成賢康，孫蓓蕾，劉 超，曾凡桂，解錫超，暢向東

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024; 2.山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院,山西 太原 030001; 3.煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030024)

近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)在華北北部石炭—二疊紀(jì)煤層中，存在Li,Al,Ga,REE等多種關(guān)鍵金屬富集現(xiàn)象，如山西寧武煤田煤中鋁、鋰、鎵及稀土等元素富集，是煤型關(guān)鍵金屬潛在有利區(qū)[1]。平朔礦區(qū)位于寧武煤田北部，其煤炭總儲(chǔ)量達(dá)130億t，安家?guī)X煤礦9號(hào)煤中鋰元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)60.4×10-6～840.1×10-6，形成了超大型煤型鋰礦床[2-3]。SUN等[4]通過(guò)SCEP,SEM-EDS,XRD等方法對(duì)山西寧武煤田平朔等多個(gè)礦區(qū)太原組煤中超常富集的Al-Li-Ga多金屬成礦的成因機(jī)制進(jìn)行了深入剖析，研究認(rèn)為其中Li,Ga和Al富集與無(wú)機(jī)質(zhì)有關(guān)，高嶺石等硅酸鹽礦物可能是Li,Ga和Al的載體，他們還認(rèn)為這些元素的富集屬于陸源型成因，來(lái)源于陰山古陸。劉蔚陽(yáng)等[5]通過(guò)運(yùn)用相關(guān)性分析、XRD、逐級(jí)化學(xué)提取等方法對(duì)山西寧武煤田中南溝煤礦和大恒煤礦的多個(gè)煤層中REE富集的成因及賦存狀態(tài)進(jìn)行了探討，研究發(fā)現(xiàn)煤中稀土元素主要賦存在硅鋁酸鹽等礦物中，屬于無(wú)機(jī)來(lái)源且物源主要來(lái)自于華北板塊北緣的陰山古陸。王金喜[6]運(yùn)用相關(guān)性分析、逐級(jí)化學(xué)提取等方法對(duì)寧武煤田石炭二疊系各礦區(qū)煤中Li的賦存狀態(tài)與沉積控制模式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)煤中Li主要以硅酸鹽礦物賦存為主，Li的富集為陸源控制型且最初來(lái)源來(lái)自于北部陰山古陸。雖然對(duì)寧武煤田煤中Al-Li-Ga-REE多金屬成礦的成因機(jī)制進(jìn)行了探究，且發(fā)現(xiàn)不同煤層Li等關(guān)鍵金屬的富集程度及元素富集組合存在較大的差異，但對(duì)導(dǎo)致這種差異的原因沒(méi)有深入系統(tǒng)的分析。在煤層剖面中，可以發(fā)現(xiàn)在夾矸附近的煤層Li富集程度高，系統(tǒng)分析煤層中夾矸的母巖類(lèi)型及其構(gòu)造背景，可能是認(rèn)識(shí)這一問(wèn)題的途徑。因此，筆者以安家?guī)X煤礦晚古生代太原組煤層中19個(gè)煤層頂、底板和夾矸為研究對(duì)象，進(jìn)行巖石學(xué)、地球化學(xué)分析，試圖揭示富鋰與非富鋰煤層碎屑物質(zhì)母巖類(lèi)型及構(gòu)造背景，從而為煤中Li的富集機(jī)制及成礦規(guī)律的認(rèn)識(shí)奠定基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

寧武煤田位于山西省北部，面積約2 760 km2，分為4個(gè)礦區(qū):平朔、朔南、軒崗和嵐縣礦區(qū)(圖1)。寧武煤田在地質(zhì)上形成于寧武盆地，寧武盆地在大地構(gòu)造上處于比較特殊的地理位置，其東側(cè)為五臺(tái)山復(fù)背斜，西部為蘆芽山復(fù)背斜，北部為桑干河地塹，西南緊鄰呂梁山隆起[9]。寧武盆地呈北東—南西條帶展布，以古、中生代地層組成的向斜構(gòu)造為主。盆地基底為早前寒武紀(jì)變質(zhì)巖系，其核部由侏羅紀(jì)地層組成，兩翼依次出露三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系和寒武系及前寒武系，缺失泥盆系與志留紀(jì)系，兩翼地層產(chǎn)狀較陡[10]。平朔礦區(qū)位于寧武盆地北部，區(qū)內(nèi)晚生代含煤地層包括本溪組、太原組和山西組，其中山西組和本溪組僅見(jiàn)少量煤線，太原組為礦區(qū)內(nèi)主要含煤地層，太原組厚度63～117 m，平均厚度90 m，煤層總厚度32 m。主采4號(hào)、9號(hào)和11號(hào)煤層，含煤系數(shù)高達(dá)36.5%。除煤層外，巖性以黃綠色砂巖、灰色泥巖為主，含少量灰?guī)r。其中4-1號(hào)煤層厚9.16 m，8號(hào)煤層厚3.14 m，9號(hào)煤層厚度2.4～36.5 m，平均厚度為13.45 m[11]，11號(hào)煤層厚度0～8.7 m，平均厚度為3.61 m。

