張星星

(山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，太原 030031)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究中不斷在煤層中發(fā)現(xiàn)具有工業(yè)利用價(jià)值的鍺、鋰、鎵等新興戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，尤其是河北工程大學(xué)孫玉壯教授及其團(tuán)隊(duì)在山西平朔礦區(qū)發(fā)現(xiàn)超大型煤伴生鋰、鎵礦床。山西作為產(chǎn)煤大省，“單打一”的現(xiàn)象嚴(yán)重，只注重煤炭資源，對(duì)煤炭資源的共伴生資源沒有系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)查分析和評(píng)價(jià)，綜合利用水平較低,不合理的開發(fā)利用造成了礦產(chǎn)資源的極度浪費(fèi)。山西煤炭產(chǎn)業(yè)走出困境要高度重視煤炭伴生資源價(jià)值，加大研究開發(fā)利用力度，開辟煤炭資源利用新空間，提高資源綜合利用水平。

大同煤田富含豐富的煤炭資源，目前侏羅系的煤炭資源已全部被占用，歷年來(lái)開采強(qiáng)度很大，所剩資源已不多，目前有的礦井煤炭資源已接近枯竭，故本文主要研究大同煤田石炭二疊系主采煤層(山4號(hào)、3-5號(hào)、8號(hào))煤中微量元素鍺的分布賦存特征及成礦前景。數(shù)據(jù)來(lái)源于收集的地勘鉆孔資料中微量元素含量數(shù)據(jù)以及本次煤礦井下采集樣品的電感耦合等離子質(zhì)譜分析(ICP-MS分析)測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 位置

大同煤田位于山西省的最北端，是雙紀(jì)煤田，即大同侏羅系煤田和大同石炭-二疊紀(jì)煤田。從平面上看，大同侏羅紀(jì)煤田鑲嵌于大同石炭-二疊紀(jì)煤田之中，在北部略有超出。從縱向上看，大同侏羅紀(jì)煤田疊加于大同石炭-二疊紀(jì)煤田之上。地跨大同市新榮區(qū)、礦區(qū)、南郊區(qū)、左云縣和朔州市右玉縣、山陰縣、懷仁縣。

1.2 地層

大同煤田北部為沉積邊緣，其上發(fā)育石炭系、二疊系、侏羅系含煤地層及白堊系、新近系和第四系(表1)。煤田基底地層寒武、奧陶系灰?guī)r主要出露于口泉東南部邊山斷裂帶和南部洪壽山，地層由南向北依次被剝蝕，厚度從南向北逐漸變薄。因此石炭系下統(tǒng)本溪組下伏地層自南向北依次為奧陶系的中統(tǒng)上馬家溝組、下馬家溝組、下統(tǒng)亮甲山組、冶里組以至寒武系。侏羅系與其下伏地層為區(qū)域性不整合接觸，侏羅系下統(tǒng)永定莊組下伏地層自南向北依次為二疊系上統(tǒng)石千峰組、上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組、山西組以至石炭系下統(tǒng)太原組(圖1)。

大同煤田石炭二疊系含煤地層主要為石炭系下統(tǒng)太原組及二疊系上統(tǒng)山西組。太原組平均厚85m左右，巖性主要由灰白色砂巖、深灰色粉砂巖、黑色炭質(zhì)泥巖及煤層組成。山西組平均厚度為81m，巖性主要由灰白色砂巖、灰色粉砂巖及煤層組成。

1.3 構(gòu)造

大同煤田位于山西隆起最北端，是一不對(duì)稱的向斜構(gòu)造，軸向?yàn)楸睎|30°～35°，煤田東南緣地層傾角相對(duì)較陡，一般為30°～35°，東部邊緣局部地層呈直立倒轉(zhuǎn)，煤田中、西部地層傾角相對(duì)較平緩，大都在10°以下。

大同煤田主體位于晉西北塊坳賦煤構(gòu)造帶云崗-平魯塊凹中北部，北鄰華北板塊北緣；南為洪濤山塊凸與寧武煤田相隔；南東以大同口泉—懷仁鵝毛口斷裂帶與汾渭裂谷帶大同盆地相鄰；北東界為青磁窯逆斷層；西臨呂梁經(jīng)向構(gòu)造帶的西石山脈。

