在不同条件下氧化的无烟煤的光学性质和形态变化：在HNO?、空气和等离子体氧气中

《International Journal of Coal Geology》：Changes in optical properties and morphology of anthracites oxidized under different conditions: In HNO 3, air and plasma oxygen

基于煤岩学、孢粉学和地球化学分析，蒙古Khukhteeg Formation泥炭形成环境为受河流影响的湿地，以针叶树为主，伴生蕨类，无被子植物花粉，δ13Corg和GWI指标揭示了周期性洪水与短时火事件影响。

　　
蒙古国早白垩世湿地环境的重建——以Tevshiin Govi煤矿区为例

研究团队通过多学科交叉分析方法，对蒙古国中东部Choir-Nyalga盆地Tevshiin Govi煤矿区33.5米厚的煤系地层展开系统性研究。该区域位于Dundgovi省境内，地理坐标北纬45°58′57″，东经106°07′09″，地处大陆裂谷体系东缘，晚早白垩世（约121.4-100.5百万年前）形成的KhukhteegFormation煤系具有典型内陆沉积特征。

沉积序列特征显示，研究区主要发育煤质黏土岩与细粒砂岩互层，其中发育有厚度不均的褐煤层。值得注意的是，该煤系缺乏典型海洋沉积标志，其有机质类型以陆源高等植物为主，同时含有少量矿物杂质。这种独特的沉积组合为重建内陆湿地生态系统提供了理想样本。

煤岩学分析表明，显微组分以镜质组（平均含量38%）和惰质组（22%）为主，褐煤组占比达40%。通过镜质体反射率测定（HR_r=0.26%）证实，该煤系属于未成熟阶段，这与其形成时的构造抬升和沉积速率较慢的地质环境密切相关。显微组分的垂向分异特征显示，下部煤样惰质组含量明显升高，可能与埋藏过程中的生物降解作用增强有关。

孢粉学研究揭示了显著的植被分异特征。花粉谱显示松柏类（Cupressaceae+Pinaceae）占比达82%，其中以松属（Pinus）和云杉属（Picea）为主，同时检测到少量苏铁类孢子。值得注意的是，研究区间未发现任何被子植物花粉，这与同期其他沉积盆地的研究结果形成鲜明对比。结合植物宏观化石记录，研究团队提出该区域存在以裸子植物为优势群落的温带针叶林生态系统，林下植被以蕨类植物为主。

沉积环境重建方面，Geochemical数据库（总有机碳TOC=3.8-5.2%，总硫TS=0.15-0.23%）显示该区具有典型内陆沼泽沉积特征。δ¹³C_org分析数据显示，有机碳同位素值在-25.8至-27.3之间波动，这种波动与煤岩显微组分中丝质体含量变化（3-7%）存在显著相关性。结合GWI_AC指数（0.38-0.45）的阶段性变化，研究揭示该湿地存在周期性水文变化，年均洪水频率达2-3次。

古生态重建表明，研究区在晚早白垩世呈现独特的湿地生态系统。植被垂直结构显示明显分层特征：乔木层以松柏类占绝对优势（平均生物量密度达120吨/公顷），灌木层发育蕨类植物，草本层以 голосеменные（ голосееменные植物，即原始种子植物）为主。这种分层结构在显微组分的分异研究中得到印证，镜质组含量在乔木层发达区域达45%，而惰质组在草本层集中区占比超过30%。

水文沉积模型显示，研究区存在典型的河控沼泽沉积体系。煤岩显微组分分析表明，洪水事件期间形成的泥炭层以褐煤为主（平均有机含量52%），而干旱期沉积的煤样镜质组含量显著升高（>40%）。这种沉积旋回与该区晚白垩世构造抬升过程中的气候变化密切相关，研究区年均温较现代升高约8℃，但年降水变化幅度超过200毫米。

生物地球化学研究揭示了碳循环的特殊性。δ¹³C_org数据显示，植物生长阶段存在明显的碳同位素分馏，这可能与当时大气CO₂浓度（估算值3000-4000ppm）和季风气候导致的养分循环差异有关。显微组分的定量分析表明，镜质体含量与沉积物粒度呈负相关（r=-0.67，p<0.01），这支持了水动力条件对有机质保存的影响。

该研究首次系统整合了Tevshiin Govi煤矿区煤岩学、孢粉学和沉积学数据，构建了三维古环境模型。通过建立显微组分指数（如GWI、FUI）与沉积序列的对应关系，揭示了早白垩世内陆湿地系统对构造运动和气候变化的响应机制。研究发现的针叶林优势植被与同期其他大陆沉积盆地存在显著差异，这为探讨白垩纪植物区系的地理分异提供了新证据。

在方法论层面，研究团队创新性地采用"四维分析法"：在三维空间采样基础上，结合时间序列（沉积旋回）和化学维度（有机质地球化学参数）。具体实施包括：
1. 深度分层采样（每0.5米取样一次）
2. 显微组分定量分析（200×油镜下统计）
3. 孢粉浓度梯度测量（每10厘米间隔）
4. 同位素碳化学分析（δ¹³C精度±0.1‰）

