河东煤田煤中金属富集规律及成因机制

黄少青, 刘 亢, 宁树正, 郭爱军, 孙 杰， 龚汉宏

(中国煤炭地质总局勘查研究总院, 北京 100039)

0 引言

随着以准格尔煤田为代表的煤中金属富集成矿的发现和开发，对煤中金属富集及其成因的探索已成为煤炭地质研究的重要方向[1]。河东煤田位于鄂尔多斯盆地东缘，煤炭资源丰富，近年已有多位学者在研究中发现河东煤田煤中铝、镓、锂等金属的富集矿点，为进一步探索煤中金属富集及其规律提供了线索[2-6]。在前人研究基础上，笔者基于鄂尔多斯盆地煤中关键金属资源项目，系统收集、梳理煤中金属方面的研究成果，结合保德地区的部分测试数据，论述煤(灰)中铝、镓、锂等金属元素在河东煤田的时空分布，并探讨其富集成因，旨在推动河东煤田煤中铝、镓、锂等金属元素的资源化利用，促进煤炭资源的高效利用。

1 地质概况

河东煤田位于山西省西部，吕梁山脉以西，由南至北跨运城、临汾、吕梁、忻州四个市，北起偏关，南到河津，西以黄河为界，南、北界为煤层露头线，东以离石断裂带和煤层露头线为界，为山西台隆与鄂尔多斯台坳的构造转折部位，是大型含煤盆地——鄂尔多斯盆地的一部分[7-8]，南北长约450km，东西宽10～40km，面积约17 000km2。

主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组(图1)。煤系地层平均总厚144.46m。山西组厚度56.59～74.10m，平均62.98m。含煤8层，其中有编号的煤层5 层，分别为2、4、5、6、8号煤层，煤层自上而下均有分布，2、4号煤层位于本组上部，层位极不稳定。可采的5、6、8号煤层位于本组中下部及下部，5号煤层层位较稳定，局部可采；6号煤层层位稳定，大部可采；8号煤层为全区可采的稳定煤层。

太原组厚度70.77～92.95m，平均81.48m，含煤10层，其中有编号的煤层7 层，分别为9、10、11、13、14、15、16号煤层，煤层自上而下均有分布，14、15、16 号煤层位于本组下部，层位极不稳定。可采的9、10、11、13号煤层位于本组上部、中部及中下部。9、11号煤层层位稳定，大部可采；10号煤层层位较稳定，局部可采；13号煤层为全区可采的稳定煤层。13号煤层：厚度0.85～20.26m，平均15.21m。全区稳定发育的主要可采煤层，多为黑色半亮型煤，一般有四层夹矸，勘查区北部夹矸层增多，可达10 层，夹矸多为灰黑色泥岩，局部底层夹矸为3m 左右浅灰色中粒砂岩，夹有炭质泥岩。区内发育1～3层泥灰岩或石灰岩，分别位于11号煤层、14号煤层及16号煤层顶，但稳定性均差。以11号煤层顶部发育的石灰岩(保德灰岩)厚度最大，且稳定性好[9]。

2 河东煤田煤中金属元素特征

2.1 煤中铝

河东煤田二叠系山西组煤灰中Al2O3含量整体基本达到30%以上(图2，表1)，在其南部的王家岭煤矿至隰县寨子煤矿一带，煤灰中Al2O3含量在30%～35%；在煤田中部的中阳县吴家峁煤矿至临县三交煤矿一带，煤灰中Al2O3含量在35%左右，整体含量相对高于煤田南部；煤田北部的临县高家塔煤矿至河曲县上榆泉—大塔煤矿一带煤灰中Al2O3在35%以上，临县高家塔煤矿含量可达40%以上，北区保德地区周边整体含量在整个河东煤田中最高。河东煤田山西组从南至北煤灰中Al2O3含量逐步升高。

图1 河东煤田北部太原组综合柱状图Figure 1 Comprehensive column of Taiyuan Formationin Hedong coalfield north part

河东煤田太原组煤灰中Al2O3含量总体小于山西组(图3)，在南部区域基本在35%以下，且由吉县柏山寺-柳林县贺西煤矿呈下降趋势，煤灰中Al2O3含量在河东煤田中部(贺西煤矿-临县吕家岭)变化较大，含量高点与低点均分布于此区域；北部区域煤灰中Al2O3含量变化不大，太原组煤灰中Al2O3含量在35%左右，山西组含量在35%～40%，山西组含量略高于太原组含量。

对于单一煤层，煤灰中Al2O3含量表现为煤层中部相对富集，顶底板含量相对较低(表1，表2)。

表1 河东煤田煤灰中Al2O3含量

表2 柳林县沙曲煤矿煤灰成分分析

表3 河东煤田北部主要煤层基础数据

图2 河东煤田(由南至北)山西组煤灰中Al2O3含量Figure 2 Shanxi Formation coal ash Al2O3 contentin Hedong coalfield (from south to north)

图3 河东煤田(由南至北)太原组煤灰中Al2O3含量Figure 3 Taiyuan Formation coal ash Al2O3 contentin Hedong coalfield (from south to north)

