煤系共伴生礦產定義內涵及分類

劉建強，遲乃杰，從培章，劉海政，趙魯陽

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室，山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島　266510；2.山東省地質科學研究院，山東 濟南　250013；3.山東招金礦業股份有限公司，山東 煙臺　265400)

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煤系共伴生礦產定義內涵及分類

劉建強1，遲乃杰2，從培章3，劉海政1，趙魯陽1

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室，山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島266510；2.山東省地質科學研究院，山東 濟南250013；3.山東招金礦業股份有限公司，山東 煙臺265400)

含煤巖系中存在著多種礦產和元素，統稱為煤的共伴生礦產。然而,煤的共生礦產與伴生礦產明顯不同,主要體現在成礦過程、賦存方式及其后期開采形式等方面，至今二者概念較為模糊，需要進一步區分。通過詳細分析了煤共生、伴生礦產的特征，根據礦產在煤層中的賦存狀態、存在位置及與煤的關系，認為煤的伴生礦產包括煤層氣、煤成氣、鎵、鈾、鍺、釩等，共生礦產包括頁巖氣等，而油頁巖、粘土與高嶺土則既是伴生礦產也是共生礦產。在此基礎上，該文提出了煤的共生、伴生礦產分類方案，對煤系礦產資源的勘探與開發有著重要的指導意義。

含煤巖系；共伴生礦產；煤系氣；微量元素

引文格式：劉建強，遲乃杰，從培章,等.煤系共伴生礦產定義內涵及分類[J].山東國土資源，2015，31(9)：30-34.LIU Jianqiang，CHI Naijie，CONG Peizhang,etc.Definition Connotation and Classification of Coal Associated Minerals[J].Shandong Land and Resources,2015，31(9)：30-34.

我國煤系中不僅賦存有大量的煤炭資源,還存在大量與煤炭共生或伴生的其他礦產資源。隨著社會對能源需求的不斷增加及對資源開發利用率的提高，在煤礦開采的同時加強對這些礦產的研究越來越受到人們的重視。目前，共伴生礦產的概念已經被人們所熟知。朱士飛和秦云虎[1]研究煤中共(伴)生礦產資源的進展中提出共伴生礦產有油頁巖、高嶺土、石墨、鋁土礦、耐火粘土、褐鐵礦、菱鐵礦等；鄧軍等[2]研究了鄂爾多斯盆地的共伴生礦產包括煤層氣、煤成氣、頁巖氣、油頁巖還有無機礦鈾；晏達宇[3]在論述我國煤系共伴生礦產資源概況中指出共伴生礦產有膨潤土、高嶺巖(土)、耐火粘土等。以上研究把所有的礦產包括煤成氣、煤層氣、油頁巖、頁巖氣、煤型氣、粘土礦、高嶺土、石英砂巖礦、鐵礦、硅藻土等都歸納為共伴生礦產。而共伴生礦產在實際中是2種不同的礦產，在實際的工作中有必要把二者區分開。為此，該文在總結了各專家的觀點上，提出了共伴生礦產的定義，重新界定了它們之間的界限，將對其概念的理解具有重要意義。

1　煤系共、伴生礦產的定義及界定

1.1煤系共、伴生礦產定義

共伴生關系被人們普遍的認為是生物之間的關系，共生(commensalism)是指2種密切接觸的不同生物之間形成的互利關系，而伴生(accompanying)指次要的隨主要的一起生長。礦產的共伴生概念與此類似，共生礦產主要是指成因和時間上具有一定聯系的、同時賦存于地層之中的多種礦產，但每種礦產可以作為獨立礦種進行開采；伴生礦產是指相互依存相互影響的多種礦產，對某一種礦產進行開采時必然也同時對另一種礦種進行開采。

因此，在煤系中煤的共生礦產主要是指多種礦產與煤具有成因和時間上的聯系，其形成、賦存則與煤具有一定的時間序列，且是能夠作為單一礦種進行賦存與開采，煤與其他任何一種礦種可以在宏觀上有所體現；煤的伴生礦產是其他礦產與煤具有成因上的關系，其形成時間與煤的時間幾乎是同時進行，煤的伴生礦產則表現為開采上的差異性。

1.2煤系中的多種礦產共存與界定

我國多種共存的礦產多以獨立的形式賦存在盆地中，但是也存在不同礦產在同一地區同一層位或相鄰層位的共生富集。目前關于煤、石油、天然氣及無機礦產同盆共存的研究已經受到地質學家的重視，張景廉[4]討論了石油與鈾礦床的相互關系；劉池洋、常象春等也對鄂爾多斯盆地多種能源礦產同盆共存及其特征進行了論述[5-6]。

