中國北方不同成煤時代煤中金屬礦點(床)分布及資源前景

寧樹正，黃少青，張 莉, 黃文輝，曹代勇，袁建江,4，張建強，朱士飛，閆德宇，劉 亢

煤炭、煤層氣及其共伴生礦產資源共同賦存于含煤巖系中，煤系礦產資源綜合勘查與評價是煤系礦產資源安全高效清潔綠色開發的迫切需要。近年來，中國煤炭地質總局等單位依托中國地質調查局地質調查二級項目(DD20160187)，在全國開展了煤系礦產資源綜合評價與煤炭清潔利用地質評價工作，并取得了系列研究成果。為了促進該研究領域的學術交流，分享最新研究成果，本刊設立專題，選登以上相關成果論文6篇，重點關注煤系綜合礦產和特殊用煤資源的測試技術、評價方法、賦存狀態與分布規律等地質理論和技術，以期加速推進煤系礦產資源綜合評價及清潔高效利用工作。

中國北方不同成煤時代煤中金屬礦點(床)分布及資源前景

寧樹正1，黃少青1，張 莉1, 黃文輝2，曹代勇3，袁建江1,4，張建強1，朱士飛5，閆德宇2，劉 亢1

(1. 中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039；2. 中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083；3. 中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；4.自然資源部稀土稀有稀散礦產重點實驗室，湖北武漢 430034；5.江蘇礦產地質設計研究院，江蘇徐州 221006)

在特定環境下，煤中能夠富集鍺、鎵、鋰、稀土等金屬元素。我國北方煤炭資源豐富，已發現大量的煤–金屬礦點(床)，并且這些礦點(床)的分布展現出一定的時空特征：石炭–二疊紀煤中金屬主要以鎵、鋰富集礦點為主，主要分布在華北賦煤區北部煤田及山西平朔、晉城等礦區；早–中侏羅世煤，以鎵富集為主，主要集中在新疆準東、吐哈盆地，青海木里等煤田，二連盆地早侏羅世煤發現煤–稀土異常，是很好的找礦線索；早白堊世煤主要以二連盆地、海拉爾盆地煤中鍺礦點為主。我國北方聚煤期時間跨度大，聚煤環境多樣，含煤盆地類型多樣，聚煤期和成煤后北方頻繁劇烈的大地構造演化過程、多樣的煤巖類型，能為煤中不同微量元素的富集提供物質來源、遷移條件與通道和沉積聚集條件，具有良好的煤中金屬資源前景。建議進一步加強煤中，尤其是煤矸石、粉煤灰中金屬礦點(床)資源的調查研究工作，為煤中金屬資源賦存與預測提供參考，并加強金屬的提取利用技術研究，同時通過制定資源保護政策，加強對煤中金屬資源的保護。

煤中金屬礦點(床)；成煤時代；時空分布；資源前景；中國北方

隨著我國戰略性新興產業發展，以稀有元素、稀散元素、稀土元素(“三稀”金屬)和稀貴金屬為主體的關鍵礦產資源，已成為我國產業升級換代不可替代的動力之源[1]。煤是具有還原障和吸附障作用的有機巖體，在特定的地質作用下，含煤巖系(煤層、圍巖、夾矸)中能夠高度富集鍺、鎵、鋰、稀土、鉑族等金屬元素[2]。國內外已經發現一些煤中金屬礦床，例如，云南臨滄、內蒙古勝利、伊敏及俄羅斯巴浦洛夫含煤盆地中煤中鍺礦床，其中已工業利用的云南臨滄、勝利烏蘭圖嘎及俄羅斯巴浦洛夫占世界工業鍺儲量的50%以上；內蒙古準格爾煤田煤中鎵礦床不僅資源量大，而且伴生鋰、稀土等多種金屬資源，具有較高開采價值；山西平朔礦區發現的煤中鋰礦床對提升我國金屬鋰資源的保障有重要戰略意義。近年來，我國煤中又陸續發現眾多高度富集的鎵、鋰、稀土元素、鈮、錸、鈧、鋯以及銀、金、鉑、鈀等貴金屬元素[3]，這些煤中高度富集的金屬元素，是潛在重要的金屬來源。

我國煤炭資源主要分布在昆侖—秦嶺—大別山一線以北的廣大地區(本文稱之為北方地區)，石炭–二疊紀、早–中侏羅世和晚侏羅—早白堊世是北方地區主要的聚煤時期。從構造演化的角度上看，印支—燕山期活躍的構造活動塑造了北方地區聚煤盆地的形貌，同時也為金屬成礦提供了充足的物質條件和動力學基礎，形成了眾多金屬礦床[4]；北方的含煤盆地中也發現豐富的煤中金屬礦床(點)[3,5]。基于筆者多年來在相關領域的研究積累及認識，結合前人對煤中金屬元素的研究成果，分析我國北方地區煤中鍺、鎵、鋰、稀土等金屬分布、富集特征及規律，探討資源前景，旨在為尋找新的戰略性金屬礦床提供一定參考。

