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北京大学政学者论文集 (2001 年) 华北地区石炭纪煤的δ13C特征及其古地理意义317 华北地区石炭纪煤的 δ13C特征及其古地理意义δ13C Characteristics of Carboniferous Coal in North China and Its Palaeogeographic Implications 地质学系 98级唐国军摘要本文通过对太原西山煤田石炭系太原组剖面29 个煤样的碳同位素（ δ13C ）分析，该地区煤的 δ13C在－22.3 ‰～－24.7‰之间变化，从总体上看，δ13C逐渐变正，表明气候的变化逐渐更加不利于C3植物的生长且这一变化趋势与全 球气温变化趋势不一致， 推测华北板块当时的古地理位值逐渐向赤道靠近太原 西山煤田石炭系太原组 δ13C分布非常稳定，与华北其它地区煤的 δ13C进行对比，数值均在－ 23.5 ‰左右变化，表明当时高等植物光合作用形式中C3循环占绝对 优势Abstract Twenty nine δ13C analyses of Carboniferous coal samples in Xishan coal field,Taiyuan,are ranged from － 22.3 ‰to －24.7‰ .According to the change trend of these data,the climate was getting harder for the growth of C3 Plants.And this trend differed from the globle climate change then widely,which can tell us that the palaeographic position of North China was becoming nearer to the equator.Compared with data from other regions of North China,these data can also show good coherences and all data are round － 23.5 ‰,which can show that the C3-cycle photosythesis style dominates those original plants. 北京大学政学者论文集 (2001 年) 华北地区石炭纪煤的δ13C特征及其古地理意义318 一、导言 全球变化研究日益受到重视， 科学家们采用各种地质记录来试图恢复古环境 变化。

对于这些地质记录，按照其来源我们可以分为两类：一类为有机来源，如 古哺乳动物牙齿（Wang and Cerling,1994;Wang et al.,1994）, 黄土 - 古土壤 （Cerling et al.,1989,1993;林本海等，1992； 安芷生，1994； Koch et al.,1992; 张平中等， 1998；王永吉等， 2000） ，沉积有机质（吴敬禄等，1996；沈吉等， 1996；张平中等， 1995；张振克等， 1998；林清等， 2000；陈践发等， 1992；王 万春等，1999） ，树轮（刘文深等， 1995） ；另一类为无机来源，如石笋（张美良 等，2000；覃嘉铭等， 2000） ，冰芯（Darsqaard,1993 ） 通过对这些地质记录的 碳同位素比值的研究， 可以反演形成过程中环境因素的影响，进而推测当时古环 境的变化 按光合作用过程中C的循环方式，可以将植物分为C3、C4和 CAM 三种类群 C3植物和 C4植物光合作用内在机理的差异， 导致其 C同位素分馏有很明显的差异 这种分馏作用， 不仅与植物自身的性质有关， 而且直接或间接地受到植物生长期 所处环境状况的影响。

因此，通过对地质记录的C同位素研究， 可以推断出该时 期植物长生状况，在一定程度上恢复当时的古环境特征二、碳同位素分馏与光合作用 C4循环的发现仅仅是上个世纪下半叶的事情（Hatch C 4植物的δ13C则在 -9 ‰ 到 -17 ‰ 之 间 变 化 ， 平 均 约 为 -14 ‰ (O'Leary,1998; Ballentine et al.,1998) 大气中的 CO2相对富集13C，而植物通过光合作用后有机质中相对富集12C 为了描述这一过程中C同位素的分馏现象， 已建立了好几种模式 这些模式都注重 这样一个事实： δ13C 是源 CO 2中δ13C 值和叶子生理过程的函数，这里我们只介绍 Farquhar 等（1989）建立的分馏模式 对 C3植物: δp=δa-a-(b-a)Pi/Pa；△＝δa-δp= a +(b-a)Pi/Pa 式中，δp 为 C3植物全木（或纤维素）的碳同位素组成δ13C ，δa 为大气 CO 2 的碳同位素组成 δ13C，△为大气 CO 2与 C3植物之间的碳同位素分馏值，△＝δa- δp，a 指13CO2和12CO2的不同扩散系数（ a 约为 4.4 ‰） ；b 指溶解 CO2发生羧化 反应时的分馏素数（约为27‰） 。

Pi 和 Pa分别表示在光合作用过程中，叶子细 胞内部和外部的面部压力或者浓度 在自然界， C以不同形态赋存于大气、大洋和大陆上在C元素的流动过程 和演化进程中，几乎每一步都伴随着C同位素的分馏（ Koch，1992）, 下图简略 的表征了这一系列分馏过程产生的δ13C值的变化情况 (Koch，1992)北京大学政学者论文集 (2001 年) 华北地区石炭纪煤的δ13C特征及其古地理意义319 研究表明， C3植物包括了所有不顾气候的树木，几乎所有的灌木及草本、高 纬度及高海拔等由冷季节支持的禾本科植物及苔草；C4植物包括许多灌木， 温暖 季节生长的禾本科及苔草， 它们在强日光下的高温环境中长的健壮，而且在冷潮 湿（如森林的覆盖区）、高纬及高海拔的冬季降水带能被C3植物代替（张平中等， 1998） 这两种植物的 δ13C值区间并不重合，因此，对植物C同位素值的研究， 可以反演当时植物的生存环境如果没有直接的确定植物δ13C 值的样品，也可以用与植物相关的并在很大程度上受植物δ13C 决定的其它地质记录作为分析对象，如古土壤－黄土系列，古哺乳动物的牙齿，煤和沉积有机质等9 ‰+12 ‰0‰+15 ‰-19.5‰大气 C02 (-7‰)海洋表面碳酸盐(+2‰)C3 植物(-26.5‰)有机物质 (-26.5‰)哺乳动物牙齿(-14.5‰)土壤碳酸盐(-11.5‰)图 1 连接海洋、大气和大陆碳同位素分馏示意图( 据 Koch, 1992) 设定海水碳酸盐与大气CO2的平衡分馏值在常温下为9‰，大气CO2与 C3 植物之间的分馏值为 -19.5‰，植物与土壤碳酸盐的现代分馏值为15％. 但是，C4植物的起源至今仍是一个悬而未决的问题。

