準東煤田大井礦區煤中鎵元素分布特征及富集機理淺析

摘" "要：新疆準東煤田大井礦區煤炭資源儲量豐富，為結構簡單穩定的巨厚煤層，勘探開發利用極高。前人對準東煤田鎵、鍺等元素含量進行了分析和總結，提出了準東具有尋找超大型煤-鎵礦床的前景，引起了國內眾多學者的關注。本文通過對大井礦區鎵元素分布數據的收集整理，從橫、縱向和疊合3個維度進行分析，發現區內北部井田B煤層煤中鎵元素富機系數較高，極值達218 μg/g。從沉積物源距離、古地理環境和構造特征等3個方面對全區B煤層煤中鎵元素含量、分布和富集系數進行分析研究，認為接近物源區特定的地理位置和構造運動方面特殊的斷層分布密集區域，是煤中鎵元素富存系數較高的區域。本文對鎵元素分布特征和富集機理之間的關系進行剖析，研究煤中鎵元素的富集分布規律和賦存特征關系，為綜合圈定煤中鎵元素富集區提供可靠依據。全疆煤系關鍵金屬的發現和研究，對聚焦實施新一輪找礦突破戰略行動與礦產資源綠色發展，加快煤炭資源勘查進度和綜合利用煤炭資源，具有重要的現實意義和戰略前景。

關鍵詞：準東煤田；大井礦區；煤中鎵元素；富集機理

鎵在計算機信息光纜升級、蓄電池儲能元件開發、航天高端裝備制造、國防軍事研發設計等領域，凸顯出其重要作用。但鎵元素在自然界中呈離散狀態存在，多數存在于煤層中。煤作為工業原料之母，其伴生的有益稀有金屬元素既豐富又多樣，如Ge，Ga，Li，Nb，Re，U，稀土等，還包括金、銀和鉑族金屬，通過近十年的研究，國內學者任德貽、唐修義等分析了中國煤中微量元素分布總體特征[1-3]。煤中鎵富集區多分布于我國內蒙古和山西等地，主要以石炭—二疊系煤層為研究重點，如準噶爾煤田黑岱溝礦區、寧武煤田等[4]，對煤系金屬的賦存主控因素進行了較全面總結。

目前，全國范圍大力發展煤中戰略金屬，提高煤礦資源綠色開發綜合利用，但對西北地區的重要賦煤區侏羅系煤層中關鍵金屬研究卻較少。對準東煤田煤系金屬的研究僅粗略表述了礦區煤中鎵元素含量有異常、有較高值出現，支持研究的引用數據僅為個別井田勘探階段獨立鉆孔的鎵元素含量值，數據樣本量少且分散孤立，結論無法覆蓋整個準東煤田煤系金屬分布。

全疆范圍內重點研究煤中關鍵金屬元素的綜合利用具有重要的現實意義和戰略前景，也是煤炭資源開發和關鍵金屬綜合利用的契機。本文將新疆準東煤田大井煤炭礦區作為研究準東煤田煤系金屬的切入點，大井礦區作為準東整裝勘查中煤田煤炭資源最為豐富的大型礦區之一，區內煤炭資源儲量巨大、總體勘查研究程度很高、原始數據和資料豐富。從全區勘探成果上來看，煤中關鍵金屬范疇內鎵元素含量在極值和分布范圍上均很突出。本文立足于大井礦區全覆蓋的勘探報告地質資料，通過有針對性的數據處理和地質分析，總結全區鎵元素的富集分布規律、賦存特征，探討其富集主控因素，圈定鎵元素富集區，對于整個準東地區煤炭開采和煤系金屬綜合利用具有重要的指導意義。

1" 地質背景

準東煤田大井礦區位于大井-梧桶窩子坳陷西部的大井凹陷（IV4）北東緣。受沉積基底構造控制，準噶爾大型中新生代聚煤盆地在其北東邊緣的準東煤田形成一系列鼻狀背斜和簸箕狀向斜相間的裙邊構造形態（Ⅴ級構造單元），自西向東依次有：奧塔烏克日什向斜、雙井子-將軍廟背斜、白礫灘向斜、西黑山背斜、北山煤窯向斜、東黑山背斜。另外區域內還有東黑山西斷裂和東黑山東斷裂（圖1，表1）。

