白額井田煤中鎵的分布特征及其成因機制研究

李 娟，關英斌，郭嬋妤，郝東雷，張 威

(河北工程大學 資源學院，河北 邯鄲056038)

鎵是銀白色金屬，是半導體和電子工業、原子能工業的重要原料，其性質與鋁相似，在自然界中常與鋁共生［1]。鎵的賦存狀態很復雜，主要富集在粘土礦物和硫化物中，但也可以賦存在有機質中。鎵主要以陸源碎屑中粘土礦物攜帶的方式進入泥炭沼澤中。在煤的加工利用過程中，鎵會發生變化，進入到空氣、土壤和水體中，進而造成污染［2]。通過分析煤中鎵的含量，得出鎵的分布特征，并結合井田的地質情況和煤質煤巖特征，分析了鎵的成因機制，為其合理利用提供依據。

1 地質概況

白額井田位于山西省西南部，吉縣與鄉寧縣之間(圖1)，河東煤田之南端［3]。區內地層發育較全，沉積穩定，地表出露有太古界、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、中生界三疊系、新生界新近系及第四系等。井田中地層的巖性主要為礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖。本溪組下部以灰及灰白色鋁質泥巖為主，太原組上部含有少量鋁質泥巖。井田內構造變形微弱，基本構造形態為走向NE－NNE、傾向NW的單斜構造，地層傾角一般為3°～8°。區內尚未發現斷裂構造，僅在井田南部發育有NE向次級寬緩背、向斜構造。

本區含煤地層為華北型石炭二疊系，煤系地層總厚80.73 ～160.16 m，平均119.46 m，含煤10層，煤層總厚平均 9.95 m，含煤系數為8.33%。主要可采煤層為 2#、3#和 10#煤層。2#、3#煤層位于山西組，10#煤層位于太原組。

2 樣品采集與測試

根據《煤炭資源勘探煤樣采取規程》(原煤炭工業部(87)煤地字第656號)［4]，采取了白額井田2#、3#、10#煤層的煤樣，各主要可采煤層中的樣品數量見表1。對煤樣中鎵進行電感耦合等離子質譜(ICP－MS)定量分析，分析結果見表2。

表1 樣品采集數量表Tab.1 The volume of samples collection

3 煤質煤巖特征

井田內各煤層宏觀煤巖類型以半亮型煤為主，個別點為半暗型煤。煤巖成分大部分以亮煤為主，含少量鏡煤，少見暗煤及絲炭。顯微煤巖組分包括有機顯微組分和無機顯微組分［5]。煤的有機顯微組分以鏡質組和惰質組為主;無機顯微組分即礦物質。煤中的礦物質主要有粘土礦物和硫化物，硫化物以黃鐵礦為主。煤的煤類主要為貧煤，次為貧瘦煤，具有中灰、低硫－中高硫、特低磷、中高熱值、熱穩定性強等特點。

2#煤層的原煤干燥基灰分含量為8.74% ～36.93%，平均值為18.76%，屬中灰煤。總體上呈北高南低，25－15孔最高為36.93%，3－6孔最低為8.74%。3#煤層的原煤干燥基灰分含量為6.82% ～38.94%，平均值為 20.65%，屬中灰煤。以13勘探線為界，分為南北兩區，南區變化較復雜，以01－6孔為最高(37.34%)，向外呈現輻射狀減小，至中深部達到最小值。北區東、西部偏高，中部偏低，平面上呈條帶狀分布。10#煤層的原煤干燥基灰分含量為8.62% ～37.01%，平均值為16.64%，較2#、3#煤層略低，屬中灰煤。平面上呈西高東低分布，自西向東部呈波狀遞減。

表2 各煤層煤樣中鎵含量測試成果Tab.2 The test results of Gallium content in part of coal samples

4 相關性分析

本次研究采用相關系數法研究各煤層鎵含量與有機顯微組分和灰分之間的相關性［6]。

相關系數取值范圍為(－1，1)，分四個級別。根據其取值范圍判斷各微量元素之間的相關性(表3)。

根據公式(1)計算得到白額井田內各煤層鎵與有機顯微組分和灰分的相關系數如下(表4)。

表3 相關系數分級表Tab.3 Correlation coefficients grading scale

表4 各煤層鎵與有機顯微組分和灰分的相關系數Tab.4 The correlation coefficient of Gallium and macerals

由表4可知，鎵的含量與鏡質組和惰質組沒有相關性，與灰分成正相關關系，即灰分含量增高，鎵的含量也隨之增高。

5 鎵的分布特征

鎵在各煤層中的平均含量見表5。從表5中可以看出，煤層從上到下鎵的含量逐漸增高。中國石炭二疊系煤中鎵的質量分數為9.88 ppm，顯然白額井田煤中鎵相對富集，但最大值都未達到鎵的最低工業品位(30 ppm)。應用Surfer8.0軟件繪制出井田中鎵含量的等值線圖(圖2～4)。

表5 各主要可采煤層鎵元素平均值Tab.5 The average value of Gallium in the main coal seam

從圖2中可以看出2#煤中鎵的整體分布趨勢為東北、西南高，中部低，鎵含量高值點較分散，分布較均勻。東北部和西南部的最高值都達到26 ppm，東北部的最高值位于鉆孔25－9附近，北部等值線較稀疏，南部等值線則較密集，即北部鎵的含量變化較舒緩，南部含量變化較快;在中部也有一個高值點，位于鉆孔9－5附近，最高值為24 ppm，等值線稀疏，含量變化較舒緩。

