鄂尔多斯盆地南北缘煤中金属异常富集成因对比

宁树正， 黄少青， 刘 亢， 秦国红， 周云飞， 张 莉， 范玉须，郭爱军，袁建江

(1.中国煤炭地质总局 勘查研究总院，北京 100039;2.河北师范大学，河北 石家庄 050010;3.山西能源学院，山西 晋中 030600)

煤是一种具有特殊的还原障和吸附障性能的有机岩，在特定的地质条件下可以富集镓(Ga)、锗(Ge)、锂(Li)、稀土元素(REY)等关键金属元素，其经济价值甚至远远超过煤炭本身，而且从原煤中(或煤灰)提取这些元素时通常不会增加多余成本，也会减低对环境的污染，因此，加强煤中金属元素的研究对于煤炭行业转型和资源优化配置具有重要意义。目前，我国已发现的煤系中金属矿床类型众多，各具特定的成矿地质环境，然而，对于不同地区、不同类型的煤中金属元素分布和富集成因的异同与联系缺乏系统的研究和解剖，阻碍了煤系关键金属富集成矿理论的进一步发展，也不利于预测和指导煤系中金属矿床的勘探和开发。

鄂尔多斯盆地是我国重要的能源盆地之一，煤炭资源丰富，前人对煤中金属元素分布已进行了研究，盆地煤中金属元素的富集主要集中在盆地的南北缘。富集特征方面，DAI等发现黑岱沟煤中Ga元素主要富集在6煤中部；吴国代等发现黑岱沟煤中Ga元素主要富集在6煤顶底板；张有河等研究了准格尔煤田西南部山西组4煤、太原组6煤夹矸及顶底板稀土元素的分布，探讨了其沉积环境和物源；赵存良发现黄陇煤田等侏罗纪煤中Ga元素含量也较为富集；秦国红等发现，鄂尔多斯盆地西缘石炭—二叠系煤中Li，Ga，REY含量较侏罗系明显偏高。赋存状态方面，代世峰等发现准格尔煤田Ga在煤中的主要赋存载体为勃姆石，认为准格尔煤田煤中Li主要赋存于黏土矿物中；WANG等认为，哈尔乌素矿90%煤中F赋存于有机质和硅铝酸盐中；崔晓南等认为，渭北煤田韩城下峪口矿二叠纪主采煤层及其顶底板中的稀土元素与灰分中Fe的相关系数大于0.5，其赋存状态与黄铁矿有共生的可能性；杜芳鹏认为渭北石炭二叠系煤中Li呈高度富集，主要赋存在黏土矿物中，少量Li和U可能以有机态赋存。富集成因方面，雒昆利等认为，韩城矿区煤中S的形成与成煤物质及煤层形成时期的泥炭沼泽环境密切相关；代世峰等指出，哈尔乌素煤中稀土元素主要来自本溪组风化铝土壳，以及后期成岩过程中地下水从夹矸中的淋滤作用；黄婷等发现保德杨家湾勘查区中8号煤Ga较为富集，弱还原环境为Ga元素的有利沉积环境；金喆发现低位沼泽中哈尔乌素6煤Li元素含量更高；杨宁认为强还原性的海水环境为Li，Be，F，Ni，U等元素的有利沉积环境；黄少青等认为盆地东缘河东煤田物源主要来自于北部的阴山古陆，且元素搬运距离是控制该煤田煤中Li，Ga，Al等元素含量分布的因素之一。

与鄂尔多斯盆地北缘相比，前人对盆地南缘煤中元素地球化学相关研究相对薄弱，南北两缘煤中战略性金属富集的元素种类、赋存状态存在明显不同，南北缘的煤岩特征及成煤环境、地质构造及演化、热事件等均有明显差异。笔者在收集整理以往研究数据基础上，补充采样测试，分析南北缘煤中金属元素富集差异，通过鄂尔多斯盆地南北缘煤岩特征、矿物特征、成煤环境等方面对比，探讨差异成因，分析不同地质因素、地球化学环境等对煤中金属元素分布及赋存状态的影响及控制。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地处于华北克拉通西部，盆地内部构造简单，环绕盆地发育一系列新生代断陷盆地，包括北缘的河套地堑、南缘的渭河地堑、东侧的汾河地堑与西缘的银川地堑等(图1)。盆地北缘沿温都尔庙—索伦—西拉木伦缝合带一线展布，北缘的古亚洲洋(索伦—西拉木伦洋盆)主要在晚二叠世闭合，北部发生海陆转换，表现为一向西南倾斜的单斜构造，基底由中、下太古界到元古界多套变质岩系所组成，并在晚二叠世全部转为陆相沉积。盆地南缘渭北隆起与渭河地堑相邻，在寒武纪—早奥陶世伸展，形成被动大陆边缘，并在中奥陶世开始发生构造转换。西南缘在中、晚三叠世之交也发生了构造环境的急剧变化，形成一系列断层相关褶皱背斜带。盆地地层发育较为广泛，太古界、元古界、古生界、中生界、新生界地层均有出露。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

