西北侏羅紀(jì)煤中微量元素含量分布特征

王 華，張國(guó)濤，白 妮

(榆林學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 引 言

大部分微量元素在煤中的含量屬于正常水平，少數(shù)微量元素在一些煤中會(huì)異常富集，分析異常富集微量元素，對(duì)研究聚煤環(huán)境和煤炭加工有重要意義。避免異常富集元素在煤炭開(kāi)采、運(yùn)輸、加工和轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)環(huán)境的不利影響，回收利用具有開(kāi)采價(jià)值的有益富集微量元素的前期工作，均需獲取微量元素在煤中含量信息。

西北侏羅紀(jì)煤中微量元素的背景值是分析西北侏羅紀(jì)煤中微量元素是否異常富集的標(biāo)準(zhǔn)[1]。由于煤中微量元素分布不均，使得準(zhǔn)確獲取某一礦區(qū)、煤田或盆地煤中微量元素含量值具有不確定性。因此為了獲得具有參考價(jià)值的西北侏羅紀(jì)煤中微量元素的背景值，必須分析大量煤樣，且分析樣品要具有煤層和區(qū)域代表性。盡管某一區(qū)域內(nèi)煤中微量元素的含量具有不均一性，但同一微量元素在固定區(qū)域內(nèi)大部分煤中的含量會(huì)在一個(gè)有限的范圍內(nèi)波動(dòng)，只有少數(shù)樣品由于采樣、制樣或分布在該元素的異常富集帶，導(dǎo)致其含量偏離正常范圍[2]。所以在統(tǒng)計(jì)西北侏羅紀(jì)煤中微量元素背景值時(shí)，要剔除異常富集煤樣。微量元素在煤層、煤田等的空間分布特征可以反映泥炭聚集、成巖階段、煤炭變質(zhì)等過(guò)程的差異[1]。此外微量元素含量的空間分布也可為煤炭的潔凈化利用提供理論參考。迄今為止，關(guān)于西北侏羅紀(jì)煤中微量元素的報(bào)道已有不少，如楊磊等[3]對(duì)鄂爾多斯盆地陳家山礦區(qū)煤中微量元素包括稀土元素地球化學(xué)的研究，賀天柱等[4]對(duì)新疆準(zhǔn)噶爾盆地煤中微量元素的分析，和王丹[5]對(duì)柴達(dá)木盆地煤中微量元素的分析等。這些研究報(bào)道僅針對(duì)具體某個(gè)礦區(qū)或采區(qū)煤中微量元素的含量分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，未能考察整個(gè)聚煤盆地或各聚煤盆地間微量元素含量的分布特點(diǎn)，雖然這些數(shù)據(jù)也能從側(cè)面反映西北侏羅紀(jì)煤中微量元素的含量水平，但對(duì)局部有異常富集微量元素存在時(shí)，會(huì)影響對(duì)正常西北侏羅紀(jì)煤中微量元素含量水平的判斷。

本文研究西北侏羅紀(jì)煤中微量元素的平均含量，收集的煤樣分布在鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、伊利盆地、柴達(dá)木盆地和塔里木盆地，涉及的煤樣變質(zhì)程度從中低變質(zhì)程度的煙煤到高變質(zhì)程度的無(wú)煙煤，統(tǒng)計(jì)分析西北侏羅紀(jì)煤樣1 300多種。獲取西北侏羅紀(jì)煤中微量元素平均含量的基礎(chǔ)上，分析煤中微量元素的時(shí)空分布特征。

1 西北侏羅紀(jì)煤中微量元素背景值

表1中列舉了西北侏羅紀(jì)煤、中國(guó)煤和世界煤樣的統(tǒng)計(jì)數(shù)量和煤中微量元素的平均含量。其中中國(guó)煤中微量元素的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)源于5篇文獻(xiàn)報(bào)道[1-2,6-8]，煤中微量元素的平均含量為算術(shù)平均值計(jì)算結(jié)果。

表1 煤中微量元素含量Table 1 Content of trace element in coals

續(xù) 表

為了更好分析西北侏羅紀(jì)煤中微量元素相對(duì)富集水平，引入富集因子(EF)，即煤中微量元素含量與對(duì)比煤中微量元素含量的比值。規(guī)定EF<2時(shí)，煤中微量元素?zé)o富集;EF=2～4時(shí)，輕微富集;EF=4～10時(shí)，一般(中度)富集;EF>10時(shí)，富集。分別用富集因子EF1和EF2衡量煤樣中微量元素的富集情況，EF1為分析煤中微量元素平均含量與中國(guó)煤中微量元素平均值的比值;EF2為分析煤中微量元素平均含量與世界煤中微量元素平均值的比值。

