鄂爾多斯盆地南北緣煤中金屬異常富集成因對比

寧樹正， 黃少青， 劉 亢， 秦國紅， 周云飛， 張 莉， 范玉須，郭愛軍，袁建江

(1.中國煤炭地質總局 勘查研究總院，北京 100039;2.河北師范大學，河北 石家莊 050010;3.山西能源學院，山西 晉中 030600)

煤是一種具有特殊的還原障和吸附障性能的有機巖，在特定的地質條件下可以富集鎵(Ga)、鍺(Ge)、鋰(Li)、稀土元素(REY)等關鍵金屬元素，其經濟價值甚至遠遠超過煤炭本身，而且從原煤中(或煤灰)提取這些元素時通常不會增加多余成本，也會減低對環境的污染，因此，加強煤中金屬元素的研究對于煤炭行業轉型和資源優化配置具有重要意義。目前，我國已發現的煤系中金屬礦床類型眾多，各具特定的成礦地質環境，然而，對于不同地區、不同類型的煤中金屬元素分布和富集成因的異同與聯系缺乏系統的研究和解剖，阻礙了煤系關鍵金屬富集成礦理論的進一步發展，也不利于預測和指導煤系中金屬礦床的勘探和開發。

鄂爾多斯盆地是我國重要的能源盆地之一，煤炭資源豐富，前人對煤中金屬元素分布已進行了研究，盆地煤中金屬元素的富集主要集中在盆地的南北緣。富集特征方面，DAI等發現黑岱溝煤中Ga元素主要富集在6煤中部；吳國代等發現黑岱溝煤中Ga元素主要富集在6煤頂底板；張有河等研究了準格爾煤田西南部山西組4煤、太原組6煤夾矸及頂底板稀土元素的分布，探討了其沉積環境和物源；趙存良發現黃隴煤田等侏羅紀煤中Ga元素含量也較為富集；秦國紅等發現，鄂爾多斯盆地西緣石炭—二疊系煤中Li，Ga，REY含量較侏羅系明顯偏高。賦存狀態方面，代世峰等發現準格爾煤田Ga在煤中的主要賦存載體為勃姆石，認為準格爾煤田煤中Li主要賦存于黏土礦物中；WANG等認為，哈爾烏素礦90%煤中F賦存于有機質和硅鋁酸鹽中；崔曉南等認為，渭北煤田韓城下峪口礦二疊紀主采煤層及其頂底板中的稀土元素與灰分中Fe的相關系數大于0.5，其賦存狀態與黃鐵礦有共生的可能性；杜芳鵬認為渭北石炭二疊系煤中Li呈高度富集，主要賦存在黏土礦物中，少量Li和U可能以有機態賦存。富集成因方面，雒昆利等認為，韓城礦區煤中S的形成與成煤物質及煤層形成時期的泥炭沼澤環境密切相關；代世峰等指出，哈爾烏素煤中稀土元素主要來自本溪組風化鋁土殼，以及后期成巖過程中地下水從夾矸中的淋濾作用；黃婷等發現保德楊家灣勘查區中8號煤Ga較為富集，弱還原環境為Ga元素的有利沉積環境；金喆發現低位沼澤中哈爾烏素6煤Li元素含量更高；楊寧認為強還原性的海水環境為Li，Be，F，Ni，U等元素的有利沉積環境；黃少青等認為盆地東緣河東煤田物源主要來自于北部的陰山古陸，且元素搬運距離是控制該煤田煤中Li，Ga，Al等元素含量分布的因素之一。

與鄂爾多斯盆地北緣相比，前人對盆地南緣煤中元素地球化學相關研究相對薄弱，南北兩緣煤中戰略性金屬富集的元素種類、賦存狀態存在明顯不同，南北緣的煤巖特征及成煤環境、地質構造及演化、熱事件等均有明顯差異。筆者在收集整理以往研究數據基礎上，補充采樣測試，分析南北緣煤中金屬元素富集差異，通過鄂爾多斯盆地南北緣煤巖特征、礦物特征、成煤環境等方面對比，探討差異成因，分析不同地質因素、地球化學環境等對煤中金屬元素分布及賦存狀態的影響及控制。

