陕西省子长矿区晚三叠世5号煤层的稀土元素和钇的地球化学特征

周国庆 姜尧发 高 峰 徐晓琴

（1.江苏建筑职业技术学院地质研究所，江苏省徐州市，221116；2.江苏地质矿产设计研究院，江苏省徐州市，221006）

陕西省子长矿区晚三叠世瓦窑堡组主要可采煤层5 号煤层全硫含量低 （St，d=0.26%～1.41%，平均为0.65%），灰分中到低 （Ad=10%～48%，平均为19%），挥发分产率高 （Vdef=39%～49%，平均为42%），发热量中到高 （Qnet，d=23.28～28.40 MJ／kg，平均为25.86MJ／kg），焦油产率高（Tar，d=10.5%～15.5%，平均为12.3%），粘结性中到强 （GR.I.=65～92，平均为77），可选性好（中煤产率＜10%），是优等质量的工业用煤。在多年煤田地质勘探过程中，地质工作者曾对瓦窑堡组含煤地层的沉积环境、层序地层、聚煤作用等进行过研究，取得一些成果。然而，对瓦窑堡组主要可采煤层 （5号煤层）的元素地球化学研究比较薄弱，特别是煤层剖面详细地球化学研究的成果颇少。本文对采自陕西省子长县枣林永胜煤矿的5号煤层剖面样品进行了详细地球化学研究，给出了我国北方陆相三叠纪煤层的稀土元素和钇地球化学特征。

1 地质背景

子长矿区位于陕西省延安市和榆林市境内，按5号煤层0.7 m 以上厚度的分布范围计算，矿区（或煤田）总面积为2250km2，资源总量达27.2亿t。子长县枣林永胜煤矿位于矿区中部瓦窑堡镇附近。

子长晚三叠世煤矿区位于鄂尔多斯盆地中部。从早二叠世开始，鄂尔多斯盆地由海陆交互相转为陆相沉积，至三叠纪形成了独立的沉积盆地，上三叠统延长群是典型的内陆湖泊沉积。延长群自下而上分胡家村组、永坪组和瓦窑堡组3个组。

瓦窑堡组共含煤7～15层，其中5号煤层厚度为0.7～2.9m，平均1.8m，全区可采，3号和4号煤层厚度小于1 m，局部可采，其他煤层不可采。

2 采样与分析

本次研究在陕西省子长县枣林永胜煤矿井下5号煤层采掘工作面采取一个完整的煤层剖面，共13个样品，包括煤层顶底板、2个夹矸和9个煤分层样，见图1。

所有样品的实验室分析测试都遵循现行国家标准进行。进行元素分析的所有样品制备成小于200目的粒级。样品中稀土元素和钇含量的测定采用高分辨电感耦合等离子质谱 （ICP-MS）进行。

图1 子长5号煤层煤岩柱状图

3 结果与讨论

3.1 稀土元素和钇含量

根据高分辨电感耦合等离子质谱 （ICP-MS）分析数据，见表1，子长矿区晚三叠世5号煤层的9个煤分层中总稀土加钇 （REY）含量变化范围为42.1～172.6μg／g，平均103μg／g；低于中国其他烟煤中总稀土加钇 （以下简称REY）含量平均值135.9μg／g，高于世界硬煤中REY 含量平均值68.5μg／g。5 号煤层顶底板泥岩中REY 含量较高，为234.2～254.1μg／g，平均244.2μg／g，而夹矸泥岩中REY 含量变化很大，ZC-10 夹矸中REY 含量为50.4μg／g，显著低于下伏ZC-9 煤分层中REY 含量172.6μg／g。ZC-8夹矸中REY含量130μg／g高于下伏ZC-7煤分层中REY 含量112.3μg／g。

3.2 稀土元素和钇垂向分布及赋存特征

据已有文献研究，煤中总稀土加钇 （REY）含量一般与粘土矿物 （细粒的自生矿物）和有机化合物有关。

经对5号煤层各个煤分层、夹矸及顶底板岩石进行工业分析、低温灰和微量元素测定，得到稀土元素和钇含量、灰分、低温灰产率及高岭石含量的垂向变化曲线，见图2。由图2可见，在子长矿区5号煤层剖面中，稀土元素加钇 （REY）含量变化较大。各个煤分层的REY 含量与灰分 （Ad）、低温灰产率 （LTA）、高岭石 （K）等的含量变化显示出不同变化关系。煤层顶底板泥岩中REY 含量高，其灰分、低温灰产率、高岭石含量也高，显著正相关，表明粘土矿物是REY 的主要载体。在ZC-10夹矸泥岩中REY 含量低，而Ad、LTA、K含量高，显著负相关；表明粘土矿物不是REY 的主要载体，或夹矸中的REY 被水淋滤带出渗入下伏的煤分层了。在ZC-8夹矸泥岩中，REY 含量较高，Ad、LTA、K 含量也较高，正相关；表明大部分REY 赋存在粘土矿物中。在ZC-4、ZC-9、ZC-11 3个煤分层中，REY 含量很高，而Ad、LTA、K 含量很低，表明只有少部分REY 赋存在粘土矿物中，而大部分REY 被有机质吸附。其他6个煤分层中REY 含量变化与Ad、LTA、K 含量变化大体一致，表明稀土元素加钇的主要载体是无机矿物。