在多種礦產共存盆地中，煤和油、煤和氣或者煤鈾氣共生等是多種礦產共存的主要富集形式。煤層氣和煤成氣統稱為煤型氣[7]，主要是以煤系中的煤為主要烴源巖在熱演化過程中生成的，如鄂爾多斯盆地石炭二疊紀石盒子群砂巖中發育著大量的煤成氣[8]，在煤層中則發育大量的煤層氣。同時，在盆地北緣距離物源比較近的地方可以發現鈾礦，因此，可以看出無論煤層氣、煤成氣的產生和聚集及沉積型鈾礦的形成都是以共存載體的形式賦存在煤系中。煤中氣、上氣下油、油中鈾、煤中鈾、煤中油及獨立富集成礦是鄂爾多斯多種礦產共存的組合形式，天然氣溶解在石油中形成上氣下油，也可賦存在煤層中形成煤中氣，天然氣又可作為還原劑還原礦物中的鈾，鈾又以絡合物形式存在于石油中(圖1)。再如四川盆地三疊世須家河組段中也存在氣與油的共存現象，煤層主要發育在須家河組一、三、五層段，則油氣賦存于須二、須四層段的砂巖儲集層中，以煤層頂、底板形式存在于煤系中[9]。

圖1　鄂爾多斯盆地煤、石油、天然氣及鈾礦同盆共存富集組合

2　不同類型礦產與煤的賦存關系

我國煤系共伴生礦產資源豐富，有開發利用價值的礦產主要有煤成氣、煤層氣、油頁巖、頁巖氣、粘土礦、高嶺土，還有鎵、鈾、鍺、釩、金等有用元素。

2.1煤系氣

(1) 煤層氣：煤層氣是一種自生自儲型的非常規天然氣。在煤系中由于煤中基巖孔隙發育，其內表面積相當大，絕大多數煤層氣以吸附狀態賦存在煤巖裂隙的內表面；在煤層裂隙或空隙中還有一些自由運移的游離狀態的煤層氣；只有少量的煤層氣溶解在地下水中被運移[10](圖2)。而煤層氣形成煤層氣藏，主要是煤層受地下水和構造運動來影響其賦存狀態[11]。煤層氣以煤層為儲集層，氣源由煤層自身生成，依附于煤層中，與煤伴隨產生，是煤典型的伴生礦產。

圖2　煤層氣賦存狀態示意圖

(2)煤成氣：煤成氣指含煤巖系中腐殖型有機質在煤化作用中生成的烴類氣體，其氣源主要包括煤層和含腐殖型(Ⅲ型)有機質為主的巖層[12]。煤成氣廣泛分布在煤系的各個割理、裂隙中，也可以運移到煤層及其夾層以外的儲層(如砂巖、灰巖)中，既包括煤層形成氣體跑出去的那部分，又包括煤層和煤系分散有機質演化形成的天然氣。煤成氣生成、開采與煤層密不可分，是煤典型伴生礦產。

(3)頁巖氣：美國頁巖氣指聚集于細粒(包括粘土及致密砂巖)低滲透油藏中、有機質富集、以熱解氣或生物甲烷氣為主的非常規天然氣[13]。而在我國頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖中,以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣[14-15]，是一種自生自儲型的非常規天然氣。由于頁巖氣主要來自泥巖和頁巖，因此國內的頁巖氣又稱為泥頁巖氣。泥頁巖氣在砂質巖類及夾層內運移距離較短甚至沒有，一般有原地成藏特征。筆者認為，頁巖氣和煤為共生關系。

煤巖系產生是天然氣賦存在煤巖裂隙或地下水中的為煤層氣，而煤成氣既包括留在煤層中的那部分天然氣又包括運移到砂巖泥巖中的那些天然氣；頁巖氣自生自出即存在于泥頁巖中也可以運移到砂巖中，當頁巖氣進入煤層裂隙又成為煤層氣(圖3)。