華力西期、印支期構造運動后，準噶爾盆地內部構造運動逐漸變弱，沉積作用顯著增強。大井礦區內煤層主要賦存于3組地層：①下侏羅統八道灣組中含厚度大于0.30 m以上的煤層3層（A煤組）；②中侏羅統西山窯組含厚度大于0.30 m以上的煤層12層（B煤組）；③中—上侏羅統石樹溝群下亞群含厚度大于0.30 m以上的煤層2層（C煤組）。西山窯組B組煤層是礦區主要含煤地層，也是本次研究關鍵金屬鎵元素富集的主要煤層。

2" 關鍵金屬鎵元素數據來源

新疆準東煤田大井煤炭礦區位于準東煤田中部，總面積1 340.83 km2，截止2022年9月30日，全區保有資源儲量5 925 539.65×104 t，區內勘查研究程度高，本文收集12份勘探報告、2份資源儲量核實報告，均為新疆地礦局第九地質大隊編寫，且已評審備從案，研究范圍覆蓋整個礦區（圖2）。

從全區14個井田中綜合篩選出中侏羅統B煤層鉆孔原煤巖心的光譜半定量數據進行統計。區內勘探階段鉆孔分布網度為500 m ×500 m，光譜半定量鉆孔選孔取樣率為30%，收集鎵元素含量數據3 655組，篩選有效數據1 027組。

3" 鎵元素富集特征

對準東煤田大井礦區煤中鎵元素含量進行整理，全區9個井田篩選出中侏羅統B煤層鉆孔原煤巖心光譜數據作為有效數據。各井田煤層編號根據總規報告煤層分岔和歸屬劃分為B1-4煤層，光譜半定量樣點數累計980組，其中鎵元素含量最大值218×10-6，綜合均值為24.14×10-6（表2）。

3.1" 鎵元素橫向分布

依據先將煤層固定為整層，后以礦權范圍區域為數據區塊，統計出富集系數，最終標注出區域內極值的方法，對煤中鎵元素含量橫向數據進行分析處理。鎵元素富集系數分別按R（R=煤中元素含量均值/地殼克拉克值）、CC（CC=煤中元素含量均值/世界值）和EF（EF=煤中微量元素含量/中國值）統計整理，數值參照鎵元素地殼值（17×10-6）、中國值（6.55×10-6）和世界值（6×10-6）[20]。據圖文分析富集情況，提出富集系數CC，并劃分為6個等級：CClt;0.5（虧損）；0.5≤CC≤2（正常）；2lt;CC≤5（輕度富集）；5lt;CC≤10（富集）；10lt;CC≤100（高度富集）；CC＞100（異常富集）[14-15]，富集區劃分更為細致，更具區分度。

通過對表內數據統計，大井礦區各井田光譜半定量樣品中鎵元素平均含量范圍為1.56×10-6～57.99×10-6，均值跨度較大，表現出鎵元素在煤層中分布分散。從富集系數CC值來看，準東煤田大井礦區的大井南露天礦、二井田和四井田煤中鎵元素含量偏低，屬正常富集區；奧塔南、奧塔北、三井田和五井田煤中鎵含量屬輕度富集區；北露天和一井田煤中鎵含量較高，屬富集區。鎵元素極值出現在大井一井田（圖3）。將整個井田按富集系數CC劃分為富集、輕度富集和正常富集3個區段。

3.2" 鎵元素縱向分布

縱向數據分析是將井田范圍內鎵元素分布情況順鉆孔縱深方向按煤層劃分層位，進行逐層統計，分析出礦區內中侏羅統煤層中鎵含量的垂向分布。各井田縱向趨勢見圖4。從各煤層柱狀圖中可看出，煤層較少的五井田、一井田、三井田和南露天礦逐層含量均值差較明顯，五井田、一井田巨厚煤層為B1煤層，其鎵元素含量偏高；三井田和南露天礦的主要全區可采煤層為B4煤層，其鎵元素含量大于B1煤層；煤層分層較多且鎵元素富集的北露天、奧塔南和奧塔北各層元素含量均值差距不大，逐層分布。

