黔西县是贵州主要的产煤县之一,煤炭资源丰富,煤层主要产于二叠系上统龙潭组(P31)地层中,属于织纳煤田。通过对主要矿区主采煤层系统取样分析,研究了不同煤层、不同矿区微量元素空间分布特征;与相邻的大方、赫章等区域煤层中微量元素含量对比发现,在陆源供给多的三角洲平原环境形成的煤层中微量元素含量相对高,在受海水影响较大的潮坪环境煤层中微量元素相对含量低,揭示了研究区陆源物质供给母岩——玄武岩具有较高的微量元素地球化学背景是其主要制约因素。个别煤层中有害元素Pb、Tl等含量高,是后期热液活动和断裂构造影响的结果。<br/>Guizhou has abundant coal resources, but little research has been done on the element geochemi-stry 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, the element geochemical distribution characteristics of the different coal seam and different mining area have been revealed, contrasting with the trace element content in Dafang, Hezhang, etc. The element contents are mainly affected by terrestrial material supply. Coal measures formed in the delta plain environment where sufficient terrestrial materials are supplied contain relatively abundant trace elements, whereas those formed in the tidal-flat environment influenced greatly by seawater have relatively low contents of trace elements, mainly controlled by the geological fact that basalts—the parent rocks of source regions contain high trace elements. The content of Tl and Pb in coal seam is higher, and it is the result of the late hydrothermal activity and the effect of the fracture structure.
刘玲1,谢樨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5月25日;录用日期:2015年6月10日;发布日期:2015年6月17日
黔西县是贵州主要的产煤县之一,煤炭资源丰富,煤层主要产于二叠系上统龙潭组(P31)地层中,属于织纳煤田。通过对主要矿区主采煤层系统取样分析,研究了不同煤层、不同矿区微量元素空间分布特征;与相邻的大方、赫章等区域煤层中微量元素含量对比发现,在陆源供给多的三角洲平原环境形成的煤层中微量元素含量相对高,在受海水影响较大的潮坪环境煤层中微量元素相对含量低,揭示了研究区陆源物质供给母岩——玄武岩具有较高的微量元素地球化学背景是其主要制约因素。个别煤层中有害元素Pb、Tl等含量高,是后期热液活动和断裂构造影响的结果。
关键词 :微量元素,沉积环境,主采煤层,二叠系龙潭组,贵州省黔西县
贵州素有“江南煤海”之誉,已探明煤炭资源储量约542亿t [
贵州主要含煤地层为上二叠统,形成时代为晚二叠世,自东向西因沉积环境不同分为吴家坪组(海相沉积)、龙潭组(海陆交互相沉积)和宣威组(陆相沉积)。黔西地区大地构造单元位于上扬子地台南部被动边缘褶冲带的黔中隆起区,含煤地层为海陆交互相和三角洲相沉积龙潭组(P 3l ),由泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、岩屑砂岩及煤层等组成 [