由于煤的不均一性和不同產(chǎn)地煤微量元素含量的差異，搜集足夠多的西北侏羅紀(jì)煤樣微量元素信息，對(duì)反映真實(shí)的西北侏羅紀(jì)煤中微量元素的背景值非常重要。為更真實(shí)反映西北侏羅紀(jì)煤中微量元素的背景值，統(tǒng)計(jì)時(shí)剔除了異常富集的微量元素煤樣，例如剔除了部分富含U、Mo和P的煤樣。僅獲取西北侏羅紀(jì)煤中微量元素的含量信息，對(duì)西北侏羅紀(jì)煤中的有毒有害元素的潛在危害評(píng)價(jià)，和其中有益元素的可利用性評(píng)估均是不夠的。因此，在獲取西北侏羅紀(jì)煤中微量元素含量的基礎(chǔ)上，通過(guò)與中國(guó)煤或世界煤中微量元素的背景值比較，才能判斷西北侏羅紀(jì)煤中微量元素的潛在危害性和可開(kāi)發(fā)性。

以剔除異常富集的微量元素的煤樣統(tǒng)計(jì)西北侏羅紀(jì)煤中微量元素的含量，并與中國(guó)煤或世界煤比較，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯鞅辟_紀(jì)煤中微量元素整體比中國(guó)煤和世界煤低;沒(méi)有EF>10的微量元素;EF>4的只有Th，且僅相對(duì)于世界煤表現(xiàn)為一般富集，而相對(duì)于中國(guó)煤只表現(xiàn)為輕微富集;相對(duì)于世界煤或中國(guó)煤EF>2的微量元素有W，僅相對(duì)于世界煤EF>2的微量元素有Ba、Co和Y。

圖1 西北侏羅紀(jì)煤中微量元素的含量水平Fig.1 Content level of trace elements in Northwest Jurassic coals

2 西北聚煤盆地侏羅紀(jì)煤微量元素分布

西北地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的侏羅紀(jì)煤炭資源。在西北聚煤區(qū)覆蓋的眾多盆地中，比較典型的聚煤盆地有鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、伊利盆地、塔里木盆地和柴達(dá)木盆地。以盆地為單位，在收集該區(qū)煤中微量元素含量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課題組分析數(shù)據(jù)，研究各聚煤盆地內(nèi)微量元素的分布情況。

2.1 鄂爾多斯盆地

鄂爾多斯盆地又稱陜甘寧盆地，橫跨陜西、寧夏、甘肅等省，具有豐富的礦產(chǎn)資源。在鄂爾多斯盆地內(nèi)，侏羅紀(jì)煤主要聚集在東部和南部，西部邊緣也埋藏有侏羅紀(jì)煤。鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤主要的含煤層段是延安組，煤層有低硫、低灰的特點(diǎn)，且厚度較大。收集到該盆地煤樣的信息[3,9-15]:8個(gè)陜北焦坪礦區(qū)的陳家山煤礦煤層煤樣;15個(gè)鄂爾多斯西緣侏羅煤系煤樣;62個(gè)黃陵礦區(qū)煤樣;16個(gè)寧東煤田煤樣;4個(gè)汝箕溝煤樣和1個(gè)白芨溝煤樣;1 000多個(gè)神府東勝煤田煤樣。

比較鄂爾多斯盆地煤中微量元素算術(shù)平均含量相對(duì)中國(guó)煤、世界煤的富集情況，結(jié)果如圖2所示。可以看出，沒(méi)有EF>10的微量元素;EF1>4的微量元素有P和Ba，EF2>4的微量元素有Sr、Ba、W和Th;EF1>2的微量元素有Sr、W和Th，EF2>2的有P和Eu。與中國(guó)煤相比，鄂爾多斯盆地煤中P和Ba呈中度富集趨勢(shì)，Sr、W和Th呈輕微富集趨勢(shì)，其他微量元素未呈富集趨勢(shì)。與世界煤相比，中度富集趨勢(shì)的有Sr、Ba、W和Th，輕度富集趨勢(shì)的有P和Eu。

