臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中戰略性金屬元素鎵富集特征及成因分析

張曉麗，何金先，董守華，黃亞平，師帥，王偉

1.中國礦業大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州 221008

2.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇徐州 221116

0 引言

戰略性金屬礦產是國民經濟持續發展和國防安全的基礎[1]。煤系物質組成和形成過程復雜，在其特定的地質作用下，可以富集戰略性金屬元素。煤系戰略性金屬礦產研究已成為世界產煤國家的前沿課題[2]。國內許多學者在我國廣西[3]、貴州[4]、新疆[5]、山西[6￣7]和內蒙古[8￣12]等多個地區開展了煤中鎵的富集機理研究，獲得了重要成果[13￣15]。煤系泥頁巖，作為與煤共伴生的沉積巖系，與煤具有極其相似的沉積和成巖環境。然而，鎵的成礦潛力和地質主控因素研究中，針對煤系泥頁巖的成果較少，有待進一步探索研究。鄂爾多斯盆地煤炭資源豐富，儲量占全國的33.6%，與石油、天然氣和稀有金屬等礦產資源相互伴生和疊加，是一個綜合性資源盆地[16]。前人針對鄂爾多斯盆地上古生界泥頁巖中稀土和微量元素特征開展基礎研究工作，探討其在沉積環境與物源分析等方面的指示意義[17￣19]。然而由于關注點不同，前人在鄂爾多斯盆地東緣臨興地區開展的研究工作聚焦于聚煤規律和煤系氣資源評價等方面[20￣21]，對煤系泥頁巖中鎵的富集成因尚缺乏系統研究。臨興地區太原組下段煤系泥頁巖明顯富集鎵元素。筆者通過研究區典型鉆井中煤系暗色泥頁巖的主量、微量及稀土元素地球化學特征的研究，系統地分析煤系泥頁巖的物源、沉積環境和成巖階段特征，厘清煤系特殊的沉積環境、成巖環境與泥頁巖中鎵元素富集的時間和空間匹配關系，探討泥頁巖中鎵富集特征和成因，為煤系戰略性金屬礦產的賦存狀態、分布規律與機理研究工作提供參考。

1 地質概況

鄂爾多斯盆地總面積約為25×104km2，是我國第二大沉積盆地，由6個次一級構造單元組成，分別是：西緣沖斷帶、天環坳陷、伊盟隆起、陜北斜坡、渭北隆起、晉西撓褶帶[22]。臨興地區位于晉西撓褶帶中北部（圖1），受構造—沉積背景的控制，經歷了快速、不連續的海侵過程以及緩慢、相對穩定持續的海退過程。

臨興地區隸屬于華北地層區，太原組是華北地層區主要的含煤地層之一，厚34~77 m，與本溪組整合接觸，是8#、9#煤層之頂到“北岔溝砂巖”之底的一套煤系[23￣24]。臨興地區太原組下段煤系泥頁巖總厚度為17~57 m，平均約為30 m。巖性包括黑色炭質泥頁巖、灰—灰黑色粉砂質泥巖、灰黑色泥巖等，泥頁巖巖心中可見植物葉片化石，發育水平層理和波狀層理。總體特征為單層厚度相對較薄而層數較多，在垂向上與砂巖及煤層相互疊置（圖1）。

2 樣品與實驗

泥頁巖樣品來自鄂爾多斯盆地東緣臨興地區13口鉆井的巖心樣，其中有10口鉆井各采集1件樣品，有2口鉆井各采集3件樣品，有1口鉆井采集2件樣品，共計18件，巖性均為暗色泥頁巖。樣品鉆井位置主要分布于區內紫金山巖體的北側，部分樣品鉆井位置位于紫金山巖體的西南側。采樣層位均屬于太原組下段，即對應于圖1中巖性柱狀圖里的太原組太2段。對泥頁巖樣品開展了有機碳含量、主量元素、微量元素和稀土元素測試分析。有機碳含量、微量元素和稀土元素測試分析在中國科學院油氣資源研究重點實驗室完成，其中有機碳含量分析測試在CS-344型碳硫分析儀上進行。微量元素和稀土元素測試分析在ELANDRC-e型電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）上進行。主量元素測試分析在甘肅省西部礦產資源重點實驗室的Agilent720Axial型電感耦合等離子體原子發射光譜儀（ICP-OES）上進行。