圖1 山西省安家?guī)X煤礦地理位置[7-8]Fig.1 Geographical location of Anjialing Coal Mine in Shanxi Province[7-8]

2 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

在平朔礦區(qū)安家?guī)X煤礦按照標(biāo)準(zhǔn)GB482—2008進(jìn)行分層刻槽取樣，共采集了太原組4-1號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、11號(hào)煤層的19件樣品，包括7件煤層頂?shù)装鍢悠罚?2件煤層夾矸(圖2)，其中8號(hào)煤層底板因巖芯鉆取過(guò)程中發(fā)生了損失，剩余樣品量不足以進(jìn)行測(cè)試。其中4-R為灰白色含礫中砂巖，取樣厚度度0.08 m;4-J1為灰黑色泥巖，取樣厚度度0.03 m;4-F為含黃鐵礦灰色泥巖，取樣厚度度0.06 m;8-R為灰黑色泥巖，取樣厚度度0.05 m;9-R為灰白色中砂巖，取樣厚度0.09 m;9-J1為含方解石薄膜灰黑色泥巖，取樣厚度0.11 m;9-J2為灰黑色泥巖，取樣厚度0.11 m;9-J3為灰黑色泥巖，取樣厚度0.03 m;9-J4為含方解石脈灰黑色泥巖，取樣厚度0.02 m;9-J5為灰黑色泥巖，取樣厚度0.07 m;9-J6為灰黑色泥巖，取樣厚度0.06 m;9-J7為含黃鐵礦灰黑色泥巖，取樣厚度0.06 m;9-J8為灰色泥巖，取樣厚度0.06 m;9-F為含方解石灰色細(xì)砂巖，取樣厚度0.1 m;11-R為灰黑色泥巖，取樣厚度0.04 m;11-J1為灰黑色泥巖，取樣厚度0.04 m;11-J2為灰黑色泥巖，取樣厚度0.05 m;11-J3為灰黑色泥巖，取樣厚度0.03 m;11-F為灰白色細(xì)砂巖，取樣厚度0.16 m。

圖2 安家?guī)X煤礦地層柱狀及采樣層位Fig.2 Stratigraphic column of Anjialing Coal Mine and Sampling location

送樣前，對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，流程如下:先使用地質(zhì)錘對(duì)樣品進(jìn)行粗碎，后將碎樣放入瑪瑙研缽中進(jìn)行細(xì)碎，手工磨至200目，保存于聚乙烯塑料自封袋中，并進(jìn)行編號(hào)、稱重。所有樣品進(jìn)行主量元素、微量元素(包括稀土元素)測(cè)試，所有測(cè)試在南京聚譜檢測(cè)科技有限公司完成。主量元素測(cè)試采用安捷倫公司5110型ICP-OES，測(cè)試相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%，實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局安山巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)AG-2和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局玄武巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BHV0-2作質(zhì)量監(jiān)控，樣品編號(hào)遇尾號(hào)為5的樣品做平行樣一次，保證實(shí)驗(yàn)流程的穩(wěn)定性;微量元素(包括稀土元素)采用ICP-MS方法進(jìn)行測(cè)試，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)巖石粉末(玄武巖BIR-1,BHVO-2,BCR-2、安山巖AGV-2、流紋巖RGM-2、花崗閃長(zhǎng)巖GSP-2)被當(dāng)做質(zhì)控盲樣。樣品編號(hào)逢尾號(hào)為9的樣品做平行樣一次，保證實(shí)驗(yàn)流程的穩(wěn)定性。

