科学技术与工程

样品	含量/%	Ro/%	V_daf/%	A_d/%	S/%
红墩子二矿	56.4	39.3	4.3	0.50	28.60	19.10	0.32
刘家沟湾煤矿	87.3	9.6	3.1	2.21	20.61	34.48	1.51
任家庄煤矿	85.6	6.7	7.7	0.61	34.55	7.34	0.72
四股泉二矿	61.8	32.4	5.8	0.72	32.72	8.58	2.02
湾岔沟煤矿	80.6	4.4	15.0	2.01	13.68	18.26	0.33
韦州二矿	78.2	18.2	3.6	1.02	16.55	35.92	5.26

样品	含量/%	Ro/%	V_daf/%	A_d/%	S/%
红墩子二矿	56.4	39.3	4.3	0.50	28.60	19.10	0.32
刘家沟湾煤矿	87.3	9.6	3.1	2.21	20.61	34.48	1.51
任家庄煤矿	85.6	6.7	7.7	0.61	34.55	7.34	0.72
四股泉二矿	61.8	32.4	5.8	0.72	32.72	8.58	2.02
湾岔沟煤矿	80.6	4.4	15.0	2.01	13.68	18.26	0.33
韦州二矿	78.2	18.2	3.6	1.02	16.55	35.92	5.26

样品	含量/%
四股泉煤矿	3.87	0.120	3.13	1.03	0.003	0.09	0.32	0.05	0.04	0.118	90.93
韦州二矿	21.91	0.413	10.06	1.07	0.018	0.44	0.61	0.30	0.93	0.042	63.65
任家庄二矿	3.78	0.176	3.42	0.10	0.002	0.09	0.12	0.11	0.02	0.112	92.10
湾岔沟煤矿	6.48	0.087	4.22	0.48	0.051	0.97	3.25	0.14	0.07	0.016	83.16
刘家沟湾煤矿	9.15	0.176	6.61	2.15	0.175	4.75	9.07	0.22	0.22	0.050	65.89
红墩子二矿	8.48	0.319	7.13	0.21	0.003	0.10	0.35	0.07	0.05	0.054	83.28
中国煤	8.47	0.330	5.98	4.85	0.015	0.22	1.23	0.16	0.19	0.092	—

样品	含量/%
四股泉煤矿	3.87	0.120	3.13	1.03	0.003	0.09	0.32	0.05	0.04	0.118	90.93
韦州二矿	21.91	0.413	10.06	1.07	0.018	0.44	0.61	0.30	0.93	0.042	63.65
任家庄二矿	3.78	0.176	3.42	0.10	0.002	0.09	0.12	0.11	0.02	0.112	92.10
湾岔沟煤矿	6.48	0.087	4.22	0.48	0.051	0.97	3.25	0.14	0.07	0.016	83.16
刘家沟湾煤矿	9.15	0.176	6.61	2.15	0.175	4.75	9.07	0.22	0.22	0.050	65.89
红墩子二矿	8.48	0.319	7.13	0.21	0.003	0.10	0.35	0.07	0.05	0.054	83.28
中国煤	8.47	0.330	5.98	4.85	0.015	0.22	1.23	0.16	0.19	0.092	—

主要氧化物	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	TFe₂O₃	MnO	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	P₂O₅
灰分产率	0.66	0.31	0.74	0.44	0.36	0.36	0.31	0.77	0.56	-0.46
高岭石	-0.14	—	-0.04	-0.09	-0.16	-0.18	-0.16	-0.58	-0.23	0.08
石英	0.80	0.43	0.50	—	-0.05	-0.06	-0.07	0.55	0.84	-0.20

主要氧化物	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	TFe₂O₃	MnO	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	P₂O₅
灰分产率	0.66	0.31	0.74	0.44	0.36	0.36	0.31	0.77	0.56	-0.46
高岭石	-0.14	—	-0.04	-0.09	-0.16	-0.18	-0.16	-0.58	-0.23	0.08
石英	0.80	0.43	0.50	—	-0.05	-0.06	-0.07	0.55	0.84	-0.20

元素	四股泉二矿	韦州二矿	任家庄二矿	湾岔沟煤矿	刘家沟湾煤矿	红墩子二矿	研究区均值	中国煤	世界煤
Li	28.70	38.10	60.10	34.40	42.50	47.60	41.90	31.80	12.00
Be	1.19	3.57	1.08	3.88	2.86	4.94	2.92	2.11	1.60
Sc	4.26	9.42	4.58	6.44	10.60	7.13	7.07	4.38	3.90
V	33.10	48.90	9.42	27.90	26.90	23.70	28.32	35.10	25.00
Cr	5.09	23.70	2.03	3.60	8.20	5.15	7.96	15.40	16.00
Co	1.13	13.10	0.51	14.20	2.71	1.37	5.50	7.08	5.10
Ni	1.50	22.10	1.13	19.60	9.56	3.65	9.59	13.70	13.00
Cu	7.74	17.60	14.00	5.87	7.45	12.60	10.88	17.50	16.00
Zn	4.99	66.80	3.09	15.00	22.60	5.75	19.71	41.40	23.00
Ga	16.60	18.70	3.67	11.10	12.00	14.70	12.80	6.55	5.80
Rb	1.62	47.00	0.20	2.97	7.80	1.62	10.20	9.25	14.00
Sr	98.40	112.00	490.00	97.30	185.00	31.00	168.95	140.00	110.00
Y	10.70	30.40	12.20	27.70	31.60	17.10	21.62	18.20	8.40
Zr	286.00	322.00	62.50	96.00	228.00	158.00	192.08	89.50	36.00
Nb	14.10	21.80	3.43	5.07	8.16	8.06	10.10	9.44	3.70
Sn	2.18	4.45	1.90	0.58	1.31	1.69	2.02	2.11	1.10
Cs	0.22	3.51	0.02	0.66	0.44	0.14	0.83	1.13	1.00
Ba	98.80	508.00	50.60	89.70	71.00	19.00	139.52	159.00	150.00