对鄂尔多斯盆地从北向南依次研究的煤田为:准格尔煤田、黄陇煤田和渭北煤田(图1)。盆地北缘的准格尔煤田主要采集样品在黑岱沟煤矿和哈尔乌素煤矿，主采煤层为太原组6煤。南缘为黄陇煤田和渭北煤田，其中，黄陇煤田主要采集样品在建庄矿和黄陵煤矿，主采煤层分别为侏罗纪4煤和2煤，而渭北石炭—二叠纪煤田主要采集样品在西固煤矿、象山煤矿、下峪口煤矿和桑树坪煤矿，主采煤层为太原组(5煤)和山西组(2煤和3煤)，位于太原组顶部的5号煤在全区分布稳定。

2.2 测试方法

样品采集严格依据《煤层煤样采取方法》(GB/T 482—2008)，分布在盆地南北缘准格尔煤田、黄陇煤田和渭北煤田3个煤田、9个矿井。样品测试在中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室完成，采集的样品进行煤的工业分析、灰成分分析、岩石薄片鉴定、微量元素测试、X射线衍射。工业分析测试依照GB/T 30732—2014，全硫分析依照国标GB/T 215—2003。煤岩样品粉碎筛分至200目(0.074 mm)进行元素分析、X衍射分析。煤灰成分测试依照国标GB/T 1574—2007，将煤岩样品进行高温灰化(815 ℃)，测试其中主量元素氧化物含量(本文含量均为质量分数)。微量元素采用激光耦合等离子质谱分析(ICP-MS)。C，H，N含量采用CTCH500碳氢化合物分析仪测试。煤岩组分鉴定采用显微镜Leica-BMRXP完成，分类及命名依照GB/T 15589—2013，全岩扫描范围为5°～50°。

图1 采样煤田分布平面示意Fig.1 Geological ketch map of sampling coalfield

3 结果及分析

3.1 煤中微量元素和稀土元素富集特征

煤中微量元素富集特征

煤中微量元素测试结果见表1。笔者采用代世峰等提出的富集系数(CC，煤中微量元素含量/世界煤中微量元素含量)对研究区煤中微量元素富集特征进行分析。

盆地北缘准格尔煤田煤中Li元素含量为0.06～166.30 μg/g，平均67.10 μg/g；Zr元素含量为70.5～537.4 μg/g，平均175.2 μg/g；Hf元素含量为2.0～14.4 μg/g，平均5.9 μg/g。与世界煤相比，准格尔煤田煤中有Li，Zr，Hf元素表现为富集(5

表1 鄂尔多斯盆地南北缘煤中微量元素含量

图2 鄂尔多斯盆地南北缘煤中微量元素的富集系数Fig.2 Concentration coefficients (CC) of trace elements in coals from the north and south margin of Ordos Basin

煤中稀土元素富集特征

稀土元素研究采用REY三分法，分为轻稀土元素(LREY:La，Ce，Pr，Nd，Sm)、中稀土元素(MREY:Eu，Gd，Tb，Dy，Y)和重稀土元素(HREY:Ho，Er，Tm，Yb，Lu)。

以上地壳(UCC)数据为标准，根据Seredin-Dai的分类方法和标准，对研究区稀土元素含量数据进行标准化，用La，Sm，Gd和Lu的标准化比(L型：La/Lu>1；M型：La/Sm<1且Gd/Lu>1；H型：La/Lu<1，其中La，Lu，La，Sm，Gd为元素上陆壳(UCC)标准化值)将稀土元素的富集类型划分为轻、中、重3类。

盆地北缘准格尔煤田煤中REY含量在7.986～122.500 μg/g，平均60.63 μg/g(表2)，略低于世界煤中REY均值(68 μg/g)。准格尔煤田煤中La/Lu在0.70～9.28，平均为2.50，以轻稀土富集型为主；从图3(a)可以看出，分布曲线整体向右倾斜，Eu=0.36～1.04，平均0.73，Eu显示负异常；Ce=0.36～1.04，平均0.73，Ce显示负异常；Y=0.57～0.92，平均0.79，Y显示轻微负异常。

