陜西典型礦區(qū)煤系關(guān)鍵金屬元素富集特征及其成因機(jī)制

李 晶，王 園，袁 偉 ,2，莊新國，李寶慶，上官云飛，楊光華，潘 磊

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.內(nèi)蒙古煤炭地質(zhì)勘查(集團(tuán))有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 3.西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，陜西 西安 710100)

關(guān)鍵金屬通常是指稀有金屬(如Li，Be，Nb，Ta，Zr，Hf，Rb，Cs，Sr等)、稀土金屬(REY，即REE+Y)、稀散金屬(Ga，Ge，Se，Cd，Re，Tl等)和稀貴金屬(PEG，Cr，Co等)“四稀”元素。傳統(tǒng)關(guān)鍵金屬礦床資源的日趨緊缺以及關(guān)鍵金屬在新材料、新能源、信息技術(shù)、航空航天等領(lǐng)域需求量的日益增加，使得煤型關(guān)鍵金屬礦床倍受關(guān)注。煤型關(guān)鍵金屬礦床研究現(xiàn)已成為國內(nèi)外煤地質(zhì)學(xué)和礦床學(xué)研究的重要內(nèi)容，也是目前國際礦產(chǎn)地質(zhì)界的前沿問題。除上述關(guān)鍵金屬外，Sc，Ti，V，U，Mo等也是煤系中尋找的主要對(duì)象，煤系中已發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵金屬礦床有鍺礦床、鎵鋁礦床、鋰礦床、稀土礦床、鈾礦床、釩礦床、硒礦床、鈮-鋯-稀土-鎵多金屬礦床等。

陜西省煤炭資源極為豐富，保有儲(chǔ)量位居全國第4位。研究表明，鄂爾多斯盆地各主要煤田石炭—二疊紀(jì)部分煤中高度富集鎵、鋰和稀土元素等關(guān)鍵金屬元素，部分達(dá)到文獻(xiàn)[7,9-14]提出的煤伴生鎵、鋰和稀土元素的工業(yè)品位，是潛在的重要戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，尤其準(zhǔn)格爾煤田石炭—二疊紀(jì)煤中鎵高度富集且成礦規(guī)模達(dá)到大型礦床級(jí)別。陜西部分煤中也富集Ga，Ge，U，V等稀有稀散元素，如黃隴煤田侏羅系煤中Ga和U的異常富集。WANG等在渭北石炭—二疊系煤中發(fā)現(xiàn)了Li-Be-Ga-Zr-Nb-Mo-Sn-W-U元素組合的共富集現(xiàn)象，并將其歸因于同生階段酸性火山灰的影響。QIN等將渭北東坡煤礦煤中Li-Ga富集也歸結(jié)為火山灰的影響。LI等研究了渭北煤田桑樹坪、金華山等煤礦煤中Nb-Ta-Zr-W-Li，Li-Ga-Zr-Hf，Se-Mo-Cr-V-As-Pb等不同關(guān)鍵金屬組合富集的控制因素。在此基礎(chǔ)上，筆者以陜西典型煤田不同成煤時(shí)代煤為研究對(duì)象，開展煤中戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬的時(shí)空分布、含礦品位及富集成因研究，以期推動(dòng)陜西省煤型關(guān)鍵金屬礦床的勘查和發(fā)現(xiàn)。

1 地質(zhì)概況

陜西省煤田主要分布在鄂爾多斯盆地及其邊緣褶皺帶，東南—西北主要包括渭北石炭—二疊紀(jì)煤田、黃隴侏羅紀(jì)煤田、陜北三疊紀(jì)煤田、陜北侏羅紀(jì)煤田和陜北石炭—二疊紀(jì)煤田(圖1)。其中，渭北石炭—二疊紀(jì)煤田緊鄰渭河地塹，處于北東向的大興安嶺—龍門山環(huán)太平洋構(gòu)造帶與北西向的天山—秦嶺古地中海構(gòu)造帶疊加部位的北側(cè)，地殼活動(dòng)比較強(qiáng)烈；賦煤構(gòu)造單元處于渭北斷隆區(qū)南部銅川—韓城斷褶帶，區(qū)內(nèi)褶皺和斷裂均較發(fā)育，斷裂較為突出，且東南部較西北部發(fā)育。