圖1 研究區位置、井位分布和巖性柱狀圖Fig.1 Study area location, well distribution and lithological profile

3 實驗結果

3.1 有機碳與硫含量

研究區太原組下段煤系泥頁巖的有機碳變化范圍較大（表1），碳含量介于0.41%~4.93%，平均為2.32%。樣品硫含量介于0.02%~1.68%，平均為0.42%，且分布具有明顯的兩段性：低硫段0.02%~0.41%和高硫段1.21%~1.68%。研究區大部分樣品（15個）屬于低硫區域（硫含量0.02%~0.41%），只有3個樣品硫含量較高（1.21%~1.68%）。

表1 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中主量元素測試分析數據（%）Table 1 Main elements in coal?measure shale, lower Taiyuan Formation, Linxing area (%)

3.2 主量元素分布

主量元素分析顯示研究區太原組下段煤系泥頁巖的主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3和K2O，4種成分的總含量高達82.9%~95.2%（表1）。其中，SiO2含量最高，含量介于57.8%~63.5%，平均為61.0%；Al2O3含量次之，含量介于15.9%~29.0%，平均為22.1%；Fe2O3的非均質性強，含量介于0.6%~10.3%，平均為3.5%；K2O的含量介于1.6%~5.6%，平均為3.4%。除了這4種成分，太原組下段煤系泥頁巖中含有少量的Na2O（含量介于0.1%~0.5%，平均為0.2%）、MgO（含量介于0.1%~0.9%，平均為0.4%）、CaO（含量介于0.1%~0.8%，平均為0.3%）、TiO2（含量介于0.7%~1.8%，平均為1.2%）和P2O5（含量介于0.03%~0.16%，平均為0.10%）。

3.3 微量元素分布

微量元素分析結果顯示（表2），研究區太原組下段煤系泥頁巖的Li、Co和Cu元素含量波動最大，其含量最大值和最小值相差40倍以上；其次為Ni、Zn、Mo和Cd，最大值與最小值相差10~40倍；再次是Cs和Hf，最大值與最小值相差5~10倍；Be、V、Cr、Ga、Ge、Rb、Sr、Zr、Nb、Sn、Ba、Tl、W、Ta、Pb、Bi和U含量較穩定，最大值與最小值相差1~5倍。

將研究區太原組下段煤系泥頁巖的微量元素與平均頁巖[25]進行對比，得到研究區太原組下段煤系泥頁巖的微量元素富集特征。結果顯示，研究區太原組下段煤系泥頁巖中Ga、Hf、Bi、Zr、Pb和Th富集；Cr、Co、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Sn、Ba、Ta、Ni和Cd虧損明顯。其他元素接近平均頁巖元素豐度。

3.4 稀土元素地球化學特征

研究區太原組下段煤系泥頁巖中的稀土總量（ΣREE）分布在97.10~535.27 μg/g之間，平均值為277.42 μg/g，是大陸上地殼[26]稀土平均含量（ΣREE＝146.4 μg/g）的1.9倍，是平均頁巖[25]的1.4倍，表現出REE富集特征。輕重稀土元素之比LREE/HREE（L/H）為9.56~33.68，平均值為16.09，比上地殼L/H比值（9.5）大，LaN/LuN為1.80~3.27，均大于1。δCe介于0.88~1.13，平均值為0.98；δEu介于0.62~1.11，平均值為0.89（表3）。

表3 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中稀土元素測試分析數據（μg/g）Table 3 Rare earth elements in coal?measure shale, lower Taiyuan Formation, Linxing area (μg/g)

4 分析與討論

4.1 鎵的富集分布特征

研究區太原組下段煤系泥頁巖中微量元素測試結果顯示（表2），泥頁巖中鎵元素（Ga）含量介于20.55~30.35 μg/g，平均值為24.7 μg/g，大于上地殼（17.5 μg/g[26]）和平均頁巖（19 μg/g[25]）中鎵的含量，與鄰近區域的準格爾煤中鎵含量相近，具有鎵富集特點，略低于鎵工業邊界品位（30 μg/g）[2]。