圖2 鄂爾多斯盆地煤中微量元素的含量水平Fig.2 Content level of trace elements in Qrdos Basin coals

對(duì)具有富集趨勢(shì)的微量元素進(jìn)行分析，考察其在鄂爾多斯盆地3個(gè)重要聚煤區(qū)域的分布情況。以盆地主要聚煤區(qū)煤中微量元素平均值與整個(gè)盆地煤中微量元素平均值的比值EF作為縱坐標(biāo)，繪圖分析各聚煤區(qū)煤中具有富集傾向微量元素的分布特征，如圖3所示?？梢钥闯?，元素P、Ba和Eu在黃隴煤田煤中的EF>1，元素Sr和Th在神府煤田煤中的EF>1，元素W在鄂爾多斯西緣煤中的EF>1。P、Ba和Eu在黃隴煤田煤中的EF值高于其他2個(gè)聚煤區(qū);Sr在神府煤田煤中的EF值高于其他2個(gè)聚煤區(qū);Th和W在3個(gè)聚煤區(qū)的EF值差別不明顯。因此，Ba、P和Eu主要源于其在黃隴煤田煤中的富集;Sr主要表現(xiàn)在神府煤田煤中的富集。

圖3 微量元素在鄂爾多斯盆地主要聚煤區(qū)的分布Fig.3 Trace elements distribution of main coal accumulation areas in Ordos Basin

2.2 伊犁盆地

伊犁盆地位于新疆省的西北部，是新疆5大煤炭生產(chǎn)基地之一，喀什河流域是伊犁盆地主要的侏羅紀(jì)含煤區(qū)域。其中侏羅紀(jì)的中下統(tǒng)是盆地內(nèi)主要的聚煤層位。水西溝群的八道灣組和西山窯組是主要的侏羅紀(jì)含煤地層。此處統(tǒng)計(jì)的來(lái)自伊犁盆地的煤樣信息為[16-22]:伊寧煤田界梁子礦區(qū)的24個(gè)鉆孔樣(23個(gè)屬八道灣煤層，1個(gè)來(lái)自三工河組煤層);8個(gè)來(lái)自新疆昭蘇煤田的鉆孔樣(西山窯組);8個(gè)來(lái)自新疆尼勒克縣木斯鄉(xiāng)煤礦煤層樣(八道灣組);24個(gè)來(lái)自伊犁州皮瀝青煤礦煤層樣(西山窯組);40個(gè)來(lái)自于富U型煤層煤樣(開(kāi)采511U礦時(shí)獲得的鉆孔煤樣)。

對(duì)104個(gè)伊犁盆地煤樣中微量元素的含量信息進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。可以看出，Mo和U的EF值均>10，U的EF2=66.5，Mo的EF2=21.56，屬高度富集元素；W的EF2>4，EF1=3.54；其他微量元素的EF<4，F(xiàn)的EF2>2。分析煤樣信息來(lái)源，發(fā)現(xiàn)引起伊犁盆地煤中U和Mo高度富集的主要原因是40個(gè)來(lái)自伊寧煤田的富U型煤參與樣品統(tǒng)計(jì);這些富U煤統(tǒng)計(jì)中，U和Mo的平均值分別達(dá)到320.160、114.146 mg/kg。當(dāng)統(tǒng)計(jì)中去掉這40個(gè)異常富集煤樣品后，伊利盆地煤中的U和Mo的平均值分別為5.205、2.228 mg/kg，重新計(jì)算與中國(guó)煤、世界煤比值，EF<4。此外來(lái)自伊寧煤田的40個(gè)富U型煤中元素W含量較高是引起伊犁盆地煤中W統(tǒng)計(jì)結(jié)果偏高的原因。

圖4 伊犁盆地煤中微量元素的含量水平Fig.4 Content level of trace elements in Yili basin coals

2.3 準(zhǔn)噶爾盆地

準(zhǔn)噶爾盆地的南部、北部和東部含有豐富的侏羅紀(jì)煤系，自上而下的含煤層段有西山窯組、三工河組和八道灣組。本文收集的煤樣信息主要位于盆地的南部和東部，具體信息為[4,23-26]:① 156個(gè)準(zhǔn)東煤田樣品，其中56個(gè)采自于烏蘇市夾皮溝煤礦，為侏羅紀(jì)八道灣組含煤層樣品，69個(gè)來(lái)自五彩灣開(kāi)采區(qū)內(nèi)的鉆孔樣，31個(gè)來(lái)自自西黑山勘查區(qū)的鉆孔樣;② 8個(gè)來(lái)自準(zhǔn)噶爾盆地準(zhǔn)南煤田的六道灣煤礦，屬中侏羅紀(jì)西山窯組煤層煤樣;③ 96個(gè)來(lái)自準(zhǔn)噶爾煤田的南部(21)和東部(75);④ 2個(gè)來(lái)自準(zhǔn)噶爾南部的電廠原煤。

