地的碳聚集速率为 54.3~77.0 gC/( m2· a),对应的净初级生产力( NPP)为 543~1540 gC/( m2· a)。 基于晚二叠世、晚石炭世和现代热带泥炭地的 NPP与各个时期大气成分的对比结果显示,大气中的二氧化碳和氧气含量对陆相生态系统的净初级生产力具有关键性的控制作用。

关键词: 米兰科维奇旋回; 晚二叠世; 泥炭地; 碳聚集速率; 净初级生产力
中图分类号:P618.117 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2011)05-0473-08
Net primary productivity and its control of the Late Permian peatlands in southwestern China
Shao Longyi1, Wang Hao1, Large D J2
1 School of Geoscience and Survey Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083
2 Faculty of Engineering,University of Nottingham,UK,NG72RD;

About the first author：Shao Longyi,born in 1964,graduated and obtained his Ph.D.degree from China University of Mining and Technology(Beijing)in 1989.Now he is a professor at the School of Geoscience and Survey Engineering of China University of Mining and Technology(Beijing),with main interests in sedimentology and coal geology.

Abstract

Milankovitch theory is an important tool in constraining time in the palaeoenviorment analysis. In this study,the geophysical logs of the Late Permian No.17 Coal in Nuodong,Pu’an of Guizhou Province and No.10 Coal in Tianyou,Fuyuan of Yunnan Province are analyzed employing spectral analysis.The result shows that the mineral matter content(ash yield)of the coal was possibly influenced by 123,ka(eccentricity),35.6 ka(obliquity)and 21.2 ka(precession)Milankovitch cycles.Using this timeframe,the Lopingian tropical peatland carbon accumulation rate is calculated to be 54.3~77.0 gC/(m2·a),which is expected to correspond to a NPP of 543~1540 gC/(m2·a). A comparison of NPP and temporal atmospheric composition among the Late Permian,Late Carboniferous and modern time indicates that the Late Permian NPP calculated is consistent with geochemical and palaeobotanical models,supporting a proposal that terrestrial productivity is mainly controlled by temporal atmospheric O2 and CO2 levels.

Key words: Milankovitch cycle; Late Permian; peatland; carbon accumulation rate; net primary productivity(NPP)

近年来, 米兰科维奇旋回理论被广泛应用于高分辨率旋回地层学研究。在含煤岩系的研究中发现煤层中也存在米兰科维奇旋回信息, 并可作为重要的时间尺度来研究泥炭地的生态特征(Large et al., 2003, 2004; Large, 2007)。泥炭地生态系统自泥盆纪晚期以来就在全球碳循环中扮演重要角色(Greb et al., 2006), 这是因为大气化学成分的变化, 尤其是氧气和二氧化碳含量的变化, 会反映在泥炭地的碳聚集特征上, 而泥炭地碳聚集特征的变化又会对全球碳循环中泥炭地的功能产生影响(Beerling and Woodward, 2001)。

虽然煤(和泥炭)的碳聚集特性能够为研究全球碳循环提供有效的理论支撑, 但是在对与煤层相关的生态学特征进行计算时往往会面临煤层定年的难题。尽管许多定年方法(如放射性定年技术)在现代泥炭地的研究中应用广泛而且较为有效, 但这些技术自身存在相当的误差和限制条件(Allè gre, 2008), 再加上煤层的形成时限一般较短, 因此使得放射性定年技术无法被广泛地应用于煤层记录的研究中。目前, 一种可行的定年方法是根据煤层的地球化学和地球物理信号甄别出其中的米兰科维奇旋回信息(Schwarzacher, 1993; Weedon, 2003), 然后利用这些参数在煤层剖面中“ 度量” 出形成煤层的泥炭地的存活时限。这一方法已经被成功地应用到新生界煤层中(Large et al., 2003)。在应用轨道周期旋回定年的同时, 可以利用研究程度较高的全新世泥炭地的生态学特征来进行类比, 从而估算出地质历史时期泥炭地的生态学参数(Large, 2007)。虽然这种方法存在一定缺陷, 但因为它能够较为合理地确定泥炭地的生产力, 因此, 该方法很可能是目前研究前新生代煤层中相关信息的唯一手段。

