早二叠世华北东部古野火活动及全球记录^*

Early Permian palaeo-wildfire activity in eastern North China and its global records

摘要

随着全球持续变暖,野火发生频率和范围显著加剧。为深入理解气候变化与野火之间相互作用,研究地质历史时期野火活动发生规律尤为重要。二叠纪是从冰室气候到温室气候时期转变的关键阶段,尽管大量研究广泛报道了二叠纪野火活动证据,但关于早二叠世野火活动在全球范围内的时空分布规律及控制因素尚不明确。本研究首次发现华北东部下二叠统太原组和山西组中存在大量化石木炭,表明当时野火活动频繁发生。化石木炭反射率为0.61%~2.76%,反映野火活动以地面火和地表火为主。此外,本研究系统收集并分析了174条公开报道的全球早二叠世野火活动数据。野火证据类型包括化石木炭、惰质组和热解多环芳烃。空间上,早二叠世野火活动集中分布在南半球中高纬度的热带和寒温带气候区,主要受区域气候和植被分布的影响。时间上,早二叠世野火事件发生频率表现为先上升后下降,可能受CO₂含量变化的控制和大气O₂含量影响。研究成果为进一步认识全球二叠纪野火事件分布及控制因素提供了重要依据。

Abstract

With the continuous warming of the global climate,the frequency and extent of wildfires have increased significantly. To gain a deeper understanding of the interactions between climate change and wildfires,it is crucial to study wildfire activity patterns throughout geological history. The Permian marks a pivotal transition from an icehouse to a greenhouse climate. Although extensive research has reported evidence of the Permian wildfires,the global spatiotemporal distribution and controlling factors of the Early Permian wildfire activity remain unclear. This study presents the first discovery of abundant fossil charcoal in the Lower Permian Taiyuan and Shanxi Formations in eastern North China,indicating frequent wildfire occurrences during this period. Fossil charcoal reflectance ranges from 0.61% to 2.76%,suggesting that wildfires were predominantly surface and ground fires. Additionally,this research systematically compiled and analyzed 174 globally reported records of the Early Permian wildfire activity. The evidence includes fossil charcoal,inertinite,and pyrolytic polycyclic aromatic hydrocarbons. Spatially,the Early Permian wildfire activity was concentrated in tropical and cool temperate climate zones at mid- to high latitudes in the southern hemisphere,primarily influenced by regional climate conditions and vegetation distribution. Temporally,the frequency of the Early Permian wildfire events exhibited an initial ascending trend followed by subsequent decline,potentially influenced by variations in atmospheric CO₂ concentraions and modulated by fluctuations in atmospheric O₂ levels. This study provides critical insights into the global distribution and controlling factors of wildfire events during the Permian,contributing to a more comprehensive understanding of their patterns and influences.

Graphical abstract

关键词

野火 / 化石木炭 / 氧气含量 / 早二叠世 / 华北地区

Key words

wildfire / fossil charcoal / oxygen content / Early Permian / North China

随着全球气候变暖的影响,野火发生的频率和强度不断加剧(Jones et al., 2020)。仅2023—2024年间,全球被烧毁的土地达390万km²(Jones et al., 2024),加拿大的火灾规模达到历史最高。自1990年以来,野火已直接造成至少1.8万人受伤或死亡,并对生态系统的生物多样性、碳循环等产生了极大的负面影响(Koplitz et al., 2018;Jones et al., 2024)。因此,研究野火与不同环境因素在空间尺度和时间尺度上的关系,有助于更好地理解全球变暖环境下野火的变化趋势并制定防治措施等。

野火燃烧的产物主要包括化石木炭、惰质组(煤中的化石木炭)和热解多环芳烃(PAHs)等(Uhl et al., 2012;Baker,2022;Shao et al., 2024;Sun,2024)。其中存在于沉积物中的化石木炭被广泛认为是古野火的直接证据(Scott,2000)。已知最早的野火证据可以追溯到志留纪(Glasspool and Gastaldo, 2022)。在地质历史时期中,野火活动的变化主要受大气O₂含量、点火源、气候和植被等因素影响(Baker,2022;Du et al., 2024)。