通过对贵州西部大方、黔西等地主采煤层取样,在中国科学院地球化学研究所进行碎样加工,并在ICP-Ms上分析测试微量元素,获得主采煤层中微量元素分布情况。笔者以黔西矿区中相对富集的元素Tl、B、Th、Pb、Hg、Ge、As、F、Sb、Se及Ga、Sc、V、U为重点研究对象,对黔西矿区可采煤层4号、5号、6号、7号及9号煤层中有用元素和有害元素进行研究,了解上述元素在黔西县中部、东部、西北部分布情况。
由图1可知,5、6及7号煤层中As含量大小相当,在0.25~0.47 μg/g之间,变化不大。9号煤层中As含量在0.26~20.629 μg/g之间,变化幅度较大,主要是南部龙场荣辉煤矿(M9-5)样品含量达20.629 μg/g。F元素含量变化不大,在217 μg/g~259 μg/g之间。7号煤层中B及Hg元素含量稍高于9号煤层。
4号煤层及9号煤层中均出现局部Pb含量异常高(M4-5、M9-6、M9-7)。一般认为,煤中异常高含量的有害元素与断裂带运移的热液及挥发物质有关 [
大关一带9号煤底板中含有大量黄铜矿,9号煤层煤矸石中含有大量方解石脉,这说明在9号煤层形成中有热液活动的参与,从而造成了煤中有害元素(Pb、Tl等)的异常高。Th在煤层中的浓度一般在3.02~12.6 μg/g之间,U在0.992~6.887 μg/g之间变化。Th、U元素在矿区的浓度分布规律性明显。
从图2可以得出研究区不同煤层中As、Pb、Sc、Th、U、V、F元素在底部煤层(9号煤)中相对富集;As在4号及9号煤层中含量相对较高,9煤层中含量最高为4.02 μg/g,在5、6、7煤层中含量较低;Pb在4号、5号及9号煤层中含量较高,在9号煤中高达20.784 μg/g,在6号及7号煤层中含量低;Sc、Th、U、V、F在4、5、6、7、9号煤层中含量相差不大,F在9煤层中含量最高达256.93 μg/g。9号煤层总体含量较低,但是由于煤样9-1,9-7具有较高的含量,使整体平均后含量显著增加。9-7具有非常高的As,其与红林煤矿处于断裂附近有关。通过这一研究表明,贵州高As煤往往是后期热液改造造成的。
由图3得出,B在4、6、9号煤中含量较高,在5号煤层中含量相对较低;Hg在4号、6号、7号煤中含量较高,在5号及9号煤层中含量低;Sb在4号、9号煤中含量较高,在5号及6号煤层中含量很低;Se在4号及9号煤中含量较高,在5号、6号、7号煤层中含量相当。
As元素在4号煤层中含量在1.02~6.714 μg/g之间,变化范围较大。中部谷里一带含量较低,东部含量最高,西北部次之。9号煤层中As含量南部最高,西北部次之,东部最小。整体上As元素在黔西南部最高(平均11.154 μg/g) (图4),西北次之(平均3.986 μg/g),中部(平均0.945 μg/g)及东部(平均1.928 μg/g)低。
图1. 黔西地区晚二叠世龙潭组含煤地层柱状示意及煤中微量元素纵向变化曲线
图2. As、Pb、Sc、Th、U、V、F在不同煤层中的分布
图3. B、Hg、Sb、Se在不同煤层中的分布
F元素在黔西中部、东部及西北部变化不大(图4),Hg元素含量由中部、东部向西北部呈现下降趋势。B元素矿区中中部谷里一带含量高,西北部金坡一带次之,东部含量最低。黔西矿区中Pb、Sb含量变化趋势基本相似,呈现中部→东部→西北部→南部逐渐增大(图5)。
图4. 9号煤层中As在矿区中的分布
图5. B、F、Hg在黔西矿区中的分布
煤层中Pb变化趋势大体一致,即从煤田东部向南部及西北部呈现变大的趋势。Sb元素含量呈现南
部高,东部和西北部低。总体上,黔西矿区中Pb、Sb含量变化趋势基本相似,呈现中部→东部→西北部→南部逐渐增大(图6)。
Tl元素在黔西矿区内的浓度变化有一定的规律性(图7),中部谷里红砖、江丰、青龙煤矿含量最高,东部泰来及西北部金坡一带含量较低。Tl元素在9号煤层中在矿区中规律性不明显,西北部红林一带含量最高,东部次之,局部含量较高,M9-7中含量高达1.4 μg/g。Tl一般属于深部来源,陆壳中Tl的丰度仅为0.52 μg/g [
Th、U元素在矿区中含量变化大,Th、U元素在矿区的浓度分布规律性明显,同一煤层中变化规律相似,4号煤层中由谷里红砖矿井→谷里江丰→谷里青龙及东部泰来→西北部金坡一带,呈现含量降低→相等→升高的趋势。9号煤层中Th、U在雨朵龙场一带含量较高,Th元素含量为13.4 μg/g,U元素含量为6.887 μg/g;在东部协和、泰来、大关阳河及西北部金坡含量相当。在黔西矿区中Th、U元素浓度变化由中部→东部→西北部→南部呈现逐渐变大的趋势(图8)。
