淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦微量元素地球化學特征

李影影，劉桂建，陳冰宇，丁典識

(1.江西省大氣污染成因與控制重點實驗室 東華理工大學地球科學學院，南昌 330013；2.中國科學院殼幔物質與環(huán)境重點實驗室 中國科學技術大學地球和空間科學學院，合肥 230026)

煤炭是我國的重要能源之一，在豐富的煤炭資源中富含著大量的微量元素，可供開發(fā)利用[1]。煤的成分極其復雜，前人研究發(fā)現(xiàn)在煤的樣品中可檢測出86種元素，其中，包括C，H，O，N，S，Al，Si，F(xiàn)e，Mg，Na，K，Ca等12種主要元素，而其余74種元素因在煤中的平均豐度低于0.1%，則被稱為微量元素[2-4]。煤中微量元素作為煤田地質學、煤地球化學以及環(huán)境科學等多學科的主要研究對象，多應用于煤田地質(如Ba、Sr等具有成煤環(huán)境指向意義)、資源綜合利用(如Ga、Ge、V等富集提取回收利用)和環(huán)境污染(如As、Pb、F等對環(huán)境的影響)等研究方向[5]。

基于此，本文以淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦為例，系統(tǒng)研究主采煤層煤中微量元素的含量分布特征，并將其與華北、中國煤及地殼豐度進行對比分析，明確微量元素富集規(guī)律并剖析其地球化學特征，為淮北礦區(qū)煤中微量元素綜合利用以及生態(tài)環(huán)境保護提供理論基礎。

1 研究區(qū)與主采煤層概況

蘆嶺煤礦位于淮北礦區(qū)的宿縣礦區(qū)內(圖1)，處于宿東向斜西南翼的東南段，煤田內主要以斜切斷層為主。受古生代加里東早期構造運動的影響，地殼整體隆起，遭受風化剝蝕，沉積間斷，致使本區(qū)缺失了上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)。石炭紀早期，本區(qū)地殼緩慢下沉，接受沉積，并具備有良好的成煤環(huán)境，沉積了一套煤系地層[6]。其煤系地層以二疊系山西組、下石盒子組以及上石盒子組為主要含煤巖段，其中，下石盒子組8煤層和9煤層以及山西組10煤層為主采煤層，平均可采總厚度31.75 m。8煤層為特厚煤層，平均厚度為9.56 m，賦存穩(wěn)定；9煤層為中厚煤層，平均厚度為3.01 m，局部與8煤層合并，煤層絕大多數(shù)為鱗片狀，頂板破碎。8煤、9煤層堅固性系數(shù)低，松軟易碎。10煤層為中厚煤層，全區(qū)普遍發(fā)育，是煤礦主要可采煤層，較穩(wěn)定。煤質以氣煤為主，中低灰分，低硫低磷、高焦油率，屬典型的突出松軟厚煤層。

圖1 蘆嶺煤礦位置圖Figure 1 Luling coalmine location map

2 樣品采集與測試

本次研究共采集了淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦不同煤層的原煤樣品15個。其中，8煤層、9煤層和10煤層各采集了5個樣品。煤巖樣品均按照國標進行刻槽采樣，保存于樣品袋中，以避免可能的氧化和污染。樣品經(jīng)風干、破碎及研磨過200目篩，以達到測試分析所需要的樣品粒度，然后進行加酸消解，最后將處理好的樣品送于中國科學技術大學理化結構中心進行39種微量元素含量測試，測定儀器為電感耦合等離子質譜(ICP-MS)(使用儀器為Thermo Fisher Scientific公司生產的X Series 2型)及電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)(使用儀器為PeklinElmer公司生產的Optima 7300 DV型)。

3 結果與討論

3.1 微量元素分布特征

本次共測試了下石盒子組的8煤層和9煤層及山西組的10煤層中共15個樣品中的39種元素，包括Al、Mg、Fe、Si四種主量元素，微量元素有As、B、Be、Cd、Co、Cr、Cu、Li、Mn、Ni、V、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、Zn、Sc、Th、U，稀土元素有Ce、Dy、Er、Eu、Gd、La、Lu、Nd、Pr、Sm、Tb、Yb、Y、Ho。

