彬長礦區(qū)侏羅統(tǒng)延安組4號煤微量元素地球化學特征

姚文博，楊 珍，劉蔚陽，王金喜

(河北工程大學 地球科學與工程學院，河北 邯鄲 056038)

1 地質(zhì)背景

小莊礦井位于陜西省的中西部，屬于陜西省咸陽市彬縣西坡鄉(xiāng)、北極鄉(xiāng)、義門鄉(xiāng)、永樂鄉(xiāng)、小章鄉(xiāng)管轄。

小莊礦井地處彬長礦區(qū)的中東部，于中生界形成的一條走向為NW、平緩的大型單斜構(gòu)造及在該單斜構(gòu)造上發(fā)育的一系列小且寬緩但不連續(xù)的褶皺組成了小莊礦井的總體構(gòu)造形態(tài)[1]。4號煤層的含煤巖系是侏羅系中統(tǒng)延安組下部，近乎覆蓋整個井田，結(jié)構(gòu)比較單一。該區(qū)煤層屬于特厚煤層，煤厚度為：0～35.22m，平均厚度為15.23 m。夾矸為炭質(zhì)泥巖及泥巖，煤層的偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度小于0.5 m，零星分布。直接頂類型包括：粗砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖。

2 樣品采集及測試

采樣按照煤炭工業(yè)部1987年頒發(fā)的《煤炭資源勘探煤樣采取規(guī)程》采取，樣品種類、數(shù)量嚴格依據(jù)《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》DZ/T0215—2002要求進行，鉆孔所見可采煤層的煤心，均采取煤心煤樣，對于偽厚>3m的厚煤層，按煤心長度每3m采取一個煤樣，厚度<3m的煤層，其煤心全部采取煤樣。探槽及地表煤樣用刻槽法按煤層厚度≤3m分層采取煤樣[2]。研究區(qū)內(nèi)煤系為侏羅系中統(tǒng)延安組下部的含煤巖段，含煤4層，其中底部4號煤是主要的采煤層。每個樣品大約采1kg，采后用布袋裝好，以防風化與污染。采用電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)， 進行微量元素的檢測。

3 分析結(jié)果與討論

3.1 煤中微量元素特征

3.1.1 煤中微量元素分布

煤中微量元素的地球化學基礎(chǔ)是研究其微量元素的含量多少。而煤中微量元素含量的高低又是決定其向環(huán)境中釋放程度大小的重要因素[3]。本次研究采集了研究區(qū)的共計23個煤樣，8個夾矸，利用ICP-MS測定了Li、Be、Mn、Cu、Ga、Rb、Sr、In、Cs、Ba、Tl、Pb、Bi、U等14種微量元素，系統(tǒng)的分析了小莊的煤以及夾矸中微量元素的含量特征。為研究微量元素在本區(qū)煤中的總體富集程度，將小莊煤中微量元素的算數(shù)平均值與地殼克拉克值、中國煤、世界煤的元素含量進行平行對比，見表1。

表1 小莊煤中微量元素含量

與地殼克拉克值相比，小莊煤中微量元素Pb、Bi含量與地殼克拉克值相當，其余元素低于地殼克拉克值，矸石中含量較高的有Li、Ga、Cu、Rb、Cs、Ba、Tl、Pb、Bi、U，其余元素含量均比地殼克拉克值低。與中國煤中微量元素均值相比，小莊煤中僅有Cu、Ga、Rb、Pb的含量高于中國煤中的均值，而矸石中僅有Bi元素的含量低于中國值，其余元素都高于中國煤中的含量，尤其是Ba。與世界煤中的微量元素含量相比，小莊煤中有Be、Sr、In、Cs、Ba、Tl、U和Bi的含量低于世界煤含量，矸石中的含量僅有Bi元素含量低于世界值，其余各元素的含量均高于世界值。因此，從總體上看，小莊煤及夾矸中微量元素只有Pb的含量均高于克拉克值、中國值以及世界值。

3.1.2 微量元素富集程度特征

很多關(guān)于煤中富集程度的判斷依據(jù)，不同的研究人員有不同的認識。Goldschmidt[6]等提出富集系數(shù)EF標志了煤中元素的分散富集程度，其中富集系數(shù)EF=煤中微量元素含量算數(shù)平均值/地殼克拉克值，這里采用富集系數(shù)EF值對小莊煤中微量元素的富集程度進行討論，具體分析如下：

本文根據(jù)Gluskoter[7]的研究(某元素EF值高于0.67即可表示該元素在煤中相對富集，反之就表示該元素在煤中較為分散)計算了小莊煤中微量元素的富集程度。從圖1，圖2中各元素的EF值可以看出：小莊煤中有Li、Cu、Tl、Pb、Bi的富集系數(shù)大于0.67，矸石中只有Mn、Sr、In這三種元素的富集系數(shù)小于0.67，Pb和Bi兩種元素在煤中和矸石中EF值都比較大，說明均顯示富集，而Mn、Sr、In三種元素在煤和矸石中均分散。綜上所述，EF值均顯示Pb在小莊是富集的。