1 區域地質背景

鄂爾多斯盆地處于華北克拉通西部，盆地內部構造簡單，環繞盆地發育一系列新生代斷陷盆地，包括北緣的河套地塹、南緣的渭河地塹、東側的汾河地塹與西緣的銀川地塹等(圖1)。盆地北緣沿溫都爾廟—索倫—西拉木倫縫合帶一線展布，北緣的古亞洲洋(索倫—西拉木倫洋盆)主要在晚二疊世閉合，北部發生海陸轉換，表現為一向西南傾斜的單斜構造，基底由中、下太古界到元古界多套變質巖系所組成，并在晚二疊世全部轉為陸相沉積。盆地南緣渭北隆起與渭河地塹相鄰，在寒武紀—早奧陶世伸展，形成被動大陸邊緣，并在中奧陶世開始發生構造轉換。西南緣在中、晚三疊世之交也發生了構造環境的急劇變化，形成一系列斷層相關褶皺背斜帶。盆地地層發育較為廣泛，太古界、元古界、古生界、中生界、新生界地層均有出露。

2 樣品采集與測試

2.1 樣品采集

對鄂爾多斯盆地從北向南依次研究的煤田為:準格爾煤田、黃隴煤田和渭北煤田(圖1)。盆地北緣的準格爾煤田主要采集樣品在黑岱溝煤礦和哈爾烏素煤礦，主采煤層為太原組6煤。南緣為黃隴煤田和渭北煤田，其中，黃隴煤田主要采集樣品在建莊礦和黃陵煤礦，主采煤層分別為侏羅紀4煤和2煤，而渭北石炭—二疊紀煤田主要采集樣品在西固煤礦、象山煤礦、下峪口煤礦和桑樹坪煤礦，主采煤層為太原組(5煤)和山西組(2煤和3煤)，位于太原組頂部的5號煤在全區分布穩定。

2.2 測試方法

樣品采集嚴格依據《煤層煤樣采取方法》(GB/T 482—2008)，分布在盆地南北緣準格爾煤田、黃隴煤田和渭北煤田3個煤田、9個礦井。樣品測試在中國煤炭地質總局煤系礦產資源重點實驗室完成，采集的樣品進行煤的工業分析、灰成分分析、巖石薄片鑒定、微量元素測試、X射線衍射。工業分析測試依照GB/T 30732—2014，全硫分析依照國標GB/T 215—2003。煤巖樣品粉碎篩分至200目(0.074 mm)進行元素分析、X衍射分析。煤灰成分測試依照國標GB/T 1574—2007，將煤巖樣品進行高溫灰化(815 ℃)，測試其中主量元素氧化物含量(本文含量均為質量分數)。微量元素采用激光耦合等離子質譜分析(ICP-MS)。C，H，N含量采用CTCH500碳氫化合物分析儀測試。煤巖組分鑒定采用顯微鏡Leica-BMRXP完成，分類及命名依照GB/T 15589—2013，全巖掃描范圍為5°～50°。

圖1 采樣煤田分布平面示意Fig.1 Geological ketch map of sampling coalfield

3 結果及分析

3.1 煤中微量元素和稀土元素富集特征

煤中微量元素富集特征

煤中微量元素測試結果見表1。筆者采用代世峰等提出的富集系數(CC，煤中微量元素含量/世界煤中微量元素含量)對研究區煤中微量元素富集特征進行分析。

盆地北緣準格爾煤田煤中Li元素含量為0.06～166.30 μg/g，平均67.10 μg/g；Zr元素含量為70.5～537.4 μg/g，平均175.2 μg/g；Hf元素含量為2.0～14.4 μg/g，平均5.9 μg/g。與世界煤相比，準格爾煤田煤中有Li，Zr，Hf元素表現為富集(5

表1 鄂爾多斯盆地南北緣煤中微量元素含量

圖2 鄂爾多斯盆地南北緣煤中微量元素的富集系數Fig.2 Concentration coefficients (CC) of trace elements in coals from the north and south margin of Ordos Basin

煤中稀土元素富集特征

稀土元素研究采用REY三分法，分為輕稀土元素(LREY:La，Ce，Pr，Nd，Sm)、中稀土元素(MREY:Eu，Gd，Tb，Dy，Y)和重稀土元素(HREY:Ho，Er，Tm，Yb，Lu)。

以上地殼(UCC)數據為標準，根據Seredin-Dai的分類方法和標準，對研究區稀土元素含量數據進行標準化，用La，Sm，Gd和Lu的標準化比(L型：La/Lu>1；M型：La/Sm<1且Gd/Lu>1；H型：La/Lu<1，其中La，Lu，La，Sm，Gd為元素上陸殼(UCC)標準化值)將稀土元素的富集類型劃分為輕、中、重3類。

盆地北緣準格爾煤田煤中REY含量在7.986～122.500 μg/g，平均60.63 μg/g(表2)，略低于世界煤中REY均值(68 μg/g)。準格爾煤田煤中La/Lu在0.70～9.28，平均為2.50，以輕稀土富集型為主；從圖3(a)可以看出，分布曲線整體向右傾斜，Eu=0.36～1.04，平均0.73，Eu顯示負異常；Ce=0.36～1.04，平均0.73，Ce顯示負異常；Y=0.57～0.92，平均0.79，Y顯示輕微負異常。

