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北京大学政学者论文集(2001年) 华北地区石炭纪煤的δC特征及其古地理意义
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腐殖型有机质从未成熟阶段（褐煤阶段）到高成熟阶段（无烟煤阶段），其碳同位素组成随成熟度的增加无明显的变化，也就是说泥炭在埋藏成煤过程中主要是从泥炭到褐煤阶段明显地富集了重碳同位素（王万春等，1999）。
煤系中的碳主要以有机碳（TOC）和无机碳（碳酸盐中的碳）的形式存在。由于生物合成过程优先利用12C，因此有机碳一般富集12C，而无机碳（包括CO32-，HCO3-和CO2）则一般富集13C。沉积岩中的有机碳和无机碳的碳同位素组成记录了大气圈、生物圈和水圈中碳循环的结果，它们与地质时期生物的繁盛与衰落，气候的寒冷干燥与温暖潮湿交替及海平面升降密切相关。沉积岩中的有机碳主要为干酪根，干酪根是生物有机质经成岩作用形成的缩聚的酸不溶物。沉积有机质在埋藏和成岩过程中，碳同位素组成变化不明显。但在热降解生烃过程中，干酪根随温度升高而稍富集12C（变化<2‰），因此未受变质改造的沉积岩中有机质的?13C基本反映了沉积时有机质的碳同位素组成（王万春等，1999）。
由表1显示的结果，从总体上看来，在C2b到C3t的过程中，δ13C有逐渐变正的趋势，表明气候的变化逐渐更加不利于C3植物的生长，华北地区大气的温度应逐渐升高。而在地质历史时期的石炭纪与二叠纪交界处有一次大的冰期记录（Crowley and North,1991），这说明华北地区当时的气温变化与全球气温的总体趋势（Frakes et al.,1992）并不一致（图3）。
但这并不一定说明华北地区当时没有受到冰期的影响，因为冰期内的气温变化并非能够完全的反映到全球各地,也表明华北地区在当时全球演化过程中地质演化的独特性。造成这一现象的原因可能是构造活动导致华北板块向赤道漂移，因而由纬度变低造成的气温升高效应超过了由于冰期造成的气温降低效应。
δ13C组成直方图（图2）显示煤的δ13C非常稳定，基本上在-22.5～24.7‰之间变化，平均约-23.5‰。
543210个数(个）-22-22-22-22-23-23-23-24-24碳同位素值（‰，PDB）
图2 山西太原西山煤矿煤碳同位素组成直方图
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-24.7-25.3.6.9.2.5.8.1.4
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图3 显生宙全球温度变化趋势估计(Frakes,1992)
表2 华北地区部分煤矿的煤δC值
地层 层位 样品 δC（‰/PDB） 鄂尔多斯 石盒子组 褐煤 -24
-24.5 -23.7
山东恳利恳古8井 C 褐煤 -24.7
13
13
华北任丘1井 C3-P 褐煤 -23.4～-23.9
6井 -23.1 巴颜浩特 C 褐煤
陕西铜川 C 褐煤
-23.9 -23.5 -23.5 -23.8 -23.9 -23.7 -23.2 -23.8 -23.7 -23.2 -23.8 -23.3 -24.2
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(此表数据由中国石油勘探开发研究院实验中心王大锐博士提供)
将本文的测试数据与华北其它部分地区煤的δ13C作粗略的直方图（图4）：
86420个数(个）-22-22.3-22.6-22.9-23.2-23.5-23.8-24.1-24.4碳同位素值（‰，13
）图4 华北地区部分煤矿煤δC直方图
由图4仍可确定，从整体上看，华北地区煤的δ13C非常稳定，基本在-22.5～-24.7‰之间变化，平均约为－23.5‰，且所有数据均落在C3植物的δ13C的变化区间之内，表明成煤植物应该以C3植物占绝对优势。
五、结论：
石炭纪是我国华北地区主要的成煤期，煤的δ13C稳定，且在C3植物的δ13C变化区间之内，因此可作如下结论：
（1）石炭纪时成煤的高等植物以C3植物占绝对优势；
（2）C3植物光合作用效率较低，为保证如此大量的C3植物繁茂的生长，可以推测石炭纪时大气中CO2的浓度较高；
（3）C3植物主要发育于冷湿期，因此可推测当时华北板块的气候应以冷湿为主，且由δ13C变化的趋势推测在主要的成煤期气温的变化与全球气温变化趋势不一致的，进而可推测华北板块当时的古地理位置应逐渐向赤道靠近；
（4）从煤的δ13C显示，并未发现在当时有C4生长的迹象。而且有可信依据将C4植物的最早出现推至晚中新世（Thomasson，1986），也支持本文的结论。
致谢
导师陈衍景博士给予悉心指导，研究工作受到地质系郝守刚教授、郑海飞教授、王琪博士、美国Florida州立大学汪洋博士、中国石油勘探开发研究院实验中心王大锐博士的指导和帮助；李政道先生及其夫人设立此项基金，使我有机会较早开始科学研究活动；基金会老师及工作人员的周密安排和督促保障了研究工作的完成。在此，本人谨它们表示衷心感谢！
参考文献：
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-24.7-25
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