表2 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中微量元素測試分析數據（μg/g）Table 2 Trace elements in coal?measure shale, lower Taiyuan Formation, Linxing area (μg/g)

富集系數可以反映元素的富集程度[27]。本文將富集系數（K）定義為研究區泥頁巖中鎵元素含量值與上地殼中鎵元素平均豐度值的比值。富集系數按大小可將元素分成6類：極富集（K≥2），較富集（1.5≤K<2），弱富集（1.0≤K<1.5），弱虧損（0.5≤K<1），較虧損（0.25≤K<0.5），弱富集（0≤K<0.25）[27]。本文研究樣品鎵元素的富集系數（K）分布在1.2~1.6，平均富集系數（K）為1.4，總體上屬于弱富集。

太原組下段煤系泥頁巖中鎵元素在研究區內平面分布呈一定規律性（圖2），具體表現為：紫金山巖體以北的研究區，隨著靠近紫金山巖體，鎵含量具有由北向南逐漸降低的趨勢；紫金山巖體西南部的研究區，沿著靠近紫金山巖體的方向，鎵含量也具有降低的趨勢。這是因為鎵的熔點較低，紫金山巖體的侵位導致鎵在高溫作用下發生了由高溫區向低溫區的遷移作用。由于紫金山巖體規模較小，巖體的溫度效應對鎵含量分布的影響只涉及了巖體周邊較小的范圍。

圖2 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中鎵元素含量平面分布圖Fig.2 Distribution of gallium in coal￣measure shale,lower Taiyuan Formation, Linxing area

研究區太原組下段煤系泥頁巖的鎵含量與鄰區準格爾煤中鎵含量相近[8]，而準格爾煤中鎵具有較好成礦前景已經取得共識[8￣9,11￣12]。臨興地區太原組下段煤系泥頁巖總厚度大（平均約為30 m）、分布廣，鎵含量較高的煤系泥頁巖總體發育規模大，其中賦含的鎵元素資源量規模也大，具有較好的潛在成礦前景。

4.2 鎵的賦存狀態

鎵元素是親石元素，分散性強，經常以類質同象替代的形式賦存在礦物中。煤中鎵主要以類質同象取代鋁的形式存在含鋁元素的高嶺石、勃姆石、長石等礦物中[9,28]。通過XRD、掃描電鏡等實驗，可以明確識別出研究區太原組下段煤系泥頁巖中發育較高含量的高嶺石、長石。研究樣品中鎵含量與Al2O3存在較好的正相關性（圖3a），相關系數為0.681，這指示富鋁的高嶺石等黏土礦物是鎵元素的主要賦存礦物。研究樣品中鎵元素與K2O存在正相關性（圖3b），相關的系數為0.293。煤系泥頁巖中的鉀元素主要由堿性長石和伊利石等含鉀的黏土礦物提供，鎵元素與K2O存在正相關性則說明了泥頁巖中的堿性長石和伊利石等黏土礦物也是鎵元素的重要賦存礦物。

圖3 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中鎵含量與Al2O3（a）、K2O（b）相關圖Fig.3 Correlation of gallium content in coal￣measure shale, lower Taiyuan Formation, Linxing area with (a) Al2O3, (b) K2O

由上述可知，泥頁巖中鎵元素的富集與泥頁巖中礦物成分關系密切。X射線衍射分析結果顯示[29]，研究區太原組下段煤系泥頁巖的黏土礦物平均含量為52%，石英平均含量為38%，長石平均含量為7%，碳酸鹽礦物平均含量為5%。黏土礦物主要由高嶺石、伊蒙混層、伊利石以及綠泥石組成，其中高嶺石相對含量為21%~58%，平均含量為35.25%[29]。前文提到，黏土礦物中的高嶺石是煤系泥頁巖中鎵元素最主要的賦存礦物之一，研究區太原組下段煤系泥頁巖中具有較高含量的高嶺石，這為鎵元素的富集提供了重要的物質基礎。

