山西省大同煤田石炭二疊系主采煤中鍺元素分布賦存特征及成礦前景預(yù)測(cè)

張星星

(山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，太原 030031)

近年來，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究中不斷在煤層中發(fā)現(xiàn)具有工業(yè)利用價(jià)值的鍺、鋰、鎵等新興戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，尤其是河北工程大學(xué)孫玉壯教授及其團(tuán)隊(duì)在山西平朔礦區(qū)發(fā)現(xiàn)超大型煤伴生鋰、鎵礦床。山西作為產(chǎn)煤大省，“單打一”的現(xiàn)象嚴(yán)重，只注重煤炭資源，對(duì)煤炭資源的共伴生資源沒有系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)查分析和評(píng)價(jià)，綜合利用水平較低,不合理的開發(fā)利用造成了礦產(chǎn)資源的極度浪費(fèi)。山西煤炭產(chǎn)業(yè)走出困境要高度重視煤炭伴生資源價(jià)值，加大研究開發(fā)利用力度，開辟煤炭資源利用新空間，提高資源綜合利用水平。

大同煤田富含豐富的煤炭資源，目前侏羅系的煤炭資源已全部被占用，歷年來開采強(qiáng)度很大，所剩資源已不多，目前有的礦井煤炭資源已接近枯竭，故本文主要研究大同煤田石炭二疊系主采煤層(山4號(hào)、3-5號(hào)、8號(hào))煤中微量元素鍺的分布賦存特征及成礦前景。數(shù)據(jù)來源于收集的地勘鉆孔資料中微量元素含量數(shù)據(jù)以及本次煤礦井下采集樣品的電感耦合等離子質(zhì)譜分析(ICP-MS分析)測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 位置

大同煤田位于山西省的最北端，是雙紀(jì)煤田，即大同侏羅系煤田和大同石炭-二疊紀(jì)煤田。從平面上看，大同侏羅紀(jì)煤田鑲嵌于大同石炭-二疊紀(jì)煤田之中，在北部略有超出。從縱向上看，大同侏羅紀(jì)煤田疊加于大同石炭-二疊紀(jì)煤田之上。地跨大同市新榮區(qū)、礦區(qū)、南郊區(qū)、左云縣和朔州市右玉縣、山陰縣、懷仁縣。

1.2 地層

大同煤田北部為沉積邊緣，其上發(fā)育石炭系、二疊系、侏羅系含煤地層及白堊系、新近系和第四系(表1)。煤田基底地層寒武、奧陶系灰?guī)r主要出露于口泉東南部邊山斷裂帶和南部洪壽山，地層由南向北依次被剝蝕，厚度從南向北逐漸變薄。因此石炭系下統(tǒng)本溪組下伏地層自南向北依次為奧陶系的中統(tǒng)上馬家溝組、下馬家溝組、下統(tǒng)亮甲山組、冶里組以至寒武系。侏羅系與其下伏地層為區(qū)域性不整合接觸，侏羅系下統(tǒng)永定莊組下伏地層自南向北依次為二疊系上統(tǒng)石千峰組、上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組、山西組以至石炭系下統(tǒng)太原組(圖1)。

大同煤田石炭二疊系含煤地層主要為石炭系下統(tǒng)太原組及二疊系上統(tǒng)山西組。太原組平均厚85m左右，巖性主要由灰白色砂巖、深灰色粉砂巖、黑色炭質(zhì)泥巖及煤層組成。山西組平均厚度為81m，巖性主要由灰白色砂巖、灰色粉砂巖及煤層組成。

1.3 構(gòu)造

大同煤田位于山西隆起最北端，是一不對(duì)稱的向斜構(gòu)造，軸向?yàn)楸睎|30°～35°，煤田東南緣地層傾角相對(duì)較陡，一般為30°～35°，東部邊緣局部地層呈直立倒轉(zhuǎn)，煤田中、西部地層傾角相對(duì)較平緩，大都在10°以下。

大同煤田主體位于晉西北塊坳賦煤構(gòu)造帶云崗-平魯塊凹中北部，北鄰華北板塊北緣；南為洪濤山塊凸與寧武煤田相隔；南東以大同口泉—懷仁鵝毛口斷裂帶與汾渭裂谷帶大同盆地相鄰；北東界為青磁窯逆斷層；西臨呂梁經(jīng)向構(gòu)造帶的西石山脈。