陜西省含煤巖系涵蓋石炭—二疊系太原組，二疊系山西組、三疊系瓦窯堡組及侏羅系延安組，地質(zhì)歷史上成煤環(huán)境復(fù)雜，石炭—二疊系太原組為海陸交互相含煤地層，主要發(fā)育陸表海、海灣—瀉湖沉積體系；二疊系山西組為陸相含煤地層，主要發(fā)育湖泊、河流沉積體系；上三疊統(tǒng)瓦窯堡組屬于大陸盆地沉積，主要發(fā)育湖泊三角洲、湖泊及河流沉積體系；中侏羅統(tǒng)延安組由早至晚依次發(fā)育沖積—開闊湖—沖積—局限湖—沖積體系。

圖1 陜西主要煤田及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of main coalfields and sampling sites in Shaanxi Province

2 樣品與分析方法

選取主要煤田10個(gè)井下煤礦的井下掘進(jìn)工作面進(jìn)行分層刻槽取樣，共采集144件煤分層、頂?shù)装寮皧A矸樣品(圖1)，其中煤樣116件、夾矸樣17件、頂?shù)装鍢?0件(表1)。

對(duì)采集的樣品進(jìn)行逐級(jí)破碎縮分，并進(jìn)行工業(yè)分析、全硫分析和微量元素分析。煤樣的工業(yè)分析和全硫分析分別按照GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》和GB/T 214—2017《煤中全硫測定方法》進(jìn)行；依據(jù)QUEROL等提出的兩步消解法對(duì)樣品進(jìn)行消解后，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測定微量元素含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 煤中關(guān)鍵金屬元素富集程度區(qū)域分布

主要煤田典型礦區(qū)煤樣中Li，Be，Sc，Ti，V，Ga，Ge等關(guān)鍵金屬元素的平均含量(本文含量均指質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表2。依據(jù)DAI等提出的煤中微量元素的富集系數(shù)(CC)，與世界煤中微量元素的平均含量相比，分析煤中關(guān)鍵金屬元素富集的區(qū)域分布特征。

渭北石炭—二疊紀(jì)煤田董東煤礦太原組5號(hào)煤中高度富集Ta(CC>10)，富集Nb(5

表1 煤樣的工業(yè)分析和全硫分析

表2 煤樣關(guān)鍵金屬含量與富集系數(shù)CC

續(xù)表

陜北石炭—二疊紀(jì)煤田府谷礦區(qū)普冉煤礦山西組4號(hào)煤中高度富集Nb和Ta(CC>10)，富集Zr(5

陜北三疊紀(jì)煤田子長礦區(qū)永明煤礦瓦窯堡組3，5號(hào)煤中除Ta的富集(5

陜北侏羅紀(jì)煤田延安組煤中微量元素含量整體較低，僅在張家洼煤礦延安組3號(hào)煤中發(fā)現(xiàn)Ta和Sr的輕度富集(2

黃隴侏羅紀(jì)煤田除銅川陳家山煤礦延安組4號(hào)煤中富集Ta和Sr(5

圖2 關(guān)鍵金屬元素富集系數(shù)Fig.2 Concentration coefficients of trace elements

表3 陜西煤中關(guān)鍵金屬富集程度的區(qū)域分布

3.2 煤系關(guān)鍵金屬富集程度垂向分布

根據(jù)煤樣異常富集關(guān)鍵金屬的富集系數(shù)，初步確定渭北、陜北石炭—二疊紀(jì)煤田太原組和山西組是陜西省煤系Li-Ga-Ta(Nb)-Zr(Hf)-(U-REY)等關(guān)鍵金屬共富集的主要層位。以典型礦區(qū)太原組和山西組的煤層為例，分析關(guān)鍵金屬在煤系中的垂向分布特征。

渭北煤田中部澄城礦區(qū)董東煤礦太原組5號(hào)煤系以Ga-Li-Zr-Ta-Nb及REY共富集為主，靠近頂?shù)装宓拿悍謱又嘘P(guān)鍵金屬含量較高(圖3(a))，且下部煤分層及夾矸(樣品DD-5-12，DD-5-13(P)和DD-5-14，總厚度為0.5 m)中Nb，Ta高度富集(CC>10)，Ga，Zr和REY富集(5