元素	四股泉二矿	韦州二矿	任家庄二矿	湾岔沟煤矿	刘家沟湾煤矿	红墩子二矿	研究区均值	中国煤	世界煤
Li	28.70	38.10	60.10	34.40	42.50	47.60	41.90	31.80	12.00
Be	1.19	3.57	1.08	3.88	2.86	4.94	2.92	2.11	1.60
Sc	4.26	9.42	4.58	6.44	10.60	7.13	7.07	4.38	3.90
V	33.10	48.90	9.42	27.90	26.90	23.70	28.32	35.10	25.00
Cr	5.09	23.70	2.03	3.60	8.20	5.15	7.96	15.40	16.00
Co	1.13	13.10	0.51	14.20	2.71	1.37	5.50	7.08	5.10
Ni	1.50	22.10	1.13	19.60	9.56	3.65	9.59	13.70	13.00
Cu	7.74	17.60	14.00	5.87	7.45	12.60	10.88	17.50	16.00
Zn	4.99	66.80	3.09	15.00	22.60	5.75	19.71	41.40	23.00
Ga	16.60	18.70	3.67	11.10	12.00	14.70	12.80	6.55	5.80
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Sr	98.40	112.00	490.00	97.30	185.00	31.00	168.95	140.00	110.00
Y	10.70	30.40	12.20	27.70	31.60	17.10	21.62	18.20	8.40
Zr	286.00	322.00	62.50	96.00	228.00	158.00	192.08	89.50	36.00
Nb	14.10	21.80	3.43	5.07	8.16	8.06	10.10	9.44	3.70
Sn	2.18	4.45	1.90	0.58	1.31	1.69	2.02	2.11	1.10
Cs	0.22	3.51	0.02	0.66	0.44	0.14	0.83	1.13	1.00
Ba	98.80	508.00	50.60	89.70	71.00	19.00	139.52	159.00	150.00

元素	A_d	S	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	TFe₂O₃	MnO	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	P₂O₅
Li	-0.03	-0.10	-0.02	0.03	0.00	-0.16	-0.01	0.00	-0.01	0.00	-0.04	0.06
Be	0.27	0.18	-0.20	0.22	0.39	0.47	0.00	0.00	-0.01	-0.05	-0.06	-0.70
Sc	0.96	0.00	0.49	0.24	0.64	0.00	0.51	0.51	0.45	0.65	0.37	-0.44
V	0.40	0.70	0.63	0.24	0.43	0.18	0.00	0.00	0.00	0.35	0.65	-0.15
Cr	0.58	0.90	0.95	0.60	0.75	0.13	0.00	0.00	0.00	0.70	0.98	-0.15
Co	0.22	0.17	0.35	0.03	0.16	0.00	0.00	0.00	0.00	0.36	0.34	-0.57
Ni	0.46	0.27	0.52	0.08	0.33	0.05	0.05	0.02	0.04	0.59	0.49	-0.67
Cu	0.05	0.34	0.40	0.74	0.36	0.09	-0.22	-0.18	-0.29	0.16	0.41	0.01
Zn	0.64	0.81	0.94	0.47	0.70	0.14	0.01	0.01	0.00	0.84	0.98	-0.22
Ga	0.23	0.39	0.36	0.24	0.34	0.13	0.00	0.00	-0.01	0.07	0.32	-0.07
Rb	0.51	0.88	0.94	0.57	0.68	0.08	0.00	0.00	-0.01	0.72	0.99	-0.12
Sr	-0.13	-0.03	-0.10	-0.05	-0.16	-0.04	0.00	0.00	0.00	0.00	-0.04	0.27
Y	0.82	0.14	0.43	0.07	0.42	0.34	0.46	0.41	0.44	0.71	0.36	-0.72
Zr	0.28	0.66	0.37	0.20	0.29	0.39	0.01	0.02	0.00	0.19	0.43	0.00
Nb	0.25	0.86	0.61	0.40	0.42	0.12	-0.03	-0.02	-0.05	0.28	0.69	0.00
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Ba	0.35	0.91	0.83	0.45	0.51	0.05	-0.02	-0.02	-0.04	0.61	0.94	-0.07

元素	A_d	S	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	TFe₂O₃	MnO	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	P₂O₅
Li	-0.03	-0.10	-0.02	0.03	0.00	-0.16	-0.01	0.00	-0.01	0.00	-0.04	0.06
Be	0.27	0.18	-0.20	0.22	0.39	0.47	0.00	0.00	-0.01	-0.05	-0.06	-0.70
Sc	0.96	0.00	0.49	0.24	0.64	0.00	0.51	0.51	0.45	0.65	0.37	-0.44
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Co	0.22	0.17	0.35	0.03	0.16	0.00	0.00	0.00	0.00	0.36	0.34	-0.57
Ni	0.46	0.27	0.52	0.08	0.33	0.05	0.05	0.02	0.04	0.59	0.49	-0.67
Cu	0.05	0.34	0.40	0.74	0.36	0.09	-0.22	-0.18	-0.29	0.16	0.41	0.01
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鄂尔多斯盆地西缘宁东煤田石炭-二叠纪太原组煤中主微量元素特征及其地质意义

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马风华 , 汪栋刚 , 何庆志 , 王成 , 李通 , 王红

科学技术与工程 | 论文·天文学、地球科学 2025,25(5): 1783-1791

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科学技术与工程 | 论文·天文学、地球科学 2025, 25(5): 1783-1791

