煤层变质程度与锗富集的关系探讨

刘 伟，尹 琼，李宛鸿，伍 伟，方 娜

(1.昆明冶金高等专科学校冶金与矿业学院，云南 昆明 650033；2.云南地质工程勘察设计研究院，云南 昆明 650041)

0 引 言

锗在矿产领域一直是一种比较特殊的金属。它属分散元素，在地球上不易单独成矿，通常作为伴生矿产出现，多伴生于金属矿或煤矿。就云南省而言，如会泽铅锌矿、帮卖煤矿等均伴生有储量相对丰富的锗矿。其富集成矿的条件及富集规律一直是矿产界研究人员的课题[1-2]。多年来，锗矿的研究已取得了丰富的成果，杜刚等[3]认为锗在煤中的富集与挥发分关系密切，锗品位与挥发分呈正相关的态势；黄文辉等[4]的研究表明锗的富集环境应为还原弱碱性。大量研究表明，锗在煤中主要赋存形式为腐殖酸络合物。近年来，众多学者发现，在高品位锗煤富集，多有岩浆岩的存在，由此提出锗煤的形成与岩浆岩有重大关系，富锗岩浆岩可能为锗矿的矿源[5-7]，但随之而来的问题是，这些岩浆岩中的锗元素是以哪种方式迁移富集到煤中的呢？有学者提出风化淋滤后随近地表水循环汇集于聚煤盆地的学说，前提是锗煤的分布应该比较广泛而稳定；可实际情况是锗煤分布规模小且表现出一定程度的不稳定性，如同一地区、同一环境并不都分布有锗煤，同一层位煤中锗的品位也相差极大[8-9]。此后，随着研究的不断深入，热液成因[10]观点被提出，认为煤中锗的富集与热液活动有关，岩浆岩中的锗随热液活动富集于煤中，这一观点目前逐渐得到了较为广泛的认可[11]，并且也从富锗煤的稀土特征得到了验证——富锗煤均有稀土分异且轻稀土富集的特点，表明其曾遭受过热液活动。

依据现有研究成果，锗煤的形成与热液活动密切相关。但煤是一种对热较为敏感的矿产，热液活动可导致煤层变质，国内已发现的高品位锗煤，其煤类均属褐煤，富锗的高变质煤极为少见，说明煤的变质程度与锗的富集是有联系的，就宏观表现而言，高变质的煤并不利于锗的富集。

热液活动是煤中锗富集的有利因素，但也会造成煤层的变质，从而影响锗的富集。那么煤层变质程度与锗的富集之间具体有何关系，值得进一步分析。目前鲜见学者从该角度予以考虑，因而对此进行深入研究应有较大的空间。

1 样品采集及测试

目前，煤的镜质组反射率能够很好地反映煤的变质程度，随着变质程度的加深，其镜质组反射率随之增大。本研究对云南宝山矿区含锗煤进行样品采集，样品共计70余件，采自该矿区勘探钻孔及生产巷道，样品所属煤层为K1、K2、K3、K5、K6、K7、K9、K10，均为稳定煤层，并涵盖矿区不同变质程度的煤类，满足本次研究分析的要求。剔除个别锗品位低者，余样53件,样品情况见表1。对其进行锗品位及镜质组反射率测试，锗品位采用蒸馏分离-苯芴酮分光光度法进行测试；镜质组反射率则按试验规范，首先制作煤样光片，其后利用偏光显微镜和分光光度计进行测试。上述试验均严格按照相关试验规范进行，测试于山西煤化所，数据可靠、客观。试验所得数据见表2。

表1 样品情况统计表Tab.1 Sample statistics

表2 各煤样锗品位及镜质组反射率数据统计表Tab.2 Statistical table of germanium grade and vitrinite reflectance of coal samples

2 数据分析

气、肥、焦、瘦的煤类划分，其本质为煤变质程度的不同，可作为工业上的定性分类依据。在同一煤层中，因储煤环境的差异性，其变质程度并不一致，故此常见同一层煤分属不同煤类。本次研究为更加准确地表现煤的变质程度，采用镜质组反射率作为变质程度的定量指标，其值愈大则变质程度越高。

