黃少青, 劉 亢, 寧樹正, 郭愛軍, 孫 杰， 龔漢宏

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院, 北京 100039)

0 引言

隨著以準(zhǔn)格爾煤田為代表的煤中金屬富集成礦的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，對煤中金屬富集及其成因的探索已成為煤炭地質(zhì)研究的重要方向[1]。河?xùn)|煤田位于鄂爾多斯盆地東緣，煤炭資源豐富，近年已有多位學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)河?xùn)|煤田煤中鋁、鎵、鋰等金屬的富集礦點(diǎn)，為進(jìn)一步探索煤中金屬富集及其規(guī)律提供了線索[2-6]。在前人研究基礎(chǔ)上，筆者基于鄂爾多斯盆地煤中關(guān)鍵金屬資源項(xiàng)目，系統(tǒng)收集、梳理煤中金屬方面的研究成果，結(jié)合保德地區(qū)的部分測試數(shù)據(jù)，論述煤(灰)中鋁、鎵、鋰等金屬元素在河?xùn)|煤田的時(shí)空分布，并探討其富集成因，旨在推動河?xùn)|煤田煤中鋁、鎵、鋰等金屬元素的資源化利用，促進(jìn)煤炭資源的高效利用。

1 地質(zhì)概況

河?xùn)|煤田位于山西省西部，呂梁山脈以西，由南至北跨運(yùn)城、臨汾、呂梁、忻州四個(gè)市，北起偏關(guān)，南到河津，西以黃河為界，南、北界為煤層露頭線，東以離石斷裂帶和煤層露頭線為界，為山西臺隆與鄂爾多斯臺坳的構(gòu)造轉(zhuǎn)折部位，是大型含煤盆地——鄂爾多斯盆地的一部分[7-8]，南北長約450km，東西寬10～40km，面積約17 000km2。

主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組(圖1)。煤系地層平均總厚144.46m。山西組厚度56.59～74.10m，平均62.98m。含煤8層，其中有編號的煤層5 層，分別為2、4、5、6、8號煤層，煤層自上而下均有分布，2、4號煤層位于本組上部，層位極不穩(wěn)定。可采的5、6、8號煤層位于本組中下部及下部，5號煤層層位較穩(wěn)定，局部可采；6號煤層層位穩(wěn)定，大部可采；8號煤層為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。

太原組厚度70.77～92.95m，平均81.48m，含煤10層，其中有編號的煤層7 層，分別為9、10、11、13、14、15、16號煤層，煤層自上而下均有分布，14、15、16 號煤層位于本組下部，層位極不穩(wěn)定。可采的9、10、11、13號煤層位于本組上部、中部及中下部。9、11號煤層層位穩(wěn)定，大部可采；10號煤層層位較穩(wěn)定，局部可采；13號煤層為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。13號煤層：厚度0.85～20.26m，平均15.21m。全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育的主要可采煤層，多為黑色半亮型煤，一般有四層夾矸，勘查區(qū)北部夾矸層增多，可達(dá)10 層，夾矸多為灰黑色泥巖，局部底層夾矸為3m 左右淺灰色中粒砂巖，夾有炭質(zhì)泥巖。區(qū)內(nèi)發(fā)育1～3層泥灰?guī)r或石灰?guī)r，分別位于11號煤層、14號煤層及16號煤層頂，但穩(wěn)定性均差。以11號煤層頂部發(fā)育的石灰?guī)r(保德灰?guī)r)厚度最大，且穩(wěn)定性好[9]。

2 河?xùn)|煤田煤中金屬元素特征

2.1 煤中鋁

河?xùn)|煤田二疊系山西組煤灰中Al2O3含量整體基本達(dá)到30%以上(圖2，表1)，在其南部的王家?guī)X煤礦至隰縣寨子煤礦一帶，煤灰中Al2O3含量在30%～35%；在煤田中部的中陽縣吳家峁煤礦至臨縣三交煤礦一帶，煤灰中Al2O3含量在35%左右，整體含量相對高于煤田南部；煤田北部的臨縣高家塔煤礦至河曲縣上榆泉—大塔煤礦一帶煤灰中Al2O3在35%以上，臨縣高家塔煤礦含量可達(dá)40%以上，北區(qū)保德地區(qū)周邊整體含量在整個(gè)河?xùn)|煤田中最高。河?xùn)|煤田山西組從南至北煤灰中Al2O3含量逐步升高。

