沁水煤田石炭系煤層中伴生元素的地質地球化學特征

朱雪莉

（1.山西省地質礦產研究院,山西 太原 030001；2.煤與煤系氣地質山西省重點實驗室，山西 太原 030001）

煤層中的常量元素是含量超過0.1%的C、H、O、N、Na、Si、S、K、Ca、Ti、P 和Fe等十四種元素[1]，煤層中的常量元素通常是煤灰分的重要組成部分，也是影響煤灰熔融性的重要因素[2]。煤中的微量元素是含量低于0.1%的元素，如Ge、Ga、U等七十多種元素[3]，微量元素的含量分布特征以及賦存狀態能為進一步發掘富集有益元素、甄選脫除煤中的有害元素提供科學依據[4]。本次研究工作基于沁水煤田地質構造背景，通過利用電感耦合等離子體發射質譜儀（ICP-MS）等手段和元素相關性分析方法，對沁水煤田石炭系煤層進行系統采樣測試分析，對石炭系主要煤層的煤巖特征及煤中伴生元素的含量分布進行研究，并對11種微量元素的含量與灰分、全硫、煤灰成分中各氧化物含量百分比做了相關性分析，同時對有利微量元素的富集成因進行了研究，為進一步研究聚煤盆地及其區域地質的演化過程提供了基礎地質地球化學信息，以期促進礦產資源的綜合勘探和利用。

1 地質背景

沁水煤田位于山西省東南部太岳山與太行山中南段之間（詳見圖1）。擠壓性斷裂褶皺帶圍限了沁水盆地周緣，呈現出在盆地的內部構造比較穩定，但在盆地的邊緣部位活動性增強的基本規律。沁水盆地古構造上是屬于華北地臺的中帶，由于剪壓不斷增強，在燕山期隆升不斷擴大而形成了殘余構造盆地[5]。在華北地區，由于燕山期擠壓剪切應力作用逐漸增強，大華北盆地逐漸向鄂爾多斯地區退縮。到燕山運動中期，沁水盆地已處于隆起區范圍內，于是規模最大的復式向斜型盆地最終出現并定型于其上[6]。

圖1 沁水盆地構造綱要略圖

沁水煤田屬于石炭—二疊紀含煤盆地，本次研究的對象是煤田內的主要含煤地層之一石炭系上統太原組，厚106～140m，由深灰色、灰黑色泥巖、砂質泥巖和灰白色的中細粒砂巖，并且夾3～6 層石灰巖組成。含煤7～12層，其中15號煤層為主要可采煤層，部分礦區9號煤層也是主采煤層。煤層的古地理格局為：太原組煤層主要形成于障壁渴湖以及下三角洲平原環境之中。太原組聚煤作用與沉積環境的關系表現為：煤層的厚度由北向南逐漸變小，因為聚煤時北部的水體相對比較淺，為泥炭沼澤的持續發育提供了有利條件，于是形成了比較厚的煤層，而南部的渴湖相帶以及濱外陸棚相帶水體比較深，不具備有利于泥炭沼澤持續發育的條件，所以煤層的厚度相對比較小；東南部由于分布著局部發育的障壁砂壩使得水體變淺，便于發育有聚煤作用的泥炭沼澤。

2 樣品采集與測試

2.1 樣品采集

對沁水煤田內的77座生產煤礦進行了井下采樣，共采集了石炭系太原組9號煤層和15號煤層的煤樣、頂底板樣、夾矸樣共計354個。9號煤層位于石炭系太原組中下部，該煤層在煤田范圍內較為發育，大部分地區可見其蹤跡。發育區范圍內煤層厚度在0～6.69m之間，平均厚度1.15m，結構簡單。屬穩定—較穩定，大部可采或局部可采煤層。15號煤層位于石炭系太原組下部，該煤層在煤田范圍內普遍發育，煤層厚度在0～12.55m之間，平均厚度3.35m，基本屬結構復雜、穩定可采煤層。

2.2 樣品測試

依據《煤的工業分析方法》（GB/T212-2008）、《煤中全硫的測定方法》（GB/T214-2007）和《煤灰成分分析方法》（GB/T1574-2007）測試工業分析（水分、灰分、揮發分）、全硫、灰成分等參數。

依據《煤的鏡質體反射率顯微鏡測定方法》（GB/T6948-2008）、《煤的顯微組分組和礦物測定方法》（GB/T8899-2013），在顯微鏡下對煤樣的三個顯微組分及各個亞組分進行觀測并且分類統計，并在顯微光度計上進行光片鏡質體反射率的測試。

