古泥炭沉積環(huán)境及其對微量元素的控制：以寧武煤田東露天煤礦11＃煤層為例*

王國權(quán) 孫蓓蕾 劉 超 武 杰 潘欣雨 曾凡桂

1太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024

2煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點實驗室，山西 太原 030024

3煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048012

煤作為重要的自然資源，是地質(zhì)歷史時期古生態(tài)和古環(huán)境信息的重要載體。古泥炭在發(fā)展演化到煤的過程中會受到一系列古環(huán)境的影響，并將其記錄在煤層中，因此煤中的微量元素（如Sr、Ba、Ni、V等）提供了沉積條件、含煤層序形成和區(qū)域構(gòu)造歷史的地質(zhì)信息（Dai et al.，2012，2020）。另外，煤作為一種特殊的有機礦產(chǎn)，在沉積過程中經(jīng)常富集許多金屬元素（Arbuzov et al.，2019），如Ga、Ge、Li、U、V、Se、Sc、Re、Zr、H、Nb、Ta、REY等，因為這些潛在的經(jīng)濟價值已經(jīng)吸引了學者的關(guān)注（Zhao et al.，2019），而某些有害的元素，如F、As、Se、Pb等，在被開發(fā)利用的過程中則可能對人體健康和環(huán)境造成危害（Dai et al.，2012）。因此，對成煤沉積環(huán)境的認識，不僅對深入了解煤的形成機制至關(guān)重要，而且對煤炭資源的清潔利用具有重要意義。

近年來，在華北石炭系—二疊系煤層中已發(fā)現(xiàn)Li、Al、Ga、REY等多 種 關(guān) 鍵 金 屬元素 的 富 集（Dai et al.，2008；Sun et al.，2013；Liu et al.，2020）。雖然這些研究都提到了沉積環(huán)境對微量元素富集的影響，但結(jié)論大多過于籠統(tǒng)，如前人認為微量元素的富集和分布在一定程度上受到沉積環(huán)境中水介質(zhì)的酸堿度、鹽度和氧化還原性質(zhì)的影響（Qin et al.，2019），但對具體的微環(huán)境研究較少。

文中報道了寧武煤田東露天礦區(qū)11＃煤層的煤相及相關(guān)地球化學特征。根據(jù)煤相參數(shù)、地球化學參數(shù)和礦物組成，重建了東露天11＃煤層古泥炭的沉積環(huán)境，并將微量元素同古泥炭形成的環(huán)境特征進行比較，探討了古泥炭形成環(huán)境在微量元素富集過程中的作用。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

寧武煤田位于山西省北部（圖1-a）。平朔礦區(qū)位于寧武煤田北部（圖1-a），礦區(qū)內(nèi)有東露天、安太堡和安家?guī)X3個露天煤礦（圖1-b）。平朔礦區(qū)內(nèi)存在自北向南貫穿于整個礦區(qū)中東部的向斜，該向斜延伸長度約20 km，其中向斜東翼傾角較大，為15°～30°，地層起伏較小，而西翼較為平坦，傾角小于10°，伴生大量小型褶皺和斷層（范二平等，2018）。礦區(qū)內(nèi)的晚古生代含煤地層為太原組和山西組，平均厚度分別為72 m和90 m（Wang et al.，2007）（圖2）。太原組共含有7層煤，其中9＃、11＃煤層為穩(wěn)定可采煤層；山西組共含有4層煤，其中4號煤層為穩(wěn)定可采煤層。前人研究認為，太原組形成于潮坪環(huán)境，山西組形成于上三角洲平原環(huán)境（范二平等，2018）。

圖1 寧武煤田東露天煤礦采樣點位置Fig.1 Sampling location in Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield

圖2 寧武煤田東露天煤礦太原組—山西組地層柱狀圖（a）和11＃煤層采樣剖面圖（b）Fig.2 Stratigraphic column of the Taiyuan and Shanxi Formations（a），and sampling section of the 11＃coal seam（b）from Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield

11＃煤層位于太原組底部，煤層頂板巖性主要為泥巖、灰?guī)r和泥灰?guī)r，底板巖性主要為中砂巖、細砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖（王金喜，2019）。11＃煤層厚度為0～9.03 m，平均厚度3.74 m（Wang et al.，2005）。在東露天煤礦采樣點，11＃煤層厚度為2.7 m。對于該套煤層的沉積環(huán)境，目前認識并不統(tǒng)一：Liu等（2021）認為是近岸沉積環(huán)境，煤層在沉積過程中受到海水顯著影響；秦勇等（2005）認為11＃煤層形成于波動式海進過程，沉積于半咸水—咸水環(huán)境；王金喜（2019）認為11＃煤層沉積于三角洲前緣的分流間灣環(huán)境。

2 樣品采集與測試方法

按照國標GB/T 482-2008，對東露天煤礦11＃煤層進行分層刻槽取樣，共采集12件樣品，包括分層煤樣10件、頂板樣品1件和夾矸樣品1件（圖2-b）。受樣品采集條件限制，煤層底板樣品未能采集。樣品采集后迅速裝入塑料袋以防污染和氧化。使用四分法取1份樣品進行測試分析，其余樣品在塑料袋中儲存?zhèn)溆?。因為DLT-11-1樣品采集量過少，所以分析測試結(jié)果均不包含這件樣品。

煤質(zhì)測試過程中，按照國標GB/T 212-2008對煤樣進行灰分（Ad）、水分（Mad）、揮發(fā)份（Vdaf）測定，按照國標GB/T 214-2007對煤樣進行全硫含量（St，d）測試。按照國標GB/T 40485-2021、使用配備BRICC-MTM煤巖分析系統(tǒng)的徠卡DMC-4500顯微鏡（×500）對鏡質(zhì)體隨機反射率（RO）進行測定。另外，按照國標GB/T 15588-2013對煤中顯微組分進行分類識別。

在微量元素測試過程中，首先手工剃除后生方解石和大塊黃鐵礦顆粒的樣品，然后使用瑪瑙研缽將樣品研磨至200目。考慮到樣品中部分元素可能具有揮發(fā)性，所有樣品均未進行灰化。微量元素測試使用德國耶拿電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICPMS）。微量元素測試流程如下：將0.05 g樣品粉末放入聚四氟乙烯消解罐中，加入0.6 mL純化后的氫氟酸和3 mL純化后的硝酸，之后將消解罐放置在185℃的烘箱中加熱24 h。自然冷卻后將消解罐在電熱板上蒸干，蒸干后加入200 ng Rh作為內(nèi)標，然后加入2 mL純化后的硝酸和4 mL去離子水。將消解罐密封后再次放入135℃的烘箱中加熱5 h，將未溶解的樣品繼續(xù)溶解。自然冷卻后將溶液稀釋3000倍等待上機測試。以國際標樣AMH-1（安山巖）和OU-6（板巖）作為標準參考物質(zhì)來進行質(zhì)量監(jiān)控，樣品每隔5件做一次平行樣，以保證實驗流程的穩(wěn)定性。大部分元素的相對誤差優(yōu)于（±5）%，具體操作參照Qi等（2000）實驗方法。微量元素測試在中國科學院地球化學研究所完成。

3 實驗結(jié)果

3.1 煤質(zhì)特征

東露天11＃樣品煤質(zhì)測試結(jié)果見表1?；曳之a(chǎn)率介于14.7%～64.3%之間，平均值為31.8%，依據(jù)國標GB/T 15224.1-2018劃分為高灰煤（30%＜Ad≤40%為高灰煤）。揮發(fā)分產(chǎn)率介于32.2%～50.3%之間，平均值為41.6%。全硫含量介于1.50%～17.03%之間，均值為4.96%，為高硫煤（S＞3.0%為高硫煤）。鏡質(zhì)體隨機反射率（RO，ran）介于0.42%～0.70%之間，平均值為0.60%，屬高揮發(fā)分煙煤。

表1 寧武煤田東露天煤礦11＃煤層測試結(jié)果Table 1 Testing results of coal samples from the 11＃coal seam in Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield

3.2 煤巖顯微組分

煤巖顯微組分顯示，東露天11＃煤層中有機顯微組分主要以鏡質(zhì)組為主（表2），含量介于54.3%～91.0%之間，主要為均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體（圖3-d，3-g），含有少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體（圖3-d，3-e）。其次為惰質(zhì)組，含量介于9.1%～44.5%之間，主要以絲質(zhì)體（圖3-c，3-h）、半絲質(zhì)體（圖3-f）和碎屑惰質(zhì)體（圖3-i）為主。殼質(zhì)組很少，只觀測到少量的孢子體（圖3-c）。

