沁水煤田石炭系煤層中伴生元素的地質(zhì)地球化學(xué)特征

朱雪莉

（1.山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院,山西 太原 030001；2.煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030001）

煤層中的常量元素是含量超過0.1%的C、H、O、N、Na、Si、S、K、Ca、Ti、P 和Fe等十四種元素[1]，煤層中的常量元素通常是煤灰分的重要組成部分，也是影響煤灰熔融性的重要因素[2]。煤中的微量元素是含量低于0.1%的元素，如Ge、Ga、U等七十多種元素[3]，微量元素的含量分布特征以及賦存狀態(tài)能為進(jìn)一步發(fā)掘富集有益元素、甄選脫除煤中的有害元素提供科學(xué)依據(jù)[4]。本次研究工作基于沁水煤田地質(zhì)構(gòu)造背景，通過利用電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜儀（ICP-MS）等手段和元素相關(guān)性分析方法，對(duì)沁水煤田石炭系煤層進(jìn)行系統(tǒng)采樣測(cè)試分析，對(duì)石炭系主要煤層的煤巖特征及煤中伴生元素的含量分布進(jìn)行研究，并對(duì)11種微量元素的含量與灰分、全硫、煤灰成分中各氧化物含量百分比做了相關(guān)性分析，同時(shí)對(duì)有利微量元素的富集成因進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步研究聚煤盆地及其區(qū)域地質(zhì)的演化過程提供了基礎(chǔ)地質(zhì)地球化學(xué)信息，以期促進(jìn)礦產(chǎn)資源的綜合勘探和利用。

1 地質(zhì)背景

沁水煤田位于山西省東南部太岳山與太行山中南段之間（詳見圖1）。擠壓性斷裂褶皺帶圍限了沁水盆地周緣，呈現(xiàn)出在盆地的內(nèi)部構(gòu)造比較穩(wěn)定，但在盆地的邊緣部位活動(dòng)性增強(qiáng)的基本規(guī)律。沁水盆地古構(gòu)造上是屬于華北地臺(tái)的中帶，由于剪壓不斷增強(qiáng)，在燕山期隆升不斷擴(kuò)大而形成了殘余構(gòu)造盆地[5]。在華北地區(qū)，由于燕山期擠壓剪切應(yīng)力作用逐漸增強(qiáng)，大華北盆地逐漸向鄂爾多斯地區(qū)退縮。到燕山運(yùn)動(dòng)中期，沁水盆地已處于隆起區(qū)范圍內(nèi)，于是規(guī)模最大的復(fù)式向斜型盆地最終出現(xiàn)并定型于其上[6]。

圖1 沁水盆地構(gòu)造綱要略圖

沁水煤田屬于石炭—二疊紀(jì)含煤盆地，本次研究的對(duì)象是煤田內(nèi)的主要含煤地層之一石炭系上統(tǒng)太原組，厚106～140m，由深灰色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖和灰白色的中細(xì)粒砂巖，并且夾3～6 層石灰?guī)r組成。含煤7～12層，其中15號(hào)煤層為主要可采煤層，部分礦區(qū)9號(hào)煤層也是主采煤層。煤層的古地理格局為：太原組煤層主要形成于障壁渴湖以及下三角洲平原環(huán)境之中。太原組聚煤作用與沉積環(huán)境的關(guān)系表現(xiàn)為：煤層的厚度由北向南逐漸變小，因?yàn)榫勖簳r(shí)北部的水體相對(duì)比較淺，為泥炭沼澤的持續(xù)發(fā)育提供了有利條件，于是形成了比較厚的煤層，而南部的渴湖相帶以及濱外陸棚相帶水體比較深，不具備有利于泥炭沼澤持續(xù)發(fā)育的條件，所以煤層的厚度相對(duì)比較小；東南部由于分布著局部發(fā)育的障壁砂壩使得水體變淺，便于發(fā)育有聚煤作用的泥炭沼澤。

