煤層變質(zhì)程度與鍺富集的關(guān)系探討

劉 偉，尹 瓊，李宛鴻，伍 偉，方 娜

(1.昆明冶金高等專科學(xué)校冶金與礦業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650033；2.云南地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院，云南 昆明 650041)

0 引 言

鍺在礦產(chǎn)領(lǐng)域一直是一種比較特殊的金屬。它屬分散元素，在地球上不易單獨成礦，通常作為伴生礦產(chǎn)出現(xiàn)，多伴生于金屬礦或煤礦。就云南省而言，如會澤鉛鋅礦、幫賣煤礦等均伴生有儲量相對豐富的鍺礦。其富集成礦的條件及富集規(guī)律一直是礦產(chǎn)界研究人員的課題[1-2]。多年來，鍺礦的研究已取得了豐富的成果，杜剛等[3]認(rèn)為鍺在煤中的富集與揮發(fā)分關(guān)系密切，鍺品位與揮發(fā)分呈正相關(guān)的態(tài)勢；黃文輝等[4]的研究表明鍺的富集環(huán)境應(yīng)為還原弱堿性。大量研究表明，鍺在煤中主要賦存形式為腐殖酸絡(luò)合物。近年來，眾多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在高品位鍺煤富集，多有巖漿巖的存在，由此提出鍺煤的形成與巖漿巖有重大關(guān)系，富鍺巖漿巖可能為鍺礦的礦源[5-7]，但隨之而來的問題是，這些巖漿巖中的鍺元素是以哪種方式遷移富集到煤中的呢？有學(xué)者提出風(fēng)化淋濾后隨近地表水循環(huán)匯集于聚煤盆地的學(xué)說，前提是鍺煤的分布應(yīng)該比較廣泛而穩(wěn)定；可實際情況是鍺煤分布規(guī)模小且表現(xiàn)出一定程度的不穩(wěn)定性，如同一地區(qū)、同一環(huán)境并不都分布有鍺煤，同一層位煤中鍺的品位也相差極大[8-9]。此后，隨著研究的不斷深入，熱液成因[10]觀點被提出，認(rèn)為煤中鍺的富集與熱液活動有關(guān)，巖漿巖中的鍺隨熱液活動富集于煤中，這一觀點目前逐漸得到了較為廣泛的認(rèn)可[11]，并且也從富鍺煤的稀土特征得到了驗證——富鍺煤均有稀土分異且輕稀土富集的特點，表明其曾遭受過熱液活動。

依據(jù)現(xiàn)有研究成果，鍺煤的形成與熱液活動密切相關(guān)。但煤是一種對熱較為敏感的礦產(chǎn)，熱液活動可導(dǎo)致煤層變質(zhì)，國內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的高品位鍺煤，其煤類均屬褐煤，富鍺的高變質(zhì)煤極為少見，說明煤的變質(zhì)程度與鍺的富集是有聯(lián)系的，就宏觀表現(xiàn)而言，高變質(zhì)的煤并不利于鍺的富集。

熱液活動是煤中鍺富集的有利因素，但也會造成煤層的變質(zhì)，從而影響鍺的富集。那么煤層變質(zhì)程度與鍺的富集之間具體有何關(guān)系，值得進(jìn)一步分析。目前鮮見學(xué)者從該角度予以考慮，因而對此進(jìn)行深入研究應(yīng)有較大的空間。

1 樣品采集及測試

目前，煤的鏡質(zhì)組反射率能夠很好地反映煤的變質(zhì)程度，隨著變質(zhì)程度的加深，其鏡質(zhì)組反射率隨之增大。本研究對云南寶山礦區(qū)含鍺煤進(jìn)行樣品采集，樣品共計70余件，采自該礦區(qū)勘探鉆孔及生產(chǎn)巷道，樣品所屬煤層為K1、K2、K3、K5、K6、K7、K9、K10，均為穩(wěn)定煤層，并涵蓋礦區(qū)不同變質(zhì)程度的煤類，滿足本次研究分析的要求。剔除個別鍺品位低者，余樣53件,樣品情況見表1。對其進(jìn)行鍺品位及鏡質(zhì)組反射率測試，鍺品位采用蒸餾分離-苯芴酮分光光度法進(jìn)行測試；鏡質(zhì)組反射率則按試驗規(guī)范，首先制作煤樣光片，其后利用偏光顯微鏡和分光光度計進(jìn)行測試。上述試驗均嚴(yán)格按照相關(guān)試驗規(guī)范進(jìn)行，測試于山西煤化所，數(shù)據(jù)可靠、客觀。試驗所得數(shù)據(jù)見表2。