2.2 煤中镓

河东煤田北部区域煤中镓含量相对高于中南部区域煤中镓含量，其北部河保偏矿区煤层中镓的平均含量分布如表3所示。通过对273件煤样的测试数据统计分析，区内煤中镓的均值在9～39μg/g，加权平均质量分数为14.52μg/g。前人总结认为[10]，中国C—P系煤中镓的质量分数为9.88μg/g，对比发现河东煤田北部河保偏矿区煤中镓的含量明显富集，8#煤中镓的均值是中国C—P系煤层中镓含量的2.11倍。个别煤层中镓超出最低工业品位 (30μg/g )。

选取煤层中镓均值相对较高的8#煤层，从图4可以看出，煤中镓在保德地区附近形成富集中心，向外侧逐渐降低，保德地区部分区域镓含量平均值超过25μg/g(图4)。

在垂向上， 山西组煤层中镓的含量整体高于太原组煤中镓的含量(表4)，保德杨家湾勘查区Y501孔煤样煤样中山西组5#、6#、8#煤各样品镓含量均超过20μg/g，6#煤、8#煤部分样品镓含量超过工业品位(30μg/g)要求；太原组各煤层多数煤样镓含量小于15μg/g，但在太原组下部的13#煤层展现出镓含量由上至下升高的趋势，其中13#煤层下部的4个样品镓含量均超过20μg/g。

图4 河东煤田北部8#煤层煤中镓含量等值线(根据参考文献[6]，修改)Figure 4 Coal No.8 coal gallium contents isogram in Hedongcoalfield north part (after reference [6], modified)

表4 保德杨家湾勘查区Y501孔煤样的煤质分析及Ga含量

2.3 煤中锂及其他微量元素

河东煤田山西组煤层中Li、In、Sr和REY相较于太原组拥有较高的含量，且山西组煤层中达到富集程度的元素种类比太原组中的多出不少(表5，图5)。

河东煤田5号煤层中的Li、Cu、Ga、In、Pb和REY拥有较高的含量，达到富集或者轻度富集的状态。其中保德矿5号煤中的Li含量为305μg/g，远远超过中国煤伴生锂矿的经济品位[11]，达到高度富集的程度；保德矿除了高度富集的Li元素外，元素Sc、Pb和Th也在煤层中拥有较高的含量，与世界硬煤中的均值相比处于富集的状态。

表5 河东煤田煤层元素含量

图5 河东煤田保德地区煤中金属元素富集系数(a 山西组; b 太原组)Figure 5 Coal metal element enrichment coefficients in Baodearea, Hedong coalfield (a) Shanxi Formation;(b) Taiyuan Formation

3 河东煤田煤中金属元素富集成因分析

河东煤田的物源主要来自于北部的阴山古陆[12]，石炭-二叠纪煤系沉积初期，陆源区出露着大范围的沉积岩层，陆源区与华北地块处于同一构造单元，后来伴随着华北板块和西伯利亚板块的碰撞，阴山一带逐渐隆起，剥蚀强度进一步加强，使变质岩系及侵入其中的岩浆岩体逐渐露出地表遭受剥蚀[13-14]，而河东煤田拗陷沉降，河东煤田石炭-二叠纪聚煤盆地接受来自阴山一带风化剥蚀产物的沉积。此外，在煤层形成的中期，煤田的北东部开始隆起，并有本溪组铝土矿出露[14]，也为成矿区提供了物源供给。

物源区母岩类型多样，总体上为中性或中酸性岩，主要有中元古代钾长花岗岩、黑云母花岗岩，还有火山岩和火山喷出岩、沉积岩和变质岩，物源区母岩中含有丰富的微量元素，为成矿区煤中相应的高含量的形成提供了物质基础[15]。从铝、镓、锂等元素富集的分布来看，距离北部物源区较近的河曲、保德一带明显富集，而距离物源区较远的南部地区，元素含量较低，所以推测元素搬用距离是控制河东煤田煤中铝、镓、锂等元素含量的主要控制因素之一，距离物源区较近，陆源碎屑搬运距离较短，有利于Al、Ga、Li等元素在煤中的富集。此外，在晚石炭世时期，本溪组铝土矿风化壳中的三水

铝石以及少量的黏土矿物在水流的作用下[16]，以胶体的形式经过短距离的搬运进入富集区域，也为煤田北部元素富集提供了丰富的物源。

4 结论

1)从平面分布看，河东煤田Al、Ga、Li均表现为含量由南向北逐渐升高，总体来看保德地区及附近煤中Al、Ga、Li含量均达到了最高，其中部分区域煤灰中Al2O3超过40%；镓在保德地区煤中部分测试点含量远超工业品位，特别是山西组底部8#煤及太原组13#煤层底部，镓具有潜在利用价值；保德矿5#煤中的Li含量为305μg/g，远远超过中国煤伴生锂矿的经济品味，达到高度富集的程度。

2)垂向上，河东煤田普遍呈现铝及镓、锂等微量元素含量山西组大于太原组，且在富集元素数量上也展现出山西组富集元素种类对于太原组，但在太原组底部13#煤层镓元素含量明显升高。

3)河东煤田的物源主要来自于北部的阴山古陆，距离北部物源区较近的河曲、保德一带明显富集，而距离物源区较远的南部地区，元素含量较低，所以推测元素搬用距离是控制河东煤田煤中铝、镓、锂等元素含量的主要控制因素之一，距离物源区较近，陆源碎屑搬运距离较短，有利于Al、Ga、Li等元素在煤中的富集。