盆地南緣渭北煤田煤中REY含量在21.44～153.04 μg/g，平均值達74.02 μg/g，超過世界煤中REY均值(68 μg/g)。渭北煤田煤中La/Lu在0.38～1.00，平均0.73，以重稀土富集型為主；從圖3(b)可看出，Eu=0.78～1.05，平均0.94，Eu顯示輕微負異常；Ce=0.63～1.62，平均0.94， Ce顯示輕微負異常；Y=0.94～1.18，平均1.02，無Y異常。

表2 鄂爾多斯盆地煤中稀土元素地球化學參數

圖3 鄂爾多斯盆地煤田樣品上地殼標準化稀土元素分配模式Fig.3 Chondrite-normalized REY patterns in Ordos Basin coal samples

盆地南緣黃隴煤田煤中REY含量在9.09～192.1 μg/g，平均52.12 μg/g，低于世界煤中REY均值。黃隴煤田煤中La/Lu在0.70～1.65，平均0.91，以中稀土富集型為主；從圖3(c)可看出，Eu=1.06～3.82，平均1.58，Eu顯示正異常；Ce=0.67～1.03，平均0.86， Ce顯示輕微負異常；Y=0.78～1.18，平均1.04，無Y異常。

南北緣差異特征對比

與世界煤均值相比，盆地北部準格爾煤田煤中Li，Zr，Hf富集，Be，Ga，Sr，Nb，Pb，Th輕度富集，盆地南部黃隴煤田煤中Sr和Ba輕度富集，渭北煤田煤中Li富集，Ga，Zr，Nb，Cs，Hf，Ta，Pb，Th輕微富集。

盆地煤中Ga元素總體上呈北高南低的趨勢，在準格爾煤田、渭北石炭—二疊紀煤田含量較高，所采煤樣Ga含量平均值分別為10.6，13.0 μg/g，在黃隴等侏羅紀煤田含量下降，平均值為5.2 μg/g。Li含量也在準格爾煤田、渭北石炭—二疊紀煤田出現富集，樣品含量平均值分別為67.1，56.8 μg/g，在黃隴等侏羅紀煤田含量較低，平均值為13.4 μg/g。煤中稀土元素(REY)在發育石炭—二疊紀煤系的煤田中REY含量較高，而在以侏羅紀煤系為主的煤田中REY含量急劇降低。在準格爾煤田均值為200 μg/g，而在盆地南部渭北石炭—二疊紀煤田中，含量相對降低，最高值約160 μg/g。

3.2 煤巖顯微組分與礦物特征

煤巖顯微組分

盆地北緣準格爾煤田太原組煤層的鏡質組最大反射率()為0.46%～0.93%，主要為長焰煤，在煤田的西部隨著煤層深度的增加，煤的變質程度逐漸增高，預測煤田1 000 m以深的主體煤類以氣煤為主。準格爾煤田太原組煤層中的有機組分主要是惰質組和鏡質組成分，礦物組成以黏土礦物為主，硫化物次之(圖4(a))。

圖4 鄂爾多斯盆地南北緣反射光顯微組分Fig.4 Macerals under the reflected light microscopy of Ordos Basin

盆地南緣渭北石炭—二疊紀煤田主要可采煤層鏡質組最大反射率為1.63%～2.12%，屬于較高變質煙煤，煤類以貧煤、貧瘦煤、瘦煤為主。垂向上，上部煤層的揮發分通常比下部煤層高；煤層中的顯微組分主要為鏡質組分，惰質組分次之，黏土礦物是煤中的主要礦物，山西組煤層中還含有碳酸鹽礦物(圖4(b))。

盆地南緣黃隴煤田的最大鏡質組反射率為0.51%～0.88%，屬于低變質煤，煤類主要是長焰煤—氣煤，從煤田的東北部到煤田的西南部，煤的變質程度逐漸降低，惰質組與鏡質組是煤中主要的顯微組分，礦物以黏土礦物和碳酸鹽礦物為主(圖4(c),(d))。

盆地北緣準格爾礦區顯微組分均以鏡質組為主，含量高于惰質組。山西組的鏡質組含量(均值分別為67.0%和64.8%)較太原組(均值分別為65.6% 和 62.8%)略高。渭北石炭—二疊系煤的顯微組分以鏡質組為主，平均含量74.7%；惰質組次之，含量均值25.3%。黃隴煤田侏羅系煤中顯微組分以惰質組為主，均值53.2%；鏡質組次之，均值38.3%，凝膠化作用強度較低，成煤時泥炭沼澤的覆水深度較淺。