表2 寧武煤田東露天煤礦11＃煤層有機顯微組分及礦物組分含量Table 2 Contents of maceral and mineral components in coal samples from the 11＃coal seam from Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield

礦物組分主要有黏土礦物、黃鐵礦和方解石。黏土礦物主要分布在絲質(zhì)體胞腔（圖3-h）和以細小顆粒浸染狀存在于碎屑組分之間（圖3-i）。方解石多為后生礦物，多以脈狀充填于裂隙中（圖3-d，3-e）。黃鐵礦主要以3種賦存形式存在：第1種為莓狀黃鐵礦（圖3-a），主要分布于DLT-11-0樣品中；第2種為塊狀黃鐵礦（圖3-b），主要分布于DLT-11-4樣品中；第3種為零散分布的黃鐵礦，分布于其他樣品中，常見細胞填充狀（圖3-f）。

圖3 寧武煤田東露天煤礦11＃煤層煤巖顯微組分照片（油鏡反射光）Fig.3 Maceral characteristics of the 11＃coal seam from Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield（reflected light，oil immersion）

3.3 地球化學特征

3.3.1 微量元素

東露天11＃煤層中微量元素含量見表3，世界硬煤微量元素含量（Ketris and Yudovich，2009）也列于該表中以便對比。Dai等（2015）提出了評估微量元素富集或虧損程度的參數(shù)，即富集系數(shù)（煤樣/世界煤），并將富集系數(shù)（CC）劃分為6種：異常富集（CC＞100）、顯著富集（10＜CC＜100）、富集（5＜CC＜10）、輕微富集（2＜CC＜5）、正常（0.5＜CC＜2）和虧損（CC＜0.5）。此次研究也采用了這一評價指標。東露天11＃煤層中處于富集水平的元素主要包括Li（平均133.50μg/g，富集系數(shù)9.54）、Zr（平 均198.12μg/g，富 集 系 數(shù)5.50）和Pb（平均60.76μg/g，富集系數(shù)6.75）；輕微富集元素包括Cr、Zn、Ga、Sr、Nb、Hf、Ta、Th、U和REY；元 素Be、Sc、V、Co、Cu、Ge、As、W和Tl含量與世界硬煤相當；其余微量元素含量低于世界硬煤（圖4）。

圖4 寧武煤田東露天煤礦11＃煤層微量元素富集系數(shù)Fig.4 Concentration coefficient of trace elements in coal samples from the 11＃coal seam in Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield

3.3.2 稀土元素

東露天11＃煤層稀土元素（REY）含量變化范圍為35.7～627μg/g，平均值為170.88μg/g（表3）。該稀土元素含量與寧武煤田稀土元素平均含量（151.17μg/g；Liu et al.，2020）和中國煤稀土元素含量（135.89μg/g；Dai et al.，2012）相近，是世界硬煤稀土元素含量的2倍（68.6μg/g；Ketris and Yudovich，2009）。本次采用三分法（Dai et al.，2012），將稀土元素分為輕稀土元素（LREY：La、Ce、Pr、Nd、Sm）、中 稀 土 元 素（MREY：Eu、Gd、Tb、Dy、Y）和重稀土元素（HREY：Ho、Er、Tm、Yb、Lu）。本次研究選用上地殼（UCC；Taylor and McLennan，1985）的數(shù)據(jù)對稀土元素標準化，并用標準化后的數(shù)據(jù)繪制配分模式圖（圖5）。用標準化的La、Sm、Gd和Lu的比值，根據(jù)Seredin和Dai（2012）所提的分類方法分為輕稀土富集（LaN/LuN＞1）、中稀土富集（LaN/SmN＜1，GdN/LuN＞1）和 重 稀 土 富 集（LaN/LuN＜1）。東露天11＃煤層稀土元素具有多樣性，以富集輕稀土元素為主，其中DLT-11-R、DLT-11-2、DLT-11-6和DLT-11-8為輕稀土富集，DLT-11-4、DLT-11-7和DLT-11-9為中稀土富集，DLT-11-3、DLT-11-5和DLT-11-10為重稀土富集。

