土耳其上中新世至更新世埃尔比斯坦煤层中有机物的同位素特征：来自δ13C和δ15N变化的见解

《Organic Preparations and Procedures International》：Isotopic signatures of organic matter in the Upper Miocene–Pliocene Elbistan coal seam (Turkey): Insights from δ13C and δ15N variability

本研究通过稳定碳氮同位素分析揭示土耳其Elbistan盆地煤的有机质以C3植物为主，沉积环境为淡水沼泽，伴随微生物活动及红ox条件变化，为研究新生代煤成烃环境提供新数据。

　　

哈蒂丝·卡拉（Hatice Kara）|梅赫梅特·阿里·埃尔图尔克（Mehmet Ali Ertürk）|莱拉·卡伦德（Leyla Kalender）|吉汉·亚尔钦（Cihan Yal??n）|梅赫梅特·德尼兹·图兰（Mehmet Deniz Turan）|埃米内·奇乔格鲁·苏特居（Emine Cicio?lu Süt?ü）

土耳其埃拉泽格（Elaz??）菲拉特大学（F?rat University）地质工程系，邮编23119

摘要

本研究分析了土耳其上中新世至更新世（Neogene）埃尔比斯坦盆地（Elbistan Basin）煤样中的稳定碳（δ¹³C）和氮（δ¹⁵N）同位素组成，以确定有机物的来源及泥炭形成的沉积条件。从K??lak?y露天矿采集的垂直序列样本被用于测定总碳和氮含量、C/N比值以及δ¹³C–δ¹⁵N值。δ¹³C值介于?28.09‰至?16.99‰之间，而δ¹⁵N值则在1.97‰至4.99‰之间变化。碳同位素数据表明，这些有机物主要来源于C₃型植物；部分δ¹³C值较高的样本暗示存在C₄植物的贡献。尽管某些δ¹³C值的升高可能反映了有机物的微生物转化，但整体数据仍支持以C₃型植物为主的观点。较高的δ¹⁵N值表明泥炭积累过程中氧化还原条件发生变化，同时伴随着微生物氮循环活动。与其他土耳其褐煤盆地和全球煤层相比，埃尔比斯坦煤样的同位素范围更广，反映了更为复杂的古环境演化过程。研究结果表明，这些煤层主要形成于淡水沼泽环境中，波动的水位、变化的氧化还原条件以及偶尔的C₄植物输入影响了泥炭的积累。这些结果为了解该盆地的古植物学和地球化学历史提供了新的见解，并展示了稳定同位素分析在重建含煤地层沉积环境中的价值。

引言

煤层的地球化学和同位素特征为研究有机物的来源、沉积环境和成岩历史提供了重要信息。氮（δ¹⁵N）和碳（δ¹³C）的稳定同位素被广泛用于追踪含煤地层中有机物的来源和转化过程（Diessel, 1992; Gr?cke, 1998; Taylor et al., 1998; Rimmer et al., 2006; Skrzypek et al., 2010; Zheng et al., 2015; Suto and Kawashima, 2016; Valentim et al., 2016; Anwitaa et al., 2020; Kara et al., 2025; Wu et al., 2025）。煤的δ¹³C值可以反映参与泥炭形成的植物类型（C₃型 vs. C₄型），而δ¹⁵N值则提供了关于沉积环境中氮循环的信息，包括微生物活动和可能的外部氮源（Berner, 1981; Tyson, 1995; Sharma et al., 2005; Jones et al., 2010）。C₃型植物（包括大多数树木、灌木和温带草本植物）的δ¹³C值通常在?32‰至?20‰之间，而C₄型植物（主要是热带草本和莎草）的δ¹³C值较高，介于?16‰至?10‰之间（O’Leary, 1988; Farquhar et al., 1989）。这种同位素差异有助于识别煤层中的混合植被成分。

在全球范围内，对煤和沉积有机物的稳定同位素研究被用于重建古气候、古二氧化碳水平及植被类型，并区分海洋和陆地有机物的来源（Gr?cke, 2002; Kendall and Doctor, 2003）。特别是δ¹³C值能够反映植被动态、大气碳浓度变化及降水变化，而δ¹⁵N值则可以追踪微生物活动、氮循环、氧化还原变化以及泥炭形成环境中的水文变化（Talbot and Johannessen, 1992）。