礦物特征

盆地北緣準格爾煤田石炭—二疊系煤中礦物主要以黏土礦物、含鋁氧化物和氫氧化物等為主。勃姆石和一水硬鋁石被認為是由沉積源區風化殼鋁土礦有關的膠態鋁質凝膠或溶液形成的。本研究在準格爾盆地富鎵、鋰煤中發現豐富的方解石晶體，以裂隙填充及自生形態為主。

盆地南緣渭北石炭—二疊系象山5煤、桑樹坪3號煤中礦物主要以石膏、高嶺石、方解石、黃鐵礦、磷灰石和銳鈦礦等為主。其中，在該區還發現不規則形狀的碎屑石英和蠕蟲狀高嶺石。礦物形態特征顯示了火山灰輸入含煤地層特征(圖5，6)。

圖5準格爾煤田煤中的硅酸鹽礦物掃描電鏡圖像(成像方式:高真空二次電子成像(ETD )) Fig.5 SEM images of silicate minerals in coal of Jungar coalfield (ETD)

圖6 渭北煤田煤中的其他礦物(磷酸鹽礦物、硫化物礦物等)掃描電鏡圖像(成像方式:高真空二次電子成像(ETD))Fig.6 SEM and spectrum images of other minerals(phosphate mineral，sulfide mineral，et al.) in coal of Weibei coalfield (ETD)

4 異常富集主控地質因素

4.1 源區母巖

由于AlO/TiO(含量比，下同)在沉積物和在源巖中的比值相似，通常用來指示煤礦床源巖的有效指標，來源于鐵鎂質、中性和長英質火山巖的源巖AlO/TiO分別為3～8，8～21和21～70。然而，在運用該比值反映物源時需要慎重，因為Al和Ti可能在成巖或后生階段發生遷移。如在松藻煤中發現了再沉積的含Ti礦物，在澳大利亞煤中發現有富Al熱液侵入到煤層，發生沉淀。但在本研究的鄂爾多斯盆地南北部，未發現發生再沉淀或淋濾的富Ti礦物，也未發現后生成因的高嶺石，所以AlO/TiO可作為反映研究區煤層的物源指示劑。盆地北部和盆地南部AlO/TiO在8～70，表明源巖為中性-長英質物質(圖7(a))。

圖7 鄂爾多斯盆地南北部煤中Al2O3和TiO2,Zr/TiO2 和Nb/Y關系Fig.7 Relations between Al2O3 and TiO2， Zr/TiO2 andNb/Y for the coal benches in the north and south Ordos Basin

Zr/TiO，Nb/Y(含量比，下同)可分別用來指示巖漿的酸性和堿性程度，為進一步識別原始巖漿類型繪制了Nb/Y-Zr/TiO分布(圖7(b))，研究區大部分樣品落入中性-長英質火山巖區域，即中性-長英質火山巖向鄂爾多斯盆地南北部提供了大量的陸源碎屑。

稀土元素化學性質穩定，部分稀土元素異常(如Ce，Eu，Gd等)可用來指示含煤盆地的沉積源區。盆地北部準格爾煤田煤樣與陰山古陸鉀長花崗巖、本溪組鋁土礦配分模式相似，均表現為輕稀土元素富集，具有明顯的Eu負異常，表明其源巖為陰山古陸鉀長花崗巖和本溪組鋁土礦。而盆地南部渭北煤田煤樣表現出與秦嶺古陸中性-長英質火山巖相似的稀土元素配分模式，均為稀土元素分異不明顯，Eu表現為輕微的負異常，表明其物源來自秦嶺古陸。需要說明的是，研究區盆地南部黃隴煤田表現出的明顯Eu正異常是由于煤樣中高含量Ba引起ICP-MS檢測的Eu被高估造成的。

4.2 沉積環境

Sr/Ba(含量比，下同)表示煤和其他沉積巖沉積環境的有效指標。一般地，Sr/Ba>1，受海水影響；Sr/Ba<1，受淡水影響。此外，Sr/Ba和灰分的負相關性通常也能反映受淡水影響的碎屑物質的輸入程度。盆地北部準格爾煤田煤中Sr/Ba為0.07～7.78，均值為3.49，Sr/Ba-具有較小的相關性，表明其主要受海水影響(圖8)。盆地南部渭北煤田煤中Sr/Ba為0.60～6.25，均值為2.77，Sr/Ba-具有較小的相關性，表明該區成煤過程中也主要受海水影響。盆地南部黃隴煤田煤中Sr/Ba為0.60～1.17，均值為0.78，表明該區成煤過程中主要受淡水影響。