圖1 河?xùn)|煤田北部太原組綜合柱狀圖Figure 1 Comprehensive column of Taiyuan Formationin Hedong coalfield north part

河?xùn)|煤田太原組煤灰中Al2O3含量總體小于山西組(圖3)，在南部區(qū)域基本在35%以下，且由吉縣柏山寺-柳林縣賀西煤礦呈下降趨勢，煤灰中Al2O3含量在河?xùn)|煤田中部(賀西煤礦-臨縣呂家?guī)X)變化較大，含量高點(diǎn)與低點(diǎn)均分布于此區(qū)域；北部區(qū)域煤灰中Al2O3含量變化不大，太原組煤灰中Al2O3含量在35%左右，山西組含量在35%～40%，山西組含量略高于太原組含量。

對于單一煤層，煤灰中Al2O3含量表現(xiàn)為煤層中部相對富集，頂?shù)装搴肯鄬^低(表1，表2)。

表1 河?xùn)|煤田煤灰中Al2O3含量

表2 柳林縣沙曲煤礦煤灰成分分析

表3 河?xùn)|煤田北部主要煤層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖2 河?xùn)|煤田(由南至北)山西組煤灰中Al2O3含量Figure 2 Shanxi Formation coal ash Al2O3 contentin Hedong coalfield (from south to north)

圖3 河?xùn)|煤田(由南至北)太原組煤灰中Al2O3含量Figure 3 Taiyuan Formation coal ash Al2O3 contentin Hedong coalfield (from south to north)

2.2 煤中鎵

河?xùn)|煤田北部區(qū)域煤中鎵含量相對高于中南部區(qū)域煤中鎵含量，其北部河保偏礦區(qū)煤層中鎵的平均含量分布如表3所示。通過對273件煤樣的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，區(qū)內(nèi)煤中鎵的均值在9～39μg/g，加權(quán)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.52μg/g。前人總結(jié)認(rèn)為[10]，中國C—P系煤中鎵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.88μg/g，對比發(fā)現(xiàn)河?xùn)|煤田北部河保偏礦區(qū)煤中鎵的含量明顯富集，8#煤中鎵的均值是中國C—P系煤層中鎵含量的2.11倍。個(gè)別煤層中鎵超出最低工業(yè)品位 (30μg/g )。

選取煤層中鎵均值相對較高的8#煤層，從圖4可以看出，煤中鎵在保德地區(qū)附近形成富集中心，向外側(cè)逐漸降低，保德地區(qū)部分區(qū)域鎵含量平均值超過25μg/g(圖4)。

在垂向上， 山西組煤層中鎵的含量整體高于太原組煤中鎵的含量(表4)，保德楊家灣勘查區(qū)Y501孔煤樣煤樣中山西組5#、6#、8#煤各樣品鎵含量均超過20μg/g，6#煤、8#煤部分樣品鎵含量超過工業(yè)品位(30μg/g)要求；太原組各煤層多數(shù)煤樣鎵含量小于15μg/g，但在太原組下部的13#煤層展現(xiàn)出鎵含量由上至下升高的趨勢，其中13#煤層下部的4個(gè)樣品鎵含量均超過20μg/g。

圖4 河?xùn)|煤田北部8#煤層煤中鎵含量等值線(根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，修改)Figure 4 Coal No.8 coal gallium contents isogram in Hedongcoalfield north part (after reference [6], modified)

表4 保德楊家灣勘查區(qū)Y501孔煤樣的煤質(zhì)分析及Ga含量

2.3 煤中鋰及其他微量元素

河?xùn)|煤田山西組煤層中Li、In、Sr和REY相較于太原組擁有較高的含量，且山西組煤層中達(dá)到富集程度的元素種類比太原組中的多出不少(表5，圖5)。

