萍樂坳陷帶中西部煤中微量元素的地球化學特征*

夏小進，胡小娟，涂 瑋，黃 懿，米振華

（江西省煤田地質勘察研究院，江西 南昌 330001）

研究煤中微量元素具有重要的意義。在特定的地質條件下，某些元素在煤及煤灰中可富集達到工業利用的品位，如Ga、Ge、U［1-6］等；其次，煤在燃燒利用過程中，煤中有害微量元素會對環境及人和動物造成影響（如燃煤型As、F中毒）［7］；另外，煤在成煤作用過程中其所含的微量元素的遷移、聚集與分布規律可用來判斷和恢復成煤環境［8］。

本文以萍樂坳陷帶中西部為研究對象，初步研究了煤中微量元素的含量特征，并在數理統計軟件SPSS下分析微量元素與有機質、硫分、灰分之間的相關關系，研究煤中微量元素可能的賦存狀態，并對煤中微量元素進行初步評價，為江西煤的綜合開發和煤炭利用提供參考資料。

1 地質背景

萍樂坳陷帶北部以宜豐—南昌—景德鎮為界，南部以萍鄉—分宜—豐城—進賢—婺源為界，總體呈北東東至北東向延伸的狹長坳陷地帶，是重要的構造成礦帶[9]。

研究區即萍樂坳陷帶中西部處于萍鄉至豐城一帶。研究區內發育地層較為完整，地層從老到新依次為：中元古界雙橋山群，上元古界青白口系、南華系、震旦系，古生界寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系；中新生界三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、第四系；缺失奧陶系、志留系、新近系。其中二疊系龍潭組、三疊系安源組為研究區內主要含煤地層。

2 樣品采取與測試

本次研究主要利用地質鉆孔采樣的樣品，對鉆孔遇到的煤層進行微量元素的測試。在26個礦區井田中，煤層樣品采自主采煤層，共采集煤心煤樣776個，見圖1。

圖1 研究區范圍及采樣位置

將用于地球化學分析的樣品均破碎至200目，煤中P元素用X射線熒光光譜（XRF）測定，檢測極限為0.001%；煤中F元素用離子選擇性電極（ISE）測定，檢測極限為1×10-6；Cl元素用艾士卡混合試劑-硫氰酸鉀滴定法測定，檢測極限為0.001%；其他微量元素（如Ge、Ga、U、As）用電離耦合等離子體質譜（ICP-MS）測定，檢測極限為1×10-6。

3 微量元素的含量及特征

通過煤中微量元素含量及特征情況的研究，評價微量元素的回收利用價值，并為降低有害微量元素含量或去除有害微量元素提供理論依據。因此，對煤中微量元素含量及特征的研究在煤環境地球化學上具有重要意義[10]。

本次主要研究區內主采煤層煤中Ge、Ga、U、Cl、F、P、As等7種微量元素。

各樣品中這些元素的含量范圍、算術平均值、標準差等值見下頁表1所示。

表1表明，區內主采煤層煤中微量元素含量具有以下特點：

1）與中國煤相比，區內主采煤層煤中微量元素平均含量高于中國煤中微量元素的平均含量的有Ga、U、F、P、As等元素， 平均含量低于中國煤中該元素的平均含量的元素有Ge、Cl元素。

2）與世界煤相比，區內主采煤層煤中Ga、U、F、As的平均含量高于世界煤中該元素的平均含量；P元素的平均含量與世界煤中該元素的平均含量相近；Ge、Cl等元素的平均含量低于世界煤中該元素的平均含量，其中Ge元素的平均含量低于世界煤中該元素的平均含量3倍以上。

3）與地殼的平均含量相比，區內煤中Ge、U、As等元素含量偏高，富集系數Ef＞1，其它元素的算術均值接近或低于地殼克拉克值。本區煤中U元素富集系數為11.46，高于地殼克拉克值6倍以上［16］，明顯富集，其他6種微量元素均為正常。

4 煤中微量元素的賦存狀態

通過數理統計軟件SPSS，分析微量元素與顯微組分、硫分、灰分之間的相關關系，探討煤中微量元素可能的賦存狀態。

4.1 微量元素與有機顯微組分的關系

分析煤中微量元素與顯微組分之間的關系對研究微量元素的親和性有重要的意義［17］。本次研究是用回歸分析方法，求得研究區內主采煤層中Ge、U、Ga、Cl、F、P、As等微量元素與煤中顯微組分之間的相關系數如表2所示。

從表2中可以看出，Ge、Ga、F、P、As元素與有機顯微組分相關系數小，均小于0.5，說明他們與有機顯微組分的親和性較差。U與鏡質組的相關系數為0.503，說明U在鏡質組的分布中含量可能較高，有機質的賦存能力較強。Cl與惰質組的相關系數為0.502，有機質賦存能力較強。

