《Palaeoworld》：Climate change during the early Middle Jurassic: Evidence from coal-bearing strata of the Ordos Basin
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该研究通过分析中国鄂尔多斯盆地中侏罗世煤岩层的矿物学、地球化学、古植物群及有机碳同位素特征，揭示该盆地早中侏罗世存在季节性干旱和长期干旱化趋势，并发现气候变化与构造活动存在耦合关系。
作者：年德尚（Nian-De Shang）、刘静静（Jing-Jing Liu）、戴世峰（Shi-Feng Dai）、伊恩·T·格雷厄姆（Ian T. Graham）、韩秋蝉（Qiu-Chan Han）、贾荣坤（Rong-Kun Jia）、冯家伟（Jia-Wei Feng）、姚梦达（Meng-Da Yao）、王燕（Yan Wang）
单位：中国曲阜济宁大学资源与环境安全工程学院（School of Resource and Environment and Safety Engineering, Jining University, Qufu 273155, China）
摘要
侏罗纪是一个温室效应显著的地质时期，其温度波动特征主要通过西特提斯洋（Tethys Ocean）欧洲区域的海洋沉积物得以体现。来自欧洲以外地区的陆地沉积物证据对于全面理解全球古气候变化具有重要意义。自泥盆纪以来，煤炭在从亚极地到赤道地区的陆地环境中形成，其中蕴含了丰富的环境和气候长期记录。华北地区中侏罗世时期的含煤地层为重建该时期的古气候提供了独特的数据。本研究基于矿物学、地球化学、孢粉学、岩石学及有机碳同位素分析，从鄂尔多斯盆地（Ordos Basin）的中侏罗世含煤地层中提取了古气候信息。通过对化学风化指数（如CIA、CIW、PIA、τNa、WIP）、地球化学指标（Ga/Rb和Sr/Cu）、有机碳同位素值以及喜湿植物与耐旱植物相对丰度的综合分析，我们发现尽管中侏罗世早期整体气候温暖湿润，但该地区仍经历了反复出现的季节性干旱，并呈现出长期干旱化趋势。
引言
侏罗纪期间，全球平均气温上升了5–10℃（Berner和Kothavala，2001；Sellwood和Valdes，2006；Lenton等人，2018）。部分研究认为侏罗纪气候持续温暖湿润（例如Sellwood和Valdes，2006；Sellwood和Valdes，2008；Holz等人，2015；Li等人，2022），但也有研究指出这一时期存在明显的温度波动（Pearce等人，2008；Dera等人，2011；Korte等人，2015；Nordt等人，2022）。例如，中侏罗世时期盘古大陆的分裂及利古里亚海（Ligurian Sea）和中大西洋（Central Atlantic）的开启引发了广泛的火山活动，并导致全球气候和植被的显著变化（Jenkyns等人，2002；Hesselbo等人，2003；Deng等人，2017a，2017b；Al-Mojel等人，2018）。在中国北方地区，包括鄂尔多斯盆地、柴达木盆地（Qaidam Basin）和吐鲁番-哈密盆地（Turpan-Hami Basin），中侏罗世早期气候温暖湿润（Wang等人，1997；Sun等人，2017；Huang等人，2023；He等人，2025），但晚侏罗世气候转向干旱（Deng等人，2017a；Sun等人，2017；Huang等人，2023；Xie等人，2023；Han等人，2024）。这种气候转变可能促进了有机碳的埋藏，进而形成了碳同位素异常现象（Suchéras-Marx等人，2013；Bodin等人，2020；Price等人，2023）。然而，西特提斯洋欧洲区域的海洋沉积物证据（如冰筏碎屑、低海洋生物多样性、孢粉学特征及氧同位素数据）表明该地区在中侏罗世曾经历降温事件（Dera等人，2011；Korte等人，2015；Philippe等人，2017；Bodin等人，2020）。这些区域性的气候差异揭示了侏罗纪气候的复杂性，强调了来自不同沉积环境的高分辨率古气候记录的重要性。
尽管在中侏罗世气候变化研究方面已取得进展，但目前大多数气候重建主要依赖于海洋或细粒碎屑沉积物（如泥岩），而对作为大陆沉积物中高质量地质信息载体的煤炭探索较少。实际上，自泥盆纪以来，煤炭这种复杂的沉积岩在从亚极地到赤道地区的陆地环境中形成，保存了详细的长期环境和气候记录。因此，煤炭为古环境和古气候研究提供了宝贵资料（Hautevelle等人，2006；Dai等人，2020；Mathews等人，2020）。在泥炭形成过程中，植物受环境影响显著，如火灾、干旱或洪水。这些影响会体现在有机成分中（Moore等人，2021；Han等人，2024）。通过对煤炭的岩石学分析，可以了解泥炭堆积环境（如地下水位变化）（Bohacs和Suter，1997；Dielssel，2007）。