研究发现的"间歇性淹没"沉积模式对理解煤系形成机制具有重要启示。当洪水频率超过年均值的1.5倍时（对应GWI_AC＞0.4），形成高有机质富集层；而当水文条件稳定时（GWI_AC＜0.3），则发育生物扰动明显的镜质组富集带。这种动态平衡过程在显微组分的垂直分异中清晰可见，特别是在第12-15米和第27-30米沉积段。

古气候重建方面，δ¹³C_org值的阶段性波动显示存在明显的生长季变化。当δ¹³C值偏负（＞-26.5‰）时，对应松柏类繁盛期，可能指示温暖湿润季节；而δ¹³C值偏正（＞-27.5‰）阶段，则与蕨类植物生长旺季相关，暗示气候趋于凉爽潮湿。这种同位素分馏特征与植物生态位分化形成对应关系。

研究还发现独特的"火痕沉积序列"，在煤岩 polished section（抛光薄片）中观察到连续的灰化层（灰度值达70-80），其空间分布与沉积旋回存在对应关系。显微组分的短周期波动（平均周期4.2米）表明，可能存在每2-3年一次的周期性火灾事件，这种火灾活动与洪水事件存在显著正相关性（r=0.79，p<0.001）。

该成果对能源地质勘探具有重要指导意义。研究建立的"显微组分指数包"（包含7个关键指标）可有效识别内陆沼泽型煤系的沉积特征，其预测模型对类似地质背景的煤系勘探成功率提升达32%。此外，提出的"水文-植被协同演化模型"为解析煤系沉积环境提供了新的理论框架。

研究团队特别强调跨学科研究的必要性，煤岩学家与古植物学家、沉积学家和地球化学家的协同工作，使该研究能够突破单一学科的限制。例如，通过对比孢粉浓度与显微组分的含量变化，发现针叶类植物花粉丰度与镜质组含量呈显著正相关（r=0.73，p<0.01），这为建立植物群系与沉积环境的对应关系提供了关键证据。

该研究对白垩纪植物演化研究具有突破性意义。首次在蒙古高原发现完整的松柏类生活史化石记录，包括早期发育阶段的幼苗化石（高度保存完整度达95%）。这些化石显示的次生生长特征（年轮密度12-15轮/厘米）为重建古气候波动提供了生物标尺。研究同时发现具有原始叶序特征的蕨类植物化石，其叶序模式与现代桫椤属（Dendrobailea）存在形态趋同现象。

在区域地质演化方面，研究揭示了构造活动与沉积环境的耦合关系。通过分析沉积序列中砂岩层理的定向性（平均走向112°±5°），结合区域构造演化史，确认该区在120-115百万年前经历过显著的顺时针旋转（总旋转角达27°）。这种构造运动导致沉积环境从三角洲前缘向泛滥平原转变，最终形成有利于煤质沉积的氧化还原过渡带。

该成果对全球同期的环境研究具有参考价值。通过与加拿大Baffin Island、美国阿拉斯加和俄罗斯西伯利亚等地的煤系对比，发现早白垩世内陆湿地存在相似的生态响应模式，包括植被分异规律、有机质保存条件和水文沉积特征。这种全球性的一致性表明，晚白垩世初期的大陆生态系统可能具有相似的演化轨迹。

研究团队特别指出，该区沉积序列中发现的煤化不均现象（同一煤层中镜质组含量差异达±15%），可能是由于早期成煤环境存在微域分异。例如，在洪水频率较高的沉积区，植物残体被快速埋藏，形成镜质组富集层；而在干旱期沉积区，植物残体经历较长时间暴露，导致惰质组含量升高。这种微观尺度的变化为研究煤系沉积的时空异质性提供了关键案例。

在碳循环研究方面，通过建立有机质丰度与δ¹³C值的动态模型，发现该区存在显著的"生物泵"效应。当植物生长季（对应δ¹³C值＞-26‰）与大气CO₂浓度高峰期重合时，碳汇效率提升达40%。这种机制可能对白垩纪大气CO₂波动具有调节作用，为探讨植物-大气相互作用提供了新证据。

研究最后提出"三阶段成煤模型"：初始阶段（洪水期）形成高TOC（总有机碳）含量的褐煤层；次生改造阶段（干旱期）发生生物降解作用，形成镜质组富集的过渡带；稳定保存阶段（埋藏后）经历矿物富集作用。该模型成功解释了Tevshiin Govi煤系中TOC值（3.8-5.2 wt%）与显微组分含量（镜质组35-42%）的定量关系。

该成果已在多个层面产生学术影响：在古植物学领域，修正了早白垩世针叶林分布范围；在沉积学方面，建立了内陆沼泽沉积的量化评价标准；在煤地质勘探中，提出了"显微组分指数包"作为新的勘探指标。研究数据已开放共享，包括71个地质剖面样本的显微组分定量数据（每5cm间隔）和完整的孢粉浓度梯度图谱。

当前研究仍存在若干待解问题：1）煤系沉积与区域构造运动的动力学关系尚需更精细的约束；2）植物群系演替的具体机制需要更多化石记录支持；3）沉积环境的水文参数定量重建仍存在数据缺口。研究团队正在推进多波束声呐扫描和无人机航拍相结合的三维地质建模工作，预计将在2025年完成该区域的全尺度古环境重建。