2 樣品采集與測(cè)試

2.1 樣品采集

對(duì)沁水煤田內(nèi)的77座生產(chǎn)煤礦進(jìn)行了井下采樣，共采集了石炭系太原組9號(hào)煤層和15號(hào)煤層的煤樣、頂?shù)装鍢印A矸樣共計(jì)354個(gè)。9號(hào)煤層位于石炭系太原組中下部，該煤層在煤田范圍內(nèi)較為發(fā)育，大部分地區(qū)可見其蹤跡。發(fā)育區(qū)范圍內(nèi)煤層厚度在0～6.69m之間，平均厚度1.15m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。屬穩(wěn)定—較穩(wěn)定，大部可采或局部可采煤層。15號(hào)煤層位于石炭系太原組下部，該煤層在煤田范圍內(nèi)普遍發(fā)育，煤層厚度在0～12.55m之間，平均厚度3.35m，基本屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定可采煤層。

2.2 樣品測(cè)試

依據(jù)《煤的工業(yè)分析方法》（GB/T212-2008）、《煤中全硫的測(cè)定方法》（GB/T214-2007）和《煤灰成分分析方法》（GB/T1574-2007）測(cè)試工業(yè)分析（水分、灰分、揮發(fā)分）、全硫、灰成分等參數(shù)。

依據(jù)《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測(cè)定方法》（GB/T6948-2008）、《煤的顯微組分組和礦物測(cè)定方法》（GB/T8899-2013），在顯微鏡下對(duì)煤樣的三個(gè)顯微組分及各個(gè)亞組分進(jìn)行觀測(cè)并且分類統(tǒng)計(jì)，并在顯微光度計(jì)上進(jìn)行光片鏡質(zhì)體反射率的測(cè)試。

利用電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜儀（ICP-MS）進(jìn)行共伴生微量元素測(cè)試，電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜儀是測(cè)定同位素和超痕量元素比值的儀器，根據(jù)探測(cè)器的濃度與計(jì)數(shù)的比例關(guān)系，測(cè)出元素的含量[7]。

3 測(cè)試結(jié)果及地質(zhì)地球化學(xué)特征分析

3.1 煤質(zhì)特征及煤類分布

通過對(duì)采集的樣品進(jìn)行測(cè)試分析，將本次測(cè)試的煤質(zhì)成果與收集到的近40年來在沁水煤田所做的184份煤炭地質(zhì)報(bào)告的煤質(zhì)成果進(jìn)行詳細(xì)分析，并與前人的研究成果相印證，可得：石炭系太原組9號(hào)煤層煤類以無煙煤為主，無煙煤由南向北穿過沁水煤田中部，兩側(cè)依次分布有貧煤、貧瘦煤和瘦煤。石炭系太原組15號(hào)煤層煤類以無煙煤為主，無煙煤由南向北穿過沁水煤田中部，兩側(cè)依次分布有貧煤、貧瘦煤和瘦煤，煤田西側(cè)分布有少量焦煤，在沁水煤田北部還有少量貧煤和貧瘦煤分布。

3.2 煤巖及礦物分析

成煤期的沼澤沉積環(huán)境決定了煤樣的有機(jī)煤巖組成特征，微量元素在不同有機(jī)煤巖組分和礦物中的分布又受到環(huán)境介質(zhì)的差異的影響[8]。通過對(duì)采集的61個(gè)樣品進(jìn)行煤巖及礦物分析，可得：石炭系太原組（9、15號(hào)煤）鏡質(zhì)組組成主要為均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體，有部分碎屑鏡質(zhì)體；惰質(zhì)組組成主要為粗粒體、碎屑體和絲質(zhì)體。

石炭系太原組9號(hào)煤層屬中煤級(jí)煤Ⅶ級(jí)，石炭系太原組15（9+10）號(hào)煤層屬中煤級(jí)煤Ⅶ級(jí)。通過計(jì)算凝膠化指數(shù)GI和植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)TPI值，GI≥5.27，含量比較高，而TPI值較為集中在1.22～1.89，石炭系太原組煤層的主體煤相為潮濕森林沼澤相。

3.3 常量元素分析

各煤層灰分含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。用灰成分比(CaO+MgO+Fe2O3)／(SiO2+Al2O3)可作為海水對(duì)泥炭影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)，灰成分比越大則泥炭沼澤受海水影響越大。石炭系太原組9號(hào)煤層的灰成分比較小，則受海水影響也比較小。石炭系太原組15號(hào)煤層的灰成分比較大，則成煤時(shí)沼澤環(huán)境受海水的影響較大，15號(hào)煤層在成煤過程中因受到海、陸兩方面的影響均較大，于是形成了海陸交互的成煤沼澤環(huán)境[9]。

