中国西北部柴达木盆地中侏罗世(阿伦期)反复发生的野火:古气候控制因素及其对碳循环的影响

《Global and Planetary Change》:Recurrent Middle Jurassic (Aalenian) wildfires in the Qaidam Basin, NW China: Palaeoclimatic controls and carbon cycle implications

【字体: 时间:2026年04月08日 来源:Global and Planetary Change 4

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  Aalenian期温室气候下,羌塘盆地Dameigou组通过惰质体、PAHs及同位素分析,揭示短周期干旱与火灾活动耦合机制,以及火灾对碳循环的源汇双重作用。

  
周凯|郭荣涛|张硕|刘晓伟|卢静|高然|张培新|严志敏|刘浩清|王伟超|邵龙义
中国矿业大学地球科学与测绘工程学院,煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083,中国

摘要

中侏罗世阿伦期是一个关键的温室气候阶段,然而高频气候变率、野火活动与碳循环反馈之间的相互作用仍知之甚少。本文通过对北凯丹盆地下部Dameigou组的高分辨率、多指标研究,整合了沉积学、干酪根岩相学、多环芳烃(PAHs)、稳定碳同位素和元素地球化学等方法。研究结果记录了三次明显的野火活动高峰,表现为惰性碳质含量增加、高分子量PAH浓度升高以及燃烧诊断比值(如BaA/(BaA + Chr)的变化。这些野火事件与短暂的干旱期密切相关,干旱期表现为化学风化指数(CIA)值降低以及Rb/Sr和Sr/Cu比值的相应变化,而整个时期气候总体温暖湿润。我们认为,反复发生的野火是由短期干旱波动、大气氧含量升高以及易燃的针叶-蕨类植被主导共同作用的结果。关键的是,我们发现野火在区域碳循环中起到了双重作用:在干旱高峰期,它们通过直接释放CO2和抑制生物碳泵作用成为净碳源;而在风化加剧的条件下,它们通过固定难熔的成岩碳(惰性碳质)以及促进生产力提升和有机碳埋藏成为净碳汇。这项研究强调了远古野火活动对气候变率的敏感性,并突出了温室状态下野火在碳循环中的角色依赖于具体环境背景。

引言

当前全球变暖背景下,野火频率和强度的增加凸显了阐明火-气候-碳循环相互作用的紧迫性(Scott, 2010; Zheng et al., 2023; WMO, 2024)。了解野火活动在长时间尺度上的演变对于评估其对环境、生态系统和人类社会的影响至关重要(Marlon, 2020; McLauchlan et al., 2020; Jones et al., 2024)。过去的温室气候时期,如侏罗纪,为研究高大气CO2浓度和较高全球温度下的这些动态提供了重要参考(例如,Royer, 2014; Foster et al., 2017; Scotese et al., 2021)。在那些古代生态系统中,野火是一种普遍且活跃的因子,能够快速在生物圈、大气圈和地质圈之间转移大量碳(Bowman et al., 2009; Bird et al., 2015; Santín et al., 2016)。尽管野火被广泛认为是大气CO2的重要来源,但它们也会产生难以分解的成岩碳(惰性碳质),这些碳质可以在地质时间尺度上被沉积物埋藏和保存,从而成为长期碳汇(Kuhlbusch, 1998; Schmidt and Noack, 2000; Scott and Glasspool, 2007; Bird et al., 2015)。因此,野火对碳循环的净效应——无论是作为来源还是汇——并非预先确定,而是由火活动与同期气候和环境条件之间的动态平衡决定的。然而,特别是在远古温室状态下对短期气候变率的响应机制仍不甚明了。
中侏罗世阿伦期是这一温室气候阶段的关键时期(Sellwood and Valdes, 2008; Pellenard et al., 2014; Gradstein and Ogg, 2020)。全球多个中纬度盆地都发现了阿伦期的野火证据,包括波兰盆地、阿根廷的Neuquén盆地、中国的准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地、伊犁盆地和吐鲁番-哈密盆地,其中含木炭的沉积物和富含惰性碳质的煤层表明该地区在季节性气候下存在周期性地表火灾(例如,Marynowski et al., 2011; Xu et al., 2020; Zakrzewski et al., 2020; Hou et al., 2022; Zhang et al., 2023b; Zhou et al., 2025a)。这些研究使用了多种指标组合(包括惰性碳质岩相学、多环芳烃(PAHs)和孢粉学)来重建野火活动。然而,一种同时结合干酪根岩相学、PAHs、稳定碳同位素(δ13Corg)和元素地球化学的综合方法尚未应用于青藏高原东北部的阿伦期地层。
在中国西北部,凯丹盆地含有厚厚的连续阿伦期大陆地层,其中包括
中国主要煤炭积累阶段期间沉积的广泛分布的含煤层(Li et al., 2014; Dai et al., 2015; Li et al., 2018)。这一环境为研究古气候、野火活动与碳循环过程之间的联系提供了独特机会。尽管该时期盆地整体气候温暖湿润(Hu et al., 2019; Lu et al., 2020a, Lu et al., 2020b; Zhang et al., 2023a, Zhang et al., 2023b; Zhou et al., 2023, Zhou et al., 2024b),但越来越多的证据表明存在叠加的短期气候波动和相关环境扰动。这与通常认为有利于大规模野火发生的干旱条件形成鲜明对比,例如二叠纪-三叠纪过渡期间干旱和火山活动的共同作用(Abatzoglou and Williams, 2016; Cai et al., 2021b)。虽然大气氧含量、植被组成和火山活动都会影响火活动(Glasspool and Scott, 2010; Cai et al., 2021a; Kaiho et al., 2021),但干旱常被视为主要控制因素。因此,在中侏罗世凯丹盆地持续湿润的条件下发生野火的现象引发了关于此类环境中火活动特征、控制因素及其气候敏感性的基本问题,需要进一步详细研究。
本文通过对北凯丹盆地下部Dameigou组的高分辨率、多指标研究,整合了干酪根岩相学、PAHs、δ13Corg和主要及微量元素地球化学数据,旨在:(1)确保存在野火的可靠证据及其频率;(2)重建当时的古气候并识别短期变化;(3)阐明影响野火活动的主要环境因素;(4)评估野火在区域碳循环中的双重作用。

