攀枝花太平煤矿18号煤层稀土元素地球化学特征

陈柯婷+陈萍+李洋+刘震+曹吉阳+储成清+韩君珂+刘瑞

摘要：运用ICP-MS检测并研究了攀枝花太平煤矿18号煤层中煤的稀土元素地球化学特征和赋存状态，结果表明：太平煤矿18号煤层的18个样品中La、Ce、Nd、Sm的平均含量高于中国煤均值和世界煤均值，Pr、Gd、Tb、Dy、Er、Tm、Yb、Lu的平均含量低于中国煤均值但高于世界煤均值；18号煤层中的稀土元素主要赋存于煤的灰分中，来源于陆源沉积物。

关键词：稀土元素；地球化学；太平煤矿

中图分类号：P641.3 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）2-0135-03

1 引言

煤中稀土元素之间化学性质相似且稳定性高，蕴含了丰富的地质信息，可以作为研究地质成因的地球化学示踪剂，其在分析岩石成因、物源供给和成煤环境方面具有广泛的应用[1]。在中高硫煤中，稀土元素不仅对硫而且对其他多种有害元素存在成因联系，因而了解稀土元素与有害元素在成因上的关系，能为煤的洁净利用提供一定理论依据[2]。

笔者以攀枝花太平煤矿18号煤层为例，借鉴别人的研究方法通过实验对比研究18号煤层中稀土元素的地球化学特征，探讨了煤中稀土元素的赋存状态，并利用稀土元素地球化學参数探讨了成煤环境对煤中稀土元素富集的影响。太平煤矿位于四川省攀枝花宝鼎盆地，资源丰富，是煤炭开采和煤层气开发的重要基地，其基本构造为一个北端封闭，向东南倾没，东缓西陡的不对称向斜，主采煤层为三叠系上统的大荞地组。太平煤矿开采煤层的灰分较低，硫分稍高，煤变质程度相对较低，煤类为焦煤。

2 稀土元素地球化学特征

2.1 稀土元素分布特征

按照煤层相对位置从上到下依次选取太平煤矿18个样品，并对18个样品的稀土元素、灰分和伴生元素等进行了测试。采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS） 分析了样品中的稀土元素含量，结果见表1。

从表1中可以看出，太平煤矿18号煤层的稀土元素中La、Ce、Nd、Sm的平均含量高于中国煤均值和世界煤均值。Pr、Gd、Tb、Dy、Er、Tm、Yb、Lu的平均含量低于中国值但也高于世界值。

2.2 稀土元素地球化学参数

结合稀土元素的含量同时采用Masuda（1973）提出的26个球粒陨石平均值（表2）经过计算得出稀土元素的地球化学参数表（表3）

从表3可以看出REE的平均含量为123.75 μg/g，高于世界REE的含量，说明太平矿18号煤层稀土元素的含量比较高，且LREE/HREE的值为7.99，LREE的含量远远高于HREE的含量，LREE相对富集而HREE相对亏损。δEu的平均值为0.615，其值小于1说明Eu负异常， δCe的值为0.768，表明Ce负异常，有关研究表明[4]，当沉积物中的Ce亏损时为氧化环境，Eu亏损时也是氧化环境，由此可以判断当时的成煤环境是氧化环境。煤层中的Ce负异常则可以指示海相沉积环境，Eu负异常主要是来源于陆源碎屑。黄文辉，赵志根等[5，6]认为随着成煤沼泽中海水影响的减弱，煤中稀土元素的含量是增加的，因此推断，太平煤矿18号煤层主要是陆相沉积环境，成煤沼泽受到海水的影响不大。

根据表3中灰分与稀土元素含量的数据，作出两者的关系图（图1），并进行线性拟合，研究二者之间的联系。

由图1可看出，随着样品中灰分含量的逐渐增加，∑REE和LREE含量的变化趋势几乎完全相同；而HREE的含量则变化不明显，只是略有增加。再结合表3中LREE/HREE的值可发现，太平矿18号煤层中的稀土元素主要以LREE为主，∑REE的变化主要是受到LREE含量变化的影响。同时，HREE的含量不随灰分的增加而发生显著变化，也说明HREE可能与有机质有较强的亲和性。

