李影影，劉桂建，陳冰宇，丁典識(shí)

(1.江西省大氣污染成因與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013；2.中國(guó)科學(xué)院殼幔物質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026)

煤炭是我國(guó)的重要能源之一，在豐富的煤炭資源中富含著大量的微量元素，可供開發(fā)利用[1]。煤的成分極其復(fù)雜，前人研究發(fā)現(xiàn)在煤的樣品中可檢測(cè)出86種元素，其中，包括C，H，O，N，S，Al，Si，F(xiàn)e，Mg，Na，K，Ca等12種主要元素，而其余74種元素因在煤中的平均豐度低于0.1%，則被稱為微量元素[2-4]。煤中微量元素作為煤田地質(zhì)學(xué)、煤地球化學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科的主要研究對(duì)象，多應(yīng)用于煤田地質(zhì)(如Ba、Sr等具有成煤環(huán)境指向意義)、資源綜合利用(如Ga、Ge、V等富集提取回收利用)和環(huán)境污染(如As、Pb、F等對(duì)環(huán)境的影響)等研究方向[5]。

基于此，本文以淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦為例，系統(tǒng)研究主采煤層煤中微量元素的含量分布特征，并將其與華北、中國(guó)煤及地殼豐度進(jìn)行對(duì)比分析，明確微量元素富集規(guī)律并剖析其地球化學(xué)特征，為淮北礦區(qū)煤中微量元素綜合利用以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)與主采煤層概況

蘆嶺煤礦位于淮北礦區(qū)的宿縣礦區(qū)內(nèi)(圖1)，處于宿東向斜西南翼的東南段，煤田內(nèi)主要以斜切斷層為主。受古生代加里東早期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，地殼整體隆起，遭受風(fēng)化剝蝕，沉積間斷，致使本區(qū)缺失了上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)。石炭紀(jì)早期，本區(qū)地殼緩慢下沉，接受沉積，并具備有良好的成煤環(huán)境，沉積了一套煤系地層[6]。其煤系地層以二疊系山西組、下石盒子組以及上石盒子組為主要含煤巖段，其中，下石盒子組8煤層和9煤層以及山西組10煤層為主采煤層，平均可采總厚度31.75 m。8煤層為特厚煤層，平均厚度為9.56 m，賦存穩(wěn)定；9煤層為中厚煤層，平均厚度為3.01 m，局部與8煤層合并，煤層絕大多數(shù)為鱗片狀，頂板破碎。8煤、9煤層堅(jiān)固性系數(shù)低，松軟易碎。10煤層為中厚煤層，全區(qū)普遍發(fā)育，是煤礦主要可采煤層，較穩(wěn)定。煤質(zhì)以氣煤為主，中低灰分，低硫低磷、高焦油率，屬典型的突出松軟厚煤層。

圖1 蘆嶺煤礦位置圖Figure 1 Luling coalmine location map

2 樣品采集與測(cè)試

本次研究共采集了淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦不同煤層的原煤樣品15個(gè)。其中，8煤層、9煤層和10煤層各采集了5個(gè)樣品。煤巖樣品均按照國(guó)標(biāo)進(jìn)行刻槽采樣，保存于樣品袋中，以避免可能的氧化和污染。樣品經(jīng)風(fēng)干、破碎及研磨過(guò)200目篩，以達(dá)到測(cè)試分析所需要的樣品粒度，然后進(jìn)行加酸消解，最后將處理好的樣品送于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化結(jié)構(gòu)中心進(jìn)行39種微量元素含量測(cè)試，測(cè)定儀器為電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)(使用儀器為Thermo Fisher Scientific公司生產(chǎn)的X Series 2型)及電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)(使用儀器為PeklinElmer公司生產(chǎn)的Optima 7300 DV型)。

3 結(jié)果與討論

3.1 微量元素分布特征

本次共測(cè)試了下石盒子組的8煤層和9煤層及山西組的10煤層中共15個(gè)樣品中的39種元素，包括Al、Mg、Fe、Si四種主量元素，微量元素有As、B、Be、Cd、Co、Cr、Cu、Li、Mn、Ni、V、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、Zn、Sc、Th、U，稀土元素有Ce、Dy、Er、Eu、Gd、La、Lu、Nd、Pr、Sm、Tb、Yb、Y、Ho。

表1給出了15個(gè)原煤樣品的微量元素測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果。通過(guò)對(duì)表中數(shù)據(jù)分析可以得出，主量元素中Mg和Fe在8煤中含量較高，Al和Si在10煤中含量較高，說(shuō)明下石盒子組煤中Mg、Fe元素相對(duì)于山西組煤富集，而山西組煤中Al、Si含量相對(duì)于下石盒子組較為富集；山西組煤中微量元素Pb的含量約為下石盒子組煤中含量的3倍，微量元素Th、Zn、Cr在山西組煤中的含量也明顯高于下石盒子組，而微量元素V在山西組中要低于下石盒子組中含量；稀土元素在山西組煤中含量整體要高于下石盒子組；其余微量元素的含量在下石盒子組和山西組煤中的差距不明顯。因此，可以初步得出山西組中微量元素含量明顯要高于下石盒子組。