鄂尔多斯盆地西缘宁东煤田石炭-二叠纪太原组煤中主微量元素特征及其地质意义

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马风华, 汪栋刚, 何庆志, 王成, 李通, 王红

作者信息

宁夏回族自治区基础地质调查院(宁夏回族自治区地质矿产中心实验室), 银川 750021

马风华(1988—),男,回族,宁夏吴忠人,硕士,工程师。研究方向:能源矿产勘查、地质调查评价。E-mail:mfhatcug@163.com。

Geochemical Characteristics and Geological Significance of Major and Trace Elements in the Permo-Carboniferous Taiyuan Formation Coal from Ningdong Coalfield at the Western Margin of Ordos Basin

Feng-hua MA, Dong-gang WANG, Qing-zhi HE, Cheng WANG, Tong LI, Hong WANG

Affiliations

Geological Survey Insitute of Ningxia Hui Autonomous Region(Geology and Mineral Center Laboratory of Ningxia Hui Autonomous Region), Yinchuan 750021, China

出版时间: 2025-02-18 doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2309199

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摘要

收起

为了揭示宁东煤田石炭-二叠纪太原组海陆过渡相煤中主微量元素地球化学特征及地质意义,通过X射线荧光光谱(X-ray fluorescence,XRF)、电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma-mass spectrometry,ICP-MS)、显微组分鉴定及工业分析等方法研究了煤中主微量元素的来源、赋存状态及其环境指示意义。结果表明:宁东煤田太原组煤中主量元素丰度较高,仅Fe₂O₃低于中国煤均值;煤中主量元素主要来源于陆源碎屑供给、离子态络合及动植物等生物成因;煤中微量元素总体不富集,仅韦州二矿煤中Rb(5.1)达到富集程度,其他元素在不同矿区有不同程度的轻度富集,煤中微量元素主要赋存于黏土矿物中,来源于陆源碎屑,呈与有机质、自生矿物结合的水溶态、离子态赋存。TiO₂/Al₂O₃指示煤中矿物质主要来源于长英质碎屑岩,CaO与MgO的正相关性揭示两者同源共生以白云石形式存在;Sr/Cu、CaO/(MgO·Al₂O₃)等参数揭示聚煤期为温暖潮湿环境,推测温度在15~30 ℃;Sr/Ba指示成煤沼泽为微咸水环境,说明受到海水的影响;Cu/Zn、V/(V+Ni)、Ni/Co、V/Cr等参数揭示聚煤泥炭沼泽整体处于厌氧的氧化还原环境。

关键词

宁东煤田 / 太原组 / 煤 / 微量元素 / 地球化学

Abstract

收起

In order to reveal the characteristics and geological significance of the main micronutrient geochemistry in the Carboniferous-Permian Taiyuan Formation in Ningdong coalfield which deposited in marine-land transition coal-accumulating environment, the X-ray fluorescence(XRF) spectrometry, inductively coupled plasma-mass spectrometry(ICP-MS), macerals identification and industrial analysis were used to study the source, occurrence and environmental significance of trace elements in coals. The results show that the content of major and trace elements in Carboniferous coals of Ningdong coalfield are varies greatly, except the Fe₂O₃ content is lower than the mean content of China coals. The Rb(5.1) is enriched in Weierkuang while other elements are slightly enriched in different micronutrient. The major and trace elements in coal are mainly occurs in clay minerals, and come from the supply of terrigenous clasts and the combination with organic matter and authigenic minerals in water-soluble state and ion state. The ratio of TiO₂/Al₂O₃indicate that the minerals in the coal are mainly derived from felsic clastic rocks, and the positive correlation between CaO and MgO indicates that they coexist in the form of dolomite. The ratio of Sr/Cu and CaO/(MgO·Al₂O₃) and the other parameters indicate the coal-accumulating period is in a warm and humid environment, it is inferred that the temperature is between 15 ℃ and 30 ℃, the ratio of Sr/Ba indicates that the coal-forming marsh is a brackish water environment, which indicates that it is affected by seawater. The parameters of Cu/Zn, V/(V + Ni), Ni/Co and V/Cr revealed that the peat-formed bog was in an anaerobic redox environment.

Key words

Ningdong coalfield / Taiyuan Formation / coal / trace element / geochemistry

引用本文

马风华, 汪栋刚, 何庆志, 王成, 李通, 王红. 鄂尔多斯盆地西缘宁东煤田石炭-二叠纪太原组煤中主微量元素特征及其地质意义. 科学技术与工程, 2025 , 25 (5) : 1783 -1791 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2309199

Feng-hua MA, Dong-gang WANG, Qing-zhi HE, Cheng WANG, Tong LI, Hong WANG. Geochemical Characteristics and Geological Significance of Major and Trace Elements in the Permo-Carboniferous Taiyuan Formation Coal from Ningdong Coalfield at the Western Margin of Ordos Basin[J]. Science Technology and Engineering, 2025 , 25 (5) : 1783 -1791 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2309199

正文

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煤中主微量元素的研究在资源能源保障、煤炭清洁利用和聚煤环境研究等方面具有现实意义。在特定的地质条件下,可以富集锂、铝、钪、钛、钒、镓、锗、硒、锆、铌、铪、钽、铀、稀土元素(包括镧系元素和钇)、贵金属等有益元素,并达到可利用的程度和规模^[1]。余学海等^[2]研究认为煤中矿物是微量元素的宿主;何静等^[3]研究认为煤中微量元素尤其是对古环境具有指示意义的元素,如Sr、Ba、B、V、Co、Ni等元素,可以反映成煤泥炭沼泽中水体的古盐度、氧化还原等环境状态;Dai等^[4]统计了中国煤中主微量元素的均值,并探讨了煤中微量元素对人体健康以及供应开发利用的影响;李祥等^[5]认为煤中微量元素的富集受沉积物源、成煤沼泽、成煤植物、古气候、岩浆热液和地下水等因素的影响。

