車飛翔，樊婷婷, ，胡馳，豆龍輝

（1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021；4.新疆煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830009）

0 引言

近年來，隨著煤炭資源的開采利用，由煤中微量元素所產(chǎn)生的污染物必然會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，故而對(duì)煤中微量元素的研究越來越重要。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者通過分析煤中微量元素特征來研究其地質(zhì)意義，并取得了不少研究成果（Liu et al.,2019；莊新國(guó)等，1999；郝吉生等，2000；李煥同等，2017；劉瑞，2018；劉大銳等，2018；李影影等，2018）。在短期內(nèi)煤炭依然是我國(guó)的主要能源，因此探討中國(guó)煤中微量元素的地球化學(xué)豐度和成因類型，以及對(duì)人類健康的影響就顯得尤為重要（Dai et al.,2014a,2014b,2018）。故許多學(xué)者在煤中微量元素的富集成因方面做了大量研究（劉桂建等，2001；李大華等，2002；程偉等，2016），并結(jié)合不同的參數(shù)指標(biāo)ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）和ω（CaO）/ω（Fe2O3+CaO）來反映泥炭沼澤的沉積環(huán)境和水介質(zhì)鹽度（孫順才，1980；葉道敏等，1997），并通過灰分三角端元圖來反映陸源供給程度和氧化還原環(huán)境等（趙師慶等，1994），都在不同程度上促進(jìn)了我國(guó)煤中元素的研究。

中國(guó)煤盆地種類較多且分布廣泛，煤中元素富集的控制因素復(fù)雜。前人研究主要是針對(duì)某一個(gè)礦區(qū)，討論元素富集的成因，缺少對(duì)于同一構(gòu)造背景下，多個(gè)礦區(qū)煤中元素含量的差異性分析。本文選擇南疆三地州同一構(gòu)造背景下三個(gè)盆地煤中元素進(jìn)行對(duì)比研究，分析研究區(qū)內(nèi)煤礦微量元素和主量元素差異的控制因素，以期為后續(xù)的開發(fā)利用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)隸屬于阿克陶縣和市，位于塔里木盆地西南緣，呈北西-南東向展布，物源呈現(xiàn)為南西-北東方向，面積約1.2萬平方千米。研究區(qū)含煤地層為下侏羅統(tǒng)康蘇組和中侏羅統(tǒng)楊葉組，本次煤樣品均取自侏羅系中侏羅統(tǒng)楊葉組（J2y）。研究區(qū)內(nèi)楊葉組其出露厚度約339 m，共含煤層14層，侏羅中統(tǒng)楊葉組上段（J2y2）含煤8層，煤層編號(hào)自下而上為7至14煤層，下段（J2y1）含煤6層，煤層編號(hào)自下而上為1至6煤層。煤層屬于中灰、低熱值的煤，是較好火力發(fā)電用煤，也是良好的工業(yè)鍋爐和民用燃料。

2 常量元素含量特征

煤中常量元素的含量和特征，一方面可以反映成煤時(shí)期的地質(zhì)背景，另一方面又可以反映后期煤層所經(jīng)歷地質(zhì)作用，有利于理解煤層的形成過程及區(qū)域的地質(zhì)演化等基本問題（范玉海等，2012）。同時(shí)，其也直接影響發(fā)熱量的高低和后期的加工利用。此外，煤中C、S等元素經(jīng)燃燒形成的化合物排放到大氣中，會(huì)對(duì)空氣產(chǎn)生一定的污染。

煤中如Si、Al、Fe、Mg等常量元素在沉淀或遷移過程中會(huì)受到水動(dòng)力條件、水體氧化還原條件、古氣候和古鹽度等因素的影響，因此灰成分指數(shù)中某些參數(shù)比值可在一定程度反映聚煤規(guī)律的特征。研究區(qū)內(nèi)煤樣品常量元素參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 研究區(qū)內(nèi)煤樣品常量元素參數(shù)統(tǒng)計(jì)/%

使用ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）這一指標(biāo)，把沉積環(huán)境劃分為受海水影響的泥炭沼澤和陸相泥炭沼澤兩種，ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）＞0.23，沉積環(huán)境為受海水影響的泥炭沼澤，反之沉積環(huán)境為陸相的泥炭沼澤（葉道敏等，1997）。CS煤礦煤灰成分指數(shù)ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）值變化于0.08～0.58，均值為0.27，說明本區(qū)煤層的沉積環(huán)境為受海水影響的泥炭沼澤，參數(shù)ω（CaO）/ω（Fe2O3+CaO）平均值為0.13，說明沉積水介質(zhì)鹽度總體較穩(wěn)定，受海水影響較??；KZKEA煤礦煤灰成分指數(shù)ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）值變化于0.13～0.35，均值為0.22，說明本區(qū)煤層的沉積環(huán)境為陸相的泥炭沼澤，參數(shù)ω（CaO）/ω（Fe2O3+CaO）平均值為0.24，說明沉積水介質(zhì)鹽度總體較穩(wěn)定，受海水影響較??；MMTLK煤礦煤灰成分指數(shù)ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）值變化于0.18～0.91，均值為0.51，說明本區(qū)煤層的沉積環(huán)境為受海水影響的泥炭沼澤，參數(shù)ω（CaO）/ω（Fe2O3+CaO）平均值為0.59，沉積水介質(zhì)鹽度總體存在變化，說明海水對(duì)其有一定影響。

