撫順始新世煤微量元素地球化學(xué)特征研究

朱士飛，曹 磊，3，張谷春，姜堯發(fā)

（1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院，江蘇徐州 221006； 2.中國煤炭地質(zhì)總局煤系礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221006； 3.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116； 4.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221116）

0 引言

我國是煤炭資源大國，煤炭在我國具有非常重要的地位，是基本能源和重要燃料［1-3］。由于煤中微量元素蘊(yùn)含著大量的地球化學(xué)信息，近年來逐漸成成為地化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。煤中微量元素的富集、分布規(guī)律、賦存特征等不僅可以為煤層的形成環(huán)境、區(qū)域演化方式提供有力的證據(jù)［4-7］，為資源開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，還能對(duì)環(huán)境污染問題和地方性疾病問題提供研究依據(jù)［8-10］。故具有非常重要的研究意義。

近年來很多學(xué)者對(duì)煤中微量元素進(jìn)行了研究，王文峰、劉貝、楊建業(yè)等對(duì)煤中微量元素及有害元素進(jìn)行了研究［11-15］，許琪對(duì)煤中伴生元素的聚散進(jìn)行了研究［16］，劉冬娜分別對(duì)大同煤田8 號(hào)煤和2 號(hào)煤微量元素進(jìn)行了研究［17-18］，DAI 對(duì)中國煤中微量元素特征進(jìn)行了研究［19］。雖然已有很多研究成果，但對(duì)撫順始新世煤中微量元素分析較少。故本文以撫順始新世煤為研究對(duì)象，并對(duì)采集的樣品進(jìn)行測試，從而探討撫順始新世煤中微量元素的地化特征。

1 地質(zhì)背景

撫順煤田位于遼寧省撫順市，為一近東西向的不完整向斜，東西長約18km，南北寬約2km，面積約36km2（圖1）。含煤地層為古新統(tǒng)—始新統(tǒng)撫順群，總厚度880～1 050m，自下而上劃分老虎臺(tái)組、栗子溝組、古城子組、計(jì)軍屯組、西露天組和耿家街組6個(gè)組［20］。含煤三層（組），稱為B 組煤、A 組煤、本層煤（主煤層）；B 組煤賦存在老虎臺(tái)組、A 組煤賦存在栗子溝組，本層煤賦存在古城子組。B 組煤厚0.70～27.34m，平均7.52m；A 組煤厚0.26～10.89m，平均3.60m；本層煤厚0.70～97.00m，平均50.00m。本層煤（主煤層）是撫順礦區(qū)的主要煤層，其頂板為油頁巖，底板為粉砂質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖。在撫順煤田的主煤層中，常分布樹脂殘殖煤（琥珀煤）夾層和煤精（燭煤）等特殊成因類型的煤。

圖1 撫順煤田地質(zhì)簡要圖［20］Figure 1 Geological sketch map of Fushun coalfield［20］

2 撫順露天礦主煤層中的微量元素

樣品采自撫順露天礦主煤層的各分層，樣品編號(hào)FS-0～FS-37。對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試（表1），由表1可見，在撫順煤礦主煤層（28個(gè)煤分層）、二個(gè)樹脂殘殖煤夾層、煤精樣品中，除V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn 等元素平均含量高于世界硬煤和中國其它煤的平均值外、其它元素的平均含量都低于世界硬煤和中國其它煤的平均值。

表1 撫順煤礦本層煤樣品中微量元素含量Table 1 Concentrations of trace elements of the main coal seam samples from Fushun mineμg/g

根據(jù)DAI 等方法計(jì)算，在撫順煤礦主煤層28 個(gè)煤分層中，所有元素的富集系數(shù)都小于1.9；貧乏（CC＜0.5）的元素有Y（CC=0.4）、Be（CC=0.3）、Cs（CC=0.3）、Pb（CC=0.3）、Li（CC=0.2）、Sc（CC=0.2）、Zr（CC=0.2）、Mo（CC=0.2）、Hf（CC=0.2）、U（CC=0.2）、Rb（CC=0.1）、Tl（CC=0.094）、W（CC=0.093）、Bi（CC=0.067）、Nb（CC=0.048）、Sb（CC=0.044）；其它元素的含量與世界硬煤的平均值相近（圖2A）。

