南疆三地州同一構造背景下三個盆地煤中元素特征及其地質意義

車飛翔，樊婷婷, ，胡馳，豆龍輝

（1.西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室，陜西 西安 710054；3.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；4.新疆煤田地質局綜合地質勘查隊，新疆 烏魯木齊 830009）

0 引言

近年來，隨著煤炭資源的開采利用，由煤中微量元素所產生的污染物必然會對環境產生影響，故而對煤中微量元素的研究越來越重要。國內許多學者通過分析煤中微量元素特征來研究其地質意義，并取得了不少研究成果（Liu et al.,2019；莊新國等，1999；郝吉生等，2000；李煥同等，2017；劉瑞，2018；劉大銳等，2018；李影影等，2018）。在短期內煤炭依然是我國的主要能源，因此探討中國煤中微量元素的地球化學豐度和成因類型，以及對人類健康的影響就顯得尤為重要（Dai et al.,2014a,2014b,2018）。故許多學者在煤中微量元素的富集成因方面做了大量研究（劉桂建等，2001；李大華等，2002；程偉等，2016），并結合不同的參數指標ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）和ω（CaO）/ω（Fe2O3+CaO）來反映泥炭沼澤的沉積環境和水介質鹽度（孫順才，1980；葉道敏等，1997），并通過灰分三角端元圖來反映陸源供給程度和氧化還原環境等（趙師慶等，1994），都在不同程度上促進了我國煤中元素的研究。

中國煤盆地種類較多且分布廣泛，煤中元素富集的控制因素復雜。前人研究主要是針對某一個礦區，討論元素富集的成因，缺少對于同一構造背景下，多個礦區煤中元素含量的差異性分析。本文選擇南疆三地州同一構造背景下三個盆地煤中元素進行對比研究，分析研究區內煤礦微量元素和主量元素差異的控制因素，以期為后續的開發利用提供一定的理論指導。

1 研究區概況

研究區隸屬于阿克陶縣和市，位于塔里木盆地西南緣，呈北西-南東向展布，物源呈現為南西-北東方向，面積約1.2萬平方千米。研究區含煤地層為下侏羅統康蘇組和中侏羅統楊葉組，本次煤樣品均取自侏羅系中侏羅統楊葉組（J2y）。研究區內楊葉組其出露厚度約339 m，共含煤層14層，侏羅中統楊葉組上段（J2y2）含煤8層，煤層編號自下而上為7至14煤層，下段（J2y1）含煤6層，煤層編號自下而上為1至6煤層。煤層屬于中灰、低熱值的煤，是較好火力發電用煤，也是良好的工業鍋爐和民用燃料。

2 常量元素含量特征

煤中常量元素的含量和特征，一方面可以反映成煤時期的地質背景，另一方面又可以反映后期煤層所經歷地質作用，有利于理解煤層的形成過程及區域的地質演化等基本問題（范玉海等，2012）。同時，其也直接影響發熱量的高低和后期的加工利用。此外，煤中C、S等元素經燃燒形成的化合物排放到大氣中，會對空氣產生一定的污染。

煤中如Si、Al、Fe、Mg等常量元素在沉淀或遷移過程中會受到水動力條件、水體氧化還原條件、古氣候和古鹽度等因素的影響，因此灰成分指數中某些參數比值可在一定程度反映聚煤規律的特征。研究區內煤樣品常量元素參數統計如表1所示。