文中尝试以米兰科维奇旋回理论的时间尺度来计算中国滇东黔西地区晚二叠世泥炭地的碳聚集速率、净初级生产力等, 并讨论它们的控制因素。

1 研究区域和剖面

在沉积物中进行米兰科维奇旋回研究要求选择合适的研究对象。研究剖面的选择要求有:(1)厚度足够大, 剖面所代表的时间跨度最好能够覆盖多个最长米兰科维奇旋回周期, 以保证分析结果的可信度; (2)沉积剖面连续性好, 以保证后续数据处理的准确性(Schwarzacher, 1993; Weedon, 2003)。而被选择的研究对象则要求其能够直接或者间接地响应当时气候变化的驱动, 并且最好有直观的旋回性。

图1 滇东黔西古地理简图及剖面位置(据邵龙义等, 1998, 简化)Fig.1 Palaeogeography map of eastern Yunnan and western Guizhou Provinces and location of studied profiles(modified from Shao et al., 1998)

根据上述要求, 经过对滇东黔西晚二叠世含煤地层的对比研究, 本次工作选择了两个剖面(图1):贵州普安县的糯东矿区剖面和云南富源县的天佑矿区剖面。在晚二叠世, 中国西南地区位于赤道附近(Wang and Li, 1998), 为温暖潮湿的热带— 亚热带气候(田宝霖和张连武, 1980; 郭英廷, 1990a), 适宜于成煤泥炭地发育。这两个研究剖面所在区域在此时都处于海陆过渡区域(图 1), 沉积剖面连续, 而且具备较好的煤层保存条件(罗忠等, 2008; Wang et al., 2011a)。

贵州省普安县糯东矿区的17号煤层位于龙潭组上段, 厚度为15.1 m。该煤层底板为粉砂岩和泥岩(图 2-A), 顶板是泥岩和含动物化石灰岩; 煤岩类型以半亮— 半暗型为主, 镜质组含量87.16%, 惰质组含量12.84%, 仅含有微量壳质组, 无机物含量9.7%。煤层的原煤干燥基灰分平均为18.2%, 干燥基全硫含量为2.3%(表 1)。该煤层的沉积古地理环境为滨岸泥炭地。

云南省富源县天佑矿区的10号煤位于宣威组中段, 厚度为12.7 m。该煤层顶板为一套菱铁质粉砂岩和薄层泥岩 (图 2-B), 底板为粉砂质泥岩或泥岩; 煤岩类型以半亮— 半暗型为主, 镜质组含量61.2%, 惰质组含量21.2%, 壳质组含量7%, 无机物含量13.4%。煤层的原煤干燥基灰分平均为20%, 干燥基全硫含量为0.15%(表 1)。该煤层沉积环境为陆相河流— 三角洲中的泥炭地。

表1 贵州普安糯东17号煤层和云南富源天佑10号煤层的主要煤质指标 Table1 Main coal property parameters of No17 Coal at Nuodong, Puan County of Guizhou Province and No10 coal at Tianyou, Fuyuan County of Yunnan Province

图2 滇东黔西地区上二叠统含煤岩系岩性特征及煤层测井曲线（A— 普安糯东17号煤层; B— 富源天佑10号煤层; 这两层煤的沉积年代为晚二叠世吴家坪期, 距今260.4~253.8 Ma(ICS, 2009)）Fig.2 Lithology and coal geophysical loggings of the Upper Permian in eastern Yunnan and western Guizhou Provinces

图3 贵州普安糯东17号煤层频谱分析结果Fig.3 Results of spectral analysis for No.17 coal at Nuodong, Pu'an County of Guizhou Province

