云南宣威P/T界线煤的地球化学特征及古环境意义
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
二叠系—三叠系界线（PTB）是古生代与中生代的分界，同时也是地球历史上的最重大的转折时期之一，发生了显生宙以来最大的一次生物集群灭绝事件，在这次灭绝事件中大约 90%的海洋生物和约 70%的陆地生物消亡，并伴随着这一事件在三叠纪早期发生了全球性的成煤间断[2,4-6]。国内外学者提出了有关生物灭绝事件的很多种触发机制[2,4,20-26]，包括：①行星撞击（小行星或彗星）；②西伯利亚大火成岩省喷溢；③火山作用；④海洋缺氧、毒化或酸化；⑤产热气体的释放（甲烷和二氧化碳等）；⑥海平面下降导致浅海可栖息地丧失；⑦臭氧层遭破坏；⑧陆地干旱，土壤溃毁，森林野火频发等。其中，陨石撞击、大规模的火山作用和海平面变化是被许多学者承认和讨论最多的普遍原因。在我国华南地区广泛发育有完整的二叠系—三叠系界线（PTB）剖面，很多科学家以华南地区为例，综合研究二叠—三叠纪之交导致生物大灭绝事件这一特大地质事件发生的起因，认为灾变事件群导致了二叠—三叠纪之交的最大生物突变事件地发生，并进行了全球对比[20,24,26-34]。殷鸿福等[20,24,35,36]通过对浙江煤山剖面的综合研究，率先提出和证实了二叠—三叠纪之交的大绝灭事件的主因之一——火山事件，在国际上广为引用。二叠纪末的生物大灭绝与白垩纪末期的大灭绝事件很相似，都存在最为强烈的大陆火山作用[35,36]。同时华南地区这些界线剖面中包含了大量的火山灰夹层[37]。国内外许多学者对华南地区 PTB 剖面的界线粘土岩进行了 U-Pb 同位素定年研究，指出生物灭绝高峰时间要略早于 P/T 界线年龄[2,22,24,25,31,36-40]。其中，位于我国浙江省长兴县煤山镇的煤山剖面已被确定为“全球二叠系—三叠系（P/T）界线层型剖面和点”（GSSP），这也是目前为止华南地区研究最多的连续的海相沉积剖面。同时华南地区还发育有许多陆相的PTB剖面，这些海陆相的PTB附近往往存在层数不等的界线粘土岩，由于界线粘土岩中可能包含了地质历史时期曾经发生过的火山活动或者行星撞击等事件遗留下来的蛛丝马迹，从而追溯到导致二叠—三叠纪之交生物绝灭的真正原因，因此对于 PTB 界线粘土岩的研究成为热点。由于二叠纪—三叠纪过渡时期的沉积环境、沉积条件和沉积物质的来源都可能发生突变，并反映于沉积下来的界线粘土岩中，因此目前的研究除了对二叠系—三叠系生物地层界线与事件地层界线的精确定位以外，还集中于海、陆相二叠系—三叠系地层界线对比、界线粘土岩的矿物组合特征及成因、界线地层的微量元素及稀土元素地球化学特征以及元素地球化学特征与灾变事件尤其是火山作用的关系上[32,40-54]。多数学者[20,42-44,49-51]认为我国华南地区 PTB 处的界线粘土岩的物源物质源自火山作用，为火山成因，少数学者[32,55]认为兼有陨石撞击成因。
许多研究表明，二叠系—三叠系界线附近普遍存在不同程度的碳同位素负偏移现象。很多学者[25,37,56-58]对我国浙江省煤山剖面 PTB 附近粘土层中的碳同位素（包括有机碳和无机碳同位素）进行了研究，发现在生物灭绝的高峰[24,57-59]（24～26 层）附近伴随着有机碳和无机碳同位素负偏移现象，尽管两种同位素出现负偏移的先后顺序和负偏幅度有差异，但碳同位素的负偏移现象仍然可以作为 PTB 的辅助标志。煤山剖面 PTB 附近的同位素负偏现象并非区域性现象，在全球很多地区 P/T 界线附近的碳同位素研究结果都证实了异常降低的存在[60-63]，如研究最为系统全面的南阿尔卑斯地区 P/T 界线的碳同位素负偏幅度就与我国煤山相近。邵龙义等[64,65]对西南地区二叠系-三叠系煤系剖面中的碳同位素进行了测定，探讨了其“年代效应”的校正及古盐度与古温度计算问题，并发现晚二叠世吴家坪阶与长兴阶碳酸盐岩的碳同位素值差异明显，碳同位素的变化可能与晚古生代末期聚煤作用的减弱密切相关，大气中 CO2的富集产生的温室效应可能是晚二叠世末期生物群体灭绝的主要原因之一。
二、研究目的和意义