1 北方煤中金屬礦點(床)分布特征

我國北方地區主要有3個聚煤期，其中，石炭–二疊紀煤主要分布在華北賦煤區，早–中侏羅世煤主要分布在西北賦煤區新疆、青海木里，華北賦煤區鄂爾多斯盆地，東北賦煤區二連盆地也有零星早–中侏羅世煤炭資源；早白堊世煤主要分布在東北賦煤區。煤中金屬礦床中，一些金屬元素的豐度比其背景值大幾十、幾百甚至上千倍，這樣的高度聚集是聚煤作用和煤炭演化，含煤盆地及其構造背景演化，地質事件等作用耦合的結果，而不同聚煤期古植物、古氣候，盆地構造及演化特征，地質事件等差異巨大，因此，各聚煤期煤中金屬分布及資源特征具有明顯差異(圖1)。

1.1 石炭–二疊紀

我國北方石炭–二疊紀煤主要分布在華北賦煤區，區域經歷了中奧陶世—早石炭世長期隆起剝蝕之后，并逐漸發育為統一坳陷盆地，在晚石炭—早二疊世接受了穩定的晚古生代海陸交互相含煤沉積[6]，并在主要含煤地層下部本溪組形成高鋁、含鎵和鋰的黏土巖，在斜坡沉積構造作用下[7]，這些黏土巖作為近源物質進入太原組、山西組含煤巖系并沉積(圖2)，印支期、燕山期區域活躍的巖漿及流體可能為煤中鎵、鋰、稀土等元素的進一步富集提供動力。

北方石炭–二疊紀煤中主要以鎵、鋰等親鋁元素異常及少量輕稀土異常為主，其中鎵富集主要分布在遼寧紅陽、南票煤田，內蒙古準格爾煤田，山西北部平朔礦區，陜西澄合礦區，寧夏石炭井礦區；鋰富集主要分布在內蒙古準格爾煤田，山西北部平朔礦區、南部晉城煤田；煤中稀土異常點分布在準格爾煤田[8-13,3]。

圖2 準格爾煤田煤中鎵沉積構造背景示意(摘自文獻[7])

區域典型的準格爾煤田煤中鎵含量明顯高于中國煤中鎵平均值，但分布很不均勻，達到工業品位的煤中鎵，主要分布在準格爾煤田東北部靠近物源區的一些井田及中部構造發育的黑岱溝礦區[14]，不同煤層煤中鎵含量也有所差別，太原組底部和山西組煤中鎵含量較高，同一煤層靠近頂底板分層煤中鎵含量較高；煤中鎵與鋁表現出明顯的相關性，主要賦存于含鋁礦物中，此外對于風化煤中鎵含量的研究表明，腐殖酸對鎵也有一定的吸附作用[15]；準格爾煤田煤中鋰平均含量達到了141 μg/g[14]，遠大于中國煤平均值，但其分布也是很不均勻，且其富集與煤中鋁、鎵并沒有表現出一致性，煤中鋰在煤田西北部唐公塔煤礦、官板烏素煤礦含量最高(403 μg/g)，而在鋁、鎵含量都很高的黑岱溝、哈爾烏素礦區，煤中鋰含量卻很低，只有80 μg/g左右，其原因有待進一步研究。對平朔礦區富鋰煤的研究表明，煤中鋰最初可能來自陰山古陸，而后被本溪組鋁土礦所吸附，最后遷移進入泥炭沼澤中沉淀下來，本溪組鋁土礦可能是鋰的直接來源。煤中鋰的含量與硅、鋁的相關系數都在0.7以上，推測煤中黏土礦物可能是煤中鋰的主要載體[13]，化學提取結果顯示[14]：準格爾煤田煤中鋰主要存在于無機礦物中，鋰在有機質中含量很少。

1.2 早–中侏羅世

北方早–中侏羅世煤主要分布在華北賦煤區鄂爾多斯盆地，西北賦煤區，華北賦煤區義馬煤田、大同煤田及東北賦煤區二連盆地等也有少量分布。鄂爾多斯盆地在早–中侏羅世構造活動趨于緩和，主要發育了中侏羅統延安組煤層，期間盆地總體構造較穩定，火山活動微弱，對煤中微量元素的匯入和聚集不利；西北賦煤區煤主要分布在新疆、青海、甘肅等地，區內含煤盆地多鑲嵌于造山帶之間或者內部，其煤中元素匯入、聚集受控于造山帶活動控制[6]。