表1 研究區內煤樣品常量元素參數統計/%

使用ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）這一指標，把沉積環境劃分為受海水影響的泥炭沼澤和陸相泥炭沼澤兩種，ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）＞0.23，沉積環境為受海水影響的泥炭沼澤，反之沉積環境為陸相的泥炭沼澤（葉道敏等，1997）。CS煤礦煤灰成分指數ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）值變化于0.08～0.58，均值為0.27，說明本區煤層的沉積環境為受海水影響的泥炭沼澤，參數ω（CaO）/ω（Fe2O3+CaO）平均值為0.13，說明沉積水介質鹽度總體較穩定，受海水影響較??；KZKEA煤礦煤灰成分指數ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）值變化于0.13～0.35，均值為0.22，說明本區煤層的沉積環境為陸相的泥炭沼澤，參數ω（CaO）/ω（Fe2O3+CaO）平均值為0.24，說明沉積水介質鹽度總體較穩定，受海水影響較小；MMTLK煤礦煤灰成分指數ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）值變化于0.18～0.91，均值為0.51，說明本區煤層的沉積環境為受海水影響的泥炭沼澤，參數ω（CaO）/ω（Fe2O3+CaO）平均值為0.59，沉積水介質鹽度總體存在變化，說明海水對其有一定影響。

圖1 塔西南盆地沉積環境及區域位置（新疆煤田地質局，2011①）

灰成分指數ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）在0.03～0.22為較弱還原環境，在0.23～1.23之間則屬于較強還原型（孫順才，1980）；研究區CS煤礦煤樣品的灰成分指數ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）范圍為0.08～0.58，均值為0.27，屬于較強還原型；KZKEA煤礦煤樣品的灰成分指數ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）范圍為0.13～0.35，均值為0.22，屬于較弱還原型；MMTLK煤礦煤樣品的灰成分指數ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）范圍為0.18～0.91，均值為0.51，屬于較強還原型。

灰成分三角端元分析中用ω（SiO2+Al2O3）端元反映以黏土礦物為代表的陸源，可反映泥炭沼澤接受陸源的供給程度；ω（CaO+MgO）端元可以判斷泥炭沼澤弱氧化-弱還原程度，堿度越高，Ca、Mg離子越易沉淀；ω（Fe2O3+SO3）端元表示硫鐵礦含量較高，代表相對閉塞的局限沼澤環境（趙師慶等，1994）。研究區內煤樣品所測數據總體上呈現為，靠近陸源區，泥炭沼澤接受陸源的供給程度較高，覆水程度較淺，且硫鐵礦含量較低，表現為沼澤環境相對流通（圖2）。

圖2 煤灰成分三角端元圖解

從研究區不同煤礦煤層硫分均值與灰成分指數均值的垂向變化來看，KZKEA煤礦，硫分均值與灰成分指數均值變化趨勢契合度較低，煤層硫分和灰成分指數較低，反映煤層成煤時受到海水的影響較??；CS煤礦和MMTLK煤礦硫分均值和灰成分指數均值變化趨勢基本一致，且反映了煤層總體形成于受海水影響的泥炭沼澤（圖3）。同時也能從側面反映三個煤礦在成煤期時水動力條件存在差異，成煤環境有一定變化，與前文結論相一致。

圖3 研究區煤中硫分及灰成分指數變化趨勢

3 微量元素含量特征

了解研究區內煤中微量元素的含量及分布，才能更好的掌握煤中微量元素地球化學特征。煤中微量元素的含量受到多種控制因素的影響，同時，不同的微量元素對沉積環境有不同的指示意義，如Sr、Ba等可以指示成煤環境。由于古環境和原始沉積物的差異，導致研究區內處于同一構造背景下的三個盆地煤中微量元素含量存在變化。

在與中國煤中微量元素算數平均值的比較中，CS煤礦煤層微量元素平均含量高于中國煤的有As、Cu、Sr，煤層微量元素平均含量接近中國值的有Co、Ga、Li，煤層微量元素平均含量明顯低于中國值的有Ba、V和Ni等；KZKEA煤礦煤層微量元素平均含量高于中國煤的有Li、Cu，煤層微量元素平均含量接近中國值的有As、Co、Ga，煤層微量元素平均含量明顯低于中國值的有Ba、V、Cr、Sr、Zn和Ni等；MMTLK煤礦煤層微量元素平均含量高于中國煤的有Cu和Sr，煤層微量元素平均含量接近中國值的有As、Co和Ga，煤層微量元素平均含量明顯低于中國值的有Ba、V、Cr、Zn和Ni等（圖4）。研究區內煤樣品微量元素含量變化范圍較大，雖有部分元素含量超過中國值，但大多數微量元素仍表現為近似相等或虧損。

