煤形成的地质年代 煤的地球化学特征及成煤环境分析

前言

宁武煤田石炭-二叠系煤层多处富集锂、镓、铝、稀土等多种关键金属元素，但是这些元素的分布规律和富集机理尚未完全达成共识。

1.研究对象的选取

本次研究选取宁武煤田平朔矿区东露天 11#煤层作为研究对象，以煤地质学、煤岩学、矿物学、地球化学等理论为指导，利用显微镜、电感耦合等离子体质谱仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、激光共焦显微拉曼光谱仪、带能谱的扫描电子显微镜、带能谱的高分辨透射电镜、激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪、低温灰化仪结合 X 射线衍射分析对东露天的 11 个样品进行分析测试。

通过对东露天 11#煤层常量和微量元素含量、矿物组成和显微煤岩组分分析，讨论煤层形成的碎屑物源、沉积微相，进而建立沉积环境对微量元素富集影响关系。取得了如下结果

2.含量特征

东露天 11#煤为高硫、高灰、高挥发性烟煤；煤层中挥发份含量差异较大，除了煤层底部的样品，其它分层表现为高灰特征。11#煤层宏观煤岩特征为半暗煤为主，顶部有少量腐泥煤。显微煤岩组分中镜质组含量为 61.6%~91.0%，且以基质镜质体为主；惰质组含量为 9.1%~44.5%，丝质体和半丝质体最为常见。

高岭石和黄铁矿广泛分布于整个煤层中；部分分层中检测到了石英、方解石、 勃姆石、绿泥石、锐钛矿和金红石；其中石英主要分布在煤层上部，在顶板中含量最高；方解石主要分布在煤层中下部；勃姆石主要分布在煤层底部。

国外对煤中微量元素的研究起步较早，1848 年苏格兰煤灰中发现锌元素和镉元素，至今有约 160 多年的历史。20 世纪 30 年代前国外对煤中微量元素的研究主要是表现在发现煤中存在新的微量元素，已发现元素达 80 多种我国也有众多学者对中国煤中微量元素含量和分布规律进行了深入研究。

汇总了中国煤中 63 种微量元素的背景值和“异常富集值”，系统介绍了中国煤中微量元素的含量和赋存状态对于不同的煤盆地和成煤时期，总有一种或多种特定的地质因素对煤中微量元素的富集产生影响。有研究者将煤中微量元素富集分为两类

（1）植物和部分动物的积累；

（2）泥炭阶段和后期地质作用（包括煤化作用和后生作用）。Ren 等和 Dai 等总结了中国煤的微量元素富集类型包括源岩、海洋环境、热液（包括岩浆型、低温热液型和海底喷流控制型）、地下水和火山灰控制型。

有学者将总结出煤中稀有金属元素富集的成因类型包括：陆源型、凝灰岩型、入渗的地下水驱动型和出渗型（煤中稀土金属元素来源于上升的热液流体、气饱和矿物质水或深部流体）。Dai 等提出了中国煤中几种关键金属元素（镓、锗、铀、稀土、钇、铌、锆、硒、钒、铢、金和银）

本次研究以山西省宁武煤田平朔矿区东露天煤矿 11#煤层的煤样和顶板夹矸为研究 对象，在文献研究基础上，应用煤岩学、矿物学、沉积学和地球化学等相关学科知识 重点研究以下内容：

煤质分析：利用工业分析测试，通过水分、灰分、挥发分和全硫含量对东露天 11#煤煤质进行分析。煤中矿物的赋存状态分析：利用光学显微镜、带能谱的扫描电镜、高分辨透射电镜、显微拉曼光谱、低温灰化、X 射线衍射等研究手段，研究东露天 11#煤中矿物组成和赋存状态。

煤岩学特征及古环境分析：通过对研究区煤的显微煤岩组分形态及含量统计、反射率测定等实验测定，并运用地球化学和煤岩学相结合的方法，分析其煤岩学特征，探讨成煤期古生态环境。

微量元素分布规律：通过 ICP-MS（电感耦合等离子体质谱仪）和 ICP-OES（电感耦合等离子体发射光谱仪）分析对东露天 11#煤的主量元素和微量元素进行分析，并结合其敏感元素推断聚煤期的成煤环境。通过对成煤环境分析和微量元素赋存特征分析，探讨古泥炭沉积环境对微量元素富集影响因素