圖3　煤成氣、煤層氣及頁巖氣生成賦存示意圖

2.2固體沉積型礦產

(1)油頁巖：油頁巖是高灰分的富含有機物的沉積巖，主要成分為母油質，可提煉出液態烴類。油頁巖并不全部為頁巖，任何一種能在熱解中形成有工業意義的石油淺成巖都可以稱為油頁巖[16]。我國油頁巖資源豐富,主要是以陸相沉積。根據沉積環境可以分為拗陷湖成油頁巖、斷陷湖成油頁巖和斷陷湖泊-沼澤油頁巖3種類型[17-18]。油頁巖與煤既可以呈伴生礦產出現，也可以呈共生礦產出現。在斷陷或拗陷的湖成盆地中，由于盆地沉積范圍大且沉積穩定，煤和油頁巖可同時穩定沉積，單獨成礦或油頁巖富集在煤層上下成為煤層頂底板(圖4a,b)，在開發利用時可以單獨采出，為煤的共生礦產；而位于斷陷盆地中油頁巖，其形成過程易受環境影響，往往煤與油頁巖交替沉積成藏(圖4c,d,e)，油頁巖賦存在煤層中，與煤一起采出，為煤的伴生礦產。

a—煤層/油頁巖共生組合(C/OS)；b—油頁巖/煤層共生組合(OS/C)；c—油頁巖/煤層/油頁巖共生組合(OS/C/OS)；d—煤層/油頁巖/煤層共生組合(C/OS/C)；e—頁巖/其他沉積/煤層共生組合(OS/M/S/C) 圖4　幾種典型的煤與油頁巖共生組合示意圖

(2)粘土礦與高嶺土：煤系高嶺土是1種硬質高嶺土，主要礦物為高嶺石，是重要的自然資源和非金屬礦產。高嶺土一般有3種類型：1種是夾石層、煤層頂底板；2種是與煤層不相鄰；3種是露頭或地下淺處與風化煤伴生。如內蒙古老石旦石炭系煤層的下面分布著一層白色的高嶺土礦床，而在甘肅安口的高嶺土礦床則是侏羅系煤層夾矸及頂板泥質巖的風化產物[19]。

粘土和高嶺土的形成一般生成于溫濕氣候帶的地區，這與煤的形成環境一致。粘土和高嶺土一般賦存在煤層頂板、底板或者賦存于距煤層較近的所謂煤系高嶺巖中，可以單獨開采，與煤層的關系為共生；地下淺處與風化煤相存的粘土礦產伴隨煤層產出，與煤層是伴生關系。

2.3伴生微量元素

煤在復雜的形成過程中產生了大量的伴生元素，部分元素具一定的工業價值。不同元素在形成過程中，其聚集的原理有差異，有些元素可以單獨富集成礦，有些必須與有機或無機礦物結合的形式存在與煤層中，如鈾、鎵等，有必要對之進行詳細的總結和分析。

鎵是煤系中常見的1種稀有金屬，廣泛應用于現代化學和電子工業，其本身不單獨形成礦物,很難形成獨立的礦床[20]，主要以類質同象置換形式進入其他礦物晶格，置換礦物中的Al3+和部分Fe3+及Ti4+離子。煤系中的鎵常與粘土層伴生，在煤層的粘土夾層及圍巖中較為富集。鈾元素是原子能工業的主要原料，具有重要的開采價值，在褐煤中居多，多以鈾的化合物形式出現。在泥炭堆積期，鈾的配合物被還原性煤層還原或者是被煤炭形成沼澤中的硫酸鹽還原菌還原而沉淀于煤中。鈾與煤具有密切的關系，大多分布在煤層底部，是煤的伴生元素礦產。鍺主要以伴生組分的形式存在于煤層中，鍺的含量從煤層中向邊緣增高，往往富集于煤層頂底板、薄煤層或煤透鏡體中。鍺的富集主要取決于成煤中的腐殖酸，腐殖酸有較強的離子交換能力，能與活潑的鍺元素作用，形成腐殖酸配合物，因此，鍺以腐殖酸鹽的形式賦存于煤中。釩的賦存狀態有3種，賦存在有機物中、粘土礦物中或者獨立形成釩礦。釩是我國石煤中主要的伴生元素，大多聚集在滯水還原的環境中，含量一般在0.3%～1.0%之間。石煤中釩的層位、厚度具有對稱性，多以富礦層位為中心。金作為一種貴金屬元素可普遍存在于煤中，但是其含量變化較大,只有局部煤中金的含量異常[21]，如我國貴州西南地區晚二疊世煤系中的金含量明顯富集[22]。煤中金主要是由低溫熱液流體沿斷裂帶進入煤層，被吸附后賦存于煤系硫化物礦物(黃鐵礦)和粘土礦物中，其次還以分散狀自然金或有機化合物的形式存在于煤中[23]，是煤系重要的伴生有益元素。