對(duì)收集到的262個(gè)煤樣進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。可以看出，該盆地沒(méi)有高度富集的微量元素。EF>4的有V、Co和Y;EF2>4的有Nb、La、Eu、Tm、Ta和F;剩余元素僅有Sc、Pr、Sm和Cl的EF>2，其他微量元素EF<2。因此，準(zhǔn)格爾盆地V、Co和Y表現(xiàn)出中度富集。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地煤中微量元素的含量水平Fig.5 Content level of trace elements in Zhunger basin coals

2.4 柴達(dá)木盆地

柴達(dá)木盆地侏羅紀(jì)主要的含煤區(qū)分布在青海、新疆的邊境和盆地北部。盆地的侏羅紀(jì)巖石地層有小煤溝組、火燒山組、甜水溝組、飲馬溝組、大煤溝組、石門溝組和采石嶺組，除采石嶺組外，其他均含有厚度不等的煤層。該盆地收集到的煤樣信息[5,27-29]:20個(gè)煤樣來(lái)自柴達(dá)木盆地北緣含煤地層，為中侏羅紀(jì)大煤溝組和石門溝組;23個(gè)樣品來(lái)自柴達(dá)木盆地南緣褶皺帶，屬侏羅紀(jì)中下統(tǒng)的羊曲組中部含煤巖層;27個(gè)煤樣品來(lái)自柴達(dá)木盆地北緣中段西大灘煤礦。

對(duì)70個(gè)來(lái)自柴達(dá)木盆地的煤樣進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，該盆地煤中沒(méi)有高度富集的微量元素;EF>4的只有W，屬中度富集;元素Th、Sc、V、Cr、Y、Cs、La和Er的EF>2，屬輕微富集，其他微量元素沒(méi)有富集趨勢(shì)。

圖6 柴達(dá)木盆地煤中微量元素的含量水平Fig.6 Content level of trace elements in Qaidam basin coals

2.5 塔里木盆地

塔里木盆地主要侏羅紀(jì)煤系分布在盆地的北部、西南部和東南部，主要的侏羅紀(jì)含煤地層為楊葉組。收集到來(lái)自該盆地北部庫(kù)拜煤田中西部地區(qū)的11個(gè)煤樣，樣品采自侏羅紀(jì)下統(tǒng)塔里奇克組煤層[30]。

該盆地煤中微量元素的平均含量與中國(guó)煤、世界煤比較結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，沒(méi)有EF>4的微量元素;Co的EF>2;Ti的EF1>2;其他微量元素沒(méi)有富集傾向。

圖7 塔里木盆地煤中微量元素的含量水平Fig.7 Content level of trace elements in Tarim basin coals

3 西北侏羅紀(jì)聚煤區(qū)煤中微量元素分布特點(diǎn)

3.1 不同聚煤盆地煤中微量元素含量比較

微量元素最大值出現(xiàn)的盆地歸屬見(jiàn)表2?？梢钥闯?，較多數(shù)量的微量元素最大值出現(xiàn)在柴達(dá)木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地，其次是鄂爾多斯盆地和伊犁盆地，僅Ti的最大值出現(xiàn)在塔里木盆地。微量元素Be、Ti、Mn、Ni、Cu、Zn、Ge、Se、Cd、Cs、Hf、Ta、Tl、Bi、In、Hg、F和Cl在5個(gè)聚煤盆地煤中的差異較小(最大值/最小值<5)。

表2 微量元素最大值出現(xiàn)的盆地Table 2 Basin in which the maximum content oftrace element occurs

以微量元素總的算術(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)，比較各聚煤盆地煤中微量元素的含量，結(jié)果如圖8所示。分析可知，柴達(dá)木盆地煤中微量元素含量最高，其次為準(zhǔn)噶爾盆地，伊犁盆地和鄂爾多斯盆地煤中微量元素含量差別不明顯，均少于準(zhǔn)噶爾盆地，塔里木盆地煤中微量元素含量最低。

圖8 不同盆地煤中微量元素含量比較Fig.8 Comparison of trace elements in coals from different basins