圖5 寧武煤田東露天煤礦11＃煤層稀土元素配分模式Fig.5 REY distribution patterns of coals samples from the 11＃coal seam in Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield

表3 寧武煤田東露天煤礦11＃煤層微量元素Table 3 Concentrations of trace elements of samples from the 11＃coal seam in Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield 單位：μg/g

稀土元素Eu和Ce元素具有多種價態(tài)，因此Eu和Ce異常經(jīng)常被用于追蹤沉積環(huán)境的地球化學過程（Dai et al.，2016）。δEu和δCe分別指示Eu和Ce異常程度，大于1指示正異常，小于1指示負異常。δEu和δCe計算公式如下：

EuN、SmN、TbN、CeN、LaN、PrN為上地殼（UCC）標準化后數(shù)值。

東露天11＃煤層δEu的變化范圍在0.80～1.20之間，均值0.99，呈現(xiàn)略微負異常（表4；圖5）。δCe整體呈輕微負異常，為0.88～1.08，均值0.97（表4；圖5）。

表4 寧武煤田東露天煤礦11＃煤層稀土元素參數(shù)Table 4 Parameters of REY in the 11＃coal seam from Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield

4 討論

在泥炭聚集和煤化過程中，元素富集受多種因素控制。中國煤的微量元素富集類型包括源巖、海洋環(huán)境、熱液（巖漿型、低溫熱液型和海底噴流控制型）、地下水和火山灰控制型（Dai et al.，2012）。研究區(qū)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)任何巖漿或熱液的活動，因此，控制東露天礦區(qū)11＃煤層微量元素富集與分布的2個主要因素是物源區(qū)原巖性質(zhì)和古泥炭堆積環(huán)境。

4.1 物源區(qū)分析

稀土元素化學性質(zhì)穩(wěn)定，其配分模式基本不受后生因素的影響，對煤中微量元素的物質(zhì)來源有很好地指示作用。煤層δEu呈現(xiàn)輕微負異常，Eu3+在還原環(huán)境中可以還原為Eu2+，但是這種氧化還原轉(zhuǎn)變需要極端的還原條件或高溫（Sverjensky，1984；Bau，1991），通常情況下煤中δEu異常被認為不是由沉積物源區(qū)的風化作用或者金屬從沉積物源區(qū)向泥炭沼澤的搬運造成的，而是由沉積物源區(qū)內(nèi)的巖石繼承而來的（Yossifova et al.，2011；Dai et al.，2016）。前人研究認為，晚古生代寧武煤田古流向為由北向南（王華等，2001；Li et al.，2010）。U-Pb測年和Hf同位素的研究表明，寧武煤田晚石炭世的沉積物來自華北克拉通北緣（Li et al.，2009），且碎屑物質(zhì)都主要來自于晚古生代活動大陸邊緣構(gòu)造背景的內(nèi)蒙古隆起（成賢康等，2021）。因此，東露天11＃煤層稀土元素主要受控于陸源碎屑供給，并具有相對穩(wěn)定的物源供給。

4.2 古泥炭沉積環(huán)境分析

4.2.1 煤相參數(shù)

煤相及相關(guān)地球化學參數(shù)是指示古泥炭沉積環(huán)境的重要標志（Dai et al.，2020）。煤相參數(shù)是根據(jù)顯微組分比例計算的，國內(nèi)外許多研究都利用顯微組分來識別煤層中煤相的垂向和橫向變化趨勢（Sen，2016）。煤相分析中使用的主要參數(shù)有結(jié)構(gòu)保存指數(shù)（TPI）、凝膠化指數(shù)（GI）、地下水指數(shù)（GWI）和植被指數(shù)（VI）（Diessel，1986）。