CS煤礦煤樣品中As和Mo元素富集程度最高，MMTLK煤礦煤樣品中As和Cu元素富集程度最高；CS煤礦煤樣品處在0.5

圖5 煤樣品微量元素濃度系數（CC）圖

4 微量元素指示意義

煤中微量元素的聚集是多種地質因素以及多期地質作用疊加的綜合作用結果，反過來煤中微量元素對沉積時的地質環境也同時具有很強的指示意義。本文選取微量元素V、Ni、Sr、Cu、Ba，利用其相關比值對三個煤礦的氧化還原、古氣候和古鹽度特征進行探討，總結三個不同盆地煤的元素差異的因素。

4.1 氧化還原環境

V/(V+Ni)>0.84時，表現為水體強分層，且當時為還原環境；V/(V+Ni)在0.6～0.84時，表現為分層中等，且當時為厭氧環境；V/(V+Ni)在0.4～0.6時，表現為弱分層，且當時為貧氧環境（冀華麗等，2020）。由圖6可知，研究區內V/(V+Ni)比值幾乎都<0.84。其中CS煤礦煤層V/(V+Ni)在0.38～0.85，平均值為0.56，說明煤層在沉積時水體分層弱，且當時環境以貧氧環境為主；KZKEA煤礦煤層V/(V+Ni)平均值為0.5，說明煤層在沉積時水體分層弱，且當時環境以貧氧環境為主；MMTLK煤礦煤層樣品中，V/(V+Ni)變化范圍在0.23～0.75，平均值為0.53，說明煤層在沉積時水體分層弱，且當時環境以貧氧環境為主。

圖6 元素比值剖面變化圖

4.2 古氣候特征

Sr和Cu屬于喜干型元素和喜濕型元素，因此Sr/Cu的比值具有較好的古氣候指示作用。一般認為，Sr/Cu比值在1.3～3.5時，反映古氣候為溫暖潮濕氣候，Sr/Cu比值大于5時，指示古氣候為干旱炎熱氣候（魏迎春等，2020）。CS煤礦煤層樣品中Sr/Cu的比值范圍在0.85～4，平均值為2.74，反映古氣候為溫暖潮濕氣候；KZKEA煤礦煤層樣品中Sr/Cu的比值范圍在0.65～0.8，平均值為0.71，反映古氣候為溫暖潮濕氣候；MMTLK煤礦煤層樣品中Sr/Cu的比值范圍在1～4，平均值為2.53，反映古氣候為溫暖潮濕氣候。

4.3 古鹽度特征

Sr和Ba化學性質類似，但當沉積環境發生變化時，二者變化各不相同，一般來說，當水體由淡水過渡到咸水環境時，Sr/Ba的比值在沉積物中呈現增大的趨勢，故利用Sr/Ba的比值可以推測當時古環境水體中的鹽度特征。通常認為，Sr/Ba比值大于1時，指示當時為海相咸水沉積，Sr/Ba比值小于0.6時，指示當時為陸相淡水沉積，Sr/Ba比值在0.6～1時，反映過渡相的半咸水沉積（冀華麗等，2020）。CS煤礦煤層樣品中，Sr/Ba的比值范圍在1.92～7.08，平均值為4.31，表明古環境為海相咸水沉積，KZKEA煤礦煤樣品中，Sr/Ba的比值范圍在0.13～0.54，平均值為0.31，表明古環境為陸相淡水沉積；MMTLK煤礦煤樣品中，Sr/Ba的比值范圍在1.64～8.33，平均值為5.24，表明古環境為海相咸水沉積。

