Advances in Geosciences
Vol.05 No.04(2015), Article ID:15901,6 pages
10.12677/AG.2015.54030

Distribution Characteristics and Influence Factors of Rare Earth Elements in Guizhou Permian Coal Measure Strata

Ling Liu1, Huairui Wei2

1Institute of Geology and Mineral Resources Exploration of Guizhou Non-Ferrous Metals and Nuclear Industry Geological Exploration Bureau, Guiyang Guizhou

2Guizhou University, Guiyang Guizhou

Email: 71313369@qq.com

Received: Jul. 26th, 2015; accepted: Aug. 12th, 2015; published: Aug. 18th, 2015

Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc.

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ABSTRACT

Guizhou has abundant coal resources which is an important coal production base in China, but few researches have been done on the element geochemistry of coal measure strata in Guizhou Province, and the effective utilization of coal resources in Guizhou is a serious defect. Based on element geochemical studies of the main Permian exploitable coal measure strata in western Guizhou, geochemical distribution characteristics of the rare earth elements in the main exploitable coal measures have been revealed in the regions of Dafang, Qianxi, Weining, Heizhang, Zhijin, etc. of Guizhou province. The REEs in coals are mainly continental origin, associated with Emeishan basalt. Contents of REEs in coal seam are affected by sedimentary environments and lithology qualitative in terrigenous areas. REEs are gradually diluted from delta plain environment, which contains more basalt weathering debris, to the tidal flat environment greatly influenced by the water. The contents of REEs are higher when coal-forming environment is closer to land, while the contents of REEs are lower when coal-forming environment is away from land. According to the rules of distribution of REEs in coal measures, a new idea has been put forward to make use of the geochemical composition characteristics to classify coal-forming environments, which is of great significance in dissolving the problem of whether coal measures were formed either in delta environment or in tidal-flat environment in western Guizhou.

Keywords:Rare Earth Element, Sedimentary Environment, Major Exploitable Coal Measure, Permian, Western Guizhou

贵州西部二叠系主采煤层稀土元素分布特征及影响因素分析

刘玲1,魏怀瑞2

1贵州省有色金属和核工业地质勘查局地质矿产勘查院,贵州 贵阳

2贵州大学,贵州 贵阳

Email: 71313369@qq.com

收稿日期:2015年7月26日;录用日期:2015年8月12日;发布日期:2015年8月18日

摘 要

贵州是我国煤炭资源蕴藏极为丰富的省份,是中国重要的煤炭生产基地,但煤层中元素地球化学分布情况研究程度低,对贵州煤炭资源有效利用是一项严重的欠缺。通过对贵州西部二叠系主采煤层稀土元素地球化学研究,获得了大方、黔西、威宁、赫章、织金等地主采煤层稀土元素分布特征,并得出煤中稀土元素主要来源于陆源碎屑,与峨眉山玄武岩有关。煤层中稀土元素的含量受到沉积环境和陆源区母岩性质的影响,稀土元素随着从玄武岩风化碎屑多的三角洲平原环境,到受海水影响较大的潮坪环境,稀土元素逐渐被稀释,靠近陆地的成煤环境稀土含量较高,远离陆地的成煤环境形成的煤层中稀土含量低。根据这种分布规律,提出了利用稀土元素地球化学来区分贵州西部成煤环境的新思路,这对解决贵州西部三角洲成煤还是潮坪成煤问题具有现实意义。

关键词 :稀土元素,沉积环境,主采煤层,二叠系,贵州西部

1. 引言

稀土元素也是煤中常见元素,可以提供物源、环境和岩石成因等多种地质信息[1] ,具有稳定的地球化学性质,均一化程度高,不易受各种地质作用等干扰,一旦被“记录”在含煤岩系中,容易被保存下来,所以它是研究煤地质成因的地球化学指示剂,并且其分配模式可以提供物质来源的信息。近年对中国煤中稀土元素的特征研究较多,但对贵州西部煤的稀土元素特征研究较少。笔者以大方、黔西、威宁、赫章、织金等地主采煤层的稀土元素地球化学分布特征为重点,结合前人研究成果对煤的稀土元素分布特征及地质控制因素进行进一步研究。

2. 黔西地区地质背景

黔西矿区在地质构造上位于扬子板块、黔北台隆、遵义断垄之毕节北东向构造变形区的南部,成煤期属于华南二叠系陆表海坳陷盆地的一部分[2] 。主要含煤地层为晚二叠世上统龙潭组,由一套海陆交互相和三角洲相的泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、岩屑砂岩及煤层等组成[3] 。根据其含煤特征、岩性组合,龙潭组可划分上下两段。上段(P 2l 2)以细砂岩、粉砂岩为主,可采煤层较多且稳定性较好,含煤6~19层,煤层结构较单一,一般不夹矸。下段(P 2l 1)以深灰色粉砂岩、泥岩为主夹煤线和煤层,含大量黄铁矿,由上而下逐渐增多。其含煤性较上段差,可采煤层数较少,稳定性较差,煤层结构一般较复杂。在大方、黔西等地,主要可采煤层3层,即4、9、15号煤层,为薄及中厚的近距离煤层群。局部可采煤层为5、6、7号煤层,以标三顶为界可将煤组划分为上下两段,其中2、4、5、6、7、9号煤层位于龙潭组上段,12、13、14、15号煤层位于龙潭组下段(图1)。而在织金、纳雍、威宁、赫章等地,煤层变化更大,煤层结构更复杂。

