抚顺始新世煤微量元素地球化学特征研究

朱士飞，曹 磊，3，张谷春，姜尧发

（1.江苏地质矿产设计研究院，江苏徐州 221006； 2.中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室，江苏徐州 221006； 3.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116； 4.江苏建筑职业技术学院，江苏徐州 221116）

0 引言

我国是煤炭资源大国，煤炭在我国具有非常重要的地位，是基本能源和重要燃料［1-3］。由于煤中微量元素蕴含着大量的地球化学信息，近年来逐渐成成为地化领域研究的热点内容。煤中微量元素的富集、分布规律、赋存特征等不仅可以为煤层的形成环境、区域演化方式提供有力的证据［4-7］，为资源开发提供科学依据，还能对环境污染问题和地方性疾病问题提供研究依据［8-10］。故具有非常重要的研究意义。

近年来很多学者对煤中微量元素进行了研究，王文峰、刘贝、杨建业等对煤中微量元素及有害元素进行了研究［11-15］，许琪对煤中伴生元素的聚散进行了研究［16］，刘冬娜分别对大同煤田8 号煤和2 号煤微量元素进行了研究［17-18］，DAI 对中国煤中微量元素特征进行了研究［19］。虽然已有很多研究成果，但对抚顺始新世煤中微量元素分析较少。故本文以抚顺始新世煤为研究对象，并对采集的样品进行测试，从而探讨抚顺始新世煤中微量元素的地化特征。

1 地质背景

抚顺煤田位于辽宁省抚顺市，为一近东西向的不完整向斜，东西长约18km，南北宽约2km，面积约36km2（图1）。含煤地层为古新统—始新统抚顺群，总厚度880～1 050m，自下而上划分老虎台组、栗子沟组、古城子组、计军屯组、西露天组和耿家街组6个组［20］。含煤三层（组），称为B 组煤、A 组煤、本层煤（主煤层）；B 组煤赋存在老虎台组、A 组煤赋存在栗子沟组，本层煤赋存在古城子组。B 组煤厚0.70～27.34m，平均7.52m；A 组煤厚0.26～10.89m，平均3.60m；本层煤厚0.70～97.00m，平均50.00m。本层煤（主煤层）是抚顺矿区的主要煤层，其顶板为油页岩，底板为粉砂质泥岩或炭质泥岩。在抚顺煤田的主煤层中，常分布树脂残殖煤（琥珀煤）夹层和煤精（烛煤）等特殊成因类型的煤。

图1 抚顺煤田地质简要图［20］Figure 1 Geological sketch map of Fushun coalfield［20］

2 抚顺露天矿主煤层中的微量元素

样品采自抚顺露天矿主煤层的各分层，样品编号FS-0～FS-37。对样品进行实验测试（表1），由表1可见，在抚顺煤矿主煤层（28个煤分层）、二个树脂残殖煤夹层、煤精样品中，除V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn 等元素平均含量高于世界硬煤和中国其它煤的平均值外、其它元素的平均含量都低于世界硬煤和中国其它煤的平均值。

表1 抚顺煤矿本层煤样品中微量元素含量Table 1 Concentrations of trace elements of the main coal seam samples from Fushun mineμg/g

根据DAI 等方法计算，在抚顺煤矿主煤层28 个煤分层中，所有元素的富集系数都小于1.9；贫乏（CC＜0.5）的元素有Y（CC=0.4）、Be（CC=0.3）、Cs（CC=0.3）、Pb（CC=0.3）、Li（CC=0.2）、Sc（CC=0.2）、Zr（CC=0.2）、Mo（CC=0.2）、Hf（CC=0.2）、U（CC=0.2）、Rb（CC=0.1）、Tl（CC=0.094）、W（CC=0.093）、Bi（CC=0.067）、Nb（CC=0.048）、Sb（CC=0.044）；其它元素的含量与世界硬煤的平均值相近（图2A）。