据表2数据，K1煤层镜质组反射率最大1.737%，最小1.599%，平均1.647%，变异系数2.81%，锗品位则为11～19 μg/g，均值 15 μg/g；K2煤层镜质组反射率最大1.617%，最小1.196%，平均1.439%，变异系数10.00%，锗品位则为18～27 μg/g，均值为 22 μg/g；K3煤层镜质组反射率最大1.458%，最小0.599%，平均0.947%，变异系数32.60%，锗品位则为22～37 μg/g，均值为 30 μg/g；K5煤层镜质组反射率最大0.790%，最小0.464%，平均0.567%，变异系数23.18%，锗品位则为34～55 μg/g，均值为 43 μg/g；K6煤层仅1个样品，镜质组反射率1.684%，锗品位 11μ g/g；K7煤层镜质组反射率最大0.912%，最小0.489%，平均0.584%，变异系数24.93%，锗品位则为29～53 μg/g，均值为 39 μg/g；K9煤层镜质组反射率最大1.531%，最小0.522%，平均0.987%，变异系数41.13%，锗品位则为19～46 μg/g，均值为 31 μg/g；K10煤层镜质组反射率最大1.773%，最小1.321%，平均1.558%，变异系数11.37%，锗品位则为12～25 μg/g，均值为 18 μg/g。

上述数据经分析表明，镜质组反射率与锗品位有明显的负相关特征，随着镜质组反射率的增加，锗品位有明显的降低趋势，就各煤层单独而言，其负相关的总体特征一致，仅数据相关性各有差别(表3)。考虑到热液活动对煤层变质作用的整体性，单独某个煤层并不能很好地表现出镜质组反射率与锗品位的宏观关系。将各煤层数据汇总到一个坐标系下考量其总体特征(图1)，可以看出，虽然镜质组反射率与锗品位总体呈现负相关的特点，但两者绝非相对恒定的线性关系，而是表现出明显的阶段性，且在不同的阶段其相关程度并不一致。如在镜质组反射率为0.5%左右及以下区域时，两者相关程度较低，数据规律性不强；在镜质组反射率为0.5%～1.5%阶段，两者表现出明显的负相关，数据规律性迅速增强；在镜质组反射率为1.5%以上区域，两者相关性开始出现降低的趋势。

表3 样品情况统计Tab.3 Sample statistics

图1 总体镜质组反射率与锗品位的关系Fig.1 Relationship between reflectance of total vitrinite and germanium grade

3 煤层变质程度与锗富集的关系

根据上述数据分析可以得出,煤层变质程度对锗的富集表现出明显的影响，从总体上而言，变质程度越低则越富集，反之亦然。但这种影响带有特殊的阶段性，变质程度较高和变质程度较低阶段，对锗富集的影响相对较弱，在变质程度中等阶段则影响加强。

从另一角度理解，则可认为,锗宜于较低变质程度下进行富集，变质程度增高则锗随之流失，锗品位降低到一定程度后，煤层变质对其影响逐步减弱。鉴于煤层变质类型较多，其变质机制各有差异，要分析这种影响的特殊性，有必要从煤层的变质类型及区域背景等方面深入探讨。

4 煤层变质类型的确定

根据已有研究[12]推断，云南宝山矿区煤中锗的富集与热液活动有关，而热液活动导致煤层热变质，上述数据也说明，该矿区煤层变质程度与锗的富集有密切关系，固此，讨论该区煤层变质类型是否为热液变质则非常必要。

根据“杨起煤变质理论”[13]，煤的变质可以分为岩浆变质、接触变质、热液变质等多种类型，而其中热液变质作用通常受到构造条件的制约，有着相对明显的构造控制特征。将矿区各采样钻孔及坑道的镜质组反射率均值化，以此制作镜质组反射率平面等值线图(图2)进行分析，可以看出镜质组反射率高值聚于矿区西侧，表现出整体由西向东反射率逐渐降低的态势，亦即矿区煤的变质程度由西向东逐渐降低。这种特点反映出矿区煤层变质与西侧断层关系密切，镜质组反射率高值区的展布与西侧断层大体一致，表现出明显的构造控制特征。另外，根据现场踏勘，矿区煤层及围岩相对发育方解石脉、石英脉，在矿区西侧多见石髓、绿泥石、海绿石、菱铁岩、黄铁矿及硫化物，这些现象表明该区煤层遭受过热液活动，煤层变质类型属热液叠加变质，这从另一个方面验证了宝山矿区锗的富集与热液有关。

