早白堊世泥炭地凈初級生產力及其控制因素
——來自二連盆地吉爾嘎郎圖凹陷6號煤的證據

閆志明 邵龍義 王 帥 Large D J 汪 浩 孫欽平

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.英國諾丁漢大學工程學院，NG7 2RD；3.中國石油勘探開發研究院廊坊分院 河北廊坊 065007)

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早白堊世泥炭地凈初級生產力及其控制因素
——來自二連盆地吉爾嘎郎圖凹陷6號煤的證據

閆志明1邵龍義1王 帥1Large D J2汪 浩1孫欽平3

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.英國諾丁漢大學工程學院，NG7 2RD；3.中國石油勘探開發研究院廊坊分院 河北廊坊 065007)

現代泥炭地中蘊藏著巨量的碳，泥炭地生產力的高低會影響全球碳循環及全球氣候變化。前人對全新世以來泥炭地生產力做了大量研究，但對前第四紀的“深時”階段的泥炭地生產力則極少涉及，其主要原因是缺少精確的定年方法。以二連盆地吉爾嘎郎圖凹陷早白堊世6號煤為例，利用地球物理測井信號進行頻譜分析并獲得煤層中米蘭科維奇旋回周期參數(123 ka(偏心率)：38.1 ka(斜率)：22.1 ka(歲差))，將米蘭科維奇旋回作為“深時”地層時間的“度量”工具，計算出6號煤層碳的聚集速率為35.1～38.9 g C/(m2·a)，進一步推算出其所代表的泥炭地的碳聚集速率為46.2～51.2 g C/(m2·a)，凈初級生產力(NPP)為231～256 g C/(m2·a)。將該計算結果與全新世同一緯度帶泥炭地生產力水平比較，并結合前人研究成果綜合分析影響因素，得出早白堊世泥炭地生產力水平主要受溫度和大氣中二氧化碳含量控制，而這兩種因素又與氣候相關聯，則泥炭地生產力的研究可能對進一步了解古氣候提供幫助。

泥炭地 米蘭科維奇旋回 碳聚集速率 凈初級生產力 深時 早白堊世

0 引言

泥炭地最早在泥盆紀晚期就已經有發育，泥炭地作為大量植物生長、死亡、遺體堆積的重要場所，在全球碳循環中發揮著重要作用[1]。有數據表明，現今北方域泥炭地中大約蘊藏著455 Gt碳元素[2]，同時，泥炭地中88%～97%的部分是水[3]，龐大的水量在全球水循環中起著重要作用，由于碳、水循環影響著氣候變化，因此，泥炭地在全球氣候變化中扮演著重要角色[4]。煤作為泥炭地的產物和重要的沉積載體，其中必定記錄著泥炭地發育時期氣候特征的相關信息[5]。因此，對煤中碳的聚集速率研究，進而對泥炭地的碳聚集速率和凈初級生產力(NPP)進行研究，有助于了解地質歷史時期碳循環特征，從而為古氣候研究提供幫助[6]。

盡管如此，在對煤中碳的聚集速率的具體研究過程中，如何較為精確地確定煤層堆積時限則是公認難題。目前，放射性同位素定年技術應用廣泛，但測試結果存在較大誤差范圍[7]，從而限制了其在短周期沉積物中的使用。尋找更精確的定年方法，成為以煤作為載體研究古氣候周期的前提。

米蘭科維奇旋回理論是從全球尺度研究日照量與地球氣候之間關系的天文理論，已經被多位學者應用于地層序列的旋回性研究[8-12]。Largeetal.[4,13-14]發現在新近紀煤層中蘊含著米蘭科維奇旋回的信息，并將此旋回信號作為度量時間的工具，較為精確地得出了煤層的堆積時限，進而對泥炭地生態系統進行研究，成功地計算出了前第四紀泥炭地的生產力水平，并對結果做出了合理解釋。由此說明，米蘭科維奇旋回理論是較為精確地“度量”地層堆積時限、尤其是前第四紀“深時”地層堆積年限的有效方法[10,15-16]，同時可以進一步為研究地球氣候系統中重大科學問題提供依據，對“深時”計劃[17]開展起到積極的推進作用。