由于砂巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，含大量砂級(jí)陸源碎屑，有效保存了物源區(qū)的信息。因此選取4-R,9-R,9-F和11-F等4件砂巖樣品制作巖石薄片，同一件樣品制作兩塊巖石薄片，編號(hào)分別為A,B，如4-R-A,4-R-B。在偏光顯微鏡下采用Gazzi-Dickinson點(diǎn)計(jì)數(shù)法[12]進(jìn)行碎屑成分的統(tǒng)計(jì)，每個(gè)薄片統(tǒng)計(jì)500個(gè)點(diǎn)左右。統(tǒng)計(jì)內(nèi)容具體見(jiàn)表1。

表1 砂巖薄片統(tǒng)計(jì)內(nèi)容及描述Table 1 Statistical content and description of sandstone thin section

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 巖石學(xué)特征

對(duì)砂巖樣品4-R,9-R,9-F,11-F進(jìn)行碎屑成分統(tǒng)計(jì)(表2)和部分圖像如圖3所示。4-R砂巖碎屑成分以石英和巖屑為主，局部可見(jiàn)褐鐵礦碎屑。砂巖粒徑主要分布在0.50～0.25 mm，分選差，磨圓度差，以次棱角-棱角為主，顆粒間接觸多以縫合線接觸。石英主要為單晶石英，顆粒表面潔凈明亮，多具均一消光，多晶石英以燧石為主。巖屑顆粒主要以火成巖為主。9-R砂巖碎屑成分以巖屑和石英為主。砂巖粒徑主要分布在0.10～0.25 mm，分選較差，磨圓度較差，以次棱角狀為主，雜基含量低，顆粒接觸多以縫合線接觸，局部交代砂級(jí)碎屑。巖屑主要是火成巖巖屑為主。9-F砂巖碎屑成分以巖屑和石英為主，可見(jiàn)少量云母碎屑，填隙物為黏土雜基和鈣質(zhì)膠結(jié)物。砂巖粒徑主要分布在0.01～0.05 mm，分選較好，磨圓度較差，以次棱角-亞圓形為主，顆粒接觸多以縫合線接觸。巖屑主要是火成巖巖屑。11-F砂巖碎屑成分以石英和巖屑為主。砂巖粒徑主要分布在0.05～0.10 mm，分選較差，磨圓度較差，以次棱角-亞圓形為主，顆粒間接觸多以點(diǎn)接觸。以上特征表明，研究區(qū)巖性為砂巖的夾矸碎屑都未經(jīng)長(zhǎng)距離搬運(yùn)，反映為近源快速沉積[13]?？傊?，砂巖樣品中的巖屑主要以火成巖巖屑為主，含部分沉積巖巖屑和變質(zhì)巖巖屑。

表2 煤層砂巖的碎屑組成Table 2 Detrital components of sandstone in coal seams

圖3 安家?guī)X煤礦太原組煤層夾矸和頂?shù)装迳皫r顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrographs of coal seam gangue and sandstone of roof and floor of Taiyuan Formation in Anjialing Coal Mine

3.2 地球化學(xué)特征

3.2.1 主量元素特征

表3列出了樣品元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果，可以看出，研究區(qū)樣品主要成分為SiO2和Al2O3，其他元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都比較低。SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高且變化范圍大，為25.39%～83.44%，平均為43.33%，表明樣品中含石英或含硅質(zhì)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)次之，為7.93%～39.38%,平均為28.89%，說(shuō)明樣品含有較多的長(zhǎng)石及黏土礦物，這與鏡下觀察的結(jié)果一致。TiO2為0.47%～2.18%，平均為0.90%;Fe2O3為0.06%～12.80%，平均為2.30%;MgO為0.04%～0.92%，平均為0.18%;P2O5為0.02%～0.11%，平均為0.04%;K2O為0.02%～2.45%，平均為0.52%;Na2O為0.01%～0.12%，平均為0.05%。K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說(shuō)明頂?shù)装搴蛫A矸中長(zhǎng)石組分主要為鉀長(zhǎng)石。