图2 镜质组反射率平面等值线图Fig.2 Plane contour map of vitrinite reflectance

5 宝山矿区煤层变质区域背景

云南较为典型的锗矿主要为会泽铅锌矿伴生锗矿及帮卖锗煤，其中会泽铅锌矿与宝山矿区同属同一构造域，即康滇古陆东缘小江断裂以东，由小江断裂及其衍生次级断裂控制构成的三角形区域，区内矿产较大程度受小江超壳断裂控制。晚二叠世时期，区内峨眉山玄武岩岩浆喷溢活动强烈，热液活动频繁。

大量研究表明，会泽铅锌矿及伴生锗属多期次的热液成因，该热液活动受到小江断裂带的控制。宝山矿区煤中锗的富集亦与热液活动密切相关，其是否也受小江断裂带控制呢？据唐红松等[14]研究发现，小江断裂带及以东区域内煤层变质多与这段时期的热液活动有关，自小江断裂向东，煤层变质呈现带状分布(图3)，有很强的规律性，变质程度最高为会泽东川区域，向南北逐渐递减，带状走向与小江断裂带及其次生断裂近似一致，表现出很强的构造控制特点，为热液变质的典型特征；而宝山矿区属该区南向变质减弱的过渡带，说明宝山矿区热液活动就宏观背景而言，有受到小江断裂的控制影响的明显迹象。根据上述分析，宝山矿区煤中锗的富集及矿质来源与会泽铅锌矿有很大的相似性，两者构造位置均属康滇古陆东缘之小江断裂以东，川滇黔成矿带南缘，与区域热液活动相关性强，有类似的成矿背景和条件。

图3 区域煤层变质分带图(修自唐红松，2005[14])Fig.3 Regional coal seam metamorphic oning map(revived from TANG Hong-song,2005)

6 结 论

煤中锗的富集与热液活动关系密切，而热液活动又会导致煤层变质，但就已发现的富锗煤而言，其变质程度并不高，多属褐煤。本研究发现，锗的富集与变质程度负相关，但这种负相关的程度并不稳定，具阶段性：在低变质阶段，相关程度较弱；在高变质阶段，也开始趋于减弱。这些结论说明富锗煤的形成条件极为苛刻，虽然热液活动将锗元素携入煤层，但热液导致的煤层变质并不利于锗的富集，煤层变质将导致煤中大量官能团(常表现为挥发分)挥发，煤层的挥发分随着变质程度的增加而逐渐降低[15-18]。已有研究表明锗主要赋存于这些官能团，这就解释了锗品位与煤挥发分正相关的特点以及富锗煤一般为低变质煤的现象。

在低变质阶段，煤中大量官能团并未挥发，故此对锗的富集影响不大；当变质程度加深，官能团迅速减少，锗随之流失；而在高变质阶段，煤中锗已所剩无几，所以其变质程度对锗的富集影响也开始减弱。综上，说明煤中锗的富集条件为携带锗元素的低温热液，并且其整体过程趋于稳定，即热液携入热能速率应与该区热能散失速率在较低温度下达到平衡。因为对于煤的变质因素而言，温度最为敏感。据上述对会泽铅锌矿伴生锗矿与宝山矿区富锗煤形成的关系讨论，也说明锗煤的这一特点，在高变质区域并不利于锗煤的形成，其主要分布于热液活动减弱的过渡地带。

通过分析宝山矿区富锗煤变质程度与锗品位的关系及其与会泽铅锌矿伴生锗的联系，初步得到以下结论：

1)宝山矿区锗煤的形成与热液关系密切，并受煤层变质程度控制，变质程度加深不利于煤中锗的富集，故此低温含矿热液为煤中锗富集的有利条件。

2)会泽铅锌矿伴生锗与宝山矿区煤中锗同属一期，同为小江断裂控制域热液活动导致，这也是该区煤层变质的重要控制因素。

3)煤中锗的富集受变质程度控制，进一步定量且大区间分析锗的富集与镜质组反射率的关系非常有必要。