宁武煤田轩岗矿区2#煤中锂的分布规律和来源分析

左贵彬，李鸿豆，孙明晓，蔺敬妍，王志勇，田泽奇，肖 林

(河北工程大学地球科学与工程学院，河北邯郸 056038)

0 引言

锂(Li)是一种具有独特的物理、化学性能且在自然界中最轻的金属元素，是新一代信息技术、新材料、新能源汽车等新兴产业所必须的支撑材料[1-2]，“十三五”规划中被列为国家战略资源[3-4]。然而，目前锂矿床主要是传统的三种类型：盐湖卤水型、伟晶岩型和沉积型。广义的沉积型锂矿床泛指产于沉积岩中的、尚不具备独立工业开采价值而具有市场竞争价值的锂矿床，包括产于铝土矿、煤矿、高岭土矿、黏土矿中可作为伴生矿产利用的锂矿床[5]。因煤炭在地球上蕴藏量丰富，分布地域广，而中国不仅是世界第一产煤大国，也是煤炭消耗大国，所以对煤中锂元素的地球化学特征研究，不仅有利于煤中有益元素的开发而且对煤炭的清洁利用具有重要意义[6]，也让煤的二次利用显得尤为重要，同时还有望解决锂资源短缺的问题。对于煤中锂的研究诸多学者也已进行大量工作[24-34]。据Ketris等估计，世界煤中锂的平均含量为18±1 mg/kg，煤灰中 Li 的平均含量为82±5 mg/kg[25]。Sun等根据2 806个煤样估算出中国煤中锂的平均含量为28.94 mg/kg，除中国外，世界煤中锂的平均含量均低于20 mg/kg[28]。发现在内蒙古准格尔煤田官板乌素矿中发现锂的含量已经达到经济品位，并首次提出煤伴生锂矿的概念，并计算出Li2O 的总储量在该矿达5.2万 t[31,33]。近几年，在Sun等人首次关注到了中国煤中锂的异常富集之后，诸多学者在中国的很多煤样中陆续发现了锂元素的富集[13-16,28-29,32-37]。刘汉斌等预测宁武煤田平朔矿区锂资源量约达127.96万t[8]。孙玉壮等研究认为准格尔煤田和平朔矿区煤中锂资源的储量分别约为342、107万t[31,34,36]。这揭示了煤田中可能存在超大型煤伴生锂矿，使煤成为全球锂资源的又一重要来源。

山西省宁武煤田煤炭资源储量巨大，达到390亿t，煤炭产量约3 000万t/a。已有学者已对宁武煤田煤中微量元素地球化学特征进行了研究，如刘蔚阳等曾对轩岗矿区南沟煤矿煤地球化学特征做了详细研究[9]；刘汉斌等对宁武煤田煤炭共伴生矿产的分布特征和前景进行了分析，认为共伴生固体矿产主要富集于煤田北部平朔矿区,其中锂、镓、铝主要富集于平朔矿区太原组4#、9#和11#煤中[10]；Wang等研究了宁武煤田安家岭煤矿 9#煤中的微量元素特征[37]；Sun在研究宁武煤田安太堡露天矿煤中伴生锂元素时发现Li的平均含量达到172 mg/kg，个别样品最高达到657 mg/kg[28]；王金喜对宁武盆地石炭二叠纪煤中锂富集的沉积控制进行了研究[12]；衣姝等指出安家岭9#煤中锂与无机物质特别是硅酸盐有密切联系[13]；刘帮军等对平朔9#煤中 Li 的富集机理做了系统的研究，认为Li的直接来源是本溪组铝土矿，最终来源是北部阴山古陆[14-16]。但这些研究多集中于宁武煤田北部的平朔矿区，研究煤层也多集中于山西组 4#、太原组 9#和11#煤层，对宁武煤田中部的轩岗矿区主采煤层的研究较少，且对轩岗矿区煤中伴生元素含量及分布特征还未进行系统研究。本文以宁武煤田轩岗矿区2#煤为研究对象，探讨煤中锂元素的含量、分布规律和赋存状态，推断轩岗矿区2#煤中锂的物质来源，弥补轩岗矿区在煤中伴生元素研究领域的空白。