Sc元素在矿区的含量变化小,一般在1.62~6.29 μg/g之间。V元素含量在矿区中的变化较大,含量在15.8~74.9 μg/g之间变化,局部较高,如中部谷里红砖矿井中V含量达74.9 μg/g。Sc、V元素在矿区
图6. Pb、Sb在黔西矿区中的分布
图7. Tl在黔西矿区中的分布
图8. Th、U在黔西矿区中的分布
的浓度分布规律性明显,4号煤层中Sc、V的浓度在中部谷里红砖矿井含量最高(6.29 μg/g,74.9 μg/g),从谷里江丰青龙一带至中部泰来及西北部金坡呈现上升趋势;9号煤层中Sc、V由东部→南部→西北部红林一带逐渐增大。总体上,Sc及V元素在矿区中分布规律大体一致,由中部→东部→西北部→南部,呈现大→小→大→小的趋势(图9)。
图9. Sc、V在黔西矿区中的分布
通过对贵州纳雍、大方、龙里、天柱、织金、威宁、赫章等地晚二叠世龙潭组48件煤样地球化学测试分析。根据各地区的煤层元素含量情况统计其平均值(表1),从分析数据可以看到,黔西煤层中As、Co、Cd、F、Ga、Hg、Ni、Sb、Sn、Sr、Ba、Th、U、V元素均低于织金、大方、纳雍地区,而B、Ge、Pb Se元素含量低于大方地区,高于纳雍地区;黔西地区煤层中Sc、Tl元素含量高于织金、大方、纳雍地区。
与威宁–赫章一带比较,黔西地区煤中Ga、Sc、Ba、Th、U元素含量高于威宁–赫章一带;Co、Ni、Pb、Sn、V元素含量在威宁矿区最高,赫章地区最低;黔西地区Sr元素含量低于威宁–赫章一带地区(图10)。黔西地区煤层As、Co、Cd、F、Ga、Ge、Ni、Pb、Sb、Sc、Sn、Th、U、V元素含量低于天柱、龙里一带;Pb、Tl元素在龙里矿区含量最高,黔西地区次之,天柱最低;黔西地区Ba元素含量最高。总体上,F,As,Tl,V等比全国高 [
形成上述元素含量的差异主要原因是:1) 贵州龙潭组岩相分区十分明显,自西向东由陆相→海陆交互相→海相。在晚二叠世期间,海相沉积范围随海侵逐渐扩大,由东向西迁移,主要煤层的聚集亦随之向西迁移和抬升,成为典型的海进型成煤 [
陆源区母岩性质决定了泥炭沼泽古土壤中微量元素的含量,在相当的程度上也决定了成煤植物和泥炭沼泽介质中微量元素的数量以及煤中微量元素的含量 [
黔西地区煤中微量元素含量显示,南部及中部受海水影响大的潮坪环境中富集微量元素B、S等,
区域 元素 | 天柱(2件) 最小值~最大值 (平均值) | 龙里(2件) | 威宁(7件) | 赫章(2件) | 织金(2件) | 纳雍(6件) | 大方(10件) | 黔西(17件) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
As | 4.92`~8.30 (6.61) | 8.67~9.09 (8.88 ) | n.d. | n.d. | n.d. | 0.84`~2.37 (1.600) | 0.56`~8.97 (4.964 ) | 0.25`~20.63 (1.285) |
B | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | 0.2`~5.03 (5.175 ) | `1.02~14.7 (8.870 ) | 0.72`~28.7 (7.498) |
Co | 3.29`~8.74 (6.015 ) | `9.74~32 (20.870 ) | 0.6`~27.944 (13.869) | 0.69`~0.83 (0.759 ) | 1.03`~14.5 (7.755 ) | 2.21`~24.1 (7.990 ) | 3.7`~23.6 (11.302 ) | <1`~12.3 (2.768) |
Cd | 0.25`~0.497 (0.375 ) | 0.43`~0.6 (0.517 ) | n.d. | n.d. | n.d. | 0.05`~0.43 (0.162) | 0.02`~0.16 (0.240) | 0.01`~0.29 (0.030) |
F | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | 193`~290 (229.000 ) | 259`~341 (298.000) | 217`~259 (226.259) |
Ga | 3.44`~23.5 (13.470) | 12`~19.5 (15.750) | 1.301`~5.72 (2.413) | 1.62`~3.4 (2.510) | 2.06`~7.27 (4.668) | 2.21`~5.75 (4.059) | 2.14`~12.6 (8.522) | 2.34`~7.41 (3.320) |
Ge | 0.749`~2.25 (1.500 ) | 2.11~3.51 (2.813) | n.d. | n.d. | n.d. | 0.4`~1.5 (0.800) | 0.61`~1.91 (1.227) | 0.6`~3.02 (0.829) |
Hg | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | 0.03`~0.21 (0.106) | `0.03~0.26 (0.163) | 0.01`~0.35 (0.060) |
Ni | 22.4`~41.3 (31.850) | 17.6`~40.6 (29.100) | 3.06`~45.51 (20.485) | 1.9`~3.14 (2.522) | 3.71`~24.4 (14.071) | 5.1`~16.8 (10.550) | `3.79~42.2 (17.149) | 1.5`~31.3 (5.746) |
Pb | 2.68`~12.48 (7.579) | 0.34~38.4 (19.350) | 0.99`~26.68 (11.898) | 2.92`~5.31 (4.114) | 10.34`~1.7 (6.014) | `1.2~10.6 (6.127) | 3.73`~45.4 (17.197) | <1`~30.5 (8.913) |
Sb | 1.18`~3.98 (2.577) | `0.43~0.57 (0.500) | n.d. | n.d. | n.d. | 0.01`~0.83 (0.378) | `0.01~1.08 (0.416) | 0.01`~0.86 (0.218) |
Sc | 2.93`~6.57 (4.750) | `8.03~14.6 (11.315) | 1.084`~4.38 (2.095) | 1.6`~1.8 (1.693) | `2.96~5.53 (4.245) | 1.46`~4.42 (2.639) | 1.82`~7 (3.393) | 1.62`~6.92 (3.953) |
Se | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | 0.36`~1.15 (0.748) | 1.46`~2.49 (1.750) | 0.49`~4.33 (1.481) |
Sn | 1.13`~1.25 (1.194) | `0.23~0.95 (0.589) | 0.3`~1.487 (0.685) | 0.38`~0.79 (0.583) | 0.47`~1.3 (0.869) | 0.3`~1.05 (0.531) | 0.38`~1.6 (0.701) | `0.13~0.56 (0.312) |
Sr | `73.8~78.9 (76.350) | `3.51~70 (36.757) | 23.198`~117.098 (59.494) | 65.4`~224.77 (145.090) | 47.1`~71.1 (59.083) | 51.2`~413 (150.400) | 21.7`~118 (63.730) | 39.40`~89.2 (57.985) |
Ba | 9.98`~12.1 (11.040 ) | 0.44`~38 (19.218) | 8.446`~27.84 (13.313) | 11.42`~19.51 (15.462) | 7.61`~107.7 (57.655) | 11.9`~78.8 (48.779) | 17.2`~110 (49.463) | 7.08`~163 (31.89) |
