陕西府谷矿区南部煤中镓的赋存规律和成矿前景探讨

舒建生

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710054)

稀散金属镓(Ga)已被我国列为战略储备金属，作为国防工业和高科技产业不可缺少的基础材料，被誉为电子行业的“脊梁”，但其本身很少单独成矿，多为伴生矿产。近年的勘探研究发现，煤系可作为我国“三稀”矿产资源的重要来源，其中，秦勇等基于5079件煤样实测数据评价了全国煤炭规划矿区煤中镓成矿前景，结果表明煤中镓矿床以超大型占优，其中资源量大于5万t的主要分布在准格尔、大同和平朔等地；代世峰、李华等在内蒙古准格尔煤田黑岱沟矿区和山西宁武煤田平朔矿区石炭—二叠纪山西组、太原组煤中发现超大型伴生镓矿床，且前者已得到工业利用，2011年从煤灰中回收生产镓150 t/a；李昌盛等研究显示山西河东煤田保德杨家矿区同层域煤中镓也具有较好的成矿潜力。陕西省陕北石炭二叠系煤田府谷矿区作为国家重要能源接续地区，与上述地区毗邻，同属鄂尔多斯沉积聚煤盆地，煤炭资源储量巨大，煤系中镓的找矿潜力巨大。已有的煤田勘探数据显示矿区煤中镓含量分布不均衡，部分地段和部分煤层中镓元素地球化学异常显著，在南部沙川沟、高石崖地区4#、8#主要煤层中镓平均含量34.22 μg/g，大于边界品位。因此，基于煤田勘探煤质测试数据，选择府谷矿区南部石炭二叠纪山西组、太原组为研究对象，开展煤中镓(Ga)的分布规律、赋存特征和成矿前景研究和探讨，研究结果对于该区资源开发和综合利用具有重要的理论指导意义和现实经济意义。

1 矿区地质概况

陕北石炭二叠系煤田府谷矿区位于鄂尔多斯盆地东部边缘，黄河晋陕峡谷以西，研究区域位于矿区南部，面积120 km2，构造总体形态为向西倾斜的单斜, 地层倾角5°左右，东中部受到NNE向墙头—高石崖区域性挠褶带影响，倾角可达30°左右，且发育小型褶曲和断层。发育地层由老到新依次为中奥陶统马家沟组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组，三叠系下统刘家沟组、和尚沟组、中统二马营组，侏罗系下统富县组、新近系和第四系。

区内含煤地层上石炭统太原组和下二叠统山西组广泛分布，含煤地层总厚度138.06 m，煤层总厚度20.07 m，含煤系数14.54%。以往钻孔揭露显示含煤层数最多可达20层，具对比意义的煤层11层，太原组赋存5#、6#、7#、8#、9-1、9-2、10#、11#煤层，8#煤层全区可采，5#、6#、7#煤层大部可采，9-1、9-2煤层局部可采；山西组赋存2#、3#、4#煤层，4#煤层大部可采，3#煤层局部可采；其余煤层均不可采。4#煤层和8#煤层是区内主要煤层。煤类以气煤和长焰煤居多，少数弱黏煤，具有低—中高灰、高挥发分、特低—中高硫、中—中高发热量、特低—低磷、特低—低砷的中黏结煤。煤层特征、煤质指标及镓元素含量见表1。

表1 煤层、煤质特征及镓元素含量一览表

续表

2 煤中镓元素富集分布规律

2.1 煤中镓元素的富集状态

由表1可知，各煤层平均镓含量在17.97～49.15 μg/g之间，且在平面区域和垂向层域上分布不均衡。国内煤田研究表明，以华北石炭二叠系煤田煤中镓含量平均值最高，达9.88 μg/g，且高于全国煤中镓含量平均水平6.55 μg/g和世界煤中镓含量平均水平5.80 μg/g。通过对比不难发现区内煤中镓元素明显富集，远高于前者，且各煤层的富集程度存在不同，根据代世峰等提出的富集系数，以世界煤中微量元素含量为对比基准的等级划分，区内3#、4#、5#、6#、7#、8#、9-1、9-2煤层煤中镓含量的富集系数分别为6.29、7.64、4.41、5.09、3.10、4.00、7.29、8.47，可以看出，山西组3#、4#煤层和太原组6#、9-1、9-2煤层属于富集状态；其余煤层均属于轻度富集状态。

2.2 煤中镓元素的分布规律

2.2.1 平面展布

统计表明，区内煤中镓元素丰度在平面上存在差异，总体北部高南部低、西部比东部高，在北西部ZK5204孔附近表现异常富集，如图1所示。

图1 研究区各煤层煤中镓含量分布图

由图1可知，各煤层煤中镓平均含量在51.12～85.67 μg/g之间，远远高于国家矿产工业要求的边界品位30 μg/g。区内主要煤层4#煤层属于稳定的中厚层大部可采煤层，煤中镓元素丰度显示异常富集，含量在23.81～85.67 μg/g之间，平均为44.34 μg/g。由4#煤层中镓含量等值线图(图2)可知其沿ZK5212和ZK402一线以西绝大部区域煤中镓含量超过边界品位，并在北部ZK5204、ZK5212孔一线形成了含量大于40 μg/g高度富集区域。8#煤层属稳定的巨厚层全区可采煤层，煤中镓含量平均23.22 μg/g，分布不均衡，仅在北部GZK5204孔高度富集，含量达56.30 μg/g，其余地段15 μg/g左右，值得关注的是8#煤层结构复杂，一般含有2～5层夹矸，累计厚度0.20～1.23 m，平均为0.92 m，测试数据显示其夹矸中镓元素含量达30～39 μg/g，平均为34 μg/g。