图2 抚顺煤矿主煤层中微量元素与世界褐煤相比的富集系数Figure 2 Concentration coefficients of trace elements in the main coal seam from Fushun mine

在2个树脂煤夹层（FS-23M、FS-33M）中，富集（5＜CC＜10）的元素是Ni（CC=5.0）；稍微富集（2＜CC＜5）的元素有Cd（CC=3.6）、Cu（CC=3.3）、Cr（CC=2.7）、Zn（CC=2.3）、V（CC=2.0）；贫乏（CC＜0.5）的元素有Li（CC=0.4）、Be（CC=0.4）、Sr（CC=0.4）、Cs（CC=0.4）、Ba（CC=0.4）、Sc（CC=0.2）、Zr（CC=0.2）、Hf（CC=0.2）、Tl（CC=0.2）、U（CC=0.2）、Rb（CC=0.098）、Bi（CC=0.080）、Mo（CC=0.069）、Sb（CC=0.017）、Nb（CC=0.007）、W（CC=0.002）；其它元素的含量与世界硬煤的平均值相近（图2B）。

在煤精样品（SF-37）中，富集（5＜CC＜10）的元素有Ni（CC=8.1）、Cd（CC=7.6）、Co（CC=5.3）；稍微富集（2＜CC＜5）的元素有Cu（CC=4.1）；贫乏（CC＜0.5）的元素有Ga（CC=0.4）、Th（CC=0.4）、Sb（CC=0.3）、Ba（CC=0.3）、W（CC=0.3）、Pb（CC=0.3）、Sc（CC=0.2）、Rb（CC=0.2）、U（CC=0.2）、Li（CC=0.1）、Sr（CC=0.1）、Tl（CC=0.1）、Bi（CC=0.055）；其它元素的含量与世界硬煤的平均值相近（图2C）。

与世界泥岩中微量元素平均值对比，在7 个夹矸泥岩中，所有元素的富集系数都小于1.7；贫乏（CC＜0.5）的元素有Li（CC=0.4）、V（CC=0.4）、Y（CC=0.4）、Th（CC=0.4）、Be（CC=0.3）、Cs（CC=0.2）、Tl（CC=0.2）、Sc（CC=0.1）、Rb（CC=0.1）、Cd（CC=0.1）、U（CC=0.1）、Mo（CC=0.06）、Hf（CC=0.031）、Zr（CC=0.024）、W（CC=0.011）、Nb（CC=0.005）、Sb（CC=0.009）；其它元素的含量与世界泥岩的平均值相近（图2D）。

上述数据显示，在抚顺煤矿主煤层及顶、底板和夹矸泥岩中，Nb、Sb、Bi、Mo、W、Rb 的富集系数很低，反映沉积源区岩石中Nb、Sb、Bi、Mo、W、Rb 等元素贫乏。

3 抚顺露天矿主煤层中的稀土元素和钇

由表2 可见，在抚顺煤矿主煤层（28 个煤分层）中，稀土元素和钇（REY）含量为5.519～161.794μg/g，加权平均值为48.27μg/g；在两个树脂残殖煤夹层中，REY 的含量为60.528～82.624μg/g，加权平均值为71.58μg/g；在10 个夹矸分层中，REY 的含量为74.267～374.274μg/g，加权平均值为204.06μg/g；在煤层顶板中，REY 的含量为98.93μg/g；在煤层底板中，REY 的含量为191.07μg/g；在煤精样品中，REY的含量为46.755μg/g。

表2 抚顺煤矿本层煤样品中稀土元素和钇（REY）含量（μg/g，煤基）及富集类型Table 2 Concentrations of rare earth elements and yttrium（μg/g，on a whole-coal basis），and enrichment type of the main coal seam samples from Fushun mine