銅川金華山煤礦太原組5號(hào)煤系以Ta-Nb-Li關(guān)鍵金屬組合及REY共富集為主體，垂向上，5號(hào)煤層頂板、中部夾矸及鄰近煤分層中Li，Ga，Nb，Ta和REY含量較高(圖3(b))，其中Nb，Ta高度富集(CC>10)，Li，Ga富集(5

渭北煤田東部韓城礦區(qū)象山煤礦太原組5號(hào)煤系以Li-Ga-Zr-Hf-Nb-(U-REY)關(guān)鍵金屬共富集為特征(圖3(c))。Zr，Hf在鄰近底板的煤分層中含量較高，達(dá)富集—高度富集(CC>5)；Li，Ga和REY在鄰近頂板和底板的煤分層中含量均較高，其中Li，Ga高度富集(CC>10)，REY輕度富集(2

桑樹坪煤礦太原組11號(hào)煤系以Li-Ga-Zr-Hf-U(-REY)關(guān)鍵金屬共富集為特征，且Li-Ga-Zr-Hf-U關(guān)鍵金屬在煤層底板及鄰近夾矸的上部煤分層中含量較高，其中Li在整個(gè)煤分層富集—高度富集(CC>5)，Ga-Zr-Hf-U(-REY)關(guān)鍵金屬元素富集(CC>5)，REY輕度富集(2

桑樹坪煤礦山西組3號(hào)煤系以Li-Ga-REY共富集為特征，且Li，Ga和REY在煤層頂板及下部煤分層中更為富集(圖3(e))，其中Li為富集(CC>5)，Ga和REY為輕度富集(2

陜北石炭—二疊紀(jì)煤田府谷普冉煤礦山西組4號(hào)煤系以Ga-Nb-Ta-W富集為主體，Li和REY共富集為特征(圖3(f))。其中Li，Ga，Zr，Nb在煤層頂板、夾矸及鄰近夾矸上部煤分層中含量較高，Nb為高度富集(CC>10)，Li，Ga，Zr為富集(5

3.3 煤樣灰基關(guān)鍵金屬元素的含礦品位

評(píng)價(jià)煤系中關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)的開發(fā)，要求關(guān)鍵金屬元素要達(dá)到一定的品位和成礦規(guī)模，由于目前煤中戰(zhàn)略性金屬均從粉煤灰中提取。因此，DAI等提出灰基中煤和煤系中部分關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)的開發(fā)利用品位，并指出對(duì)多種金屬共富集的礦產(chǎn)和對(duì)提取技術(shù)要求不高的礦產(chǎn)的品位要求可有所降低。

綜合參考該煤系灰基關(guān)鍵金屬品位標(biāo)準(zhǔn)及《礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范 稀有金屬類》中規(guī)定的伴生LiO及風(fēng)化殼類(Nb,Ta)O和(Zr,Hf)O的邊界品位，對(duì)陜西煤中關(guān)鍵金屬富集層位中關(guān)鍵金屬的含礦品位進(jìn)行評(píng)價(jià)。

渭北石炭—二疊紀(jì)煤系

換算為灰基，澄城董東煤礦太原組5號(hào)煤系中Ga含量最高達(dá)90 μg/g，平均64 μg/g；ZrO最高達(dá)1 763 μg/g，平均1 179 μg/g；NbO最高達(dá)356 μg/g，平均280 μg/g；稀土氧化物(REO)最高達(dá)802 μg/g，平均453 μg/g(表4)。綜合參考灰基中煤系關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)的開發(fā)利用品位以及《礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范 稀有金屬類》，并考慮鋁等多金屬元素的綜合提取利用，該礦區(qū)太原組5號(hào)煤系Ga和Nb達(dá)到工業(yè)利用品位，具重要開發(fā)利用價(jià)值。

圖3 關(guān)鍵金屬含量垂向分布Fig.3 Vertical variations of critical metals enriched

表4 陜西煤系關(guān)鍵金屬灰基平均含礦品位及開發(fā)利用品位標(biāo)準(zhǔn)