本论文来源于邵龙义教授承担的国家自然科学基金重点项目“滇东黔西晚二叠世煤的地质地球化学特征及宣威肺癌地质起因研究”（项目编号：41030213）。研究区为云南省东部宣威地区。本研究以宣威地区晚二叠世宣威组含煤地层为主要研究对象，从该煤层的煤岩学、矿物学以及元素地球化学等角度进行分析，总结宣威晚二叠世煤层独特的地球化学特征及其与二叠—三叠系界线事件的耦合关系，揭示煤层中蕴含的古环境意义，从地质地球化学特征角度揭示研究区肺癌高发的原因。晚二叠世是我国南方地史上一个重要的聚煤期[1]，晚二叠世末期发生了地质历史上最大规模的生物集群绝灭事件[2-6]，作为二叠纪—三叠纪界线事件的前奏—晚二叠世煤层必定蕴含了该事件演化的很多信息。其中作为晚二叠世末期的一层煤—云南宣威 C1煤层，被很多学者[7-9]认为可能是导致宣威女性肺癌高发的地质起因。Large 等[8]认为宣威肺癌高发是 SiO2与挥发性有机物相互作用的结果，并且肺癌高发区与晚二叠世 C1煤的地理分布重合。Tian 等[10]认为宣威肺癌与 C1煤燃烧排放的纳米级石英晶体有关。何兴舟和蓝青等[11-13]提出室内燃煤排放的多环芳烃也是肺癌高发的主要危险因素。中国矿业大学（北京）邵龙义课题组[14-19]自 2006年以来一直致力于宣威肺癌与大气可吸入颗粒物（PM10）的关系研究，认为肺癌与重金属有关。该课题组通过对宣威肺癌高发的虎头村室内可吸入颗粒物中的微量元素进行了测定，发现 Cd、Cs、Cu、Ni、Pb、Sb、Tl、Zn、Mn 和 Mo 等元素含量显著高于肺癌低发区，并认为这些高含量的微量重金属元素与燃煤排放有关。因此宣威地区晚二叠世 C1煤与周边地区同时代煤层以及同地区不同层位的煤层相比具有哪些独特的地球化学特征亟待研究。雁塘煤矿位于宣威市来宾镇，C1煤层为该煤矿唯一可采煤层，C1煤也是当地肺癌发病率比较高的虎头村居民主要的生活燃料。本研究首先借助同位素方法对雁塘煤矿 C1煤的成煤时代与层位进行精确厘定，并从煤岩学、矿物学和元素地球化学等方面对 C1煤及其它煤层进行对比研究，并探讨 C1煤层与二叠系—三叠系界线事件的关系，从地质角度为当地肺癌高发原因提供佐证。
三、本文研究涉及的主要理论
中晚元古代和古生代滇东黔西地区在大地构造上位于扬子板块上的上扬子地区西南缘，在晚古生代属于统一的中国南方板块的一部分。从盆地类型来看，该区在二叠纪则主要属于扬子克拉通盆地。上扬子板块晚二叠世同沉积期地质构造活动受板缘构造活动的控制，同时其东南部受华南加里东山系构造活动的影响也非常明显。晚二叠世滇东黔西地区位于扬子板块的西部，南北向及东西向构造活动明显，同时受周边构造活动的影响所产生的北东向及北西向剪切构造也较发育。早二叠世后期的东吴运动使上扬子盆地整体抬升为陆地，海水大规模退出，形成广阔的隆起剥蚀区。早二叠世末，随着古特提斯洋的扩张，地幔物质上涌，加速了上扬子盆地的地裂作用，在上扬子盆地的西部和南部形成了康滇裂谷带和紫云、南盘江、右江等裂陷槽系统。沿着断裂引发了大规模的岩浆喷溢，从而形成巨大的峨眉山玄武岩地层。在上扬子板块西部，呈南北方向分布有一个长期隆起的正向构造单元—康滇古陆。中二叠世晚期至晚二叠世早期期间，随着古特提斯洋的扩张，造成康滇古陆及其两侧地幔物质上涌，地壳进一步隆升、张裂，沿古断裂形成川滇陆内张裂带，导致大规模的玄武岩喷发（主要是滇东一带），形成了厚达 1000～2000m 的玄武岩。在茅口组石灰岩顶部风化夷平面上玄武岩由西向东逐渐减薄尖灭，形成向东缓倾的古斜坡，构成滇东黔西晚二叠世含煤岩系的沉积基底[1,138-148]。在整个晚二叠世期间，上扬子板块始终处于西高东低的地势和西陆东海的地理格局。而且由于康滇古陆始终是上扬子克拉通盆地内部的主要陆源碎屑供给区，陆源物质源源不断向东搬运沉积，从而也就决定了沉积相自西向东有规律展布的总趋势。中国南方古陆以及滇东黔西地区在晚二叠世长兴期（晚二叠世煤层发育时期）的构造背景。