宁东煤田是宁夏最重要的煤炭资源赋存基地^[6],针对该地区煤的研究具有深化地质认识和促进煤炭清洁高效利用双重意义。研究区晚古生代聚煤规律、煤岩煤质、有害元素及稀土元素方面研究成果众多。华芳辉等^[7]研究认为宁东煤田红墩子矿区晚古生代煤形成于海陆过渡环境,主要包括障壁海岸沉积和河流三角洲沉积;吴蒙等^[8]研究认为宁东煤田晚古生代煤中黄铁矿是微量元素 Cl、F、V、Pb 和 As 的重要载体,而有机硫决定了煤层中 Ga 的富集;秦国红^[9]认为宁东煤田5号煤层富集Li和Th;刘亢等^[10]认为鄂尔多斯盆地西缘煤中Li和Ga较为富集;秦国红等^[11]研究了鄂尔多斯盆地西缘煤中微量元素共生组合特征,认为晚古生代煤的物源为阿拉善地块和阴山古陆。但是,针对煤中主微量元素的来源、赋存特征、控制因素及蕴含的地质意义方面揭示得还不够具体,尤其是针对煤中主微量元素地球化学特征所反映的古环境研究基本处于空白。在前人研究的基础上,以煤中主微量元素含量、赋存特征、来源及相关参数比值为依据,开展主微量元素赋存特征及来源、物源、古气候、古盐度、古氧化还原环境等古环境方面的研究,以期丰富、深化研究区煤中主微量元素地球化学和古聚煤环境方面的认识。

1 地质背景

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宁东煤田在大地构造上位于鄂尔多斯盆地西缘褶皱逆冲带中部(图1),在晚石炭世受鄂尔多斯地块、阿拉善地块和秦岭-祁连造山带等多个构造域构造运动的影响^[12],晚古生代由于古亚洲洋持续向南俯冲闭合,阿拉善地块、阴山造山带成为盆地西缘物源区,至晚石炭世受海西运动影响,鄂尔多斯盆地整体沉降,早期受祁连海影响,晚期受祁连海与华北海共同影响,形成陆缘海,发育滨海相-三角洲相沉积^[8,13]。区内发育太原组煤层4~20层,煤层平均厚度介于8.98~21.21 m,煤层变质程度中等,煤类包含气煤、肥煤、焦煤、瘦煤及贫煤多个类别,煤质具有低灰-中灰、中低硫、低磷、中低氯等特征。

2 样品采集与测试

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研究样品采自宁东煤田红墩子二矿、任家庄煤矿、刘家沟湾煤矿、湾岔沟煤矿、韦州二矿、四股泉二矿(图1),每个生产煤矿各采样一件,共采集6件样品,采集煤层为晚古生代石炭-二叠纪太原组煤层。测试工作全部在中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室完成,测试工作符合国家相关标准。利用2016048408耶拿specord 200 plus紫外可见分光光度计和光学显微镜进行了煤的显微组分和镜质体反射率(Ro)测试;利用马弗炉和精准天平进行了煤的工业分析测试;利用波长色散X射线荧光光谱仪(ZSX PrimusⅡ)和电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7700e)进行了煤的主微量分析测试。

3 结果与讨论

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3.1 煤岩煤质特征

如表1所示,宁东煤田太原组煤的有机显微组分以镜质组为主,含量介于56.4%~87.3%,惰质组含量介于4.4%~39.3%,壳质组含量介于3.1%~7.7%;镜质体最大反射率(R_O)介于0.5%~2.21%,属中煤级煤。煤的干燥基挥发分含量介于13.68%~34.55%,灰分产率介于7.34%~34.48%;煤中硫的含量介于0.33%~5.26%,韦州二矿硫含量异常高,属特高硫煤。

3.2 主量元素特征

煤的主量元素通常以氧化物形式表述,宁东煤田太原组煤的主量元素氧化物含量统计如表2所示,煤中SiO₂含量介于3.78%~21.91%,TiO₂含量介于0.087%~0.413%,Al₂O₃含量介于3.13%~10.06%,Fe₂O₃含量介于0.1%~2.15%,MnO含量介于0.002%~0.175%,MgO含量介于0.09%~4.75%,CaO含量介于0.12%~9.07%,Na₂O含量介于0.05%~0.30%,K₂O含量介于0.02%~0.93%,P₂O₅含量介于0.016%~0.118%;与中国煤均值相比^[4],研究区煤样中主量元素丰度总体较高;韦州二矿煤样的SiO₂、MgO、K₂O分别是其2.6、2、4.9倍,湾岔沟煤矿煤样的MnO、MgO、CaO分别是其3.4、4.4、2.6倍,刘家沟湾煤矿煤样的MnO、MgO、CaO分别是其11.7、21.6、7.4倍,所有样品中仅Fe₂O₃含量全部低于中国煤均值(4.85%)。

宁东煤田太原组煤中主量元素氧化物含量变化总体较大,反映了研究区不同煤样所代表区域在煤炭沉积作用、成岩作用过程中的复杂性和差异性。如表3的相关性统计显示,煤中SiO₂、Al₂O₃、Na₂O、K₂O与灰分产率呈显著相关性, TiO₂、Fe₂O₃、MnO、CaO与灰分产率呈正相关性,但相关系数均小于0.5,P₂O₅与灰分产率呈负相关性,相关系数为0.46;上述相关性一方面反映了煤中灰分产率主要来源于黏土矿物与石英,另一方面指示不同矿区因黄铁矿、方解石等自生矿物含量不同而提供了不同程度的灰分物质组成;灰分产率与P₂O₅的负相关性表明煤中矿物质的增多会造成动植物提供P含量的相对减少。主要元素氧化物含量与高岭石矿物含量相关性均较差,而石英含量与SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、Na₂O、K₂O有较好的相关性,表明煤中主量元素中Si占主导地位,和Al含量不具一致性,说明煤中Si除来源于黏土矿物外,还有相当部分以碎屑石英或其他SiO₂矿物形式存在,并伴随Ti、Al、Na、K等离子以碎屑形式进入沼泽,而高岭石在碎屑搬运、沉积及成岩作用过程中,因黄铁矿、方解石等矿物的形成及大量离子的交换,造成高岭石含量更为显著的变化,从而导致其与主量元素相关性变差。