表1 樣品情況統(tǒng)計表Tab.1 Sample statistics

表2 各煤樣鍺品位及鏡質(zhì)組反射率數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of germanium grade and vitrinite reflectance of coal samples

2 數(shù)據(jù)分析

氣、肥、焦、瘦的煤類劃分，其本質(zhì)為煤變質(zhì)程度的不同，可作為工業(yè)上的定性分類依據(jù)。在同一煤層中，因儲煤環(huán)境的差異性，其變質(zhì)程度并不一致，故此常見同一層煤分屬不同煤類。本次研究為更加準(zhǔn)確地表現(xiàn)煤的變質(zhì)程度，采用鏡質(zhì)組反射率作為變質(zhì)程度的定量指標(biāo)，其值愈大則變質(zhì)程度越高。

據(jù)表2數(shù)據(jù)，K1煤層鏡質(zhì)組反射率最大1.737%，最小1.599%，平均1.647%，變異系數(shù)2.81%，鍺品位則為11～19 μg/g，均值 15 μg/g；K2煤層鏡質(zhì)組反射率最大1.617%，最小1.196%，平均1.439%，變異系數(shù)10.00%，鍺品位則為18～27 μg/g，均值為 22 μg/g；K3煤層鏡質(zhì)組反射率最大1.458%，最小0.599%，平均0.947%，變異系數(shù)32.60%，鍺品位則為22～37 μg/g，均值為 30 μg/g；K5煤層鏡質(zhì)組反射率最大0.790%，最小0.464%，平均0.567%，變異系數(shù)23.18%，鍺品位則為34～55 μg/g，均值為 43 μg/g；K6煤層僅1個樣品，鏡質(zhì)組反射率1.684%，鍺品位 11μ g/g；K7煤層鏡質(zhì)組反射率最大0.912%，最小0.489%，平均0.584%，變異系數(shù)24.93%，鍺品位則為29～53 μg/g，均值為 39 μg/g；K9煤層鏡質(zhì)組反射率最大1.531%，最小0.522%，平均0.987%，變異系數(shù)41.13%，鍺品位則為19～46 μg/g，均值為 31 μg/g；K10煤層鏡質(zhì)組反射率最大1.773%，最小1.321%，平均1.558%，變異系數(shù)11.37%，鍺品位則為12～25 μg/g，均值為 18 μg/g。

上述數(shù)據(jù)經(jīng)分析表明，鏡質(zhì)組反射率與鍺品位有明顯的負(fù)相關(guān)特征，隨著鏡質(zhì)組反射率的增加，鍺品位有明顯的降低趨勢，就各煤層單獨而言，其負(fù)相關(guān)的總體特征一致，僅數(shù)據(jù)相關(guān)性各有差別(表3)?？紤]到熱液活動對煤層變質(zhì)作用的整體性，單獨某個煤層并不能很好地表現(xiàn)出鏡質(zhì)組反射率與鍺品位的宏觀關(guān)系。將各煤層數(shù)據(jù)匯總到一個坐標(biāo)系下考量其總體特征(圖1)，可以看出，雖然鏡質(zhì)組反射率與鍺品位總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的特點，但兩者絕非相對恒定的線性關(guān)系，而是表現(xiàn)出明顯的階段性，且在不同的階段其相關(guān)程度并不一致。如在鏡質(zhì)組反射率為0.5%左右及以下區(qū)域時，兩者相關(guān)程度較低，數(shù)據(jù)規(guī)律性不強；在鏡質(zhì)組反射率為0.5%～1.5%階段，兩者表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)，數(shù)據(jù)規(guī)律性迅速增強；在鏡質(zhì)組反射率為1.5%以上區(qū)域，兩者相關(guān)性開始出現(xiàn)降低的趨勢。

表3 樣品情況統(tǒng)計Tab.3 Sample statistics

圖1 總體鏡質(zhì)組反射率與鍺品位的關(guān)系Fig.1 Relationship between reflectance of total vitrinite and germanium grade