1 地质背景

宁武煤田是山西六大煤田之一，位于山西省中北部宁武至静乐一带，大致呈北东向走向，长约160km，宽约20km，含煤面积3 706km2(图1)。轩岗矿区位于宁武煤田中部东缘，是宁武四大矿区之一。宁武向斜由北向南贯穿轩岗煤田。北部和北东部为走向北东和北东向彼此平行的正断层组，轩岗矿区倾向北西。地层强烈挤压褶皱，倾角较陡，将矿区切割成零星断块。自晚石炭-二叠世以来，阴山古陆受到造山运动的影响，长期平稳隆升遭受风化剥蚀，与宁武盆地构成北高南低的地势，成为宁武盆地的物源区[17](图2)。

图1 宁武煤田轩岗矿区构造纲要图

1.古陆古岛; 2.古隆起; 3.泥潭沼泽发育相; 4.边缘堆积相;5.滨海或三角洲平原砂泥岩相; 6.浅海灰岩相; 7.物质补给方向; 8.海侵方向; 9.地名

轩岗矿区主要含煤地层为太原组和山西组，主要可采煤层为2#和5#煤(图3)。2#煤位于太原组上部，山西组底部砂岩之下，为稳定的可采煤层，在轩岗矿区煤层厚度1.06～6.90m，平均3.84m。含0～3层夹矸，结构较简单，夹矸岩性为泥岩或炭质泥岩。直接顶为砂质泥岩，底板为砂质泥岩。

图3 宁武煤田轩岗矿区地层岩性柱状图

2 样品采集与分析

依据国标《煤层煤岩采取方法》(GB482—2008)的相关规定[19]，结合矿区煤层实际情况，在工作面进行分层刻槽采样，采集13个矿区(表1)共计98个样品其中75个煤样。使用偏光显微镜对样品进行显微煤岩组分观测，使用 X射线荧光光谱(XRF)测定煤及矸石中常量元素含量，使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定煤及矸石中微量元素含量，运用元素地球化学、沉积学等学科理论进行分析。

表1 采样信息

3 结果与讨论

3.1 锂的分布规律

本次测试结果如表2所示(表中值均为每个煤矿的均值)，根据《中华人民共和国稀有金属矿产地质勘查规范》(DZ/T 0203—2002)，伟晶岩中的Li2O的最低开采品位为0.2%[20]。参照这个标准，Sun等根据研究，提出锂合理的最低综合利用品位为80 mg/kg，在中国煤中的综合利用品位为120 mg/kg[35]。Yudovich和Ketris[29]建议煤中锂回收利用的指标为100 mg/kg。本次研究采用Sun提出的标准对锂元素进行分析，轩岗矿区2#煤锂含量为8.73～134.47μg/g，平均含94.71μg/g，与世界煤均值相比除张家沟、潞宁2个采样点其他采样点均已达到富集程度，程家沟134.47μg/g、南沟126.32μg/g、花沟125.81 μg/g和梨园河134.32μg/g 4个采样点含量超过参考评价利用指标。

表2 煤中锂、灰分及主要常量元素(全煤基)含量表

由表3、图4和图5可以看出北部矿区锂含量都已达到富集程度，而南部几个矿区锂含量则较低，均未达到富集程度(表4)。整体变化趋势呈现出北高南低的趋势。而北部含量较高的程家沟、梨园河和南沟几个矿区位置都在轩岗矿区北端和东北侧，这为以后研究轩岗矿区的锂元素富集指明了方向，北部矿区是进一步进行富集机理以及是否具有工业利用价值研究的重点区域。

表4 矿区南部锂元素与常量元素及灰分相关性

图4 轩岗矿区煤中锂元素含量

图5 轩岗矿区煤中锂、灰分及主要常量元素南北变化趋势

表3 矿区北部锂元素与常量元素及灰分相关性

3.2 锂的赋存状态

前人研究认为，煤中锂的含量与灰分产率(Ad%)呈现一定相关性，尤其是与黏土矿物含量相关性更强[21,31,36]。锂元素活动性较强，在地表风化过程中易于从母岩中淋滤出来，进入黏土矿物中，被黏土矿物所吸附。例如锂蒙脱石和锂绿泥石中的锂离子主要以置换形式进入到硅-氧四面体或铝-氧八面体中，而高岭石不仅能以离子交换形式置换Li，还能以离子吸附形式吸附部分Li[4,13-14,22,38]。煤中常见矿物中几乎很少发现含锂矿物的存在。