4.2 微量元素與硫分的關系

分析區內主采煤層中7種微量元素與全硫、硫酸鹽硫（Ss,d）、黃鐵礦硫（Sp,d）和有機硫（So,d）之間的相關性，探討研究區主采煤層煤中7種微量元素的賦存狀態。相關系數見表3所示。

表2 微量元素與有機顯微組分的相關系數

表3 微量元素與硫分之間的相關系數

由表3中微量元素與硫分的相關系數可知，F元素與Ss，d（硫酸鹽硫）的相關系數為0.364，呈低度相關，表明F元素可能以硫酸鹽硫的形式存在于煤中；P元素與So，d（有機硫）的相關系數為-0.406，呈低度負相關，表明P元素可能以無機硫化物的形式存在于煤中；As元素與Sp，d（黃鐵礦硫）的相關系數為0.358，呈低度相關，表明As元素可能與無機硫相關，且賦存于黃鐵礦硫中。

4.3 微量元素與灰分的關系

本次研究利用煤中微量元素的含量與灰分的相關性分析，探討研究區煤層煤中7種微量元素的賦存狀態［18］。煤中微量元素含量與灰分的相關系數見表4所示。

從表4可以看出，研究區主采煤層煤樣中，7種微量元素中Ge、U、Cl、P、As等元素與灰分之間的相關系數小，基本不相關，表明樣品中這些元素在煤中的賦存狀態比較復雜，既可能以無機態存在，又可能以有機態存在；Ga、F元素與其灰分的相關系數較高，分別為0.793、0.588，表明中Ga、F元素主要以無機態存在于煤中。

表4 微量元素與灰分的相關系數

5 微量元素的初步評價

現對煤中微量元素進行初步的評價，以便對微量元素進行回收利用。

煤中微量元素可劃分為有害和有益兩類，有害元素如As、F、Cl、P等元素，有益元素如Ge、Ga、U等元素［19］，有害微量元素及其限定值對比表如表5所示。

表5 煤中有害微量元素及其限定值對比表單位：（μg/g）

表5給出了區內主要有害元素在地殼沉積圈及本區煤中的含量，列出了煤中有害元素參考限定值，超過該元素參考限定值，使用時可能會引起危害，應加以防治。

由表5可知，本區煤中有害微量元素F、P、Cl的平均含量都低于地殼沉積圈中的平均值，且P、Cl低于參考限定值，在使用中一般不會對環境及人體健康造成威脅，F高于參考限定值，使用時應注意。As元素的平均含量高于地殼沉積圈中的平均值和參考限定值，在使用中可能會對環境及人體健康造成威脅，應加以防治。

有益元素含量及工業邊界品位對照表如表6所示。表6給出了主要有益元素在地殼沉積圈及本區煤中的含量，列出了煤中有用元素的工業邊界品位。

表6 有益元素含量及工業邊界品位對照表單位：（μg/g）

由表6可知，本區煤中有益微量元素的平均含量高于地殼沉積圈中該元素的含量，卻遠低于工業邊界品位值，在現有技術經濟條件下，尚未具備利用價值。

由所收集的7種微量元素的數據可知，部分井田礦區中的微量元素超過工業邊界品位，洪塘礦區中收集了31個Ga元素的樣品數據，其中有8個數據超過工業邊界品位30 μg/g，占數據的40%，其有可能具有工業利用價值，但還需進一步的分析研究。

6 結語

1）與中國煤相比，Ga、U、F、P、As等元素的含量高于中國煤的平均值；與世界煤相比，Ga、U、F、As的平均含量高于世界煤中的平均含量；與地殼的平均含量相比，區內煤中Ge、U、As等元素含量偏高，在煤中的富集系數Ef＞1，且煤中U（11.46）元素明顯富集，其他元素的算術均值接近或低于地殼克拉克值。

2）由煤中微量元素與有機顯微組分、硫分、灰分之間的相關關系可知，U、Cl、P等元素的賦存狀態比較復雜，既可以有機態賦存，又可以無機態賦存；Ge、Ga、F、As等元素主要以無機態賦存于煤中，F元素主要賦存于硫酸鹽硫中，As元素主要賦存于黃鐵礦中。

3）本區煤中有害微量元素F、As元素含量在參考限定值之上，在使用過程中可能會對環境及人體健康造成威脅，應注意防治。

4）本區煤中有益微量元素Ge、Ga、U的平均含量遠低于工業邊界品位值，在現有技術經濟條件下，尚未具備利用價值。

5）宜春洪塘礦區中共收集了31個Ga元素的樣品數據，其中有8個數據超過工業邊界品位30 μg/g，約占數據的40%，其可能具有工業利用價值，還需進一步的分析研究。