馮松寶,頓亞鵬,劉 瑞

1.宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽宿州，234000；2.安徽煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽宿州，234000

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淮北煤田二疊系煤的元素特征
——以孟莊和孫疃煤礦為例

馮松寶1,頓亞鵬2,劉 瑞1

1.宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽宿州，234000；2.安徽煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽宿州，234000

采用X射線熒光光譜(XRF)和電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)等方法分析了淮北煤田煤中主量元素和微量元素特征，并根據(jù)元素特征探討了研究區(qū)煤中微量元素的環(huán)境意義。研究發(fā)現(xiàn)主量元素以Si和Al為主，兩者之和達(dá)20%。從底部煤層到上部煤層，整體上經(jīng)歷了低位泥炭到高位泥炭的過程。Sr/ Ba、V/(Ni+V)和Sr/ Cu等微量元素比值指示淮北煤田形成于半咸水-海相，厭氧、干熱的沉積環(huán)境。

煤；微量元素；主量元素；淮北煤田

煤中主量元素和微量元素的研究具有重要的意義。首先，在特定的條件下，某些元素在煤中可以富集達(dá)到工業(yè)利用的品位[1]。其次，在成煤作用過程中，煤中所含元素的遷移、聚集與分布規(guī)律可用來判斷和恢復(fù)成煤環(huán)境。另外，煤中過渡金屬元素對(duì)煤有催化作用，特別是在緩慢的地質(zhì)演化過程中。

Swaine在研究澳大利亞新南威爾石炭紀(jì)煤時(shí)認(rèn)為，硼含量在40×10-6以下，與淡水沼澤有關(guān)；在40×10-6～120×10-6之間，與半咸水有關(guān)；大于120×10-6，則與海水有關(guān)[2]。寧占武通過熱模擬實(shí)驗(yàn)證明了過渡金屬在有機(jī)質(zhì)生烴過程中能夠降低熱解成烴的活化能，對(duì)低溫下有機(jī)質(zhì)成烴起著很重要的作用[3]。肖華芝通過開放體系熱模擬實(shí)驗(yàn)表明微量元素中鋇元素與含氣率之間具有良好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.91[4]。

淮北煤田是華北地層區(qū)重要的煤田之一，煤炭資源豐富，開采時(shí)間長。但對(duì)于該地區(qū)煤中主量元素和微量元素的地球化學(xué)特征,尤其是對(duì)生烴有重要意義的元素，還沒有全面詳細(xì)的探討，為此，本文以孟莊煤礦和孫疃煤礦為例，探討煤中主量元素和微量元素的含量特征，并應(yīng)用某些微量元素的地球化學(xué)特征，探討成煤環(huán)境。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品采自淮北煤田孫疃和孟莊煤礦的1、5-1、13-1煤層，主要為塊樣，部分樣品由于性脆、結(jié)構(gòu)松散，在采集和運(yùn)輸過程中自行碎裂為粉樣。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T14506.28-93，采用硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法——X射線熒光光譜法測(cè)定主量元素，分析儀器為飛利浦PW24O4X射線熒光光譜儀，樣品為粉末。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)方法測(cè)定樣品中的微量元素，分析儀器為 FinniganMAT制造的HR-ICP-MS(Element I)，溫度20℃，相對(duì)濕度30%，樣品特性為粉末，共測(cè)試了樣品中43種元素。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 主量元素含量與組成特征