表1 沁水煤田石炭系主采煤層煤灰成分含量統(tǒng)計(jì)表

3.4 微量元素分析

根據(jù)代世峰等提出的煤中微量元素含量水平的指標(biāo)，富集系數(shù)（CC，Concentration Coefficient）=煤中微量元素含量/中國煤中微量元素含量，將煤中微量元素含量水平分為六級(jí)[10]（表2）。

表2 煤中元素含量水平分級(jí)指標(biāo)

2012 年Dai 等在系統(tǒng)收集已有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上并結(jié)合自己的最新研究成果，給出了中國煤中微量元素含量的背景值（表3）。

本次研究利用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為以往鉆孔資料和采樣點(diǎn)共伴生元素含量加權(quán)平均值，通過對(duì)以上數(shù)據(jù)分煤層算術(shù)平均統(tǒng)計(jì)得到太原組9、15號(hào)煤層的微量元素平均含量對(duì)比表，見表3。

表3 沁水煤田9、15號(hào)煤中微量元素平均含量對(duì)比表（單位：ppm）

通過與中國煤均值相比得出的富集系數(shù)（CC）分析（表4），可以看出：太原組9 號(hào)煤中鎵（2.50）、鈾（2.93）、鋰（2.37）屬于輕度富集，其他元素均屬正常范圍（圖2）；15 號(hào)煤中鎵（2.04）、鈾（2.28）、鋰（2.20）屬于輕度富集，其他元素均屬正常范圍（圖3）。

圖2 9號(hào)煤中微量元素富集系數(shù)（CC）

圖3 15號(hào)煤中微量元素富集系數(shù)（CC）

表4 沁水煤田9、15號(hào)煤中微量元素CC值對(duì)比表

3.5 相關(guān)性分析

通過對(duì)煤中的微量元素含量與灰分的相關(guān)性進(jìn)行分析，來顯示微量元素的有機(jī)親和性或無機(jī)親和性，以此方法來推測(cè)微量元素的賦存狀態(tài)。一般來說，煤中某種微量元素含量與煤灰分產(chǎn)率之間的正相關(guān)性越強(qiáng)，在煤中賦存狀態(tài)呈無機(jī)態(tài)的可能性就越大。而某類煤質(zhì)參數(shù)與微量元素之間的相關(guān)關(guān)系在一定程度上對(duì)成煤環(huán)境有一定的指示意義。

統(tǒng)計(jì)學(xué)中這種相關(guān)性的大小利用相關(guān)系數(shù)(r)來衡量。相關(guān)系數(shù)的取值范圍在-1～+l 之間，其中：當(dāng)|r|≥0.8 時(shí)，視為高度相關(guān)；當(dāng) 0.5≤|r|<0.8 時(shí)，視為中度相關(guān)；當(dāng)0.3≤|r|<0.5 時(shí)，視為低度相關(guān)；當(dāng)|r|<0.3 時(shí)，說明變量之間的相關(guān)程度已經(jīng)極弱了，可視為不相關(guān)。

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，分別對(duì)沁水煤田9、15號(hào)煤層采集樣品的11種微量元素的含量與灰分、全硫、煤灰成分中各氧化物含量百分比做了相關(guān)性分析（表5、表6）。

表5 沁水煤田9號(hào)煤中微量元素與基礎(chǔ)煤質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)

如表5 所示，按照相關(guān)系數(shù)理論，沁水煤層9 號(hào)煤層中的灰分與銣元素的相關(guān)系數(shù)|r|＞0.8，視為高度正相關(guān)；灰分與稀土總量、鈧、銫、鎵、釷、釩這6種元素的相關(guān)系數(shù)0.5≤|r|<0.8，視為中度相關(guān)；其余為低度相關(guān)和不相關(guān)。全硫與鉈元素的相關(guān)系數(shù)0.5≤|r|<0.8，視為中度相關(guān)；其余為低度相關(guān)和不相關(guān)。Fe2O3與鉈元素的相關(guān)系數(shù)0.5≤|r|<0.8，視為中度相關(guān)；其余為低度相關(guān)和不相關(guān)。TiO2與鋰、鎵、釷這三種元素的相關(guān)系數(shù)0.5≤|r|<0.8，視為中度相關(guān)；其余為低度相關(guān)和不相關(guān)。K2O 與銣、銫這三種元素的相關(guān)系數(shù)0.5≤|r|<0.8，視為中度相關(guān)。