4.4 小結

對比研究區內三個盆地所測樣品中微量元素含量可知，三個煤礦雖有部分元素其濃度系數超過或接近上地殼元素含量，但仍有大多數元素其濃度系數低于上地殼元素含量。同時，即使研究區內三個煤礦位置相近，經歷同樣的大地構造背景，但由于其他地質因素的差異，使得三個煤礦在元素的含量上存在差異。故筆者通過對三個煤礦內不同煤礦的沉積環境背景、煤質和煤相特征的綜合分析,認為這三個不同盆地煤的元素差異由下列因素控制:

（1）泥炭沼澤形成時的沉積環境

泥炭沼澤水體介質的酸堿性和鹽度對煤中微量元素的含量存在一定的控制作用。當水體介質變現為酸性時，大部分金屬化合物的溶解能力增強。pH越低，越有利于Ca、Cu、Sr等元素遷移，pH越高，則B、S、V等元素更容易富集。通過對三個煤礦元素富集情況的分析，以及對海相、陸相沉積環境特點的對比，故相比于陸相沉積環境，在具有海陸交互相沉積環境背景的CS煤礦和MMTLK煤礦中，其全硫含量和灰份含量明顯偏高。查閱我國煤田預測煤質化驗成果綜合表后發現，與海水有關或受海水影響的含煤盆地煤中的硫含量和灰分含量一般也高于沒有受海水影響的陸相含煤盆地。受到海水影響的泥炭沼澤，沼澤水體的礦化程度會高于沒有受到影響的沼澤水體，因此，CS煤礦和MMTLK煤礦煤層中煤的微量元素含量也較高。

（2）構造活動

構造活動對于煤中微量元素的富集及運移，有著很大的影響。研究區內未見到巖漿活動，但斷裂和褶皺尤為發育。斷裂和褶皺構造對煤中微量元素的影響一般有以下幾個方面：①擾動原始地層，形成地下水良好的運移通道；②褶皺和斷裂發生時，產生的熱量會影響煤層的變質程度。雖然研究區內三個盆地處于相同的構造背景下，但由于小構造的發育程度存在差異，其中KZKEA煤礦構造活動頻繁，煤層受構造活動擾動較大，進而會對煤層中微量元素的遷移和富集產生影響。故相較于其他樣品，KZKEA煤礦煤層樣品中測的微量元素含量少于其他煤礦，微量元素含量總體偏低。

5 結論

（1）CS煤礦煤樣品表現為中灰分、中高硫、高揮發分煤；KZKEA煤礦樣品表現為中高灰、低硫、特低揮發份煤；MMTLK煤礦樣品表現為高灰、中高硫、低揮發份煤。

（2）煤樣品所測得的微量元素含量中，微量元素平均含量高于中國煤的有As、Cu、Sr（CS煤礦），Li、Cu（KZKEA煤礦），Cu、Sr（MMTLK煤礦）；煤層微量元素平均含量接近中國值的有Co、Ga、Li（CS煤礦），As、Co、Ga（KZKEA煤礦和MMTLK煤礦）；煤層微量元素平均含量明顯低于中國值的有Ba和Ni等（CS煤礦），Ba、V、Cr、Sr、Zn和Ni等（KZKEA煤礦），Ba、Cr、Zn和Ni等（MMTLK煤礦）。

（3）CS煤礦、KZKEA煤礦和MMTLK煤礦通過參數指標V/(V+Ni)反映古沉積環境以貧氧環境為主，Sr/Cu指示古氣候為溫暖潮濕氣候，Sr/Ba反映古環境分別為海相咸水沉積、陸相淡水沉積和海相咸水沉積。

（4）通過對三個不同煤礦沉積背景以及煤質特征的對比分析，可以得出研究區內泥炭沼澤形成時的沉積環境和構造運動，是控制三個盆地煤中元素差異的主要因素。

注 釋

①新疆煤田地質局.2011.新疆煤炭潛力評價報告[R].