表1 大同煤田地層表

圖1 大同煤田地層分布圖Figure 1 Strata distribution in Datong coalfield

1.4 煤層特征

大同煤田石炭二疊系主要含煤地層為太原組和山西組，含煤15層，其中：山西組含山1、山2、山3、山4等4層煤，僅山4號(hào)煤層大部可采。太原組含煤11層，其中3、5(3-5)、8號(hào)為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，2、6、9號(hào)局部或零星可采。

山4號(hào)煤層位于山西組下部，山西組底砂巖K3之上，主要分布大同煤田的中部偏東，煤層平均厚2.44m，頂板巖性多為砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板巖性多為炭質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

3號(hào)煤層位于太原組上部，穩(wěn)定性較好，是上煤組重要的可采煤層。煤層平均厚3.89m，穩(wěn)定性好，頂板巖性多為細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板巖性多為砂質(zhì)泥巖。

5號(hào)煤層位于于太原組上，中部，全煤田普遍發(fā)育，穩(wěn)定性好，是大同煤田主要可采煤層。全煤田范圍內(nèi)平均厚度10.10m。頂板巖性多為砂礫巖、砂質(zhì)泥巖，底板巖性多為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖。在魏家溝、塔山、同忻區(qū)及左云南一帶，3號(hào)煤層和5號(hào)煤層合并為3-5號(hào)煤層平均厚度達(dá)17.58m。

8號(hào)煤層位于太原組下部，全煤田普遍發(fā)育，平均厚4.57m，頂板巖性多為泥巖、泥灰?guī)r，底板巖性多為高嶺質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖。

1.5 煤質(zhì)特征

山西組主采煤層原煤水分變化在0.38%～5.76%之間，平均1.88%；原煤干燥基灰分變化在介于13.65%～47.17%之間，平均為30.12%；浮煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分為2.7%～39.6%，平均為34.52%；原煤全硫介于0.17%～3.61%之間，平均為0.68%；原煤干燥基高位發(fā)熱量平均為25.50 MJ/kg。煤類以氣煤為主，可作為低溫干餾及煉焦配煤。

肅南裕固族傳統(tǒng)體育項(xiàng)目的推廣受到當(dāng)?shù)氐匦?、文化傳統(tǒng)、風(fēng)俗習(xí)慣以及裕固人“逐水草而居”的游牧生活影響，這些地理?xiàng)l件和自然因素不僅塑造了具有裕固族特色的傳統(tǒng)體育項(xiàng)目和文化，同時(shí)也從根本上限制了裕固族傳統(tǒng)體育的發(fā)展。

太原組主采煤層原煤水分變化為0.68%～6.92%，平均2.49%；原煤灰分為9.76%～43.38%，平均為27.92%；浮煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分為1.52%～42.73%，平均為38.39%；原煤全硫?yàn)?.07%～3.08%，平均為0.93%；原煤干燥基高位發(fā)熱量平均為22.91 MJ/kg。煤類以以氣煤為主，分布有少量的長(zhǎng)焰煤、弱黏煤和1/3焦煤，零星分布有1/2中黏煤，可作為低溫干餾及煉焦配煤。

1.6 煤巖和礦物

(1)顯微煤巖組分。山西組、太原組煤樣的Ro大部分為0.5%～0.8%，其變質(zhì)程度屬于中等變質(zhì)煤，部分地區(qū)樣品的Ro值較高，可能與巖漿巖侵入有關(guān)。

煤巖組分主要為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，鏡質(zhì)組主要為基質(zhì)鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體，惰質(zhì)組主要為絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體；無(wú)機(jī)礦物以黏土類礦為主，還有少量硫化物和碳酸鹽礦物，黏土礦物主要充填在有機(jī)顯微組分中，如結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)組、基質(zhì)鏡質(zhì)體和絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體。黃鐵礦成侵染狀、充填胞腔和裂隙中。碳酸鹽礦物主要有方解石和菱鐵礦，主要為后生成因，裂隙充填狀。

(2)礦物組成及賦存狀態(tài)。通過X衍射分析和掃描電鏡測(cè)試，煤樣的無(wú)機(jī)顯微組分顯示，煤中礦物主要包括了黏土礦物，硫化物和碳酸鹽礦物。除此之外還有氧化物礦物，如石英、金紅石和鋯石礦物。

2 元素分布及賦存特征

2.1 富集特征

Dai等人提出用CC表示煤中微量元素的富集系數(shù)，CC值為煤樣中的微量元素含量與世界煤中微量元素平均值的比值，CC<0.5為虧損，0.5100為超常富集。