4.3 鎵的源區背景

4.3.1 鎵的物源

由于煤系中的鎵元素主要賦存在高嶺石、勃姆石等礦物中。通過重礦物分析等方法，發現臨興地區太原組的物源為陸源輸入，來自北部陰山古陸剝蝕區[30]。臨興地區太原組煤系泥頁巖有機質類型以III型為主[31]，也反映了陸源有機質輸入為主。除陸源供給外，火山碎屑、海底熱液、海水及海洋生物等也是沉積物的重要來源。稀土元素的化學性質與分異行為均比較特殊，從源巖到沉積物，分布模式變化并不明顯，并且稀土及部分微量元素的比值在沉積和變質作用過程中具有較好的抗遷移性，因而是較好的物源指示劑[32]。研究區太原組下段煤系泥頁巖樣品中，δCe與δEu、δCe與（La/Sm）N均沒有相關性（圖4a，b），證明成巖作用對稀土元素的分布影響不明顯。海底高溫熱液具有強烈的Eu正異常特征[33]。本文研究樣品稀土元素分布特征顯示，有10件樣品呈Eu負異常、8件樣品呈正異常特征，與海底高溫熱液強烈Eu正異常特征存在顯著差異，據此判斷研究樣品中的稀土元素的物源并非熱液成因來源。海水的稀土元素分布特征一般為顯著的負Ce異常、HREE富集、高Y/Ho比值和正La異常[34]。而研究泥頁巖樣品的稀土元素分布表現為LREE富集、正Ce異常、較低Y/Ho比值、正La異常，與海水稀土元素分布特征明顯不同，據此判斷研究樣品中的稀土元素的物源并非海水及海洋生物體來源。

圖4 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中稀土元素主要參數相關圖（a）δCe與δEu；（b）(La/Sm)N與δCeFig.4 Correlations between main rare earth elements in coal￣measure shale, lower Taiyuan Formation, Linxing area(a) δCe vs. δEu; (b) (La/Sm)N vs. δCe

采用北美頁巖[35]對臨興地區太原組下段煤系泥頁巖的稀土元素數據進行標準化，研究樣品的各稀土元素配分曲線趨勢大致相同（圖5），具體表現為LREE富集、HREE相對虧損；輕、重稀土元素之間分異程度較高；δEu分布在0.62~1.11之間，平均值為0.90，表現為Eu負異常。上述特征反應了研究樣品的稀土元素具有一致的物源[36]。樣品的配分曲線量值不同，指示該區物源相對穩定。采用La-（Th-HF）圖（圖6），分析臨興地區太原組下段煤系泥頁巖的物源，認為主要來自上地殼的富長英質巖石。La/Yb-ΣREE圖解可以用來判斷源巖的屬性[37]。如圖7所示，太原組下段煤系泥頁巖樣品點主要落在花崗巖物源區。結合研究區晚古生代巖相古地理分布特征，認為來自北部陰山古陸的區域基底巖系是研究區太原組下段煤系泥頁巖的主要物質來源[38￣48]。陰山古陸的區域基底變質巖系主要是鉀長花崗巖等[30,49]。陰山古陸的基底巖系巖樣中鎵元素分布范圍為13.6~22.0 μg/g，平均值為18.05 μg/g，大于上地殼鎵含量平均值（17.5 μg/g），含有較高鎵元素[49]。因此，鎵含量較高的陰山古陸基底巖系為研究區太原組下段的鎵富集提供了物質基礎。

圖5 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中稀土元素配分曲線圖Fig.5 Rare earth element distribution in coal￣measure shale,lower Taiyuan Formation, Linxing area

圖6 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中La含量與Th￣Hf值的分布圖Fig.6 Distribution of La content and Th￣Hf value in coal￣measure shale, lower Taiyuan Formation, Linxing area

圖7 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中La/Yb￣ΣREE圖解Fig.7 La/Yb￣ΣREE diagram of coal￣measure shale,lower Taiyuan Formation, Linxing area

4.3.2 物源區構造背景

稀土元素和微量元素中有一些元素具有很強的穩定性，如La、Th、Sc、Zr等，在后期的地質過程中不易遷移。我們可以將這些元素作為參數，分析和判斷沉積區的構造背景。采用La￣Th￣Sc、Th￣Sc￣Zr/10及Th￣Co￣Zr/10圖版[50]，分析研究區構造背景，結果如圖8所示。樣品點大部分都落在圖8圖版中的大陸島弧區域，表明研究區太原組物源區構造背景為大陸島弧。大陸島弧主導中古生代以來的全球化學風化作用[51]，物源區為大陸島弧的沉積構造背景有利于風化作用、剝蝕作用持續進行，進而利于物源區源巖遭受風化、剝蝕作用并釋放出更多鎵元素，促進鎵元素的富集。