圖1 煤中微量元素的EF值Figure 1 Enrichment factor values of trace element in coal

圖2 矸石中微量元素的EF值Figure 2 Enrichment factor values of trace element in waste

3.1.3 煤層底板及夾矸中微量元素含量特征

該區(qū)微量元素在煤層底板中的含量較高，Be、Cs、Pb、U元素在夾矸中的含量較底板偏高，導致這種元素含量差異的主要因素是沉積碎屑物源不同。另外沉積環(huán)境的影響以及地下水動力條件的差異，使得泥炭沼澤內(nèi)礦物質(zhì)含量以及富含微量元素的溶液濃度升高，造成了各層位礦物成分的不同和巖性的差異，這也是造成靠近煤層底部的微量元素含量較高及煤層底板附近分層的影響因素之一[8]。且這些富集于夾矸和底板中的元素大多是以無機礦物的形式存在的，因此可以推斷這些元素主要是陸源碎屑來源。

3.2 稀土元素特征

通過ICP-MS測試出小莊4號煤層7個煤樣中的稀土元素含量，為了更加直觀明了地反映小莊礦區(qū)4號煤侏羅系中統(tǒng)延安組煤中稀土元素的分布情況，采用稀土元素經(jīng)過上地殼值標準化后的分布模式圖[4](圖3)，分別和世界煤、美國煤及中國煤中稀土元素的背景值相比較，結(jié)果顯示：小莊礦區(qū)4號樣品中有且僅有煤中的Pr的含量高于矸石中Pr的含量， 其余剩下的稀土元素的含量均是矸石高于煤中的，而且煤中的Pr的含量均大于各個標準值全在世界值、美國值以及中國值之上， 表現(xiàn)出富集狀態(tài)，值得進一步去探究。根據(jù)微量元素分析結(jié)果，可知煤層樣品中的有些層位中Ba的含量高于標準值，相關(guān)學者認為煤中δEu正異常與Ba的含量有關(guān)，因為兩者的離子半徑相似且價態(tài)相同，在湖泊環(huán)境中Ba2+能夠替代重晶石、碳酸鋇等礦物中的Eu2+[5]。故推測在泥炭沉積的過程中，陸源碎屑物質(zhì)供應比較豐富，稀土元素的賦存受地下水循環(huán)和陸源碎屑母巖的影響。

圖3 煤中稀土元素分布模式Figure 3 Coal REE distribution mode

3.3 影響因素分析

微量元素在煤中的分布和富集，受多因素、多期地質(zhì)作用控制，往往是綜合作用的結(jié)果[9-10]。物源區(qū)是煤中微量元素重要且長期的來源。物源區(qū)巖石互有差異，導致沉積區(qū)內(nèi)各類元素的組成和含量差異較大。就小莊煤礦4號煤而言，因富集Li、Cu、Tl、Pb、Bi等元素，矸石中富集Li、Ga、Cu、Rb、Cs、Ba、Tl、Pb、Bi、U等元素，這表明煤系形成時受到陸源碎屑的影響。煤中微量元素的遷移和富集不僅受到成煤植物中所含微量元素種類和多少、植物的生長環(huán)境以及成煤植物的類型等的影響，另外水介質(zhì)的鹽度在泥炭沼澤成煤過程中也控制著煤中微量元素含量。小莊4號煤層屬陸相沉積，煤中Li、Cu、Tl、Pb、Bi等元素略高。

3.4 微量元素之間的相關(guān)性

通過相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)(表2)：Li與Cs(0.851)，Be與Ga(0.884)，Ga與Rb(0.811)、U(0.814)，In與Rb(0.891)、Cs(0.903)、Pb(0.838)、U(0.827)，Rb與Pb(0.809)呈顯著相關(guān)關(guān)系。Li與Be(0.712)，Ga(0.756)，Rb(0.762)，Zn(0.775)，Pb(0.741)，Be與U(0.791)，Ga與In(0.782)，Cs與(0.794)，Pb(0.763)，Bi(0.682)，Cu與Be(0.532)，Ga(0.585)，U(0.571)，Rb與Be(0.672)，Cs(0.767)，Ba(0.576)，Tl(0.663)，U(0.701)，In與Be(0.678)，Ga(0.782)，Cs與Be(0.678)，Ga(0.749)，Bi(0.770)，Tl與Rb(0.633)，In(0.668)，Pb(0.712)，Pb與Ga(0.763)，U(0.781)，Bi與Cs(0.770)均中等相關(guān)。

表2 小莊礦區(qū)4#煤中微量元素的Pearson相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

彬長礦區(qū)侏羅統(tǒng)延安組4號煤及矸石中Pb和Bi兩種元素EF值大于1，略顯富集，煤層底板的微量元素含量較高，Be、Cs、Pb、U元素在夾矸中的含量高于底板， 造成這種差異的主要原因可能是碎屑物質(zhì)的來源不同，地下水動力條件不同以及受到沉積環(huán)境的影響。煤中多數(shù)元素間呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性，表明具有類似的成因關(guān)系。

參考文獻:

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