2.3 稀土元素分布模式

根据表3中的地球化学参数计算结果，可以绘制出稀土元素的分布模式图（图2）。

从图2中可以看出，LREE之间的分馏程度大于HREE，且均有Eu负异常的现象，其中La-Eu段的平均斜率陡于Gd-Lu段。大部分样品的曲线图均呈现左高右低的右倾“V”型变化趋势。样品18-6、18-10、18-11、18-12、18-14的曲线位于全部曲线的最下方，存在一定的低异常，可能是由于该处受到地下水淋滤或其他因素的影响[7]，使得其中的稀土元素发生迁移，从而影响了稀土元素的分布。

这种分布模式与李大华等[8]对我国西南地区煤中稀土元素进行研究后总结的B型分配曲线相类似，这种分配曲线之间存在的相似性，表明了太平矿18号煤层在成煤过程中成煤环境没有发生大的变化。

3 讨论

3.1 稀土元素的来源和分布

煤中稀土元素具有较强的无机亲和性，此外，有机质可以与稀土元素形成络合物，吴艳艳等[9]认为稀土元素与黄铁矿有较强的亲和性，而与黏土矿物呈负相关。由于成煤环境条件和成煤时期地质构造的影响，变质作用等都会影响稀土元素在煤中的富集。

太平矿18号煤层所在的大荞地组主要是陆相断陷盆地中的碎屑岩沉积，在晚白垩世时研究区内有燕山期深成岩浆向上侵入，其引起的地层温度的变化以及岩浆热液对18号煤层的变质情况和稀土元素分布产生了一定的影响[10]。

3.2 稀土元素的赋存

根据样品所测得的其他伴生元素的含量，结合∑REE的含量分析后做出聚类分析树形图，可以看出REE与Al高度正相关，与典型陆源碎屑的痕迹元素Cr、Co等正相关，说明18号煤层中的稀土元素主要来源于陆源沉积物中，且主要与煤中矿物质的硅酸盐部分相结合[11]。

4 结论

（1）太平矿煤矿18号煤层的18个样品中，∑REE的含量在6.59～281.7 μg/g之间，平均值为123.75 μg/g。La、Ce、Nd、Sm的平均含量高于中国煤均值和世界煤均值，Pr、Gd、Tb、Dy、Er、Tm、Yb、Lu的平均含量低于中国煤均值但高于世界煤均值。

（2）LREE相对富集而HREE相对亏损，随着灰分含量的增加，∑REE和LREE含量变化趋势几乎完全相同，而HREE由于与有机质亲和性较强，其含量几乎没有变化。

（3）由稀土元素的分布模式图中各样品曲线可以看出，LREE之间的分馏程度大于HREE，均有Eu负异常而Ce无异常的现象。这些曲线的相似性，说明在整个18号煤层形成的过程中，物质来源比较稳定，成煤环境并没有发生大的变化。

（4）太平礦18号煤层中的稀土元素主要来源于陆源沉积物，赋存于煤中灰分中，且主要与煤中矿物质的硅酸盐部分相结合。

参考文献：

[1]王中刚，于学元，赵振华.稀土元素地球化学[M].北京： 科学出版社，1989：247～279.

[2]王文峰，秦 勇.煤洁净过程中有害元素和矿物的分配规律[M].北京：中国矿业大学出版社，2011：44～51.

[3]代世峰.煤中伴生元素的地质地球化学习性与富集模式[D].北京：中国矿业大学（北京），2002.

[4]赵志根，唐修义.中国煤中的稀土元素[J].中国煤田地质，2002，14（sl）：71～75.

[5]黄文辉，杨 起，汤达祯，等.华北晚古生代煤的稀土元素地球化学特征[J].地质学报，1999，73（4） ：360～369.

[6]赵志根，唐修义，李宝芳.淮南矿区煤的稀土元素地球化学[J].沉积学报，2000，18（3） ： 453～459.

[7]曹吉阳，姚多喜，胡永发.攀枝花大宝顶煤矿18号煤层稀土元素地球化学特征[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2016，36（2）：11～15.

[8]李大华，唐跃刚，陈 坤，等. 重庆煤中稀土元素的地球化学特征研究[J]. 中国矿业大学学报，2005，34（3）：312～317.

[9]吴艳艳，秦 勇，易同生.贵州凯里梁山组高硫煤中稀土元素的富集及其地质成因[J].地质学报，2010，84（2） ：280～285.

[10]李产林. 四川晚三叠世煤变质问题的研究[J]. 现代地质，1990，4（2）：98～104.

[11]代世峰，任德怡，李生盛. 煤及顶板中稀土元素赋存状态及逐级化学提取[J]. 中国矿业大学学报，2002，31（5）：349～353.