3.3" 煤層等厚度圖疊合鎵含量等值線分布

將鎵元素含量橫向井田區域分布和縱向煤層劃分趨勢結合起來，立體的研究鎵元素在煤層中的分布情況。以各主要煤層等厚度圖為底圖，疊合各井田區域內鎵元素含量等值線分布可知：B4煤層全區覆蓋，鎵元素分布也幾乎覆蓋整個礦區（圖5）；B1煤層和元素含量等值線分布平緩，北露天和一井田區域等值線展布勻稱，北部和東部可采煤層覆蓋區極值大于100×10-6（圖6）。北部北露天和一井田為整個大井礦區的富集區域，B4和B1煤層含量均較突出；奧北和奧南區域等值線間距較密，B4和B1煤層含量也較突出，極值極高但均值稍低，為輕度富集區；二井田和四井田等值線稀疏，僅在B4煤層中出現且均值含量較低，為正常富集區。

4" 準東煤田鎵元素富集主控因素

近十年來，國內研究鎵元素的富集主控因素主要概括為：沉積物來源、古地理環境和構造運動三大因素[4]。從研究成果來看，準東煤田鎵元素在大井、將軍廟和西黑山礦區三區煤層中均有分布。準東煤田三區覆蓋面積大，與物源區距離不同，周圍構造各有差異，因此煤層中鎵富集分布各有特征。

鎵元素富集過程從整個準東地區分析來看，北部和南部造山帶在多期次構造作用下發生擠壓和推覆，為聚煤沉積提供主要物質來源；相對潮濕的古地理環境使碎屑物質風化剝蝕進一步加快，其中鋁和鎵元素以膠體形式隨水流作用被搬運到盆地；在覆水泥炭沼澤呈酸性水的介質條件下，含鎵元素的膠體發生聚集沉淀，最終這些膠體與有機質一起沉積，保存于煤層中。從物源方向和古水流分布指向可看出（圖1），物源區剝蝕、古水流搬運等方向均由山前向聚煤盆地內部運動。

4.1" 沉積物質來源

煤層中鎵的富集是多種因素共同作用的結果，其中沉積物源至關重要。準東煤田沉積物質來源始于海西期東北部區域形成的卡拉麥里造山帶?？ɡ溊锷皆焐竭\動伴有大規模花崗巖類巖漿侵入活動，巖石類型有黑云母堿長花崗巖（SiO2含量 73.65%、Al2O3含量13.40%、Fe2O3含量2.11%）、花崗閃長巖（Na[AlSi3O8]-Ca[Al2Si2O8]類質同象）、鈉鐵閃石堿長花崗巖、角閃石堿長花崗巖和花崗斑巖等，鋁、鎵為同族元素，故巖體中鎵較為富集，含量為20×10-6～30×10-6[21]，是鎵元素富集的根本物質來源。

早—中侏羅世古水流為卡拉麥里水系[22]，其中包含三個分支水系，這三個分支水系的流動方向分別為NE向、NNE向和NEE向。因此，準東盆地沉積物從盆地東北緣的卡拉麥里造山帶而來，大量富含鋁、鎵元素經風化剝蝕的花崗巖碎屑，被古水流搬運至盆地內部，沉積形成含鋁-鎵的沉積煤層，造成了準東煤田中侏羅統煤層中鎵元素含量較高。而大井礦區地理位置最靠近卡拉麥里山物源區，即形成東北部礦區異常富集的現象，大井北露天和一井田所在的東北部鎵元素含量高，且全區各主要煤層含量較為均勻，極值異常達218×10-6。對比距物源區遠的南露天礦、二井田、三井田和四井田，鎵元素含量有明顯差距。

