攀枝花太平煤礦18號煤層稀土元素地球化學特征

陳柯婷+陳萍+李洋+劉震+曹吉陽+儲成清+韓君珂+劉瑞

摘要：運用ICP-MS檢測并研究了攀枝花太平煤礦18號煤層中煤的稀土元素地球化學特征和賦存狀態，結果表明：太平煤礦18號煤層的18個樣品中La、Ce、Nd、Sm的平均含量高于中國煤均值和世界煤均值，Pr、Gd、Tb、Dy、Er、Tm、Yb、Lu的平均含量低于中國煤均值但高于世界煤均值；18號煤層中的稀土元素主要賦存于煤的灰分中，來源于陸源沉積物。

關鍵詞：稀土元素；地球化學；太平煤礦

中圖分類號：P641.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）2-0135-03

1 引言

煤中稀土元素之間化學性質相似且穩定性高，蘊含了豐富的地質信息，可以作為研究地質成因的地球化學示蹤劑，其在分析巖石成因、物源供給和成煤環境方面具有廣泛的應用[1]。在中高硫煤中，稀土元素不僅對硫而且對其他多種有害元素存在成因聯系，因而了解稀土元素與有害元素在成因上的關系，能為煤的潔凈利用提供一定理論依據[2]。

筆者以攀枝花太平煤礦18號煤層為例，借鑒別人的研究方法通過實驗對比研究18號煤層中稀土元素的地球化學特征，探討了煤中稀土元素的賦存狀態，并利用稀土元素地球化學參數探討了成煤環境對煤中稀土元素富集的影響。太平煤礦位于四川省攀枝花寶鼎盆地，資源豐富，是煤炭開采和煤層氣開發的重要基地，其基本構造為一個北端封閉，向東南傾沒，東緩西陡的不對稱向斜，主采煤層為三疊系上統的大蕎地組。太平煤礦開采煤層的灰分較低，硫分稍高，煤變質程度相對較低，煤類為焦煤。

2 稀土元素地球化學特征

2.1 稀土元素分布特征

按照煤層相對位置從上到下依次選取太平煤礦18個樣品，并對18個樣品的稀土元素、灰分和伴生元素等進行了測試。采用電感耦合等離子體質譜（ICP-MS） 分析了樣品中的稀土元素含量，結果見表1。

從表1中可以看出，太平煤礦18號煤層的稀土元素中La、Ce、Nd、Sm的平均含量高于中國煤均值和世界煤均值。Pr、Gd、Tb、Dy、Er、Tm、Yb、Lu的平均含量低于中國值但也高于世界值。

2.2 稀土元素地球化學參數

結合稀土元素的含量同時采用Masuda（1973）提出的26個球粒隕石平均值（表2）經過計算得出稀土元素的地球化學參數表（表3）

從表3可以看出REE的平均含量為123.75 μg/g，高于世界REE的含量，說明太平礦18號煤層稀土元素的含量比較高，且LREE/HREE的值為7.99，LREE的含量遠遠高于HREE的含量，LREE相對富集而HREE相對虧損。δEu的平均值為0.615，其值小于1說明Eu負異常， δCe的值為0.768，表明Ce負異常，有關研究表明[4]，當沉積物中的Ce虧損時為氧化環境，Eu虧損時也是氧化環境，由此可以判斷當時的成煤環境是氧化環境。煤層中的Ce負異常則可以指示海相沉積環境，Eu負異常主要是來源于陸源碎屑。黃文輝，趙志根等[5，6]認為隨著成煤沼澤中海水影響的減弱，煤中稀土元素的含量是增加的，因此推斷，太平煤礦18號煤層主要是陸相沉積環境，成煤沼澤受到海水的影響不大。

根據表3中灰分與稀土元素含量的數據，作出兩者的關系圖（圖1），并進行線性擬合，研究二者之間的聯系。

由圖1可看出，隨著樣品中灰分含量的逐漸增加，∑REE和LREE含量的變化趨勢幾乎完全相同；而HREE的含量則變化不明顯，只是略有增加。再結合表3中LREE/HREE的值可發現，太平礦18號煤層中的稀土元素主要以LREE為主，∑REE的變化主要是受到LREE含量變化的影響。同時，HREE的含量不隨灰分的增加而發生顯著變化，也說明HREE可能與有機質有較強的親和性。

