熱液對五牧場礦區(qū)煤中鍺富集影響的探討

黃少青，張建強(qiáng)，霍 超, 張恒利，黃明達(dá)，盛新麗

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

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熱液對五牧場礦區(qū)煤中鍺富集影響的探討

黃少青，張建強(qiáng)，霍 超, 張恒利，黃明達(dá)，盛新麗

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

基于煤炭勘探報告、其化驗數(shù)據(jù)以及煤質(zhì)變化規(guī)律，推導(dǎo)出熱液分布情況，結(jié)合煤中鍺分布范圍、分布形態(tài)及含量變化規(guī)律，探討了熱液對五牧場礦區(qū)煤中鍺分布的影響。表明五牧場礦區(qū)煤中鍺含量與熱液有著密切的聯(lián)系：垂向上，鍺含量變化規(guī)律可以劃分為與熱液活動引起的煤質(zhì)變化相吻合的階梯形，表現(xiàn)為褐煤層的鍺含量普遍較低，受熱液二次富集改造，出現(xiàn)低變質(zhì)的長焰煤，氣煤等煤層出現(xiàn)了鍺的富集；平面上看，鍺元素的富集區(qū)域表現(xiàn)為圍繞煤的變質(zhì)中心呈一定規(guī)律分布，推測為熱液將強(qiáng)變質(zhì)煤中的鍺元素活化，在濃度差的驅(qū)動下，在平面上橫向搬運，到達(dá)受到熱液弱變質(zhì)但是有機(jī)質(zhì)尚且豐富的長焰煤、氣煤后，再次被有機(jī)質(zhì)束縛，在長期熱液作用下，達(dá)到富集。

熱液；揮發(fā)分；鍺含量；富集；有機(jī)質(zhì)

地殼中鍺豐度的變化范圍是(1.4～2.0)×10-6，算術(shù)平均值為1.6×10-6[1]，豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于很多貴金屬礦，然而鍺卻非常分散，幾乎沒有比較集中的鍺礦。因此被人們稱為"稀散金屬"。在近現(xiàn)代工業(yè)中，獲取鍺的主要途徑之一是從煤中及煤灰中提取。

武文(2002)等在文章中提出五牧場礦區(qū)煤中預(yù)測鍺資源量超過4000t[2]；武文(2002)， 林堃琦、黃文輝等(2016)對五牧場煤中鍺主要從量上做出了一定的研究[2-3]；在對五牧場煤質(zhì)變化規(guī)律的研究中，李世峰等(1986)，陳冰冰等(2005)，言圣等(2012)都指出，五牧場礦區(qū)煤質(zhì)由于受到了“隱伏巖體熱液變質(zhì)”等作用的影響，煤類在平面上和垂向上都出現(xiàn)了獨特的分布特征[4-6]；盧家爛等(2000)在對臨滄鍺礦研究后發(fā)現(xiàn)熱液作用對鍺的分布和富集有重要的影響[7]；對于五牧場煤中鍺，王婷灝等(2016)在文章中提及熱液對煤中鍺分布的改造[8]，但是未做詳細(xì)論述研究。作者利用已有的煤田勘探報告及其化驗分析數(shù)據(jù)對熱液對煤中鍺元素的分布的影響做初步的探討。

1 五牧場區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造

伊敏煤盆地位于新華夏系海拉爾沉降區(qū)東側(cè)，為一北東東向的同沉積斷陷盆地。盆地東西兩側(cè)為相向傾斜的同沉積斷裂，東緣F10，西緣F60。整個盆地是由北北東向多字形斜列的三個寬緩次級褶皺組成，由南到北依次為:伊敏向斜、五牧場背斜和孟根楚魯向斜。五牧場礦區(qū)位于伊敏盆地中部，五牧場背斜南翼，呈一單斜構(gòu)造形態(tài)，地層走向北東66°，地層傾角北部較緩，小于10°，向東南地層傾角變陡。地層沿走向和傾向均有緩波狀起伏[4-6]。