Dai等人給出了中國(guó)煤中鍺元素含量的背景值為2.78 ug/g，通過本次收集的地勘鉆孔資料中鍺元素含量和煤礦采集樣品的ICP-MS分析測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，山4號(hào)煤層煤中鍺元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值4.09 ug/g，3-5號(hào)煤層煤中鍺元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值2.75ug/g，8號(hào)煤層煤中鍺元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值3.72 ug/g。通過與中國(guó)煤中微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值比較，山4號(hào)煤層煤中鍺元素富集系數(shù)為1.47，屬于正常元素；3-5號(hào)煤層煤中鍺元素富集系數(shù)為0.99，屬于正常元素；8號(hào)煤層煤中鍺元素富集系數(shù)為1.34，屬于正常元素。

2.2 平面分布特征

根據(jù)收集的煤炭勘查區(qū)鉆孔煤質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)及煤礦采樣煤中鍺的測(cè)試結(jié)果，計(jì)算出大同煤田山4、3-5和8號(hào)煤層各點(diǎn)鍺含量的加權(quán)平均值，并據(jù)此勾畫了大同煤田山4、3-5和8號(hào)煤中鍺含量等值線圖(圖2、圖3、圖4)。

山西組山4號(hào)煤層煤中鍺質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2～26.5 ug/g之間，平均值4 ug/g。山4號(hào)煤層中鍺含量從大同煤田南部向北部逐漸富集，富集區(qū)分布在大同煤田北部地區(qū)，其中有3個(gè)大于10 ug/g的富集區(qū)，分別位于高山鎮(zhèn)四臺(tái)礦、同忻礦和同煤塔山礦(圖2)。

太原組3-5號(hào)煤層煤中鍺質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～27.7 ug/g之間，平均值2.8 ug/g。太原組3-5號(hào)煤層中鍺含量從大同煤田南部向北部逐漸富集，富集區(qū)分布在大同煤田北部地區(qū)，其中有4個(gè)大于10 ug/g的富集區(qū)，分別位于高山鎮(zhèn)四臺(tái)礦、同忻礦(圖3)。

太原組8號(hào)煤層煤中鍺質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～34.3 ug/g之間，平均值3.8 ug/g。太原組8號(hào)煤層中鍺含量從大同煤田東南部向西北部逐漸富集，富集區(qū)分布在大同煤田西北部地區(qū)，其中有3個(gè)大于10 ug/g的富集區(qū)，分別位于高山鎮(zhèn)四臺(tái)礦、同忻礦(圖4)。

圖2 山西組山4號(hào)煤層煤中鍺的含量等值線圖Figure 2 Isogram of germanium content in Shanxi Formation coal No.S4

圖3 太原組3-5號(hào)煤層煤中鍺的含量等值線圖Figure 3 Isogram of germanium content in Taiyuan Formation coal No.3-5

圖4 太原組8號(hào)煤層煤中鍺的含量等值線圖Figure 4 Isogram of germanium content in Taiyuan Formation coal No.8

2.3 垂向分布特征

根據(jù)大同煤田煤礦采樣樣品煤中鍺含量的測(cè)試結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析出山西組山4號(hào)煤層和太原組3-5和8號(hào)煤層的最小值、最大值、平均值(表2)，并將山西組、太原組各煤層中的鍺含量均值進(jìn)行了對(duì)比(圖5)：總體垂向上看，大同煤田煤中鍺含量從下向上逐漸升高，其中山4號(hào)煤層最大，平均值大于10 ug/g。

表2 大同煤田主采煤層煤中鍺含量統(tǒng)計(jì)

鍺質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值/μg·g-1圖5 大同煤田不同煤層煤中鍺含量垂向分布Figure 5 Vertical distribution of germanium content in different coal seams in Datong coalfield

2.4 賦存特征

綜上所述，各煤層煤中鍺主要富集在大同煤田北部，大同北部的煤層煤變質(zhì)程度低，多以長(zhǎng)焰煤和氣煤為主，低價(jià)煤中有機(jī)質(zhì)含有較多官能團(tuán)，可以與鍺以整合物的形式結(jié)合。

