柴達木盆地北緣賦煤帶煤中稀有元素分布特征及富集條件分析

黨洪量 劉文進 王偉超 張永安 黨孝鋒

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林省長春市，130061;2.青海省地質(zhì)調(diào)查局，青海省西寧市，810000;3.青海煤炭地質(zhì)一〇五勘探隊，青海省西寧市，810007)

含煤巖系中普遍含有稀有金屬元素，在一定的地質(zhì)條件下，稀有元素可能富集并達到工業(yè)品味，極大提高了煤炭資源潛在的利用價值。國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些煤中稀有金屬礦床，其中鍺、鎵、鈾等稀有金屬元素已經(jīng)被開采利用。在哈薩克斯坦、吉爾吉斯坦和我國新疆伊犁、吐哈等侏羅紀(jì)含煤盆地中，均發(fā)現(xiàn)了煤中共(伴)生的大型鈾礦床；在我國云南臨滄、內(nèi)蒙古烏蘭圖噶地區(qū)和俄羅斯濱海區(qū)也發(fā)現(xiàn)了大型或超大型的褐煤—鍺礦床；在內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田發(fā)現(xiàn)了煤層中富集鎵元素。

柴達木盆地北緣是青海省重要的含煤區(qū)，由賽什騰、魚卡、全吉、德令哈和烏蘭六大煤田組成，如圖1所示。該地區(qū)賦煤帶面積大，可以開發(fā)利用的煤炭資源十分豐富，含煤區(qū)預(yù)測資源量為151.52億t，重點煤礦區(qū)自西向東主要有團魚山、魚卡、綠草山、大煤溝、西大灘、航亞等。已有煤炭勘查成果顯示，區(qū)內(nèi)煤中富集稀有元素，但是僅通過在自身勘查區(qū)范圍內(nèi)采集少量樣品分析后，評價其是否達到工業(yè)品味，未進行過以柴達木盆地北緣為整體研究對象的系統(tǒng)研究，尤其是富集原因方面的研究。每年有大量煤炭產(chǎn)出和利用，煤中稀有金屬元素如果不加以利用，不但影響煤的質(zhì)量，還可能帶來環(huán)境問題，所以深入研究煤中稀有金屬元素的賦存規(guī)律和綜合利用工藝對資源的合理利用具有重要意義。本次研究以區(qū)域為研究對象，系統(tǒng)梳理總結(jié)分析各煤礦區(qū)的成果資料，通過野外地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)煤樣分析，認(rèn)識柴達木盆地北緣煤礦區(qū)煤中稀有元素分布特征和富集原因分析，并初步分析其利用前景，為今后在研究區(qū)相關(guān)方面的地質(zhì)研究和煤炭資源綜合開發(fā)利用提供一定的參考價值。

圖1 柴達木盆地北緣煤礦區(qū)分布及物源分析示意圖

1 稀有金屬元素賦存特征

通過整理分析后，篩選出的以往化驗資料和本次研究采集煤樣的化驗結(jié)果顯示：賽什騰煤田的團魚山礦區(qū)主采煤層M7煤層(平均厚度3.30 m)中鎵元素含量為24 μg/g；魚卡煤田大部分可采煤層M3煤層(平均厚度2.96 m)中鎵元素含量相對較高；全吉煤田西大灘煤礦區(qū)的大部可采煤層C煤(平均厚度7.77 m)中鍺的含量為42 μg/g，超過工業(yè)品位；烏蘭煤田的航亞煤礦區(qū)主要可采煤層G3煤層(平均厚度4.00 m)中鎵的含量為41 μg/g，超過工業(yè)品位。由此可見，柴達木盆地北緣重點煤礦區(qū)煤層中鍺元素和鎵元素的含量相對較高，鈾元素的含量相對較低，不同地區(qū)含有的稀有金屬含量不同。典型鉆孔的煤中稀有金屬元素含量統(tǒng)計表見表1。