表3 樣品主量元素分析結(jié)果Table 3 Test results of major elements in samples %

3.2.2 微量元素特征

所有樣品微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和上地殼微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)如表4和圖4所示。煤層頂?shù)装搴蛫A矸樣品中微量元素Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，平均值達(dá)到了100×10-6以上。與大陸上地殼平均值相比[14]，其中Li的富集程度最高且富集系數(shù)變化較大，富集系數(shù)在0.02～26.25，平均值為7.50。除了4-R,4-F,8-R和9-R四件樣品以外，其他樣品均表現(xiàn)為L(zhǎng)i富集。其中11號(hào)煤層夾矸及頂?shù)装錖i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，最高可達(dá)551×10-6，9號(hào)煤層夾矸及頂?shù)装逑鄬?duì)富集Li，富集系數(shù)介于0.56～19.82，8號(hào)煤層僅有1個(gè)樣品，Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，為20.20×10-6，4號(hào)煤層3個(gè)樣品中僅有1個(gè)樣品富集Li，頂?shù)装鍢悠肪桓患疞i元素。所有樣品中的Th,Hf,Zr和Nb等元素富集系數(shù)的均值在1.03～1.70，表現(xiàn)出相對(duì)富集的特征;Co,Sc,Cr,Ni,V，Rb,Cs和Ga等富集系數(shù)的均值在0.21～0.89，為相對(duì)虧損的元素。

表4 樣品微量元素測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of trace elements in samples 10-6

圖4 樣品微量元素標(biāo)準(zhǔn)化蜘蛛網(wǎng)(其中4-R,4-F,8-R和9-R為不富鋰煤層)Fig.4 Normalized diagram of trace elements of samples(Among them 4-R,4-F,8-R and 9-R are non-lithium-rich coal

由表5，6可知，樣品ΣREE變化范圍較大，在0.67～260.00，均值為106.41。LREE/HREE均值為9.89～15.7，(La/Yb)N均值為13～20，輕、重稀土分餾明顯。以球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)值[15]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后得到REE分布模式(圖5)，可知:① 同一成因煤分層中頂?shù)装搴蛫A矸稀土元素配分模式應(yīng)該相同，大部分樣品曲線變化基本一致，分布曲線在輕稀土處具有較大斜率，而在重稀土處較為平坦，為明顯的左傾趨勢(shì)，輕稀土富集，重稀土虧損。但是9號(hào)煤層夾矸9-J3,9-J4,9-J5三件樣品的稀土元素分布曲線出現(xiàn)差異，表現(xiàn)為重稀土富集，輕稀土虧損，為右傾趨勢(shì)。安家?guī)X太原組9號(hào)煤層形成于海陸交互的環(huán)境中，但是這3件樣品并未出現(xiàn)Ce的異常。根據(jù)SEREDIN等[16]認(rèn)為可能是受到富含重稀土元素的堿性內(nèi)陸水等自然水循環(huán)的影響;②δCe范圍為0.94～1.60，Ce總體無(wú)明顯異常;③ 曲線在Eu處有明顯的“V”形，Eu存在負(fù)異常，表明稀土元素主要來(lái)源于陸源碎屑[17]。

表5 樣品稀土元素測(cè)試結(jié)果Table 5 Test results of rare earth elements in samples 10-6

表6 樣品稀土元素計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculation results of rare earth elements in samples

圖5 樣品球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的REE配分模式(其中4-R,4-F,8-R和9-R為不富鋰煤層)Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns of samples(Among them 4-R,4-F,8-R and 9-R are non-lithium-rich coal seams)