2 数据来源以及处理

文中通过3种地球物理测井信息, 即自然伽马(GR), 伽马伽马(或密度测井, Density)和三侧向电阻率测井(LL3)来阐释煤层性质(图 2), 这些信号体现了煤层灰分含量的变化(Diessel, 1992)。从该煤层灰分含量较高的特征(表 1)可以看出, 形成该煤层的泥炭地为受地表水给养的低位泥炭地(Moore, 1987)。在这种环境中, 煤层灰分主要受地表水搬运的陆源碎屑物供给的影响。在当地其他条件(如构造条件)稳定的前提下, 泥炭地的水文条件必定会与当时的气候条件密切相关, 因此其能够反映成煤泥炭地发育期间的天文周期旋回。

通过测井和实际数据的比较可以看出, 煤层中低灰分部分比高灰分部分具有较低的GR值, 较高的Density值和较低的LL3值。所有测井曲线依照原始测井的测量间距进行采样, 即采样间距为0.1, m。因此, 普安糯东17号煤层和富源天佑10号煤层每条测井曲线分别有151个和127个点。在进行频谱分析之前, 对每条测井曲线中数据的分布特征进行检测。如果数据存在明显的不对称分布(如糯东17号煤层的GR和天佑10号煤层的LL3), 就对该曲线数据进行Log10x转换。这一转换可以通过近似均衡分布平均值的方法来增加小数值的权重, 从而改善数据的分布特征(Large et al., 2003)。

文中利用SSA-MTM工具箱提供的奇异谱分析(SSA)、多窗谱分析(MTM)以及最大熵谱分析(MEM)方法来分析测井数据的频谱。整个分析过程可以概括为:首先使用SSA来确定并移除数据中的低频趋势, 并对有意义的频率进行非线性重建。然后对去除了低频趋势或者原始没有包含低频趋势的数据进行MTM分析, 识别其中包含在米兰科维奇频率范围内的频率, 并选择置信水平大于(等于)99%的频谱峰值与使用MEM方法得到的峰值进行比较, 最终采用相同频率为有效的显著频率。SSA、MTM以及MEM的详细原理以及算法参见Ghil 等(2002)。

MTM的设置为:带数为3, 分辨率为2, 鲁棒背景噪音检测使用线性差标准, 并在合理范围内调整设置参数, 未发现显著变化。MEM的级数设置在n/10到n/3之间变化, 其中n为数据个数。

图4 云南富源天佑10号煤层频谱分析结果Fig.4 Results of spectral analysis for No.10 coal at Tianyou, Fuyuan County of Yunnan Province

图5 贵州普安糯东17号煤层GR测井曲线中识别出的米兰科维奇周期（M1(长周期)、M2(中周期)和M3(短周期)分别对应5、1.67和0.9 m/周期）Fig.5 Milankovitch cycles in geophysical loggings of No.17 coal at Nuodong, Pu'an County of Guizhou Province

3 频谱分析

结果对两个煤层的测井曲线进行频谱分析的结果显示, 它们的有效显著频率都分布在低频、中频和高频这3组范围内, 依次为0.10~0.29, 0.47~0.69和0.93~1.27周期/m(图 3, 图4), 频率的平均值分别为0.2、0.6和1.1周期/m, 对应的周期长度依次为5、1.67和0.90 m(图 5), 它们之间的比值为5.6:1.8:1。 该比值与泥炭地发育时期(约250 Ma)的米兰科维奇旋回周期相仿, 当时周期之间的比值为123 ka(偏心率):35.6, ka(斜率):21.2, ka(岁差)=5.8:1.7:1(Berger et al., 1989, 1992)。因此, 近似认为测井信号所反映的煤层灰分变化受到米兰科维奇旋回周期的驱动。

4 讨论
4.1 晚二叠世泥炭地生产力计算

将频谱分析得到的轨道周期应用到研究煤层中, 可以计算出两个煤层每千年沉积的厚度为0.040~0.047 m, 因此普安糯米17号煤层和富源天佑10号煤层的沉积时间分别为322~370 ka和270~312 ka。由于整个吴家坪阶沉积的时间为6.6 Ma, 所以计算得到的煤层沉积时间是合理的, 这也说明上文得到的米兰科维奇旋回周期是合理的。