表1 柴北緣重點礦區(qū)煤中稀有金屬元素含量統(tǒng)計

2 稀有金屬元素富集因素分析

該領(lǐng)域目前研究所取得的共識包括：煤中稀有金屬元素主要有3種來源(植物生長過程中選擇吸收、植物分解過程中吸附和地下水?dāng)y帶經(jīng)過裂隙運移而來)；斷裂及不整合面可以為稀有金屬元素遷移提供通道；包括煤層在內(nèi)的煤系可以為稀有金屬元素提供物質(zhì)載體。因此富集因素分析主要從物源、運移通道和儲層3個方面開展研究。具體分析內(nèi)容為基巖及其它可能作為物源的巖系中稀有金屬元素含量、斷裂展布特征、地層接觸關(guān)系和煤層煤質(zhì)特征。

2.1 物源分析

柴達木盆地北緣主要煤田及重點煤礦區(qū)基底巖性分布圖如圖2所示。

圖2 柴達木盆地北緣主要煤田及重點煤礦區(qū)基底巖性分布圖

由圖1和圖2可知，賽什騰煤田煤系物源為北部的賽什騰山，基底主要為上奧陶統(tǒng)灘間山群淺變質(zhì)巖系和加里東-海西運動期花崗巖及花崗閃長巖；魚卡煤田煤系物源為東北部柴達木山和東南部的綠梁山，其西部基底為上奧陶統(tǒng)灘間山群淺變質(zhì)巖系，東部基底為古元古界達肯大坂群變質(zhì)巖系；全吉煤田煤系物源以北部山區(qū)為主，次為南部的錫鐵山，基底為古元古界達肯大坂群變質(zhì)巖系，局部為加里東-華力西期侵入巖類及超基性輝長巖類；德令哈煤田和烏蘭煤田煤系物源均為附近山體，基底呈多樣化，有古元古界達肯大坂群變質(zhì)巖系、上泥盆統(tǒng)砂巖類和石炭系灰?guī)r。

因此本研究擬通過對不同地區(qū)基巖中稀有金屬元素含量的調(diào)查，來推測不同礦區(qū)煤中稀有金屬富集差異是否受基巖中含量的影響，測試結(jié)果見表2。由表2可知，柴北緣地區(qū)基巖中鎵的含量大致相同，烏蘭煤田的歐龍布魯克山地區(qū)鎵的含量相對較高為17.37 μg/g，鈾的含量相對較低，只有賽什騰煤田基巖中鈾的含量較高為3.51 μg/g，同時與鈾相伴生的釷元素含量也較高。上述結(jié)果說明研究區(qū)基巖普遍含有稀有金屬元素，能夠為煤中稀有金屬的富集提供豐富物源，但這不是研究區(qū)不同點稀有元素富集差異化的主要控制因素。

表2 煤系物源巖性部分稀有金屬元素平均含量

2.2 運移通道

在煤化作用階段，稀有金屬元素由地下水?dāng)y帶，經(jīng)過斷裂及不整合面運移到煤層，被煤層及煤層頂?shù)装逯姓惩恋V物或硫化物吸附可以形成富集現(xiàn)象。因此通過對區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育情況及地層接觸關(guān)系的研究，可以了解稀有金屬元素遷移的有效通道，分析其富集的有利條件。稀有金屬元素運移通道主要有不整合面和斷層。其中不整合面是橫向運移的重要通道，其上的煤層或煤層底板可以作為稀有金屬元素的地質(zhì)載體；斷裂是稀有金屬元素運移的主要通道，為稀有金屬元素的橫向和垂向運移提供了通道。