圖1 塔西南盆地沉積環(huán)境及區(qū)域位置（新疆煤田地質(zhì)局，2011①）

灰成分指數(shù)ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）在0.03～0.22為較弱還原環(huán)境，在0.23～1.23之間則屬于較強(qiáng)還原型（孫順才，1980）；研究區(qū)CS煤礦煤樣品的灰成分指數(shù)ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）范圍為0.08～0.58，均值為0.27，屬于較強(qiáng)還原型；KZKEA煤礦煤樣品的灰成分指數(shù)ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）范圍為0.13～0.35，均值為0.22，屬于較弱還原型；MMTLK煤礦煤樣品的灰成分指數(shù)ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）范圍為0.18～0.91，均值為0.51，屬于較強(qiáng)還原型。

灰成分三角端元分析中用ω（SiO2+Al2O3）端元反映以黏土礦物為代表的陸源，可反映泥炭沼澤接受陸源的供給程度；ω（CaO+MgO）端元可以判斷泥炭沼澤弱氧化-弱還原程度，堿度越高，Ca、Mg離子越易沉淀；ω（Fe2O3+SO3）端元表示硫鐵礦含量較高，代表相對(duì)閉塞的局限沼澤環(huán)境（趙師慶等，1994）。研究區(qū)內(nèi)煤樣品所測(cè)數(shù)據(jù)總體上呈現(xiàn)為，靠近陸源區(qū)，泥炭沼澤接受陸源的供給程度較高，覆水程度較淺，且硫鐵礦含量較低，表現(xiàn)為沼澤環(huán)境相對(duì)流通（圖2）。

圖2 煤灰成分三角端元圖解

從研究區(qū)不同煤礦煤層硫分均值與灰成分指數(shù)均值的垂向變化來看，KZKEA煤礦，硫分均值與灰成分指數(shù)均值變化趨勢(shì)契合度較低，煤層硫分和灰成分指數(shù)較低，反映煤層成煤時(shí)受到海水的影響較?。籆S煤礦和MMTLK煤礦硫分均值和灰成分指數(shù)均值變化趨勢(shì)基本一致，且反映了煤層總體形成于受海水影響的泥炭沼澤（圖3）。同時(shí)也能從側(cè)面反映三個(gè)煤礦在成煤期時(shí)水動(dòng)力條件存在差異，成煤環(huán)境有一定變化，與前文結(jié)論相一致。

圖3 研究區(qū)煤中硫分及灰成分指數(shù)變化趨勢(shì)

3 微量元素含量特征

了解研究區(qū)內(nèi)煤中微量元素的含量及分布，才能更好的掌握煤中微量元素地球化學(xué)特征。煤中微量元素的含量受到多種控制因素的影響，同時(shí)，不同的微量元素對(duì)沉積環(huán)境有不同的指示意義，如Sr、Ba等可以指示成煤環(huán)境。由于古環(huán)境和原始沉積物的差異，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)處于同一構(gòu)造背景下的三個(gè)盆地煤中微量元素含量存在變化。

在與中國(guó)煤中微量元素算數(shù)平均值的比較中，CS煤礦煤層微量元素平均含量高于中國(guó)煤的有As、Cu、Sr，煤層微量元素平均含量接近中國(guó)值的有Co、Ga、Li，煤層微量元素平均含量明顯低于中國(guó)值的有Ba、V和Ni等；KZKEA煤礦煤層微量元素平均含量高于中國(guó)煤的有Li、Cu，煤層微量元素平均含量接近中國(guó)值的有As、Co、Ga，煤層微量元素平均含量明顯低于中國(guó)值的有Ba、V、Cr、Sr、Zn和Ni等；MMTLK煤礦煤層微量元素平均含量高于中國(guó)煤的有Cu和Sr，煤層微量元素平均含量接近中國(guó)值的有As、Co和Ga，煤層微量元素平均含量明顯低于中國(guó)值的有Ba、V、Cr、Zn和Ni等（圖4）。研究區(qū)內(nèi)煤樣品微量元素含量變化范圍較大，雖有部分元素含量超過中國(guó)值，但大多數(shù)微量元素仍表現(xiàn)為近似相等或虧損。

