柴達木盆地北緣賦煤帶煤中稀有元素分布特征及富集條件分析

黨洪量 劉文進 王偉超 張永安 黨孝鋒

(1.吉林大學地球科學學院，吉林省長春市，130061;2.青海省地質調查局，青海省西寧市，810000;3.青海煤炭地質一〇五勘探隊，青海省西寧市，810007)

含煤巖系中普遍含有稀有金屬元素，在一定的地質條件下，稀有元素可能富集并達到工業品味，極大提高了煤炭資源潛在的利用價值。國內外已經發現了一些煤中稀有金屬礦床，其中鍺、鎵、鈾等稀有金屬元素已經被開采利用。在哈薩克斯坦、吉爾吉斯坦和我國新疆伊犁、吐哈等侏羅紀含煤盆地中，均發現了煤中共(伴)生的大型鈾礦床；在我國云南臨滄、內蒙古烏蘭圖噶地區和俄羅斯濱海區也發現了大型或超大型的褐煤—鍺礦床；在內蒙古準格爾煤田發現了煤層中富集鎵元素。

柴達木盆地北緣是青海省重要的含煤區，由賽什騰、魚卡、全吉、德令哈和烏蘭六大煤田組成，如圖1所示。該地區賦煤帶面積大，可以開發利用的煤炭資源十分豐富，含煤區預測資源量為151.52億t，重點煤礦區自西向東主要有團魚山、魚卡、綠草山、大煤溝、西大灘、航亞等。已有煤炭勘查成果顯示，區內煤中富集稀有元素，但是僅通過在自身勘查區范圍內采集少量樣品分析后，評價其是否達到工業品味，未進行過以柴達木盆地北緣為整體研究對象的系統研究，尤其是富集原因方面的研究。每年有大量煤炭產出和利用，煤中稀有金屬元素如果不加以利用，不但影響煤的質量，還可能帶來環境問題，所以深入研究煤中稀有金屬元素的賦存規律和綜合利用工藝對資源的合理利用具有重要意義。本次研究以區域為研究對象，系統梳理總結分析各煤礦區的成果資料，通過野外地質調查和室內煤樣分析，認識柴達木盆地北緣煤礦區煤中稀有元素分布特征和富集原因分析，并初步分析其利用前景，為今后在研究區相關方面的地質研究和煤炭資源綜合開發利用提供一定的參考價值。

圖1 柴達木盆地北緣煤礦區分布及物源分析示意圖

1 稀有金屬元素賦存特征

通過整理分析后，篩選出的以往化驗資料和本次研究采集煤樣的化驗結果顯示：賽什騰煤田的團魚山礦區主采煤層M7煤層(平均厚度3.30 m)中鎵元素含量為24 μg/g；魚卡煤田大部分可采煤層M3煤層(平均厚度2.96 m)中鎵元素含量相對較高；全吉煤田西大灘煤礦區的大部可采煤層C煤(平均厚度7.77 m)中鍺的含量為42 μg/g，超過工業品位；烏蘭煤田的航亞煤礦區主要可采煤層G3煤層(平均厚度4.00 m)中鎵的含量為41 μg/g，超過工業品位。由此可見，柴達木盆地北緣重點煤礦區煤層中鍺元素和鎵元素的含量相對較高，鈾元素的含量相對較低，不同地區含有的稀有金屬含量不同。典型鉆孔的煤中稀有金屬元素含量統計表見表1。

表1 柴北緣重點礦區煤中稀有金屬元素含量統計

2 稀有金屬元素富集因素分析

該領域目前研究所取得的共識包括：煤中稀有金屬元素主要有3種來源(植物生長過程中選擇吸收、植物分解過程中吸附和地下水攜帶經過裂隙運移而來)；斷裂及不整合面可以為稀有金屬元素遷移提供通道；包括煤層在內的煤系可以為稀有金屬元素提供物質載體。因此富集因素分析主要從物源、運移通道和儲層3個方面開展研究。具體分析內容為基巖及其它可能作為物源的巖系中稀有金屬元素含量、斷裂展布特征、地層接觸關系和煤層煤質特征。

2.1 物源分析

柴達木盆地北緣主要煤田及重點煤礦區基底巖性分布圖如圖2所示。

圖2 柴達木盆地北緣主要煤田及重點煤礦區基底巖性分布圖

由圖1和圖2可知，賽什騰煤田煤系物源為北部的賽什騰山，基底主要為上奧陶統灘間山群淺變質巖系和加里東-海西運動期花崗巖及花崗閃長巖；魚卡煤田煤系物源為東北部柴達木山和東南部的綠梁山，其西部基底為上奧陶統灘間山群淺變質巖系，東部基底為古元古界達肯大坂群變質巖系；全吉煤田煤系物源以北部山區為主，次為南部的錫鐵山，基底為古元古界達肯大坂群變質巖系，局部為加里東-華力西期侵入巖類及超基性輝長巖類；德令哈煤田和烏蘭煤田煤系物源均為附近山體，基底呈多樣化，有古元古界達肯大坂群變質巖系、上泥盆統砂巖類和石炭系灰巖。

