山西省陽(yáng)泉新景煤礦15煤微量元素的富集及沉積環(huán)境研究

岳瓊申， 丁典識(shí)， 汪文軍， 周慧慧， 劉桂建

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026)

1 地質(zhì)背景

山西省陽(yáng)泉礦區(qū)位于沁水煤田的北部，煤炭資源十分豐富，是中國(guó)主要的產(chǎn)煤基地之一[1]。新景礦位于陽(yáng)泉市的西北部，沁水盆地的東北緣。主要含煤地層是石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組(圖1)[2-3]。太原組平均厚度約為120.88m，含可采煤層8、9、12、13和15煤層，其中15煤層穩(wěn)定，厚度變化小，該組連續(xù)沉積于下伏本溪組之上，為一套具明顯沉積旋回的海陸交互相含煤建造，巖性為深灰—灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖，灰色粗、中、細(xì)粒砂巖，三層深灰色石灰?guī)r及煤層。山西組平均厚度約為56.80m，含可采煤層3和6煤層，其中3煤層穩(wěn)定，厚度變化較小，該組整合覆蓋于太原組之上，為三角洲平原環(huán)境下沉積，主要由黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰白色中-粗粒砂巖組成，也為本井田的主要含煤地層之一。

從20世紀(jì)80年代起葛寶勛等[4]通過(guò)含煤巖系的微量元素對(duì)整個(gè)陽(yáng)泉礦區(qū)含煤地層的沉積環(huán)境和成煤因素進(jìn)行了研究，吳占彩等[5]研究了陽(yáng)泉礦區(qū) 6 號(hào)、8 號(hào)、11 號(hào)和 12 號(hào)煤層頂、底板泥巖的稀土元素地球化學(xué)特征并利用稀土元素推測(cè)了其物源。本次研究的15煤是陽(yáng)泉礦區(qū)最穩(wěn)定的煤層之一，其中微量元素與成煤環(huán)境的研究較少，因此本次選取新景礦，對(duì)其中15煤層中的Li、Be、Sc、Cu、Ba、Sr、Rb、U、Th和Pb微量元素的富集特征進(jìn)行研究，利用微量元素比值U/Th、Sr/Ba和Sr/Cu分析成煤環(huán)境，為煤礦地質(zhì)提供參考資料。

2 樣品的采集與分析

所有樣品均采集于新景礦15煤層，從底板到頂板進(jìn)行刻槽分層采樣，共采樣30個(gè)，從底板至頂板編號(hào)XJ-15#-1到XJ-15#-30(圖1)。

樣品采集后，對(duì)煤樣進(jìn)行粉碎，研磨，過(guò)篩到200目，取一定量的樣品粉末保存于干凈的樣品袋中防止污染以備測(cè)試。每個(gè)樣品分別稱(chēng)取0.1g放入錐形瓶中，標(biāo)上相應(yīng)樣品編號(hào)，向瓶中依次注入1ml雙氧水、2ml高氯酸、8ml硝酸，蓋上歪頸漏斗，靜置隔夜。第二天先將電加熱板溫度預(yù)熱至120℃，然后將消解液連瓶一起全部置于電加熱板上加熱3h，再將溫度升至180℃加熱1h，取下外頸漏斗，溫度再升至210℃加熱趕酸，燒至冒大量濃白煙后且溶液變至澄清后取下。待溶液冷卻后，過(guò)濾，倒入離心管中，定容至25ml，以備測(cè)試。微量元素含量測(cè)定采用電感等離子質(zhì)譜(ICP-MS)方法，以上所有實(shí)驗(yàn)均在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)完成。分析測(cè)試過(guò)程中采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)SARM20樣品和空白樣來(lái)保證消解和分析的準(zhǔn)確度，測(cè)試結(jié)果如表1。

圖1 地層柱狀圖Figure 1 Stratigraphic column

3 結(jié)果與討論

3.1 微量元素含量和富集特征

從表1可知新景礦15煤中，Li含量普遍偏高，算數(shù)平均值顯著高于地殼含量平均值，世界平均值，和中國(guó)平均值，但是Be的含量普遍較低，含量平均值小于地殼含量平均值，世界含量平均值，以及中國(guó)平均值，所測(cè)樣品Be含量的最大值仍然低于地殼克拉克值。Sc、Cu、 Ba、 U和Rb含量都低于世界平均值和中國(guó)平均值，15煤中Sr、Pb和Th的平均含量高于世界煤平均值，但是其中Pb和Th的含量卻低于中國(guó)煤平均值，15煤層，從底板到頂板Li、Sr和Ba的含量變化較大，其中Ba的最大值和最小值跨度最大，Be和U的含量變化相對(duì)比較穩(wěn)定。

表1 陽(yáng)泉礦區(qū)新景礦15煤層中微量元素含量

續(xù)表

注： EF =(煤中元素含量元素含量/中國(guó)煤中Sc含量) /(元素克拉克值/Sc克拉克值)[11]， CC=(元素煤中含量均值/世界煙煤中該元素平均含量)[12]

