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論文題目：雲南宣威P/T界線煤的地球化學特徵及古環境意義
一、選題背景
二疊系—三疊系界線（PTB）是古生代與中生代的分界，同時也是地球歷史上的最重大的轉折時期之一，發生了顯生宙以來最大的一次生物集羣滅絕事件，在這次滅絕事件中大約90%的海洋生物和約70%的陸地生物消亡，並伴隨着這一事件在三疊紀早期發生了全球性的成煤間斷[2，4—6]。國內外學者提出了有關生物滅絕事件的很多種觸發機制[2，4，20—26]，包括：①行星撞擊（小行星或彗星）;②西伯利亞大火成巖省噴溢;③火山作用;④海洋缺氧、毒化或酸化;⑤產熱氣體的釋放（甲烷和二氧化碳等）;⑥海平面下降導致淺海可棲息地喪失;⑦臭氧層遭破壞;⑧陸地乾旱，土壤潰毀，森林野火頻發等。其中，隕石撞擊、大規模的火山作用和海平面變化是被許多學者承認和討論最多的普遍原因。在我國華南地區廣泛發育有完整的二疊系—三疊系界線（PTB）剖面，很多科學家以華南地區為例，綜合研究二疊—三疊紀之交導致生物大滅絕事件這一特大地質事件發生的起因，認為災變事件羣導致了二疊—三疊紀之交的最大生物突變事件地發生，並進行了全球對比[20，24，26—34]。殷鴻福等[20，24，35，36]通過對浙江煤山剖面的綜合研究，率先提出和證實了二疊—三疊紀之交的大絕滅事件的主因之一——火山事件，在國際上廣為引用。二疊紀末的生物大滅絕與白堊紀末期的大滅絕事件很相似，都存在最為強烈的大陸火山作用[35，36]。同時華南地區這些界線剖面中包含了大量的火山灰夾層[37]。國內外許多學者對華南地區PTB剖面的界線粘土巖進行了U—Pb同位素定年研究，指出生物滅絕高峯時間要略早於P/T界線年齡[2，22，24，25，31，36—40]。其中，位於我國浙江省長興縣煤山鎮的煤山剖面已被確定為“全球二疊系—三疊系（P/T）界線層型剖面和點”（GSSP），這也是目前為止華南地區研究最多的連續的海相沉積剖面。同時華南地區還發育有許多陸相的PTB剖面，這些海陸相的PTB附近往往存在層數不等的界線粘土巖，由於界線粘土巖中可能包含了地質歷史時期曾經發生過的火山活動或者行星撞擊等事件遺留下來的蛛絲馬跡，從而追溯到導致二疊—三疊紀之交生物絕滅的真正原因，因此對於PTB界線粘土巖的研究成為熱點。由於二疊紀—三疊紀過渡時期的沉積環境、沉積條件和沉積物質的來源都可能發生突變，並反映於沉積下來的界線粘土巖中，因此目前的研究除了對二疊系—三疊系生物地層界線與事件地層界線的精確定位以外，還集中於海、陸相二疊系—三疊系地層界線對比、界線粘土巖的礦物組合特徵及成因、界線地層的微量元素及稀土元素地球化學特徵以及元素地球化學特徵與災變事件尤其是火山作用的關係上[32，40—54]。多數學者[20，42—44，49—51]認為我國華南地區PTB處的界線粘土巖的物源物質源自火山作用，為火山成因，少數學者[32，55]認為兼有隕石撞擊成因。
許多研究表明，二疊系—三疊系界線附近普遍存在不同程度的碳同位素負偏移現象。很多學者[25，37，56—58]對我國浙江省煤山剖面PTB附近粘土層中的碳同位素（包括有機碳和無機碳同位素）進行了研究，發現在生物滅絕的高峯[24，57—59]（24～26層）附近伴隨着有機碳和無機碳同位素負偏移現象，儘管兩種同位素出現負偏移的先後順序和負偏幅度有差異，但碳同位素的負偏移現象仍然可以作為PTB的輔助標誌。煤山剖面PTB附近的同位素負偏現象並非區域性現象，在全球很多地區P/T界線附近的碳同位素研究結果都證實了異常降低的存在[60—63]，如研究最為系統全面的南阿爾卑斯地區P/T界線的碳同位素負偏幅度就與我國煤山相近。邵龍義等[64，65]對西南地區二疊系—三疊系煤系剖面中的碳同位素進行了測定，探討了其“年代效應”的校正及古鹽度與古温度計算問題，並發現晚二疊世吳家坪階與長興階碳酸鹽巖的碳同位素值差異明顯，碳同位素的變化可能與晚古生代末期聚煤作用的減弱密切相關，大氣中CO2的富集產生的温室效應可能是晚二疊世末期生物羣體的滅絕的主要原因之一。