圖8 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖形成構造背景判別圖版A：大洋島弧；B：大陸島弧；C：活動大陸邊緣；D：被動大陸邊緣Fig.8 Tectonic background ternary diagrams for coal￣measure shale, lower Taiyuan Formation, Linxing areaA = oceanic island arc; B = continental island arc; C = active continental margin; D = passive continental margin

4.3.3 源區風化程度

鈾元素性質活躍，在風化過程中容易被氧化和淋濾遷移；釷元素作為惰性元素，遷移能力較弱，通常吸附富集在泥頁巖中，在氧化環境中含量較高[52]。風化過程中，U、Th的地球化學性質差異造成二者發生分離，Th/U值發生變化，因此常用Th/U值來表征源區的風化程度[53￣54]。大陸地殼的Th/U值平均為3.80[55]。研究區太原組下段煤系泥頁巖樣品Th/U值大于3.80的有17件，只有1件樣品值為2.96；δU值介于0.68~1的有17件，大于1的有1件（表2）。以上數據表明，源區的巖石總體受到的風化程度高，大氣淡水淋濾作用能促使物源區的花崗巖等巖石中的稀土元素發生富集和分異，因此淋濾作用是沉積區鎵元素富集的控制性因素之一[56]，總體上能促進鎵的富集。

此外，利用化學蝕變指數（CIA, chemical index of alteration）可以判斷物源區的風化程度[57]。高CIA值反映溫暖、潮濕氣候下相對較強的風化程度，而低CIA值則反映寒冷、干燥氣候下相對較弱的風化程度，具體可劃分為弱的風化程度（CIA=50~60）、中等風化程度（CIA=60~80）、強烈風化程度（CIA=80~100）[58￣59]。本研究樣品CIA值分布范圍為77~92，平均值為83，屬于強烈風化程度。強烈的風化作用，極其有利于物源區源巖遭受充分風化剝蝕而釋放大量的鎵元素。

4.4 富鎵泥頁巖的沉積環境

4.4.1 古氣候

研究樣品中硫含量明顯分為高、低兩段，并且低硫（含量小于0.41 μg/g）的占主導。臨興地區太原組下段屬于陸表海環境下的潮汐三角洲相－障壁海岸相沉積體系[24]，研究樣品高硫、低硫含量的變化，反映了研究區太原組下段煤系泥頁巖的物源以陸源輸入為主導，并具有間歇海侵的特點。此外，根據CaO/（MgO×Al2O3）對氣候變化的指示（值越大，代表的氣溫就相對越高），計算獲得研究樣品的CaO/（MgO×Al2O3）值為0.01~0.07，平均0.04，說明太原組下段沉積期的環境以溫暖濕潤的氣候為主，為長石碎屑的風化提供了適宜氣候條件。前人研究認為，喜干型元素（Sr）與喜濕型元素（Cu）的比值對古氣候的變化有靈敏的指示作用[60￣63]，Sr/Cu<10指示溫濕氣候，Sr/Cu>10指示干熱氣候[62]。根據研究區18件煤系泥頁巖樣品中Sr/Cu值分布特征（圖9），結合前人成果[17]，認為在太原組下段沉積期，研究區以溫暖濕潤的氣候為主，間歇性出現干熱氣候。

圖9 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中CaO/（MgO+Al2O3）￣Sr/Cu值分布圖Fig.9 CaO/（MgO+Al2O3）￣Sr/Cu values in coal￣measure shale, lower Taiyuan Formation, Linxing area