在下石盒子組中，8煤層與9煤層的微量元素含量相比，9煤層煤中微量元素普遍低于8煤層， 這可能是由于9煤層在成煤過(guò)程中受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，導(dǎo)致煤中微量元素發(fā)生遷移，從而含量減少[7]。

3.2 與華北和中國(guó)煤中微量元素的比較

微量元素含量的平均值通?？梢院芎玫姆从逞芯繉?duì)象的總體特征[8]，因此本文將研究區(qū)主采煤層煤中微量元素的平均值與中國(guó)和華北煤中微量元素的均值進(jìn)行比較，并以此作為衡量研究區(qū)內(nèi)煤中微量元素富集與否的指標(biāo)[9-10](表2)。

由表2中可得知，蘆嶺煤礦中As、Co、Fe、Mn、Sn、Sr、Ce、Nd、Sm、Yb、U等元素的平均含量明顯低于華北煤、中國(guó)煤的均值；研究區(qū)內(nèi)明顯偏高于華北、中國(guó)煤均值的有Be、Cr、Cu、Ga、Li、Pb、Th；研究區(qū)內(nèi)微量元素與華北、中國(guó)煤平均含量接近的有B、Eu、Tb、Y；蘆嶺煤礦中微量元素平均含量低于華北煤，與中國(guó)煤均值接近的有Ti、Sc、La；研究區(qū)內(nèi)微量元素平均含量與華北煤接近，高于中國(guó)煤的有Cd、Ni、V?；诖?，可以得出蘆嶺煤礦微量元素含量與華北、中國(guó)煤中微量元素含量差異較大，這可能是因?yàn)槎B紀(jì)時(shí)期淮北礦區(qū)處于華北聚煤盆地南緣，屬海陸交互相沉積環(huán)境，陸源碎屑的帶入可能影響了蘆嶺煤礦煤中微量元素的含量分布特征[11]。

表1 蘆嶺煤礦不同煤層煤樣品中微量元素含量

表2 蘆嶺煤礦與華北、中國(guó)煤中微量元素含量對(duì)比

圖2 蘆嶺煤礦8、9、10三煤層富集系數(shù)分布Figure 2 Luling coalmine coal Nos.8, 9 and10 enrichment coefficient distributions

3.3 與地殼微量元素的平均值的比較

不同元素在地殼中的含量存在著數(shù)量級(jí)上的差異，僅僅以微量元素的絕對(duì)含量值進(jìn)行地球化學(xué)特征研究就會(huì)帶來(lái)諸多不便，為此前人引入富集系數(shù)的概念進(jìn)行元素的含量分布特征研究[12]。所謂富集系數(shù)是指樣品實(shí)測(cè)值與選取的背景值之間的比值，用EF來(lái)表示。本文所采用的EF值的計(jì)算方法為：EF=C實(shí)測(cè)/C背景，背景值引自文獻(xiàn)[13]。

本次研究根據(jù)Filippidis(1996)提出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[14]，確定微量元素富集程度的判別指標(biāo)如下：EF>10為強(qiáng)烈富集型；EF在5～10為富集型；EF在0.5～5為正常型；EF<0.5為虧損型。依據(jù)此判別標(biāo)準(zhǔn)可以得出：蘆嶺煤礦中Be、Cd、Cu、Ga、Pb、Sb、Zn、Th屬于正常型；B、Fe、Li、Pb為富集型；而Al、As、Mg、Co、Cr、Mn、Ni、V、Sn、Sr、Sc、Si、U為虧損型。同一元素在蘆嶺煤礦8煤層、9煤層和10煤層煤中的富集系數(shù)差異性并不明顯，而不同元素的富集系數(shù)相差較大，最大值為Fe的富集系數(shù)為8.78，最小值為Si的富集系數(shù)為0.001。

4 結(jié)論

通過(guò)本次研究，得出以下主要結(jié)論：

(1) 下石盒子組的8煤層和9煤層與山西組的10煤層對(duì)比，下石盒子組煤中微量元素含量整體低于山西組；而在下石盒子組中9煤層煤中微量元素含量低于8煤層。

(2) 蘆嶺煤礦與華北和中國(guó)煤中的元素含量存在著明顯的差異性，主要體現(xiàn)為微量元素Ga、Li、Pb的明顯富集以及主量元素Fe和微量元素U的明顯虧損。

(3)與地殼中元素含量相比，蘆嶺煤礦主采煤層煤中僅主量元素Fe和微量元素Li、Pb、B出現(xiàn)富集，虧損型元素較多，且不同元素的富集系數(shù)相差較大。