CS煤礦煤樣品中As和Mo元素富集程度最高，MMTLK煤礦煤樣品中As和Cu元素富集程度最高；CS煤礦煤樣品處在0.5

圖5 煤樣品微量元素濃度系數(shù)（CC）圖

4 微量元素指示意義

煤中微量元素的聚集是多種地質(zhì)因素以及多期地質(zhì)作用疊加的綜合作用結(jié)果，反過來煤中微量元素對(duì)沉積時(shí)的地質(zhì)環(huán)境也同時(shí)具有很強(qiáng)的指示意義。本文選取微量元素V、Ni、Sr、Cu、Ba，利用其相關(guān)比值對(duì)三個(gè)煤礦的氧化還原、古氣候和古鹽度特征進(jìn)行探討，總結(jié)三個(gè)不同盆地煤的元素差異的因素。

4.1 氧化還原環(huán)境

V/(V+Ni)>0.84時(shí)，表現(xiàn)為水體強(qiáng)分層，且當(dāng)時(shí)為還原環(huán)境；V/(V+Ni)在0.6～0.84時(shí)，表現(xiàn)為分層中等，且當(dāng)時(shí)為厭氧環(huán)境；V/(V+Ni)在0.4～0.6時(shí)，表現(xiàn)為弱分層，且當(dāng)時(shí)為貧氧環(huán)境（冀華麗等，2020）。由圖6可知，研究區(qū)內(nèi)V/(V+Ni)比值幾乎都<0.84。其中CS煤礦煤層V/(V+Ni)在0.38～0.85，平均值為0.56，說明煤層在沉積時(shí)水體分層弱，且當(dāng)時(shí)環(huán)境以貧氧環(huán)境為主；KZKEA煤礦煤層V/(V+Ni)平均值為0.5，說明煤層在沉積時(shí)水體分層弱，且當(dāng)時(shí)環(huán)境以貧氧環(huán)境為主；MMTLK煤礦煤層樣品中，V/(V+Ni)變化范圍在0.23～0.75，平均值為0.53，說明煤層在沉積時(shí)水體分層弱，且當(dāng)時(shí)環(huán)境以貧氧環(huán)境為主。

圖6 元素比值剖面變化圖

4.2 古氣候特征

Sr和Cu屬于喜干型元素和喜濕型元素，因此Sr/Cu的比值具有較好的古氣候指示作用。一般認(rèn)為，Sr/Cu比值在1.3～3.5時(shí)，反映古氣候?yàn)闇嘏睗駳夂颍琒r/Cu比值大于5時(shí)，指示古氣候?yàn)楦珊笛谉釟夂颍ㄎ河旱龋?020）。CS煤礦煤層樣品中Sr/Cu的比值范圍在0.85～4，平均值為2.74，反映古氣候?yàn)闇嘏睗駳夂颍籏ZKEA煤礦煤層樣品中Sr/Cu的比值范圍在0.65～0.8，平均值為0.71，反映古氣候?yàn)闇嘏睗駳夂?；MMTLK煤礦煤層樣品中Sr/Cu的比值范圍在1～4，平均值為2.53，反映古氣候?yàn)闇嘏睗駳夂颉?/p>

4.3 古鹽度特征

Sr和Ba化學(xué)性質(zhì)類似，但當(dāng)沉積環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，二者變化各不相同，一般來說，當(dāng)水體由淡水過渡到咸水環(huán)境時(shí)，Sr/Ba的比值在沉積物中呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，故利用Sr/Ba的比值可以推測(cè)當(dāng)時(shí)古環(huán)境水體中的鹽度特征。通常認(rèn)為，Sr/Ba比值大于1時(shí)，指示當(dāng)時(shí)為海相咸水沉積，Sr/Ba比值小于0.6時(shí)，指示當(dāng)時(shí)為陸相淡水沉積，Sr/Ba比值在0.6～1時(shí)，反映過渡相的半咸水沉積（冀華麗等，2020）。CS煤礦煤層樣品中，Sr/Ba的比值范圍在1.92～7.08，平均值為4.31，表明古環(huán)境為海相咸水沉積，KZKEA煤礦煤樣品中，Sr/Ba的比值范圍在0.13～0.54，平均值為0.31，表明古環(huán)境為陸相淡水沉積；MMTLK煤礦煤樣品中，Sr/Ba的比值范圍在1.64～8.33，平均值為5.24，表明古環(huán)境為海相咸水沉積。

4.4 小結(jié)