3. 样品与测试

按照GB482-1985标准,在黔西县东部矿区(谷里、泰来、协和)、西北部矿区(红林、金坡)及南部矿区(大关、龙场)进行了系统采样,共采集原煤样17件,煤种为无烟煤。被粉碎成200目后,在国土资源部宜昌地矿所及中科院贵阳地球化学所矿床学地球化学国家重点实验室的电感耦合等离子质谱仪ICP-MS完成,测试数据结果见表1

4. 煤层中稀土元素分布特征

通过对黔西地区主采煤层的稀土元素含量测试,获得黔西地区主采煤层的稀土含量情况(表1表2),从表1可知,黔西矿区煤中ΣREE含量为50.020~558.835 μg/g,平均为128.792 μg/g,远高于Valcovic (1983)计算的世界煤中ΣREE的平均值46.3 μg/g和Finkelman (1993)提供的美国煤中ΣREE的平均值62.1 μg/g [4] [5] ,可见稀土元素在黔西矿区煤中明显富集。由表2可知,在黔西矿区南部ΣREE含量最高,平均含量为187.8751 μg/g,中部为151.76 μg/g,西北部为121.042 μg/g,东部最低仅为77.967 μg/g。

1-煤层,2-灰岩,3-泥岩,4-泥岩夹动物化石,5-细砂岩,6-粉砂岩,7-铝土岩

Figure 1. The sketch map of late Permian coal-bearing strata in Qianxi and Dafang coal mine

图1. 大方、黔西矿区晚二叠世龙潭组含煤地层综合柱状图(据贵州地质矿产局,2003,略有修改)

Table 1. Content of REE in coals from the Qianxi coalfield (μg/g)

表1. 黔西矿区煤中稀土元素含量(单位:μg/g)

注:M4-1,M4-2,M4-3,M5,M6,M7-1,M7-2,M9-1,M9-7数据在宜昌地矿所采用ICP-MS测试;数据在宜昌地矿所采用ICP-MS测试;M 4-4,M 4-5,M9-2,M9-3,M9-4,M9-5,M9-6,M9-8数据在中国科学院贵阳地球化学所采用ICP-MS测试。LREE = La + Ce + Pr + Nd + Sm + Eu,HREE = Gd + Tb + Dy + Ho + Er + Tm + Yb + Lu;ΣREE = LREE + HREE。

Table 2. Geochemical paraments of REE in coal of different coal filed (μg/g)

表2. 贵州不同区域煤中稀土元素的地球化学参数(单位:μg/g)

注:LREE = La + Ce + Pr + Nd + Sm + Eu,HREE = Gd + Tb + Dy + Ho + Er + Tm + Yb + Lu;∑REE = LREE+ HREE;(La/Yb)N个为元素球粒陨石标准化值的比值;δEu = EmN/(SmN × GdN)1/2( SmN,GdN均为元素球粒陨石标准化值);δCe = CeN/(LaN×PmN)1/2(CeN,LaN,PmN,SmN 为元素球粒陨石标准化值)。

在黔西矿区中部、西北部、南部及东部,δCe在0.748~0.945之间,均小于1,表现为微弱负异常,δEu在黔西矿区南部、中部及东部在0.6左右,在西北部为0.481。Eu的负异常与成煤环境的氧化–还原性有关,氧化性越强的环境,Eu的负异常越大,黔西矿区西北部煤比其他地区煤的Eu负异常明显,说明黔西矿区西北部地区煤的形成环境更趋于还原环境,沉积环境以三角洲沉积为主;南部及中部则为潮坪成煤环境。黔西南部由于后期热液活动的改造,富集大量有害元素,ΣREE含量南部最高。

通过对黔西矿区4、5、6、7、9号煤层煤中稀土元素研究,发现煤层中稀土元素含量平均为128.7921 μg/g,稀土元素在黔西矿区煤中明显富集;各煤层稀土元素的分布趋势基本一致,各样品δCe变化在0.748~0.945之间,平均0.833,具微弱负异常;δEu介于0.32~0.788之间,平均0.575,具有明显负异常,(La/Yb)N含量为6.423~26.671,平均含量为10.981,轻稀土富集,重稀土亏损。煤中稀土元素主要来源于陆源碎屑,与峨眉山玄武岩有关[6] 。

天柱、龙里、大方、纳雍、织金、威宁、赫章一带煤层稀土元素研究表明(表2),龙里煤层ΣREE含量最高,为258.511 μg/g;纳雍、大方、黔西分别为151.012 μg/g、144.683 μg/g、128 μg/g;织金、天柱、赫章、威宁ΣREE含量较小,分别为86.063、57.026 μg/g、54.695 μg/g、37.311 μg/g。(LREE/HREE)为2.495~12.640,表明不同区域煤中LREE相对富集,HREE相对亏损。各区域δCe为0.742~0.967,Ce具有微弱的负异常。δEu为0.402~0.792,存在明显的负异常,LREE相对富集,HREE相对亏损。