以二連盆地吉爾嘎郎圖凹陷早白堊世6號煤為例，利用地球物理測井信號提取出煤層中的米蘭科維奇周期并定出煤層聚集的時限，利用該時限計算煤層中碳的聚集速率及其對應的泥炭地的碳聚集速率及凈初級生產力，并討論影響凈初級生產力的因素。

1 研究區地質背景

二連盆地是在內蒙古—大興安嶺褶皺帶基底上和燕山期拉張翹斷構造應力場作用下發育起來的中新生代斷陷盆地，其大地構造位置處于亞洲板塊與西伯利亞板塊縫合線上[18]。吉爾嘎朗圖凹陷為北東走向、西北斷東南超型箕狀凹陷，構造上位于二連盆地烏尼特坳陷西南端，北東、南西分別與包爾果吉、布朗沙爾凹陷相連，西北與蘇尼特隆起相鄰，東南與大興安嶺隆起相鄰。該區下白堊統最大沉積厚度約3 500 m，自下而上可分為阿爾善組、騰格爾組和賽漢塔拉組，分別對應于斷陷的初始拉張階段、穩定沉降階段、萎縮階段。賽漢塔拉組是該凹陷的主要含煤地層，主要發育砂礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖和可燃有機巖5種巖石類型，共劃分為兩個層序，層序Ⅰ煤層厚度在10～100 m，平均厚度27.5 m，層序Ⅱ煤層厚度在8～176 m，平均厚度94 m，聚煤中心主要位于凹陷的中部。該區在早白堊世為陸相湖盆沉積，主要發育扇三角洲和湖泊相[19](圖1)。二連盆地在早白堊時期總體以溫濕氣候為主[20]，成煤植物主要是闊葉植物和蕨類孢子植物[21]。

圖1 區域地質簡圖A.研究區域位置圖；B.研究區域古地理圖；C.沉積相及層序地層柱狀圖(吉煤2孔)(據文獻[19])Fig.1 Geological map of the Jiergalangtu sag of the Erlian BasinA. The location of the study area; B) Paleogeographic map of the study area; C. Comprehensive column of sedimentary facies and sequence stratigraphy of Borehole Jimei 2[19]

2 數據來源與研究方法

將米蘭科維奇旋回用于“深時”地層定年研究時，所需前提條件：①地層垂向上要連續，以保證米蘭科維奇旋回的連續性；②地層厚度足夠大，以保證沉積時限至少涵蓋一個完整的偏心率周期[10-23]；③地層沉積受軌道氣候驅使大于受其他因素影響。因此，本研究選擇吉爾嘎郎圖凹陷吉煤2鉆孔剖面下白堊統賽漢塔拉組連續性好且厚度較大的6號煤層作為研究對象，因該煤層中部有泥巖夾矸分隔，我們將其分為上下兩個分層分別進行研究，其深度為305～338.5 m和339.25～369.25 m，視厚度分別為33.5 m和30 m。其中的夾矸為0.75 m厚的泥巖，上分層頂板為碳質泥巖，下分層底板為砂礫巖(圖2)。6號煤宏觀煤巖類型整體以半亮—半暗型為主，有機物顯微組分中鏡質組含量為85.47%，惰質組含量10.23%，殼質組含量4.1%，礦物含量8.7%。該煤層的沉積環境為湖泊淤淺而成的泥炭地(圖1B)。

圖2 吉爾嘎郎圖凹陷早白堊世含煤巖系巖性特征及煤層測井曲線Fig.2 Columinar section showing lithology and geophysical loggings of the coal and coal measures of the Early Cretaceous in Jiergalangtu sag of the Erlian Basin