河?xùn)|煤田5號煤層中的Li、Cu、Ga、In、Pb和REY擁有較高的含量，達(dá)到富集或者輕度富集的狀態(tài)。其中保德礦5號煤中的Li含量為305μg/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中國煤伴生鋰礦的經(jīng)濟(jì)品位[11]，達(dá)到高度富集的程度；保德礦除了高度富集的Li元素外，元素Sc、Pb和Th也在煤層中擁有較高的含量，與世界硬煤中的均值相比處于富集的狀態(tài)。

表5 河?xùn)|煤田煤層元素含量

圖5 河?xùn)|煤田保德地區(qū)煤中金屬元素富集系數(shù)(a 山西組; b 太原組)Figure 5 Coal metal element enrichment coefficients in Baodearea, Hedong coalfield (a) Shanxi Formation;(b) Taiyuan Formation

3 河?xùn)|煤田煤中金屬元素富集成因分析

河?xùn)|煤田的物源主要來自于北部的陰山古陸[12]，石炭-二疊紀(jì)煤系沉積初期，陸源區(qū)出露著大范圍的沉積巖層，陸源區(qū)與華北地塊處于同一構(gòu)造單元，后來伴隨著華北板塊和西伯利亞板塊的碰撞，陰山一帶逐漸隆起，剝蝕強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，使變質(zhì)巖系及侵入其中的巖漿巖體逐漸露出地表遭受剝蝕[13-14]，而河?xùn)|煤田拗陷沉降，河?xùn)|煤田石炭-二疊紀(jì)聚煤盆地接受來自陰山一帶風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物的沉積。此外，在煤層形成的中期，煤田的北東部開始隆起，并有本溪組鋁土礦出露[14]，也為成礦區(qū)提供了物源供給。

物源區(qū)母巖類型多樣，總體上為中性或中酸性巖，主要有中元古代鉀長花崗巖、黑云母花崗巖，還有火山巖和火山噴出巖、沉積巖和變質(zhì)巖，物源區(qū)母巖中含有豐富的微量元素，為成礦區(qū)煤中相應(yīng)的高含量的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[15]。從鋁、鎵、鋰等元素富集的分布來看，距離北部物源區(qū)較近的河曲、保德一帶明顯富集，而距離物源區(qū)較遠(yuǎn)的南部地區(qū)，元素含量較低，所以推測元素搬用距離是控制河?xùn)|煤田煤中鋁、鎵、鋰等元素含量的主要控制因素之一，距離物源區(qū)較近，陸源碎屑搬運(yùn)距離較短，有利于Al、Ga、Li等元素在煤中的富集。此外，在晚石炭世時(shí)期，本溪組鋁土礦風(fēng)化殼中的三水

鋁石以及少量的黏土礦物在水流的作用下[16]，以膠體的形式經(jīng)過短距離的搬運(yùn)進(jìn)入富集區(qū)域，也為煤田北部元素富集提供了豐富的物源。

4 結(jié)論

1)從平面分布看，河?xùn)|煤田Al、Ga、Li均表現(xiàn)為含量由南向北逐漸升高，總體來看保德地區(qū)及附近煤中Al、Ga、Li含量均達(dá)到了最高，其中部分區(qū)域煤灰中Al2O3超過40%；鎵在保德地區(qū)煤中部分測試點(diǎn)含量遠(yuǎn)超工業(yè)品位，特別是山西組底部8#煤及太原組13#煤層底部，鎵具有潛在利用價(jià)值；保德礦5#煤中的Li含量為305μg/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中國煤伴生鋰礦的經(jīng)濟(jì)品味，達(dá)到高度富集的程度。

2)垂向上，河?xùn)|煤田普遍呈現(xiàn)鋁及鎵、鋰等微量元素含量山西組大于太原組，且在富集元素?cái)?shù)量上也展現(xiàn)出山西組富集元素種類對于太原組，但在太原組底部13#煤層鎵元素含量明顯升高。

3)河?xùn)|煤田的物源主要來自于北部的陰山古陸，距離北部物源區(qū)較近的河曲、保德一帶明顯富集，而距離物源區(qū)較遠(yuǎn)的南部地區(qū)，元素含量較低，所以推測元素搬用距離是控制河?xùn)|煤田煤中鋁、鎵、鋰等元素含量的主要控制因素之一，距離物源區(qū)較近，陸源碎屑搬運(yùn)距離較短，有利于Al、Ga、Li等元素在煤中的富集。