鄂爾多斯盆地目前只在盆地南部區域構造相對活躍的黃隴煤田等區發現鎵、鋇等元素異常[14,16]；西北賦煤區目前發現的煤中金屬異常主要以鎵為主，分布在新疆準東、準南、吐哈等煤田[3,17-18]及青海木里煤田[19]。近年來，東北賦煤區二連盆地早–中侏羅世煤中部分煤礦發現稀土元素明顯富集(圖3)，阿木古楞煤礦煤中稀土平均值達到632.7 μg/g，超常富集，煤層中稀土含量大于頂底板及夾矸值，且配分模式表現為中、重稀土富集[20]。

新疆主要含煤盆地煤中鎵富集，一方面含煤盆地周邊巖體相對富鎵，為其提供了良好的物源條件，另一方面，聚煤期富氧、潮濕的氣候為物源區的風化、淋濾等創造了良好的條件，有利于富鎵物質進入煤盆，進一步聚集[17]；木里煤田煤中鎵富集與祁連山富鎵巖體有關，而成煤期富氧、潮濕且頻繁的火山熱液活動為該區域煤中鎵富集的另一個重要原因[19]。

1.3 早白堊世

北方早白堊世煤主要分布在東北賦煤區。晚侏羅世—早白堊世由于蒙古—鄂霍次克洋的閉合，對古太平洋板塊向歐亞大陸的俯沖產生了阻擋作用，造成地幔物質上涌，使東北地區地殼發生大規模裂陷，并伴隨大規模巖漿侵入和噴發。這些多期次的構造運動引起古地形的分割和復雜化，使晚侏羅世—早白堊世煤系大多分布在孤立、彼此隔離的小型成煤盆地中，這些盆地邊緣常有斷裂伴生，且具有同沉積斷裂性質[6,21]。晚侏羅—早白堊世東北賦煤區的大規模構造運動為煤中微量金屬富集提供物源條件、搬運介質及通道，大規模聚煤作用為煤中金屬的沉積、富集提供條件。

東北賦煤區目前發現的煤中金屬主要以鍺異常為主，比較典型的就是勝利煤田烏蘭圖嘎煤–鍺礦床[22-25]和伊敏煤田五牧場煤–鍺礦床[24,26](圖4)，煤中鍺的富集主要分布在盆地邊緣斷裂附近，且與熱液活動有著密切的聯系[3,27]。近年來，在二連盆地、海拉爾盆地發現了豐富的煤–鍺礦點[24]；另外，Dai Shifeng等[25]在烏蘭圖嘎煤樣中檢測到了鎢、鉑族元素等金屬的超常富集，在二連盆地南部部分煤田煤中發現了鈾的富集。

圖3 二連盆地阿木古楞煤礦煤中稀土配分模式[20]

熱液是東北賦煤區煤中鍺元素富集的主要控制因素之一，另外，斷陷盆地破碎的盆地基底、盆地周邊豐富的斷裂為元素的遷移提供了通道，褐煤及低變質煙煤為鍺提供了富集場所。伊敏五牧場煤由于受到熱液作用影響，局部煤質出現明顯的變化(圖4b)，揮發分平面上表現為以礦區東部為極小點，向外逐漸增大；各煤層中，鍺的富集區域均以煤揮發分極小點為中心，呈暈狀分布，推測其分布特征原因為游離態鍺隨熱液到達煤層后，在濃度差的驅動下向外擴散，由于鍺的親有機質特性，遇到低變質煤后，被煤中有機質吸附，并在煤層中富集[22]。

2 北方煤中金屬資源前景探討

北方地區是我國主要的煤炭產地，煤炭資源豐富，聚煤期從石炭紀至新近紀均有分布，聚煤環境既有海陸相又有陸相，聚煤期和成煤后北方頻繁劇烈的大地構造演化過程、不同的含煤盆地類型、多樣的煤巖類型，能為煤中不同微量元素的富集提供物質來源，創造微量元素的遷移條件和通道及沉積聚集條件。

總結目前已發現的煤–鍺礦床特征[3,27-29]：①高鍺煤主要分布在晚中生代—新生代的小型斷陷聚煤盆地，且一般僅富集在很小范圍內；②熱液作用是高鍺煤的典型特征；③一般富集在褐煤或者低變質煙煤中。我國東北地區煤類主要以褐煤和低變質煙煤為主，小型斷陷盆地是區域含煤盆地的主要類型，這些都符合已發現的煤–鍺礦床的基本賦存特征。近年在二連盆地、海拉爾盆地發現的豐富的煤–鍺異常點能為區內煤–鍺礦床找礦提供重要線索，具有良好的鍺資源前景。

