热液对五牧场矿区煤中锗富集影响的探讨

黄少青，张建强，霍 超, 张恒利，黄明达，盛新丽

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)



热液对五牧场矿区煤中锗富集影响的探讨

黄少青，张建强，霍 超, 张恒利，黄明达，盛新丽

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

基于煤炭勘探报告、其化验数据以及煤质变化规律，推导出热液分布情况，结合煤中锗分布范围、分布形态及含量变化规律，探讨了热液对五牧场矿区煤中锗分布的影响。表明五牧场矿区煤中锗含量与热液有着密切的联系：垂向上，锗含量变化规律可以划分为与热液活动引起的煤质变化相吻合的阶梯形，表现为褐煤层的锗含量普遍较低，受热液二次富集改造，出现低变质的长焰煤，气煤等煤层出现了锗的富集；平面上看，锗元素的富集区域表现为围绕煤的变质中心呈一定规律分布，推测为热液将强变质煤中的锗元素活化，在浓度差的驱动下，在平面上横向搬运，到达受到热液弱变质但是有机质尚且丰富的长焰煤、气煤后，再次被有机质束缚，在长期热液作用下，达到富集。

热液；挥发分；锗含量；富集；有机质

地壳中锗丰度的变化范围是(1.4～2.0)×10-6，算术平均值为1.6×10-6[1]，丰度远远大于很多贵金属矿，然而锗却非常分散，几乎没有比较集中的锗矿。因此被人们称为"稀散金属"。在近现代工业中，获取锗的主要途径之一是从煤中及煤灰中提取。

武文(2002)等在文章中提出五牧场矿区煤中预测锗资源量超过4000t[2]；武文(2002)， 林堃琦、黄文辉等(2016)对五牧场煤中锗主要从量上做出了一定的研究[2-3]；在对五牧场煤质变化规律的研究中，李世峰等(1986)，陈冰冰等(2005)，言圣等(2012)都指出，五牧场矿区煤质由于受到了“隐伏岩体热液变质”等作用的影响，煤类在平面上和垂向上都出现了独特的分布特征[4-6]；卢家烂等(2000)在对临沧锗矿研究后发现热液作用对锗的分布和富集有重要的影响[7]；对于五牧场煤中锗，王婷灏等(2016)在文章中提及热液对煤中锗分布的改造[8]，但是未做详细论述研究。作者利用已有的煤田勘探报告及其化验分析数据对热液对煤中锗元素的分布的影响做初步的探讨。

1 五牧场区域地质概况

1.1 构造

伊敏煤盆地位于新华夏系海拉尔沉降区东侧，为一北东东向的同沉积断陷盆地。盆地东西两侧为相向倾斜的同沉积断裂，东缘F10，西缘F60。整个盆地是由北北东向多字形斜列的三个宽缓次级褶皱组成，由南到北依次为:伊敏向斜、五牧场背斜和孟根楚鲁向斜。五牧场矿区位于伊敏盆地中部，五牧场背斜南翼，呈一单斜构造形态，地层走向北东66°，地层倾角北部较缓，小于10°，向东南地层倾角变陡。地层沿走向和倾向均有缓波状起伏[4-6]。

区内断层较为发育，根据三维地震和钻探资料，区内共组合断层91条，其中主要的规模较大的有F30、F31、F36三条。F30、F31形成时间较早，F30分布在南部边界，延长4800m，落差大于300m；F31分布在北部，延长5400m，落差最大76m；F36从矿区中部横穿，表现在和煤层同沉积性质，煤层表现在以F36为界，北厚南薄。

武文等(2002)在文章中指出，五牧场煤中锗物源主要来源于盆地周边发育的石炭—二迭系(C-P)及侏罗系上统龙江组(J3l)地层多处出露的花岗岩[2]。

图1 伊敏区域地质及物源示意图(据武文，2002)Figure 1 A schematic diagram of regional geology and provenance in Yimin area (after Wu Wen, 2002)