4 討 論

4.1 母巖類(lèi)型

在風(fēng)化、搬運(yùn)及成巖過(guò)程中，Ca,Na等元素由于活動(dòng)性較強(qiáng)，含量會(huì)發(fā)生富集或虧損，而另一些主量元素(如Al,Ti)由于其氧化物在低溫下的低溶解性而未受影響。因此，主量元素通常用作物源指示劑[18]。w(K2O/Al2O3)可以用來(lái)確定碎屑巖源區(qū)巖石的成分[19](w為成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。當(dāng)w(K2O/Al2O3)比值在0.4～1.0，說(shuō)明母巖中含有相當(dāng)數(shù)量的堿性長(zhǎng)石;在伊利石中比值接近于0.3;在其他黏土類(lèi)礦物中比值接近于0[20]。研究區(qū)煤層夾矸和頂?shù)装宓膚(K2O/Al2O3)平均值相近，均接近于0，說(shuō)明母巖中堿性長(zhǎng)石和伊利石含量低，其他黏土類(lèi)礦物含量高。由于Ti和Al很少被風(fēng)化影響，保存母巖信息良好，因此w(Al2O3/TiO2)也廣泛用來(lái)推斷碎屑沉積物的來(lái)源[21]。當(dāng)w(Al2O3/TiO2)在3～8，沉積物物源可能來(lái)自于鎂鐵質(zhì)巖石，而w(Al2O3/TiO2)在21～70，物源可能來(lái)自于長(zhǎng)英質(zhì)巖石[22-23]。本文所有樣品w(Al2O3/TiO2)比值為14.03～66.31，表明以上其母巖主要來(lái)自于長(zhǎng)英質(zhì)巖石。所有不富Li樣品用紅色標(biāo)注，在圖SiO2-TiO2圖解中(圖6(a))，不富Li樣品4-R,4-F和9-R落入了沉積巖區(qū)域，8-R落入了火成巖區(qū)域。說(shuō)明不富Li煤層樣品源巖中有更多沉積巖的加入。ROSER 和 KORSCH[24]通過(guò)對(duì)砂泥巖的研究，提出根據(jù)Ti,Al,Fe,Mg,Ca,Na,K主量元素氧化物，建立判別函數(shù)F1=-1.773w(TiO2)+0.607w(Al2O3)+0.76w(Fe2O3)-1.5w(MgO)+0.616w(CaO)+0.509w(Na2O)-1.224w(K2O)-0.909,判別函數(shù)F2=0.445w(TiO2)+0.07w(Al2O3)-0.25w(Fe2O3)-1.142w(MgO)+0.438w(CaO)+1.475w(Na2O)+1.426w(K2O)-6.861,根據(jù)F1-F2圖解(圖6(b))可以有效區(qū)分鎂鐵質(zhì)、中性或長(zhǎng)英質(zhì)火成巖和石英巖沉積巖等物源區(qū)。在F1-F2(圖6(b))圖解中，只有4-1號(hào)不富Li樣品落在了石英質(zhì)沉積巖區(qū)域，而其他樣品都落在了火成巖區(qū)域，這也說(shuō)明了不富集Li煤層樣品源巖中雖然以火成巖為主，但是仍舊存在較大比重的沉積巖。

圖6 樣品物源屬性判別(紅色填充的為不富集Li的樣品)Fig.6 Discrimination diagram for provenance attribute of samples(The ones filled in red are samples that are not enriched in Li)

微量元素在沉積作用過(guò)程中含量變化很小,能夠很好地保留成巖物質(zhì)來(lái)源的有關(guān)信息，如Zr,Hf,Th等。因此,微量元素及某些微量元素的比值,如La/Th,La/Yb,Cr/Zr,Sm/Nd等,可作為物源判別的理想對(duì)象[25-28]。由于稀土元素在風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積及成巖過(guò)程中具有穩(wěn)定的特性，因此,稀土元素特征是反映沉積物物源性質(zhì)的良好標(biāo)志[29-32]。Cr和Zr元素主要反映鉻鐵礦和鋯石的含量，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值可以反映鎂鐵質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)物質(zhì)對(duì)沉積物的相對(duì)貢獻(xiàn)[33]。研究區(qū)煤層頂?shù)装搴蛫A矸的w(Cr/Zr)在0.01～0.26，w(Cr/Zr)平均值均小于1，說(shuō)明源區(qū)物質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主。Th和Sc質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值是最適合物源判別的參數(shù)之一[34]。研究區(qū)樣品的w(Th/Sc)變化較大，比值在0.96～6.08，平均值都高于上地殼的w(Th/Sc)比值(0.97)，表明源區(qū)物質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主。通過(guò)Hf-La/Th(圖6(c))、∑REE-La/Yb(圖6(d))圖解可以進(jìn)一步探究物源的來(lái)源問(wèn)題。將研究區(qū)內(nèi)樣品投入上述圖中，從圖6(c)可以看出，大多數(shù)樣品落在長(zhǎng)英質(zhì)源區(qū)附近，一部分樣品落在長(zhǎng)英質(zhì)源區(qū)的右側(cè)，表明有古老沉積物的混入;從圖6(d)可以看出，Li富集與Li不富集煤層頂?shù)装搴蛫A矸主要落入花崗巖區(qū)域附近。結(jié)合砂巖巖屑類(lèi)型與上述源巖判別圖解，說(shuō)明研究區(qū)晚古生代太原組Li富集與Li不富集煤層頂?shù)装搴蛫A矸的母巖巖性均以花崗巖為主，而Li不富集煤層樣品的母巖中有更多沉積巖的加入。