圖2 撫順煤礦主煤層中微量元素與世界褐煤相比的富集系數(shù)Figure 2 Concentration coefficients of trace elements in the main coal seam from Fushun mine

在2個(gè)樹脂煤夾層（FS-23M、FS-33M）中，富集（5＜CC＜10）的元素是Ni（CC=5.0）；稍微富集（2＜CC＜5）的元素有Cd（CC=3.6）、Cu（CC=3.3）、Cr（CC=2.7）、Zn（CC=2.3）、V（CC=2.0）；貧乏（CC＜0.5）的元素有Li（CC=0.4）、Be（CC=0.4）、Sr（CC=0.4）、Cs（CC=0.4）、Ba（CC=0.4）、Sc（CC=0.2）、Zr（CC=0.2）、Hf（CC=0.2）、Tl（CC=0.2）、U（CC=0.2）、Rb（CC=0.098）、Bi（CC=0.080）、Mo（CC=0.069）、Sb（CC=0.017）、Nb（CC=0.007）、W（CC=0.002）；其它元素的含量與世界硬煤的平均值相近（圖2B）。

在煤精樣品（SF-37）中，富集（5＜CC＜10）的元素有Ni（CC=8.1）、Cd（CC=7.6）、Co（CC=5.3）；稍微富集（2＜CC＜5）的元素有Cu（CC=4.1）；貧乏（CC＜0.5）的元素有Ga（CC=0.4）、Th（CC=0.4）、Sb（CC=0.3）、Ba（CC=0.3）、W（CC=0.3）、Pb（CC=0.3）、Sc（CC=0.2）、Rb（CC=0.2）、U（CC=0.2）、Li（CC=0.1）、Sr（CC=0.1）、Tl（CC=0.1）、Bi（CC=0.055）；其它元素的含量與世界硬煤的平均值相近（圖2C）。

與世界泥巖中微量元素平均值對(duì)比，在7 個(gè)夾矸泥巖中，所有元素的富集系數(shù)都小于1.7；貧乏（CC＜0.5）的元素有Li（CC=0.4）、V（CC=0.4）、Y（CC=0.4）、Th（CC=0.4）、Be（CC=0.3）、Cs（CC=0.2）、Tl（CC=0.2）、Sc（CC=0.1）、Rb（CC=0.1）、Cd（CC=0.1）、U（CC=0.1）、Mo（CC=0.06）、Hf（CC=0.031）、Zr（CC=0.024）、W（CC=0.011）、Nb（CC=0.005）、Sb（CC=0.009）；其它元素的含量與世界泥巖的平均值相近（圖2D）。

上述數(shù)據(jù)顯示，在撫順煤礦主煤層及頂、底板和夾矸泥巖中，Nb、Sb、Bi、Mo、W、Rb 的富集系數(shù)很低，反映沉積源區(qū)巖石中Nb、Sb、Bi、Mo、W、Rb 等元素貧乏。

3 撫順露天礦主煤層中的稀土元素和釔

由表2 可見，在撫順煤礦主煤層（28 個(gè)煤分層）中，稀土元素和釔（REY）含量為5.519～161.794μg/g，加權(quán)平均值為48.27μg/g；在兩個(gè)樹脂殘殖煤夾層中，REY 的含量為60.528～82.624μg/g，加權(quán)平均值為71.58μg/g；在10 個(gè)夾矸分層中，REY 的含量為74.267～374.274μg/g，加權(quán)平均值為204.06μg/g；在煤層頂板中，REY 的含量為98.93μg/g；在煤層底板中，REY 的含量為191.07μg/g；在煤精樣品中，REY的含量為46.755μg/g。

表2 撫順煤礦本層煤樣品中稀土元素和釔（REY）含量（μg/g，煤基）及富集類型Table 2 Concentrations of rare earth elements and yttrium（μg/g，on a whole-coal basis），and enrichment type of the main coal seam samples from Fushun mine