1.2 岩浆

本区岩浆活动大致有两期。前期在大磨拐图河组下部砂砾岩段堆积过程中，有火山喷发物一凝灰岩和熔岩角砾岩，上百米的堆积厚度可反映该期岩浆活动的强烈程度。后期活动仅表现为热液型的方解石和石英呈脉状贯入煤系或煤层，并使围岩发生蚀变。方解石与石英脉越发育，煤的变质程度越高，而褐煤区从未见有脉岩的出现[4，6]。

1.3 地层

本区大部分为第四系所掩盖，出露的地层有古生界的寒武系；中生界的泥盆系，石炭-二叠系，白垩系下统的龙江组、甘河组、南屯组、大磨拐河组和伊敏组；新生界的新近系和第四系(表1)。

表1 区域地层简表

2 煤层及煤类特征

本区煤层赋存于大磨拐河组的含煤段中，区内共发育14个煤组，依次编号为1～14煤组，含63个煤层。区内8-3、10-3、12、13-4+5煤层为发育较好的煤层。由于受到“隐伏岩体热液变质”[14]等作用，煤类及煤质在垂向及侧向上都有较为明显的分布规律。

2.1 煤质垂向分布特征

上部4-1、6-5煤层镜煤最大反射率在0.3400～0.434之间，变质阶段为0，煤类上为褐煤。8-4、10-3、10-4煤层的镜煤最大反射率在0.45%～0.549%之间 ，变质阶段为Ⅰ，煤类为长焰煤，12煤层的镜煤最大反射率为0.7748，变质阶段为Ⅱ，煤类为气煤，13-2+3、13-4+5、14-5煤层的镜煤最大反射率在0.831～1.0429之间，变质阶段为Ⅲ，煤类为1/3焦煤，14-6煤层的镜煤最大反射率为1.0881～1.7101，变质阶段为Ⅳ-Ⅴ，煤类为焦煤-贫煤。

表2 各煤层镜煤最大反射率统计表

续表

2.2 煤质平面分布特征

根据煤质化验结果，分别绘制了10-3煤层、12煤层及13-4+5煤层的挥发分等值线，总体上，均表现为挥发分西高东低，而且在东部均以一低点中心，挥发分向外逐渐增高。煤类在挥发分低点中心为贫煤，贫瘦煤， 瘦煤，向外逐渐增高为焦煤→肥煤→1/3焦煤→气煤→不黏煤，最后至长焰煤。

从图2还可以看出，不同煤层，随着煤层埋深的增加，挥发分总体逐渐减小，煤的变质程度逐渐增高；不同煤层的变质中心均位于矿区东部，平面上变质中心位置相似，垂向上表现为一个煤的高变质柱；据钻孔资料显示，在上图煤变质中心附近，可见隐爆角砾岩；高变质区断层异常发育，延伸至深部的断层能够成为热液向上导通的通道，据此推测，在热液活动期间，该区域存在热液通道，使得位于通道附近的煤出现了较高程度的变质，热液温度随着运输距离增加逐渐减小，使得以变质中心柱向外，煤的变质程度逐渐降低。

(a)

(b)

(c)(a)10-3煤层；(b)12煤层；(c)13-4+5煤层图2 煤层挥发分等值线图Figure 2 Isogram of volatile matter content in coal

从钻孔资料看，在8-4至14-6煤层均可见方解石与石英脉，而且煤的变质程度越高出现的频次越高，而褐煤区从未见有脉岩的出现，推测8煤组附近为热液入侵上限或者热液温度由于长距离迁移温度降低至和周围温度相差不大了，未能造成上面煤层煤质出现明显的变质。

3 锗元素分布特征

3.1 锗整体分布特征

采用Valkovic(1983)提出的富集系数(EF)计算公式[1]，计算了五牧场矿区锗元素的富集系数以及它们的频次分布。根据以往中外资料，以EF≥5.0作为元素富集的界限。本次对五牧场矿区22层煤的1187个锗分析数据进行了统计，发现五牧场矿区锗元素的总体分布特征如下：

图3 锗元素富集系数频次分布图Figure 3 Germanium element enrichment coefficient frequency distribution