地质背景

凯丹盆地位于中国西北部的青藏高原东北边缘,是该造山带内最大的山间盆地,面积约为120,000平方公里(图1a;Lv et al., 2011)。其地层柱包含超过10公里的以非海洋为主的新生代沉积序列,这些沉积物不整合地覆盖在前寒武纪结晶基底上(Jian et al., 2013; Sun et al., 2019)。从构造上看,该盆地

材料与方法

共采集了36个来自Dameigou组下部的新鲜泥岩样本(具体位置和高度见图1d)。这些样本覆盖了约85米厚的地层,平均采样间隔为每2.3米一个样本。采样工作在新鲜露头进行,避开了风化表面和主要断层带,整个地层段的基线采样间隔为1.0–3.0米。所有样本均被妥善包装并依次编号(1–36)。

总碳含量(TOC)、δ13Corg和干酪根矿物

总碳含量(TOC)、δ13Corg、干酪根矿物组成及惰性碳质反射率的结果总结在表S1中,并在图2a-f中展示。TOC含量范围为0.12%至6.54%,平均值为2.57%。尽管有轻微波动,但TOC含量整体呈上升趋势。δ13Corg值介于?26.1‰至?20.4‰之间,平均值为?22.0‰(图2a)。从垂直上看,δ13Corg值在最低层样本(1–5)中明显降低

惰性碳质的证据

煤中的惰性碳质矿物是识别地质记录中野火的关键指标(例如,Shen et al., 2023; Wang et al., 2023; Zhao et al., 2023; Gao et al., 2024; Shao et al., 2024; Li et al., 2025; Yang et al., 2026)。岩石学观察表明,惰性碳质颗粒主要是由野火产生的植物生物量的炭化残余物(Glasspool and Scott, 2010; Jerrett et al., 2015; Yan et al., 2019; Zhang et al., 2020; Zhou et

结论

来自凯丹盆地中侏罗世阿伦期地层的综合岩相学、地球化学和同位素数据记录了短期古气候波动与反复发生的高强度野火之间的动态耦合,并展示了它们在温室条件下的共同影响。
我们的多指标记录结合了惰性碳质含量、诊断性PAH比值、风化指数(CIA, Rb/Sr, Sr/Cu)以及与生产力相关的P/Al和P/Ti比值

CRediT作者贡献声明

周凯:撰写初稿、方法论设计、资金获取、数据分析。郭荣涛:监督、研究实施、数据分析、数据管理。张硕:撰写、审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。刘晓伟:研究实施、数据分析、数据管理。卢静:撰写、审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。高然:研究实施、数据分析、概念构建。

未引用参考文献

ICCP, 2001
Lu et al., 2017
Pickel et al., 2017
Sykorov'a et al., 2005

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划(项目编号:2025YFE0102300和2022YFF0800203)、国家自然科学基金创新研究群体科学基金(项目编号:42321002)以及国家自然科学基金(项目编号:42302191、42172196、41772161和41472131)的支持。
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