根据SEREDIN 和DAI 方法计算，抚顺煤矿主煤层（28 个煤分层）的δEu 为1.06～1.58，平均1.27，铕正异常；δCe 为0.72～1.32，平均1.02，其中10 个分层铈负异常，18 个分层铈正异常；两个树脂残殖煤夹层的δEu 分别为1.23 和1.37，铕正异常；δCe 分别为0.87 和0.97，铈负异常；煤精样品的δEu 为1.41，δCe为1.09，铕和铈都是正异常；7 个泥岩夹矸分层的δEu 为1.19～1.50，平均1.32，铕正异常；δCe 为0.69～1.09，平均0.79，其中6 个泥岩夹矸铈负异常；3 个铁质岩夹矸的δEu 为1.23～1.35，平均1.29，铕正异常；δCe 为0.67～0.91，平均0.79，铈负异常；煤层顶板的δEu 为1.22，铕正异常；δCe 为1.07，铈正异常；煤层底板的δEu 为1.59，铕正异常；δCe 为1.01，铈无异常。全部样品都显示铕正异常，大部分样品铈负异常，少数分层铈无异常或轻度正异常。

据表2，28个煤分层中有24个分层的LaN/LuN＞1（1.09～5.49，平均2.52），为轻稀土富集型；4 个煤分层（FS-5、FS-11、FS-14U、FS-17）的LaN/LuN＜1（0.12～0.56，平均0.36），GdN/LuN＜1，为重稀土富集型；树脂残殖煤夹层的LaN/LuN＞1，为轻稀土富集型；煤精LaN/LuN＜1，GdN/LuN＞1，为中稀土富集型；10 个夹矸层中有8 层的LaN/LuN＞1（2.13～11.56，平均7.27），为轻稀土富集型，两个分层的LaN/LuN＜1（0.70～0.76，平均0.73），GdN/LuN＞1，为中稀土富集型；煤层顶板的LaN/LuN＜1，GdN/LuN＞1，为中稀土富集型；煤层底板的LaN/LuN＞1，为轻稀土富集型。

在REY 配分模式图上，28 个煤层中有4 个分层（FS-5、FS-11、FS-14U、FS-17）的配分曲线呈大倾角左倾，显示重稀土富集型特征（图3B）；24 个分层的配分曲线形态右倾，显示轻稀土富集型特征；FS-35、FS-34、FS-3分层的曲线相对平缓，位置较低（图3C，D）；其它大多数煤分层的配分曲线都表现明显的Eu 正异常峰和Y 负异常谷（图3A，E）；中稀土富集型样品（煤精等）的REY 配分曲线中段向上隆起（图3F）；煤中夹矸的配分曲线非常相似或一致，显示Y负异常谷（图3G）；煤层底板泥岩的REY配分曲线与中国玄武岩的REY 配分曲线特征相似（图3H），表明抚顺矿区煤系下部的玄武岩是主要物源。

4 结论

1）煤精样品中，除V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn 等元素平均含量高于世界硬煤和中国其它煤的平均值外、其它元素的平均含量都低于世界硬煤和中国其它煤的平均值。沉积源区岩石中Nb、Sb、Bi、Mo、W、Rb等元素贫乏。

2）主煤层稀土元素和钇（REY）含量平均值为48.27μg/g；树脂残殖煤夹层REY 的含量平均值为71.58μg/g；在10 个夹矸分层中，REY 的含量平均值为204.06μg/g；在煤层顶板中，REY 的含量为98.93μg/g；在煤层底板中，REY的含量为191.07μg/g；在煤精样品中，REY 的含量为46.755μg/g。全部样品都显示铕正异常，大部分样品铈负异常，少数分层铈无异常或轻度正异常。

3）28 个煤分层中有24 个分层的LaN/LuN＞1，为轻稀土富集型；4 个煤分层（FS-5、FS-11、FS-14U、FS-17）的LaN/LuN＜1，GdN/LuN＜1，为重稀土富集型；树脂残殖煤夹层的LaN/LuN＞1，为轻稀土富集型；煤精为中稀土富集型。煤层底板泥岩的REY 配分曲线与中国玄武岩的REY 配分曲线特征相似，表明抚顺矿区煤系下部的玄武岩是主要物源。