尽管对土耳其煤层进行了大量的地质和岩石学研究，但稳定同位素分析仍较为有限。早期的研究主要集中在矿物学特征和燃烧性质上（Karayi?it and Gayer, 2000）。奇乔格鲁·苏特居（Cicio?lu Süt?ü）和卡拉伊吉特（Karayi?it, 2015）的研究指出，阿夫辛-埃尔比斯坦（Af?in–Elbistan）煤富含腐殖质，并在新近纪（Neogene）还原条件下沉积。尽管这些研究详细描述了阿夫辛-埃尔比斯坦煤的沉积学和岩石学特征，但其碳和氮的稳定同位素组成尚未得到研究。

本研究首次提供了埃尔比斯坦煤的δ¹³C和δ¹⁵N数据集，将同位素特征与有机物的来源、沉积环境及沉积后过程联系起来，为了解安纳托利亚（Anatolia）地区煤的地球化学演化提供了新见解。了解埃尔比斯坦煤中的氮和碳同位素特征至关重要，因为它们能揭示有机物的来源及煤形成过程中的氧化还原条件。

地质背景

在卡赫拉曼马拉什（Kahramanmara?）地区，由于新特提斯洋（Neotethys Ocean）的闭合以及阿拉伯板块（Arabian Plate）与陶里德台地（Tauride Platform）之间的大陆碰撞，形成了众多的逆冲断层带（?eng?r and Y?lmaz, 1981）。这种构造运动导致了该地区多个缝合带的形成（Robertson and Dixon, 1984; Y?lmaz, 1993; Robertson, 2000; Robertson et al., 2012; Ertürk, 2025）。在新特提斯洋俯冲之后...

材料与方法

共采集了15个煤样（K11至K25），这些煤样来自土耳其埃尔比斯坦煤盆地（Elbistan Coal Basin）K??lak?y露天矿的同一煤层。采样按地层顺序从底部（K25）到顶部（K11）进行，涵盖了整个煤层的垂直分布。对这些煤样进行了近似分析（水分、灰分、挥发分、固定碳含量）和岩石学分析（煤质和矿物分布）。

埃尔比斯坦煤层的地层变化与古环境演化

从底部（K25）到顶部（K11）垂直采集的煤样在水分、灰分、挥发分、固定碳和硫含量方面存在显著差异（表1）。在煤层底部，K25（45%）、K24（32%）和K23（18%）等样本中含有较高比例的致密素（densinite），这种煤质通常具有较高的密度和较低的孔隙度。

结论

岩石学观察结果显示，腐殖质煤质占主导地位，且致密素含量随深度增加而增加，这表明有机物的输入和沉积条件存在变化，而非煤化作用逐渐进行。片状黄铁矿（framboidal pyrite）和较高的矿物含量反映了氧化还原条件的变化，从而解释了某些区间内硫和灰分的富集现象；而富含脂质素（liptinite）的样本则表明其具有较高的液化潜力。

碳（δ¹³C）和氮（δ¹⁵N）的稳定同位素组成...

作者贡献声明

哈蒂丝·卡拉（Hatice Kara）：撰写 – 审稿与编辑；初稿撰写；数据验证；项目监督；资源管理；方法论设计；研究实施；数据分析；概念框架构建。梅赫梅特·阿里·埃尔图尔克（Mehmet Ali Ertürk）：撰写 – 审稿与编辑；项目监督；数据分析；概念框架构建。莱拉·卡伦德（Leyla Kalender）：撰写 – 审稿与编辑；数据分析。吉汉·亚尔钦（Cihan Yal??n）：数据验证；项目监督；概念框架构建。梅赫梅特·德尼兹·图兰（Mehmet Deniz Turan）：数据验证；项目监督。埃米内·奇乔格鲁·苏特居（Emine Cicio?lu Süt?ü）：数据验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了土耳其科学技术研究委员会（TüB?TAK）的支持，项目编号为123Y459。作者衷心感谢阿夫辛-埃尔比斯坦B热电厂（Af?in-Elbistan B Thermal Power Plant）和阿夫辛-埃尔比斯坦A发电厂（Af?in-Elbistan A Electric Power Plant）在野外工作期间提供的宝贵支持与合作。