區(qū)內(nèi)斷層較為發(fā)育，根據(jù)三維地震和鉆探資料，區(qū)內(nèi)共組合斷層91條，其中主要的規(guī)模較大的有F30、F31、F36三條。F30、F31形成時間較早，F(xiàn)30分布在南部邊界，延長4800m，落差大于300m；F31分布在北部，延長5400m，落差最大76m；F36從礦區(qū)中部橫穿，表現(xiàn)在和煤層同沉積性質(zhì)，煤層表現(xiàn)在以F36為界，北厚南薄。

武文等(2002)在文章中指出，五牧場煤中鍺物源主要來源于盆地周邊發(fā)育的石炭—二迭系(C-P)及侏羅系上統(tǒng)龍江組(J3l)地層多處出露的花崗巖[2]。

圖1 伊敏區(qū)域地質(zhì)及物源示意圖(據(jù)武文，2002)Figure 1 A schematic diagram of regional geology and provenance in Yimin area (after Wu Wen, 2002)

1.2 巖漿

本區(qū)巖漿活動大致有兩期。前期在大磨拐圖河組下部砂礫巖段堆積過程中，有火山噴發(fā)物一凝灰?guī)r和熔巖角礫巖，上百米的堆積厚度可反映該期巖漿活動的強(qiáng)烈程度。后期活動僅表現(xiàn)為熱液型的方解石和石英呈脈狀貫入煤系或煤層，并使圍巖發(fā)生蝕變。方解石與石英脈越發(fā)育，煤的變質(zhì)程度越高，而褐煤區(qū)從未見有脈巖的出現(xiàn)[4，6]。

1.3 地層

本區(qū)大部分為第四系所掩蓋，出露的地層有古生界的寒武系；中生界的泥盆系，石炭-二疊系，白堊系下統(tǒng)的龍江組、甘河組、南屯組、大磨拐河組和伊敏組；新生界的新近系和第四系(表1)。

表1 區(qū)域地層簡表

2 煤層及煤類特征

本區(qū)煤層賦存于大磨拐河組的含煤段中，區(qū)內(nèi)共發(fā)育14個煤組，依次編號為1～14煤組，含63個煤層。區(qū)內(nèi)8-3、10-3、12、13-4+5煤層為發(fā)育較好的煤層。由于受到“隱伏巖體熱液變質(zhì)”[14]等作用，煤類及煤質(zhì)在垂向及側(cè)向上都有較為明顯的分布規(guī)律。

2.1 煤質(zhì)垂向分布特征

上部4-1、6-5煤層鏡煤最大反射率在0.3400～0.434之間，變質(zhì)階段為0，煤類上為褐煤。8-4、10-3、10-4煤層的鏡煤最大反射率在0.45%～0.549%之間 ，變質(zhì)階段為Ⅰ，煤類為長焰煤，12煤層的鏡煤最大反射率為0.7748，變質(zhì)階段為Ⅱ，煤類為氣煤，13-2+3、13-4+5、14-5煤層的鏡煤最大反射率在0.831～1.0429之間，變質(zhì)階段為Ⅲ，煤類為1/3焦煤，14-6煤層的鏡煤最大反射率為1.0881～1.7101，變質(zhì)階段為Ⅳ-Ⅴ，煤類為焦煤-貧煤。

表2 各煤層鏡煤最大反射率統(tǒng)計表

續(xù)表

2.2 煤質(zhì)平面分布特征

根據(jù)煤質(zhì)化驗結(jié)果，分別繪制了10-3煤層、12煤層及13-4+5煤層的揮發(fā)分等值線，總體上，均表現(xiàn)為揮發(fā)分西高東低，而且在東部均以一低點中心，揮發(fā)分向外逐漸增高。煤類在揮發(fā)分低點中心為貧煤，貧瘦煤， 瘦煤，向外逐漸增高為焦煤→肥煤→1/3焦煤→氣煤→不黏煤，最后至長焰煤。

