李 娟，關(guān)英斌，郭嬋妤，郝東雷，張 威

(河北工程大學(xué) 資源學(xué)院，河北 邯鄲056038)

鎵是銀白色金屬，是半導(dǎo)體和電子工業(yè)、原子能工業(yè)的重要原料，其性質(zhì)與鋁相似，在自然界中常與鋁共生［1]。鎵的賦存狀態(tài)很復(fù)雜，主要富集在粘土礦物和硫化物中，但也可以賦存在有機(jī)質(zhì)中。鎵主要以陸源碎屑中粘土礦物攜帶的方式進(jìn)入泥炭沼澤中。在煤的加工利用過程中，鎵會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)入到空氣、土壤和水體中，進(jìn)而造成污染［2]。通過分析煤中鎵的含量，得出鎵的分布特征，并結(jié)合井田的地質(zhì)情況和煤質(zhì)煤巖特征，分析了鎵的成因機(jī)制，為其合理利用提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

白額井田位于山西省西南部，吉縣與鄉(xiāng)寧縣之間(圖1)，河?xùn)|煤田之南端［3]。區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較全，沉積穩(wěn)定，地表出露有太古界、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、中生界三疊系、新生界新近系及第四系等。井田中地層的巖性主要為礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖。本溪組下部以灰及灰白色鋁質(zhì)泥巖為主，太原組上部含有少量鋁質(zhì)泥巖。井田內(nèi)構(gòu)造變形微弱，基本構(gòu)造形態(tài)為走向NE－NNE、傾向NW的單斜構(gòu)造，地層傾角一般為3°～8°。區(qū)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，僅在井田南部發(fā)育有NE向次級(jí)寬緩背、向斜構(gòu)造。

本區(qū)含煤地層為華北型石炭二疊系，煤系地層總厚80.73 ～160.16 m，平均119.46 m，含煤10層，煤層總厚平均 9.95 m，含煤系數(shù)為8.33%。主要可采煤層為 2#、3#和 10#煤層。2#、3#煤層位于山西組，10#煤層位于太原組。

2 樣品采集與測(cè)試

根據(jù)《煤炭資源勘探煤樣采取規(guī)程》(原煤炭工業(yè)部(87)煤地字第656號(hào))［4]，采取了白額井田2#、3#、10#煤層的煤樣，各主要可采煤層中的樣品數(shù)量見表1。對(duì)煤樣中鎵進(jìn)行電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP－MS)定量分析，分析結(jié)果見表2。

表1 樣品采集數(shù)量表Tab.1 The volume of samples collection

3 煤質(zhì)煤巖特征

井田內(nèi)各煤層宏觀煤巖類型以半亮型煤為主，個(gè)別點(diǎn)為半暗型煤。煤巖成分大部分以亮煤為主，含少量鏡煤，少見暗煤及絲炭。顯微煤巖組分包括有機(jī)顯微組分和無機(jī)顯微組分［5]。煤的有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主;無機(jī)顯微組分即礦物質(zhì)。煤中的礦物質(zhì)主要有粘土礦物和硫化物，硫化物以黃鐵礦為主。煤的煤類主要為貧煤，次為貧瘦煤，具有中灰、低硫－中高硫、特低磷、中高熱值、熱穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2#煤層的原煤干燥基灰分含量為8.74% ～36.93%，平均值為18.76%，屬中灰煤?？傮w上呈北高南低，25－15孔最高為36.93%，3－6孔最低為8.74%。3#煤層的原煤干燥基灰分含量為6.82% ～38.94%，平均值為 20.65%，屬中灰煤。以13勘探線為界，分為南北兩區(qū)，南區(qū)變化較復(fù)雜，以01－6孔為最高(37.34%)，向外呈現(xiàn)輻射狀減小，至中深部達(dá)到最小值。北區(qū)東、西部偏高，中部偏低，平面上呈條帶狀分布。10#煤層的原煤干燥基灰分含量為8.62% ～37.01%，平均值為16.64%，較2#、3#煤層略低，屬中灰煤。平面上呈西高東低分布，自西向東部呈波狀遞減。

表2 各煤層煤樣中鎵含量測(cè)試成果Tab.2 The test results of Gallium content in part of coal samples