二叠纪是地球从冰室至温室的转变时期(Gastaldo et al., 1996;Montañez and Poulsen,2013;杨江海等,2021),大气O₂含量明显高于现在水平(Wildman Jr et al., 2004;Berner,2009;Glasspool et al., 2010),被认为是地质历史上的一个野火高发时期(Berner and Kothavala,2001;Berner,2006;Glasspool and Scott,2010;Benicio et al., 2019)。前人对早二叠世野火的研究主要集中在单个特定区域上(Uhl et al., 2004;Guerra-Sommer et al., 2008;Jasper et al., 2008,2011;Murthy et al., 2022,2023a),而且已有数据库虽然涵盖了部分早二叠世野火数据,但野火证据类型统计不完善、野火数据有待更新(Jasper et al., 2013;Yan et al., 2016)。因此,重建更加完善的早二叠世野火数据,有助于更好地理解高O₂含量下的野火规律。

早二叠世华北地区发育了大量的植物,野火频发,是全球野火研究的代表性区域(Shen et al., 2023)。为此,利用华北东部济宁地区ZK-8351钻孔下二叠统太原组和山西组沉积物中的化石木炭,通过化石木炭丰度和化石木炭反射率确定了其野火类型,具有重要的代表性意义。此外,本研究收录了早二叠世全球各地区野火活动证据,重建了早二叠世野火的时空格局。通过与大气O₂含量、CO₂含量、区域气候与植被变化等因素相结合,评估了不同因素对早二叠世野火活动时空演变的潜在影响,为人类正确认识全球早二叠世冰期野火发生原因提供重要的依据。

1 地质背景与方法

1.1 地质背景

济宁地区属于华北克拉通东部,早二叠世位于北半球低纬度地区(图 1-A)。地层发育较全,由老到新依次发育本溪组、太原组、山西组、下石盒子组等(王东东等,2024), 其中早二叠世发育地层包括太原组和山西组下部(图 1-C),本研究的样品取自济宁地区ZK-8351钻孔(图 1-B)下二叠统太原组和山西组,主要以石灰岩、泥岩、砂岩为主,夹有厚度不一的煤层。

1.2 采样和分析方法

本研究共采集了17件砂岩及泥岩样品,其中山西组6件砂岩样品(985 m、987 m、996.8 m、1010 m、1013.5 m、1014.5 m);太原组7件砂岩样品(1080 m、1091.5 m、1098 m、1100 m、1101 m、1102 m、1103 m)和4件泥岩样品(1067.5 m、1082 m、1138 m、1139 m)(采样位置见图 1-C)。所有样品中均保存有宏观植物碎屑(图 2)。

本研究分析方法包括岩石学分析、化石木炭反射率测量和扫描电子显微镜观察法。化石木炭根据Scott(2000,2010)提供的标准进行鉴定: 颜色不透明、呈黑色、反射光强、丝绢光泽,带有黑色条纹、脆性断裂、原始解剖结构保存完好、细胞壁均匀。

惰质组反射率研究方法: 将未破碎的泥岩和砂岩样品制作为光片进行化石木炭反射率测定。使用Liu 等(2018)的操作步骤和技术参数。按照ICCP(2001)标准对样品中的显微组分进行鉴别,利用数字煤岩分析系统(型号: Axiosscope A1 Pol),维持室温在24 ℃,在油浸反射光显微镜下进行微观拍照并分析。使用MSPUV-VIS2000光度计测试样品反射率。

木炭的形态学研究方法: 利用解剖刀和针将植物残骸与岩石分离,利用扫描电子显微镜(型号: Phenom prox)对木炭的解剖结构进行拍照并分析。根据Uhl等(2012)的方法,在真空条件下,使用10 kV加速电流、标准光束对样品进行观察。所有实验均在山东科技大学山东省沉积成矿与沉积矿物重点实验室完成。