2.常量元素含量为煤基[煤中常量元素含量(%)=灰分中常量元素含量(%)×灰分产率(%)/灰分常量元素含量总量)]换算获得。

3.中国值采用赵继尧等提出的中国平均值[7]。

对煤中锂元素与常量元素及灰分做相关性分析，发现整体上锂与灰分相关性较高，且与硅、铝和钛的相关性也特别高，因此，结合已有研究成果[4,13-14,22,38]，推测煤中锂主要在硅酸盐矿物中赋存。本次研究中锂主要赋存在黏土矿物等无机组分中，而钛与锂和硅、铝都表现出高度相关则可能是因为锂主要赋存在含钛的硅铝酸盐矿物中，而硅酸盐矿物中黏土矿物是最普遍也是最常见的一种，主要以高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石等为主，当然硅酸盐矿物中还包含一些长石如钠长石等，锂的赋存矿物还需要下一步对煤中矿物进行测定，以及对矿物的赋存状态进行研究，待对煤中硅酸盐矿物以及含钛的一些矿物进行定性和定量分析后才能得到最后的赋存矿物，这也将是下一步研究的重点。

3.3 物源分析

宁武盆地东西两侧分别为吕梁隆起和五台隆起，北面为阴山古陆，三面环山的构造特征使盆地成为良好的沉积区。在早二叠世晚期至晚二叠世，阴山古陆发生了较为强烈的隆升并伴随着强烈的褶皱和冲断作用。据此认为阴山古陆可能对盆地的沉积有重要的影响。

宁武盆地轩岗矿区太原组沉积物源岩性较复杂，主要包括沉积岩、碱性玄武岩。利用(La/Yb)N-∑REE图解法[23]，王金喜曾对山西组 2#煤和 4#和太原组 5#煤、9#煤、11#煤进行研究，提出宁武盆地石炭-二叠纪煤中 Li 富集的物源来自盆地北部阴山古陆的中元古代花岗岩系[12]。

在研究了准格尔煤田官板乌素露天矿中锂的富集原理的基础上，Sun 等[32]认为，阴山古陆中元古代的钾长花岗岩可能是该露天矿6#煤中锂的主要来源。刘帮军等认为平朔矿区也在阴山古陆附近，因此，钾长花岗岩可能是9#煤中锂的最初来源[14]。对研究区元素进行相关性分析得到，锂与灰分呈高度度相关，且主要存在于无机组分中(表3，表4)。又因为锂与硅、铝和钛呈高度相关，所以认为赋存于硅铝酸盐中。但对南北分开对比发现，矿区南部锂与灰分、硅、铝和钛的相关性大于北部地区，而南部地区锂含量却比北部低，结合物源区分布位置(图2)分析认为造成这种差异的原因主要是因为矿区南部距离物源区较远，沉积物源少且较为单一。在以上前人研究的基础上，对比轩岗矿区2#煤发现，认为轩岗矿区2#煤的沉积环境符合同时期整个宁武盆地的沉积环境，且物源也具有相同点，加上由分布趋势看出含量较高的程家沟、梨园河和南沟几个矿区位置都在轩岗矿区北端和东北侧，这些位置距离北部阴山古陆、吕梁半岛和东北部五台岛都较近，而刘帮军认为阴山古陆和吕梁半岛比五台岛更加靠近宁武煤田，以此阴山古陆和吕梁半岛比五台岛对盆地沉积影响更大[14]，所以认为轩岗矿区2#煤中的锂来自北部阴山古陆、吕梁半岛的花岗岩和沉积岩类，且北部矿区受物源区影响较大物源种类丰富，而南部物源较为单一。

4 结论

1)轩岗矿区2#煤中锂整体变化趋势呈现出北高南低的趋势，北部含量最高的程家沟、梨园河和南沟几个矿区位置都在轩岗矿区北端和东北侧。

2)轩岗矿区2#煤中锂主要存在于无机组分中，且赋存在硅铝酸盐矿物中，以及含钛的一些矿物中。

3)轩岗矿区物源主要是来自北部阴山古陆和西部吕梁隆起的花岗岩和沉积岩类，但南部矿区主要是沉积岩类较北部矿区物源较为单一，这也是导致整体含量表现为北高南低的重要原因。