3.2 不同省及自治區(qū)煤中微量元素含量比較

西北侏羅紀(jì)煤覆蓋的省及自治區(qū)范圍有陜西省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)、甘肅省、青海省和內(nèi)蒙古自治區(qū)。本文僅對(duì)陜西、甘肅、青海、寧夏和新疆自治區(qū)內(nèi)煤中9種微量元素的含量進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3。分析可知，Be、Cr、Ni、和Pb的最大值均出現(xiàn)在青海省;Cu、Ga、Cd和Sr的最大值均出現(xiàn)在寧夏回族自治區(qū);Ba的最大值出現(xiàn)在陜西省;與其他省及自治區(qū)相比，甘肅省煤中Cr、Ni、Cu、Ga、Cd和Pb含量均最低;Be、Sr和Ba的最低值均出現(xiàn)在新疆煤中。煤中微量元素在各省及自治區(qū)內(nèi)的分布特征有:青海>寧夏>陜西>新疆>甘肅。

表3 不同省份煤中微量元素含量比較Table 3 Content comparison of trace element in different province

3.3 早、中侏羅紀(jì)煤中微量元素含量比較

煤在不同時(shí)代具有不同成煤環(huán)境，可能會(huì)引起煤中微量元素含量的差異。本文以區(qū)分較明顯的八道灣組煤代表侏羅紀(jì)早期煤樣，西山窯組煤代表中侏羅紀(jì)煤樣，分析早、中侏羅紀(jì)煤煤中微量元素含量的差異，結(jié)果如圖9所示。分析可知，早、中侏羅紀(jì)煤中微量元素含量存在差異，大部分元素(包括稀土元素)在早侏羅紀(jì)煤中含量表現(xiàn)較高;中侏羅紀(jì)煤中含量明顯較高的有Sb、Hf、Ta和B;微量元素Be、As、Sn、U、Mo、Mn和P等差異不明顯。整體來(lái)看，早侏羅紀(jì)煤比中侏羅紀(jì)煤微量元素含量高。

圖9 早、中侏羅紀(jì)煤中微量元素含量分布Fig.9 Content distribution of trace element in Early and Middle Jurassic coals

4 結(jié) 論

1)通過(guò)與中國(guó)煤、世界煤相比，除少數(shù)異常富集微量元素U、Mo和P外，僅少數(shù)微量元素在西北侏羅紀(jì)煤中表現(xiàn)出一定的富集趨勢(shì)，如Th、W、Ba、Co和Y。

2)鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤中具有富集傾向的微量元素有P、Ba、Sr、W、Th和Eu，其中元素P、Ba和Eu主要在黃隴煤田富集，元素Sr主要在神府煤田富集;而元素W主要富集在鄂爾多斯西緣煤中。整體來(lái)看，神府煤田比其他2個(gè)聚煤區(qū)微量元素含量低。

3)伊犁盆地煤中具有富集傾向的微量元素有U、Mo、W和F。準(zhǔn)噶爾盆地煤中微量元素V、Co和Y表現(xiàn)中度富集趨勢(shì)，元素Nb、Ta、F和稀土元素(La、Eu、Y、Tm)表現(xiàn)輕微富集趨勢(shì)。在柴達(dá)木盆地煤中，具有富集趨勢(shì)的微量元素有W、Th、Sc、V、Cr、Y、Cs、La和Er，其中W屬中度富集元素。塔里木盆地煤中微量元素含量相對(duì)較低，僅元素Ti和Co表現(xiàn)輕微富集趨勢(shì)。

4)不同聚煤盆地間比較，煤中微量元素含量差異明顯。較多的微量元素最大值出現(xiàn)在柴達(dá)木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地，其次為鄂爾多斯盆地和伊犁盆地，僅元素Ti最大值出現(xiàn)在塔里木盆地。通過(guò)微量元素總算術(shù)平均值比較得出，柴達(dá)木盆地微量元素含量水平最高，其次為準(zhǔn)噶爾盆地，再次為伊犁盆地、鄂爾多斯盆地，塔里木盆地最低。

5)元素Ba含量在陜西煤中表現(xiàn)最高，其他省份煤中含量差異不明顯;元素Sr的最低值出現(xiàn)在新疆煤中，其他省份含量差異不明顯。大部分微量元素表現(xiàn)為在青海和寧夏煤中含量較高;其次在陜西和新疆;甘肅煤中含量最低。

6)早、中侏羅紀(jì)煤相比，元素Sb、Hf、Ta和B在中侏羅紀(jì)煤中高于早侏羅紀(jì)煤，其余大多數(shù)分析元素在早侏羅紀(jì)煤中含量較高。