山西平朔礦區煤的礦物學與地球化學特征

王燕林 王靜禹　田生云　多吉加布　董文通

摘要：本文以山西平朔礦區山西平朔礦區主采煤層為研究對象，對煤中礦物含量特征與地球化學特征進行探討。使用偏光顯微鏡觀測顯微煤巖組分，使用×射線熒光光譜（XRF）測定煤及矸石中常量元素含量，使用 X 射線衍射（XRD）分析煤中礦物組成、使用掃描電鏡+能譜（SEM-EDX）觀察礦物形態特征，使用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）測定煤及矸石中微量元素含量，使用逐級化學提取（SCEP）測定煤中微量元素賦存狀態。

關鍵詞：山西平朔礦區;地球化學特征;煤礦;含量特征

1引言

隨著社會發展，清潔能源和環境保護的觀念越來越得到國家和大眾的重視;但煤炭資源長期以來為我國提供穩定能源供應，我國煤炭資源儲量巨大，近年來，諸多學者投入到煤炭中有益元素和有害元素的研究中來，以實現煤炭資源高效利用，預防帶來的危害。對煤中微量元素的含量水平、賦存狀態等的研究有助于發現煤系伴生礦產資源，指導煤炭資源的高效利用;預防煤中有害元素擴散到土壤、水系、大氣中;煤中微量元素的地球化學研究還對聚煤環境、沉積環境、區域地質演化歷史具有指示作用。

2煤中礦物含量特征

按照礦物的化學組成對山西平朔礦區煤中礦物進行探討。使用XRD 對低溫灰化后樣品的礦物組成進行測定。通過顯微煤巖組分測定煤中礦物總含量（表1），使用SEM-EDX 研究礦物的形態等特征。

3煤中礦物學特征及其成因

3.1煤中高嶺石

在掃描電鏡下平朔煤礦中高嶺石呈碎屑狀分布，且有磨圓的痕跡，或呈團塊狀、浸染狀充填于細胞結構中;還未接受后期地質作用改造;充填于細胞結構中的團塊狀或不規則狀高嶺石;屬于同生型礦物，一般只能通過含SiO和 AlO的真溶液進入到細胞結構中，聚煤盆地物源區的石英、長石以及前期沉積的粘土礦物，經過風化剝蝕、水介質的溶蝕等作用形成SiO和AlO的真溶液，注入泥炭沼澤中，隨成煤作用的進行賦存到煤中。

3.2煤中方解石

方解石在煤中較為常見。是煤中主要的碳酸鹽礦物，一般為后生成因。在地下水等自然水循環的作用下，CaCO;充填到煤中層間、裂隙等部位，形成薄膜狀、脈狀等結構，有時巖漿熱液也可形成方解石。掃描電鏡下平朔煤礦煤中方解石多呈條帶狀、脈狀充填于煤巖組分裂隙中，且未發現受巖漿熱液影響的其它證據，故平朔煤礦平朔煤礦煤中方解石可能為富含碳酸鹽溶質的地下水在流經煤中裂隙時析出，并逐漸充填整個裂隙或層間形成的。

3.3煤中其它礦物

掃描電鏡下觀察到平朔煤礦煤基質鏡質體在顯微煤巖組分中最多（凝膠化組分有利于硫化物賦存），工業分析表明屬于高硫煤，結合淺水三角洲體系的地質背景，認為黃鐵礦的形成受侵入泥炭沼澤的海水影響。平朔煤礦煤中可見少量金紅石分布，金紅石形成于高溫條件下，主要產于變質巖系石英或偉晶巖脈中，煤中金紅石一般來源于陸源母巖區。結合地質背景，認為其來自于物源區火成巖經風化、剝蝕、搬運的碎屑物質。

4 煤中元素地球化學特征

4.1煤中常量元素含量特征

煤中常量元素的含量和賦存特征，能反映煤層形成的環境和地質背景以及煤層形成后所經歷的各種地質作用，對判斷聚煤環境和構造演化具有指導作用。Na、Mg、A1、Si、Ca、K、P、Ti、Fe和S這10種常量元素是組成煤中無機組分的重要部分，其中 S 元素也是煤中有機物的組成元素之一。煤中常量元素是煤中礦物的重要組成部分，其含量通常以氧化物的形式來表示。

4.2煤中微量元素含量特征

與上地殼中元素均值相比，平朔煤礦及矸石中含量較高的元素有Li、Cu、Zr、Nb、Mo、Cd、Sb、Hf、Bi;與上地殼相比，含量較低的元素有 Be、Sc、V、Cr、Co、Ni、Zn、Rb、Sr、Cs、Ba、Tl;Ga、Sn、Ta、Pb、Th、U 與上地殼值相近。山西平朔礦區煤中微量元素與灰分產率整體相關性系數不高，與Al2O3、SiO2等與灰分密切相關的元素相關性也不高，通過剖面上微量元素與常量元素的對比，可以發現部分層位灰分產率較低，但微量元素含量較大，微量元素的賦存也與有機質相關。

4.3煤中稀土元素含量特征

平朔煤礦中稀土元素含量在 12.75～271.32μg/g 之間，平均值為125.66μg/g，在煤層中部相對較高，而下部含量較低;5*煤中稀土元素含量在6.37～340.57μgg 之間，平均值為 117.35μg/g，各層位差異較大，頂底兩處矸石（NG501、NG508）和中下部（NG506）處出現明顯的虧損，總體呈中部含量較高的特點。煤中稀土元素平均含量均未達到 300μg/g。根據煤中微量元素的含量水平劃分標準-富集系數 CcP7，煤中稀土元素 La、Ce、Y、Er 富集系數均大于2，為輕度富集;其它元素的富集系數均處于0.5～2之間，屬于正常范圍內。

結論

本文對山西平朔礦區煤中顯微煤巖組分、煤中礦物、常量元素、微量元素、稀土元素地球化學特征進行了研究，得到以下結論和認識。煤中稀土元素主要賦存在硅鋁酸鹽礦物、有機質和黃鐵礦中，方解石在稀土元素富集中起稀釋的作用。輕稀土元素與中、重稀土元素相比，殘渣態含量明顯較高，有機態占比明顯較低。煤形成過程中北部的陰山古陸地勢較高，持續隆起，為山西中北部聚煤盆地提供了穩定的陸源碎屑補給。

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作者簡介：

王燕林 北京市中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083

王靜禹 男 漢族 學生 本科 資源勘查工程

田生云 男 回族 學生 本科 資源勘查工程

多吉加布 男 藏族 學生 本科 資源勘查工程

董文通 男 漢族 學生 本科 資源勘查工程