淮南煤田二疊系微量元素地球化學特征分析

石從秋，魏 強，2*，童家穎，劉家樂，劉繼威，凌德孟，廖 弦

（1.宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000；2.安徽省煤礦勘探工程技術研究中心，安徽 宿州 234000）

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展及人口的增多，目前人類所使用的常規(guī)能源正在日漸短缺。非常規(guī)能源由于具有儲量巨大、分布集中和開發(fā)技術日趨進步等特點，使得其越來越得到國內外學者的重點關注。泥巖中微量元素的種類繁多，部分微量元素作為反映古沉積環(huán)境以及古地理等方面的重要參數(shù)[1]，例如Ba、Cd、Zn、Cu、P等元素被當作指示古生產(chǎn)力的指標；Sr/Ba的比值可以用來反映水體含鹽度的變化；Ba、Sr元素含量的大小可以指示古水深的變化情況；U/Th、V/Cr、V/（V+Ni）及Ni/Co的比值常用來判斷底層水體氧化-還原環(huán)境[2]。

本文通過對淮南煤田下石盒子組泥巖樣品進行地球化學測試，從而對淮南煤田地球化學特征及沉積環(huán)境進行綜合研究分析。

1 地質背景

研究區(qū)為潘集煤礦外部勘查區(qū)，位于淮南煤田東部，大部分位于潘集區(qū)境內。西部依次與朱集東煤礦、潘四東煤礦、潘二煤礦、潘一煤礦和潘三煤礦等相鄰；南部與新集二礦、新集三礦等相鄰，東部與懷遠縣相連接。區(qū)內主要發(fā)育了明龍山-劉府斷層、阜鳳逆沖斷層等，其次又發(fā)育了謝橋向斜、潘集背斜等規(guī)模較大的褶皺，除此之外潘集礦區(qū)還發(fā)育了較多的次級小斷層，總之，這些斷層和褶皺使得潘集礦區(qū)形成了復雜的地質條件[3]，淮南煤田構造地質綱要圖如圖1所示。

圖1 淮南煤田構造地質綱要圖

2 樣品與實驗方法

2.1 樣品的采集與測試

選取淮南煤田的潘集三礦為采樣點，8塊泥巖樣品均來自下石盒子組，按剖面順序由上而下分層刻槽采取，每個樣品采取質量為3 kg，并用塑料袋包裝。樣品取回后置于通風柜的濾紙上自然風干；采用四分法初步制樣，然后將樣品粉碎至120目；研磨后的樣品保存于密封袋中，標明制樣日期、采樣地點和樣品編號等基本信息。

2.2 樣品的測試與分析方法

實驗使用E1ENMENTI型電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）對微量元素的含量（質量分數(shù)，下同）進行測試。筆者在下文中引用富集系數(shù)（EF）的概念，并結合含量值來對元素進行研究分析。所謂富集系數(shù)指的是樣品實測值與選取的背景值相比的一個結果，用EF來表示。常被用來作為背景值的有地殼克拉克值[4-5]、大陸巖石圈平均值和北美頁巖平均值（NASC）等。

3 微量元素含量及其分布特征

本文主要研究淮南地區(qū)煤系地層下石盒子組泥巖中Al、As、Ba、Cd、Cr、Co、Cu、Fe、Ga、Li等總計21種元素，見表1。由于北美陸殼元素豐度的部分資料欠缺，所以在以下對比分析中只列出已有的元素數(shù)據(jù)。

表1 淮南煤田泥巖微量元素含量 μg·g-1

3.1 微量元素的含量特征

依據(jù)表1可將21種元素大致分為以下幾類（由于8個樣品的各元素含量值在表1中已列出，所以在下文中不出現(xiàn)），含量遠大于200μg/g的元素有：Al、B、Ti、Fe、Si共5種元素；含量在10～200μg/g的元素有As、Ba、Cr、Co、Cu、Ga、Li、Ni、Sr、Zn、Th、U、Mo共13種元素；含量在10μg/g以下的元素有Cd、Sn、Pd共3種元素。由于稀土元素在地球上本身的含量就極其稀少，結合數(shù)據(jù)綜合考慮將稀土元素歸類為含量在10μg/g以下的元素。由表1中的21種元素與中國大陸巖石圈豐度及北美陸殼元素豐度的對比可知：從整體上看，淮南潘集泥巖中元素含量整體明顯偏低于中國大陸巖石圈豐度與北美陸殼元素豐度。

3.2 微量元素的富集特征

由2.2已知富集系數(shù)的計算方法，根據(jù)前面學者的經(jīng)驗，本次實驗對富集與虧損的界定如下：使用第一種方法時EF小于0.1為極虧損；0.1～1.0為虧損；1.0～5.0為富集；5～10為顯著富集；大于10為極富集。使用第二種方法時EF大于1即為富集，小于1即為虧損[6]。