TPI為有細胞結(jié)構(gòu)的顯微組分與無細胞結(jié)構(gòu)的顯微組分的比值，反映了成煤植物細胞結(jié)構(gòu)的破壞程度。TPI值越大說明植物細胞保存程度越好，可以作為判斷成煤植物類型的指標。凝膠化指數(shù)（GI）為潮濕環(huán)境顯微組分（鏡質(zhì)組）和干燥環(huán)境顯微組分（惰質(zhì)組）的比值，即凝膠化和非凝膠化比值，可指示泥炭沼澤的覆水條件，GI值越大說明沼澤越潮濕、覆水越深（Kalkreuth et al.，1991）?？刂颇z化過程的主要因素是pH值，所以可以通過凝膠化指數(shù)來分析泥炭沼澤的pH值，GI值大于平均值表示相對堿性環(huán)境，小于平均值表示相對酸性環(huán)境（Lu et al.，2017）。Diessel（1986）基于對南半球?qū)呒{大陸二疊紀海陸過渡相含煤地層的研究，建立了GI-TPI圖解。依據(jù)此圖解，同樣形成于海陸過渡相沉積背景的東露天11＃煤層的不同樣品顯示出低位沼澤、潮濕森林沼澤兩大類煤相類型，它們分別發(fā)育在障壁島—潟湖、下三角洲平原和上三角洲平原背景之上（圖6）。由此構(gòu)成煤相的3種基本類型，即下三角洲平原低位沼澤相（Ⅰ）、上三角洲平原低位沼澤相（Ⅱ）和障壁島-潟湖低位沼澤相（Ⅲ）。

圖6 寧武煤田東露天煤礦11＃煤層GI-TPI煤相圖（底圖據(jù)Diessel，1986）Fig.6 GI-TPI coal facies of the 11＃coal seam from Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield（basic map after Diessel，1986）

GWI為強凝膠化顯微組分和礦物與弱凝膠化顯微組分的比值，反映了地下水對泥炭沼澤的控制程度和泥炭聚集時的水位。一般而言，高水位沉積環(huán)境伴隨著較高的顯微組分降解程度和較高的礦物含量，GWI＞0.5指示沉積水位較高、水動力作用強，反之，水動力作用較弱。植被指數(shù)（VI）為森林親緣性的顯微組分與草本和水生親緣性的顯微組分比值，VI＞1表明是森林沼澤，而VI＜1則是湖泊環(huán)境，主要為草本物質(zhì)（Calder et al.，1991）。東露天11＃煤層VI-GWI圖解如圖7，分析結(jié)果與GITPI煤相圖（圖6）相符。

圖7 寧武煤田東露天煤礦11＃煤層VI-GWI煤相圖Fig.7 VI-GWI coal facies of the 11＃coal seam from Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield

4.2.2 全硫含量

最近的研究表明，單獨用煤相指數(shù)來解釋泥炭形成環(huán)境有局限性，因此應(yīng)謹慎使用這些煤相模型，需要結(jié)合其他地球化學參數(shù)共同構(gòu)建成煤環(huán)境（Sen，2016；Dai et al.，2020）。一些元素或它們的組合關(guān)系被用來作為泥炭聚集期間沉積環(huán)境的指標，本次主要選取對泥炭沉積環(huán)境敏感的地球化學指標，包括全硫含量（St，d）、δCe、Sr/Ba和V/（V+Ni）值等，結(jié)合煤相參數(shù)來聯(lián)合構(gòu)建古泥炭沉積環(huán)境。

煤中硫含量與其沉積環(huán)境的關(guān)系已經(jīng)得到了廣泛的 討 論（Gayer et al.，1999；Dai et al.，2002；Shao et al.，2003；Chou，2012；Zheng et al.，2017），在大多數(shù)情況下，低硫煤（S＜1%）形成于陸相環(huán)境，硫主要來源于成煤植物；中硫煤（1%≤S＜3%）和高硫煤（S≥3%）的形成受海水影響，硫來源于成煤植物和淹沒沼澤海水中的硫酸鹽礦物（Chou，2012）。Chou（2012）認為由于海水中的硫酸鹽礦物是煤中高硫的關(guān)鍵因素，煤中硫含量的高低取決于煤在泥炭堆積過程中是否受到海水的影響以及海水的影響程度。Dai等（2012）認為煤中硫的富集通常與原始泥炭形成環(huán)境的古鹽度有關(guān)，其可以作為海洋影響沉積環(huán)境的有效指標。研究區(qū)樣品全硫（St，d）含量在0.17%～17.03%之間，平均值為4.96%（表1），說明研究區(qū)東露天11＃煤層受到海侵影響。其中DLT-11-0、DLT-11-4和DLT-11-8這3件樣品表現(xiàn)為高的全硫含量。Wilkin等（1996）認為在缺氧—硫化海洋環(huán)境下草莓狀黃鐵礦廣泛發(fā)育，而在氧化—次氧化環(huán)境下黃鐵礦大多以自形晶的形式出現(xiàn)，因此在DLT-11-0樣品中發(fā)現(xiàn)了廣泛分布的莓狀黃鐵礦（圖3-a），說明其水體為缺氧—硫化環(huán)境，而DLT-11-4樣品中發(fā)現(xiàn)大量自形黃鐵礦（圖3-b），說明其水體為氧化—次氧化環(huán)境。