表1 大同煤田地層表

圖1 大同煤田地層分布圖Figure 1 Strata distribution in Datong coalfield

1.4 煤層特征

大同煤田石炭二疊系主要含煤地層為太原組和山西組，含煤15層，其中：山西組含山1、山2、山3、山4等4層煤，僅山4號(hào)煤層大部可采。太原組含煤11層，其中3、5(3-5)、8號(hào)為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，2、6、9號(hào)局部或零星可采。

山4號(hào)煤層位于山西組下部，山西組底砂巖K3之上，主要分布大同煤田的中部偏東，煤層平均厚2.44m，頂板巖性多為砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板巖性多為炭質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

3號(hào)煤層位于太原組上部，穩(wěn)定性較好，是上煤組重要的可采煤層。煤層平均厚3.89m，穩(wěn)定性好，頂板巖性多為細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板巖性多為砂質(zhì)泥巖。

5號(hào)煤層位于于太原組上，中部，全煤田普遍發(fā)育，穩(wěn)定性好，是大同煤田主要可采煤層。全煤田范圍內(nèi)平均厚度10.10m。頂板巖性多為砂礫巖、砂質(zhì)泥巖，底板巖性多為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖。在魏家溝、塔山、同忻區(qū)及左云南一帶，3號(hào)煤層和5號(hào)煤層合并為3-5號(hào)煤層平均厚度達(dá)17.58m。

8號(hào)煤層位于太原組下部，全煤田普遍發(fā)育，平均厚4.57m，頂板巖性多為泥巖、泥灰?guī)r，底板巖性多為高嶺質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖。

1.5 煤質(zhì)特征

山西組主采煤層原煤水分變化在0.38%～5.76%之間，平均1.88%；原煤干燥基灰分變化在介于13.65%～47.17%之間，平均為30.12%；浮煤干燥無灰基揮發(fā)分為2.7%～39.6%，平均為34.52%；原煤全硫介于0.17%～3.61%之間，平均為0.68%；原煤干燥基高位發(fā)熱量平均為25.50 MJ/kg。煤類以氣煤為主，可作為低溫干餾及煉焦配煤。

肅南裕固族傳統(tǒng)體育項(xiàng)目的推廣受到當(dāng)?shù)氐匦巍⑽幕瘋鹘y(tǒng)、風(fēng)俗習(xí)慣以及裕固人“逐水草而居”的游牧生活影響，這些地理?xiàng)l件和自然因素不僅塑造了具有裕固族特色的傳統(tǒng)體育項(xiàng)目和文化，同時(shí)也從根本上限制了裕固族傳統(tǒng)體育的發(fā)展。

太原組主采煤層原煤水分變化為0.68%～6.92%，平均2.49%；原煤灰分為9.76%～43.38%，平均為27.92%；浮煤干燥無灰基揮發(fā)分為1.52%～42.73%，平均為38.39%；原煤全硫?yàn)?.07%～3.08%，平均為0.93%；原煤干燥基高位發(fā)熱量平均為22.91 MJ/kg。煤類以以氣煤為主，分布有少量的長(zhǎng)焰煤、弱黏煤和1/3焦煤，零星分布有1/2中黏煤，可作為低溫干餾及煉焦配煤。

1.6 煤巖和礦物

(1)顯微煤巖組分。山西組、太原組煤樣的Ro大部分為0.5%～0.8%，其變質(zhì)程度屬于中等變質(zhì)煤，部分地區(qū)樣品的Ro值較高，可能與巖漿巖侵入有關(guān)。

煤巖組分主要為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，鏡質(zhì)組主要為基質(zhì)鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體，惰質(zhì)組主要為絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體；無機(jī)礦物以黏土類礦為主，還有少量硫化物和碳酸鹽礦物，黏土礦物主要充填在有機(jī)顯微組分中，如結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)組、基質(zhì)鏡質(zhì)體和絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體。黃鐵礦成侵染狀、充填胞腔和裂隙中。碳酸鹽礦物主要有方解石和菱鐵礦，主要為后生成因，裂隙充填狀。

(2)礦物組成及賦存狀態(tài)。通過X衍射分析和掃描電鏡測(cè)試，煤樣的無機(jī)顯微組分顯示，煤中礦物主要包括了黏土礦物，硫化物和碳酸鹽礦物。除此之外還有氧化物礦物，如石英、金紅石和鋯石礦物。