從圖2還可以看出，不同煤層，隨著煤層埋深的增加，揮發(fā)分總體逐漸減小，煤的變質(zhì)程度逐漸增高；不同煤層的變質(zhì)中心均位于礦區(qū)東部，平面上變質(zhì)中心位置相似，垂向上表現(xiàn)為一個煤的高變質(zhì)柱；據(jù)鉆孔資料顯示，在上圖煤變質(zhì)中心附近，可見隱爆角礫巖；高變質(zhì)區(qū)斷層異常發(fā)育，延伸至深部的斷層能夠成為熱液向上導(dǎo)通的通道，據(jù)此推測，在熱液活動期間，該區(qū)域存在熱液通道，使得位于通道附近的煤出現(xiàn)了較高程度的變質(zhì)，熱液溫度隨著運輸距離增加逐漸減小，使得以變質(zhì)中心柱向外，煤的變質(zhì)程度逐漸降低。

(a)

(b)

(c)(a)10-3煤層；(b)12煤層；(c)13-4+5煤層圖2 煤層揮發(fā)分等值線圖Figure 2 Isogram of volatile matter content in coal

從鉆孔資料看，在8-4至14-6煤層均可見方解石與石英脈，而且煤的變質(zhì)程度越高出現(xiàn)的頻次越高，而褐煤區(qū)從未見有脈巖的出現(xiàn)，推測8煤組附近為熱液入侵上限或者熱液溫度由于長距離遷移溫度降低至和周圍溫度相差不大了，未能造成上面煤層煤質(zhì)出現(xiàn)明顯的變質(zhì)。

3 鍺元素分布特征

3.1 鍺整體分布特征

采用Valkovic(1983)提出的富集系數(shù)(EF)計算公式[1]，計算了五牧場礦區(qū)鍺元素的富集系數(shù)以及它們的頻次分布。根據(jù)以往中外資料，以EF≥5.0作為元素富集的界限。本次對五牧場礦區(qū)22層煤的1187個鍺分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)五牧場礦區(qū)鍺元素的總體分布特征如下：

圖3 鍺元素富集系數(shù)頻次分布圖Figure 3 Germanium element enrichment coefficient frequency distribution

鍺元素富集系數(shù)大于5.0的有511個樣品，占總樣品數(shù)的43%，其它富集系數(shù)區(qū)間的樣品數(shù)都不超過180個，都沒有超過樣品總數(shù)的15%。從富集系數(shù)的頻次區(qū)間看，富集系數(shù)大于元素富集界限的個數(shù)遠(yuǎn)大于其他區(qū)間的富集系數(shù)個數(shù)，所以該礦區(qū)這元素總體富集。

3.2 鍺垂向分布特征

通過對數(shù)據(jù)按照煤層分類，根據(jù)計算的鍺在各煤層含量的算術(shù)平均值得到下圖。從圖上可以看出，鍺含量在煤層中的平均豐度有明顯的層位規(guī)律：淺部的1-1煤、3-1煤、3-2煤、4-1煤層鍺平均含量較低，數(shù)值均小于10×10-6；10-3煤、10-5煤、12煤、13-4+5煤、14-4煤、14-6煤鍺平均含量都超過15×10-6；按照鍺元素平均含量大小，總體上的變化趨勢可以分為兩個階梯(圖4)，變化趨勢上看恰好和上文提到的煤垂向的變質(zhì)程度吻合，據(jù)此可以推測，鍺元素的富集和熱液有著較為密切的聯(lián)系。

3.3 鍺元素平面分布特征

利用勘探資料，對主要可采煤層10-3、12、13-4+5煤的鍺元素平面分布特征進(jìn)行了研究。從整體上看，3個層煤的鍺含量均大體富集在礦區(qū)的中部。從煤樣數(shù)據(jù)看，對74個鉆孔煤樣化驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，10-3煤層鍺元素含量有14個鉆孔煤樣大于20×10-6，有3個鉆孔煤樣大于100×10-6，最大含量為180×10-6；12煤層鍺元素含量有24個鉆孔煤樣大于20×10-6，有2個鉆孔煤樣大于100×10-6，最大含量為135×10-6；13-4+5煤層鍺元素含量有18個鉆孔煤樣大于20×10-6，有3個鉆孔煤樣大于100×10-6，最大含量為166×10-6。