1.3 数据预处理

为了建立一个可靠的早二叠世野火证据数据库,按照Lu等(2021)和吕大炜等(2024)的方法,从已公开发表的数据或数据库中收集。未发表的数据、个人材料不包括在本文的研究中。在Google Scholar、Web of Science、ScienceDirect、JSTOR和中国知网(CNKI)等平台,规定特定的关键词,包括“Early Permian wildfire”、“charcoal”、“inertinite”、“fusain”、“fusinite”“早二叠世野火”、“化石木炭”、“惰质组”和“PAHs”等。完成文献搜索。所有文献检索工作于2024年12月完成。

数据库包括3种类型的野火证据: 木炭类型I(煤中惰质组)、木炭类型Ⅱ(碎屑沉积物的化石木炭)和热解多环芳烃(PAHs)。在将原始文章中的数据纳入数据库之前,为了最大限度地减少低可信度的野火数据,进行了双重检查和评估。如果多个研究报告来自同一地点(如剖面、区域或盆地)的同一地质单元的野火数据,则将这些数据视为1条记录。根据不同类型的证据,可以在不同的研究中识别同一研究地点的野火事件,将多个记录视为1次事件。记录的野火事件包括时间、样品采集位置(如国家、州/省、城市、纬度、经度)、古地理位置(如古纬度、古经度)、地层单位(如组、群)以及岩石类型(如煤、砂岩、泥岩)等。

利用PointTrackerv7h软件重建了早二叠世全球野火证据所处的古纬度和古经度。为了直观显示野火发生的空间分布,将野火活动位置投影到Scotese(2014)提供的早二叠世古地理图上。

2 结果

2.1 木炭形态学特征

在现代环境下,不完全燃烧产生的木炭特征包括: 颜色从棕色到黑色,具有污手特性,表面可见丝绢光泽,硬度低,易碎成粉末状,并具有黑色条痕,同时保留部分植物的结构特征(Zhou et al., 2024;吕大炜等,2024)。在华北东部济宁地区太原组和山西组中发现了大量植物残骸,均呈现出黑色、丝绢光泽等典型的化石木炭特征。化石木炭碎片主要为宏观木炭(图 2),其长度大于1 mm,形状以椭圆形和长方形为主,可见三角形。大部分化石木炭碎片被压缩,在采样段中分布密集(图 1-C)。

利用油浸显微镜观察太原组和山西组化石木炭样品,存在大量丝质体和半丝质体,且具有明显的细胞壁结构。丝质体和半丝质体的孔径范围为5~250 μm(图 3),变化幅度较大。化石木炭反射率介于0.61%~2.76%之间,平均值为1.4%。

本研究利用扫描电镜观察样品的解剖结构和细胞壁的细节,发现样品的细胞壁具有明显的均质化现象(图 4)。同时可以发现纵切面可见细长的管胞,横切面上则存在典型的管胞,具有明显的植物结构特征,符合化石木炭的典型特征(Murthy et al., 2023b)。所有被研究的样品都显示出破碎的细胞壁(图 4),这是成岩过程中压实作用的标志(Murthy et al., 2022)。

2.2 早二叠世野火活动数据库概述

本研究收集早二叠世野火证据共174条(图 5),其中阿瑟尔阶17条,萨克马尔阶26条,亚丁斯克阶78条,空谷阶53条。根据证据类型,可以将其分为5组: 木炭类型Ⅰ共127例,占73%;木炭类型Ⅱ共23例,占13%;PAHs共8例,占5%;木炭类型Ⅰ和木炭类型Ⅱ共10例,占6%;木炭类型Ⅱ和PAHs共6例,占3%。数据显示,阿瑟尔阶野火事件的报道相对较少,此后野火发生频率呈上升趋势,在亚丁斯克阶达到最大值78次,而在空谷阶,已发布的野火发生次数减少至53次。

基于古纬度重建,从空间角度来看,南半球野火发生次数远高于北半球,主要分布在南半球中高纬度地区(50°S~70°S)(图 6-C,6-D)。二叠纪气候分为热带、干旱带、暖温带、寒温带、寒带。已发表的早二叠世野火事件主要集中在寒温带地区和热带地区,分别占总数的48%和37%。干旱带地区、暖温带地区和寒带地区报道的野火事件仅占总数的4%、1%和10%。

