山西平朔礦區4＃煤中鎵的分布規律與富集機理＊

劉幫軍 林明月 褚光琛

（河北工程大學河北省資源勘測研究重點實驗室，河北省邯鄲市，056038）

鎵作為分散元素中的一員，本身不單獨形成礦物，也很難形成獨立的礦床，為了得到鎵，現在多從鋁土礦、明礬石礦、鉛鋅礦及煤灰中對鎵進行回收。雖然煤中鎵含量并不高，但內蒙古準格爾煤田超大型鎵礦床的發現，說明鎵在特定的地質條件下也可以伴生成礦。本文以研究區的采樣測試結果為基礎，對山西平朔礦區4＃煤中鎵的分布與富集規律進行了初步探討。

1 地質背景

寧武煤田位于山西省北部，其面積有2761km2，平朔礦區位于寧武煤田北部，占地396km2，其煤炭總儲量達到130 億t。寧武煤田位于寧武向斜盆地之中，盆地西部是呂梁古隆起，東部為五臺山古隆起，北部是陰山古陸，見圖1，盆地的基底是太古界的斜長片麻巖和混合片麻巖。

圖1 研究區晚古生代古地理圖

本區含煤地層包括石炭系中統本溪組、石炭二疊系太原組和二疊系下統山西組。其中區內4＃、9＃和11＃可采煤層均位于太原組。巖性主要由灰白色碎屑巖、深灰色泥巖、煤層及泥灰巖組成，具緩波狀層理及微斜層理，為一套以海陸交互相為主的含煤巖系，其巖相為濱海相、三角洲相、沖積相及泥炭沼澤相，到晚石炭世展現了一個廣闊的濱海沖積平原的古地理景觀。由于距陸緣侵蝕區較近，地殼的沉降幅度與沉積物補償大致平衡，保持了泥炭沼澤的聚煤環境，形成了4＃、9＃和11＃等厚煤層。其中4＃煤層位于太原組頂部，煤層穩定，全區可采，煤層厚2.65～21.33m，平均10.79m。

2 采樣和分析方法

按照 《煤層煤巖采樣方法》 （GB482-2008）和礦區煤層開采的實際情況，在平朔礦區4＃煤中采集了23個煤樣剖面共計142個煤樣。其中，安家嶺、安太堡、井工一礦各采6個剖面，井工二礦由于工作面少，只采了5個煤樣剖面。

用反光顯微鏡測定樣品中顯微煤巖組分含量、鏡質組反射率，采用國家標準GB／T 212-2001對煤樣進行工業分析，用帶能譜儀的掃描電子顯微鏡（SEM-EDX）和X 射線衍射對煤中礦物組成和成分進行了分析，用電感耦合等離子質譜 （ICP-MS）對煤中的鎵等微量元素進行了測定。

本次樣品的測試工作由河北省資源勘測研究重點實驗室和中國煤炭地質總局特種技術勘探中心實驗室共同完成。

3 結果與討論

3.1 煤化學及煤巖學特征

利用熒光顯微鏡 （德國LeicaDM2500P）測定樣品的無礦物基顯微煤巖組分和鏡質組反射率，結果表明顯微煤巖組分以鏡質組為主 （占68.10%），惰質 組 次 之 （占23.80%），殼 質 組 最 低 （占8.1%）。其中，鏡質組基本以基質鏡質體為主，碎屑鏡質體和均質鏡質體次之，結構鏡質體少見。反映了一個過渡相的成煤環境。鏡質組最大反射率為0.69。無機組分占17.40%，其中以粘土礦物居多，其次有硫化物、碳酸鹽類和其他礦物；粘土礦物主要為高嶺石，礦物形態較差，多為碎屑粘土呈層狀、分散狀產出，有的填充于細胞腔中說明泥炭沼澤時期有微弱的水動力環境。

按 《煤炭質量分級標準》 （GB／T15224-2010），4＃煤層屬于高灰分、低硫分、低磷分、中熱值發熱量的長焰煤。

表1 平朔礦區4＃煤剖面樣品中鎵的含量

3.2 鎵的含量與分布特征

用電感耦合等離子質譜 （ICP-MS）對平朔礦區煤樣中的鎵的含量進行了測定，見表1，平朔礦區4＃煤剖面樣品中鎵的平均含量在安家嶺為34.82mg／kg，在安太堡為38.08mg／kg，在井工一礦為34.51mg／kg，在井工二礦為35.38mg／kg。所有樣品中鎵的平均含量為35.70mg／kg。其中剖面JG2-4＃-A 的平均含量最高為68.22mg／kg。

4＃煤中鎵在礦區中的平面分布見圖2。可以看出，平朔礦區4＃煤中鎵的分布大致特征為整體含量較高，局部分布不均勻，礦區中部 （安家嶺露天礦中部、井工二礦東南部）含量較低，北部和西北部（安太堡中部、西北部，井工二礦中部）含量較高。

圖2 平朔礦區4＃煤中鎵含量平面圖

煤層中鎵的含量在剖面上的分布特征是在煤層頂、底板及夾矸中鎵含量一般較高。在煤層中含量表現出中間低，靠近頂、底板高的 “接觸富集”現象，表2以安家嶺煤礦4＃煤中的A 剖面和井工一礦4＃煤中的A 剖面為例說明這種分布規律。在AJL-4＃-A 剖面共采集了9個樣品，鎵的最高含量在底板達69.99 mg／kg，從底板往上含量從38.12 mg／kg 減 少 到 27.76 mg／kg 和15.68mg／kg，在夾矸層鎵含量上升到61.06 mg／kg，再往上又依次下降至最低值11.9 mg／kg，含量然后往上漸升到頂部值為44.75mg／kg。在安太堡和井工一礦也顯示了同樣的分布規律。由于篇幅有限不一一列舉。