成煤泥炭地在发育时期的碳聚集速率主要可以通过两种方法进行计算。第1种方法是首先通过逆推泥炭到煤的压缩率来计算泥炭堆积速率, 然后计算其中的碳聚集速率。但是, 人们对泥炭到煤的压缩率知之甚少。目前, 已发表的压缩率的范围为30:1(Zaritsky, 1975)到1.2:1(Nadon, 1998)。根据这一范围, 计算出泥炭的堆积速率为1.41~0.048 m/ka。可以看出, 这一范围太过宽泛, 以至于全部涵盖了Diessel等(2000)统计的全新世泥炭地堆积速率。相比较而言, 第2种方法则是直接通过煤层中的碳含量来计算泥炭中碳的聚集速率(单位为gC/(m2· a)), 这一方法的优势在于只依靠泥炭地发育的主要控制因素, 即生产和分解的平衡关系, 而与泥炭压缩等过程无关(Clymo et al., 1998)。普安糯东17号煤层碳含量为73%(空气干燥基), 平均密度为1.57 g/cm3 (表 1), 所以, 煤层中的碳聚集速率为45.8~53.9 gC/(m2· a); 与此类似, 富源天佑10号煤层碳含量为66%(空气干燥基), 平均密度为1.44 g/cm3 (表 1), 煤层中的碳聚集速率为38.0~44.7 gC/(m2· a)。综合二者的结果可知两煤层的碳聚集速率分布范围为38.0~53.9gC/(m2· a)。

但是, 煤层中的碳比成煤泥炭地中原始聚集的碳少, 因为有部分碳在煤化过程中损失了。假设在煤化过程中, 所有的氢原子都通过CH4的形式释放出来, 而氧原子都通过CO2的形式释放出来, 根据van Krevelen图表, 就可以估计泥炭成煤过程中干燥Ⅲ 型干酪根的碳损(Carbon Loss)(Diessel, 1992)。虽然有些碳可能通过其他的途径损失了, 但是上述的假设基本是合理的。通过这一方法, 可以计算出碳含量60%~70%的煤(干燥基)在泥炭的煤化过程中大约有30%的碳损。此外, 有学者通过对现代泥炭地的统计和对古生代成煤泥炭地中成煤植物的研究, 认为以鳞木为主要成煤植物的石炭纪成煤泥炭地从泥炭堆积到后期成煤的碳损大约也为30%(Cleal and Thomas, 2005)。根据以上碳损比例, 可得出研究煤层对应的晚二叠世泥炭地的碳聚集速率为54.3~77.0 gC/(m2· a)。此数值与报道的全新世热带泥炭地碳聚集速率范围(59~145 gC/(m2· a))相吻合(Sorensen, 1993; Neuzil, 1997), 但是位于低值区。

图6 全新世泥炭地NPP和碳聚集速率与纬度分布的关系图(据Large, 2007)（A— 全新世泥炭地NPP的纬度分布(Beerling and Woodward, 2001); B— 全新世泥炭地碳聚集速率的纬度分布(Diessel et al., 2000)）Fig.6 Comparison between A)the latitudinal distribution of the Holocene net primary productivity(NPP)calculated by Beerling and Woodward(2001), and B)the latitudinal variation of carbon accumulation rate in peatland derived from composite peat accumulation data of Diessel et al.(2000)(after Large, 2007)

基于上述泥炭地碳聚集速率的结果, 就可以估算出泥炭地的净初级生产力(NPP)。由于全新世和晚二叠世热带泥炭地的成煤植物、温度等存在一定的相似之处, 因此认为全新世泥炭地的NPP和碳聚集速率等特征与晚二叠世泥炭地的相关特征可以类比(Large, 2007; Wang et al., 2011b)。前人的比较结果显示全新世热带泥炭地的NPP一般为其碳聚集速率的10~20倍(Large, 2007, 图6)。将此倍率应用到普安糯东17号煤层和富源天佑10号煤层, 可以得到成煤泥炭地的NPP为543~1540 gC/(m2· a)。 因此可以看出, 笔者所研究的成煤泥炭地的NPP也与现代热带泥炭地的NPP范围(1000~3220 gC/(m2· a))(Aselmann and Crutzen, 1990; Neue et al., 1997)相似, 且仍然位于低值区。