此外，煤炭中的稳定有机碳同位素组成反映了温度、湿度和大气二氧化碳成分的变化（Lücke等人，1999；Holdgate等人，2009；Guo等人，2020；Moore等人，2021），是古气候重建的重要工具。含煤地层中的孢粉化石也有助于重建古气候条件（Deng等人，2017a；Zhang等人，2022）。多项研究利用孢粉化石恢复了中国的中生代古气候特征，包括华北地区（Na等人，2015；Deng等人，2017a）、西北地区（Wang等人，2005；Zhang等人，2015；Zhang等人，2022）和西南地区（Li等人，2020；2022）。含煤地层的元素地球化学特征记录了沉积源区的化学风化条件（Xie等人，2023）。温暖湿润的气候条件会导致降水量增加和化学风化加剧，而寒冷干旱条件则产生相反效果（Kozur和Bachmann，2010；Miller等人，2017；Baranyi等人，2019）。因此，煤炭中的无机成分是反映沉积环境和古气候状况的关键指标。
尽管以往研究揭示了中侏罗世的气候演变模式，但大陆沉积物中早侏罗世的高分辨率气候记录仍较为有限。从煤炭中提取地质信息不仅有助于揭示该时期的气候特征，还能为温室效应时期的全球气候演变提供关键见解。位于北特提斯洋边缘的鄂尔多斯盆地是中国重要的内陆富煤盆地，拥有丰富的侏罗纪含煤地层（如延安组（Yan’an Formation）），是研究该时期气候演变的理想地点。本研究通过分析延安组含煤地层中的风化程度、古植被变化、稳定碳同位素和煤质组成，探讨了中侏罗世早期的气候变化，并揭示了构造运动与气候变化之间的耦合关系。
地质背景
鄂尔多斯盆地位于华北克拉通（North China Craton）上（图1A），是一个经历了多次叠加和改造的构造盆地。古生代期间，该盆地主要经历了抬升和沉降，形成了大陆内陆洼地（Sun和Dong，2019）。晚二叠世时，印度-中国造山运动（Indosinian Movement）导致沉积环境转变为陆地相，形成了克拉通内陆凹陷盆地（Sun和Dong，2019）。
样品与分析方法
从海湾矿（Haiwan Mine）的4-2号煤层采集了14个煤层样品，包括10个煤层段（编号H4-1至H4-10）、2个分层（H4-P1和H4-P2）、1个顶板样品（H4-R）和1个底板样品（H4-F）。从胜堡矿（Shengbo Mine）的5-1号煤层采集了19个煤层样品，包括14个煤层段（S5-1至S5-14）、2个分层（S5-P）、2个顶板样品（S5-R1和S5-R2）和2个底板样品（S5-F1和S5-F2）（图1C）。
煤炭特性
表S1展示了4-2号和5-1号煤炭的初步分析结果，包括硫含量和镜质体反射率。5-1号煤炭的灰分含量从下到上逐渐降低（1.89%至8.74%，平均4.17%；干基）。4-2号煤炭的上部灰分含量低于下部（2.51%至25.98%，平均7.97%；干基）。值得注意的是，H4-8和H4-9样品的灰分含量差异显著。
古植被重建
以往研究将孢粉化石的植被类型分为五类：针叶植物、常绿阔叶植物、落叶阔叶植物、灌木和草本植物（Liu等人，2024）。根据孢粉化石所属植物的气候适应性，这些植物还可进一步划分为适应热带、热带-亚热带、亚热带、热带-温带、亚热带-温带和温带气候的物种（Herman等人，2017）。
结论
延安组中的孢粉化石表明研究区域整体气候湿润。低洼沼泽和河岸湿地主要被喜湿蕨类植物占据，为泥炭积累和随后煤层形成提供了条件。而排水良好的高地地区则以针叶植物和耐旱植物为主。喜湿植物与耐旱植物的共存反映了生态系统的复杂多样性。
未引用参考文献
Deng等人，2017；Deng等人，2017；Li等人，2022；Li等人，2022；Theuerkaufet等人，2019；Wang等人，2018；Zhang等人，2022；Zhang等人，2022；Zhang等人，2023；Zhang等人，2023。
作者贡献声明
年德尚（Nian-De Shang）：撰写、审稿与编辑、方法论制定、研究设计、资金申请、数据管理
刘静静（Jing-Jing Liu）：撰写、审稿与编辑、监督、资金申请
戴世峰（Shi-Feng Dai）：撰写、审稿与编辑、监督、资金申请、概念构思
伊恩·T·格雷厄姆（Ian T. Graham）：撰写、审稿与编辑、方法论制定
韩秋蝉（Qiu-Chan Han）：方法论制定、研究设计、资金申请
冯家伟（Jia-Wei Feng）：方法论制定
姚梦达（Meng-Da Yao）：……
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号U24A20594、42272194、42502161）、111项目（项目编号B17042）以及教育部煤炭层气资源与储层形成过程重点实验室（中国矿业大学）（项目编号2025-010）的共同资助。感谢Jim Hower博士及其他匿名审稿人的宝贵意见，这些意见极大地提升了论文的科学质量。