研究成果中关于C4植物 的起源的最早记录可推至晚中新世（Thomasson ，1986） 至于更早的时期是否已 出现了 C4植物，还没有确定三、样品及分析技术： 太原西山煤田， 是我国北方型石炭—二叠纪含煤地层的典型剖面所在地，该 地含煤地层的沉积环境和主要煤层的沉积条件，具有广泛的代表性 根据对该煤 田的含煤地层、 煤层所进行的多学科、 多手段的综合研究， 确定它是形成于滨岸 —三角洲—滨海平原环境，而且是的三角洲为主体的一套沉积体系（潘随贤等， 1987） 露天采样，根据煤层出露特征（潘随贤等，1987） ，选取不同层位，间隔取 样，共采样 29 个 所用仪器为英国产ISOPACH －B 型有机质制样仪，燃烧温度800℃，还原炉北京大学政学者论文集 (2001 年) 华北地区石炭纪煤的δ13C特征及其古地理意义320 温 400℃，充氧燃烧，用He气体作载气，用液氢冷阱收集纯化后的气CO2气体， 由美国 Fimligan-MAT252 气体同位素质谱仪检测其 δ13C值仪器分析精度为： δ13C=±0.1 ‰；δ18O= ±0.2‰有机碳的 δ13C值用下式计算：δ13C= （(13C/12C) sample/(13C/12C) PDB—1）×1000‰ 四、结果和讨论： 煤系中的碳主要以有机碳（TOC ）和无机碳（碳酸岩中的碳）的形式存在。

由于生物合成过程优先利用12C，因此有机碳一般富集12C ，而无机碳（包括 CO 32-， HCO3-和 CO2）则一般富集13C沉积岩中的有机碳和无机碳的碳同位素组成记录了大气圈、生物圈和水圈中碳循环的结果，它们与地质时期生物的繁盛与衰落，气 候的寒冷干燥与温暖潮湿交替及海平面升降密切相关沉积岩中的有机碳主要为 干酪根，干酪根是生物有机质经成岩作用形成的缩聚的酸不溶物沉积有机质在 埋藏和成岩过程中， 碳同位素组成变化不明显 但在热降解生烃过程中， 干酪根 随温度升高而稍富集12C （变化 <2‰） ，因此未受变质作用改造的沉积岩中有机质的碳同位素组成基本反映了沉积时有机质的碳同位素组成（王万春等，1999） 表 1 山西省太原西山煤田不同层位δ13C分析数据组层位样品号δ13C（‰ /PDB）平均值（‰ /PDB）C3t 6# 6a -23.3 -22.9 6b -23.5 6c -22.8 6d -22.3 6e -22.7 7# 7a -22.5 -22.8 7b -23.0 7c -22.8 7d -22.7 -23.4 8# 8a -23.6 8b -23.6 8c -22.5 8d -23.0 9# 9a -23.3 -23.2 9b -23.5 9c -22.8 9d -23.3 10# 10a -24.7 -23.9 10b -23.2 10c -24.0 10d -23.8 11# 11a -23.6 -23.6 11b -23.6 11c -23.5 C2b 12#-14# a -24.1 -24.3 b -24.3 c -24.4 d -23.9 e -24.6 (C3t 为太原组， C2b 为本溪组 ) 北京大学政学者论文集 (2001 年) 华北地区石炭纪煤的δ13C特征及其古地理意义321 腐殖型有机质从未成熟阶段（褐煤阶段）到高成熟阶段（无烟煤阶段），其 碳同位素组成随成熟度的增加无明显的变化，也就是说泥炭在埋藏成煤过程中主 要是从泥炭到褐煤阶段明显地富集了重碳同位素（王万春等，1999） 。

煤系中的碳主要以有机碳（TOC ）和无机碳（碳酸盐中的碳）的形式存在 由于生物合成过程优先利用12C，因此有机碳一般富集12C ，而无机碳（包括 CO 32-， HCO3-和 CO2）则一般富集13C沉积岩中的有机碳和无机碳的碳同位素组成记录了大气圈、生物圈和水圈中碳循环的结果，它们与地质时期生物的繁盛与衰落，气 候的寒冷干燥与温暖潮湿交替及海平面升降密切相关沉积岩中的有机碳主要为 干酪根，干酪根是生物有机质经成岩作用形成的缩聚的酸不溶物沉积有机质在 埋藏和成岩过程中， 碳同位素组成变化不明显 但在热降解生烃过程中， 干酪根 随温度升高而稍富集12C （变化 <2‰） ， 因此未受变质改造的沉积岩中有机质的13C基本反映了沉积时有机质的碳同位素组成（王万春等，1999） 由表 1 显示的结果，从总体上看来，在C2b 到 C3t 的过程中， δ13C有逐渐变正的趋势，表明气候的变化逐渐更加不利于C3植物的生长，华北地区大气的温 度应逐渐升高而在地质历史时期的石炭纪与二叠纪交界处有一次大的冰期记录 （Crowley and North,1991） ，这说明华北地区当时的气温变化与全球气温的总 体趋势（ Frakes et al.,1992）并不一致（图 3） 。

但这并不一定说明华北地区当时没有受到冰期的影响，因为冰期内的气温变 化。