4.2" 古地理環境

煤中鎵元素的分布和富集均受到沉積環境的影響。準東煤田中侏羅統B煤層形成時期，其湖面上升或基底沉降速率大于泥炭沼澤的堆積速率，且在潮濕還原的沉積環境中，具較強的泥炭沼澤水動力條件，加之陸源碎屑沉積量增大，導致煤層中灰分含量較高[23]。準東盆地潮濕氣候不僅有利于物源區巖石風化剝蝕，分布范圍較廣的水動力條件為泥炭沼澤的沉積提供豐富的成礦物質，使煤層上部泥巖層受到較強淋濾作用，當覆水為酸性，有利于從頂板、夾矸中的黏土礦物中淋濾出鋁，含鋁礦物富集于煤層下部，使鎵元素在煤層厚度大的下部煤層富集。

高嶺土是準東煤田煤中鎵元素的主要賦存礦物，風化溶液中鎵元素和鋁元素大部分以Ga（OH）3和Al（OH）3的形式存在于自然界，且會進一步形成穩定形態的GaO（OH）和AlO（OH），氧化后更為穩定。Ga和Al同族，化學性質相似，兩者具相同的晶體結構和相似的晶體化學特征， 鎵元素的遷移和富集依附主量元素Al的控制[24]。在泥炭沼澤呈酸性的環境下，水溶液中顯正電性的Al（OH）3膠體運移至沼澤水，與顯負電性的SiO2膠體凝聚，經脫水作用形成高嶺土。膠體的搬運形式使含有Al，Ga的膠體運移較遠距離，所以從鎵元素分布情況可印證，雖然在聚煤盆地中部地區鎵元素含量不高，但仍存在。同時，從靠近物源區到聚煤盆地中央，含量呈階梯狀分布，具一定規律性。

大井礦區內B煤層煤灰成分類型為：硅質灰分、鈣質灰分、硅質灰分、鈣質灰分、鈣質灰分、硅質灰分、硅質灰分。煤灰經XRF測試，灰分組成以SiO2（含量均值達30%以上）、Al2O3、Fe2O3為主，和物源區卡拉麥里山花崗巖碎屑成分基本一致，且成分配比接近，其中 Si，Al 氧化物含量超出50%，最高達到69.90%。鎵元素含量較高的B4、B3、B2和B1煤層中，煤灰中Al2O3成分比例均較高，最下部B1煤層最高值達到59.08%（表3）。可見煤中含鋁礦物主要以硅鋁酸鹽礦物形式存在，陳新蔚等研究了準東大井礦區中侏羅世煤樣煤中礦物組成主要是高嶺土、石英和黃鐵礦[5]，與本次研究數據結論一致。

4.3" 構造運動

準東地區經歷了海西期的拉張裂陷使周邊地槽區褶皺形成山脈，大規模的酸性巖漿侵入，均為聚煤時期的含鎵物質來源提供保障。準東煤田中侏羅統煤層中的鎵元素含量等值線延展方向近乎垂直于準東地區斷層走向，表明煤中鎵元素富集受斷層構造影響。深部熱液或淺部表層地下水可沿連通煤層和上下部巖層的斷層裂隙進入煤層，使其攜帶的鎵元素能富集在煤層中。

準東盆地面積大、地理位置差距頗有不同，構造和煤層上有一定差異，但煤質特征基本趨同。大井礦區巨厚穩定性煤層居多，煤層合并分叉特征不明顯，區內鎵元素富集系數差距不大。但從全區鎵元素含量分布來看，礦區東部奧塔北和奧塔南井田非常特殊。

與物源區距離差是影響鎵元素分析的唯一因素，一井田CC值遠大于二井田和奧塔南、北區，實際鎵元素分布情況也符合此規律；二井田和奧塔南、北區距離物源區距離相近，其CC值差距不大，但二井田的CC值僅為0.26，和奧塔南、北區的3.63和4.07差距很大。