銅川金華山煤礦太原組5號(hào)煤系灰基Li含量最高達(dá)299 μg/g，平均178 μg/g；Ga最高達(dá)88 μg/g，平均47 μg/g；NbO最高達(dá)227 μg/g，平均143 μg/g；REO最高達(dá)2 758 μg/g，平均1 040 μg/g，其中REY含量達(dá)DAI等提出的煤系灰基開發(fā)利用品位，具有良好的開發(fā)利用前景。

韓城象山煤礦太原組5號(hào)煤系灰基Li含量最高達(dá)547 μg/g，平均325 μg/g；Ga最高達(dá)112 μg/g，平均65 μg/g；ZrO最高達(dá)為2 298 μg/g，平均685 μg/g；NbO最高達(dá)99 μg/g，平均61 μg/g；U最高達(dá)153 μg/g，平均36 μg/g；REO最高達(dá)1 051 μg/g，平均628 μg/g，綜合考慮鋁及Ga-Li-Zr-Ta-Nb-W多金屬的共富集勘探，Ga含量達(dá)煤系灰基開發(fā)利用品位。

韓城桑樹坪煤礦太原組11號(hào)煤灰基Li含量最高達(dá)2 183 μg/g，平均921 μg/g(LiO平均0.2%)；Ga最高達(dá)446 μg/g，平均106 μg/g；ZrO最高達(dá)2 133 μg/g，平均792 μg/g；REO最高達(dá)1 258 μg/g，平均606 μg/g，其中Li和Ga含量達(dá)工業(yè)利用品位。

桑樹坪煤礦山西組3號(hào)煤灰基Li含量最高達(dá)983 μg/g，平均693 μg/g；Ga最高達(dá)129 μg/g，平均48 μg/g，REO最高達(dá)1 594 μg/g，平均959 μg/g，其中REY含量基本達(dá)煤系灰基工業(yè)利用品位。

煤中關(guān)鍵金屬含礦品位

陜北石炭—二疊紀(jì)煤田府谷普冉煤礦山西組4號(hào)煤灰基Li含量最高達(dá)239 μg/g，平均183 μg/g；Ga最高達(dá)72 μg/g，平均56 μg/g；NbO最高達(dá)454 μg/g，平均215 μg/g；REO最高達(dá)2 451 μg/g，平均724 μg/g。綜合參考灰基中煤系關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)的開發(fā)利用品位以及《礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范 稀有金屬類》，Ga和Nb含量達(dá)工業(yè)利用品位。

結(jié)合陜西石炭—二疊紀(jì)煤系中多種關(guān)鍵金屬元素共富集特征并綜合考慮其綜合勘探和共同提取，渭北石炭—二疊紀(jì)煤田和陜北石炭—二疊紀(jì)煤田府谷礦區(qū)一帶是陜西煤型Li-Ga-Nb-Ta-REY多關(guān)鍵金屬共富集勘探開發(fā)最為有利的潛在靶區(qū)。

3.4 煤中關(guān)鍵金屬元素富集機(jī)制

煤中微量元素的富集往往是多地質(zhì)因素共同作用的結(jié)果。在泥炭化作用階段，陸源區(qū)母巖性質(zhì)、沉積環(huán)境、成煤植物類型、微生物作用、氣候和水文地質(zhì)條件是主要控制因素；在煤化作用階段，煤層頂板沉積成巖作用、微生物作用、構(gòu)造作用、巖漿熱液活動(dòng)和地下水活動(dòng)是主要控制因素。

