彬长矿区侏罗统延安组4号煤微量元素地球化学特征

姚文博，杨 珍，刘蔚阳，王金喜

(河北工程大学 地球科学与工程学院，河北 邯郸 056038)

1 地质背景

小庄矿井位于陕西省的中西部，属于陕西省咸阳市彬县西坡乡、北极乡、义门乡、永乐乡、小章乡管辖。

小庄矿井地处彬长矿区的中东部，于中生界形成的一条走向为NW、平缓的大型单斜构造及在该单斜构造上发育的一系列小且宽缓但不连续的褶皱组成了小庄矿井的总体构造形态[1]。4号煤层的含煤岩系是侏罗系中统延安组下部，近乎覆盖整个井田，结构比较单一。该区煤层属于特厚煤层，煤厚度为：0～35.22m，平均厚度为15.23 m。夹矸为炭质泥岩及泥岩，煤层的伪顶为炭质泥岩，厚度小于0.5 m，零星分布。直接顶类型包括：粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩。

2 样品采集及测试

采样按照煤炭工业部1987年颁发的《煤炭资源勘探煤样采取规程》采取，样品种类、数量严格依据《煤、泥炭地质勘查规范》DZ/T0215—2002要求进行，钻孔所见可采煤层的煤心，均采取煤心煤样，对于伪厚>3m的厚煤层，按煤心长度每3m采取一个煤样，厚度<3m的煤层，其煤心全部采取煤样。探槽及地表煤样用刻槽法按煤层厚度≤3m分层采取煤样[2]。研究区内煤系为侏罗系中统延安组下部的含煤岩段，含煤4层，其中底部4号煤是主要的采煤层。每个样品大约采1kg，采后用布袋装好，以防风化与污染。采用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)， 进行微量元素的检测。

3 分析结果与讨论

3.1 煤中微量元素特征

3.1.1 煤中微量元素分布

煤中微量元素的地球化学基础是研究其微量元素的含量多少。而煤中微量元素含量的高低又是决定其向环境中释放程度大小的重要因素[3]。本次研究采集了研究区的共计23个煤样，8个夹矸，利用ICP-MS测定了Li、Be、Mn、Cu、Ga、Rb、Sr、In、Cs、Ba、Tl、Pb、Bi、U等14种微量元素，系统的分析了小庄的煤以及夹矸中微量元素的含量特征。为研究微量元素在本区煤中的总体富集程度，将小庄煤中微量元素的算数平均值与地壳克拉克值、中国煤、世界煤的元素含量进行平行对比，见表1。

表1 小庄煤中微量元素含量

与地壳克拉克值相比，小庄煤中微量元素Pb、Bi含量与地壳克拉克值相当，其余元素低于地壳克拉克值，矸石中含量较高的有Li、Ga、Cu、Rb、Cs、Ba、Tl、Pb、Bi、U，其余元素含量均比地壳克拉克值低。与中国煤中微量元素均值相比，小庄煤中仅有Cu、Ga、Rb、Pb的含量高于中国煤中的均值，而矸石中仅有Bi元素的含量低于中国值，其余元素都高于中国煤中的含量，尤其是Ba。与世界煤中的微量元素含量相比，小庄煤中有Be、Sr、In、Cs、Ba、Tl、U和Bi的含量低于世界煤含量，矸石中的含量仅有Bi元素含量低于世界值，其余各元素的含量均高于世界值。因此，从总体上看，小庄煤及夹矸中微量元素只有Pb的含量均高于克拉克值、中国值以及世界值。

3.1.2 微量元素富集程度特征

很多关于煤中富集程度的判断依据，不同的研究人员有不同的认识。Goldschmidt[6]等提出富集系数EF标志了煤中元素的分散富集程度，其中富集系数EF=煤中微量元素含量算数平均值/地壳克拉克值，这里采用富集系数EF值对小庄煤中微量元素的富集程度进行讨论，具体分析如下：

本文根据Gluskoter[7]的研究(某元素EF值高于0.67即可表示该元素在煤中相对富集，反之就表示该元素在煤中较为分散)计算了小庄煤中微量元素的富集程度。从图1，图2中各元素的EF值可以看出：小庄煤中有Li、Cu、Tl、Pb、Bi的富集系数大于0.67，矸石中只有Mn、Sr、In这三种元素的富集系数小于0.67，Pb和Bi两种元素在煤中和矸石中EF值都比较大，说明均显示富集，而Mn、Sr、In三种元素在煤和矸石中均分散。综上所述，EF值均显示Pb在小庄是富集的。

图1 煤中微量元素的EF值Figure 1 Enrichment factor values of trace element in coal

图2 矸石中微量元素的EF值Figure 2 Enrichment factor values of trace element in waste

3.1.3 煤层底板及夹矸中微量元素含量特征

该区微量元素在煤层底板中的含量较高，Be、Cs、Pb、U元素在夹矸中的含量较底板偏高，导致这种元素含量差异的主要因素是沉积碎屑物源不同。另外沉积环境的影响以及地下水动力条件的差异，使得泥炭沼泽内矿物质含量以及富含微量元素的溶液浓度升高，造成了各层位矿物成分的不同和岩性的差异，这也是造成靠近煤层底部的微量元素含量较高及煤层底板附近分层的影响因素之一[8]。且这些富集于夹矸和底板中的元素大多是以无机矿物的形式存在的，因此可以推断这些元素主要是陆源碎屑来源。