滇东黔西地区地层自中元古宇至新生界均有出露，煤层主要赋存在上二叠统含煤岩系中[1,120]。在晚二叠世时期，滇东、黔西地区发育有完整的陆地到浅海的沉积，岩石类型变化多样，沉积环境配套完全，而且动植物化石丰富；多次海水进退，标志层明显。该区含煤沉积从康滇古陆边缘自西向东呈带状分布：靠近康滇古陆东侧为一套陆相碎屑含煤沉积，向东逐渐过渡为海陆交互相，再向东过渡为滨、浅海台地相碳酸盐为主的含煤沉积（图 2.2）。滇东黔西晚二叠世含煤岩系的下伏地层主要为峨眉山玄武岩组和茅口组灰岩。峨眉山玄武岩分布于贵州西南部以及云南东部—东南部，向东逐渐变薄，岩性主要为拉斑玄武岩、火山角砾岩及凝灰岩等，局部有海相和煤夹层。峨眉山玄武岩组与上覆煤系地层呈假整合接触或者不整合接触。茅口组为一套富含生物化石和碎屑的厚层状—块状生物碎屑灰岩。作为煤系的基底，茅口组灰岩主要分布在滇东黔西地区东侧、玄武岩分布区的东侧，与上覆含煤岩系呈假整合接触，或者在局部地区呈角度不整合接触[140]。滇东黔西晚二叠世含煤岩系与上覆的三叠系底部的卡以头组呈整合接触。在滇东黔西地区，前人对二叠、三叠的界线划分做了大量的研究。虽然仍然存在一定的不确定性，但是根据生物化石、岩性和地化等标志，研究区的二叠—三叠界线划分在二叠纪宣威组（和相当层位）的顶部[149-153]。从岩石地层上来看，二叠系顶部以一套深灰色至灰色的碳酸盐岩、硅质岩、陆源碎屑岩和煤层组成为特征，而且富含生物化石。到三叠系底部，则变成紫灰色、绿黄色等杂色的泥灰岩、陆源碎屑岩，缺少生物化石或者种类单调，缺少煤层沉积这一特点则标志着进入了早三叠时期的“成煤间断”。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
本研究以云南东部宣威地区晚二叠世煤层为研究对象，运用沉积学、煤岩学、矿物学、同位素地球化学和元素地球化学等方面的理论和方法，对煤层成煤时代进行确认，并对煤层的显微煤岩组分、矿物学、常量和微量元素组成特征进行研究。对比分析晚二叠世煤在不同地区的分散和富集特征以及纵向上的变化规律，探讨煤中矿物和元素的物质来源，验证研究区煤层与二叠—三叠系界线的耦合关系，探讨宣威肺癌高发的地质原因。
1、煤层的年代学证据
通过对研究区 C1煤层夹矸进行 SHRIMP U-Pb 同位素定年，将其锆石 U-Pb 同位素年龄值与华南地区典型海、陆相界线地层年龄进行对比，确认研究区煤层的成煤时代。
2、煤层的碳同位素变化
通过对 C1煤层进行有机碳同位素测定，分析 P/T 界线附近的晚二叠世煤层中的有机碳同位素垂向变化趋势，并与我国华南地区及全球 P/T 界线典型剖面中的有机碳同位素负漂移现象作对 比，进一步验证 C1煤为 P/T 界线附近成煤。
3、显微组分特征及其古环境意义
通过对宣威不同矿区晚二叠世煤层煤样进行显微组分定量统计，总结有机显微组分的体积含量特征以及垂向变化规律，推测当时的古大气氧含量，恢复当时的古环境条件。
4、煤的矿物组合特征
通过偏光显微镜、扫描电镜-能谱技术和 X 射线衍射分析，总结研究区晚二叠世煤及顶、底板和夹矸中的矿物组成和分布特征，通过矿物的产状和微观形貌揭示矿物成因，进而推断研究区煤层的沉积环境和物源。
5、煤的元素分布和富集规律
通过测定煤中常量元素和微量元素的含量，并与其他地区煤进行对比，借助富集系数来表征煤中元素的含量分布特征以及分散与富集规律，并总结元素在煤层垂向上的分布特征；运用微区分析和数理统计方法，结合元素在煤层不同类型样品中的分布聚集规律探讨煤中各元素之间的亲和性以及赋存状态；通过对比分析煤层顶底板、夹矸和煤中微量元素的分布特征，并与物源供给区元素的含量进行对比，分析煤中富集元素的影响因素。通过对滇东地区相同沉积环境下不同层位以及不同沉积环境下相同层位煤层之间元素含量和分布规律进行对比分析，总结研究区晚二叠世煤层独特的元素地球化学特征。
6、C1煤与 P/T 界线地质事件的耦合关系
通过宣威 C1煤与其它地区相同或不同层位的煤层地球化学特征的对比，以及C1煤与高发区大气可吸入颗粒物中富集的元素进行对比，揭示燃煤与宣威肺癌高发的关系；通过 C1煤中矿物和元素的组合特征来推测煤层形成过程中受到的地质作用的影响以及与二叠纪—三叠纪界线事件的耦合关系。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
摘要 5
Abstract 5
详细摘要 6-9
Detailed Abstract 9-16
第一章 引言 16-28
1.1 选题来源及意义 16-17
1.2 国内外研究现状 17-23
1.2.1 二叠系—三叠系界线事件 17-19
1.2.2 研究区晚二叠世煤层及夹矸的地球化学特征 19-20