4.3 微量元素及其比值

Sr/Ba值是研究沉積環(huán)境時應(yīng)用最為廣泛的指標之一，不僅適用于沉積巖，同樣適用于煤（Zhang et al.，2018；Dai et al.，2018）。Sr/Ba值作為沉積巖和煤的沉積環(huán)境指標的原因是海水和淡水中Sr與Ba的濃度分別較高和較低。在海水（咸水）影響下，煤中Sr/Ba＞1；在微咸水環(huán)境中，Sr/Ba值在0.6～1之間；當Sr/Ba＜0.6時表明為淡水沉積環(huán)境。研究區(qū)樣品Sr/Ba值含量在0.69～31之間，平均值為4.62（表3），表明煤層整體沉積環(huán)境均受海水影響。煤層中Sr/Ba值變化比較大，說明煤層受到了海水影響，經(jīng)歷了頻繁的海水進退過程。

在沉積巖中，通常使用V/（V+Ni）值作為氧化還原敏感性的地球化學指標。煤形成環(huán)境的氧化條件是相對氧化的條件。在缺氧的海洋環(huán)境中，在還原條件下元素V比Ni更容易有機絡(luò)合而沉淀（Lewan，1984；Arthur and sageman，1994）。Hatch和Leventhal（1992）認為V/（V+Ni）值為＜0.46、0.46～0.60、0.6～0.82、＞0.84分別表示強氧化環(huán)境、氧化環(huán)境、缺氧還原環(huán)境和靜海還原環(huán)境。研究樣品中V/（V+Ni）值在0.36～0.92之間，均值為0.68，整體為缺氧還原沉積環(huán)境，且氧化還原環(huán)境的變化也表明海水影響強度的變化。值的注意的是，DLT-11-0和DLT-11-4樣品的V/（V+Ni）值分別為0.68和0.36，分別指示了缺氧還原環(huán)境和強氧化環(huán)境，這與莓狀黃鐵礦（DLT-11-0，圖3-a）和塊狀黃鐵礦（DLT-11-4，圖3-b）指示的形成環(huán)境一致。

11＃煤層δCe整體呈輕微負異常，為0.88～1.08，均值0.97。Ce3+由于受到氧化作用變?yōu)镃e4+，以CeO2的形式沉淀積累下來，而其他的稀土元素依舊保持+3價，從而造成Ce的虧損，因此δCe的負異常一般作為反映海水影響的重要指標（Murrary et al.，1990；Alibo and Nozaki，1999）。煤層中δCe＜0.5表明煤形成于富氧海水環(huán)境，δCe值在～0.6-0.9之間說明形成于氧化環(huán)境，δCe值在～0.9-1.0說明形成于缺氧環(huán)境（Chen et al.，2015）。因為δCe指示的環(huán)境和煤巖顯微組分中觀察到的黃鐵礦形成條件不符合，所以在這次研究中并未使用δCe異常來指示氧化還原環(huán)境，具體原因還需要進一步研究。

4.3 古泥炭沉積環(huán)境對微量元素富集的影響

古泥炭形成時期的沉積環(huán)境對煤中微量元素的富集有重要的意義，如p H、氧化還原條件、古鹽度和水動力條件及成煤植物影響微量元素的富集（Qin et al.，2020）。將煤層分層中的微量元素含量同樣品中元素最高值進行歸一化處理，得到古泥炭形成環(huán)境與微量元素含量的關(guān)系圖（圖8）。