利用電感耦合等離子體發射質譜儀（ICP-MS）進行共伴生微量元素測試，電感耦合等離子體發射質譜儀是測定同位素和超痕量元素比值的儀器，根據探測器的濃度與計數的比例關系，測出元素的含量[7]。

3 測試結果及地質地球化學特征分析

3.1 煤質特征及煤類分布

通過對采集的樣品進行測試分析，將本次測試的煤質成果與收集到的近40年來在沁水煤田所做的184份煤炭地質報告的煤質成果進行詳細分析，并與前人的研究成果相印證，可得：石炭系太原組9號煤層煤類以無煙煤為主，無煙煤由南向北穿過沁水煤田中部，兩側依次分布有貧煤、貧瘦煤和瘦煤。石炭系太原組15號煤層煤類以無煙煤為主，無煙煤由南向北穿過沁水煤田中部，兩側依次分布有貧煤、貧瘦煤和瘦煤，煤田西側分布有少量焦煤，在沁水煤田北部還有少量貧煤和貧瘦煤分布。

3.2 煤巖及礦物分析

成煤期的沼澤沉積環境決定了煤樣的有機煤巖組成特征，微量元素在不同有機煤巖組分和礦物中的分布又受到環境介質的差異的影響[8]。通過對采集的61個樣品進行煤巖及礦物分析，可得：石炭系太原組（9、15號煤）鏡質組組成主要為均質鏡質體和基質鏡質體，有部分碎屑鏡質體；惰質組組成主要為粗粒體、碎屑體和絲質體。

石炭系太原組9號煤層屬中煤級煤Ⅶ級，石炭系太原組15（9+10）號煤層屬中煤級煤Ⅶ級。通過計算凝膠化指數GI和植物結構保存指數TPI值，GI≥5.27，含量比較高，而TPI值較為集中在1.22～1.89，石炭系太原組煤層的主體煤相為潮濕森林沼澤相。

3.3 常量元素分析

各煤層灰分含量統計結果見表1。用灰成分比(CaO+MgO+Fe2O3)／(SiO2+Al2O3)可作為海水對泥炭影響的評價指標，灰成分比越大則泥炭沼澤受海水影響越大。石炭系太原組9號煤層的灰成分比較小，則受海水影響也比較小。石炭系太原組15號煤層的灰成分比較大，則成煤時沼澤環境受海水的影響較大，15號煤層在成煤過程中因受到海、陸兩方面的影響均較大，于是形成了海陸交互的成煤沼澤環境[9]。

表1 沁水煤田石炭系主采煤層煤灰成分含量統計表

3.4 微量元素分析

根據代世峰等提出的煤中微量元素含量水平的指標，富集系數（CC，Concentration Coefficient）=煤中微量元素含量/中國煤中微量元素含量，將煤中微量元素含量水平分為六級[10]（表2）。

表2 煤中元素含量水平分級指標

2012 年Dai 等在系統收集已有數據基礎上并結合自己的最新研究成果，給出了中國煤中微量元素含量的背景值（表3）。

本次研究利用的基礎數據為以往鉆孔資料和采樣點共伴生元素含量加權平均值，通過對以上數據分煤層算術平均統計得到太原組9、15號煤層的微量元素平均含量對比表，見表3。

表3 沁水煤田9、15號煤中微量元素平均含量對比表（單位：ppm）

通過與中國煤均值相比得出的富集系數（CC）分析（表4），可以看出：太原組9 號煤中鎵（2.50）、鈾（2.93）、鋰（2.37）屬于輕度富集，其他元素均屬正常范圍（圖2）；15 號煤中鎵（2.04）、鈾（2.28）、鋰（2.20）屬于輕度富集，其他元素均屬正常范圍（圖3）。

圖2 9號煤中微量元素富集系數（CC）

圖3 15號煤中微量元素富集系數（CC）

表4 沁水煤田9、15號煤中微量元素CC值對比表

3.5 相關性分析

通過對煤中的微量元素含量與灰分的相關性進行分析，來顯示微量元素的有機親和性或無機親和性，以此方法來推測微量元素的賦存狀態。一般來說，煤中某種微量元素含量與煤灰分產率之間的正相關性越強，在煤中賦存狀態呈無機態的可能性就越大。而某類煤質參數與微量元素之間的相關關系在一定程度上對成煤環境有一定的指示意義。