盆地南缘渭北煤田煤中REY含量在21.44～153.04 μg/g，平均值达74.02 μg/g，超过世界煤中REY均值(68 μg/g)。渭北煤田煤中La/Lu在0.38～1.00，平均0.73，以重稀土富集型为主；从图3(b)可看出，Eu=0.78～1.05，平均0.94，Eu显示轻微负异常；Ce=0.63～1.62，平均0.94， Ce显示轻微负异常；Y=0.94～1.18，平均1.02，无Y异常。

表2 鄂尔多斯盆地煤中稀土元素地球化学参数

图3 鄂尔多斯盆地煤田样品上地壳标准化稀土元素分配模式Fig.3 Chondrite-normalized REY patterns in Ordos Basin coal samples

盆地南缘黄陇煤田煤中REY含量在9.09～192.1 μg/g，平均52.12 μg/g，低于世界煤中REY均值。黄陇煤田煤中La/Lu在0.70～1.65，平均0.91，以中稀土富集型为主；从图3(c)可看出，Eu=1.06～3.82，平均1.58，Eu显示正异常；Ce=0.67～1.03，平均0.86， Ce显示轻微负异常；Y=0.78～1.18，平均1.04，无Y异常。

南北缘差异特征对比

与世界煤均值相比，盆地北部准格尔煤田煤中Li，Zr，Hf富集，Be，Ga，Sr，Nb，Pb，Th轻度富集，盆地南部黄陇煤田煤中Sr和Ba轻度富集，渭北煤田煤中Li富集，Ga，Zr，Nb，Cs，Hf，Ta，Pb，Th轻微富集。

盆地煤中Ga元素总体上呈北高南低的趋势，在准格尔煤田、渭北石炭—二叠纪煤田含量较高，所采煤样Ga含量平均值分别为10.6，13.0 μg/g，在黄陇等侏罗纪煤田含量下降，平均值为5.2 μg/g。Li含量也在准格尔煤田、渭北石炭—二叠纪煤田出现富集，样品含量平均值分别为67.1，56.8 μg/g，在黄陇等侏罗纪煤田含量较低，平均值为13.4 μg/g。煤中稀土元素(REY)在发育石炭—二叠纪煤系的煤田中REY含量较高，而在以侏罗纪煤系为主的煤田中REY含量急剧降低。在准格尔煤田均值为200 μg/g，而在盆地南部渭北石炭—二叠纪煤田中，含量相对降低，最高值约160 μg/g。

3.2 煤岩显微组分与矿物特征

煤岩显微组分

盆地北缘准格尔煤田太原组煤层的镜质组最大反射率()为0.46%～0.93%，主要为长焰煤，在煤田的西部随着煤层深度的增加，煤的变质程度逐渐增高，预测煤田1 000 m以深的主体煤类以气煤为主。准格尔煤田太原组煤层中的有机组分主要是惰质组和镜质组成分，矿物组成以黏土矿物为主，硫化物次之(图4(a))。

图4 鄂尔多斯盆地南北缘反射光显微组分Fig.4 Macerals under the reflected light microscopy of Ordos Basin

盆地南缘渭北石炭—二叠纪煤田主要可采煤层镜质组最大反射率为1.63%～2.12%，属于较高变质烟煤，煤类以贫煤、贫瘦煤、瘦煤为主。垂向上，上部煤层的挥发分通常比下部煤层高；煤层中的显微组分主要为镜质组分，惰质组分次之，黏土矿物是煤中的主要矿物，山西组煤层中还含有碳酸盐矿物(图4(b))。

盆地南缘黄陇煤田的最大镜质组反射率为0.51%～0.88%，属于低变质煤，煤类主要是长焰煤—气煤，从煤田的东北部到煤田的西南部，煤的变质程度逐渐降低，惰质组与镜质组是煤中主要的显微组分，矿物以黏土矿物和碳酸盐矿物为主(图4(c),(d))。

盆地北缘准格尔矿区显微组分均以镜质组为主，含量高于惰质组。山西组的镜质组含量(均值分别为67.0%和64.8%)较太原组(均值分别为65.6% 和 62.8%)略高。渭北石炭—二叠系煤的显微组分以镜质组为主，平均含量74.7%；惰质组次之，含量均值25.3%。黄陇煤田侏罗系煤中显微组分以惰质组为主，均值53.2%；镜质组次之，均值38.3%，凝胶化作用强度较低，成煤时泥炭沼泽的覆水深度较浅。