東露天11＃煤層中富集的元素有Li、Zr和Pb（表3）。從圖8和表5中可以看到，煤中Li元素和Zr元素在煤層中有相對局部富集，主要集中在樣品DLT-11-2、DLT-11-6和DLT-11-10中，其古泥炭沉積環(huán)境為海水、酸性、缺氧—還原、水動力較強、硫含量相對較低的障壁島—潟湖低位沼澤相，這和準格爾—河保偏地區(qū)Li元素富集環(huán)境（Qin et al.，2020）相似。Pb元素也有局部相對富集，主要在分層樣品DLT-11-0、DLT-11-4和DLT-11-8中，古泥炭沉積環(huán)境為海水、堿性、氧化或缺氧、水動力較弱、硫含量相對較高的下三角洲平原低位沼澤相。

表5 利于元素富集的泥炭沼澤環(huán)境Table 5 Paleopeat-forming environments conducive to trace elements accumulation

圖8 寧武煤田東露天煤礦11＃煤層古泥炭沉積環(huán)境與微量元素關(guān)系Fig.8 Relationship between paleopeat-forming environments and trace elements of coal samples in the 11＃coal seam from Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield

元素Nb、Hf、Ta和元素Li、Zr在相同的層位局部富集。Li、Zr、Nb、Ta、Hf和灰分產(chǎn)率相關(guān)性很高（圖9-a至9-e），說明這些元素有很好的無機親和性。這種Li-Zr-Nb-Ta-Hf元素組合可能與堿性火山碎屑有關(guān)（Dai et al.，2010；Arbuzov et al.，2019）。元素Cu、Ga、Ge、Tl和Pb有相同層位的局部富集，并且Cu、Ga、Ge、Tl、Pb和St，d相關(guān)性很高（圖9-f至9-j），而這些元素共同特點為親硫元素，具有最外層電子為8～18之間的過渡型結(jié)構(gòu)，易于極化，并與易極化的硫離子形成共價鍵，將這些元素從堿性咸水（海水）中固定下來形成沉淀。在還原（硫化）水體環(huán)境中，這些元素在水體中和HS-形成絡(luò)合物沉淀，如DLT-11-0和DLT-11-8這2件樣品。同樣，在氧化環(huán)境中硫酸鹽還原菌在氧化還原界面之下的沉積物中不斷地進行還原反應(yīng)，導致局部環(huán)境還原甚至硫化，產(chǎn)生HS-將這些元素絡(luò)合沉淀，如DLT-11-4。稀土元素REY雖然同Pb元素在相同的層位局部富集，但是其富集機理同Pb元素不同，稀土元素REY主要是由于水體環(huán)境為堿性才導致局部富集，這與Qin等（2020）結(jié)論一致。

圖9 寧武煤田東露天煤礦11＃煤層元素相關(guān)性分析Fig.9 Correlation coefficient（R2）between trace elements of coal samples in the 11＃coal seam from Donglutian Coalmine of Ningwu Coalfield

5 結(jié)論

利用煤相參數(shù)、地球化學參數(shù)和礦物學特征對山西寧武煤田東露天煤礦11＃煤層古泥炭沉積環(huán)境進行了詳細的重建，并探討了古泥炭沉積環(huán)境對微量元素富集的影響。

1）東露天煤礦11＃煤層為高硫高揮發(fā)煙煤，富集Li（133.50μg/g）、Zr（198.12μg/g）和Pb（60.76μg/g），輕微富 集Cr、Zn、Ga、Sr、Nb、Hf、Ta、Th、U和REY。

2）東露天煤礦11＃煤層整體受到海侵影響，元素Li、Zr、Nb、Ta和Hf有相同層位的局部富集，具有相似的沉積環(huán)境，即海水、酸性、缺氧—還原、水動力較強、硫含量相對較低的障壁島—潟湖低位沼澤相。

3）元素Pb、Cu、Ga、Ge、Tl和REY同樣具有相同層位的局部富集和相似的沉積環(huán)境，即在海水、堿性、氧化或缺氧、水動力較弱、硫含量相對較高的下三角洲平原低位沼澤相。這是因為Cu-Ga-Ge-Tl-Pb元素共同特點為親硫元素，這些元素在水體中和HS-形成絡(luò)合物沉淀，而稀土元素REY主要是由于水體環(huán)境為堿性才導致局部富集的。

致謝感謝審稿專家提出的寶貴意見和建議。