從工業分析結果來看，6號煤層的灰分含量相對較高(表1)，說明成煤泥炭地受地表陸源碎屑物供給影響較大，這類泥炭地一般是受地表水給養的低位泥炭地[24]。假設其他條件(如構造條件)較穩定，則水文條件主要受氣候影響，而米蘭科維奇旋回作為地質歷史時期氣候變換的驅動，必然對整個泥炭地發育過程中受水文氣候影響的沉積物(如灰分及含鹽量)產生了影響[6]。測井數據從不同的角度記錄著地質演化歷史[25]，煤層中自然伽馬和三側向測井信號反映了灰分的含量變化[26]；自然電位信號反映了煤層水含鹽量的變化[27]，因此，本研究選擇自然伽馬(GR)，三側向測井(LLD)和自然電位(SP)數據來代表煤層灰分含量和煤層水含鹽量變化趨勢(圖2)，并以這些變化趨勢來探索其中暗含的米蘭科維奇旋回周期響應。

表1 吉爾嘎郎圖凹陷6號煤層主要煤質指標

注：M.水分；A.灰分；V.揮發分；St.全硫；C.碳含量；ARD.視密度；ad.空氣干燥基；d.干燥基；daf.干燥無灰基(可燃基)。

本文采用下面的泥炭地凈初級生產力研究方法流程(圖3)，首先選用合適的測井信息；利用頻譜分析得出米蘭科維奇旋回周期信息；利用旋回周期長度和周期時間計算出煤層沉積速率和時間；通過煤中碳含量、密度和煤層沉積速率計算出煤中碳的聚集速率；從已有的泥炭地沉積速率預測表中查找與所研究煤層變質程度相近的煤在煤化過程中的碳損，進而計算出泥炭地的碳聚集速率；依據前人總結的泥炭地的碳聚集速率與NPP對比圖得出與研究區古緯度帶相同區域的碳的聚集速率與NPP的倍數關系，據此計算出早白堊世泥炭地的NPP(圖3)。

圖3 泥炭地生產力分析流程圖Fig.3 Flow chart of peatland productivity analysis

復雜的地球物理測井信號用肉眼很難直接識別出其中的穩定的周期旋回，但可以依據傅里葉變換的思想，將復雜的信號轉換成不同頻率正弦波的疊加，即時頻轉換，然后通過識別頻率反推周期的方式識別出穩定的周期信號[28-29]。根據這一方法，將所有的測井曲線以采樣間距為0.125 m進行取值并做頻譜分析，上、下兩個煤分層的每條測井曲線分別得到269和241個數據點。為提高結果的可信度，對于明顯不對稱分布的數據(如上段和下段煤層中的GR和LLD數據)先進行取對數(Log10X)處理來增加小數值的權重，從而達到改善數據分布的目的[14]。

借助于SSA-MTM工具箱對處理后的數據進行頻譜分析，包括奇異譜分析(SSA)、多窗譜分析(MTM)以及最大熵譜分析(MEM)[30]。SSA 用來確定并移除數據中的低頻趨勢，并對有意義的頻率進行非線性重建；MTM 識別其中包含在米蘭科維奇頻率范圍內的頻率并選擇置信水平大于(等于)99% 的頻譜峰值，如果這些峰值能與MEM 得到的峰值一致則作為有效的顯著頻率[6]。MTM分析時帶數參考值默認取3，分辨率值默認取2，魯棒背景噪音值使用線性差標準值，MEM分析時將級數參數在n/10至n/3之間改變(n為數據個數)，結果未有明顯變化。

3 頻譜分析結果

區內6號煤兩個分層的多條測井曲線頻譜分析結果顯示有效顯著頻率分布在低頻、中頻和高頻3組范圍內，依次為0.1～0.35，0.54～0.84和0.91～1.29周期/m(圖4)，平均值分別為0.2、0.7、1.1周期/m，對應的周期長度依次為5 m、1.4 m、0.9 m，周期之比約為5.6∶1.6∶1。該比值與早白堊世(約130 Ma)的米蘭科維奇旋回周期比值123 ka(偏心率)：38.1 ka(斜率)：22.1 ka(歲差)=5.6∶1.7∶1[31-32]相對比，結果比較接近。據此，可以認為該煤層在泥炭地發育時期，其中的灰分和含鹽量的沉積變化受到了米蘭科維奇旋回的驅動。此外，類似的關于在陸相地層中發現米蘭科維奇旋回的事例在中國東北部松遼盆地中已出現多起[33-38]，進一步說明本研究結果的合理性。