矿物特征

盆地北缘准格尔煤田石炭—二叠系煤中矿物主要以黏土矿物、含铝氧化物和氢氧化物等为主。勃姆石和一水硬铝石被认为是由沉积源区风化壳铝土矿有关的胶态铝质凝胶或溶液形成的。本研究在准格尔盆地富镓、锂煤中发现丰富的方解石晶体，以裂隙填充及自生形态为主。

盆地南缘渭北石炭—二叠系象山5煤、桑树坪3号煤中矿物主要以石膏、高岭石、方解石、黄铁矿、磷灰石和锐钛矿等为主。其中，在该区还发现不规则形状的碎屑石英和蠕虫状高岭石。矿物形态特征显示了火山灰输入含煤地层特征(图5，6)。

图5准格尔煤田煤中的硅酸盐矿物扫描电镜图像(成像方式:高真空二次电子成像(ETD )) Fig.5 SEM images of silicate minerals in coal of Jungar coalfield (ETD)

图6 渭北煤田煤中的其他矿物(磷酸盐矿物、硫化物矿物等)扫描电镜图像(成像方式:高真空二次电子成像(ETD))Fig.6 SEM and spectrum images of other minerals(phosphate mineral，sulfide mineral，et al.) in coal of Weibei coalfield (ETD)

4 异常富集主控地质因素

4.1 源区母岩

由于AlO/TiO(含量比，下同)在沉积物和在源岩中的比值相似，通常用来指示煤矿床源岩的有效指标，来源于铁镁质、中性和长英质火山岩的源岩AlO/TiO分别为3～8，8～21和21～70。然而，在运用该比值反映物源时需要慎重，因为Al和Ti可能在成岩或后生阶段发生迁移。如在松藻煤中发现了再沉积的含Ti矿物，在澳大利亚煤中发现有富Al热液侵入到煤层，发生沉淀。但在本研究的鄂尔多斯盆地南北部，未发现发生再沉淀或淋滤的富Ti矿物，也未发现后生成因的高岭石，所以AlO/TiO可作为反映研究区煤层的物源指示剂。盆地北部和盆地南部AlO/TiO在8～70，表明源岩为中性-长英质物质(图7(a))。

图7 鄂尔多斯盆地南北部煤中Al2O3和TiO2,Zr/TiO2 和Nb/Y关系Fig.7 Relations between Al2O3 and TiO2， Zr/TiO2 andNb/Y for the coal benches in the north and south Ordos Basin

Zr/TiO，Nb/Y(含量比，下同)可分别用来指示岩浆的酸性和碱性程度，为进一步识别原始岩浆类型绘制了Nb/Y-Zr/TiO分布(图7(b))，研究区大部分样品落入中性-长英质火山岩区域，即中性-长英质火山岩向鄂尔多斯盆地南北部提供了大量的陆源碎屑。

稀土元素化学性质稳定，部分稀土元素异常(如Ce，Eu，Gd等)可用来指示含煤盆地的沉积源区。盆地北部准格尔煤田煤样与阴山古陆钾长花岗岩、本溪组铝土矿配分模式相似，均表现为轻稀土元素富集，具有明显的Eu负异常，表明其源岩为阴山古陆钾长花岗岩和本溪组铝土矿。而盆地南部渭北煤田煤样表现出与秦岭古陆中性-长英质火山岩相似的稀土元素配分模式，均为稀土元素分异不明显，Eu表现为轻微的负异常，表明其物源来自秦岭古陆。需要说明的是，研究区盆地南部黄陇煤田表现出的明显Eu正异常是由于煤样中高含量Ba引起ICP-MS检测的Eu被高估造成的。

4.2 沉积环境

Sr/Ba(含量比，下同)表示煤和其他沉积岩沉积环境的有效指标。一般地，Sr/Ba>1，受海水影响；Sr/Ba<1，受淡水影响。此外，Sr/Ba和灰分的负相关性通常也能反映受淡水影响的碎屑物质的输入程度。盆地北部准格尔煤田煤中Sr/Ba为0.07～7.78，均值为3.49，Sr/Ba-具有较小的相关性，表明其主要受海水影响(图8)。盆地南部渭北煤田煤中Sr/Ba为0.60～6.25，均值为2.77，Sr/Ba-具有较小的相关性，表明该区成煤过程中也主要受海水影响。盆地南部黄陇煤田煤中Sr/Ba为0.60～1.17，均值为0.78，表明该区成煤过程中主要受淡水影响。