對(duì)比研究區(qū)內(nèi)三個(gè)盆地所測(cè)樣品中微量元素含量可知，三個(gè)煤礦雖有部分元素其濃度系數(shù)超過或接近上地殼元素含量，但仍有大多數(shù)元素其濃度系數(shù)低于上地殼元素含量。同時(shí)，即使研究區(qū)內(nèi)三個(gè)煤礦位置相近，經(jīng)歷同樣的大地構(gòu)造背景，但由于其他地質(zhì)因素的差異，使得三個(gè)煤礦在元素的含量上存在差異。故筆者通過對(duì)三個(gè)煤礦內(nèi)不同煤礦的沉積環(huán)境背景、煤質(zhì)和煤相特征的綜合分析,認(rèn)為這三個(gè)不同盆地煤的元素差異由下列因素控制:

（1）泥炭沼澤形成時(shí)的沉積環(huán)境

泥炭沼澤水體介質(zhì)的酸堿性和鹽度對(duì)煤中微量元素的含量存在一定的控制作用。當(dāng)水體介質(zhì)變現(xiàn)為酸性時(shí)，大部分金屬化合物的溶解能力增強(qiáng)。pH越低，越有利于Ca、Cu、Sr等元素遷移，pH越高，則B、S、V等元素更容易富集。通過對(duì)三個(gè)煤礦元素富集情況的分析，以及對(duì)海相、陸相沉積環(huán)境特點(diǎn)的對(duì)比，故相比于陸相沉積環(huán)境，在具有海陸交互相沉積環(huán)境背景的CS煤礦和MMTLK煤礦中，其全硫含量和灰份含量明顯偏高。查閱我國(guó)煤田預(yù)測(cè)煤質(zhì)化驗(yàn)成果綜合表后發(fā)現(xiàn)，與海水有關(guān)或受海水影響的含煤盆地煤中的硫含量和灰分含量一般也高于沒有受海水影響的陸相含煤盆地。受到海水影響的泥炭沼澤，沼澤水體的礦化程度會(huì)高于沒有受到影響的沼澤水體，因此，CS煤礦和MMTLK煤礦煤層中煤的微量元素含量也較高。

（2）構(gòu)造活動(dòng)

構(gòu)造活動(dòng)對(duì)于煤中微量元素的富集及運(yùn)移，有著很大的影響。研究區(qū)內(nèi)未見到巖漿活動(dòng)，但斷裂和褶皺尤為發(fā)育。斷裂和褶皺構(gòu)造對(duì)煤中微量元素的影響一般有以下幾個(gè)方面：①擾動(dòng)原始地層，形成地下水良好的運(yùn)移通道；②褶皺和斷裂發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)影響煤層的變質(zhì)程度。雖然研究區(qū)內(nèi)三個(gè)盆地處于相同的構(gòu)造背景下，但由于小構(gòu)造的發(fā)育程度存在差異，其中KZKEA煤礦構(gòu)造活動(dòng)頻繁，煤層受構(gòu)造活動(dòng)擾動(dòng)較大，進(jìn)而會(huì)對(duì)煤層中微量元素的遷移和富集產(chǎn)生影響。故相較于其他樣品，KZKEA煤礦煤層樣品中測(cè)的微量元素含量少于其他煤礦，微量元素含量總體偏低。

5 結(jié)論

（1）CS煤礦煤樣品表現(xiàn)為中灰分、中高硫、高揮發(fā)分煤；KZKEA煤礦樣品表現(xiàn)為中高灰、低硫、特低揮發(fā)份煤；MMTLK煤礦樣品表現(xiàn)為高灰、中高硫、低揮發(fā)份煤。

（2）煤樣品所測(cè)得的微量元素含量中，微量元素平均含量高于中國(guó)煤的有As、Cu、Sr（CS煤礦），Li、Cu（KZKEA煤礦），Cu、Sr（MMTLK煤礦）；煤層微量元素平均含量接近中國(guó)值的有Co、Ga、Li（CS煤礦），As、Co、Ga（KZKEA煤礦和MMTLK煤礦）；煤層微量元素平均含量明顯低于中國(guó)值的有Ba和Ni等（CS煤礦），Ba、V、Cr、Sr、Zn和Ni等（KZKEA煤礦），Ba、Cr、Zn和Ni等（MMTLK煤礦）。

（3）CS煤礦、KZKEA煤礦和MMTLK煤礦通過參數(shù)指標(biāo)V/(V+Ni)反映古沉積環(huán)境以貧氧環(huán)境為主，Sr/Cu指示古氣候?yàn)闇嘏睗駳夂?，Sr/Ba反映古環(huán)境分別為海相咸水沉積、陸相淡水沉積和海相咸水沉積。

（4）通過對(duì)三個(gè)不同煤礦沉積背景以及煤質(zhì)特征的對(duì)比分析，可以得出研究區(qū)內(nèi)泥炭沼澤形成時(shí)的沉積環(huán)境和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，是控制三個(gè)盆地煤中元素差異的主要因素。

注 釋

①新疆煤田地質(zhì)局.2011.新疆煤炭潛力評(píng)價(jià)報(bào)告[R].