山西平朔礦區(qū)4＃煤中鎵的分布規(guī)律與富集機(jī)理＊

劉幫軍 林明月 褚光琛

（河北工程大學(xué)河北省資源勘測(cè)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北省邯鄲市，056038）

鎵作為分散元素中的一員，本身不單獨(dú)形成礦物，也很難形成獨(dú)立的礦床，為了得到鎵，現(xiàn)在多從鋁土礦、明礬石礦、鉛鋅礦及煤灰中對(duì)鎵進(jìn)行回收。雖然煤中鎵含量并不高，但內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田超大型鎵礦床的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明鎵在特定的地質(zhì)條件下也可以伴生成礦。本文以研究區(qū)的采樣測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)山西平朔礦區(qū)4＃煤中鎵的分布與富集規(guī)律進(jìn)行了初步探討。

1 地質(zhì)背景

寧武煤田位于山西省北部，其面積有2761km2，平朔礦區(qū)位于寧武煤田北部，占地396km2，其煤炭總儲(chǔ)量達(dá)到130 億t。寧武煤田位于寧武向斜盆地之中，盆地西部是呂梁古隆起，東部為五臺(tái)山古隆起，北部是陰山古陸，見(jiàn)圖1，盆地的基底是太古界的斜長(zhǎng)片麻巖和混合片麻巖。

圖1 研究區(qū)晚古生代古地理圖

本區(qū)含煤地層包括石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭二疊系太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。其中區(qū)內(nèi)4＃、9＃和11?？刹擅簩泳挥谔M。巖性主要由灰白色碎屑巖、深灰色泥巖、煤層及泥灰?guī)r組成，具緩波狀層理及微斜層理，為一套以海陸交互相為主的含煤巖系，其巖相為濱海相、三角洲相、沖積相及泥炭沼澤相，到晚石炭世展現(xiàn)了一個(gè)廣闊的濱海沖積平原的古地理景觀。由于距陸緣侵蝕區(qū)較近，地殼的沉降幅度與沉積物補(bǔ)償大致平衡，保持了泥炭沼澤的聚煤環(huán)境，形成了4＃、9＃和11＃等厚煤層。其中4＃煤層位于太原組頂部，煤層穩(wěn)定，全區(qū)可采，煤層厚2.65～21.33m，平均10.79m。

2 采樣和分析方法

按照 《煤層煤巖采樣方法》 （GB482-2008）和礦區(qū)煤層開(kāi)采的實(shí)際情況，在平朔礦區(qū)4＃煤中采集了23個(gè)煤樣剖面共計(jì)142個(gè)煤樣。其中，安家?guī)X、安太堡、井工一礦各采6個(gè)剖面，井工二礦由于工作面少，只采了5個(gè)煤樣剖面。

用反光顯微鏡測(cè)定樣品中顯微煤巖組分含量、鏡質(zhì)組反射率，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 212-2001對(duì)煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，用帶能譜儀的掃描電子顯微鏡（SEM-EDX）和X 射線衍射對(duì)煤中礦物組成和成分進(jìn)行了分析，用電感耦合等離子質(zhì)譜 （ICP-MS）對(duì)煤中的鎵等微量元素進(jìn)行了測(cè)定。

本次樣品的測(cè)試工作由河北省資源勘測(cè)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)煤炭地質(zhì)總局特種技術(shù)勘探中心實(shí)驗(yàn)室共同完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 煤化學(xué)及煤巖學(xué)特征

利用熒光顯微鏡 （德國(guó)LeicaDM2500P）測(cè)定樣品的無(wú)礦物基顯微煤巖組分和鏡質(zhì)組反射率，結(jié)果表明顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主 （占68.10%），惰質(zhì) 組 次 之 （占23.80%），殼 質(zhì) 組 最 低 （占8.1%）。其中，鏡質(zhì)組基本以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，碎屑鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體次之，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體少見(jiàn)。反映了一個(gè)過(guò)渡相的成煤環(huán)境。鏡質(zhì)組最大反射率為0.69。無(wú)機(jī)組分占17.40%，其中以粘土礦物居多，其次有硫化物、碳酸鹽類和其他礦物；粘土礦物主要為高嶺石，礦物形態(tài)較差，多為碎屑粘土呈層狀、分散狀產(chǎn)出，有的填充于細(xì)胞腔中說(shuō)明泥炭沼澤時(shí)期有微弱的水動(dòng)力環(huán)境。

按 《煤炭質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》 （GB／T15224-2010），4＃煤層屬于高灰分、低硫分、低磷分、中熱值發(fā)熱量的長(zhǎng)焰煤。