二、研究目的和意義
本論文來源於邵龍義教授承擔的國家自然科學基金重點項目“滇東黔西晚二疊世煤的地質地球化學特徵及宣威肺癌地質起因研究”（項目編號：41030213）。研究區為雲南省東部宣威地區。本研究以宣威地區晚二疊世宣威組含煤地層為主要研究對象，從該煤層的煤巖學、礦物學以及元素地球化學等角度進行分析，總結宣威晚二疊世煤層獨特的地球化學特徵及其與二疊—三疊系界線事件的耦合關係，揭示煤層中藴含的古環境意義，從地質地球化學特徵角度揭示研究區肺癌高發的原因。晚二疊世是我國南方地史上一個重要的聚煤期[1]，晚二疊世末期發生了地質歷史上最大規模的生物集羣絕滅事件[2—6]，作為二疊紀—三疊紀界線事件的前奏—晚二疊世煤層必定藴含了該事件演化的很多信息。其中作為晚二疊世末期的一層煤—雲南宣威C1煤層，被很多學者[7—9]認為可能是導致宣威女性肺癌高發的地質起因。Large等[8]認為宣威肺癌高發是SiO2與揮發性有機物相互作用的結果，並且肺癌高發區與晚二疊世C1煤的地理分佈重合。Tian等[10]認為宣威肺癌與C1煤燃燒排放的納米級石英晶體有關。何興舟和藍青等[11—13]提出室內燃煤排放的多環芳烴也是肺癌高發的主要危險因素。中國礦業大學（北京）邵龍義課題組[14—19]自2006年以來一直致力於宣威肺癌與大氣可吸入顆粒物（PM10）的關係研究，認為肺癌與重金屬有關。該課題組通過對宣威肺癌高發的虎頭村室內可吸入顆粒物中的微量元素進行了測定，發現Cd、Cs、Cu、Ni、Pb、Sb、Tl、Zn、Mn和Mo等元素含量顯著高於肺癌低發區，並認為這些高含量的微量重金屬元素與燃煤排放有關。因此宣威地區晚二疊世C1煤與周邊地區同時代煤層以及同地區不同層位的煤層相比具有哪些獨特的地球化學特徵亟待研究。雁塘煤礦位於宣威市來賓鎮，C1煤層為該煤礦唯一可採煤層，C1煤也是當地肺癌發病率比較高的虎頭村居民主要的生活燃料。本研究首先借助同位素方法對雁塘煤礦C1煤的成煤時代與層位進行精確釐定，並從煤巖學、礦物學和元素地球化學等方面對C1煤及其它煤層進行對比研究，並探討C1煤層與二疊系—三疊系界線事件的關係，從地質角度為當地肺癌高發原因提供佐證。
三、本文研究涉及的主要理論
中晚元古代和古生代滇東黔西地區在大地構造上位於揚子板塊上的上揚子地區西南緣，在晚古生代屬於統一的中國南方板塊的一部分。從盆地類型來看，該區在二疊紀則主要屬於揚子克拉通盆地。上揚子板塊晚二疊世同沉積期地質構造活動受板緣構造活動的控制，同時其東南部受華南加里東山系構造活動的影響也非常明顯。晚二疊世滇東黔西地區位於揚子板塊的西部，南北向及東西向構造活動明顯，同時受周邊構造活動的影響所產生的北東向及北西向剪切構造也較發育。早二疊世後期的東吳運動使上揚子盆地整體抬升為陸地，海水大規模退出，形成廣闊的隆起剝蝕區。早二疊世末，隨着古特提斯洋的擴張，地幔物質上湧，加速了上揚子盆地的地裂作用，在上揚子盆地的西部和南部形成了康滇裂谷帶和紫雲、南盤江、右江等裂陷槽系統。沿着斷裂引發了大規模的巖漿噴溢，從而形成巨大的峨眉山玄武巖地層。在上揚子板塊西部，呈南北方向分佈有一個長期隆起的正向構造單元—康滇古陸。中二疊世晚期至晚二疊世早期期間，隨着古特提斯洋的擴張，造成康滇古陸及其兩側地幔物質上湧，地殼進一步隆升、張裂，沿古斷裂形成川滇陸內張裂帶，導致大規模的玄武巖噴發（主要是滇東一帶），形成了厚達1000～2000m的玄武巖。在茅口組石灰巖頂部風化夷平面上玄武巖由西向東逐漸減薄尖滅，形成向東緩傾的古斜坡，構成滇東黔西晚二疊世含煤巖系的沉積基底[1，138—148]。在整個晚二疊世期間，上揚子板塊始終處於西高東低的地勢和西陸東海的地理格局。而且由於康滇古陸始終是上揚子克拉通盆地內部的'主要陸源碎屑供給區，陸源物質源源不斷向東搬運沉積，從而也就決定了沉積相自西向東有規律展布的總趨勢。中國南方古陸以及滇東黔西地區在晚二疊世長興期（晚二疊世煤層發育時期）的構造背景。