图8 鄂尔多斯盆地南北部煤中Sr/Ba和灰分关系Fig.8 Relationship between Sr/Ba and ash yield for coalbench samples from the north and south Ordos Basin

4.3 富集成因模式探讨

(1)盆地北缘——阴山古陆陆源碎屑供给-泥炭形成环境复合型。

该模式中，构造较为不发育，物源是煤中微量元素富集的主体因素，泥炭形成环境的微变化，使煤的不同分层中元素含量产生差异。

准格尔煤田煤的主要物源为阴山古陆中元古代钾长花岗岩和本溪组风化壳铝土矿，由于源岩的碎屑物质供给，准格尔煤田煤中元素含量总体偏高，与世界煤中微量元素含量均值相比，Li，Zr，Hf呈富集状态。该区成煤过程中受一定程度的海水影响，泥炭形成环境的微变化，包括氧化还原条件、水动力条件、古植物类型、古盐度、pH值等，导致不同煤分层中元素含量的差异性。成煤植物为楔叶类植物，形成于相对酸性、半咸水影响、水动力环境较强、还原环境中的煤层，有利于Li元素富集；成煤植物主要为脉羊齿和鳞木，形成于酸性、淡水影响、弱氧化环境、水动力环境较弱的煤层，有利于Ga和REY富集；成煤植物为脉羊齿和鳞木或楔叶类古植物，形成于相对碱性、弱氧化到还原、半咸水或者海水影响、水动力环境较强的煤层，有利于稀土元素的富集。

(2)盆地南缘——秦岭古陆陆源碎屑供给-酸性火山灰复合型。

该模式中，陆源区母岩和酸性火山灰的侵入对煤中微量元素的富集也起主导作用。

北秦岭构造带主要出露元古宙宽坪群和秦岭群花岗片麻岩、新元古代—早古生代丹凤群和二郎坪群花岗岩，渭北和黄陇煤田主要物源为秦岭古陆的中性-长英质火成岩，由于源岩的碎屑物质供给，该区煤中Ga，Li，Bi，Co等元素轻度富集。文献[46]在渭北煤田铜川矿区煤矿观察到具有火山成因的石英和锆石等矿物。本研究中，在渭北和黄陇煤田也发现了火山成因的矿物，如呈尖角状或者不规则状的碎屑石英(图5(f))、晶型良好的蠕虫状高岭石(图5(a))、磷灰石(图6(a),(b),(j))等，均表明该区成煤过程中有火山灰影响。前人研究表明，形成磷酸盐矿物中的磷最初可能来源于输入到泥炭沼泽的火山灰物质，然后被富铝溶液捕获，从而在有机质孔中形成不溶的磷铝矿物。文献[48-50]报道了与煤层密切相关的tonsteins中磷铝锶石矿物主要来源于火山成因的物质。虽然黑岱沟、哈尔乌素和官板乌素煤矿中富勃姆石煤中的磷铝锶石矿物主要来源于本溪组铝土矿的风化产物，但研究区煤的物源主要来自秦岭古陆，基本不受本溪组铝土矿影响，因此该区煤中的磷灰石矿物可能与火山成因的物质有关。

5 结 论

(1)与世界煤均值相比，盆地北部准格尔煤田煤中Li，Zr，Hf富集，Be，Ga，Sr，Nb，Pb，Th轻度富集，盆地南部黄陇煤田煤中Sr，Ba轻度富集，渭北煤田煤中Li富集，Ga，Zr，Nb，Cs，Hf，Ta，Pb，Th轻微富集。盆地煤中Ga，Li元素在准格尔煤田、渭北石炭—二叠纪煤田含量较高，总体上呈北高南低的趋势。REY在发育石炭—二叠纪煤纪的煤田中较高，而在以侏罗纪煤系为主的煤田中REY含量低。

(2)通过矿物成分分析，盆地南北缘煤中矿物以黏土为主，未发现富集稀土元素的独立矿物。盆地南部渭北煤田和黄陇煤田煤中发现与火山成因有关的不规则石英、蠕虫状高岭石和磷灰石矿物。

(3)盆地北缘阴山古陆和本溪组风化壳铝土矿为准格尔太原组煤提供了主要的物源供给，为与泥炭形成环境复合型富集成矿模式。盆地南缘物源区为盆地南部的秦岭古陆陆源碎屑，为与酸性火山灰复合型富集成矿模式。