锗元素富集系数大于5.0的有511个样品，占总样品数的43%，其它富集系数区间的样品数都不超过180个，都没有超过样品总数的15%。从富集系数的频次区间看，富集系数大于元素富集界限的个数远大于其他区间的富集系数个数，所以该矿区这元素总体富集。

3.2 锗垂向分布特征

通过对数据按照煤层分类，根据计算的锗在各煤层含量的算术平均值得到下图。从图上可以看出，锗含量在煤层中的平均丰度有明显的层位规律：浅部的1-1煤、3-1煤、3-2煤、4-1煤层锗平均含量较低，数值均小于10×10-6；10-3煤、10-5煤、12煤、13-4+5煤、14-4煤、14-6煤锗平均含量都超过15×10-6；按照锗元素平均含量大小，总体上的变化趋势可以分为两个阶梯(图4)，变化趋势上看恰好和上文提到的煤垂向的变质程度吻合，据此可以推测，锗元素的富集和热液有着较为密切的联系。

3.3 锗元素平面分布特征

利用勘探资料，对主要可采煤层10-3、12、13-4+5煤的锗元素平面分布特征进行了研究。从整体上看，3个层煤的锗含量均大体富集在矿区的中部。从煤样数据看，对74个钻孔煤样化验数据进行统计，10-3煤层锗元素含量有14个钻孔煤样大于20×10-6，有3个钻孔煤样大于100×10-6，最大含量为180×10-6；12煤层锗元素含量有24个钻孔煤样大于20×10-6，有2个钻孔煤样大于100×10-6，最大含量为135×10-6；13-4+5煤层锗元素含量有18个钻孔煤样大于20×10-6，有3个钻孔煤样大于100×10-6，最大含量为166×10-6。

对比不同煤层的等直线图，发现锗元素含量高值在平面位置上具有很大的相似性(图上红圈标记处)，可以推断，锗元素在不同煤层上的富集在层间存在直接或者间接的联系。而且参照煤层挥发分等值线图， 三层煤中锗含量大值具有相同的平面位置特征—和煤平面变质中心有相似的距离，在煤类变为长焰煤等低变质煤类后出现锗含量高值(图5)，再向外随着与变质中心的距离增加，锗含量减小。从各种因素的平面及垂向位置关系推断热液作用是造成五牧场锗元素富集的一个重要原因，热液造成了锗元素平面上的特殊分布形态。

图4 锗元素煤层分布特征及变化规律Figure 4 Distribution features and variation pattern of germanium element in coal

(a)

(b)

(c)(a)10-3煤层；(b)12煤层；(c)13-4+5煤层图5 锗含量煤层平面分布Figure 5 Coal seam germanium content distribution plane

4 热液对锗分布影响的探讨

据研究，在25～250℃时GeO2的溶解度随温度升高而增大，且在近中性时达到最大值;现代地热流体与洋中脊热液表明，只有热液体系才能大量搬运锗[9-10]。卢家烂等在对临沧锗矿的研究中指出，后期热液改造对锗的富集有着重要的影响[11-12]。

李世峰、言圣等在对煤变质成因研究中指出，五牧场在岩浆活动中无时不有气液流体参加，岩浆期和岩浆期后的气液流体以对流的方式沿岩(煤)层孔隙与裂隙活动，高温热液长距离定向运移，使大面积范围内地温梯度增高，特别是本区含煤地层富含地下水，被加热了的地下水也参加了这一活动，构成混合热液系统，勾通深部热源把热能传递到上部来，使区内广泛发生蚀变[4-5]；五牧场的另一个重要特点是张性断裂发育，岩层裂隙发育，是热液运移的重要通道。变质程度较高的煤层(褐煤以上)中普遍存在的热液成因方解石和石英脉石矿物就是低中温热液活动的产物[6]。