4 相關(guān)性分析

本次研究采用相關(guān)系數(shù)法研究各煤層鎵含量與有機(jī)顯微組分和灰分之間的相關(guān)性［6]。

相關(guān)系數(shù)取值范圍為(－1，1)，分四個(gè)級(jí)別。根據(jù)其取值范圍判斷各微量元素之間的相關(guān)性(表3)。

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到白額井田內(nèi)各煤層鎵與有機(jī)顯微組分和灰分的相關(guān)系數(shù)如下(表4)。

表3 相關(guān)系數(shù)分級(jí)表Tab.3 Correlation coefficients grading scale

表4 各煤層鎵與有機(jī)顯微組分和灰分的相關(guān)系數(shù)Tab.4 The correlation coefficient of Gallium and macerals

由表4可知，鎵的含量與鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組沒有相關(guān)性，與灰分成正相關(guān)關(guān)系，即灰分含量增高，鎵的含量也隨之增高。

5 鎵的分布特征

鎵在各煤層中的平均含量見表5。從表5中可以看出，煤層從上到下鎵的含量逐漸增高。中國(guó)石炭二疊系煤中鎵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.88 ppm，顯然白額井田煤中鎵相對(duì)富集，但最大值都未達(dá)到鎵的最低工業(yè)品位(30 ppm)。應(yīng)用Surfer8.0軟件繪制出井田中鎵含量的等值線圖(圖2～4)。

表5 各主要可采煤層鎵元素平均值Tab.5 The average value of Gallium in the main coal seam

從圖2中可以看出2#煤中鎵的整體分布趨勢(shì)為東北、西南高，中部低，鎵含量高值點(diǎn)較分散，分布較均勻。東北部和西南部的最高值都達(dá)到26 ppm，東北部的最高值位于鉆孔25－9附近，北部等值線較稀疏，南部等值線則較密集，即北部鎵的含量變化較舒緩，南部含量變化較快;在中部也有一個(gè)高值點(diǎn)，位于鉆孔9－5附近，最高值為24 ppm，等值線稀疏，含量變化較舒緩。

由圖3可知3#煤中鎵含量的整體分布趨勢(shì)為東北、西南高，中部低。東北部有一個(gè)高值點(diǎn)，位于鉆孔25－15附近，最高值為24 ppm，周圍等值線相對(duì)與其他高值點(diǎn)較稀疏，含量變化相對(duì)較慢;西南部等值線較復(fù)雜，有多個(gè)高值點(diǎn)，且每個(gè)高值點(diǎn)的最高值都不同，西南部的等值線相對(duì)于其他區(qū)域較密集，含量變化較明顯。

從圖4可以看出10#煤中鎵含量的整體分布趨勢(shì)為西北側(cè)密集，東南側(cè)稀疏，即鎵含量在井田的西北側(cè)變化較明顯，東南側(cè)變化較舒緩。東北部、中部偏東和西南部都有高值點(diǎn)，中部偏西有一個(gè)低值點(diǎn)，中部有一個(gè)高值點(diǎn)，最高點(diǎn)位于鉆孔17－9附近，最高值為26 ppm，在這個(gè)高值點(diǎn)的西南側(cè)有一個(gè)低值點(diǎn)，最低值位于鉆孔9－10附近，最低值為2 ppm;在井田東北部有一個(gè)高值點(diǎn)，位于鉆孔25－9附近，最高值為21 ppm;西南部有五個(gè)較高的高值點(diǎn)。

6 鎵的成因機(jī)制

任德貽等［7]初步提出了煤中微量元素富集的5種成因類型，即陸源富集型、沉積作用富集型、巖漿熱液作用富集型、深大斷裂－熱液作用富集型和地下水作用富集型。研究區(qū)煤層中鎵含量受到的影響因素主要有三個(gè):

1)陸源區(qū)母巖:本區(qū)屬于華北石炭－二疊紀(jì)聚煤區(qū)，陸源區(qū)主要是北緣的內(nèi)蒙古地軸和燕山臺(tái)褶帶［8]。這兩個(gè)地區(qū)的巖性主要是含礫砂巖和石英砂巖，在沉積過程中又在井田內(nèi)沉積了泥巖。

煤中鎵的含量與灰分成正相關(guān)關(guān)系，灰分的主要成分為SiO2和Al2O3，二者在灰分中的比例為60%～90%，說明井田內(nèi)的礦物質(zhì)以粘土礦物為主，煤中鎵的含量與礦物質(zhì)存在相關(guān)關(guān)系，受陸源碎屑的影響。