3 煤層變質(zhì)程度與鍺富集的關(guān)系

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析可以得出,煤層變質(zhì)程度對鍺的富集表現(xiàn)出明顯的影響，從總體上而言，變質(zhì)程度越低則越富集，反之亦然。但這種影響帶有特殊的階段性，變質(zhì)程度較高和變質(zhì)程度較低階段，對鍺富集的影響相對較弱，在變質(zhì)程度中等階段則影響加強。

從另一角度理解，則可認(rèn)為,鍺宜于較低變質(zhì)程度下進(jìn)行富集，變質(zhì)程度增高則鍺隨之流失，鍺品位降低到一定程度后，煤層變質(zhì)對其影響逐步減弱。鑒于煤層變質(zhì)類型較多，其變質(zhì)機制各有差異，要分析這種影響的特殊性，有必要從煤層的變質(zhì)類型及區(qū)域背景等方面深入探討。

4 煤層變質(zhì)類型的確定

根據(jù)已有研究[12]推斷，云南寶山礦區(qū)煤中鍺的富集與熱液活動有關(guān)，而熱液活動導(dǎo)致煤層熱變質(zhì)，上述數(shù)據(jù)也說明，該礦區(qū)煤層變質(zhì)程度與鍺的富集有密切關(guān)系，固此，討論該區(qū)煤層變質(zhì)類型是否為熱液變質(zhì)則非常必要。

根據(jù)“楊起煤變質(zhì)理論”[13]，煤的變質(zhì)可以分為巖漿變質(zhì)、接觸變質(zhì)、熱液變質(zhì)等多種類型，而其中熱液變質(zhì)作用通常受到構(gòu)造條件的制約，有著相對明顯的構(gòu)造控制特征。將礦區(qū)各采樣鉆孔及坑道的鏡質(zhì)組反射率均值化，以此制作鏡質(zhì)組反射率平面等值線圖(圖2)進(jìn)行分析，可以看出鏡質(zhì)組反射率高值聚于礦區(qū)西側(cè)，表現(xiàn)出整體由西向東反射率逐漸降低的態(tài)勢，亦即礦區(qū)煤的變質(zhì)程度由西向東逐漸降低。這種特點反映出礦區(qū)煤層變質(zhì)與西側(cè)斷層關(guān)系密切，鏡質(zhì)組反射率高值區(qū)的展布與西側(cè)斷層大體一致，表現(xiàn)出明顯的構(gòu)造控制特征。另外，根據(jù)現(xiàn)場踏勘，礦區(qū)煤層及圍巖相對發(fā)育方解石脈、石英脈，在礦區(qū)西側(cè)多見石髓、綠泥石、海綠石、菱鐵巖、黃鐵礦及硫化物，這些現(xiàn)象表明該區(qū)煤層遭受過熱液活動，煤層變質(zhì)類型屬熱液疊加變質(zhì)，這從另一個方面驗證了寶山礦區(qū)鍺的富集與熱液有關(guān)。

圖2 鏡質(zhì)組反射率平面等值線圖Fig.2 Plane contour map of vitrinite reflectance

5 寶山礦區(qū)煤層變質(zhì)區(qū)域背景

云南較為典型的鍺礦主要為會澤鉛鋅礦伴生鍺礦及幫賣鍺煤，其中會澤鉛鋅礦與寶山礦區(qū)同屬同一構(gòu)造域，即康滇古陸東緣小江斷裂以東，由小江斷裂及其衍生次級斷裂控制構(gòu)成的三角形區(qū)域，區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)較大程度受小江超殼斷裂控制。晚二疊世時期，區(qū)內(nèi)峨眉山玄武巖巖漿噴溢活動強烈，熱液活動頻繁。