所測(cè)得的淮北煤田各煤層樣品主量元素含量如表1所示。表1顯示，主量元素主要以Si和Al為主，占總主量元素的20%左右，F(xiàn)e次之，其他主量元素如Mg、Ca、Na、K等都在1%以下。對(duì)比孫疃和孟莊兩礦的煤樣，孫疃礦煤樣中SiO2和Al2O3總含量明顯大于變質(zhì)程度較高的孟莊礦煤樣，而Fe2O3、MgO和CaO總含量小于孟莊礦煤樣，這說明煤的變質(zhì)程度對(duì)各主量元素的含量有一定的影響。SiO2和Al2O3總含量有隨煤層埋深的增加而逐漸減小，而Fe2O3、MgO和CaO總含量增大的規(guī)律，這與其當(dāng)時(shí)煤層形成的環(huán)境是分不開的。通常認(rèn)為，高位泥炭形成的煤中含有較多的SiO2和Al2O。若煤中CaO、MgO和Fe2O3的含量相對(duì)較高，則說明是由低位泥炭所形成的。由此可以推斷，從下部煤層到上部煤層的形成經(jīng)歷了由低位泥炭逐漸轉(zhuǎn)變到高位泥炭的過程。表1中的燒失量數(shù)據(jù)顯示出隨著煤變質(zhì)程度的增高而增高的正相關(guān)關(guān)系，與各主量元素則是反相關(guān)關(guān)系。這說明燒失量越高，有機(jī)質(zhì)含量越高，無機(jī)物含量越低，其變質(zhì)程度也相應(yīng)增高。

表1 淮北煤田煤樣品主量元素分析結(jié)果

圖1 淮北煤田典型煤礦元素富集系數(shù)對(duì)比曲線圖

2.2 微量元素含量與組成特征

本次樣品分析了43種微量元素，部分元素分析結(jié)果見表2。從表2可以看出，孫疃礦煤樣V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Mo、Ba、Zr等元素平均含量均在10 μg/g以上，其他元素則較少。其中V含量為82.05 μg/g，Zn為50.9 μg/g，Sr為113.06 μg/g，Ba為116 μg/g。孟莊礦煤樣V、Zn、Sr、Ba、Zr平均含量分別為60.57 μg/g、3707 μg/g、60.9 μg/g、76.73 μg/g、102.93 μg/g，其他元素平均含量與孫疃礦煤樣相差不大。

從樣品的富集系數(shù)來看，孫疃礦煤樣僅Be、Sb、Cs、Th、U、Zr、Hf等元素富集系數(shù)大于1，屬相對(duì)富集；其他元素均小于1，為相對(duì)虧損。孟莊礦煤樣Be、Sb、Th、U、Zr等元素屬相對(duì)富集。

從兩礦煤樣中元素富集系數(shù)對(duì)比曲線(圖1)可以看出，大部分元素的富集系數(shù)都小于1，這說明多數(shù)元素均低于地殼中元素平均含量，屬于相對(duì)虧損狀態(tài)；僅少數(shù)元素相對(duì)富集，如Be、Sb、U等元素均在地殼平均含量的2倍以上，Sb更是在5倍以上?？傮w來看，孫疃礦煤樣的元素含量大部分是大于孟莊礦煤樣，因?yàn)閷O疃煤礦煤變質(zhì)程度小于孟莊煤礦，且灰分高于孟莊煤礦，由此可以推斷各元素多以粘土礦物或碎屑礦物為載體賦存于各煤層，這與礦物含量有一定的相關(guān)關(guān)系。

表2 淮北煤田沉積環(huán)境微量元素參數(shù)表

2.3 微量元素的環(huán)境意義

沉積盆地具有基本的地球化學(xué)環(huán)境，對(duì)元素的分布起控制作用，并且表現(xiàn)出微量元素分布的規(guī)律性[5]。通過對(duì)部分具有指向意義的微量元素進(jìn)行綜合比對(duì)，大體上可以分析、還原出沉積環(huán)境特征。

(1)Sr/ Ba。微量元素Sr/Ba比值常作為區(qū)分淡水和咸水的標(biāo)志。海相沉積的Sr/Ba比值大于1，淡水沉積的Sr/Ba比值小于1；若比值在0.5～1之間，則為半咸水沉積。而在湖相沉積中，Sr/Ba值大于1，則指示為干旱氣候條件下的湖水咸化[6]。

淮北煤田典型煤礦的Sr/Ba值見表2，從中可以看出，淮北煤田Sr/Ba值多在0.5～1之間，平均值為0.74，個(gè)別樣品大于1，說明淮北煤田各煤層形成于半咸水-海相沉積環(huán)境。