为进一步对煤中主量元素进行类别、来源及归属等方面的研究,对主量元素氧化物进行聚类分析如图2所示,共得出3个组群;组群Ⅰ包括SiO₂、K₂O、Na₂O、TiO₂、Al₂O₃共5种主量元素,其主要来源于物源区,以矿物碎屑或离子的形式进入煤层,具有源区继承性,主要包括石英及黏土矿物;组群Ⅱ包括Fe₂O₃、MnO、CaO、MgO共4种主量元素,其在成煤成岩演化过程中,可能以离子或流体形式进入煤层,形成白云石、方解石、黄铁矿等自生、次生矿物;组群Ⅲ包括P₂O₅这1种主量元素,其主要来源于动植物等生物成因,聚类分析结果与前述相关性分析结果一致。

3.3 微量元素特征

通过电感耦合等离子体质谱仪对煤中微量元素进行测试,结果如表4所示。按照代世峰等^[1]提出的富集系数理论,选取中国煤中微量元素均值对研究区煤样进行了富集系数进行计算(图3)。与中国煤均值相比^[4],研究区煤中微量元素总体以正常或亏损为主,仅韦州二矿煤中Rb达到富集程度,其他微量元素在不同矿区有不同程度的轻度富集。四股泉二矿煤样中Ga(2.5)、Zr(3.2)轻度富集;韦州二矿煤样中Sc(2.2)、Ga(2.9)、Zr(3.6)、Nb(2.3)、Sn(2.1)、Cs(3.1)、Ba(3.2)轻度富集,Rb(5.1)富集;任家庄二矿煤样Sr(3.5)轻度富集;湾岔沟煤矿煤样Co(2.0)轻度富集;刘家沟湾煤矿煤样Sc(2.4)、Zr(2.6)轻度富集;红墩子二矿煤样Be(2.3)轻度富集。

为进一步分析煤中微量元素的控制要素,对宁东煤田太原组煤的微量元素与灰分产率、S及主量元素氧化物进行相关性分析,如表5所示,并对微量元素进行聚类分析(图4),聚类分析的统计量为相似性矩阵,聚类方法为质心聚类法,区间的相关性按照Pearson相关性进行计算,共得到3个大的组群。

组群Ⅰ:包括Li、Sr共两种元素与灰分产率、S及主量元素氧化物相关性极差,说明这两种元素可能主要以有机质结合态赋存于煤中。

组群Ⅱ:包括Be、Sc、Y、Co、Ni共5种元素,该组群元素总体上与灰分产率、SiO₂、Al₂O₃、N₂O呈相对较好的正相关性,与P₂O₅呈负相关性,表明该组群元素主要来源于物源区,伴随陆源碎屑的输入进入煤中,主要赋存于黏土矿物中。

组群Ⅲ:包括V、Cr、Rb、Cs、Zn、Ba、Nb、Sn、Ga、Zr、Cu共11种元素,该组群元素与S、SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、Na₂O、K₂O呈相对较好的正相关性,从来源上看该组元素属于陆源碎屑输入;从赋存状态看该组元素具有亲硫性,主要赋存于黏土矿物中;该组元素与灰分产率相关性总体一般,表明部分元素可能以水溶态或与有机质结合态赋存,这与聚类分析图中该组群由多个级次组合构成相一致。

4 主微量元素地质意义

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用煤中元素组分、含量及其与某些元素的比值在判断沉积速率、水体盐度、古气候、氧化还原条件等方面具有广泛的应用^[5],是聚煤背景研究的有效指标。

4.1 沉积物源

一般认为SiO₂、Al₂O₃、K₂O、TiO₂代表煤中陆源碎屑物质组分,如长石、石英、黏土矿物等,而Fe₂O₃、Na₂O、CaO代表生物源组分,是植物中常见的矿物质元素,宁东煤田太原组煤中主量元素氧化物以Si、Al为主,Fe、Na、Ca含量相对较少,反映了煤炭沉积时物质来源主要以陆源碎屑物质供应为主。

SiO₂和Al₂O₃比值介于1.11~2.18,仅韦州二矿、湾岔沟煤矿煤样高于中国煤均值(1.42),任家庄二矿煤矿低于高岭石的理论值(1.18),表明煤中Al主要以黏土矿物为载体,存在于富Si的矿物中。煤中Ti主要赋存于黏土矿物当中,研究区煤中TiO₂与Al₂O₃呈正相关性[图5(a)],相关系数为0.72,说明两种具有同源性,都来源于陆源碎屑供应。煤中Ca主要以方解石形式存在,其与Mg为同主族亲石元素,研究区煤中CaO与MgO呈正相关性[图5(b)],相关系数达0.97,CaO/MgO介于1.33~5.59,而白云石中CaO/MgO比值为1.39,铁白云石中CaO/MgO比值为4.64,表明存在碳酸盐矿物的煤中具有多种碳酸盐矿物且同源共生。

Hayashi等^[14]认为Al₂O₃/TiO₂比值是判断煤系沉积岩源岩类型的有效指标,其中镁铁质为3~8,中英质为8~21,长英质为21~70。研究区煤样的Al₂O₃与TiO₂的比率范围为19.4~48.5,仅任家庄煤样值小于21[图5(a)],据此推断宁东煤田太原组煤炭沉积的无机物主要来源于长英质物源区。