從15煤底板到頂板Be和Sc，U和Th含量變化圖(圖2，圖3)中，發(fā)現(xiàn)Be和Sc，U和Th的含量變化存在明顯的相關(guān)性。

圖2 15煤Be、Sc垂向剖面含量變化圖Figure 2 Coal No.15 Be, Sc content variation on vertical section

圖3 15煤U、Th垂向剖面含量變化圖Figure 3 Coal No.15 U, Th content variation on vertical section

在研究區(qū)15號(hào)煤中的出現(xiàn)明顯的富集Li，虧損Be和Rb的現(xiàn)象。井田L(fēng)i的富集系數(shù)為18.60，根據(jù)Valkovic等[11]的劃分原則(EF>5 作為元素富集的界限)，Li在本區(qū)15號(hào)煤層中明顯富集。根據(jù)代世峰等[12]的劃分原則，新景礦Li的CC表明15號(hào)煤層Li有輕度富集的現(xiàn)象。Be的1.22和0.43，根據(jù)劃分原則，二者均指示Be虧損。Rb的EF和CC分別為0.18和0.22，Rb虧損，且虧損最為顯著。Sc、Cu、Sr、Ba、Th和U并未出現(xiàn)明顯的富集或虧損現(xiàn)象。

3.2 沉積環(huán)境分析

新景礦15煤中Sr/Ba平均值1.31，最大值4.68，最小值0.42。由此可以發(fā)現(xiàn)，新景礦15煤的沉積環(huán)境并不是單純的咸水海相或者淡水陸相，在Sr/Ba比值變化圖中(圖4)，可以將沉積環(huán)境劃分為四個(gè)階段研究，第Ⅰ階段從XJ-15#1到XJ-15#5，Sr/Ba>1，沉積環(huán)境是咸水海相的；第Ⅱ階段從XJ-15#6到XJ-15#9，Sr/Ba比值從XJ-15#4開(kāi)始驟降，沉積環(huán)境開(kāi)始向淡水陸相過(guò)渡，直到XJ-15#6，Sr/Ba<1，沉積環(huán)境完全變成淡水陸相沉積；第Ⅲ階段從XJ-15#9到XJ-15#12，Sr/Ba驟升，環(huán)境變?yōu)楹Ｏ?；此后，第Ⅳ階段Sr/Ba沒(méi)有前兩段急劇的升降變化，而是在0和1之間小幅度的變化，處于海陸過(guò)渡的環(huán)境中。

圖4 15煤Sr/Ba 比值剖面變化圖Figure 4 Coal No.15 Sr/Ba ratio sectional variation

Th和U在還原狀態(tài)下地球化學(xué)性質(zhì)相似，但氧化狀態(tài)下差別很大[18]。在表生環(huán)境下，Th 只有+4價(jià)一種價(jià)態(tài)且不易溶解，而U則不一樣。U在強(qiáng)還原狀態(tài)下為+4 價(jià)，不溶解于水，導(dǎo)致它在沉積物中富集；而在氧化狀態(tài)下，U 以易溶的+6價(jià)存在，造成沉積物中 U 的丟失[19]，所以U/Th比值可以反映沉積古環(huán)境的氧化還原條件。U/Th >1.25指示缺氧環(huán)境，0.75

圖5 15煤U/Th 比值剖面變化圖Figure 5 Coal No.15 U/Th ratio sectional variation

新景礦U/Th平均值0.31，最大值0.84，最小值0.10， 通過(guò)垂向U/Th比值變化(圖5)發(fā)現(xiàn)，新景礦中U/Th幾乎全部小于0.75，所以認(rèn)為新景礦15煤成煤環(huán)境是一種較為氧化的環(huán)境。

喜干型元素Sr和喜濕型元素Cu的比值可以作為對(duì)古氣候的變化研究的參數(shù)，一般認(rèn)為 Sr /Cu 比值介于1.3～5為溫濕氣候，大于5為干熱氣候[21-22]。

新景礦Sr/Cu平均值13.53，最大值48.63，最小值2.94；結(jié)合圖6，總體來(lái)看Sr/Cu的值基本都是大于5的，反映了干旱炎熱的沉積環(huán)境。

圖6 15煤Sr/Cu比值剖面變化圖Figure 6 Coal No.15 Sr/Cu ratio sectional variation

4 結(jié)論

(1)總體來(lái)看，陽(yáng)泉礦區(qū)新景礦15煤中，Li較為富集，Be，Sc，Rb，U出現(xiàn)虧損，其中Rb虧損最為顯著，其余元素未出現(xiàn)明顯的富集或虧損情況。

(2)新景礦15煤層從底板到頂板，Be和Sc，U和Th的含量變化存在明顯的相似性，這可能與這些微量元素的地球化學(xué)特性有關(guān)。

(3)新景礦的15煤成煤期間氧化還原條件以及氣候干濕情況都較為穩(wěn)定，整體形成于氧化環(huán)境的沉積環(huán)境，且氣候較為干燥炎熱；但沉積介質(zhì)鹽度變化較大，從初始的海相咸水沉積逐漸過(guò)渡到海陸過(guò)渡相再到淡水沉積，之后又突變到海相咸水沉積，最終穩(wěn)定在海陸過(guò)渡相的半咸水環(huán)境。