3 讨论

3.1 华北东部早二叠世反复发生的野火

本研究采集样品中的植物残骸被证实为化石木炭,其细胞壁具有均质现象,解剖特征保存完好。木炭在很大程度上能够抵抗化学和生物衰变,可以很容易地被保存在化石中(Scott,2000;Friis et al., 2006;Glasspool et al., 2006;Scott,2010),可以作为古野火发生的直接证据(Jones and Chaloner,1991;Mishra et al., 2022)。木炭保存完好的解剖细节可以提供野火燃烧植物类群的亲缘关系信息(Friis et al., 2006)。所研究的化石木炭碎片显示出解剖特征显著,如管胞壁上单列凹坑(图 4)。然而,根据这些零碎的标本不能确定特定的植物群。化石木炭富集且大小及形态差异较大,表明这一时期可能发生了不同强度的野火(Du et al., 2024)。同时基于化石木炭存在于砂岩和泥岩中,也可能是水流搬运导致化石木炭大小及形态差异较大。一般来说,在现代环境中,距离燃烧地点越远,木炭碎片的丰度和大小会减少(Blackford,2000)。大多数标本的边缘呈椭圆形和长方形,且地层中化石木炭富集,表明木炭只是被运输了较短的距离,可能直接来自沉积地附近的野火事件(Scott,2000;Marynowski et al., 2011)。同时岩心中化石木炭反复出现,表明华北东部早二叠世野火活动反复发生。

3.2 华北东部早二叠世野火类型

前人研究已经证明植物的燃烧温度与反射率呈正相关,反射率越高,燃烧温度越高(Jones and Chaloner,1991)。

反射率和温度的关系如(1)式:

(1) T = 184.1 + 117.76 \times R_{\mathrm{O}} ( r^2 = 0.91 )

其中, T为燃烧温度, R_{\mathrm{O}} \mathrm{ }为测量出样品的化石木炭反射率, r^2 \mathrm{ }为公式的判定系数,即温度 T的变化中有91%是由化石木炭反射率( R_{\mathrm{O}} \mathrm{ })的变化导致(Jones,1997)。

此外,(Scott,2000,2010)将古野火分为3种类型: (1)地面火,主要在低温(<350 ℃)的土壤腐殖层或泥炭中闷烧,产生的木炭量最大; (2)地表火,主要在中温(400~700 ℃)下燃烧低矮植被或枯枝落叶等,产生较多的木炭; (3)树冠火,主要在高温(800~900 ℃)下燃烧植物树冠,只产生有限的小木炭碎片。

根据重建结果,下二叠统太原组和山西组样品的燃烧温度范围为305~450 ℃。炭化实验表明,温度在230~340 ℃之间时,会发生细胞壁均质化现象(Jones,1994)。在扫描电镜下,观察到化石木炭样品的细胞壁均发生均质化(图 4),这也侧面佐证了当时的碳化温度可能高于230~340 ℃。总体来说,华北东部早二叠世的野火活动以地面火和地表火为主(图 7)。

3.3 早二叠世野火活动空间尺度分析

自然野火不是随机发生的,而是受到植被、气候、地形的影响(Krawchuk et al., 2009)。本研究发现,已发表的早二叠世野火活动在干旱带地区分布较少,主要集中在寒温带地区和热带地区(图 6-B;图 8)。干旱气候区降水少、炎热干燥,通常不利于植物生长,可能导致野火燃料短缺。并且野火证据在干旱气候条件下更易被风化,难以保存(Hamad et al., 2012),因此干旱气候区的野火活动记录较少。野火记录主要集中在热带和寒温带气候区。在热带气候区中,环境更加温暖和潮湿,有利于植被的生长。因此,植被的繁茂发展可以产生大量的燃料,充裕的燃料更容易引发野火。雷击是地质历史时期野火的主要点火源(Cope and Chaloner,1980;Du et al., 2024)。现代研究发现,在潮湿的环境下,雷击事件更加频繁(Veraverbeke et al., 2017)。因此,在热带气候环境下,频繁的雷击和充足的燃料可能是导致该区域野火频发的主要因素。