和云南临沧超锗矿与内蒙古乌兰图嘎锗矿相比[11-13，15]，五牧场锗元素分布在垂向和平面上都具有独特的规律：垂向上，以煤层变质程度为界限，褐煤锗元素相对含量较低，平均7×10-6左右，随着煤层埋深的增加，变质程度相对较高的长焰煤中锗元素含量变高，显示出与煤的变质界线有很强的相关性；平面上看，锗元素的富集分布在热液通道一定距离范围内，煤的变质中心及附近锗含量很小，含量一般不超过6×10-6，随着距离变质中心距离增大，锗含量升高(如图5青色虚线所示)，再向外锗含量再次减小，后保持在一定范围内。通过对五牧场资料的分析研究，笔者认为，热液对五牧场矿区锗元素的富集产生了重大的影响，但是和临沧锗矿不同的是，五牧场矿区的锗分布并没有出现明显的垂向上的搬运富集分层，而是在平面上在热液通道一定距离出现富集，并且在变质煤层都有相似的特征，推断为热液使通道附近煤中锗大量被活化，变成游离态分布于热液中，随着距离热液通道的距离增大，热液温度降低，热液对煤中锗元素的活化能力变弱，游离在热液中的锗离子浓度明显降低，在浓度差驱动下，热液通道附近的锗离子向低温区域运移，并再次被煤中的有机质捕获。长期的热液作用，加之该区域岩层裂隙发育，游离在热液中的锗可以和煤中的有机质在时间和空间上都可以充分的接触，有利于有机物对锗的固化，形成锗元素的富集区域。

对于不同煤层，由于其煤层厚度，地质构造，孔隙裂隙的差异，造成锗运移能力的差异，从而造成了不同煤层锗含量差异以及同一煤层不同区域锗含量差异的一个重要的因素[14]。

Yudovich提出煤中锗的一个来源可能是基底的火成岩[17]，但是本区由于缺少相关的工作和和分析数据，无法做出相关评价。

综上所述，五牧场矿区煤中锗含量与热液有着密切的联系，主要表现为：

(1)垂向上，锗含量变化规律可以划分为与热液活动引起的煤质变化相吻合的阶梯形(图4)，表现为褐煤层的锗含量普遍较低，受热液作用，出现低变质的长焰煤，气煤等煤层出现了锗的富集；

(2)平面上看，锗元素的富集区域表现为围绕煤的变质中心呈一定规律分布(图5)，推测为热液将强变质煤中的锗元素活化，在浓度差的驱动下，在平面上横向搬运，到达受到热液弱变质但是有机质尚且丰富的长焰煤、气煤后，再次被有机质束缚，在长期热液作用下，达到富集。

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Discussion on Germanium Enrichment in Coal Impacted by Hydrothermal Solution in Wumuchang Minefield

Huang Shaoqing, Zhang Jianqiang, Huo Chao, Zhang Hengli, Huang Mingda and Sheng Xinli

(Exploration and Research Institute, CNACG, Beijing 100039)

Based on integrated geological exploration reports and tested data, as well as coal quality variation pattern have induced hydrothermal solution distribution situation in the Wumuchang minefield. Combined with germanium distribution extent, configuration and content variation pattern in coal, discussed the impact from hydrothermal solution on germanium distribution in the area. The result has shown that the germanium content in coal is closely connected with hydrothermal solution. Vertically, the germanium content variation pattern is showing a stepped appearance coincident with coal quality variation caused by hydrothermal solution activities, showing germanium content in lignite is generally lower; under hydrothermal solution secondary enrichment, appeared germanium enrichment in low metamorphosed long flame coal and gas coal. On plane view, germanium enriched area showing regular distribution around the coal metamorphic center, presumed as germanium element in strong metamorphosed coal activated by hydrothermal solution. Under the driving of concentration difference, laterally transported into hydrothermal solution weakly metamorphosed but organic matter even rich yet long flame coal and gas coal, ones again captured by organic matter, and enriched under long term hydrothermal solution activities.

hydrothermal solution; volatile matter; germanium content; enrichment; organic matter

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.03

1674-1803(2017)04-0012-06

中国地质调查局地质调查项目“特殊用煤资源潜力调查评价(DD20160187)”

黄少青(1985—)， 男， 硕士研究生 主要从事煤田地质研究工作。

2017.01.15

文献标识码：A

责任编辑：宋博辇