表1 平朔礦區(qū)4＃煤剖面樣品中鎵的含量

3.2 鎵的含量與分布特征

用電感耦合等離子質(zhì)譜 （ICP-MS）對(duì)平朔礦區(qū)煤樣中的鎵的含量進(jìn)行了測(cè)定，見(jiàn)表1，平朔礦區(qū)4＃煤剖面樣品中鎵的平均含量在安家?guī)X為34.82mg／kg，在安太堡為38.08mg／kg，在井工一礦為34.51mg／kg，在井工二礦為35.38mg／kg。所有樣品中鎵的平均含量為35.70mg／kg。其中剖面JG2-4＃-A 的平均含量最高為68.22mg／kg。

4＃煤中鎵在礦區(qū)中的平面分布見(jiàn)圖2。可以看出，平朔礦區(qū)4＃煤中鎵的分布大致特征為整體含量較高，局部分布不均勻，礦區(qū)中部 （安家?guī)X露天礦中部、井工二礦東南部）含量較低，北部和西北部（安太堡中部、西北部，井工二礦中部）含量較高。

圖2 平朔礦區(qū)4＃煤中鎵含量平面圖

煤層中鎵的含量在剖面上的分布特征是在煤層頂、底板及夾矸中鎵含量一般較高。在煤層中含量表現(xiàn)出中間低，靠近頂、底板高的 “接觸富集”現(xiàn)象，表2以安家?guī)X煤礦4＃煤中的A 剖面和井工一礦4＃煤中的A 剖面為例說(shuō)明這種分布規(guī)律。在AJL-4＃-A 剖面共采集了9個(gè)樣品，鎵的最高含量在底板達(dá)69.99 mg／kg，從底板往上含量從38.12 mg／kg 減 少 到 27.76 mg／kg 和15.68mg／kg，在夾矸層鎵含量上升到61.06 mg／kg，再往上又依次下降至最低值11.9 mg／kg，含量然后往上漸升到頂部值為44.75mg／kg。在安太堡和井工一礦也顯示了同樣的分布規(guī)律。由于篇幅有限不一一列舉。

把平朔礦區(qū)4＃煤中鎵含量的平均值與地殼克拉克值、中國(guó)華北石炭二疊紀(jì)值、全國(guó)算術(shù)均值、美國(guó)值、世界值進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明平朔礦區(qū)鎵含量平均值是華北值的3倍左右，是全國(guó)算數(shù)平均值的4倍左右，富集明顯。

表2 4＃煤中鎵含量在剖面上的變化

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2012年年底平朔礦區(qū)4＃煤層儲(chǔ)量約為17.70億t，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，鎵的工業(yè)品位邊界為30 mg／kg，如果采用平均含量35.70 mg／kg來(lái)計(jì)算鎵的儲(chǔ)量，那么平朔礦區(qū)4＃煤中的鎵含量約為6.32萬(wàn)t，根據(jù) 《中國(guó)主要工業(yè)類型礦床規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)》，可以判斷這是一個(gè)大型的鎵礦床。

4 鎵的賦存狀態(tài)

目前，關(guān)于煤中鎵的賦存狀態(tài)的研究還比較少，煤中超常富集的鎵究竟受何種因素影響，其賦存狀態(tài)是受有機(jī)質(zhì)控制，還是與無(wú)機(jī)礦物有關(guān)，或者受兩者共同作用，均需要進(jìn)一步研究。吳國(guó)代等對(duì)準(zhǔn)格爾部分超常富集鎵的煤層進(jìn)行了分析，認(rèn)為粘土礦物高嶺石與勃姆石等均可能是鎵的載體。黃文輝和趙繼堯等提出鎵可能置換粘土礦物中部分鋁元素，造成粘土礦物中鎵含量增加，并隨著沉積作用進(jìn)入到了煤層中。代世峰發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田6＃煤中鎵元素平均含量達(dá)44.8mg／kg，且認(rèn)為鎵超常富集的載體為勃姆石。張復(fù)新、王立社認(rèn)為內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾黑岱溝煤中鎵的超常富集與鎵的親鋁性有關(guān)。易同生等對(duì)貴州凱里下二疊統(tǒng)梁山組煤層柱狀剖面上賦存狀態(tài)和地質(zhì)成因進(jìn)行了研究，認(rèn)為鎵的主要地質(zhì)載體為硬水鋁石。

本次研究發(fā)現(xiàn)，平朔礦區(qū)4＃煤層中成煤植物很多細(xì)胞腔被粘土礦物充填，如圖3顯示的是樣品絲質(zhì)體被粘土礦物充填，并在鏡下發(fā)現(xiàn)了大量形態(tài)各異的勃姆石，有蠕蟲(chóng)狀的見(jiàn)圖4，有串珠狀的見(jiàn) 圖5，這也可能與鎵的富集有關(guān)。