寒温带气候的季节变化更为明显,现代研究表明,干燥和潮湿变化的环境更有利于野火发生(Lu et al., 2021)。在潮湿环境下,降水丰富,有利于植被的发育,积累了足够的燃料。当气候转换为干燥时,植被中的含水量减少,更容易被引燃,导致野火事件的发生(Yan et al., 2016)。因此,显著的季节性变化可能是导致该区域野火频发的主要因素。晚石炭世—早二叠世时期(~3.25-2.8亿年前)是地球历史上第1个大陆被维管植物覆盖的阶段。南半球高纬度地区在早二叠世开始发育舌蕨植物群,并成为优势物种(DiMichele et al., 2005)。舌蕨是一种落叶乔木(Gulbranson et al., 2014;Tewari et al., 2015),在处于南半球冬季时,掉落大量树叶,为野火的发生提供了丰富的燃料。

北半球暖温带和寒温带主要为安加拉古陆,其气候在阿瑟尔阶至亚丁斯克阶期间在亚湿润和半干旱之间波动,并在空谷阶期间变得干旱(Boucot et al., 2013)。在现代半干旱条件下,沉积物中的木炭会迅速发生分解(Skjemstad et al., 1996)。同时不能排除其他因素,如各种研究者的偏见,这些因素可能不仅主要影响早二叠世沉积物中野火证据的保存,而且还可能影响这些证据的恢复、研究和发表(Hamad et al., 2012)。虽然前文提到,早二叠世处于野火活动高发时期,但北半球暖温带和寒温带地区可能因为野火证据难以保存和研究者的偏见导致野火记录几乎没有。

在早二叠世北半球中低纬度和南半球中高纬度大陆架区域野火记录较多。现代研究发现,木炭在被水浸湿之前可以漂浮相当长的时间(数小时、数天或数周),因此能够在沉积并融入沉积序列之前进行长距离运输。这些木炭不仅在陆地和非海洋序列中被发现,还在近岸浅海中以及更深的海洋陆架沉积物中出现,为野火的发生提供了记录(Scott,2010)。早二叠世南半球野火证据数量多于北半球,可能是由于南半球的陆地面积比北半球大。此外,北半球干旱气候区范围更大,缺乏潜在燃料,不利于野火的发生。此外干旱气候下风化强度更大,这也可能导致野火证据未被保存下来。

3.4 早二叠世野火活动时间尺度分析

地质历史时期,野火的发生主要受3种因素控制: 燃料、O₂和点火源(Scott,2000;Krawchuk et al., 2009;Lü et al., 2024)。野火发生的基本条件是燃料,自然界中存在大量易燃物质,如植被残骸、地下泄漏的石油或天然气、暴露的泥炭和煤炭,其中各种类型的植物是野火燃烧最重要的燃料(Glasspool et al., 2015)。野火发生的另一个基本条件是O₂。前人对以往关于大气O₂含量对燃烧影响的研究指出,当大气O₂含量低于15%时,燃烧不会发生; 16%的O₂含量可能是植物可燃性和维持长期燃烧的最低要求; 而当O₂含量至少为23%时,湿润植物将持续燃烧(Scott et al., 2014)。当大气中的O₂含量较高时,野火活动增加,从而产生大量的燃烧产物。但研究时期的大气O₂含量超过了30%,所以大气O₂含量对野火的影响相对减少。影响野火发生的最后条件是点火源,在人类掌握火之前,自然界中的火灾主要是由岩石坠落、陨石撞击、火山事件以及最重要的闪电产生的火花引起的(Scott,2000;Du et al., 2024)。前人研究发现当大气CO₂含量增加时,会导致对流层上层水蒸气含量增加,从而导致雷击概率增加(Belcher et al., 2010;Baker,2022)。由于缺乏早二叠世雷击的直接证据,因此本研究引用大气CO₂含量变化作为雷暴频率的代表。同时,大气中CO₂含量的变化也会导致气候的变化(Shao et al., 2024)。当大气中CO₂含量增加时,全球平均气温上升,区域干旱的持续时间、强度和频率都会增加,也可能增加野火的频率。本研究整合了对早二叠世大气O₂水平(Mills et al., 2023),大气CO₂含量(Foster et al., 2017)和植被多样性(Cleal et al., 2014)的研究,已发表的早二叠世野火活动的汇编(图 9)。