根據(jù)SEREDIN 和DAI 方法計(jì)算，撫順煤礦主煤層（28 個(gè)煤分層）的δEu 為1.06～1.58，平均1.27，銪正異常；δCe 為0.72～1.32，平均1.02，其中10 個(gè)分層鈰負(fù)異常，18 個(gè)分層鈰正異常；兩個(gè)樹脂殘殖煤夾層的δEu 分別為1.23 和1.37，銪正異常；δCe 分別為0.87 和0.97，鈰負(fù)異常；煤精樣品的δEu 為1.41，δCe為1.09，銪和鈰都是正異常；7 個(gè)泥巖夾矸分層的δEu 為1.19～1.50，平均1.32，銪正異常；δCe 為0.69～1.09，平均0.79，其中6 個(gè)泥巖夾矸鈰負(fù)異常；3 個(gè)鐵質(zhì)巖夾矸的δEu 為1.23～1.35，平均1.29，銪正異常；δCe 為0.67～0.91，平均0.79，鈰負(fù)異常；煤層頂板的δEu 為1.22，銪正異常；δCe 為1.07，鈰正異常；煤層底板的δEu 為1.59，銪正異常；δCe 為1.01，鈰無異常。全部樣品都顯示銪正異常，大部分樣品鈰負(fù)異常，少數(shù)分層鈰無異?；蜉p度正異常。

據(jù)表2，28個(gè)煤分層中有24個(gè)分層的LaN/LuN＞1（1.09～5.49，平均2.52），為輕稀土富集型；4 個(gè)煤分層（FS-5、FS-11、FS-14U、FS-17）的LaN/LuN＜1（0.12～0.56，平均0.36），GdN/LuN＜1，為重稀土富集型；樹脂殘殖煤夾層的LaN/LuN＞1，為輕稀土富集型；煤精LaN/LuN＜1，GdN/LuN＞1，為中稀土富集型；10 個(gè)夾矸層中有8 層的LaN/LuN＞1（2.13～11.56，平均7.27），為輕稀土富集型，兩個(gè)分層的LaN/LuN＜1（0.70～0.76，平均0.73），GdN/LuN＞1，為中稀土富集型；煤層頂板的LaN/LuN＜1，GdN/LuN＞1，為中稀土富集型；煤層底板的LaN/LuN＞1，為輕稀土富集型。

在REY 配分模式圖上，28 個(gè)煤層中有4 個(gè)分層（FS-5、FS-11、FS-14U、FS-17）的配分曲線呈大傾角左傾，顯示重稀土富集型特征（圖3B）；24 個(gè)分層的配分曲線形態(tài)右傾，顯示輕稀土富集型特征；FS-35、FS-34、FS-3分層的曲線相對(duì)平緩，位置較低（圖3C，D）；其它大多數(shù)煤分層的配分曲線都表現(xiàn)明顯的Eu 正異常峰和Y 負(fù)異常谷（圖3A，E）；中稀土富集型樣品（煤精等）的REY 配分曲線中段向上隆起（圖3F）；煤中夾矸的配分曲線非常相似或一致，顯示Y負(fù)異常谷（圖3G）；煤層底板泥巖的REY配分曲線與中國玄武巖的REY 配分曲線特征相似（圖3H），表明撫順礦區(qū)煤系下部的玄武巖是主要物源。

4 結(jié)論

1）煤精樣品中，除V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn 等元素平均含量高于世界硬煤和中國其它煤的平均值外、其它元素的平均含量都低于世界硬煤和中國其它煤的平均值。沉積源區(qū)巖石中Nb、Sb、Bi、Mo、W、Rb等元素貧乏。

2）主煤層稀土元素和釔（REY）含量平均值為48.27μg/g；樹脂殘殖煤夾層REY 的含量平均值為71.58μg/g；在10 個(gè)夾矸分層中，REY 的含量平均值為204.06μg/g；在煤層頂板中，REY 的含量為98.93μg/g；在煤層底板中，REY的含量為191.07μg/g；在煤精樣品中，REY 的含量為46.755μg/g。全部樣品都顯示銪正異常，大部分樣品鈰負(fù)異常，少數(shù)分層鈰無異?；蜉p度正異常。

3）28 個(gè)煤分層中有24 個(gè)分層的LaN/LuN＞1，為輕稀土富集型；4 個(gè)煤分層（FS-5、FS-11、FS-14U、FS-17）的LaN/LuN＜1，GdN/LuN＜1，為重稀土富集型；樹脂殘殖煤夾層的LaN/LuN＞1，為輕稀土富集型；煤精為中稀土富集型。煤層底板泥巖的REY 配分曲線與中國玄武巖的REY 配分曲線特征相似，表明撫順礦區(qū)煤系下部的玄武巖是主要物源。