對比3個區域的B4煤層等值線圖，奧塔南、北區等值線間距較密，極值高但落差大，反映出奧塔南、北區鎵元素含量富集值有其他因素干預，造成實際分布居高現象。

特殊的構造特征也是鎵元素富集的重要因素。大井礦區多構造簡單，煤層巨厚穩定且沉積層數較為單一，東部和東北部井田僅有一層可采巨厚煤層。在東南部的奧塔區，雖離物源區較遠，但鎵元素的含量異常偏高。受大井凹陷和奧塔烏克日什向斜（⑥號）影響（圖1），鎵元素富集，可見鎵元素含量受構造的影響較大，準東煤田中侏羅統煤層中鎵含量等值線延伸方向基本與斷層走向垂直，斷層構造可溝通煤層與上下部巖層，使深部巖層熱液或表層地下水可沿斷層裂隙進入煤層，溶液攜帶的鎵元素最終聚集于煤層，這也是奧塔南、北區鎵元素含量富集的原因。

5" 結論

（1） 準東煤田大井礦區中侏羅統B煤層中鎵元素含量分布均勻，局部表現異常富集， 全區9個重點井田中鎵元素平均含量為1.56×10-6～57.99×10-6，均值跨度較大，表現出鎵元素在煤層中分布分散。大井北露天和一井田煤中鎵平均含量達到邊界品位 （30×10-6），富集值CC在 5lt;CC≤10（富集）之間，具開發利用前景。

（2） 大井礦區受卡拉麥里山物源區影響， 盆地北部煤中鎵含量較中部地區高，鎵元素主要來源于物源區的花崗巖碎屑；受古地理環境影響，大井礦區內大部分井田煤中鎵含量在中侏羅統底部煤層較高，上部煤層稍低。

（3） 大井礦區中侏羅統B煤層中鎵的富集受多種因素控制，除物源區距離因素，斷層構造可溝通煤層與上下部巖層，使深部巖層熱液或表層地下水攜帶鎵元素沿斷層裂隙進入煤層， 最終在煤層聚集。在礦區凹陷和向斜分布的奧塔南、北區鎵元素富集，CC值較高。

（4） 鎵富集成礦需滿足以下條件：①成煤時期。豐富的物質來源，即富含鎵的母源物質；②合適的古地理環境使母源物質得到風化，釋放出鎵，并進一步隨溶液搬運至聚煤盆地泥炭沼澤中，富集沉淀；③特定的構造特征，為鎵的富集提供合適的空間位置。準東煤田大井礦區鎵元素分布規律和富集基本滿足以上特征，為后期準東煤田鎵元素分布特征的研究及煤中鎵元素有利找礦靶區的圈定提供借鑒。

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Analysis of the Distribution Characteristics and Enrichment Mechanism of Metal Gallium （Ga） Elements in Coal of Dajing Mining Area in Zhundong Coalfield， Xinjiang

Zheng Xi1， Xu Shiqi1，2， HeBo1

（1.No. 9 Geological Team，Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources and Development，Urumqi，Xinjiang，830000，China;2. Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources and Development，Urumqi，Xinjiang，830000，China）

Abstract： The Dajing mining area in Zhundong Coalfield， Xinjiang has abundant coal resources and is a structurally simple and stable thick coal seam， with extremely high exploration and development utilization. By organizing the distribution data of gallium elements in the Dajing mining area and analyzing it from three dimensions： horizontal， vertical， and superimposed， it was found that the gallium （Ga） element enrichment coefficient in coal seam B of the northern mining area is relatively high， with an extreme value of 218 μ g/g. From the three main aspects of controlling the enrichment of gallium element， the distance of sediment sources， paleogeographic environment， and structural characteristics are the reasons for the differences in the distribution and enrichment coefficients of gallium （Ga） element content in coal seams B in the entire region. A densely distributed area of faults with specific geographical locations and tectonic movements close to the source area is an area with a high abundance coefficient of gallium （Ga） elements in coal. This article analyzes the key relationship between the distribution characteristics and enrichment mechanisms of gallium element， studies the enrichment distribution patterns and occurrence characteristics of gallium （Ga） element in coal， and provides reliable basis for comprehensively delineating the enriched areas of metallic gallium （Ga） element in coal. The discovery and research of key metals in the Xinjiang coal series have important practical significance and strategic prospects for focusing on the implementation of a new round of breakthrough mining strategies and green development of mineral resources， accelerating the progress of coal resource exploration， and protecting and utilizing coal resources comprehensively through green development.

Key words： Zhundong coalfield; Dajing mining area; Gallium （GA） in coal