大量研究表明，會澤鉛鋅礦及伴生鍺屬多期次的熱液成因，該熱液活動受到小江斷裂帶的控制。寶山礦區(qū)煤中鍺的富集亦與熱液活動密切相關(guān)，其是否也受小江斷裂帶控制呢？據(jù)唐紅松等[14]研究發(fā)現(xiàn)，小江斷裂帶及以東區(qū)域內(nèi)煤層變質(zhì)多與這段時期的熱液活動有關(guān)，自小江斷裂向東，煤層變質(zhì)呈現(xiàn)帶狀分布(圖3)，有很強的規(guī)律性，變質(zhì)程度最高為會澤東川區(qū)域，向南北逐漸遞減，帶狀走向與小江斷裂帶及其次生斷裂近似一致，表現(xiàn)出很強的構(gòu)造控制特點，為熱液變質(zhì)的典型特征；而寶山礦區(qū)屬該區(qū)南向變質(zhì)減弱的過渡帶，說明寶山礦區(qū)熱液活動就宏觀背景而言，有受到小江斷裂的控制影響的明顯跡象。根據(jù)上述分析，寶山礦區(qū)煤中鍺的富集及礦質(zhì)來源與會澤鉛鋅礦有很大的相似性，兩者構(gòu)造位置均屬康滇古陸東緣之小江斷裂以東，川滇黔成礦帶南緣，與區(qū)域熱液活動相關(guān)性強，有類似的成礦背景和條件。

圖3 區(qū)域煤層變質(zhì)分帶圖(修自唐紅松，2005[14])Fig.3 Regional coal seam metamorphic oning map(revived from TANG Hong-song,2005)

6 結(jié) 論

煤中鍺的富集與熱液活動關(guān)系密切，而熱液活動又會導(dǎo)致煤層變質(zhì)，但就已發(fā)現(xiàn)的富鍺煤而言，其變質(zhì)程度并不高，多屬褐煤。本研究發(fā)現(xiàn)，鍺的富集與變質(zhì)程度負(fù)相關(guān)，但這種負(fù)相關(guān)的程度并不穩(wěn)定，具階段性：在低變質(zhì)階段，相關(guān)程度較弱；在高變質(zhì)階段，也開始趨于減弱。這些結(jié)論說明富鍺煤的形成條件極為苛刻，雖然熱液活動將鍺元素攜入煤層，但熱液導(dǎo)致的煤層變質(zhì)并不利于鍺的富集，煤層變質(zhì)將導(dǎo)致煤中大量官能團(常表現(xiàn)為揮發(fā)分)揮發(fā)，煤層的揮發(fā)分隨著變質(zhì)程度的增加而逐漸降低[15-18]。已有研究表明鍺主要賦存于這些官能團，這就解釋了鍺品位與煤揮發(fā)分正相關(guān)的特點以及富鍺煤一般為低變質(zhì)煤的現(xiàn)象。

在低變質(zhì)階段，煤中大量官能團并未揮發(fā)，故此對鍺的富集影響不大；當(dāng)變質(zhì)程度加深，官能團迅速減少，鍺隨之流失；而在高變質(zhì)階段，煤中鍺已所剩無幾，所以其變質(zhì)程度對鍺的富集影響也開始減弱。綜上，說明煤中鍺的富集條件為攜帶鍺元素的低溫?zé)嵋海⑶移湔w過程趨于穩(wěn)定，即熱液攜入熱能速率應(yīng)與該區(qū)熱能散失速率在較低溫度下達(dá)到平衡。因為對于煤的變質(zhì)因素而言，溫度最為敏感。據(jù)上述對會澤鉛鋅礦伴生鍺礦與寶山礦區(qū)富鍺煤形成的關(guān)系討論，也說明鍺煤的這一特點，在高變質(zhì)區(qū)域并不利于鍺煤的形成，其主要分布于熱液活動減弱的過渡地帶。

通過分析寶山礦區(qū)富鍺煤變質(zhì)程度與鍺品位的關(guān)系及其與會澤鉛鋅礦伴生鍺的聯(lián)系，初步得到以下結(jié)論：

1)寶山礦區(qū)鍺煤的形成與熱液關(guān)系密切，并受煤層變質(zhì)程度控制，變質(zhì)程度加深不利于煤中鍺的富集，故此低溫含礦熱液為煤中鍺富集的有利條件。

2)會澤鉛鋅礦伴生鍺與寶山礦區(qū)煤中鍺同屬一期，同為小江斷裂控制域熱液活動導(dǎo)致，這也是該區(qū)煤層變質(zhì)的重要控制因素。

3)煤中鍺的富集受變質(zhì)程度控制，進(jìn)一步定量且大區(qū)間分析鍺的富集與鏡質(zhì)組反射率的關(guān)系非常有必要。