山西省阳泉新景煤矿15煤微量元素的富集及沉积环境研究

2019-03-20岳琼申丁典识汪文军周慧慧刘桂建

中国煤炭地质 2019年2期

岳琼申，丁典识，汪文军，周慧慧，刘桂建

(中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥 230026)

1 地质背景

山西省阳泉矿区位于沁水煤田的北部，煤炭资源十分丰富，是中国主要的产煤基地之一[1]。新景矿位于阳泉市的西北部，沁水盆地的东北缘。主要含煤地层是石炭系上统太原组和二叠系下统山西组(图1)[2-3]。太原组平均厚度约为120.88m，含可采煤层8、9、12、13和15煤层，其中15煤层稳定，厚度变化小，该组连续沉积于下伏本溪组之上，为一套具明显沉积旋回的海陆交互相含煤建造，岩性为深灰—灰黑色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩，灰色粗、中、细粒砂岩，三层深灰色石灰岩及煤层。山西组平均厚度约为56.80m，含可采煤层3和6煤层，其中3煤层稳定，厚度变化较小，该组整合覆盖于太原组之上，为三角洲平原环境下沉积，主要由黑色砂质泥岩、泥岩、灰白色中-粗粒砂岩组成，也为本井田的主要含煤地层之一。

从20世纪80年代起葛宝勋等[4]通过含煤岩系的微量元素对整个阳泉矿区含煤地层的沉积环境和成煤因素进行了研究，吴占彩等[5]研究了阳泉矿区 6 号、8 号、11 号和 12 号煤层顶、底板泥岩的稀土元素地球化学特征并利用稀土元素推测了其物源。本次研究的15煤是阳泉矿区最稳定的煤层之一，其中微量元素与成煤环境的研究较少，因此本次选取新景矿，对其中15煤层中的Li、Be、Sc、Cu、Ba、Sr、Rb、U、Th和Pb微量元素的富集特征进行研究，利用微量元素比值U/Th、Sr/Ba和Sr/Cu分析成煤环境，为煤矿地质提供参考资料。

2 样品的采集与分析

所有样品均采集于新景矿15煤层，从底板到顶板进行刻槽分层采样，共采样30个，从底板至顶板编号XJ-15#-1到XJ-15#-30(图1)。

样品采集后，对煤样进行粉碎，研磨，过筛到200目，取一定量的样品粉末保存于干净的样品袋中防止污染以备测试。每个样品分别称取0.1g放入锥形瓶中，标上相应样品编号，向瓶中依次注入1ml双氧水、2ml高氯酸、8ml硝酸，盖上歪颈漏斗，静置隔夜。第二天先将电加热板温度预热至120℃，然后将消解液连瓶一起全部置于电加热板上加热3h，再将温度升至180℃加热1h，取下外颈漏斗，温度再升至210℃加热赶酸，烧至冒大量浓白烟后且溶液变至澄清后取下。待溶液冷却后，过滤，倒入离心管中，定容至25ml，以备测试。微量元素含量测定采用电感等离子质谱(ICP-MS)方法，以上所有实验均在中国科学技术大学完成。分析测试过程中采用国际标准SARM20样品和空白样来保证消解和分析的准确度，测试结果如表1。

图1 地层柱状图Figure 1 Stratigraphic column

3 结果与讨论

3.1 微量元素含量和富集特征

从表1可知新景矿15煤中，Li含量普遍偏高，算数平均值显著高于地壳含量平均值，世界平均值，和中国平均值，但是Be的含量普遍较低，含量平均值小于地壳含量平均值，世界含量平均值，以及中国平均值，所测样品Be含量的最大值仍然低于地壳克拉克值。Sc、Cu、 Ba、 U和Rb含量都低于世界平均值和中国平均值，15煤中Sr、Pb和Th的平均含量高于世界煤平均值，但是其中Pb和Th的含量却低于中国煤平均值，15煤层，从底板到顶板Li、Sr和Ba的含量变化较大，其中Ba的最大值和最小值跨度最大，Be和U的含量变化相对比较稳定。

表1 阳泉矿区新景矿15煤层中微量元素含量

续表

注： EF =(煤中元素含量元素含量/中国煤中Sc含量) /(元素克拉克值/Sc克拉克值)[11]， CC=(元素煤中含量均值/世界烟煤中该元素平均含量)[12]

从15煤底板到顶板Be和Sc，U和Th含量变化图(图2，图3)中，发现Be和Sc，U和Th的含量变化存在明显的相关性。

图2 15煤Be、Sc垂向剖面含量变化图Figure 2 Coal No.15 Be, Sc content variation on vertical section

图3 15煤U、Th垂向剖面含量变化图Figure 3 Coal No.15 U, Th content variation on vertical section

在研究区15号煤中的出现明显的富集Li，亏损Be和Rb的现象。井田Li的富集系数为18.60，根据Valkovic等[11]的划分原则(EF>5 作为元素富集的界限)，Li在本区15号煤层中明显富集。根据代世峰等[12]的划分原则，新景矿Li的CC表明15号煤层Li有轻度富集的现象。Be的1.22和0.43，根据划分原则，二者均指示Be亏损。Rb的EF和CC分别为0.18和0.22，Rb亏损，且亏损最为显著。Sc、Cu、Sr、Ba、Th和U并未出现明显的富集或亏损现象。

3.2 沉积环境分析

新景矿15煤中Sr/Ba平均值1.31，最大值4.68，最小值0.42。由此可以发现，新景矿15煤的沉积环境并不是单纯的咸水海相或者淡水陆相，在Sr/Ba比值变化图中(图4)，可以将沉积环境划分为四个阶段研究，第Ⅰ阶段从XJ-15#1到XJ-15#5，Sr/Ba>1，沉积环境是咸水海相的；第Ⅱ阶段从XJ-15#6到XJ-15#9，Sr/Ba比值从XJ-15#4开始骤降，沉积环境开始向淡水陆相过渡，直到XJ-15#6，Sr/Ba<1，沉积环境完全变成淡水陆相沉积；第Ⅲ阶段从XJ-15#9到XJ-15#12，Sr/Ba骤升，环境变为海相；此后，第Ⅳ阶段Sr/Ba没有前两段急剧的升降变化，而是在0和1之间小幅度的变化，处于海陆过渡的环境中。

图4 15煤Sr/Ba 比值剖面变化图Figure 4 Coal No.15 Sr/Ba ratio sectional variation

Th和U在还原状态下地球化学性质相似，但氧化状态下差别很大[18]。在表生环境下，Th 只有+4价一种价态且不易溶解，而U则不一样。U在强还原状态下为+4 价，不溶解于水，导致它在沉积物中富集；而在氧化状态下，U 以易溶的+6价存在，造成沉积物中 U 的丢失[19]，所以U/Th比值可以反映沉积古环境的氧化还原条件。U/Th >1.25指示缺氧环境，0.75