表1 子长矿区5号煤层顶底板、夹矸和煤分层中稀土元素和钇含量

3.3 稀土元素和钇富集类型

元素周期表上第57-71 号 （La-Lu）元素的总称叫稀土元素；第39号元素钇 （Y）的性质与稀土元素相似，也被划入稀土元素类。已有文献报道将稀土元素和钇 （REY）组合成三类，即轻稀土类 （LREY：La，Ce，Pr，Nd，Sm）、中稀土类（MREY：Eu，Gd，Tb，Dy，Y ）和重稀土类（HREY：Ho，Er，Tm，Yb，Lu）。在研究煤和岩石中的稀土元素和钇时，根据REY 在样品中含量与REY 在上地壳中的含量比较，得到标准化数据；根据La，Sm 和Lu标准化数据的比值，可将稀土元素和钇划分为轻稀土类富集型 （（La／Lu）N＞1）、中稀土类富集型 （（La／Sm）N＜1，（Gd／Lu）N＞1）和重稀土类富集型 （（La／Lu）N＜1）3种富集类型。

图2 稀土元素和钇含量、灰分、低温灰产率及高岭石含量的垂向变化

采用上地壳中稀土元素加钇含量进行标准化计算，得到永胜煤矿5号煤层各分层REY 富集类型。由表1可见，5号煤层下部煤分层以重稀土富集类型为主，上部煤分层以轻稀土富集型为主，没有出现中稀土富集类型。下部煤分层以重稀土富集类型为主，可能是成煤早期沼泽覆水较深所致。因为，成煤沼泽中的水在广泛渗透扩散过程中可以捕获或富集在煤中循环的重稀土和钇。

3.4 稀土元素标准化参数特征

以上地壳 （UCC）中的稀土元素和钇作为标准，对子长5号煤层各分层的稀土元素和钇含量作标准化比值的处理 （即以各分层的稀土元素和钇的含量除以上地壳中相应的元素含量）后显示，子长矿区5号煤层Ce／Ce＊的负异常和正异常值都较小，除ZC-12 分层Ce／Ce＊为0.83 外，其他12个分层的Ce／Ce＊变化范围为0.90～0.99，平均0.95，表明在5号煤层大多数煤分层及顶底板和夹矸形成过程中，Ce+3相对于背景元素La和Nd没有明显的分离，即铈元素没有明显的富集或亏损。然而，5号煤层大部分煤分层的Eu／Eu＊的负异常值明显，除ZC-2分层Eu／Eu＊为0.96外，其他8个煤分层的Eu／Eu＊变化范围为0.67～0.76，平均0.71，煤中显著的负Eu异常表明5号煤层聚煤过程中，Eu+3较多转变成Eu+2，与其他三价稀土元素分离，而使沼泽水体中Eu亏损。但是顶底板和夹矸泥岩中的Eu／Eu＊显示正异常，煤层底板泥岩Eu／Eu＊为1.15；ZC-10 夹矸泥岩Eu／Eu＊为1.92；顶板泥岩Eu／Eu＊为0.89；ZC-8夹矸泥岩Eu／Eu＊为0.95。

3.5 稀土元素和钇配分模式

在煤分层稀土元素和钇配分模式图上，煤分层的REY 分布曲线总体上显示左倾斜特征。除了最底部的煤分层 （ZC-2）外，其他8个煤分层都显示铕负异常V 形谷，尤其ZC-4、ZC-9、ZC-11 3个分层的V 形谷特别明显，见图3。

图3 煤分层中REY 分布模式

在顶底板和夹矸稀土元素加钇分配模式图上，顶板泥岩的REY 分布曲线明显左倾斜 （曲线的右边线段抬高了，左边线段相对较低），ZC-10夹矸泥岩的REY 分布曲线也是左倾斜，而底板泥岩和ZC-8夹矸泥岩分布曲线的倾斜方向不明显。在底板泥岩和ZC-10 夹矸泥岩中，REY 分布曲线显示铕正异常反V 形峰，见图4。

图4 顶底板和夹矸泥岩中REY 分布模式

4 结论

（1）子长矿区晚三叠世5号煤层各个煤分层的稀土元素和钇 （REY）的含量平均值略低于中国一般煤的REY 含量，但高于世界煤的REY 含量。

（2）子长矿区晚三叠世5号煤层下部煤分层以重稀土类富集类型为主，上部煤分层以轻稀土类富集型为主，缺少中稀土类富集类型。

（3）子长矿区5号煤层各个煤分层中Ce／Ce＊的正、负异常值都不明显，表明Ce+3没有明显的分离，而大部分煤分层中Eu／Eu＊的负异常值显著，有8个煤分层的Eu／Eu＊变化范围为0.67～0.76，平均0.71，表明5 号煤层聚煤过程中，Eu+3较多转变成Eu+2，与其他三价稀土元素分离，而使沼泽水体中Eu亏损。

（4）在分配模式图上，煤分层的REY 分布曲线总体上显示左倾斜特征，显示铕负异常V 形谷；而煤层底板泥岩和ZC-10 夹矸泥岩中，REY 分布曲线显示铕正异常反V 形峰。

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