2.3 稀土元素分布模式

根據表3中的地球化學參數計算結果，可以繪制出稀土元素的分布模式圖（圖2）。

從圖2中可以看出，LREE之間的分餾程度大于HREE，且均有Eu負異常的現象，其中La-Eu段的平均斜率陡于Gd-Lu段。大部分樣品的曲線圖均呈現左高右低的右傾“V”型變化趨勢。樣品18-6、18-10、18-11、18-12、18-14的曲線位于全部曲線的最下方，存在一定的低異常，可能是由于該處受到地下水淋濾或其他因素的影響[7]，使得其中的稀土元素發生遷移，從而影響了稀土元素的分布。

這種分布模式與李大華等[8]對我國西南地區煤中稀土元素進行研究后總結的B型分配曲線相類似，這種分配曲線之間存在的相似性，表明了太平礦18號煤層在成煤過程中成煤環境沒有發生大的變化。

3 討論

3.1 稀土元素的來源和分布

煤中稀土元素具有較強的無機親和性，此外，有機質可以與稀土元素形成絡合物，吳艷艷等[9]認為稀土元素與黃鐵礦有較強的親和性，而與黏土礦物呈負相關。由于成煤環境條件和成煤時期地質構造的影響，變質作用等都會影響稀土元素在煤中的富集。

太平礦18號煤層所在的大蕎地組主要是陸相斷陷盆地中的碎屑巖沉積，在晚白堊世時研究區內有燕山期深成巖漿向上侵入，其引起的地層溫度的變化以及巖漿熱液對18號煤層的變質情況和稀土元素分布產生了一定的影響[10]。

3.2 稀土元素的賦存

根據樣品所測得的其他伴生元素的含量，結合∑REE的含量分析后做出聚類分析樹形圖，可以看出REE與Al高度正相關，與典型陸源碎屑的痕跡元素Cr、Co等正相關，說明18號煤層中的稀土元素主要來源于陸源沉積物中，且主要與煤中礦物質的硅酸鹽部分相結合[11]。

4 結論

（1）太平礦煤礦18號煤層的18個樣品中，∑REE的含量在6.59～281.7 μg/g之間，平均值為123.75 μg/g。La、Ce、Nd、Sm的平均含量高于中國煤均值和世界煤均值，Pr、Gd、Tb、Dy、Er、Tm、Yb、Lu的平均含量低于中國煤均值但高于世界煤均值。

（2）LREE相對富集而HREE相對虧損，隨著灰分含量的增加，∑REE和LREE含量變化趨勢幾乎完全相同，而HREE由于與有機質親和性較強，其含量幾乎沒有變化。

（3）由稀土元素的分布模式圖中各樣品曲線可以看出，LREE之間的分餾程度大于HREE，均有Eu負異常而Ce無異常的現象。這些曲線的相似性，說明在整個18號煤層形成的過程中，物質來源比較穩定，成煤環境并沒有發生大的變化。

（4）太平礦18號煤層中的稀土元素主要來源于陸源沉積物，賦存于煤中灰分中，且主要與煤中礦物質的硅酸鹽部分相結合。

參考文獻：

[1]王中剛，于學元，趙振華.稀土元素地球化學[M].北京： 科學出版社，1989：247～279.

[2]王文峰，秦 勇.煤潔凈過程中有害元素和礦物的分配規律[M].北京：中國礦業大學出版社，2011：44～51.

[3]代世峰.煤中伴生元素的地質地球化學習性與富集模式[D].北京：中國礦業大學（北京），2002.

[4]趙志根，唐修義.中國煤中的稀土元素[J].中國煤田地質，2002，14（sl）：71～75.

[5]黃文輝，楊 起，湯達禎，等.華北晚古生代煤的稀土元素地球化學特征[J].地質學報，1999，73（4） ：360～369.

[6]趙志根，唐修義，李寶芳.淮南礦區煤的稀土元素地球化學[J].沉積學報，2000，18（3） ： 453～459.

[7]曹吉陽，姚多喜，胡永發.攀枝花大寶頂煤礦18號煤層稀土元素地球化學特征[J].安徽理工大學學報（自然科學版），2016，36（2）：11～15.

[8]李大華，唐躍剛，陳 坤，等. 重慶煤中稀土元素的地球化學特征研究[J]. 中國礦業大學學報，2005，34（3）：312～317.

[9]吳艷艷，秦 勇，易同生.貴州凱里梁山組高硫煤中稀土元素的富集及其地質成因[J].地質學報，2010，84（2） ：280～285.

[10]李產林. 四川晚三疊世煤變質問題的研究[J]. 現代地質，1990，4（2）：98～104.

[11]代世峰，任德怡，李生盛. 煤及頂板中稀土元素賦存狀態及逐級化學提取[J]. 中國礦業大學學報，2002，31（5）：349～353.