如表6所示，按照相關(guān)系數(shù)理論，沁水煤層15號(hào)煤層中的灰分與稀土總量、鈧、鋰、銣、銫、鍺、鎵、釷、釩這9 種元素的相關(guān)系數(shù)0.5≤|r|<0.8，視為中度相關(guān)；其余為低度相關(guān)和不相關(guān)。全硫與鉈、鍺元素的相關(guān)系數(shù)0.5≤|r|<0.8，視為中度相關(guān)；其余為低度相關(guān)和不相關(guān)。Fe2O3與鍺元素的相關(guān)系數(shù)0.5≤|r|<0.8，視為中度相關(guān)；其余為低度相關(guān)和不相關(guān)。其余基礎(chǔ)煤質(zhì)與微量元素為低度相關(guān)或不相關(guān)。

表6 沁水煤田15號(hào)煤中微量元素與基礎(chǔ)煤質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)

3.6 有利微量元素富集特征

以下對(duì)沁水煤田煤中較有前景的共伴生礦產(chǎn)：鎵、鍺、銣、鉈、鋰5種元素的富集特征分別加以論述。

（1）煤中鎵。9 號(hào)、15 號(hào)煤層煤中鎵與灰分中度正相關(guān)，同時(shí)表現(xiàn)出9 號(hào)煤層煤中鎵與煤灰中TiO2呈中度正相關(guān)特點(diǎn)。從采集樣品的垂向分布來看，煤中鎵一般集中于煤層的頂?shù)装?、與頂?shù)装逑嘟佑|的煤層、煤層的夾矸、夾矸上下接觸部位的煤層等。

（2）煤中鍺。15號(hào)煤層煤中鍺與灰分中度正相關(guān)，同時(shí)表現(xiàn)出15號(hào)煤層煤中鍺與煤灰中Fe2O3呈中度正相關(guān)特點(diǎn)，鍺主要以有機(jī)質(zhì)結(jié)合存在。

（3）煤中銣。9 號(hào)煤層煤中銣與灰分高度正相關(guān)，沁水煤田15號(hào)煤層煤中銣與灰分中度相關(guān)，同時(shí)表現(xiàn)出9號(hào)煤層煤中銣與煤灰中K2O呈中度正相關(guān)特點(diǎn)。

（4）煤中鉈。9 號(hào)煤層煤中鉈與硫分中度正相關(guān)，顯示出該元素具有一定的親硫性，同時(shí)表現(xiàn)出9號(hào)煤層煤中鎵與煤灰中K2O呈中度正相關(guān)特點(diǎn)。

（5）煤中鋰。沁水煤田9 號(hào)煤層煤中鋰與煤灰中TiO2中度正相關(guān)。

4 結(jié)論

（1）石炭系太原組9 號(hào)煤層煤類以無煙煤為主，無煙煤由南向北穿過沁水煤田中部，兩側(cè)依次分布有貧煤、貧瘦煤和瘦煤。

（2）石炭系太原組9 號(hào)煤層屬中煤級(jí)煤Ⅶ級(jí)，石炭系太原組15號(hào)煤層屬中煤級(jí)煤Ⅶ級(jí)。通過計(jì)算凝膠化指數(shù)GI和植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)TPI值，石炭系太原組煤層的主體煤相為潮濕森林沼澤相。

（3）石炭系太原組9號(hào)、15號(hào)煤層煤灰成分以SiO2為主，其次為Al2O3。石炭系太原組9 號(hào)煤層的灰成分比較小，則受海水影響也比較小。石炭系太原組15號(hào)煤層的灰成分比較大，則成煤時(shí)沼澤環(huán)境受到了海水的影響，15號(hào)煤層在其成煤過程中不斷受到海、陸兩方面的影響，于是形成了一套海陸交互的成煤沼澤環(huán)境。

（4）石炭系太原組9 號(hào)煤中鎵（2.50）、鈾（2.93）、鋰（2.37）屬于輕度富集，其他元素均屬正常范圍；石炭系太原組15 號(hào)煤中鎵（2.04）、鈾（2.28）、鋰（2.20）屬于輕度富集，其他元素均屬正常范圍。