2.5 成因淺析

在泥炭沼澤時(shí)期，成煤植物經(jīng)過大分子物質(zhì)的分解和小分子物質(zhì)的聚合，形成了腐殖酸等有機(jī)質(zhì)大分子物質(zhì)。腐殖酸一方面聚煤環(huán)境成酸性，而使得想Al(OH)3正膠體和帶負(fù)電的SiO2膠體發(fā)生凝聚作用，形成同生的硅鋁酸鹽礦物，最終到達(dá)Al、Si等親石元素得到富集；另一方面腐殖酸的大分子結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的吸附能力，可以對(duì)煤中微量元素進(jìn)行吸附，使得元素賦存在有機(jī)質(zhì)中。

大同煤田煤中鍺主要以有機(jī)質(zhì)結(jié)合存在，其富集區(qū)主要分布在低變質(zhì)程度煤層中，所以有機(jī)質(zhì)的還原和吸附作用對(duì)煤中鍺元素富集起到一定作用。

3 成礦前景預(yù)測(cè)

鍺是一種稀散元素，大部分鍺是以雜質(zhì)狀態(tài)存在于閃鋅礦、硫砷銅礦等礦物中，煤中也常含有元素鍺，很少獨(dú)立成礦，鍺在煤中的富集程度大多在5 g/t以下，一般而言，褐煤、長(zhǎng)焰煤、氣煤低價(jià)煤類中含鍺品位最高，其次是焦煤和瘦煤，貧煤和無(wú)煙煤最少。

據(jù)相關(guān)研究，我國(guó)煤中鍺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大部處于 bdl～5ug/g，儲(chǔ)量均值2.52ug/g。此次研究工作發(fā)現(xiàn)，大同煤田山4號(hào)、3-5號(hào)、8號(hào)煤煤中鍺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為4ug/g、2.8ug/g、3.8ug/g，按照Dai等的觀點(diǎn)，各煤層鍺含量屬于正常范圍。從品位來(lái)看，本評(píng)價(jià)區(qū)煤中鍺元素盡管總體上沒有達(dá)到邊界工業(yè)品位，但部分勘探區(qū)煤中存在地球化學(xué)異常，通過初步選礦或提取，可使元素得到相當(dāng)程度的富集。為此，區(qū)內(nèi)煤中鍺仍有一定的成礦前景。

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤中鍺的賦存狀態(tài)研究較多，一般認(rèn)為煤中鍺的主要賦存狀態(tài)是與有機(jī)質(zhì)結(jié)合。鍺極易富集在官能團(tuán)比較發(fā)育、有序度較低的低價(jià)煤中。此次研究工作發(fā)現(xiàn)，大同煤田各煤層煤中鍺含量與灰分不相關(guān)或低度相關(guān)，鍺的富集區(qū)主要分布在煤層成熟度較低的地區(qū)，受有機(jī)質(zhì)的影響較大。

從平面上看，山4號(hào)、3-5號(hào)、8號(hào)煤層煤中鍺的高值區(qū)均位于煤田北部高山鎮(zhèn)附近的四臺(tái)煤礦、口泉鄉(xiāng)附近的同忻煤礦，所以四臺(tái)煤礦和同忻煤礦可以作為鍺成礦遠(yuǎn)景區(qū)。

總體上，大同煤田煤中鍺資源富集較高，成礦及開發(fā)利用前景較好。對(duì)于大同煤田煤中鍺的富集成礦，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注煤田北部四臺(tái)煤礦和同忻煤礦這兩個(gè)區(qū)域，在這兩個(gè)區(qū)域的各煤層煤中鍺資源富集度高，成礦前景較好，可作為下一步重點(diǎn)勘查開發(fā)地區(qū)。

4 結(jié)論

(1)大同煤田煤炭中鍺元素主要分布在大同煤田的北部地區(qū)的高山和口泉地區(qū)。

(2)大同煤田煤炭中鍺元素主要賦存在煤有機(jī)質(zhì)中。

(3)大同煤田煤炭中鍺主要賦存在有機(jī)質(zhì)中，其富集區(qū)集中在低變質(zhì)煤中，受有機(jī)質(zhì)影響較大。

(4)鍺元素富集區(qū)基本分布于大同煤田北部，高山鎮(zhèn)附近的四臺(tái)煤礦以及口泉鄉(xiāng)附近的同忻煤礦可以作為鍺成礦遠(yuǎn)景區(qū)，可作為下一步重點(diǎn)勘查開發(fā)地區(qū)。