渭北石炭—二疊紀(jì)煤田和陜北石炭—二疊紀(jì)煤田分別位于鄂爾多斯盆地東南緣的渭北隆起及鄂爾多斯盆地東緣的晉西撓褶帶(圖1)。鄂爾多斯盆地位于華北克拉通西部，其晚古生代的構(gòu)造演化與華北陸塊一致，與興蒙海槽和秦祁海槽的構(gòu)造活動(dòng)緊密相關(guān)，同時(shí)受到特提斯構(gòu)造域和太平洋構(gòu)造域的雙重作用。華北板塊北側(cè)的俯沖作用從寒武紀(jì)末期開始，到晚古生代中期，古陰山褶皺造山帶已大面積隆升并波及到鄂爾多斯地區(qū)北緣，使其隆升形成新的增生造山帶物源供給區(qū)。晚古生代晚期，華北板塊與西伯利亞板塊于索倫山—西拉木倫河一帶對(duì)接，使古亞洲洋海域消失，盆地內(nèi)海退現(xiàn)象明顯，進(jìn)入了以陸相沉積為主的發(fā)展階段。華北板塊南側(cè)的揚(yáng)子板塊于中奧陶世開始俯沖于華北板塊之下，并造成祁連—北秦嶺地區(qū)褶皺并隆起，形成鄂爾多斯盆地南部物源區(qū)。結(jié)合上述區(qū)域構(gòu)造演化史，陜西煤中關(guān)鍵金屬富集明顯受蝕源區(qū)碎屑供給、同沉積火山碎屑輸入及大地構(gòu)造的影響。

渭北石炭—二疊紀(jì)煤田和陜北石炭—二疊紀(jì)煤田府谷煤礦普遍具有Li-Ga-Nb-Ta-REY煤伴生關(guān)鍵金屬組合，尤其在鄰近煤層頂?shù)装搴蛫A矸的煤層中關(guān)鍵金屬更為富集(圖2，3)，且在空間上，除稀土元素外，Li，Ga，Nb，Ta等關(guān)鍵金屬具有與高嶺石和灰分產(chǎn)率相似的垂向分布特征(圖2，3)。由關(guān)鍵金屬與碎屑礦物高嶺石的垂向配置關(guān)系及其在頂?shù)装寤驃A矸中的高含量，推測陜西煤中關(guān)鍵金屬富集的主要來源是碎屑輸入。

AlO/TiO(含量比)是判別物源區(qū)物質(zhì)成分的可靠地球化學(xué)參數(shù)，AlO/TiO在3～8，8～21和21～70，分別指示源巖性質(zhì)為長英質(zhì)組分、中性巖組分和鐵鎂質(zhì)組分。目前，AlO/TiO也廣泛應(yīng)用于碎屑沉積巖及含煤巖系物源性質(zhì)的指示。本文樣品AlO/TiO(表5)主要落入長英質(zhì)—中性巖組分區(qū)域(圖4)，反映了以長英質(zhì)組分為主的物源性質(zhì)。陳全紅等研究認(rèn)為，鄂爾多斯盆地南、北部物源均來自上地殼，均以長英質(zhì)巖石為主，但物源成分及源區(qū)構(gòu)造背景有所差異。綜合物源研究指示，鄂爾多斯盆地在晚古生代期間具有南北雙向物源，并在延安—環(huán)縣—富縣—宜川一帶交匯，交匯區(qū)以北物源主要來自華北北緣的陰山古陸，以南物源主要來自秦—祁造山帶。晚石炭世—早二疊世，華北克拉通整體處于南高北低的古地理格局，祁連—北秦嶺造山帶為華北南源提供了主要物源；早二疊世—中二疊世，華北克拉通整體發(fā)生了大規(guī)模北升南降的構(gòu)造轉(zhuǎn)換過程，且在石盒子組沉積期間構(gòu)造轉(zhuǎn)換已完成，因此，華北北緣隆升剝蝕的物源在石盒子期已能夠到達(dá)華北南緣地區(qū)。綜上，石炭—二疊紀(jì)聚煤期，渭北含煤巖系的物源主要來自南部的祁連—北秦嶺古陸，而陜北煤系的物源主要來自于北部的陰山古陸。

許多學(xué)者曾發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田黑岱溝、官板烏素、哈爾烏素、布爾陶亥等煤礦區(qū)以及大青山煤田阿刀亥、海柳樹煤礦、山西平朔煤礦區(qū)石炭—二疊紀(jì)煤中存在Li-Ga-REY的共富集特征。對(duì)這些煤中關(guān)鍵金屬富集成因的研究表明，Ga，Al，Li富集的主要來源為陰山古陸的過鋁質(zhì)花崗巖和本溪組風(fēng)化殼鋁土礦。來自于盆地北部陰山古陸中元古代花崗巖中富鋁、鎵、鋰的陸源碎屑經(jīng)長期地表風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)和分選等過程，直接進(jìn)入含煤盆地或初步富集于盆地北偏東隆起區(qū)的斜坡沉積帶的上石炭統(tǒng)本溪組風(fēng)化殼，使該風(fēng)化殼鋁土礦成為盆地北部上述石炭—二疊紀(jì)煤中Li，Ga，REY等關(guān)鍵金屬富集的直接來源；而煤中Ga，Al，Li的主要載體礦物為勃姆石(或硬水鋁石)、磷鋁鍶石、高嶺石等鋁土礦風(fēng)化降解形成的含鋁礦物。