對比不同煤層的等直線圖，發(fā)現(xiàn)鍺元素含量高值在平面位置上具有很大的相似性(圖上紅圈標(biāo)記處)，可以推斷，鍺元素在不同煤層上的富集在層間存在直接或者間接的聯(lián)系。而且參照煤層揮發(fā)分等值線圖， 三層煤中鍺含量大值具有相同的平面位置特征—和煤平面變質(zhì)中心有相似的距離，在煤類變?yōu)殚L焰煤等低變質(zhì)煤類后出現(xiàn)鍺含量高值(圖5)，再向外隨著與變質(zhì)中心的距離增加，鍺含量減小。從各種因素的平面及垂向位置關(guān)系推斷熱液作用是造成五牧場鍺元素富集的一個重要原因，熱液造成了鍺元素平面上的特殊分布形態(tài)。

圖4 鍺元素煤層分布特征及變化規(guī)律Figure 4 Distribution features and variation pattern of germanium element in coal

(a)

(b)

(c)(a)10-3煤層；(b)12煤層；(c)13-4+5煤層圖5 鍺含量煤層平面分布Figure 5 Coal seam germanium content distribution plane

4 熱液對鍺分布影響的探討

據(jù)研究，在25～250℃時GeO2的溶解度隨溫度升高而增大，且在近中性時達(dá)到最大值;現(xiàn)代地?zé)崃黧w與洋中脊熱液表明，只有熱液體系才能大量搬運鍺[9-10]。盧家爛等在對臨滄鍺礦的研究中指出，后期熱液改造對鍺的富集有著重要的影響[11-12]。

李世峰、言圣等在對煤變質(zhì)成因研究中指出，五牧場在巖漿活動中無時不有氣液流體參加，巖漿期和巖漿期后的氣液流體以對流的方式沿巖(煤)層孔隙與裂隙活動，高溫?zé)嵋洪L距離定向運移，使大面積范圍內(nèi)地溫梯度增高，特別是本區(qū)含煤地層富含地下水，被加熱了的地下水也參加了這一活動，構(gòu)成混合熱液系統(tǒng)，勾通深部熱源把熱能傳遞到上部來，使區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)生蝕變[4-5]；五牧場的另一個重要特點是張性斷裂發(fā)育，巖層裂隙發(fā)育，是熱液運移的重要通道。變質(zhì)程度較高的煤層(褐煤以上)中普遍存在的熱液成因方解石和石英脈石礦物就是低中溫?zé)嵋夯顒拥漠a(chǎn)物[6]。

和云南臨滄超鍺礦與內(nèi)蒙古烏蘭圖嘎鍺礦相比[11-13，15]，五牧場鍺元素分布在垂向和平面上都具有獨特的規(guī)律：垂向上，以煤層變質(zhì)程度為界限，褐煤鍺元素相對含量較低，平均7×10-6左右，隨著煤層埋深的增加，變質(zhì)程度相對較高的長焰煤中鍺元素含量變高，顯示出與煤的變質(zhì)界線有很強(qiáng)的相關(guān)性；平面上看，鍺元素的富集分布在熱液通道一定距離范圍內(nèi)，煤的變質(zhì)中心及附近鍺含量很小，含量一般不超過6×10-6，隨著距離變質(zhì)中心距離增大，鍺含量升高(如圖5青色虛線所示)，再向外鍺含量再次減小，后保持在一定范圍內(nèi)。通過對五牧場資料的分析研究，筆者認(rèn)為，熱液對五牧場礦區(qū)鍺元素的富集產(chǎn)生了重大的影響，但是和臨滄鍺礦不同的是，五牧場礦區(qū)的鍺分布并沒有出現(xiàn)明顯的垂向上的搬運富集分層，而是在平面上在熱液通道一定距離出現(xiàn)富集，并且在變質(zhì)煤層都有相似的特征，推斷為熱液使通道附近煤中鍺大量被活化，變成游離態(tài)分布于熱液中，隨著距離熱液通道的距離增大，熱液溫度降低，熱液對煤中鍺元素的活化能力變?nèi)?，游離在熱液中的鍺離子濃度明顯降低，在濃度差驅(qū)動下，熱液通道附近的鍺離子向低溫區(qū)域運移，并再次被煤中的有機(jī)質(zhì)捕獲。長期的熱液作用，加之該區(qū)域巖層裂隙發(fā)育，游離在熱液中的鍺可以和煤中的有機(jī)質(zhì)在時間和空間上都可以充分的接觸，有利于有機(jī)物對鍺的固化，形成鍺元素的富集區(qū)域。