表3 4＃煤中鎵與中國(guó)、美國(guó)、世界值對(duì)比 μg／g

通過(guò)上述分析，認(rèn)為平朔礦區(qū)4＃煤中鎵元素的富集與粘土礦物關(guān)系密切，煤中勃姆石等可能是鎵富集的主要載體。這其中的主要原因是由于鎵和鋁的地球化學(xué)性質(zhì)相似，鎵主要是以類質(zhì)同象取代鋁而賦存在含鋁的粘土礦物中，如高嶺石、勃姆石等，煤層中鎵的接觸富集現(xiàn)象也正好印證了這一點(diǎn)。

圖3 絲質(zhì)體被粘土礦物充填

圖4 蠕蟲(chóng)狀勃姆石

圖5 串珠狀勃姆石

5 鎵的富集機(jī)理

5.1 陸源區(qū)母巖性質(zhì)

平朔礦區(qū)物源主要有來(lái)自北部的陰山古陸、西部的呂梁半島及東南側(cè)的五臺(tái)島。其中北部的陰山古陸對(duì)該區(qū)的沉積影響可能更大。物源區(qū)母巖主要為中元古帶鉀長(zhǎng)花崗巖。中酸性巖中鎵的含量較高，本溪組下段的G 層鋁土礦有較高含量的鎵并主要分布于寧武盆地的NE仰起端。含有鎵元素的大陸物源經(jīng)長(zhǎng)期地表風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)和分選等一系列過(guò)程，主要對(duì)賦含鎵的礦物、巖石的不斷解離與分解，轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌降乃樾嘉镔|(zhì)，這些碎屑物或在原地相對(duì)聚集，或被搬運(yùn)至盆地沉積中心方向。

5.2 沉積環(huán)境

平朔礦區(qū)周緣由于造山作用，自中奧陶世華北整體持續(xù)隆升，使古風(fēng)化殼上本溪組的鐵鋁質(zhì)粘土層、鋁土礦和炭泥質(zhì)層暴露地表遭受剝蝕，加之氣候溫暖潮濕、生物繁多，這種環(huán)境具有較為強(qiáng)烈的分解能力，能夠?qū)⒏缓壍年懺次镔|(zhì)鋁土化。寧武盆地當(dāng)時(shí)呈現(xiàn)出北部和呂梁地區(qū)相對(duì)較高，中東部較低的向東開(kāi)放的箕狀地勢(shì)，使得來(lái)自北部和呂梁地區(qū)的沉積物 （包括盆地周圍的富含鎵的鋁土礦層）大部分被搬運(yùn)至盆地中沉積下來(lái)，從而使鎵在盆地中相對(duì)富集。

5.3 后生淋濾作用

含礦巖系若經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的淋濾作用則中上部的硼元素大量流失，底部硼含量大幅度升高。而平朔礦區(qū)北部和西部暴露的本溪組鋁土礦其下段從下至上硼和鎵的含量呈反相關(guān)關(guān)系，硼自下而上逐漸減少，而鎵逐漸增加。表明改層鋁土礦在后期經(jīng)過(guò)了較為強(qiáng)烈的淋濾作用，而經(jīng)過(guò)后期風(fēng)化淋濾作用，導(dǎo)致礦層活潑組分流失，穩(wěn)定組分進(jìn)而富集，使粘土礦層Al／Si比值增大，鋁土品級(jí)得到提高，而鎵則隨鋁的聚集而富集。

6 結(jié)論

平朔礦區(qū)4＃煤中的鎵明顯富集，整個(gè)煤層中鎵含量在8.27～68.22 mg／kg之間，平均含量為35.70mg／kg，超過(guò)了工業(yè)邊界品味。經(jīng)計(jì)算4＃煤中鎵含量約為6.32萬(wàn)t，達(dá)到了一個(gè)大型鎵礦床的標(biāo)準(zhǔn)。但其在整個(gè)煤層中的分布不均勻。平朔4＃煤中鎵的富集與粘土礦物 （如高嶺石）有緊密關(guān)系，勃姆石可能是鎵的主要載體；平朔4＃煤中鎵的富集主要受陸源區(qū)母巖性質(zhì)，沉積環(huán)境和后生淋濾作用等多方面因素的控制，其中陸源區(qū)母巖的性質(zhì)對(duì)鎵的含量起主導(dǎo)作用。沉積環(huán)境和后生淋濾作用等其他地質(zhì)作用促進(jìn)了鎵的富集。

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