與上述富Li-Ga-REY的石炭—二疊系煤層類似，在陜北石炭—二疊紀(jì)煤田及渭北石炭—二疊紀(jì)煤田煤系地層底部，特別是在本溪組與奧陶系的灰?guī)r接觸處均發(fā)育鋁土巖或鐵質(zhì)風(fēng)化殼-山西式鐵礦，而且在本溪組底部的鋁土巖、泥巖中普遍含有鮞狀鐵質(zhì)結(jié)核。但鋯石年代學(xué)研究結(jié)果表明，華北陸塊北部與南部本溪組的物源不屬于同一物源，北部本溪組物源來自于陰山古陸，南部本溪組物源來自于秦嶺造山帶。同時(shí)，在陜北石炭—二疊紀(jì)煤田普冉煤礦及渭北石炭—二疊紀(jì)煤田富Ga-Li-REY煤中也發(fā)現(xiàn)了高嶺石及由高嶺石降解形成的勃姆石、硬水鋁石等礦物。由此推測，陜北石炭—二疊紀(jì)煤田與渭北石炭—二疊紀(jì)煤田盡管物源區(qū)不同，但煤層中Li，Ga，REY等關(guān)鍵金屬富集的成因類似。石炭—二疊系煤中關(guān)鍵金屬的富集與華北地臺(tái)沉積基底及本溪組古風(fēng)化殼密切相關(guān)，其富集過程主要由盆地周緣蝕源區(qū)古風(fēng)化殼黏土質(zhì)和鋁土質(zhì)碎屑物質(zhì)經(jīng)水系搬運(yùn)進(jìn)入泥炭沼澤，通過有機(jī)質(zhì)與無機(jī)質(zhì)相互作用而富集；來自于蝕源區(qū)古風(fēng)化殼鋁土礦的富Li，Ga，REY的碎屑物質(zhì)由水系搬運(yùn)至泥炭沼澤，經(jīng)復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)-無機(jī)質(zhì)相互作用最終富集于煤層中。

表5 陜西典型礦區(qū)煤系樣品Al2O3與TiO2含量

圖4 陜西主要含煤巖系A(chǔ)l2O3-TiO2二元圖解Fig.4 Diagram of Al2O3 versus TiO2 of the coal-bearingstrata in Shaanxi Province