贵州不同地区煤层稀土元素的分布模式都呈“V”字型,各地区煤层的稀土配分基本类似,只是天柱明显不同于其他区域(图2)。说明天柱地区物源不同于其他地区,事实也是天柱物源属于雪峰古陆,陆源物质主要是新元古代下江群变质岩,下江群变质岩中稀土含量低[7] ,而且成煤沼泽受海水影响,稀土含量较低。而龙里、黔西、纳雍、织金、赫章、威宁、大方则属于康滇古陆的峨眉山玄武岩。龙里煤层稀土含量较高,可能与其受后期热液改造有关[6] 。威宁、赫章离物源区近,但研究煤层以潮坪沉积为主,由于受到海水作用较强,其稀土含量很低。织金、纳雍、大方和黔西地区为三角洲沉积环境,峨眉山玄武岩风化碎屑供给量大,大陆的高稀土含量玄武岩(毛德明等,1992)陆源碎屑加入成煤环境[8] ,导致煤层中稀土含量较高。

5. 沉积环境和陆源区母岩性质对煤层中稀土元素的影响

华北地区石炭纪–二叠纪煤的研究结果表明,由海相环境到陆相环境煤的稀土元素质量分数呈增大的趋势[9] [10] 。贵州晚二叠世煤的稀土元素研究结果同样表明类似的特征[11] [12] 。这是由于稀土元素随着从玄武岩风化碎屑多的三角洲平原环境,到受海水影响较大的潮坪环境,稀土元素逐渐被稀释,靠近陆地的成煤环境稀土含量应该较高,远离陆地的成煤环境形成的煤层中稀土含量应该低[6] 。由于潮坪沉

Figure 2. Matched model of REE in coal seam from different coal mine

图2. 不同区域煤层稀土元素配分模式

积与三角洲沉积具有相似的沉积特征,因此,在贵州西部成煤环境判断上一直是难题。基于上述原理, 我们利用稀土元素地球化学来区分贵州西部成煤环境并进行验证。

对黔西地区主采煤层稀土元素研究表明,黔西地区南部ΣREE含量最高,平均含量为187.8751 μg/g,中部为151.76 μg/g,西北部为121.042 μg/g,东部最低仅为77.967 μg/g。这是西部沉积以三角洲为主,而南部及东部则为潮坪成煤环境为主引起。黔西地区4号煤层到9号煤层,δEu呈现降低、Eu负异常越大趋势。9号煤层形成于潮坪环境,属于氧化性环境,Eu的负异常明显;7号煤层形成于潮间环境,5号、6号煤层形成于三角州前缘环境,4号煤层形成于三角洲沉积环境。

6. 结论

通过对贵州黔西地区主采煤层中稀土元素分布的研究,结合威宁、赫章、织金、纳雍、大方、龙里、天柱等地煤层中稀土元素分布情况,分析贵州二叠系煤层中稀土元素分布的主要控制因素,并利用煤层中稀土元素分布探讨成煤环境,获得以下认识:

1) 系统分析了黔西主采煤层的稀土元素分布特征,得出煤中稀土元素主要来源于陆源碎屑,与峨眉山玄武岩有关。

2) 与周边天柱、龙里、大方、纳雍、织金、威宁、赫章一带对比研究发现,各区域δCe为0.742~0.967,Ce具有微弱的负异常。δEu为0.402~0.792,Eu存在明显的负异常,LREE相对富集,HREE相对亏损。ΣREE含量在龙里较高;在纳雍、大方、研究区次之;织金、天柱、赫章、威宁ΣREE含量较小。陆源碎屑供给充足,ΣREE含量高。稀土含量的高低主要受玄武岩碎屑供给、沉积环境和后期热液改造影响。

3) 不同煤层间,9号煤层稀土总量高于其他煤层,从4号煤层到9号煤层,δEu呈现降低的趋势。δCe均呈现微弱负异常。Eu的负异常与成煤环境的氧化–还原性有关,氧化性越强的环境,Eu的负异常越大。9号煤层Eu的负异常明显,沉积在潮坪环境上,属于氧化性环境;7号煤层沉积潮间带环境,5号、6号煤层在三角州前缘环境上,4号煤层形成于三角洲沉积环境。由于潮坪沉积与三角洲沉积具有相似的沉积特征,往往难以判断成煤环境,因此,利用稀土元素含量情况,Eu负异常情况,可能将两种成煤环境区分,这为贵州西部成煤环境判断提供了一种新的、较为精细的解释方法。

文章引用

刘玲,魏怀瑞. 贵州西部二叠系主采煤层稀土元素分布特征及影响因素分析
Distribution Characteristics and Influence Factors of Rare Earth Elements in Guizhou Permian Coal Measure Strata[J]. 地球科学前沿, 2015, 05(04): 302-307. http://dx.doi.org/10.12677/AG.2015.54030

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