2 元素分布及賦存特征

2.1 富集特征

Dai等人提出用CC表示煤中微量元素的富集系數(shù)，CC值為煤樣中的微量元素含量與世界煤中微量元素平均值的比值，CC<0.5為虧損，0.5100為超常富集。

Dai等人給出了中國(guó)煤中鍺元素含量的背景值為2.78 ug/g，通過本次收集的地勘鉆孔資料中鍺元素含量和煤礦采集樣品的ICP-MS分析測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，山4號(hào)煤層煤中鍺元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值4.09 ug/g，3-5號(hào)煤層煤中鍺元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值2.75ug/g，8號(hào)煤層煤中鍺元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值3.72 ug/g。通過與中國(guó)煤中微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值比較，山4號(hào)煤層煤中鍺元素富集系數(shù)為1.47，屬于正常元素；3-5號(hào)煤層煤中鍺元素富集系數(shù)為0.99，屬于正常元素；8號(hào)煤層煤中鍺元素富集系數(shù)為1.34，屬于正常元素。

2.2 平面分布特征

根據(jù)收集的煤炭勘查區(qū)鉆孔煤質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)及煤礦采樣煤中鍺的測(cè)試結(jié)果，計(jì)算出大同煤田山4、3-5和8號(hào)煤層各點(diǎn)鍺含量的加權(quán)平均值，并據(jù)此勾畫了大同煤田山4、3-5和8號(hào)煤中鍺含量等值線圖(圖2、圖3、圖4)。

山西組山4號(hào)煤層煤中鍺質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2～26.5 ug/g之間，平均值4 ug/g。山4號(hào)煤層中鍺含量從大同煤田南部向北部逐漸富集，富集區(qū)分布在大同煤田北部地區(qū)，其中有3個(gè)大于10 ug/g的富集區(qū)，分別位于高山鎮(zhèn)四臺(tái)礦、同忻礦和同煤塔山礦(圖2)。

太原組3-5號(hào)煤層煤中鍺質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～27.7 ug/g之間，平均值2.8 ug/g。太原組3-5號(hào)煤層中鍺含量從大同煤田南部向北部逐漸富集，富集區(qū)分布在大同煤田北部地區(qū)，其中有4個(gè)大于10 ug/g的富集區(qū)，分別位于高山鎮(zhèn)四臺(tái)礦、同忻礦(圖3)。

太原組8號(hào)煤層煤中鍺質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～34.3 ug/g之間，平均值3.8 ug/g。太原組8號(hào)煤層中鍺含量從大同煤田東南部向西北部逐漸富集，富集區(qū)分布在大同煤田西北部地區(qū)，其中有3個(gè)大于10 ug/g的富集區(qū)，分別位于高山鎮(zhèn)四臺(tái)礦、同忻礦(圖4)。

圖2 山西組山4號(hào)煤層煤中鍺的含量等值線圖Figure 2 Isogram of germanium content in Shanxi Formation coal No.S4

圖3 太原組3-5號(hào)煤層煤中鍺的含量等值線圖Figure 3 Isogram of germanium content in Taiyuan Formation coal No.3-5

圖4 太原組8號(hào)煤層煤中鍺的含量等值線圖Figure 4 Isogram of germanium content in Taiyuan Formation coal No.8

2.3 垂向分布特征

根據(jù)大同煤田煤礦采樣樣品煤中鍺含量的測(cè)試結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析出山西組山4號(hào)煤層和太原組3-5和8號(hào)煤層的最小值、最大值、平均值(表2)，并將山西組、太原組各煤層中的鍺含量均值進(jìn)行了對(duì)比(圖5)：總體垂向上看，大同煤田煤中鍺含量從下向上逐漸升高，其中山4號(hào)煤層最大，平均值大于10 ug/g。

表2 大同煤田主采煤層煤中鍺含量統(tǒng)計(jì)

鍺質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值/μg·g-1圖5 大同煤田不同煤層煤中鍺含量垂向分布Figure 5 Vertical distribution of germanium content in different coal seams in Datong coalfield

2.4 賦存特征

綜上所述，各煤層煤中鍺主要富集在大同煤田北部，大同北部的煤層煤變質(zhì)程度低，多以長(zhǎng)焰煤和氣煤為主，低價(jià)煤中有機(jī)質(zhì)含有較多官能團(tuán)，可以與鍺以整合物的形式結(jié)合。