除Li，Ga，REY外，陜西石炭—二疊紀(jì)煤中還富集Nb，Ta，Zr，Hf等關(guān)鍵金屬。Nb，Ta，Zr，Hf等關(guān)鍵金屬元素均為高場強(qiáng)元素，地球化學(xué)性質(zhì)相似、不太活潑，通常共生，一般來自深源堿性巖；我國鈮鉭和鋯鉿礦床一般與鋁質(zhì)花崗巖(過鋁和準(zhǔn)鋁)、花崗偉晶巖、堿性-過堿性花崗巖和碳酸巖有關(guān)，在空間上主要分布于環(huán)太平洋構(gòu)造域、特提斯構(gòu)造域、古亞洲洋構(gòu)造域以及揚(yáng)子板塊和華北克拉通邊緣。鄂爾多斯盆地位于華北克拉通西部，晚古生代的構(gòu)造演化同時(shí)受到特提斯構(gòu)造域和太平洋構(gòu)造域的雙重作用，大地構(gòu)造位置上與我國鈮鉭和鋯鉿礦床的空間分布一致。此外，前人研究認(rèn)為，在華北石炭—二疊系煤中廣泛發(fā)育有高嶺石火山灰蝕變黏土巖層(Tonstein)，其厚度和層數(shù)由北西向南東逐漸降低。國內(nèi)外不同地質(zhì)時(shí)代的含煤巖系中，分布廣泛的火山灰蝕變黏土巖夾矸的原始物質(zhì)大部分是同沉積的酸性和中酸性火山灰。WANG等在渭北煤田太原組煤中發(fā)現(xiàn)了高溫石英和鋯石，證實(shí)晚石炭世聚煤期酸性火山灰碎屑物質(zhì)的輸入，認(rèn)為這些火山碎屑物質(zhì)對(duì)煤中Zr，Nb，W，Li，Ga等關(guān)鍵金屬的富集也具有重要影響。秦國紅在渭北石炭—二疊紀(jì)煤田含煤巖系中發(fā)現(xiàn)了鋯石-磷鋁鍶石-高溫石英-磷灰石(六邊形)-蠕蟲狀高嶺石，證實(shí)在鄂爾多斯盆地南部石炭—二疊系煤中有同沉積火山灰物質(zhì)的輸入。筆者在陜北石炭—二疊紀(jì)煤田普冉煤田山西組煤中發(fā)現(xiàn)火山灰蝕變成因的蠕蟲狀高嶺石，說明陜北早二疊世聚煤期火山灰碎屑物質(zhì)的輸入。因此，陜西石炭—二疊系煤中Li-Ga-Nb-Ta-REY關(guān)鍵金屬組合的富集主要受蝕源區(qū)古風(fēng)化殼鋁土質(zhì)碎屑供給的影響，部分也受同沉積火山灰碎屑輸入的影響；Nb，Ta，Zr，Hf的富集同時(shí)受大地構(gòu)造影響。

4 結(jié) 論

(1)陜西煤炭資源分布廣泛，同時(shí)涵蓋石炭—二疊系、三疊系及侏羅系含煤巖系。研究表明，煤中關(guān)鍵金屬主要富集于石炭—二疊系煤中，在渭北及陜北石炭—二疊紀(jì)煤田太原組和山西組煤中普遍存在Li-Ga-Nb-Ta-REY關(guān)鍵金屬組合的共富集特征，且鄰近夾矸和頂?shù)装宓拿合抵嘘P(guān)鍵金屬更為富集。

(2)陜西石炭—二疊系煤系的物質(zhì)來源不同，但煤中關(guān)鍵金屬富集的成因類似。陜北石炭—二疊系煤系的主要來源為北部的陰山古陸及本溪組古風(fēng)化殼鋁土礦，而渭北石炭—二疊系煤系的主要來源為南部的祁連—北秦嶺古陸及古風(fēng)化殼鋁土礦。但煤中關(guān)鍵金屬的富集均與華北地臺(tái)沉積基底及本溪組古風(fēng)化殼密切相關(guān)，其富集過程主要由盆地周緣蝕源區(qū)古風(fēng)化殼黏土質(zhì)和鋁土質(zhì)碎屑物質(zhì)經(jīng)水系搬運(yùn)進(jìn)入泥炭沼澤，通過有機(jī)質(zhì)與無機(jī)質(zhì)相互作用富集于煤層中。除受蝕源區(qū)古風(fēng)化殼鋁土質(zhì)碎屑供給的影響外，陜西石炭—二疊系煤中關(guān)鍵金屬的富集同時(shí)受同沉積火山灰輸入及大地構(gòu)造的部分影響。

(3)考慮陜西石炭—二疊紀(jì)煤系中多種關(guān)鍵金屬元素共富集特征及其綜合提取利用，煤系中Ga，Li，Nb等關(guān)鍵金屬可達(dá)工業(yè)利用品位，REY在桑樹坪和金華山礦區(qū)也達(dá)工業(yè)利用品位，具有良好的開發(fā)利用前景。渭北石炭—二疊紀(jì)煤田大部分礦區(qū)及陜北石炭—二疊紀(jì)煤田府谷礦區(qū)一帶的石炭—二疊紀(jì)煤系可作為陜西煤型關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)開發(fā)利用的首選靶區(qū)。

感謝西班牙環(huán)境評(píng)價(jià)與水資源研究所Xavier Querol團(tuán)隊(duì)在樣品測試過程中提供的幫助。