表1給出了15個原煤樣品的微量元素測試統(tǒng)計結果。通過對表中數(shù)據(jù)分析可以得出，主量元素中Mg和Fe在8煤中含量較高，Al和Si在10煤中含量較高，說明下石盒子組煤中Mg、Fe元素相對于山西組煤富集，而山西組煤中Al、Si含量相對于下石盒子組較為富集；山西組煤中微量元素Pb的含量約為下石盒子組煤中含量的3倍，微量元素Th、Zn、Cr在山西組煤中的含量也明顯高于下石盒子組，而微量元素V在山西組中要低于下石盒子組中含量；稀土元素在山西組煤中含量整體要高于下石盒子組；其余微量元素的含量在下石盒子組和山西組煤中的差距不明顯。因此，可以初步得出山西組中微量元素含量明顯要高于下石盒子組。

在下石盒子組中，8煤層與9煤層的微量元素含量相比，9煤層煤中微量元素普遍低于8煤層， 這可能是由于9煤層在成煤過程中受到構造應力的作用，導致煤中微量元素發(fā)生遷移，從而含量減少[7]。

3.2 與華北和中國煤中微量元素的比較

微量元素含量的平均值通?？梢院芎玫姆从逞芯繉ο蟮目傮w特征[8]，因此本文將研究區(qū)主采煤層煤中微量元素的平均值與中國和華北煤中微量元素的均值進行比較，并以此作為衡量研究區(qū)內煤中微量元素富集與否的指標[9-10](表2)。

由表2中可得知，蘆嶺煤礦中As、Co、Fe、Mn、Sn、Sr、Ce、Nd、Sm、Yb、U等元素的平均含量明顯低于華北煤、中國煤的均值；研究區(qū)內明顯偏高于華北、中國煤均值的有Be、Cr、Cu、Ga、Li、Pb、Th；研究區(qū)內微量元素與華北、中國煤平均含量接近的有B、Eu、Tb、Y；蘆嶺煤礦中微量元素平均含量低于華北煤，與中國煤均值接近的有Ti、Sc、La；研究區(qū)內微量元素平均含量與華北煤接近，高于中國煤的有Cd、Ni、V?；诖耍梢缘贸鎏J嶺煤礦微量元素含量與華北、中國煤中微量元素含量差異較大，這可能是因為二疊紀時期淮北礦區(qū)處于華北聚煤盆地南緣，屬海陸交互相沉積環(huán)境，陸源碎屑的帶入可能影響了蘆嶺煤礦煤中微量元素的含量分布特征[11]。

表1 蘆嶺煤礦不同煤層煤樣品中微量元素含量

表2 蘆嶺煤礦與華北、中國煤中微量元素含量對比

圖2 蘆嶺煤礦8、9、10三煤層富集系數(shù)分布Figure 2 Luling coalmine coal Nos.8, 9 and10 enrichment coefficient distributions

3.3 與地殼微量元素的平均值的比較

不同元素在地殼中的含量存在著數(shù)量級上的差異，僅僅以微量元素的絕對含量值進行地球化學特征研究就會帶來諸多不便，為此前人引入富集系數(shù)的概念進行元素的含量分布特征研究[12]。所謂富集系數(shù)是指樣品實測值與選取的背景值之間的比值，用EF來表示。本文所采用的EF值的計算方法為：EF=C實測/C背景，背景值引自文獻[13]。

本次研究根據(jù)Filippidis(1996)提出的評價標準[14]，確定微量元素富集程度的判別指標如下：EF>10為強烈富集型；EF在5～10為富集型；EF在0.5～5為正常型；EF<0.5為虧損型。依據(jù)此判別標準可以得出：蘆嶺煤礦中Be、Cd、Cu、Ga、Pb、Sb、Zn、Th屬于正常型；B、Fe、Li、Pb為富集型；而Al、As、Mg、Co、Cr、Mn、Ni、V、Sn、Sr、Sc、Si、U為虧損型。同一元素在蘆嶺煤礦8煤層、9煤層和10煤層煤中的富集系數(shù)差異性并不明顯，而不同元素的富集系數(shù)相差較大，最大值為Fe的富集系數(shù)為8.78，最小值為Si的富集系數(shù)為0.001。

4 結論

通過本次研究，得出以下主要結論：

(1) 下石盒子組的8煤層和9煤層與山西組的10煤層對比，下石盒子組煤中微量元素含量整體低于山西組；而在下石盒子組中9煤層煤中微量元素含量低于8煤層。

(2) 蘆嶺煤礦與華北和中國煤中的元素含量存在著明顯的差異性，主要體現(xiàn)為微量元素Ga、Li、Pb的明顯富集以及主量元素Fe和微量元素U的明顯虧損。

(3)與地殼中元素含量相比，蘆嶺煤礦主采煤層煤中僅主量元素Fe和微量元素Li、Pb、B出現(xiàn)富集，虧損型元素較多，且不同元素的富集系數(shù)相差較大。