4.4.2 氧化—還原條件

V、Ni、Cr、Co等微量元素以膠體和黏土吸附的形式存在。當環境氧化—還原條件改變時，元素存在狀態發生改變。因此V/Cr及Ni/Co比值可指示沉積水體的氧化還原環境。前人研究表明：還原環境中V/Cr值大于4.25，Ni/Co值大于7；弱氧化—弱還原環境中，V/Cr值介于2.00~4.25，Ni/Co值介于5~7；氧化環境下，V/Cr值小于2.00，Ni/Co值小于5[64￣68]。通過對18件樣品的微量元素結果進行分析，發現研究樣品的V/Cr值介于1.46~2.44，平均值為1.87；Ni/Co值介于1.25~6.43，平均值為2.61。若是按上述參數指標，指示研究樣品的形成沉積環境為氧化—弱還原弱氧化環境，但是該解釋與地質現實情況不符。

現實中，研究泥頁巖樣品均為暗色（灰黑色、黑色），TOC含量平均值高達2.32%，屬于較高豐度的有機質，而有機質在還原環境才能被良好保存。同時，臨興地區太原組下段泥頁巖中還富含指示還原性環境的黃鐵礦[29]。師晶等[17]發現V/Cr、Ni/Co等對臨興地區上古生界沉積水體的氧化還原環境指示性較差，與地質現實不符合。因此可通過泥頁巖呈暗色的顏色特征、有機質含量較高、富含指示還原性環境的黃鐵礦等多個特征進行綜合判斷，認為研究區太原組下段的水體環境為還原性環境。

4.4.3 古鹽度

Li、Sr的元素含量對水體鹽度的變化均有較好的指示作用。Li 含量大于150 μg/g，Sr含量介于800~1 000 μg/g，指示鹽水（海相）沉積環境；Li含量小于90 μg/g，Sr含量介于100~500 μg/g，指示淡水（陸相）沉積環境[69]。此外，Sr/Ba值也常用做沉積物沉積時水體鹽度的判定參數[70￣73]。在淡水環境下，Sr和Ba不易發生沉淀，Sr的溶解度更大，因此Sr/Ba值很低；隨著鹽度的增加，Ba的結晶先析，Sr/Ba值有所升高；鹽度繼續增大，Ba由于持續沉淀，導致其含量逐漸降低，Sr此時開始沉淀，沉積物中Sr/Ba值會發生明顯的急劇增大的趨勢。一般認為，Sr/Ba比值大于1.0為海相咸水，小于0.6為陸相淡水，介于0.6~1.0為半咸水相[74]。對研究區18件巖石樣品Li和Sr/Ba比值進行統計分析（圖10），數據顯示研究區太原組下段沉積期的水體環境主體為淡水—半咸水過渡環境，局部為咸水環境，這與研究區太原組下段沉積環境屬于陸表海環境下的潮汐三角洲—障壁海岸過渡相沉積體系的地質背景相符。

圖10 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中Li與Sr/Ba比 值 分 布 圖Fig.10 Li content vs. Sr/Ba ratio in coal￣measure shale,lower Taiyuan Formation, Linxing area

4.5 泥頁巖成巖作用與鎵富集

在沉積成巖期，煤系泥頁巖中的有機質在熱演化過程中釋放大量有機酸，這些有機酸會對煤系泥頁巖中的長石碎屑有顯著的溶蝕分解作用。而煤系泥頁巖中，堿性長石碎屑組分在遭受有機酸的溶蝕分解后，形成高嶺石等礦物和SiO2膠體。形成的SiO2膠體被地下流體帶走離開泥頁巖體系，而高嶺石等礦物殘留在泥頁巖體系中。鎵元素是以類質同象取代鋁的形式賦存于高嶺石（高嶺石為含鋁的硅酸鹽礦物）中，溶蝕作用過程中鎵元素并沒有流失。溶蝕作用形成的SiO2膠體被帶走后，泥頁巖總質量減小。鎵元素含量/泥頁巖總質量的比值就會增大，單位質量泥頁巖中的鎵元素含量增高，也就是鎵元素在泥頁巖中發生了富集作用（也稱二次富集作用）。研究樣品中的鎵元素含量與SiO2含量呈現弱負相關性（圖11），也在一定程度上證明太原組下段煤系泥頁巖中的鎵元素在成巖期存在比較有限的二次富集作用。然而，研究區太原組下段煤系中泥砂薄層高頻疊置的沉積特點，使得煤系巖層的成巖環境開放性差，SiO2和K2O等成分不能及時遷移走，溶蝕不能持續有效進行，阻礙了鎵元素在這一階段大規模地富集于高嶺石和勃姆石等礦物中。由此認為研究區太原組下段煤系泥頁巖中的鎵元素在成巖期發生了一定程度的富集，但富集作用有限。