2.5 成因淺析

在泥炭沼澤時(shí)期，成煤植物經(jīng)過大分子物質(zhì)的分解和小分子物質(zhì)的聚合，形成了腐殖酸等有機(jī)質(zhì)大分子物質(zhì)。腐殖酸一方面聚煤環(huán)境成酸性，而使得想Al(OH)3正膠體和帶負(fù)電的SiO2膠體發(fā)生凝聚作用，形成同生的硅鋁酸鹽礦物，最終到達(dá)Al、Si等親石元素得到富集；另一方面腐殖酸的大分子結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的吸附能力，可以對(duì)煤中微量元素進(jìn)行吸附，使得元素賦存在有機(jī)質(zhì)中。

大同煤田煤中鍺主要以有機(jī)質(zhì)結(jié)合存在，其富集區(qū)主要分布在低變質(zhì)程度煤層中，所以有機(jī)質(zhì)的還原和吸附作用對(duì)煤中鍺元素富集起到一定作用。

3 成礦前景預(yù)測(cè)

鍺是一種稀散元素，大部分鍺是以雜質(zhì)狀態(tài)存在于閃鋅礦、硫砷銅礦等礦物中，煤中也常含有元素鍺，很少獨(dú)立成礦，鍺在煤中的富集程度大多在5 g/t以下，一般而言，褐煤、長(zhǎng)焰煤、氣煤低價(jià)煤類中含鍺品位最高，其次是焦煤和瘦煤，貧煤和無煙煤最少。

據(jù)相關(guān)研究，我國(guó)煤中鍺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大部處于 bdl～5ug/g，儲(chǔ)量均值2.52ug/g。此次研究工作發(fā)現(xiàn)，大同煤田山4號(hào)、3-5號(hào)、8號(hào)煤煤中鍺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為4ug/g、2.8ug/g、3.8ug/g，按照Dai等的觀點(diǎn)，各煤層鍺含量屬于正常范圍。從品位來看，本評(píng)價(jià)區(qū)煤中鍺元素盡管總體上沒有達(dá)到邊界工業(yè)品位，但部分勘探區(qū)煤中存在地球化學(xué)異常，通過初步選礦或提取，可使元素得到相當(dāng)程度的富集。為此，區(qū)內(nèi)煤中鍺仍有一定的成礦前景。

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤中鍺的賦存狀態(tài)研究較多，一般認(rèn)為煤中鍺的主要賦存狀態(tài)是與有機(jī)質(zhì)結(jié)合。鍺極易富集在官能團(tuán)比較發(fā)育、有序度較低的低價(jià)煤中。此次研究工作發(fā)現(xiàn)，大同煤田各煤層煤中鍺含量與灰分不相關(guān)或低度相關(guān)，鍺的富集區(qū)主要分布在煤層成熟度較低的地區(qū)，受有機(jī)質(zhì)的影響較大。

從平面上看，山4號(hào)、3-5號(hào)、8號(hào)煤層煤中鍺的高值區(qū)均位于煤田北部高山鎮(zhèn)附近的四臺(tái)煤礦、口泉鄉(xiāng)附近的同忻煤礦，所以四臺(tái)煤礦和同忻煤礦可以作為鍺成礦遠(yuǎn)景區(qū)。

總體上，大同煤田煤中鍺資源富集較高，成礦及開發(fā)利用前景較好。對(duì)于大同煤田煤中鍺的富集成礦，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注煤田北部四臺(tái)煤礦和同忻煤礦這兩個(gè)區(qū)域，在這兩個(gè)區(qū)域的各煤層煤中鍺資源富集度高，成礦前景較好，可作為下一步重點(diǎn)勘查開發(fā)地區(qū)。

4 結(jié)論

(1)大同煤田煤炭中鍺元素主要分布在大同煤田的北部地區(qū)的高山和口泉地區(qū)。

(2)大同煤田煤炭中鍺元素主要賦存在煤有機(jī)質(zhì)中。

(3)大同煤田煤炭中鍺主要賦存在有機(jī)質(zhì)中，其富集區(qū)集中在低變質(zhì)煤中，受有機(jī)質(zhì)影響較大。

(4)鍺元素富集區(qū)基本分布于大同煤田北部，高山鎮(zhèn)附近的四臺(tái)煤礦以及口泉鄉(xiāng)附近的同忻煤礦可以作為鍺成礦遠(yuǎn)景區(qū)，可作為下一步重點(diǎn)勘查開發(fā)地區(qū)。