郑玉龙等^[15]认为沉积岩中K₂O/Al₂O₃值能够反映主要常量元素控制的矿物的状况,其中黏土矿物中的K₂O/Al₂O₃一般小于0.3;研究区煤样的K₂O/Al₂O₃仅为0.01~0.09,明显小于0.3,一方面表明煤中主量元素主要由黏土矿物控制,另一方面表明各矿区黏土矿物对主量元素的控制程度并不一致。Al₂O₃/(CaO+K₂O)能够反映沉积岩样品中稳定组分和不稳定组分的相对含量,研究区煤样Al₂O₃/(CaO+K₂O)介于0.71~24.43,说明煤中稳定组分与不稳定组合差异极大,指示除黏土矿物本身对主量元素控制程度的差异外,在成煤、成岩及不同热演化背景下,煤中进入的流体类型和自生、次生矿物的生成对煤中稳定组分和不稳定组分含量有显著影响,研究中湾岔沟煤矿、刘家沟湾煤矿煤样中较高含量的方解石、白云石就造成Al₂O₃/(CaO+K₂O)值的显著降低。

4.2 古气候

师晶等^[16]研究认为Sr含量高可能代表干旱炎热气候条件下湖水浓缩沉淀或海水影响,干旱炎热时Sr含量高,温暖湿润时Sr含量低。因此,Sr/Cu对气候变化敏感,可以良好的记录气候变化信息,Sr/Cu介于1.3~5指示温暖潮湿气候,Sr/Cu大于5指示干旱炎热气候^[17],研究区煤样Sr/Cu介于2.5~35,指示干旱炎热气候[图6(a)],但考虑到研究区由海水影响可能导致Sr元素值的普遍偏高,导致Sr/Cu的气候判别失真,认为研究区煤层沉积总体处于温暖潮湿气候条件。

吴丰昌等^[18]研究表明,贵州红枫湖于1960—1990年在平均气温15 ℃条件下,沉积物中CaO/(MgO·Al₂O₃)主要分布在0.043~0.104,平均值为0.075。研究区煤中CaO/(MgO·Al₂O₃)介于0.14~1.14,较贵州红枫地区沉积之值高,据此推测研究区聚煤时期年平均古温度应大于15 ℃,属于温暖潮湿气候。

李振清等^[19]、刘俊海等^[20]通过Sr元素含量和古水体温度的研究,得出计算古水温的经验公式:Y=2 578-80.8T,其中Y为Sr元素含量,T为古水体温度,据此计算出研究区成煤沼泽的古水体温度在25.8~31.5 ℃。综上所述,宁东煤田石炭系煤的聚煤期为温暖潮湿气候背景。

4.3 古盐度

Ba和Sr元素含量及两者的比值通常被用来判断水体的古盐度参数^[21-25]。当Sr/Ba大于1是为盐湖或海相沉积,Sr/Ba小于0.6为微咸水相沉积,Sr/Ba在0.6~1为半咸水相沉积。研究区Sr/Ba为0.22~9.68,其中韦州二矿为微咸水相沉积,其他5个采样区均属海相沉积[图6(b)],同时煤中较高的Sr值也反映了海相沉积作用的影响,因此除韦州二矿外其他矿区在煤层沉积过程中受到海水不同程度的影响。

4.4 古氧化还原环境

李祥等^[5]、李艳芳等^[26]、陆雨诗等^[27]、马风华等^[28]采用Cu/Zn、V/(V+Ni)、Ni/Co是古氧化还原条件判断的有效指标,如Cu/Zn大于0. 3反映还原条件,V/(V+Ni)>0.54代表厌氧环境,Ni/Co大于1.8代表还原环境。据此开展研究区煤层沉积氧化还原环境分析(图7),结果显示宁东煤田煤炭形成时期泥炭沼泽总体处于厌氧的氧化还原环境,Ni/Co揭示四股泉二矿、湾岔沟煤矿及韦州二矿为氧化环境[图7(c)],原因可能为聚煤是沉积背景较为复杂,在海水和物源的共同作用下, 煤中Ni、Co元素相对含量发生变化,导致Ni/Co比值降低的情况,从而造成处于氧化环境的假象。

Jones等^[29]通过对挪威北海地区古沉积水体氧化还原状态的研究发现,当V/Cr小于2时表示古氧化环境, V/Cr大于2时表示还原环境,研究区煤样的V/Cr介于2.06~7.75,显示了较强的还原环境。

综上所述,宁东煤田太原组煤的煤岩煤质、主量元素、微量元素及其指示的聚煤背景显示,该地区石炭系聚煤期沉积构造背景相对稳定,但受局部微地形、微地貌、微环境及海水影响程度控制,导致成煤泥炭沼泽特征的不同,从而形成煤岩煤质与主微量元素不同的富集特征。

5 结论

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(1)宁东煤田太原组煤的煤岩煤质变化程度较大,主微量元素富集程度也不一致,煤中Fe₂O₃低于中国煤均值,韦州二矿煤中Rb(5.1)元素富集,其他煤样微量元素多数为正常或亏损,仅部分为轻度富集程度。

(2)煤中SiO₂、K₂O、Na₂O、TiO₂、Al₂O₃来源于陆源碎屑供应,Fe₂O₃、MnO、CaO、MgO主要来源于煤中自生矿物,P₂O₅源于动植物等生物成因;煤中Li、Sr以离子态赋存,且受海水影响,Be、Sc、Y、Co、Ni主要来源于物源供应,且赋存于黏土中,V、Cr、Rb、Cs、Zn、Ba、Nb、Sn、Ga、Zr、Cu元素来源于碎屑且赋存于黄铁矿及黏土矿物中。

(3)宁东煤田太原组煤中碎屑物质主要来源于长英质陆源碎屑源区,聚煤期气候温暖潮湿,推测温度在15~30 ℃,聚煤沼泽为半咸水至海相,反映受到海水不同程度的影响,泥炭沼泽保存于厌氧的还原环境。