滇東黔西地區地層自中元古宇至新生界均有出露，煤層主要賦存在上二疊統含煤巖系中[1，120]。在晚二疊世時期，滇東、黔西地區發育有完整的陸地到淺海的沉積，巖石類型變化多樣，沉積環境配套完全，而且動植物化石豐富;多次海水進退，標誌層明顯。該區含煤沉積從康滇古陸邊緣自西向東呈帶狀分佈：靠近康滇古陸東側為一套陸相碎屑含煤沉積，向東逐漸過渡為海陸交互相，再向東過渡為濱、淺海台地相碳酸鹽為主的含煤沉積（圖2。2）。滇東黔西晚二疊世含煤巖系的下伏地層主要為峨眉山玄武巖組和茅口組灰巖。峨眉山玄武巖分佈於貴州西南部以及雲南東部—東南部，向東逐漸變薄，巖性主要為拉斑玄武巖、火山角礫巖及凝灰巖等，局部有海相和煤夾層。峨眉山玄武巖組與上覆煤系地層呈假整合接觸或者不整合接觸。茅口組為一套富含生物化石和碎屑的厚層狀—塊狀生物碎屑灰巖。作為煤系的基底，茅口組灰巖主要分佈在滇東黔西地區東側、玄武巖分佈區的東側，與上覆含煤巖系呈假整合接觸，或者在局部地區呈角度不整合接觸[140]。滇東黔西晚二疊世含煤巖系與上覆的三疊系底部的卡以頭組呈整合接觸。在滇東黔西地區，前人對二疊、三疊的界線劃分做了大量的研究。雖然仍然存在一定的不確定性，但是根據生物化石、巖性和地化等標誌，研究區的二疊—三疊界線劃分在二疊紀宣威組（和相當層位）的頂部[149—153]。從巖石地層上來看，二疊系頂部以一套深灰色至灰色的碳酸鹽巖、硅質巖、陸源碎屑巖和煤層組成為特徵，而且富含生物化石。到三疊系底部，則變成紫灰色、綠黃色等雜色的泥灰巖、陸源碎屑巖，缺少生物化石或者種類單調，缺少煤層沉積這一特點則標誌着進入了早三疊時期的“成煤間斷”。
四、本文研究的主要內容
本研究以雲南東部宣威地區晚二疊世煤層為研究對象，運用沉積學、煤巖學、礦物學、同位素地球化學和元素地球化學等方面的理論和方法，對煤層成煤時代進行確認，並對煤層的顯微煤巖組分、礦物學、常量和微量元素組成特徵進行研究。對比分析晚二疊世煤在不同地區的分散和富集特徵以及縱向上的變化規律，探討煤中礦物和元素的物質來源，驗證研究區煤層與二疊—三疊系界線的耦合關係，探討宣威肺癌高發的地質原因。
1、煤層的年代學證據
通過對研究區C1煤層夾矸進行SHRIMPU—Pb同位素定年，將其鋯石U—Pb同位素年齡值與華南地區典型海、陸相界線地層年齡進行對比，確認研究區煤層的成煤時代。
2、煤層的碳同位素變化
通過對C1煤層進行有機碳同位素測定，分析P/T界線附近的晚二疊世煤層中的有機碳同位素垂向變化趨勢，並與我國華南地區及全球P/T界線典型剖面中的有機碳同位素負漂移現象作對比，進一步驗證C1煤為P/T界線附近成煤。
3、顯微組分特徵及其古環境意義
通過對宣威不同礦區晚二疊世煤層煤樣進行顯微組分定量統計，總結有機顯微組分的體積含量特徵以及垂向變化規律，推測當時的古大氣氧含量，恢復當時的古環境條件。
4、煤的礦物組合特徵
通過偏光顯微鏡、掃描電鏡—能譜技術和X射線繞射分析，總結研究區晚二疊世煤及頂、底板和夾矸中的礦物組成和分佈特徵，通過礦物的產狀和微觀形貌揭示礦物成因，進而推斷研究區煤層的沉積環境和物源。
5、煤的元素分佈和富集規律
通過測定煤中常量元素和微量元素的含量，並與其他地區煤進行對比，藉助富集係數來表徵煤中元素的含量分佈特徵以及分散與富集規律，並總結元素在煤層垂向上的分佈特徵;運用微區分析和數理統計方法，結合元素在煤層不同類型樣品中的分佈聚集規律探討煤中各元素之間的親和性以及賦存狀態;通過對比分析煤層頂底板、夾矸和煤中微量元素的分佈特徵，並與物源供給區元素的含量進行對比，分析煤中富集元素的影響因素。通過對滇東地區相同沉積環境下不同層位以及不同沉積環境下相同層位煤層之間元素含量和分佈規律進行對比分析，總結研究區晚二疊世煤層獨特的元素地球化學特徵。
6、C1煤與P/T界線地質事件的耦合關係
通過宣威C1煤與其它地區相同或不同層位的煤層地球化學特徵的對比，以及C1煤與高發區大氣可吸入顆粒物中富集的元素進行對比，揭示燃煤與宣威肺癌高發的關係;通過C1煤中礦物和元素的組合特徵來推測煤層形成過程中受到的地質作用的影響以及與二疊紀—三疊紀界線事件的耦合關係。
五、目前已經閲讀的主要文獻
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