3.2 稀土元素特征

通过ICP-MS测试出小庄4号煤层7个煤样中的稀土元素含量，为了更加直观明了地反映小庄矿区4号煤侏罗系中统延安组煤中稀土元素的分布情况，采用稀土元素经过上地壳值标准化后的分布模式图[4](图3)，分别和世界煤、美国煤及中国煤中稀土元素的背景值相比较，结果显示：小庄矿区4号样品中有且仅有煤中的Pr的含量高于矸石中Pr的含量， 其余剩下的稀土元素的含量均是矸石高于煤中的，而且煤中的Pr的含量均大于各个标准值全在世界值、美国值以及中国值之上， 表现出富集状态，值得进一步去探究。根据微量元素分析结果，可知煤层样品中的有些层位中Ba的含量高于标准值，相关学者认为煤中δEu正异常与Ba的含量有关，因为两者的离子半径相似且价态相同，在湖泊环境中Ba2+能够替代重晶石、碳酸钡等矿物中的Eu2+[5]。故推测在泥炭沉积的过程中，陆源碎屑物质供应比较丰富，稀土元素的赋存受地下水循环和陆源碎屑母岩的影响。

图3 煤中稀土元素分布模式Figure 3 Coal REE distribution mode

3.3 影响因素分析

微量元素在煤中的分布和富集，受多因素、多期地质作用控制，往往是综合作用的结果[9-10]。物源区是煤中微量元素重要且长期的来源。物源区岩石互有差异，导致沉积区内各类元素的组成和含量差异较大。就小庄煤矿4号煤而言，因富集Li、Cu、Tl、Pb、Bi等元素，矸石中富集Li、Ga、Cu、Rb、Cs、Ba、Tl、Pb、Bi、U等元素，这表明煤系形成时受到陆源碎屑的影响。煤中微量元素的迁移和富集不仅受到成煤植物中所含微量元素种类和多少、植物的生长环境以及成煤植物的类型等的影响，另外水介质的盐度在泥炭沼泽成煤过程中也控制着煤中微量元素含量。小庄4号煤层属陆相沉积，煤中Li、Cu、Tl、Pb、Bi等元素略高。

3.4 微量元素之间的相关性

通过相关性研究发现(表2)：Li与Cs(0.851)，Be与Ga(0.884)，Ga与Rb(0.811)、U(0.814)，In与Rb(0.891)、Cs(0.903)、Pb(0.838)、U(0.827)，Rb与Pb(0.809)呈显著相关关系。Li与Be(0.712)，Ga(0.756)，Rb(0.762)，Zn(0.775)，Pb(0.741)，Be与U(0.791)，Ga与In(0.782)，Cs与(0.794)，Pb(0.763)，Bi(0.682)，Cu与Be(0.532)，Ga(0.585)，U(0.571)，Rb与Be(0.672)，Cs(0.767)，Ba(0.576)，Tl(0.663)，U(0.701)，In与Be(0.678)，Ga(0.782)，Cs与Be(0.678)，Ga(0.749)，Bi(0.770)，Tl与Rb(0.633)，In(0.668)，Pb(0.712)，Pb与Ga(0.763)，U(0.781)，Bi与Cs(0.770)均中等相关。

表2 小庄矿区4#煤中微量元素的Pearson相关系数

4 结论

彬长矿区侏罗统延安组4号煤及矸石中Pb和Bi两种元素EF值大于1，略显富集，煤层底板的微量元素含量较高，Be、Cs、Pb、U元素在夹矸中的含量高于底板， 造成这种差异的主要原因可能是碎屑物质的来源不同，地下水动力条件不同以及受到沉积环境的影响。煤中多数元素间呈现出较高的相关性，表明具有类似的成因关系。

参考文献:

[1]郭云,刘彦.彬长矿区煤的形成环境探讨[J].陕西煤炭，2006(3):23-24.

[2]王双杰,王金喜,李世龙.平朔矿区安太堡煤矿9#煤的有机地球化学特征[J].中国煤炭地质，2014(12):20-23.

[3]姜松,刘文中,严家平,等.淮北花沟西井田煤中微量元素及其环境意义分析[J].中国煤炭地质，2010，22(4):10-14.

[4]邵靖邦，曾凡桂，王宇林，等.平庄煤田煤中稀土元素地球化学特征[J].煤田地质与勘探，1997(4):13-15.

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[6]Valkovic V， Trance elements in coal[M].Boca Raton:CRC Press，1983.

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[8]李姣龙.嘎顺矿西山窑组煤的地球化学特征研究[D].河北工程大学硕士论文.2014.

[9]杨磊，刘池洋，李洪英.陈家山矿煤中微量元素和稀土元素地球化学特征[J].煤田地质与勘探,2008,36(2):10-14.

[10]刘桂建,彭子成,杨萍玥,等.煤中微量元素富集的主要因素分析[J].煤田地质与勘探,2001,29(4):1-4.