由圖2可知，樣品與中國陸殼微量元素的平均值的比較情況：Si均值0.22；Sr均值0.17；Al均值0.19；Ba均值0.45；Co均值0.26；Cu均值0.42；Fe均值0.20；Ni均值0.38；Cr均值0.83；Zn均值0.82，以上元素為虧損元素。Li均值4.67；Sn均值2.70；Th均值4.10，以上元素為富集元素。Ga均值6.34，為顯著富集元素。As均值41.84；B均值754.94；Cd均值59.79；Ti均值10 593.63；U均值77.97；Mo均值14.79；Pd均值1512.35，以上元素為極富集元素。

圖2 淮南煤田泥巖中微量元素的富集系數(shù)分布（以中國陸殼作為背景值）

4 微量元素的沉積環(huán)境分析

微量元素的質量分數(shù)在地球化學過程中通常會產(chǎn)生變化。一些元素可能在海洋沉積物中的含量相對較高，而有些則可能在大陸沉積物中的含量相對較高，這很大一部分是由于地球化學作用產(chǎn)生的差異。通過對沉積物中相關元素含量的高低及其特定元素的比值的研究分析，可以推斷當時的沉積環(huán)境，然后進行一個反演推測，從而知道當時的地質條件。目前，人們常用沉積巖中的Sr、V、Ni、Th、Cu、Zn、Mo等微量元素的含量及其相關比值的大小與變化特征來反演當時的沉積環(huán)境的氧化還原特征、古氣候特征和古鹽度特征等。淮南泥巖中微量元素分析結果如圖2所示。

4.1 古生產(chǎn)力

在富含營養(yǎng)元素的水體中，通常Si、P、Cd、Ba、Ti等元素與生物活動密切相關，在生物的生長中起著重要的作用。Ba元素的豐度與有機碳通量以及生物生產(chǎn)力這兩者有著明顯的正相關關系[7-8]，Ba元素的富集條件主要取決于上層水體的高生產(chǎn)率和底部的缺氧[9]；而另一種元素Cd在海洋中的分布與磷酸鹽相似，高含量的Cd指示營養(yǎng)型水體，反之則是低營養(yǎng)水體。此外較高的Cu、Zn含量通常也可作為高古生產(chǎn)力的替代指標[10]。

由圖2可以看出，研究區(qū)中的Ba元素富集程度總體上還是比較低的，而且在縱向上的波動范圍是略小的。綜合以上分析，研究區(qū)二疊系泥巖沉積形成時期的古生產(chǎn)力比較低且不穩(wěn)定，使得上述元素富集程度產(chǎn)生差異性。

4.2 水體含鹽度

通常用Sr/Ba比值來作為水體含鹽度的指標：Sr/Ba＞1指示海相咸水沉積；Sr/Ba＜0.6指示陸相淡水沉積；Sr/Ba為0.6～1指示過渡相的半咸水沉積。研究區(qū)中這兩者的比值可以由圖3得知，其中8個樣品整體的Sr/Ba均值為0.62，而且縱向上變化不大，說明該研究區(qū)水體整體上為過渡相的半咸水沉積。而B元素含量的高低與鹽度成正線性關系[11]，且研究區(qū)內B元素的含量是遠大于中國陸殼與北美陸殼的，這一觀點也可以支持研究區(qū)內水體整體上為半咸水的結論。

4.3 氧化還原條件

通常當水體含氧量大于1.0 mL/L為富氧環(huán)境、0.1～1.00 mL/L為貧氧環(huán)境、小于0.1 mL/L為厭氧環(huán)境。而水體的氧化還原環(huán)境與有機質的豐度有著密切的聯(lián)系，但是根據(jù)現(xiàn)有的資料還不能表明其可以影響豐度的高低。而一些微量元素的比值可以反映水體的氧化還原環(huán)境，如U/Th、V/Cr、V/（V+Ni）等。根據(jù)現(xiàn)有資料，在本文中用U/Th之比作為此次指標。

由圖3可知，研究區(qū)中的U/Th比值約為16.136，一般來說，U/Th＞1.25指示缺氧環(huán)境，0.75＜U/Th＜1.25指示弱氧化環(huán)境，U/Th＜0.75指示氧化環(huán)境，由此判斷，研究區(qū)的水體為缺氧環(huán)境。

圖3 淮南煤田泥巖微量Sr/Ba、Sr/Cu、U/Th元素分析結果圖

5 結論

（1）通過對泥巖樣品的礦物含量分析，可知淮南煤田泥巖不具備商業(yè)開發(fā)的條件，但大部分具有較好的脆性特征。

（2）通過對泥巖中的Ba、Cd、Cu、Zn元素富集程度分析可知，淮南煤田二疊系泥巖沉積形成時期的古生產(chǎn)力比較低且不穩(wěn)定。

（3）通過對泥巖中的B元素富集程度、Sr/Ba比值分析，可知淮南煤田二疊系時期水體整體上為過渡相的半咸水沉積。

（4）通過對泥巖中的U/Th比值分析，可知淮南煤田二疊系時期水體為缺氧環(huán)境。