基金

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宁夏自然科学基金(2022AAC03650)
宁夏自然科学基金(2023AAC03765)
中国矿产地质志项目(DD20221695)
中国矿产地质志项目(DD20190379)
中国矿产地质志项目(DD20160346)

参考文献

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文献

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2025年第25卷第5期

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doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2309199

接收时间：2023-11-22
首发时间：2025-07-29
出版时间：2025-02-18

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出版历史

收稿日期：2023-11-22
修回日期：2024-07-19

基金

宁夏自然科学基金(2022AAC03650)

宁夏自然科学基金(2023AAC03765)

中国矿产地质志项目(DD20221695)

中国矿产地质志项目(DD20190379)

中国矿产地质志项目(DD20160346)

作者信息

宁夏回族自治区基础地质调查院(宁夏回族自治区地质矿产中心实验室), 银川 750021

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

样品	含量/%	Ro/%	V_daf/%	A_d/%	S/%
红墩子二矿	56.4	39.3	4.3	0.50	28.60	19.10	0.32
刘家沟湾煤矿	87.3	9.6	3.1	2.21	20.61	34.48	1.51
任家庄煤矿	85.6	6.7	7.7	0.61	34.55	7.34	0.72
四股泉二矿	61.8	32.4	5.8	0.72	32.72	8.58	2.02
湾岔沟煤矿	80.6	4.4	15.0	2.01	13.68	18.26	0.33
韦州二矿	78.2	18.2	3.6	1.02	16.55	35.92	5.26

样品

含量/%

Ro/%

V_daf/%

A_d/%

S/%

镜质组

惰质组

壳质组

红墩子二矿

56.4

39.3

4.3

0.50

28.60

19.10

0.32

刘家沟湾煤矿

87.3

9.6

3.1

2.21

20.61

34.48

1.51

任家庄煤矿

85.6

6.7

7.7

0.61

34.55

7.34

0.72

四股泉二矿

61.8

32.4

5.8

0.72

32.72

8.58

2.02

湾岔沟煤矿

80.6

4.4

15.0

2.01

13.68

18.26

0.33

韦州二矿

78.2

18.2

3.6

1.02

16.55

35.92

5.26

样品	含量/%
四股泉煤矿	3.87	0.120	3.13	1.03	0.003	0.09	0.32	0.05	0.04	0.118	90.93
韦州二矿	21.91	0.413	10.06	1.07	0.018	0.44	0.61	0.30	0.93	0.042	63.65
任家庄二矿	3.78	0.176	3.42	0.10	0.002	0.09	0.12	0.11	0.02	0.112	92.10
湾岔沟煤矿	6.48	0.087	4.22	0.48	0.051	0.97	3.25	0.14	0.07	0.016	83.16
刘家沟湾煤矿	9.15	0.176	6.61	2.15	0.175	4.75	9.07	0.22	0.22	0.050	65.89
红墩子二矿	8.48	0.319	7.13	0.21	0.003	0.10	0.35	0.07	0.05	0.054	83.28
中国煤	8.47	0.330	5.98	4.85	0.015	0.22	1.23	0.16	0.19	0.092	—

样品

含量/%

SiO₂

TiO₂

Al₂O₃

TFe₂O₃

MnO

MgO

CaO

Na₂O

K₂O

P₂O₅

LOI

四股泉煤矿

3.87

0.120

3.13

1.03

0.003

0.09

0.32

0.05

0.04

0.118

90.93

韦州二矿

21.91

0.413

10.06

1.07

0.018

0.44

0.61

0.30

0.93

0.042

63.65

任家庄二矿

3.78

0.176

3.42

0.10

0.002

0.09

0.12

0.11

0.02

0.112

92.10

湾岔沟煤矿

6.48

0.087

4.22

0.48

0.051

0.97

3.25

0.14

0.07

0.016

83.16

刘家沟湾煤矿

9.15

0.176

6.61

2.15

0.175

4.75

9.07

0.22

0.050

65.89

红墩子二矿

8.48

0.319

7.13

0.21

0.003

0.10

0.35

0.07

0.05

0.054

83.28

中国煤

8.47

0.330

5.98

4.85

0.015

0.22

1.23

0.16

0.19

0.092

—

主要氧化物	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	TFe₂O₃	MnO	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	P₂O₅
灰分产率	0.66	0.31	0.74	0.44	0.36	0.36	0.31	0.77	0.56	-0.46
高岭石	-0.14	—	-0.04	-0.09	-0.16	-0.18	-0.16	-0.58	-0.23	0.08
石英	0.80	0.43	0.50	—	-0.05	-0.06	-0.07	0.55	0.84	-0.20