對于不同煤層，由于其煤層厚度，地質(zhì)構(gòu)造，孔隙裂隙的差異，造成鍺運移能力的差異，從而造成了不同煤層鍺含量差異以及同一煤層不同區(qū)域鍺含量差異的一個重要的因素[14]。

Yudovich提出煤中鍺的一個來源可能是基底的火成巖[17]，但是本區(qū)由于缺少相關(guān)的工作和和分析數(shù)據(jù)，無法做出相關(guān)評價。

綜上所述，五牧場礦區(qū)煤中鍺含量與熱液有著密切的聯(lián)系，主要表現(xiàn)為：

(1)垂向上，鍺含量變化規(guī)律可以劃分為與熱液活動引起的煤質(zhì)變化相吻合的階梯形(圖4)，表現(xiàn)為褐煤層的鍺含量普遍較低，受熱液作用，出現(xiàn)低變質(zhì)的長焰煤，氣煤等煤層出現(xiàn)了鍺的富集；

(2)平面上看，鍺元素的富集區(qū)域表現(xiàn)為圍繞煤的變質(zhì)中心呈一定規(guī)律分布(圖5)，推測為熱液將強(qiáng)變質(zhì)煤中的鍺元素活化，在濃度差的驅(qū)動下，在平面上橫向搬運，到達(dá)受到熱液弱變質(zhì)但是有機(jī)質(zhì)尚且豐富的長焰煤、氣煤后，再次被有機(jī)質(zhì)束縛，在長期熱液作用下，達(dá)到富集。

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Discussion on Germanium Enrichment in Coal Impacted by Hydrothermal Solution in Wumuchang Minefield

Huang Shaoqing, Zhang Jianqiang, Huo Chao, Zhang Hengli, Huang Mingda and Sheng Xinli

(Exploration and Research Institute, CNACG, Beijing 100039)

Based on integrated geological exploration reports and tested data, as well as coal quality variation pattern have induced hydrothermal solution distribution situation in the Wumuchang minefield. Combined with germanium distribution extent, configuration and content variation pattern in coal, discussed the impact from hydrothermal solution on germanium distribution in the area. The result has shown that the germanium content in coal is closely connected with hydrothermal solution. Vertically, the germanium content variation pattern is showing a stepped appearance coincident with coal quality variation caused by hydrothermal solution activities, showing germanium content in lignite is generally lower; under hydrothermal solution secondary enrichment, appeared germanium enrichment in low metamorphosed long flame coal and gas coal. On plane view, germanium enriched area showing regular distribution around the coal metamorphic center, presumed as germanium element in strong metamorphosed coal activated by hydrothermal solution. Under the driving of concentration difference, laterally transported into hydrothermal solution weakly metamorphosed but organic matter even rich yet long flame coal and gas coal, ones again captured by organic matter, and enriched under long term hydrothermal solution activities.

hydrothermal solution; volatile matter; germanium content; enrichment; organic matter

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.03

1674-1803(2017)04-0012-06

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“特殊用煤資源潛力調(diào)查評價(DD20160187)”

黃少青(1985—)， 男， 碩士研究生 主要從事煤田地質(zhì)研究工作。

2017.01.15

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

責(zé)任編輯：宋博輦