1.2.3 煤岩组分的古环境意义 20-21
1.2.4 煤中矿物的成因与物源指示意义 21-22
1.2.5 煤中常量元素的环境指示意义 22-23
1.3 研究内容 23-24
1.4 研究方法及技术路线 24-25
1.4.1 资料收集与整理 24
1.4.2 实验方法 24
1.4.3 技术路线 24-25
1.5 完成的工作量、主要研究成果和创新点 25-28
1.5.1 完成的工作量 25-26
1.5.2 主要研究成果 26-27
1.5.3 论文的创新点 27-28
第二章 区域地质背景 28-48
2.1 滇东黔西区域地质背景 28-33
2.1.1 大地构造背景 28-29
2.1.2 含煤岩系 29-30
2.1.3 含煤岩系沉积环境 30-33
2.2 研究区地理概况 33
2.3 研究区区域构造背景 33-35
2.3.1 背斜 34
2.3.2 向斜 34-35
2.3.3 断层构造 35
2.3.4 岩浆活动 35
2.4 研究区区域地层 35-38
2.4.1 地层发育特征 35-36
2.4.2 含煤地层划分与对比 36-38
2.5 对照点区域地质背景 38-42
2.5.1 宣威乐丰煤矿 38-40
2.5.2 威信玉京山勘查区 40-42
2.6 煤层概况与样品采集 42-46
2.6.1 宣威雁塘矿 42-43
2.6.2 乐丰乡乐丰煤矿 43-44
2.6.3 威信玉京山勘查区 44-46
2.7 本章小结 46-48
第三章 宣威 C1煤层的年代学证据 48-56
3.1 SHRIMP U-PB 同位素测年方法 48-49
3.2 SHRIMP U-PB 同位素定年结果 49-53
3.3 成煤时代对比与分析 53-54
3.4 本章小结 54-56
第四章 宣威 C1煤层的碳同位素记录 56-58
4.1 测试方法 56
4.2 有机碳同位素含量变化特征 56-57
4.3 本章小结 57-58
第五章 煤质特征与煤的显微组分特征及其古环境意义 58-70
5.1 测试方法 58-59
5.1.1 工业分析、全硫和各种形态硫及镜质体反射率 58
5.1.2 显微组分定量统计方法 58-59
5.2 煤质特征 59-62
5.3 显微组分特征 62-66
5.4 显微组分的古环境指示意义 66-67
5.5 本章小结 67-70
第六章 煤的矿物学特征 70-86
6.1 矿物测试方法 70-71
6.2 矿物的产状和成因分析 71-80
6.3 矿物的种类和含量 80-83
6.4 矿物的物源指示意义 83-84
6.5 本章小结 84-86
第七章 煤的元素地球化学特征 86-152
7.1 测试方法 86
7.1.1 常量元素 86
7.1.2 微量元素 86
7.2 常量元素含量与分布特征 86-95
7.2.1 常量元素含量特征 86-87
7.2.2 常量元素的相关性分析 87-93
7.2.3 煤中常量元素的赋存状态及与矿物的共生关系 93-95
7.3 微量元素含量与分布特征 95-124
7.3.1 微量元素含量和富集特征 95-106
7.3.2 微量元素垂向分布特征 106-112
7.3.3 微量元素的赋存状态 112-119
7.3.4 微量元素的影响因素 119-124
7.4 稀土元素地球化学特征 124-145
7.4.1 稀土元素含量特征 124-125
7.4.2 稀土元素地球化学参数 125-135
7.4.3 稀土元素分布模式 135-140
7.4.4 稀土元素垂向分布特征 140-141
7.4.5 稀土元素的来源与赋存 141-145
7.5 夹矸的元素地球化学特征 145-148
7.6 研究区煤层的地球化学特征与 P/T 界线事件的关系 148-149
7.7 本章小结 149-152
第八章 主要结论与展望 152-156
8.1 主要结论 152-154
8.2 展望 154-156
参考文献 156-172
致谢 172-174
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
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