鎵、鋰元素的富集常和鋁有著密切的聯系[3,14,28]，沉積型和表生型是其主要的礦床類型，已知的煤–鎵、鋰礦床多數以風化、沉積、成巖成礦作用機制相關的沉積成因礦床為主，鎵、鋰的成礦物質需要有穩定物源的供給，特殊的構造地質背景，持續穩定的風化–剝蝕作用和地表水的不斷活動過程，造就出分階段再沉積的古地理環境，使含鎵、鋰礦物及巖石不斷細碎屑化，經多階段泥化—黏土化和鋁土礦化及去硅鉀等雜質，各階段產物分地質時期分解與聚集[3]。華北賦煤區中奧陶世整體隆升，在分化、淋濾作用下，富鋁，含鎵且鋰的黏土巖風化殼，在聚煤期作為近源匯入含煤盆地，并可能在后期地質、構造作用下進一步聚集。新疆準東、吐哈等西北賦煤區煤田，青海木里煤田都在聚煤期之前經歷了物源區的抬升、風化、淋濾等過程，導致物源區鋁、鎵等豐度提升，在聚煤期匯入聚煤盆地后進一步聚集。近年在華北賦煤區準格爾煤田、大青山煤田、南票煤田、紅陽煤田、平朔礦區、晉城礦區等發現豐富的鎵、鋰異常礦點，西北賦煤區新疆準東煤田、吐哈煤田，青海木里煤田等也都發現了豐富的煤中鎵異常點，這些區域具有良好的資源前景。

前人總結得出煤中稀土富集主要有3種模式[27-31]：①凝灰質型，該種方式形成于泥炭沼澤階段，伴隨火山的噴發與火山灰在泥炭沼澤的堆積；②熱液型，該種類型稀土元素被熱液攜帶，在泥炭期或者成煤作用早期以離子態進入煤層(泥炭沼澤)，該種類型一般在全層煤中均表現為稀土元素富集，且稀土配分模式一般表現為重稀土富集型；③淋濾型，該種方式形成的高稀土煤一般賦存于煤層靠近頂、底板的位置，以輕稀土富集為主。東北賦煤區二連盆地經歷了三疊紀抬升風化、早侏羅世伸展成盆、中–晚侏羅世收縮反轉、早白堊世伸展成盆的過程，期間巖漿、熱液活動頻繁，為煤中金屬富集創造良好的條件，研究發現二連盆地侏羅紀煤中稀土含量遠大于白堊紀煤中稀土含量，已發現部分煤礦稀土含量達到工業品位，二連盆地侏羅紀煤具有較高的稀土資源前景。

3 研究方向

3.1 加強對煤矸石、粉煤灰中金屬資源調查

煤矸石和圍巖也是一些金屬元素(鋰、鎵、鉑族等)賦存的重要層位，而在以往調查中往往以未開采或者正在開采的煤炭資源作為調查對象，卻忽略了已經采出的煤矸石中的金屬資源；另外，煤在燃燒后其中的金屬資源會進一步富集，而在以往工作中卻忽視對已有粉煤灰中金屬資源的調查研究。所以在金屬資源供需矛盾及戰略性日益突出的當前，加強煤矸石、粉煤灰中金屬資源的調查意義重大。

3.2 加強對煤中金屬資源的保護

金屬資源具有“細、稀、伴”的特點，不易被發現。煤中金屬資源作為煤炭資源的伴生資源，在煤炭開采、利用中如不進行專門的測試，可能造成金屬資源的巨大浪費；另一方面，由于很多煤中金屬的提取利用技術未取得突破，使煤中金屬資源的經濟價值無法立即兌現，在煤炭開采、使用過程中，造成已發現的煤中金屬資源的浪費，因此，在今后的工作中，一方面應加強煤中金屬資源分布、賦存的調查，另一方面，需制定煤中金屬資源保護的措施法規，加強對煤中金屬資源的保護。

3.3 預測技術

在有些煤中，金屬元素含量達到了地殼中平均值的幾十、幾百甚至上千倍，如此大幅度的超常富集必然是多種條件作用耦合的結果，在其富集過程中很可能也造成了其周圍其他地球化學或圍巖物理特征的變化，進一步研究煤中金屬的超常富集和一些易于探測的參數變化之間的關系，對煤中金屬資源的預測、找礦尤為關鍵。