由圖3可知3#煤中鎵含量的整體分布趨勢為東北、西南高，中部低。東北部有一個高值點，位于鉆孔25－15附近，最高值為24 ppm，周圍等值線相對與其他高值點較稀疏，含量變化相對較慢;西南部等值線較復雜，有多個高值點，且每個高值點的最高值都不同，西南部的等值線相對于其他區域較密集，含量變化較明顯。

從圖4可以看出10#煤中鎵含量的整體分布趨勢為西北側密集，東南側稀疏，即鎵含量在井田的西北側變化較明顯，東南側變化較舒緩。東北部、中部偏東和西南部都有高值點，中部偏西有一個低值點，中部有一個高值點，最高點位于鉆孔17－9附近，最高值為26 ppm，在這個高值點的西南側有一個低值點，最低值位于鉆孔9－10附近，最低值為2 ppm;在井田東北部有一個高值點，位于鉆孔25－9附近，最高值為21 ppm;西南部有五個較高的高值點。

6 鎵的成因機制

任德貽等［7]初步提出了煤中微量元素富集的5種成因類型，即陸源富集型、沉積作用富集型、巖漿熱液作用富集型、深大斷裂－熱液作用富集型和地下水作用富集型。研究區煤層中鎵含量受到的影響因素主要有三個:

1)陸源區母巖:本區屬于華北石炭－二疊紀聚煤區，陸源區主要是北緣的內蒙古地軸和燕山臺褶帶［8]。這兩個地區的巖性主要是含礫砂巖和石英砂巖，在沉積過程中又在井田內沉積了泥巖。

煤中鎵的含量與灰分成正相關關系，灰分的主要成分為SiO2和Al2O3，二者在灰分中的比例為60%～90%，說明井田內的礦物質以粘土礦物為主，煤中鎵的含量與礦物質存在相關關系，受陸源碎屑的影響。

2)沉積環境:太原組沉積相主要是潮坪、淺海和三角洲，且潮坪、淺海占有一定優勢，山西組沉積相以三角洲為主，顯然太原組煤層聚積時受海水影響明顯比山西組大。10#煤層發育于潮坪環境，屬還原環境，2#、3#煤層發育于淺三角洲平原環境，屬弱還原環境。由測試結果可知，10#煤中鎵的含量要比2#、3#煤中鎵的含量要高，這是因為海相的還原環境更有利于地球中微量元素的富集，這與前人的研究成果是一致的［9]。

3)地下水作用:煤中富集微量元素與地下水化學性質以及水位與煤層的相對關系有關，也和煤層圍巖和上覆、下伏地層性質有關。井田內與煤層關系密切的含水層有兩個。

(1)太原組灰巖巖溶裂隙含水層:太原組普遍含灰巖1～3層，第2層為10#煤層頂板。本組灰巖厚度不大，巖溶裂隙不發育，富水性弱，水質類型以 SO4·Cl－Na·Ca型為主，礦化度1 108 mg/L～5 152 mg/L，是開采10#煤的頂板直接充水含水層。

(2)二疊系山西組及下石盒子組底部砂巖裂隙含水層:本組含水層由厚度和巖性均不穩定的粗、中、細粒砂巖組成。為富水性極弱的裂隙承壓含水層，是開采2#煤層的直接充水含水層。地下水水質類型為 HCO3·SO4－Na型，礦化度486 mg/L～1 196 mg/L。地下水的總體流向為南南西。這兩個含水層富水性不大，但與煤層距離很近，對煤層的頂板有一定的溶蝕作用，從而使微量元素向南南西方向遷移，加劇了井田南部微量元素的聚積。

通過分析白額井田煤中鎵的富集因素，得出其成因類型為陸源富集型。

7 結論

1)白額井田煤中鎵的平均含量在12.891 ppm～14.256 ppm之間，含量較高，相對富集，整體分布趨勢為東北西南高、中部低，10#煤中的鎵元素含量多于2#和3#煤層。但最大值尚未達到鎵的最低工業品位(30 ppm)。

2)井田地層中的巖性受陸源區的控制，主要為泥巖和砂巖，還含有粘土礦物。鎵的含量與灰分成正相關關系;不同含煤地層的沉積環境也影響了鎵的富集和分布;井田中的地下水的溶蝕作用，促進了鎵的運移。鎵的分布主要受陸源區母巖和沉積環境的影響，地下水作用加劇了鎵含量在井田西南部的富集。

［1] 唐修義，黃文輝.中國煤中微量元素［M] .北京:商務印書館，2004.

［2] 趙晶，關騰，李嬌龍，等.平朔礦區9#煤中鎘、鉻和鉈的含量分布及賦存特征［J] .河北工程大學學報:自然科學版，2011，28(4):56 －59.

［3] 劉占勇.白額勘探區含煤巖系沉積環境及其對煤層氣富集的影響［J] .河北工程大學:自然科學版，2012，29(2):53－56.

［4] 煤地字第656號，煤炭資源勘探煤樣采取規程［S] .

［5] 陳家良，邵振杰，秦 勇.能源地質學［M] .北京:中國礦業大學出版社，2004.

［6] 高穎，郭英海.河東煤田北部煤中鎵的分布特征及賦存機理分析［J] .能源技術與管理，2012(1):111－113.

［7] 任德貽，趙峰華，代世峰，等.煤的微量元素地球化學［M] .北京:科學出版社，2006.

［8] 劉占勇，芮樂道，王春云.山西白額勘探區煤質特征分析［J] .中國煤炭地質，2008，20(11):18 －20.

［9] 鄭柏平，水文地質條件對白額勘探區煤層氣富集的影響［J] .河北工程大學:自然科學版，2012，29(1):70－73.