3　煤系共伴生礦產分類

一般說來，共生強調的是共同存在，那么礦產的共同存在主要體現在同一礦區(礦床)內，存在2種或多種分別都達到工業指標的要求，并具有小型以上規模的礦產，又分為同體共生礦和異體共生礦。

其中，同體共生礦為產于同一礦體內的含有2種或多種符合工業要求的共生礦產及可供工業綜合利用的伴生礦產，一般可綜合圈定礦體，分別計算儲量，如煤和油頁巖共生于一套沉積巖系之中；異體共生礦產為在一個礦區內，產于不同部分(或層位)可以分別圈定和計算儲量不同礦種的礦產，如煤和膨潤土、高嶺石粘土。

然而礦產的伴生強調的是次要依附主要的，伴隨存在。礦產的伴生是同一礦床(礦體)內，不具備單獨開采價值，但能與其伴生的主要礦產一起被開采利用的有用礦產。因此，煤系中共伴生礦也是2種截然不同的礦產，從礦產在煤層中的賦存狀態、存在位置及與煤的關系看：共就是環境共；伴就是沒有主體不行。一般和煤處于同一礦床，且在煤形成過程中與煤同沉積或是能單獨成礦，同時出現的2種或2種以上的具有開采價值的礦產為煤的共生礦產；而在煤的形成(變質+成巖)中，依附在煤中以煤為主體，離開煤就不能單獨成礦或不具有開采價值的礦產屬于煤的伴生礦產。煤系共伴生礦產中，煤系氣中的煤層氣、煤成氣為煤的伴生礦產，頁巖氣則屬于煤的共生礦產；固體礦產中油頁巖、粘土與高嶺土既可以是煤的伴生礦產也可以是共生礦產。煤系微量元素鎵、鈾、鍺、釩、金等，都是以各種化合物或單質形式賦存在煤系中屬于煤的伴生礦產。

根據以上不同類型礦產與煤的賦存關系分析，總結出煤系共伴生礦產分類(表1)。

表1　煤系共伴生礦產分類

4　結論

(1)煤系共、伴生礦產是2個不同的概念。煤系共生礦產是指和煤處于同一盆地，在煤形成過程中經過沉積、壓實及保存成巖能單獨成礦，在煤系中同時出現的2種或2種以上的具有開采價值的礦產；煤系伴生礦產是指在煤的形成中，依附在煤中以煤為主體，離開煤就不能單獨成礦或不具有開采價值的礦產。

(2)根據礦產在煤層中的賦存狀態、存在位置及與煤的關系，認為煤的伴生礦產包括煤層氣、煤成氣、鎵、鈾、鍺、釩等，共生礦產包括頁巖氣等，而油頁巖、粘土與高嶺土則既是伴生礦產也是共生礦產。總結出了煤系共生、伴生礦產的分類方案，這對煤系礦產資源的勘探與開發有著重要的指導意義。

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Definition Connotation and Classification of Coal Associated Minerals

LIU Jianqiang1，CHI Naijie2，CONG Peizhang3，LIU Haizheng1，ZHAO Luyang1

(1.Shandong Key Laboratory of Depositional Mineralization and Sedimentary Mineral (SDUST), Shandong University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266590, China; 2.Shandong Institute of Geological Sciences, Shandong Jinnan 250013, China; 3. Shandong Zhaojin Mining Industry Limited Corporation, Shandong Yantai 265400, China)

There are many minerals and elements in coal-bearing rock series. It is generally called associated mineral resources. But syngenetic mineral resources and associated mineral resources in coal are different. It mainly reflected in mineralization process, occurrence forms and mining forms in late production period. So far, the concept of syngenetic mineral resources and associated mineral resources are not clear. It needs to be further distinguished. In this paper, through detailed analysis on characteristics of syngenetic mineral resources and associated mineral resources, according to the occurrence, position and relationship with the coal minerals, it is regarded that the associated minerals of coal include bed methane, coal gas, gallium, uranium, germanium, vanadium, etc, while the syngenetic minerals include shale gas and others. Oil shale, clay and kaolin are not only associated minerals, but also syngenetic minerals. On these basis, the scheme for distinguishing syngenetic or associated minerals of coal has been put forward. It has important guiding significance for the coal resources exploration and development.

Coal-bearing strata; associated minerals; coal series gas; trance elements

2014-11-19；

2015-05-07；編輯：陶衛衛

劉建強(1990—)，男，山東濱州人，在讀碩士研究生，礦產普查與勘探方向；E-mail：Anlayuandian@163.com

P618.11

A

項目資助：山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室開放基金資助