統計學中這種相關性的大小利用相關系數(r)來衡量。相關系數的取值范圍在-1～+l 之間，其中：當|r|≥0.8 時，視為高度相關；當 0.5≤|r|<0.8 時，視為中度相關；當0.3≤|r|<0.5 時，視為低度相關；當|r|<0.3 時，說明變量之間的相關程度已經極弱了，可視為不相關。

采用數理統計的方法，分別對沁水煤田9、15號煤層采集樣品的11種微量元素的含量與灰分、全硫、煤灰成分中各氧化物含量百分比做了相關性分析（表5、表6）。

表5 沁水煤田9號煤中微量元素與基礎煤質之間的相關系數

如表5 所示，按照相關系數理論，沁水煤層9 號煤層中的灰分與銣元素的相關系數|r|＞0.8，視為高度正相關；灰分與稀土總量、鈧、銫、鎵、釷、釩這6種元素的相關系數0.5≤|r|<0.8，視為中度相關；其余為低度相關和不相關。全硫與鉈元素的相關系數0.5≤|r|<0.8，視為中度相關；其余為低度相關和不相關。Fe2O3與鉈元素的相關系數0.5≤|r|<0.8，視為中度相關；其余為低度相關和不相關。TiO2與鋰、鎵、釷這三種元素的相關系數0.5≤|r|<0.8，視為中度相關；其余為低度相關和不相關。K2O 與銣、銫這三種元素的相關系數0.5≤|r|<0.8，視為中度相關。

如表6所示，按照相關系數理論，沁水煤層15號煤層中的灰分與稀土總量、鈧、鋰、銣、銫、鍺、鎵、釷、釩這9 種元素的相關系數0.5≤|r|<0.8，視為中度相關；其余為低度相關和不相關。全硫與鉈、鍺元素的相關系數0.5≤|r|<0.8，視為中度相關；其余為低度相關和不相關。Fe2O3與鍺元素的相關系數0.5≤|r|<0.8，視為中度相關；其余為低度相關和不相關。其余基礎煤質與微量元素為低度相關或不相關。

表6 沁水煤田15號煤中微量元素與基礎煤質之間的相關系數

3.6 有利微量元素富集特征

以下對沁水煤田煤中較有前景的共伴生礦產：鎵、鍺、銣、鉈、鋰5種元素的富集特征分別加以論述。

（1）煤中鎵。9 號、15 號煤層煤中鎵與灰分中度正相關，同時表現出9 號煤層煤中鎵與煤灰中TiO2呈中度正相關特點。從采集樣品的垂向分布來看，煤中鎵一般集中于煤層的頂底板、與頂底板相接觸的煤層、煤層的夾矸、夾矸上下接觸部位的煤層等。

（2）煤中鍺。15號煤層煤中鍺與灰分中度正相關，同時表現出15號煤層煤中鍺與煤灰中Fe2O3呈中度正相關特點，鍺主要以有機質結合存在。

（3）煤中銣。9 號煤層煤中銣與灰分高度正相關，沁水煤田15號煤層煤中銣與灰分中度相關，同時表現出9號煤層煤中銣與煤灰中K2O呈中度正相關特點。

（4）煤中鉈。9 號煤層煤中鉈與硫分中度正相關，顯示出該元素具有一定的親硫性，同時表現出9號煤層煤中鎵與煤灰中K2O呈中度正相關特點。

（5）煤中鋰。沁水煤田9 號煤層煤中鋰與煤灰中TiO2中度正相關。

4 結論

（1）石炭系太原組9 號煤層煤類以無煙煤為主，無煙煤由南向北穿過沁水煤田中部，兩側依次分布有貧煤、貧瘦煤和瘦煤。

（2）石炭系太原組9 號煤層屬中煤級煤Ⅶ級，石炭系太原組15號煤層屬中煤級煤Ⅶ級。通過計算凝膠化指數GI和植物結構保存指數TPI值，石炭系太原組煤層的主體煤相為潮濕森林沼澤相。

（3）石炭系太原組9號、15號煤層煤灰成分以SiO2為主，其次為Al2O3。石炭系太原組9 號煤層的灰成分比較小，則受海水影響也比較小。石炭系太原組15號煤層的灰成分比較大，則成煤時沼澤環境受到了海水的影響，15號煤層在其成煤過程中不斷受到海、陸兩方面的影響，于是形成了一套海陸交互的成煤沼澤環境。

（4）石炭系太原組9 號煤中鎵（2.50）、鈾（2.93）、鋰（2.37）屬于輕度富集，其他元素均屬正常范圍；石炭系太原組15 號煤中鎵（2.04）、鈾（2.28）、鋰（2.20）屬于輕度富集，其他元素均屬正常范圍。