2.2.1 斷裂特征

研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，主要發(fā)育有兩組斷裂，NW向斷層為與區(qū)域構(gòu)造線基本相平行的走向逆沖斷裂，一般沿古老變質(zhì)巖系形成的高山山前展布，傾向山體，活動期次長，規(guī)模較大，是控制煤系地層及煤層的主要構(gòu)造。NE向斷層為與走向逆沖斷層相斜切的逆斷層，此組斷層一般兩兩出現(xiàn)，形成對沖狀態(tài)，破壞了原型盆地的形態(tài)，形成若干斷塊，造成了研究區(qū)南北分帶、東西分塊的構(gòu)造形態(tài)，如圖3所示。區(qū)域斷裂不僅控制了研究區(qū)構(gòu)造格局，同時為稀有金屬元素的運移提供了通道，為煤中元素富集提供了條件。

圖3 柴達木盆地北緣侏羅系基巖斷裂分布圖

2.2.2 地層接觸關(guān)系

主要含煤地層與基底接觸關(guān)系見表3。分析表3可知，三疊紀(jì)構(gòu)造運動之后，柴達木盆地成為一個中新生代的陸相盆地，全區(qū)抬升剝蝕，地層普遍缺失。研究區(qū)中新生代地層直接沉積在由不同時代地層組成的基底，與基底呈不整合接觸。后期地下水活動可以將煤層圍巖中的稀有金屬元素，通過不整合面進行水平運移，在煤層或煤層頂?shù)装暹_到富集。

表3 主要含煤地層與基底接觸關(guān)系

2.3 儲層特征

柴達木盆地北緣重點煤礦區(qū)主要可采煤層厚度與煤質(zhì)情況見表4。由表4可知，煤層中的鍺(Ge)元素在褐煤、長焰煤、氣煤中較多，高變質(zhì)煤中較少，同時煤田邊緣的煤中鍺含量較中部高；煤層中鎵(Ga)元素主要與無機礦物結(jié)合在一起，含Al2O3高的煤中鎵也往往富集；煤中鈾(U)在變質(zhì)程度淺的煤中容易富集。柴達木盆地北緣煤礦區(qū)煤層以中-巨厚煤層為主，煤類主要為長焰煤～不粘煤，屬于低變質(zhì)程度煤類。其中團魚山地區(qū)主要可采煤層M4平均厚度6.27 m，M7平均厚度10.16 m，屬于厚-巨厚煤層；魚卡煤田主要可采煤層M7平均厚度為13.39 m，屬于巨厚煤層；西大灘地區(qū)主要可采煤層C平均厚度4.55 m，屬于厚煤層；航亞地區(qū)煤層稍薄，平均厚度1.66 m。綜上所述，研究區(qū)煤層厚度大，以低煤階為主，有利于元素富集，但是不同地區(qū)煤質(zhì)特征基本一致，即儲層特征基本一致，不是差異化富集元素的主要控制因素。

表4 重點煤礦區(qū)主要可采煤層厚度與煤質(zhì)

3 資源前景分析淺析

柴達木盆地北緣重點煤礦區(qū)煤層厚度大，煤層較穩(wěn)定，因此煤中稀有金屬礦床賦存層位穩(wěn)定；煤中稀有金屬元素不僅在煤層中富集，也有可能在煤層頂?shù)装寤驃A矸中富集，以煤為主、綜合勘查、綜合評價，可以減少環(huán)境污染,做到綠色勘查，提高經(jīng)濟效益。從煤的廢料中開發(fā)利用稀有金屬元素具有廣闊前景。

4 結(jié)論

(1)柴達木盆地北緣煤礦區(qū)煤中鍺元素和鎵元素的含量相對較高，鈾元素的含量相對較低。

(2)柴達木盆地北緣重點煤礦區(qū)煤中稀有元素具有物源豐富、運移通道斷裂和不整合接觸面發(fā)育及儲層廣泛發(fā)育的有利成礦條件，具有良好的資源前景，但是造成研究區(qū)差異化分布的控制因素不清，有待進一步研究。

(3)煤中稀有金屬元素隨著煤開采,如果不加以利用,不但影響煤的質(zhì)量,而且可能帶來環(huán)境問題，所以深入研究煤中稀有金屬元素的賦存規(guī)律和綜合利用工藝,對資源的合理利用具有重要意義。

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