2)沉積環(huán)境:太原組沉積相主要是潮坪、淺海和三角洲，且潮坪、淺海占有一定優(yōu)勢(shì)，山西組沉積相以三角洲為主，顯然太原組煤層聚積時(shí)受海水影響明顯比山西組大。10#煤層發(fā)育于潮坪環(huán)境，屬還原環(huán)境，2#、3#煤層發(fā)育于淺三角洲平原環(huán)境，屬弱還原環(huán)境。由測(cè)試結(jié)果可知，10#煤中鎵的含量要比2#、3#煤中鎵的含量要高，這是因?yàn)楹Ｏ嗟倪€原環(huán)境更有利于地球中微量元素的富集，這與前人的研究成果是一致的［9]。

3)地下水作用:煤中富集微量元素與地下水化學(xué)性質(zhì)以及水位與煤層的相對(duì)關(guān)系有關(guān)，也和煤層圍巖和上覆、下伏地層性質(zhì)有關(guān)。井田內(nèi)與煤層關(guān)系密切的含水層有兩個(gè)。

(1)太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層:太原組普遍含灰?guī)r1～3層，第2層為10#煤層頂板。本組灰?guī)r厚度不大，巖溶裂隙不發(fā)育，富水性弱，水質(zhì)類型以 SO4·Cl－Na·Ca型為主，礦化度1 108 mg/L～5 152 mg/L，是開采10#煤的頂板直接充水含水層。

(2)二疊系山西組及下石盒子組底部砂巖裂隙含水層:本組含水層由厚度和巖性均不穩(wěn)定的粗、中、細(xì)粒砂巖組成。為富水性極弱的裂隙承壓含水層，是開采2#煤層的直接充水含水層。地下水水質(zhì)類型為 HCO3·SO4－Na型，礦化度486 mg/L～1 196 mg/L。地下水的總體流向?yàn)槟夏衔?。這兩個(gè)含水層富水性不大，但與煤層距離很近，對(duì)煤層的頂板有一定的溶蝕作用，從而使微量元素向南南西方向遷移，加劇了井田南部微量元素的聚積。

通過分析白額井田煤中鎵的富集因素，得出其成因類型為陸源富集型。

7 結(jié)論

1)白額井田煤中鎵的平均含量在12.891 ppm～14.256 ppm之間，含量較高，相對(duì)富集，整體分布趨勢(shì)為東北西南高、中部低，10#煤中的鎵元素含量多于2#和3#煤層。但最大值尚未達(dá)到鎵的最低工業(yè)品位(30 ppm)。

2)井田地層中的巖性受陸源區(qū)的控制，主要為泥巖和砂巖，還含有粘土礦物。鎵的含量與灰分成正相關(guān)關(guān)系;不同含煤地層的沉積環(huán)境也影響了鎵的富集和分布;井田中的地下水的溶蝕作用，促進(jìn)了鎵的運(yùn)移。鎵的分布主要受陸源區(qū)母巖和沉積環(huán)境的影響，地下水作用加劇了鎵含量在井田西南部的富集。

［1] 唐修義，黃文輝.中國(guó)煤中微量元素［M] .北京:商務(wù)印書館，2004.

［2] 趙晶，關(guān)騰，李嬌龍，等.平朔礦區(qū)9#煤中鎘、鉻和鉈的含量分布及賦存特征［J] .河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，28(4):56 －59.

［3] 劉占勇.白額勘探區(qū)含煤巖系沉積環(huán)境及其對(duì)煤層氣富集的影響［J] .河北工程大學(xué):自然科學(xué)版，2012，29(2):53－56.

［4] 煤地字第656號(hào)，煤炭資源勘探煤樣采取規(guī)程［S] .

［5] 陳家良，邵振杰，秦 勇.能源地質(zhì)學(xué)［M] .北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［6] 高穎，郭英海.河?xùn)|煤田北部煤中鎵的分布特征及賦存機(jī)理分析［J] .能源技術(shù)與管理，2012(1):111－113.

［7] 任德貽，趙峰華，代世峰，等.煤的微量元素地球化學(xué)［M] .北京:科學(xué)出版社，2006.

［8] 劉占勇，芮樂道，王春云.山西白額勘探區(qū)煤質(zhì)特征分析［J] .中國(guó)煤炭地質(zhì)，2008，20(11):18 －20.

［9] 鄭柏平，水文地質(zhì)條件對(duì)白額勘探區(qū)煤層氣富集的影響［J] .河北工程大學(xué):自然科學(xué)版，2012，29(1):70－73.