主要氧化物

SiO₂

TiO₂

Al₂O₃

TFe₂O₃

MnO

MgO

CaO

Na₂O

K₂O

P₂O₅

灰分产率

0.66

0.31

0.74

0.44

0.36

0.31

0.77

0.56

-0.46

高岭石

-0.14

—

-0.04

-0.09

-0.16

-0.18

-0.16

-0.58

-0.23

0.08

石英

0.80

0.43

0.50

—

-0.05

-0.06

-0.07

0.55

0.84

-0.20

元素	四股泉二矿	韦州二矿	任家庄二矿	湾岔沟煤矿	刘家沟湾煤矿	红墩子二矿	研究区均值	中国煤	世界煤
Li	28.70	38.10	60.10	34.40	42.50	47.60	41.90	31.80	12.00
Be	1.19	3.57	1.08	3.88	2.86	4.94	2.92	2.11	1.60
Sc	4.26	9.42	4.58	6.44	10.60	7.13	7.07	4.38	3.90
V	33.10	48.90	9.42	27.90	26.90	23.70	28.32	35.10	25.00
Cr	5.09	23.70	2.03	3.60	8.20	5.15	7.96	15.40	16.00
Co	1.13	13.10	0.51	14.20	2.71	1.37	5.50	7.08	5.10
Ni	1.50	22.10	1.13	19.60	9.56	3.65	9.59	13.70	13.00
Cu	7.74	17.60	14.00	5.87	7.45	12.60	10.88	17.50	16.00
Zn	4.99	66.80	3.09	15.00	22.60	5.75	19.71	41.40	23.00
Ga	16.60	18.70	3.67	11.10	12.00	14.70	12.80	6.55	5.80
Rb	1.62	47.00	0.20	2.97	7.80	1.62	10.20	9.25	14.00
Sr	98.40	112.00	490.00	97.30	185.00	31.00	168.95	140.00	110.00
Y	10.70	30.40	12.20	27.70	31.60	17.10	21.62	18.20	8.40
Zr	286.00	322.00	62.50	96.00	228.00	158.00	192.08	89.50	36.00
Nb	14.10	21.80	3.43	5.07	8.16	8.06	10.10	9.44	3.70
Sn	2.18	4.45	1.90	0.58	1.31	1.69	2.02	2.11	1.10
Cs	0.22	3.51	0.02	0.66	0.44	0.14	0.83	1.13	1.00
Ba	98.80	508.00	50.60	89.70	71.00	19.00	139.52	159.00	150.00

元素

四股泉二矿

韦州二矿

任家庄二矿

湾岔沟煤矿

刘家沟湾煤矿

红墩子二矿

研究区均值

中国煤

世界煤

28.70

38.10

60.10

34.40

42.50

47.60

41.90

31.80

12.00

1.19

3.57

1.08

3.88

2.86

4.94

2.92

2.11

1.60

4.26

9.42

4.58

6.44

10.60

7.13

7.07

4.38

3.90

33.10

48.90

9.42

27.90

26.90

23.70

28.32

35.10

25.00

5.09

23.70

2.03

3.60

8.20

5.15

7.96

15.40

16.00

1.13

13.10

0.51

14.20

2.71

1.37

5.50

7.08

5.10

1.50

22.10

1.13

19.60

9.56

3.65

9.59

13.70

13.00

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17.60

14.00

5.87

7.45

12.60

10.88

17.50

16.00

4.99

66.80

3.09

15.00

22.60

5.75

19.71

41.40

23.00

16.60

18.70

3.67

11.10

12.00

14.70

12.80

6.55

5.80

1.62

47.00

0.20

2.97

7.80

1.62

10.20

9.25

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98.40

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490.00

97.30

185.00

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18.20

8.40

286.00

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96.00

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158.00

192.08

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36.00

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8.16

8.06

10.10

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2.02

2.11

1.10

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0.66

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0.14

0.83

1.13

1.00

98.80

508.00

50.60

89.70

71.00

19.00

139.52

159.00

150.00

元素	A_d	S	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	TFe₂O₃	MnO	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	P₂O₅
Li	-0.03	-0.10	-0.02	0.03	0.00	-0.16	-0.01	0.00	-0.01	0.00	-0.04	0.06
Be	0.27	0.18	-0.20	0.22	0.39	0.47	0.00	0.00	-0.01	-0.05	-0.06	-0.70
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V	0.40	0.70	0.63	0.24	0.43	0.18	0.00	0.00	0.00	0.35	0.65	-0.15
Cr	0.58	0.90	0.95	0.60	0.75	0.13	0.00	0.00	0.00	0.70	0.98	-0.15
Co	0.22	0.17	0.35	0.03	0.16	0.00	0.00	0.00	0.00	0.36	0.34	-0.57
Ni	0.46	0.27	0.52	0.08	0.33	0.05	0.05	0.02	0.04	0.59	0.49	-0.67
Cu	0.05	0.34	0.40	0.74	0.36	0.09	-0.22	-0.18	-0.29	0.16	0.41	0.01
Zn	0.64	0.81	0.94	0.47	0.70	0.14	0.01	0.01	0.00	0.84	0.98	-0.22
Ga	0.23	0.39	0.36	0.24	0.34	0.13	0.00	0.00	-0.01	0.07	0.32	-0.07
Rb	0.51	0.88	0.94	0.57	0.68	0.08	0.00	0.00	-0.01	0.72	0.99	-0.12
Sr	-0.13	-0.03	-0.10	-0.05	-0.16	-0.04	0.00	0.00	0.00	0.00	-0.04	0.27
Y	0.82	0.14	0.43	0.07	0.42	0.34	0.46	0.41	0.44	0.71	0.36	-0.72
Zr	0.28	0.66	0.37	0.20	0.29	0.39	0.01	0.02	0.00	0.19	0.43	0.00
Nb	0.25	0.86	0.61	0.40	0.42	0.12	-0.03	-0.02	-0.05	0.28	0.69	0.00
Sn	0.15	0.86	0.62	0.62	0.43	0.01	-0.12	-0.09	-0.18	0.30	0.73	-0.01
Cs	0.45	0.83	0.91	0.49	0.62	0.05	-0.01	0.00	-0.02	0.68	0.96	-0.17
Ba	0.35	0.91	0.83	0.45	0.51	0.05	-0.02	-0.02	-0.04	0.61	0.94	-0.07

元素

A_d

SiO₂

TiO₂

Al₂O₃

TFe₂O₃

MnO

MgO

CaO

Na₂O

K₂O

P₂O₅

-0.03

-0.10

-0.02

0.03

0.00

-0.16

-0.01

0.00

-0.01

0.00

-0.04

0.06

0.27

0.18

-0.20

0.22

0.39

0.47

0.00

-0.01

-0.05

-0.06

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0.00

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0.00

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0.70

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0.00

0.35

0.65

-0.15

0.58

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0.95

0.60

0.75

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