圖8 鄂爾多斯盆地南北部煤中Sr/Ba和灰分關系Fig.8 Relationship between Sr/Ba and ash yield for coalbench samples from the north and south Ordos Basin

4.3 富集成因模式探討

(1)盆地北緣——陰山古陸陸源碎屑供給-泥炭形成環境復合型。

該模式中，構造較為不發育，物源是煤中微量元素富集的主體因素，泥炭形成環境的微變化，使煤的不同分層中元素含量產生差異。

準格爾煤田煤的主要物源為陰山古陸中元古代鉀長花崗巖和本溪組風化殼鋁土礦，由于源巖的碎屑物質供給，準格爾煤田煤中元素含量總體偏高，與世界煤中微量元素含量均值相比，Li，Zr，Hf呈富集狀態。該區成煤過程中受一定程度的海水影響，泥炭形成環境的微變化，包括氧化還原條件、水動力條件、古植物類型、古鹽度、pH值等，導致不同煤分層中元素含量的差異性。成煤植物為楔葉類植物，形成于相對酸性、半咸水影響、水動力環境較強、還原環境中的煤層，有利于Li元素富集；成煤植物主要為脈羊齒和鱗木，形成于酸性、淡水影響、弱氧化環境、水動力環境較弱的煤層，有利于Ga和REY富集；成煤植物為脈羊齒和鱗木或楔葉類古植物，形成于相對堿性、弱氧化到還原、半咸水或者海水影響、水動力環境較強的煤層，有利于稀土元素的富集。

(2)盆地南緣——秦嶺古陸陸源碎屑供給-酸性火山灰復合型。

該模式中，陸源區母巖和酸性火山灰的侵入對煤中微量元素的富集也起主導作用。

北秦嶺構造帶主要出露元古宙寬坪群和秦嶺群花崗片麻巖、新元古代—早古生代丹鳳群和二郎坪群花崗巖，渭北和黃隴煤田主要物源為秦嶺古陸的中性-長英質火成巖，由于源巖的碎屑物質供給，該區煤中Ga，Li，Bi，Co等元素輕度富集。文獻[46]在渭北煤田銅川礦區煤礦觀察到具有火山成因的石英和鋯石等礦物。本研究中，在渭北和黃隴煤田也發現了火山成因的礦物，如呈尖角狀或者不規則狀的碎屑石英(圖5(f))、晶型良好的蠕蟲狀高嶺石(圖5(a))、磷灰石(圖6(a),(b),(j))等，均表明該區成煤過程中有火山灰影響。前人研究表明，形成磷酸鹽礦物中的磷最初可能來源于輸入到泥炭沼澤的火山灰物質，然后被富鋁溶液捕獲，從而在有機質孔中形成不溶的磷鋁礦物。文獻[48-50]報道了與煤層密切相關的tonsteins中磷鋁鍶石礦物主要來源于火山成因的物質。雖然黑岱溝、哈爾烏素和官板烏素煤礦中富勃姆石煤中的磷鋁鍶石礦物主要來源于本溪組鋁土礦的風化產物，但研究區煤的物源主要來自秦嶺古陸，基本不受本溪組鋁土礦影響，因此該區煤中的磷灰石礦物可能與火山成因的物質有關。

5 結 論

(1)與世界煤均值相比，盆地北部準格爾煤田煤中Li，Zr，Hf富集，Be，Ga，Sr，Nb，Pb，Th輕度富集，盆地南部黃隴煤田煤中Sr，Ba輕度富集，渭北煤田煤中Li富集，Ga，Zr，Nb，Cs，Hf，Ta，Pb，Th輕微富集。盆地煤中Ga，Li元素在準格爾煤田、渭北石炭—二疊紀煤田含量較高，總體上呈北高南低的趨勢。REY在發育石炭—二疊紀煤紀的煤田中較高，而在以侏羅紀煤系為主的煤田中REY含量低。

(2)通過礦物成分分析，盆地南北緣煤中礦物以黏土為主，未發現富集稀土元素的獨立礦物。盆地南部渭北煤田和黃隴煤田煤中發現與火山成因有關的不規則石英、蠕蟲狀高嶺石和磷灰石礦物。

(3)盆地北緣陰山古陸和本溪組風化殼鋁土礦為準格爾太原組煤提供了主要的物源供給，為與泥炭形成環境復合型富集成礦模式。盆地南緣物源區為盆地南部的秦嶺古陸陸源碎屑，為與酸性火山灰復合型富集成礦模式。