4.2 物源區(qū)構(gòu)造背景

沉積盆地陸源碎屑成分受多種因素控制,其中母巖區(qū)的構(gòu)造屬性對(duì)陸源碎屑成分及其空間上的分配組合起重要作用,故可以通過(guò)碎屑組分特征分析構(gòu)造屬性[35]。根據(jù)對(duì)區(qū)內(nèi)碎屑巖的統(tǒng)計(jì)分析，利用Dickinson的陸相碎屑砂巖Qt-F-L,Qm-F-Lt判別模式圖判別物源區(qū)的構(gòu)造環(huán)境(圖7)，結(jié)果表明，在Qt-F-L源區(qū)構(gòu)造背景判別圖解中，所有樣品落入再旋回造山帶區(qū)域。在Qm-F-Lt三角圖解中，樣品都落入過(guò)渡再旋回區(qū)域。表明物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境屬于再旋回造山帶。這與晚古生代華北板塊受古亞洲洋大洋板塊向南俯沖碰撞，板塊北緣轉(zhuǎn)化為安第斯型活動(dòng)大陸邊緣，內(nèi)蒙古隆起發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造隆升和地殼剝蝕狀態(tài)相一致[36-37]。

圖7 煤層砂巖的Dickinson圖解(紅色填充的為不富集Li的樣品)Fig.7 Dickinson diagram of sandstone in coal seams(The ones filled in red are samples that are not enriched in Li)

ROSER[38]通過(guò)對(duì)不同地區(qū)已知構(gòu)造背景的古代砂巖和泥巖主量元素特征的分析，認(rèn)為主量元素的w(K2O/Na2O)是反映構(gòu)造背景的最有效的指標(biāo)，提出K2O/Na2O-SiO2構(gòu)造背景判別圖解。樣品投點(diǎn)大部分落在被動(dòng)大陸邊緣和活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域，少部分落在島弧區(qū)域(圖8(a))。BHATIA和CROOK[39]通過(guò)對(duì)砂巖和泥巖地球化學(xué)特征的研究，認(rèn)為L(zhǎng)a,Th,Sc,Zr等不活潑微量元素比較穩(wěn)定，總結(jié)出適用于砂巖及泥巖樣品的La-Th-Sc及Th-Sc-Zr/10構(gòu)造背景判別圖解。在圖解La-Th-Sc(圖8(b))，除個(gè)別一些樣品偏離外，絕大部分樣品落入活動(dòng)大陸邊緣區(qū)和被動(dòng)大陸邊緣區(qū)，部分樣品落入大陸島弧區(qū)域;在圖解Th-Sc-Zr/10(圖8(c))，絕大多數(shù)樣品落在被動(dòng)大陸邊緣區(qū)域和大陸島弧區(qū)域，少數(shù)樣品落入活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域，這與巖石學(xué)的結(jié)果相悖。

圖8 樣品構(gòu)造背景判別(紅色填充的為不富集Li的樣品)Fig.8 Discrimination diagram for tectonic setting of samples(Theones filled in red are samples that are not enriched in Li)

值得注意的是，VERMA等[40]收集了被動(dòng)大陸邊緣和活動(dòng)大陸邊緣硅質(zhì)碎屑樣品的地球化學(xué)資料(3 668個(gè))，將數(shù)據(jù)點(diǎn)投入到K2O/Na2O-SiO2構(gòu)造背景判別圖解中發(fā)現(xiàn)該圖不能很好地區(qū)分主動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣沉積物，該圖解主要的缺點(diǎn)是沒(méi)有對(duì)組成數(shù)據(jù)進(jìn)行一致的統(tǒng)計(jì)處理，正確性值得商榷[41]。在微量元素構(gòu)造背景La-Th-Sc及Th-Sc-Zr/10判別圖解中也存在同樣的問(wèn)題，其成功率僅在0%～30%。因此，這些構(gòu)造背景判別圖解未能很好地區(qū)分2種大陸邊緣。VERMA等[40]基于已知構(gòu)造環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，使用等距對(duì)比數(shù)比變化(ilr)來(lái)處理地球化學(xué)數(shù)據(jù)，利用10種主量元素及6種微量元素構(gòu)建出的DF(A-P)MT函數(shù)來(lái)判別構(gòu)造主動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣。依據(jù)此函數(shù)，將本文中所有巖石的地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新計(jì)算后投點(diǎn)，可以看出所有樣品在主量和微量元素聯(lián)合構(gòu)建的圖解中(圖9)均落入活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域內(nèi)。