(2)V/(Ni+V)。V/(V+Ni)比值可用來指示恢復(fù)水體氧氣條件。V/(V+Ni)比值小于0.45，表示富氧環(huán)境；V/(V+Ni)比值大于0.50，表示厭氧的沉積環(huán)境；V/(V+Ni)比值介于0.46～0.60之間，表示貧氧的沉積環(huán)境。淮北煤田的V/(V+Ni)比值都大于0.50(表2)，平均比值為0.81，因此，淮北煤田各煤層均處于厭氧的沉積環(huán)境。

(3)Sr/Cu。Sr/Cu比值介于1.3～5.0，指示溫濕氣候；該值大于5.0，則指示干熱氣候。相同氣候狀況下的不同盆地，因其蒸發(fā)量的不同使得同種離子的濃度和沉淀量產(chǎn)生差異，這就導(dǎo)致不同盆地的Sr/Cu比值并不相同?；幢泵禾颯r/ Cu比值浮動(dòng)范圍較大，處在0.87～16.25之間，大部分在5.0以下，均值為3.48，大體上指示出溫濕氣候，局部地區(qū)局部煤層指示出干熱的氣候條件。

3 結(jié) 論

(1)淮北煤田煤樣中主量元素以Si和Al為主，兩者之和達(dá)20%。底部煤層到上部煤層，整體上經(jīng)歷了低位泥炭到高位泥炭的過程。

(2)微量元素比值指示，淮北煤田形成于半咸水-海相，厭氧、干熱的沉積環(huán)境。

[1]Seredin V V.Dai S F.Coal deposits as potential alternative sources for lanthanides and yettrium[J].international journal of coal geology,2012,94:67-93

[2]Swaine D J.Trace elements in coal[M].Austrialia:Butterworths Sydney,1990：168

[3]寧占武，王衛(wèi)華，溫美娟，等.過渡金屬對(duì)有機(jī)質(zhì)熱解生烴過程的影響[J].天然氣地球科學(xué)，2004,15(3)：317-320

[4]盧紅選，孟自芳，李斌，等.微量元素Mo對(duì)褐煤有機(jī)質(zhì)熱解成烴的影響[J].天然氣地球科學(xué)，2007,18(1)：104-106

[5]肖華芝，胡國藝，鐘寧寧，等.礦物中的微量元素對(duì)有機(jī)質(zhì)產(chǎn)氣的影響[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008,32(1)：33-36

[6]中國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB6948-86，煤中鏡質(zhì)組反射率測(cè)定方法[S].中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，1986

(責(zé)任編輯：汪材印)

The Elements Characteristics of Huaibei Coalfield -taking the Mengzhuang Coalmine and Sun Tuan Coalmine as Examples

FENG Song-bao1,Dun Ya-peng2， LIU Ren1

1.School of Earth Science and Engineering,Suzhou University,Suzhou,234000；2.No.3 Exploration Team of Anhui Burean of coal geology Suzhou,234000,China

The characteristics of major elements,trace element were analysed by the method of XRFand ICP-MS.According to these elements characteristics, the environmental significances were discussed.The results indicated that Si and Al were the main major elements,and the sum of the two elements was up to 20%.From the bottom of the coal mine to the top,they underwent the process of lowland bog to the high bog.The ration of Sr/Ba，V/(Ni+V)，Sr/Cu indicated that huaibei coalfield formed from the environment of Marine, anaerobic and xerothermic.

coal;trace element;major elements;Huaibei coalfield

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.05.025

2014-03-06

宿州學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金“淮北煤田煤系地層物質(zhì)組成與生烴能力研究”(2013jb03)；國家自然科學(xué)基金“含水層混合條件下地下水地球化學(xué)演變及多水源識(shí)別研究”(41302274)。

馮松寶(1982-)，安徽宣城人，博士，講師，主要研究方向：地球化學(xué)。

P595

A

1673-2006(2014)05-0081-03