4 早白堊世泥炭地生產力計算

根據6號煤層頻譜分析得出的周期長度5 m，1.4 m，0.9 m和對應的旋回周期123 ka，38.1 ka，22.1 ka，計算出沉積速率范圍為0.037～0.041 m/ka，進一步計算出上、下兩個煤分層的沉積時限分別是817～905 ka和732～810 ka。由于賽漢塔拉組時代為早白堊世阿普第晚期[39]，僅阿普第期時間跨度為13 Ma，遠大于煤層聚集時間，因此可以認為本文所得的煤層沉積時限結果是合理的，這也進一步說明煤層中的米蘭科維奇旋回周期是合理的。

目前，關于計算成煤泥炭地在發育時期的碳的聚集速率的方法主要有體積壓縮法和碳含量推算法。前者通過運用泥炭到成煤過程中的壓縮比來反推出泥炭堆積速率，目前，較為公認的泥炭到煤的壓縮比范圍從30∶1[40]到1.2∶1[41]，然后計算出碳聚集速率。依據這一范圍計算出的泥炭地的堆積速率為0.04～1.23 m/ka，可以看出，該結果太過寬泛，涵蓋了前人統計出的全新世南北緯30°～70°范圍內泥炭地堆積速率[42]。另一種方法是依靠煤層中現存碳的含量來計算泥炭地中碳的聚集速率。因為泥炭地中聚集的碳的總量等于煤層中保存下來的碳和泥炭轉變為煤過程中損失的碳的總和，與體積壓縮無關[43]，因此可以先計算出煤中現存碳含量的聚集速率，再考慮損失的碳，進而得出泥炭地中碳的聚集速率。研究區6號煤層的現存碳含量為72.38%(干燥無灰基)，視密度為1.31 g/cm3(表1)，根據沉積時限817～905 ka和732～810 ka，計算出兩段煤層的現存碳的聚集速率都是35.1～38.9 g C/(m2·a)，即6號煤層的現存碳的聚集速率是35.1～38.9 g C/(m2·a)。

在泥炭到煤的演化過程即泥炭化作用及煤化作用過程中，原始泥炭中的一部分碳、氫、氧會以CH4和CO2形式散失掉，那么煤層中現存的碳含量要比泥炭地中聚集的原始碳含量少。根據Large等所研究的1萬年間泥炭地沉積厚度預測表，現存碳含量為72%，密度為1.3 g/cm3的煤在煤化過程中碳損約為24%[44]，計算出6號煤層對應的早白堊世泥炭地的碳聚集速率為46.2～51.2 g C/(m2·a)。

前人已經對全新世的泥炭地碳聚集速率及凈初級生產力(NPP)做了大量研究工作。例如，Large等(2007)通過對比兩者在全球不同緯度帶的數值發現泥炭地碳聚集速率與NPP具有明顯正相關性(圖5)，可以看出，在北緯40°～45°區域的泥炭地的碳聚集速率范圍為15～60 g C/(m2·a)，均值約為35 g C/(m2·a)，NPP范圍為150～250 g C/(m2·a)，均值約為200 g C/(m2·a)，碳聚集速率值和NPP值相差5倍。考慮到本文研究區在早白堊世約位于40°N ～45°N[45]，泥炭地碳聚集速率值46.2～51.2 g C/(m2·a)，將5倍數值關系應用到本研究區，計算出對應的NPP值應為231～256 g C/(m2·a)。

圖4 二連盆地吉爾嘎郎圖凹陷6號煤層頻譜分析結果A. 6號煤層上分層；B. 6號煤層下分層Fig.4 Spectrum analysis results of the No. 6 coal in Jiergalangtu sag of the Erlian Basin A. upper segment of the No. 6 coal; B. lower segment of the No. 6 coal