圖9 樣品新的基于主微量元素(MT)的構(gòu)造背景判別圖解(紅色填充的為不富集Li的樣品)Fig.9 New tectonic background discrimination diagram based on major and trace elements (MT) (The ones filled in red are samples that are not enriched in Li)

晚古生代時(shí)期，古亞洲洋板塊向華北板塊俯沖，華北北緣由被動(dòng)大陸邊緣轉(zhuǎn)化為活動(dòng)大陸邊緣，發(fā)生大量巖漿活動(dòng)[42-43]。趙越等[44]對(duì)華北克拉通北緣主要地質(zhì)事件的研究表明晚古生代時(shí)期華北北緣的內(nèi)蒙古隆起存在火山活動(dòng);張栓宏[45]通過(guò)對(duì)北京上古生界凝灰?guī)r夾層鋯石U-Pb測(cè)年及Lu-Hf同位素分析研究發(fā)現(xiàn)這些凝灰?guī)r主要源于華北北緣的內(nèi)蒙古隆起，證明當(dāng)時(shí)華北北緣確實(shí)存在火山活動(dòng)，只是后期被剝蝕殆盡;馬收先等[46]通過(guò)對(duì)冀北-遼西地區(qū)上石炭—中三疊統(tǒng)碎屑巖的研究認(rèn)為在石炭紀(jì)華北北緣的內(nèi)蒙古隆起強(qiáng)烈隆升，開(kāi)始遭受剝蝕，其剝蝕厚度至少有15.6 km[47]，為華北內(nèi)部的盆地提供了大量的碎屑物質(zhì)[11]。寧武煤田安家?guī)X煤礦太原組煤層沉積時(shí)，內(nèi)蒙古隆起處于抬升剝蝕階段，接受了大量來(lái)自北部?jī)?nèi)蒙古隆起上的碎屑物質(zhì)，巖石學(xué)和地球化學(xué)結(jié)果表明富鋰煤層與不富鋰煤層夾矸和頂?shù)装逯械乃樾嘉镔|(zhì)主要來(lái)源于內(nèi)蒙古隆起上的長(zhǎng)英質(zhì)火成巖，相較于富鋰煤層夾矸和頂?shù)装?，不富鋰煤層樣品碎屑物質(zhì)中有更多沉積巖的加入。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)煤層頂?shù)装迳皫r碎屑組分的觀察和統(tǒng)計(jì)，碎屑成分以石英和巖屑為主，雜基含量低，膠結(jié)類(lèi)型主要為鈣質(zhì)膠結(jié)。

(2)通過(guò)對(duì)研究區(qū)4號(hào)、8號(hào)、9號(hào)和11號(hào)煤層頂?shù)装寮皧A矸樣品進(jìn)行主量元素和微量元素的分析。其結(jié)果顯示主量元素主要成分為SiO2和Al2O3，其他元素的含量都比較低。微量元素Li在各個(gè)煤層夾矸和頂?shù)装宓母患禂?shù)變化較大，其中11號(hào)煤層煤層夾矸和頂?shù)装逯蠰i富集程度最高，9號(hào)煤層樣品相對(duì)富集Li，8號(hào)煤層僅有1個(gè)樣品，Li表現(xiàn)為相對(duì)虧損，4號(hào)煤層3個(gè)樣品中僅有1個(gè)樣品富集Li，頂?shù)装鍢悠肪桓患疞i元素。其余微量元素在各個(gè)煤層樣品中表現(xiàn)為T(mén)h,Hf,Zr和Nb等相對(duì)富集，Co,Sc,Cr,Ni,V，Rb,Cs和Ga等元素相對(duì)虧損。輕重稀土元素分餾明顯，稀土元素分布曲線在Eu處有明顯的“V”形，Eu存在負(fù)異常，表明稀土元素主要來(lái)源于陸源碎屑。

(3)通過(guò)砂巖巖屑類(lèi)型統(tǒng)計(jì)和地球化學(xué)結(jié)果投點(diǎn)分析富鋰程度不一致的2類(lèi)煤層夾矸和頂?shù)装逯心笌r類(lèi)型主要為內(nèi)蒙古隆起上的長(zhǎng)英質(zhì)火成巖，而相較于富鋰煤層頂?shù)装搴蛫A矸，不富鋰煤層樣品中碎屑物質(zhì)的來(lái)源還有更多沉積巖的加入。碎屑物質(zhì)都主要來(lái)自于具活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造背景的內(nèi)蒙古隆起。