阿瑟尔阶至亚丁斯克阶野火活动事件逐阶增加(图 9-D)。从燃料角度分析,阿瑟尔阶至亚丁斯克阶期间植物的物种数量较为稳定(图 9-A),总体增量有限,几乎可以忽略不计,且植被组成未发生显著变化,仅裸子植物增多、蕨类植物减少,对野火活动的影响较小,并不是控制因素。同时不能忽略不同气候带和不同地区条件下植被的差异性影响(Yan et al., 2016;Hua et al., 2024)。但由于缺少植物证据,作者无法对其展开研究。从点火源角度分析,阿瑟尔阶至亚丁斯克阶期间的CO₂含量整体偏高且持续上升,从500×10^-6上升至750×10^-6(图 9-B)。作为点火源,闪电出现次数增加,这表明CO₂含量变化对该阶段野火活动具有重要影响。从O₂角度分析,阿瑟尔阶至亚丁斯克阶期间的O₂含量持续增长近5%(图 9-C)。前文指出,O₂含量越高,野火发生的概率越大,阿瑟尔阶至亚丁斯克阶的野火事件也因此增加。综上所述,阿瑟尔阶至亚丁斯克阶的野火活动增加,主要受CO₂含量升高导致的雷击频率增多的控制和大气O₂含量上升的影响。

亚丁斯克阶至空谷阶野火活动事件变少(图 9-D)。从燃料角度分析,亚丁斯克阶至空谷阶的植物生物量稳定,裸子植物占比增加,蕨类植物占比减少,但变化趋势不明显,因此燃料种类数量不是此阶段野火事件的主要控制因素。从点火源角度分析,亚丁斯克阶至空谷阶期间的CO₂含量初期小幅度上升,但整体呈现下降趋势(图 9-B),总体下降约250×10^-6,表明此时闪电等自然气象出现次数减少,进而影响野火活动的发生。从O₂角度分析,亚丁斯克阶至空谷阶期间的O₂含量先下降,后小幅度上升,但整体仍呈下降趋势; 综上所述,亚丁斯克阶至空谷阶的野火活动变化,主要受是CO₂含量降低导致的雷击频率减少的控制和大气O₂含量降低的影响。

3.5 华北东部野火记录的全球意义与研究展望

由于包括潜在的研究人员偏差及保存条件限制等埋藏学所固有的复杂性,全球范围内诸多地区早二叠世古野火证据存在缺失的可能性无法排除(Brown et al., 2012;Du et al., 2024)。在此背景下,本研究对华北东部地区古野火记录的确证,为全球古野火数据库补充了一个关键的区域性数据点。华北东部野火事件作为全球野火活动的重要组成部分,符合全球野火集中于热带与寒温带的规律,凸显了区域气候(温暖湿润)对燃料积累的关键作用。这不仅丰富了该地质时期野火活动的区域认知,也凸显了在全球尺度上系统性地识别和整合古野火证据的必要性。因此,未来亟需在更多地区开展更深入、更广泛的研究,以期构建更为全面和可靠的全球古野火演化图景。

4 结论

1)华北东部下二叠统沉积物中发育了较多的宏观化石木炭,在显微镜下观察到大量丝质体、半丝质体。不同地层中均发育较多的化石木炭,表明这一时期野火活动反复发生。

2)华北东部济宁地区沉积物中化石木炭反射率为0.61%~2.76%,其中82%的化石木炭反射率介于1%~2%之间。发现华北东部早二叠世野火类型主要为地面火和地表火。

3)整理已发表的全球174条早二叠世野火活动记录,从空间上看主要分布在南半球、中高纬度热带和寒温带地区,主要受区域气候和植被因素影响。从时间上看阿瑟尔阶至亚丁斯克阶野火活动呈上升趋势,亚丁斯克阶至空谷阶野火活动呈下降趋势,受CO₂因素控制和O₂含量影响。

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基金资助

*国家自然科学基金项目(U24A202029)

国家自然科学基金项目(42472166)

山东省高等学校青年创新团队发展计划(科技类)(2024KJG034)