把平朔礦區4＃煤中鎵含量的平均值與地殼克拉克值、中國華北石炭二疊紀值、全國算術均值、美國值、世界值進行對比分析，分析結果見表3。結果表明平朔礦區鎵含量平均值是華北值的3倍左右，是全國算數平均值的4倍左右，富集明顯。

表2 4＃煤中鎵含量在剖面上的變化

據統計，截至2012年年底平朔礦區4＃煤層儲量約為17.70億t，根據國家標準，鎵的工業品位邊界為30 mg／kg，如果采用平均含量35.70 mg／kg來計算鎵的儲量，那么平朔礦區4＃煤中的鎵含量約為6.32萬t，根據 《中國主要工業類型礦床規模劃分標準》，可以判斷這是一個大型的鎵礦床。

4 鎵的賦存狀態

目前，關于煤中鎵的賦存狀態的研究還比較少，煤中超常富集的鎵究竟受何種因素影響，其賦存狀態是受有機質控制，還是與無機礦物有關，或者受兩者共同作用，均需要進一步研究。吳國代等對準格爾部分超常富集鎵的煤層進行了分析，認為粘土礦物高嶺石與勃姆石等均可能是鎵的載體。黃文輝和趙繼堯等提出鎵可能置換粘土礦物中部分鋁元素，造成粘土礦物中鎵含量增加，并隨著沉積作用進入到了煤層中。代世峰發現內蒙古準格爾煤田6＃煤中鎵元素平均含量達44.8mg／kg，且認為鎵超常富集的載體為勃姆石。張復新、王立社認為內蒙古準格爾黑岱溝煤中鎵的超常富集與鎵的親鋁性有關。易同生等對貴州凱里下二疊統梁山組煤層柱狀剖面上賦存狀態和地質成因進行了研究，認為鎵的主要地質載體為硬水鋁石。

本次研究發現，平朔礦區4＃煤層中成煤植物很多細胞腔被粘土礦物充填，如圖3顯示的是樣品絲質體被粘土礦物充填，并在鏡下發現了大量形態各異的勃姆石，有蠕蟲狀的見圖4，有串珠狀的見 圖5，這也可能與鎵的富集有關。

表3 4＃煤中鎵與中國、美國、世界值對比 μg／g

通過上述分析，認為平朔礦區4＃煤中鎵元素的富集與粘土礦物關系密切，煤中勃姆石等可能是鎵富集的主要載體。這其中的主要原因是由于鎵和鋁的地球化學性質相似，鎵主要是以類質同象取代鋁而賦存在含鋁的粘土礦物中，如高嶺石、勃姆石等，煤層中鎵的接觸富集現象也正好印證了這一點。

圖3 絲質體被粘土礦物充填

圖4 蠕蟲狀勃姆石

圖5 串珠狀勃姆石

5 鎵的富集機理

5.1 陸源區母巖性質

平朔礦區物源主要有來自北部的陰山古陸、西部的呂梁半島及東南側的五臺島。其中北部的陰山古陸對該區的沉積影響可能更大。物源區母巖主要為中元古帶鉀長花崗巖。中酸性巖中鎵的含量較高，本溪組下段的G 層鋁土礦有較高含量的鎵并主要分布于寧武盆地的NE仰起端。含有鎵元素的大陸物源經長期地表風化、剝蝕、搬運和分選等一系列過程，主要對賦含鎵的礦物、巖石的不斷解離與分解，轉變為不同粒徑的碎屑物質，這些碎屑物或在原地相對聚集，或被搬運至盆地沉積中心方向。

5.2 沉積環境

平朔礦區周緣由于造山作用，自中奧陶世華北整體持續隆升，使古風化殼上本溪組的鐵鋁質粘土層、鋁土礦和炭泥質層暴露地表遭受剝蝕，加之氣候溫暖潮濕、生物繁多，這種環境具有較為強烈的分解能力，能夠將富含鎵的陸源物質鋁土化。寧武盆地當時呈現出北部和呂梁地區相對較高，中東部較低的向東開放的箕狀地勢，使得來自北部和呂梁地區的沉積物 （包括盆地周圍的富含鎵的鋁土礦層）大部分被搬運至盆地中沉積下來，從而使鎵在盆地中相對富集。

5.3 后生淋濾作用

含礦巖系若經過強烈的淋濾作用則中上部的硼元素大量流失，底部硼含量大幅度升高。而平朔礦區北部和西部暴露的本溪組鋁土礦其下段從下至上硼和鎵的含量呈反相關關系，硼自下而上逐漸減少，而鎵逐漸增加。表明改層鋁土礦在后期經過了較為強烈的淋濾作用，而經過后期風化淋濾作用，導致礦層活潑組分流失，穩定組分進而富集，使粘土礦層Al／Si比值增大，鋁土品級得到提高，而鎵則隨鋁的聚集而富集。

6 結論

平朔礦區4＃煤中的鎵明顯富集，整個煤層中鎵含量在8.27～68.22 mg／kg之間，平均含量為35.70mg／kg，超過了工業邊界品味。經計算4＃煤中鎵含量約為6.32萬t，達到了一個大型鎵礦床的標準。但其在整個煤層中的分布不均勻。平朔4＃煤中鎵的富集與粘土礦物 （如高嶺石）有緊密關系，勃姆石可能是鎵的主要載體；平朔4＃煤中鎵的富集主要受陸源區母巖性質，沉積環境和后生淋濾作用等多方面因素的控制，其中陸源區母巖的性質對鎵的含量起主導作用。沉積環境和后生淋濾作用等其他地質作用促進了鎵的富集。

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