因此本研究擬通過對不同地區基巖中稀有金屬元素含量的調查，來推測不同礦區煤中稀有金屬富集差異是否受基巖中含量的影響，測試結果見表2。由表2可知，柴北緣地區基巖中鎵的含量大致相同，烏蘭煤田的歐龍布魯克山地區鎵的含量相對較高為17.37 μg/g，鈾的含量相對較低，只有賽什騰煤田基巖中鈾的含量較高為3.51 μg/g，同時與鈾相伴生的釷元素含量也較高。上述結果說明研究區基巖普遍含有稀有金屬元素，能夠為煤中稀有金屬的富集提供豐富物源，但這不是研究區不同點稀有元素富集差異化的主要控制因素。

表2 煤系物源巖性部分稀有金屬元素平均含量

2.2 運移通道

在煤化作用階段，稀有金屬元素由地下水攜帶，經過斷裂及不整合面運移到煤層，被煤層及煤層頂底板中粘土礦物或硫化物吸附可以形成富集現象。因此通過對區內斷裂發育情況及地層接觸關系的研究，可以了解稀有金屬元素遷移的有效通道，分析其富集的有利條件。稀有金屬元素運移通道主要有不整合面和斷層。其中不整合面是橫向運移的重要通道，其上的煤層或煤層底板可以作為稀有金屬元素的地質載體；斷裂是稀有金屬元素運移的主要通道，為稀有金屬元素的橫向和垂向運移提供了通道。

2.2.1 斷裂特征

研究區構造復雜，主要發育有兩組斷裂，NW向斷層為與區域構造線基本相平行的走向逆沖斷裂，一般沿古老變質巖系形成的高山山前展布，傾向山體，活動期次長，規模較大，是控制煤系地層及煤層的主要構造。NE向斷層為與走向逆沖斷層相斜切的逆斷層，此組斷層一般兩兩出現，形成對沖狀態，破壞了原型盆地的形態，形成若干斷塊，造成了研究區南北分帶、東西分塊的構造形態，如圖3所示。區域斷裂不僅控制了研究區構造格局，同時為稀有金屬元素的運移提供了通道，為煤中元素富集提供了條件。

圖3 柴達木盆地北緣侏羅系基巖斷裂分布圖

2.2.2 地層接觸關系

主要含煤地層與基底接觸關系見表3。分析表3可知，三疊紀構造運動之后，柴達木盆地成為一個中新生代的陸相盆地，全區抬升剝蝕，地層普遍缺失。研究區中新生代地層直接沉積在由不同時代地層組成的基底，與基底呈不整合接觸。后期地下水活動可以將煤層圍巖中的稀有金屬元素，通過不整合面進行水平運移，在煤層或煤層頂底板達到富集。

表3 主要含煤地層與基底接觸關系

2.3 儲層特征

柴達木盆地北緣重點煤礦區主要可采煤層厚度與煤質情況見表4。由表4可知，煤層中的鍺(Ge)元素在褐煤、長焰煤、氣煤中較多，高變質煤中較少，同時煤田邊緣的煤中鍺含量較中部高；煤層中鎵(Ga)元素主要與無機礦物結合在一起，含Al2O3高的煤中鎵也往往富集；煤中鈾(U)在變質程度淺的煤中容易富集。柴達木盆地北緣煤礦區煤層以中-巨厚煤層為主，煤類主要為長焰煤～不粘煤，屬于低變質程度煤類。其中團魚山地區主要可采煤層M4平均厚度6.27 m，M7平均厚度10.16 m，屬于厚-巨厚煤層；魚卡煤田主要可采煤層M7平均厚度為13.39 m，屬于巨厚煤層；西大灘地區主要可采煤層C平均厚度4.55 m，屬于厚煤層；航亞地區煤層稍薄，平均厚度1.66 m。綜上所述，研究區煤層厚度大，以低煤階為主，有利于元素富集，但是不同地區煤質特征基本一致，即儲層特征基本一致，不是差異化富集元素的主要控制因素。

表4 重點煤礦區主要可采煤層厚度與煤質

3 資源前景分析淺析

柴達木盆地北緣重點煤礦區煤層厚度大，煤層較穩定，因此煤中稀有金屬礦床賦存層位穩定；煤中稀有金屬元素不僅在煤層中富集，也有可能在煤層頂底板或夾矸中富集，以煤為主、綜合勘查、綜合評價，可以減少環境污染,做到綠色勘查，提高經濟效益。從煤的廢料中開發利用稀有金屬元素具有廣闊前景。

4 結論

(1)柴達木盆地北緣煤礦區煤中鍺元素和鎵元素的含量相對較高，鈾元素的含量相對較低。

(2)柴達木盆地北緣重點煤礦區煤中稀有元素具有物源豐富、運移通道斷裂和不整合接觸面發育及儲層廣泛發育的有利成礦條件，具有良好的資源前景，但是造成研究區差異化分布的控制因素不清，有待進一步研究。

(3)煤中稀有金屬元素隨著煤開采,如果不加以利用,不但影響煤的質量,而且可能帶來環境問題，所以深入研究煤中稀有金屬元素的賦存規律和綜合利用工藝,對資源的合理利用具有重要意義。

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