5 早白堊世泥炭地生產力水平、影響因素及研究意義

與前人研究的全新世40°N～45°N泥炭地碳聚集速率值和NPP值(圖5)比較可以看出，本次計算結果在其數值范圍內，但明顯偏高。關于研究區早白堊世泥炭地生產力水平相對于全新世較高的原因，下面將從溫度、沼澤養分、古火災事件以及大氣中CO2和O2含量方面來分析。

全新世處于間冰期，整體溫度與現代相接近[47]，白堊紀處于石炭紀冰期與第四紀冰期之間的溫室期中[48]，溫暖期溫度明顯高于現代，寒冷期溫度與第四紀相近[49]，對比兩個時代的同一緯度帶區域溫度，很可能早白堊世的溫度要比全新世溫度高很多，從而使得早白堊世該緯度帶內的泥炭地更適合植物生長，生產力水平提高較明顯。

研究區泥炭地發育于濱湖地區(圖1B)，為地表水給養的低位沼澤，水分和養分充足[24]，植物生長茂盛，全新世該緯度帶研究區同樣多為水源補給充裕的低位泥炭沼澤[44]，因此，沼澤養分很可能不是導致早白堊世研究區泥炭地生產力較全新世研究區泥炭地生產力有所提升的原因。

研究煤層中惰質組含量僅為10.23%，且當時的氧氣含量約為21%(圖6)，前人的燃燒實驗顯示，與地質記錄兼容的、能夠支持燃燒的大氣氧含量范圍為15%～35%[50]，21%相對較低，說明早白堊世泥炭地凈初級生產力受火災事件影響很小。

CO2和O2分別促進了植物的光合作用和呼吸作用，其含量的不同也會導致植物的凈初級生產力不同。植物光合作用固定的碳均來自空氣中CO2[51]，因此，其濃度的高低會直接影響植物的凈初級生產力高低；另有數值模擬研究顯示，在不考慮氣候與CO2含量變化時，O2含量升高11%時，陸相生物圈的凈初級生產力降低10%[46]。本研究中賽漢塔拉組煤層對應的泥炭地發育時期O2和CO2模擬含量分別約為21%和0.15%(圖6)，O2含量和全新世幾乎相同，相對于全新世約0.03%的CO2含量[52]，本研究中早白堊世CO2含量高出4倍。因此，在不考慮其他因素影響時，相對較高濃度的CO2含量很可能為早白堊世泥炭地凈初級生產力帶來較高的肥效作用，使得計算結果明顯位于高值區。

以上分析表明，早白堊世泥炭地生產力水平是溫度、大氣中氧氣和二氧化碳含量疊加控制的結果，但其中對泥炭地生產力具有重要影響作用的是溫度和二氧化碳含量。同樣地，邵龍義等在對中國西南地區晚二疊世泥炭地生產力水平進行研究之后，也認為大氣中二氧化碳含量對泥炭地生態系統生產力具有重要影響[6]，進一步說明了大氣中二氧化碳含量對于控制泥炭地生產力水平具有關鍵作用。又因為大氣中二氧化碳含量及溫度與氣候密切相關，因此，可以設想通過對不同地區、時代形成的泥炭地生產力水平進行研究反推當時的古氣候狀況。

然而，為實現這一設想，需要先依據目前已建立的大氣中二氧化碳變化模型及前人已認知的古氣候溫度對泥炭地生產力水平與二氧化碳含量之間的密切關聯進行充分的驗證，然后再對多地區、多時代形成的泥炭地生產力水平進行研究反推當時的古氣候狀況。

圖6 地質歷史時期大氣中的氧含量(Berner[53])和二氧化碳含量(Berner[54])的變化陰影部分K表示本研究中煤層對應泥炭地發育時期位置[31]Fig.6 Variation of atmospheric O2 levels (Berner[53]) and CO2 contents (Berner[54]) through geological time(K in the shaded area represents the Cretaceous[31])