2.2.2 垂向分布

统计表明，区内煤中镓元素在垂向上差异性显著，山西组煤中镓含量平均为42.61 μg/g，高于太原组煤中镓平均含量30.18 μg/g，且总体表现距离山西组、太原组各自沉积基底界面(山西组/太原组、太原组/本溪组)越近，其煤中镓含量呈增大趋势，如图3所示，含煤地层下部3#、4#、9-1、9-2煤层中镓含量较高，平均值分别为36.51 μg/g、44.34 μg/g、42.29 μg/g和49.15 μg/g，富集显著，平均值均远超过了边界品位；太原组中上部的5#、6#和8#煤层中镓平均含量分别为25.57 μg/g、29.52 μg/g和23.22 μg/g，接近边界品位但也存在局部富集。

图2 研究区4#煤中镓含量等值线图

3 煤中镓元素赋存状态探讨

研究表明，煤中镓的赋存形态主要有3种形式，一是无机形式，主要在赋存于黏土矿物和铝土矿中；二是有机形式，包括腐殖酸吸附的镓以及凝胶化组分中赋存的镓；三是无机矿物和有机质共同作用富集。测试结果显示：区内煤的灰分平均为13.51%～38.27%，挥发分为34.84%～41.92%。煤灰成分以SiO2、Al2O3为主，其次为Fe2O3、CaO、SO3、TiO2，其中SiO2含量为42.55%～51.10%，Al2O3含量为28.16%～38.57%，可见煤灰成分中二者占有绝对比例，且二者存在正相关关系，同时Fe2O3含量与SiO2、Al2O3呈显著负相关，如图4(a)所示，表明煤中黏土矿物较多，且主要为铝硅酸盐矿物。本次通过元素SPSS相关性分析探讨区内煤中镓元素的赋存状态。统计分析表明，煤中镓含量与灰分、Al2O3含量均呈正相关性，如图4(b)、4(c)所示，说明煤中镓元素富集与煤中黏土矿物密切相关，镓元素与铝元素具有相近的化学性质，镓元素在沉积过程中以类质同象取代铝元素进入黏土矿物晶格，赋存于含铝的黏土矿物中，如高岭石、勃姆石等，此现象在内蒙古黑岱沟、山西平朔矿区均已证实。

图4 煤中Ga、SiO2、Al2O3、So,d及Fe2O3间相关性图

前人研究表明煤中镓元素与有机质关系密切，其中有机酸对镓有较强的吸附作用，在pH值为4～7时，吸附作用最强。区内煤中镓含量与挥发分含量关系性不明显，但是与煤中有机硫含量呈现显著负相关关系，如图4(d)所示，侧面反映不利于有机硫形成的氧化环境可能出现有机质吸附游离镓，说明区内煤中镓元素主要以黏土矿物为载体，但也表现出同有机组分关系密切。

4 成矿前景分析

煤中镓利用现有技术主要集中在粉煤灰和煤矸石中提取。区内煤中镓含量高于我国华北石炭二叠纪的平均含量9.88 μg/g，山西组3#、4#煤层中镓含量平均值36.51 μg/g、44.34 μg/g，超过边界品位30 μg/g，尤其山西组4#煤层原煤中镓含量区内富集显著，绝大部区域镓含量超过边界品位30 μg/g，并在北部高度富集，接近或超过了最低工业品位50 μg/g。太原组除7#煤层外，5#、6#、8#、9-1、9-2煤层中镓含量也超过或接近边界品位，显示较好的找矿潜力。同时，区内煤中镓的富集载体主要为黏土矿物，类比前人研究，说明镓元素富集煤层同时，易于在煤层顶底板和夹矸聚集成矿，事实上已有测试数据也证明了这点，例如4#煤层顶板、底板和夹矸泥岩中镓含量平均达到36 μg/g 、38 μg/g和39 μg/g；8#煤层泥岩夹矸平均含量34 μg/g，均大于边界品位。

根据秦勇等提出的煤中镓成矿前景评价方法，基于表1中的原煤和煤灰中镓含量数据可初步探讨划分区内主要煤层中镓的预测资源类型，按照平均值计，3#、4#、9-1和9-2煤层中镓的预测资源类型为富矿类型，其余均属于贫矿类型。可见山西组下部4#煤层成矿前景和成矿规模应最佳。

5 结语及其认识

(1)府谷矿区南部石炭二叠系山西组和太原组煤层及其顶底板镓均有不同程度富集，总体平面上北部高南部低、西部高于东部；垂向上表现距离山西组、太原组各自沉积基底界面越近煤中镓含量呈增大趋势。山西组3#、4#煤层和太原组6#、9-1、9-2煤层属于富集状态；其余煤层均属于轻度富集。主要煤层山西组4#煤中镓元素区域地化富集最为显著，超过边界品位30 μg/g，其分布广泛，具有良好的成矿前景。

(2)通过元素SPSS相关性发现，区内煤中镓元素主要以无机形式存在，以类质同象赋存于含铝的黏土矿物中。但煤中镓含量与煤中有机硫含量显著负相关关系侧面也反映其同有机组分可能关系密切，有待进一步研究。

(3)基于煤中镓成矿前景评价方法，初步探讨划分区内主要煤层中镓的预测资源类型，按照平均值计，3#、4#、9-1和9-2煤层中镓的预测资源类型为富矿类型，其余均属于贫矿类型。