4 結論

a. 我國北方煤中發現大量的煤–金屬礦點(床)。其中，石炭–二疊紀煤中金屬以鎵、鋰富集礦點(床)為主；早–中侏羅世煤中金屬元素，除二連盆地煤–稀土異常外，其他煤田主要以鎵富集為主；早白堊世煤中金屬元素以鍺礦點(床)為主。

b. 我國北方聚煤環境多樣，含煤盆地類型多樣，聚煤期和成煤后，北方頻繁劇烈的大地構造演化過程、多樣的煤巖類型，為煤中不同金屬元素的富集提供物質來源、遷移條件和通道及沉積聚集條件，形成了煤–鍺礦床、煤中鎵與鋰元素的富集，煤中稀土高度富集等不同成煤時代的煤中金屬元素礦點(床)，具有良好的金屬資源前景。

c. 后續應進一步加強煤、煤矸石和粉煤灰中金屬資源分布、賦存的調查研究，加強金屬的提取利用技術，并通過制定資源保護政策，加強對煤中金屬資源的保護。

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Distribution and resource prospect of metal ore spots(deposits) in coal of different coal-forming ages in northern China

NING Shuzheng1, HUANG Shaoqing1, ZHANG Li1, HUANG Wenhui2, CAO Daiyong3, YUAN Jianjiang1,4, ZHANG Jianqiang1, ZHU Shifei5, YAN Deyu2, LIU Kang1

(1. General Prospecting Institute, China National Administration of Coal Geology, Beijing 100039, China; 2. College of Energy, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China; 3.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China; 4. Key Laboratory of Rare Mineral, Ministry of Natural Resources, Wuhan 430034, China; 5. Jiangsu Design Institute of Geology for Mineral Resources, Xuzhou 221006, China)

In some cases, metals such as germanium, gallium, lithium and rare earth elements can be enriched in coal, which is an important potential source of these metals. There are abundant coal resources in northern China, and a large number of coal-metal ore spots(deposits) have been found, and the distribution of these ore spots(deposits) shows certain temporal and spatial characteristics: Metals in Permo-Carboniferous coal occur mainly as gallium and lithium-enriched ore spots, mainly are distributed in the northern coalfields of North China coal bearing regions and mining areas such as Pingshuo and Jincheng in Shanxi Province; the metal enrichment in Early-Middle Jurassic coal is mainly concentrated in Zhundong, Tuha in Xinjiang Autonomous Region, Muli coalfield in Qinghai Province, and is mainly gallium-enriched in coal, coal-rare earth elements anomaly has been found in the Early Jurassic coal in Erlian basin, which is a good prospecting clue; the Early Cretaceous coal mainly contains germanium in Erlian basin and Hailar basin. The time span of coal-accumulating period in north China is long, the coal-accumulating environments are diverse, the types of coal-bearing basins are diverse, the frequent and violent tectonic evolution process in north China after coal-accumulating period and coal formation, and the diverse types of coal rocks could provide material source, migration condition, channel and sedimentary accumulation condition for the enrichment of different trace elements in coal, which has a good prospect of metal resources in coal. It is suggested to further enhance the investigation and research work of key metal ore spots(deposits) resources in coal, especially in gangue and fly ash, so as to provide reference for the occurrence and prediction of key metal resources in coal, strengthen the extraction and utilization technology of key metals, and the protection of key metal resources in coal by formulating resource protection policies.

metal ore spots(deposits) in coal; coal-forming ages; spatial-temporal distribution; resources prospect; northern China

P618.11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.008

1001-1986(2020)02-0042-07

2019-11-19；

2020-02-13

中國地質調查局地質調查二級項目(DD20160187)；自然資源部稀土稀有稀散礦產重點實驗室開放基金項目(KLRM- KF201803)；國家自然科學基金項目(41972172)

Geological Survey Project of China Geological Survey(DD20160187)；Research Fund Program of Key Laboratory of Rare Mineral，Ministry of Natural Resources(KLRM-KF201803)；National Natural Science Foundation of China(41972172)

寧樹正，1977年生，男，山東諸城人，博士，教授級高級工程師，從事煤田地質、煤系礦產研究工作. E-mail：nsz0321@126.com

寧樹正，黃少青，張莉，等. 中國北方不同成煤時代煤中金屬礦點(床)分布及資源前景[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(2)：42–48.

NING Shuzheng，HUANG Shaoqing，ZHANG Li，et al.Distribution and resource prospect of metal ore spots(deposits) in coal of different coal-forming ages in northern China[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：42–48.

(責任編輯 范章群)