6 結論

(1) 通過對內蒙古二連盆地吉爾嘎郎圖凹陷早白堊世6號煤層地球物理測井信號進行頻譜分析發現，該煤層中發育周期為123 ka(偏心率)：38.1 ka(斜率)∶22.1 ka(歲差)的米蘭科維奇旋回，厚度為33.5 m和30 m的煤層堆積時限分別為817～905 ka和732～810 ka。

(2) 將識別出的米蘭科維奇旋回周期作為時間度量尺度，計算出的早白堊世煤中現存碳的聚集速率為35.1～38.9 g C/(m2·a)，對應泥炭地碳的聚集速率為46.2～51.2 g C/(m2·a)，NPP為231～256 g C/(m2·a)。

(3) 將計算結果與全新世同一緯度帶泥炭地生產力比較分析，認為泥炭地生產力水平主要受溫度和大氣中二氧化碳含量控制，又因這兩種因素與當時的古氣候相關聯，因此泥炭地生產力研究可能對進一步了解“深時”古氣候有幫助。

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Net Primary Productivity and Its Control Factors of Early Cretaceous Peatlands: Evidence from No.6 Coal in the Jiegalangtu sag of the Erlian Basin

YAN ZhiMing1SHAO LongYi1WANG Shuai1Large D J2WANG Hao1SUN QinPing3

(1. College of Geoscience and Surveying Engineering , China University of Mining and Technology ( Beijing), Beijing 100083, China; 2. Faculty of Engineering, University of Nottingham, UK, NG7 2RD; 3. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development-Langfang Branch, Langfang, Hebei 065007, China)

Peatlands contain a huge amount of carbon whose productivity will affect the global carbon cycle and even climate change. A number of productivity researches have been done on the Holocene peats, but few is dealing with the pre-quaternary due to a lack of precise dating method. In this paper, the geophysical logging signals were used to analyze the Milankovitch orbital cycles which were further used as a tool to date the “deep time” and to measure the carbon accumulation rates of the paleo-peatlands. The spectrum analysis has been conducted on the geophysical logging signals of a thick coal (No.6 seam) of the Early Cretaceous in the Jiergalangtu sag of the Erlian Basin, and the Milankovitch cycle parameters of 123 ka (eccentricity) : 38.1 ka (slope) : 22.1 ka (precession) have been obtained for this coal. These Milankovitch cycles were used as “measurement” to calculate the carbon accumulation rate and the net primary productivity (NPP) based on the carbon contents and coal rank of coal. The No.6 coal had a carbon accumulation rate of 35.1～38.9 g C/(m2·a) which corresponds to the carbon accumulation rate of 46.2～51.2 g C/(m2·a) and the net primary productivity (NPP) of 231～256 g C/(m2·a) for the Early Cretaceous peatlands. A comprehensive comparison with the productivity levels of the Holocene peatlands (NPP) of 150～250 g C /(m2·a) in the same latitude confirmed that the productivity level in the Early Cretaceous peatlands were controlled by paleo-temperature and concentration of carbon dioxide in the atmosphere. As the paleotemperature and concentration of carbon dioxide were closely related to the paleoclimates, these productivity values of the paleo-peatland would help us understand more about paleoclimates of “deep time”.

peatland; Milankovitch cycle; carbon accumulation rate; net primary productivity (NPP); deep time; Early Cretaceous

1000-0550(2016)06-1068-09

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.06.006

2016-03-14； 收修改稿日期： 2016-05-23

國家自然科學基金重點項目(41572090)；國家科技重大專項(2016ZX05041004-003)[Foundation：Key Project of National Nature Science Foundation of China, No. 41572090; National Key Science and Technology Project, No. 2016ZX05041004-003]

閆志明 男 1990年出生 博士研究生 煤田地質學和層序地層學 E-mail: 940857663@qq.com

簡介 邵龍義 男 教授 E-mail: shaol@cumtb.edu.cn

P618.117

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