4.2 晚二叠世西南地区泥炭地生产力的控制因素

从计算结果可以看出, 研究煤层对应的泥炭地NPP和碳聚集速率都在现今和全新世对应数值的范围之内且都偏低, 但是它们符合已报道的地化模型的计算结果和结论。这些模型模拟结果显示, 全球陆相有机碳埋藏速率在晚二叠世突然降低, 其原因可能是高生物量的森林向低生物量的草本植物转换、全球性干旱以及全球海平面的降低(Berner, 2005; Hilton and Cleal, 2007)。然而, 中国西南地区在晚二叠世被热带雨林所覆盖, 气候温暖潮湿, 并且成煤植物组成相对稳定(郭英廷, 1990b; 李星学等, 1995)。而且对于矿养泥炭地而言, 水分供应和养分不会成为限制植物生产力的主要因素(Moore, 1987)。此外, 现代研究认为泥炭地火灾会影响泥炭地的生产力和碳储集能力(Page et al., 2002), 但是研究煤层中的惰质组含量只占20%或更低, 说明其受到火灾的影响较小。虽然晚二叠世很可能比现在温暖(Frakes et al., 1992), 但是当时华南陆块的温度为26~29 ℃(Fluteau et al., 2001), 与现在的热带泥炭地分布区域也没有太大差异, 说明温度很可能也不是影响当时成煤泥炭地生产力的主要因素。

另外一个造成NPP差异的可能原因是当时大气中氧气和二氧化碳的含量, 因为它们控制着植物的光合作用和呼吸作用, 也就主要控制了植物的净初级生产力(Beerling and Woodward, 2001)。模拟计算显示, 当氧气含量从24%增加到35%时, 石炭纪全球陆相生物圈的净初级生产力降低了10%, 而且与冰期— 间冰期的气候状态无关。当考虑背景二氧化碳含量和气候状态时, 二者的差异更大(Beerling and Woodward, 2001)。在晚二叠世吴家坪期, 模拟的大气中氧气和二氧化碳含量为25%和0.1%(图 7)。

图7 大气中的氧含量(Berner, 2009)和二氧化碳含量(Berner, 2006)在地质历史中的变化（阴影部分P表示的是吴家坪期所处的位置, C为石炭纪后期）Fig.7 Atmospheric CO2%(Berner, 2006)and O2%(Berner, 2009)through geologic time

虽然较高的二氧化碳含量会引起植物的肥化效应, 但是, 这种作用可能由于当时较高的氧含量而被削弱。此外, 晚石炭世大气中氧和二氧化碳含量的模拟值分别为35%和0.3%(图 7), 而中国华南地区在晚石炭世NPP的理论计算值为800 gC/(m2· a)(Beerling and Woodward, 2001)。假设当地的环境条件和植物功能稳定, 那么文中计算的晚二叠世NPP值介于晚石炭世计算值和现代观察、计算值之间的这一现象, 符合前人的模型和结论, 即大气中的氧含量和二氧化碳含量是影响NPP的主要因素(Beerling and Woodward, 2001)。

5 结论

1)对黔西普安糯东17号煤层和滇东富源天佑10号煤层的测井信号进行频谱分析显示, 测井曲线体现出的煤层灰分含量的垂向变化明显受到泥炭地发育时期米兰科维奇旋回周期(123 ka(偏心率):35.6 ka(斜率):21.2 ka(岁差))驱动。

2)以识别出的米兰科维奇旋回为尺度, 计算出晚二叠世煤层中的碳聚集速率为38.0~53.9gC/(m2· a), 对应泥炭地的碳聚集速率为54.3~77.0 gC/(m2· a), NPP为543~1540 gC/(m2· a)。将晚二叠世及前人报道的晚石炭世和现代热带泥炭地的NPP值与相应各时期大气成分进行对比后的结果显示, 大气中二氧化碳和氧气含量对陆相生态系统的净初级生产力具有关键性的控制作用。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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