Tl | 0.027`~1.12 (0.574 ) | 0.56`~1.37 (0.963) | n.d. | n.d. | n.d. | 0.4`~0.7 (0.550) | 0.007`~1.7 (0.589) | 0.02`~1.4 (0.841) |
Th | 3.94`~13.1 (8.520) | `~ (8.770) | 0.532~4.780 (1.689) | 1.31`~2.29 (1.799) | 2`~4.48 (3.239) | 2.94`~15.8 (5.585) | 2.42`~8.27 (5.483) | 3.02`~13.4 (5.034) |
U | `1.59~21.67 (11.630) | 0.34`~17.2 (9.077) | 0.471`~3.494 (1.221) | 0.72`~0.91 (0.812) | 1.28`~1.43 (1.357) | `0.62~12.1 (2.872) | 0.72`~5.79 (2.866) | 1.04`~6.89 (1.261) |
V | 19.5`~246 (132.750) | 5.85`~12.31 (55.150) | 5.532`~80.73 (26.470) | 9.95`~14.66 (12.305) | 23.48`~142.2 (82.845) | 11.9`~70.576 (31.046) | 16.4`~154 (63.291) | 15.8`~74.9 (22.368) |
表1. 研究区可采煤层与省内不同区域煤中20种微量元素的含量对比(单位:μg/g)
图10. 研究区与威宁、赫章煤层微量元素含量对比图
受海水影响相对较小的西部、西北部三角洲沉积环境的微量元素含量则较低。龙里煤层富集As、Co、Cd、F、Ga、Ge、Ni、Pb、Sb、Sc、Sn、Th、U、V元素,一方面其形成环境主要是潮坪环境,另外可能是煤层受到后期热液改造引起。天柱煤层富集As、Co、Cd、F、Ga、Ge、Ni、Pb、Sb、Sc、Sn、Th、U、V元素,一方面是其形成于潮坪环境,另外是物源为新元古界浅变质岩有关。贵州二叠系煤层具有较高F含量,一般为193~341 μg/g,平均251 μg/g (N = 31),其他微量元素均低。低温热液流体是影响黔西晚二叠世煤中微量元素局部异常富集和赋存状态的主控地质因素 [
依据Sr/Ba的环境指示意义,同一地区滨海沼泽相沉积物比陆相沉积物的Sr/Ba比值要明显地增高 [
煤中元素富集的因素除了陆源碎屑供给及沉积环境以外,低温热液流体是影响黔西晚二叠世煤中微量元素局部异常富集和赋存状态的主控地质因素 [
通过对贵州黔西地区主采煤层中微量元素分布的研究,结合威宁、赫章、织金、纳雍、大方、龙里、
图11. 贵州西部二叠纪龙潭期岩相古地理图 [
天柱等地煤层中微量元素分布情况,分析贵州二叠系煤层中微量元素分布的主要控制因素,并利用煤层中微量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微量元素,认为煤层中微量元素含量主要受控于陆源碎屑供给情况,当时成煤环境陆源碎屑主要是峨眉山玄武岩,其具有高稀土和富集Cr、Ni、Co、Sb、Se等元素,直接影响煤层中微量元素的含量,陆源碎屑供给大的三角洲成煤环境,形成的煤层微量元素含量高,陆源碎屑供给少的潮坪成煤环境,形成的煤层微量元素含量低。
2) 贵州二叠系煤层具有较高的F含量,一般为193~341 μg/g,平均251 μg/g (N = 31),其他微量元素均低。低温热液流体是影响黔西晚二叠世煤中微量元素局部异常富集和赋存状态的主控地质因素。煤中有害元素的富集主要受大断裂及其衍生的断裂所控制,多期次的低温热液流体成为有害元素的主要载体,通过断裂带进入煤层。因此,断裂带及附近的煤层由于后期热液改造,Tl、Pb、Sb、Zn含量很高,再利用断裂带附近煤层时应该进行处理,以减少污染。
刘 玲,谢 樨,魏怀瑞, (2015) 贵州省黔西县二叠系龙潭组主采煤层微量元素分布特征及制约因素探讨Distribution Characteristics and Influence Factors of Trace Elements in Western Guizhou Permian Coal Measure Strata. 地球科学前沿,03,103-113. doi: 10.12677/AG.2015.53014