圖11 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中Ga與SiO2相 關 圖Fig.11 Ga vs. SiO2 correlation in coal￣measure shale,lower Taiyuan Formation, Linxing area

4.6 泥頁巖中鎵的富集成因

中奧陶世，華北大陸整體隆升。在奧陶紀植物繁茂、氣候溫濕的環境下，陰山造山帶花崗巖系遭受持續穩定的剝蝕[38￣48]。長期緩慢的隆升和溫暖濕潤的氣候為鎵元素的富集提供了長期穩定的物質供給。長英質的巖石經物理、化學和生物風化作用，形成細碎屑、溶解物質和黏土礦物。富含鎵的堿性長石在風化過程中釋放鎵，同時形成黏土礦物、SiO2膠體和長石細碎屑。鎵元素是典型的親氧元素，長石解離出的鎵容易形成不溶于水的含氧鹽與氧化物，和黏土礦物一起參與到沉積作用中，形成含鎵的高嶺石和勃姆石等礦物。溫暖濕潤為主、間歇性干熱的氣候特征，有利于長石在搬運和沉積過程中的持續風化；陸表海環境下的潮汐三角洲—障壁海岸過渡相環境下，沉積條件變化頻繁，是鎵元素在多階段搬運沉積過程中不斷富集的重要條件。

煤系富含有機質，在沉積成巖期，有機質熱演化釋放大量有機酸。含鎵元素的堿性長石碎屑在有機酸作用下發生溶蝕分解作用，產生SiO2膠體和高嶺石。鎵元素在這一階段形成二次富集。鎵元素在成巖階段的富集程度取決于溶蝕作用的強度。由于煤系泥沙薄層疊置的特點，成巖環境開放性差，溶蝕不能長期持續進行，因此鎵元素在這一階段的富集作用要顯著小于在風化搬運時期的富集作用。

紫金山巖體的侵位導致巖體周邊的煤系圍巖局部溫度升高。鎵元素的熔點較低，鎵元素在溫度作用下向低溫區遷移，形成了越靠近紫金山巖體鎵元素含量越低的分布特征。

5 結論

（1） 臨興地區太原組下段煤系泥頁巖中鎵含量為20.55~30.35 μg/g，平均值為24.7 μg/g，是典型的鎵富集泥頁巖。泥頁巖中鎵含量在研究區紫金山巖體以北的研究區，隨著靠近紫金山巖體，鎵含量具有由北向南逐漸降低的趨勢。在研究區紫金山巖體西南部，同樣存在隨著靠近紫金山巖體而鎵含量逐漸降低的趨勢。

（2） 研究區太原組下段煤系泥頁巖中，鎵元素主要以類質同象取代鋁的形式賦存于高嶺石中，另有一定數量的鎵元素賦存在堿性長石碎屑中。

（3） 陰山造山帶花崗巖系是研究區太原組下段煤系富鎵泥頁巖的主要物源，加里東期華北克拉通長期緩慢穩定隆升，為源巖風化形成富鎵物源提供了有利的構造環境。風化和沉積條件是研究區太原組下段煤系泥頁巖中鎵富集的控制性因素。具體為溫暖濕潤、間歇性干熱的氣候，淡水為主、缺氧還原的沉積環境。

（4） 成巖期，煤系有機質熱演化釋放大量有機酸，導致堿性長石碎屑溶蝕而釋放出鎵，鎵元素進一步富集于黏土礦物中。由于煤系成巖體系開放性差，鎵的成巖富集作用有限。

（5） 研究區太原組下段煤系泥頁巖中鎵的富集過程以陸源富集型為主，成巖改造對鎵的富集起一定作用。紫金山巖體的侵位使得巖體周邊煤系圍巖形成局部高溫環境。低熔點的鎵元素在溫度作用下發生遷移，導致靠近紫金山巖體的煤系泥頁巖中的鎵元素含量降低。

致謝 感謝中國礦業大學（北京）代世峰教授在論文撰寫中給予的幫助。