宁武煤田位于山西省北部，面积约 2760km2，平朔矿区位于宁武煤田北部，矿区内有东露天、安太堡和安家岭三个露天煤矿，三大煤矿境界线内土地面积 380km，安太堡、安家岭和东露天的露天开采境界线内面积 111.85km 开采持续时间约为 110 年（1986-2095 年）。

东露天矿田位于宁武煤田北端，具有煤层厚、煤质好、煤层埋藏浅、地质构造简单、剥采比低的特点，是我国为数不多的适合露天开采的优良矿田之一。矿区内存在自北向南贯穿于平朔矿区中东部的向斜，延伸长度约2 km，向斜东翼倾角较大，约 15°~30°地层起伏不大，西翼较为平坦，倾角在 10°以下，伴生大量小型褶皱和断层。

区域内晚古生代含煤地层为太原组和山西组，平均厚度分别为 72 米和 90 米。太原组共含 7 层煤，其中 9#、11#为稳定可采煤层；山西组共含4 层煤，其中 4 号煤为稳定可采煤层。太原组形成于潮坪沉积环境，山西组形成于上三角洲平原沉积环境。

样品采集与制备

1.样品采集

本次研究根据《煤层煤样采取方法》（GB/T 482-2008），在平朔矿区东露天煤矿进行分层刻槽取样，共采集 12 件样品，包括分层煤样 10 件、顶板样品 1 件和夹矸样品 1 件。采样剖面和样品编号见图 2-3。受样品采集条件限制，煤层底板样品未能采集。

样品采集后迅速装入塑料袋以防污染和氧化。使用四分法取一份样品进行测试分析，其余样品在塑料袋中储存备用。因为 DLT-11-1 样品采集量过少，所以分析测试结果均不包含这件样品。

2.样品制备

地质锤进行粗碎，按照四分法分成四份，取 1/4 放入玛瑙研钵研磨至 18~150 目进行 粉煤光片制备，取 3/4 放入玛瑙研钵研磨至 80 目，然后将 80 目样品按照四分法分成四份，取 1/4 进行地球化学测试，取 3/4 进行工业分析。

将剩余样品保存在塑封袋中，以备日后使用。选取方解石脉发育的 DLT-11-5 样品对方解石脉和方解石脉周围的镜质体进行 LAICP-MS 分析。对 DLT-11-5 方解石脉周围镜质体（11-5-V）进行手工剥离，在双目镜下逐粒挑选，保证所有样品均为镜质体，进行 ICP-MS 稀土含量测试

有机质是煤的最基本的组成，可用以定义煤的性质（如煤的级别和类型），煤的各种应用，因此进行煤岩特征的分析是其他煤地质相关研究的基础工作之一。肉眼可看出煤多是不均一的，可分辨出不同的宏观煤岩成分，依据不同宏观煤岩成分的组合，可判断其宏观煤岩类型。

显微镜下可进一步识别煤的显微组分，显微镜下通常有透光和反射光两种方法，使用配备 BRICC-MTM 煤岩分析系统的徕卡 DMC-4500 显微镜在油浸反射光条件下，鉴定标志包括反射色、形态及突起。

惰质体显微组分的形状和细胞结构保存程度受不同成煤植物组织和沉积环境及其演化的影响。惰质体中保存植物细胞结构的显微组分有丝质体、半丝质体和真菌体；无植物细胞结构的显微组分有分泌体、粗粒体和微粒体；呈碎屑状的惰质体显微组分为惰质碎屑体

宏观煤岩组成是根据肉眼所观察的煤的光泽、颜色、硬度、脆度、断口、形态等主要特征而区分的煤岩成分及其组合类型。煤岩成分是指宏观可识别的煤的基本组成单元，可以划分出镜煤、亮煤、暗煤、炭等四种煤岩成分。

1.宏观煤岩自然组合

宏观煤岩类型是煤岩成分的自然组合。依据煤的总体相对光泽强度，将其划分出光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤四种 宏观煤岩类型。东露天 11#煤层，可肉眼分辨宏观煤岩成分镜质体起源于由木质素和纤维素组成的根、茎、树皮和叶的薄壁和木质组织。镜质体的胞腔保存程度，取决于植物组织分解过程、凝胶化作用及煤化作用程度。

2.结构命名

镜质体中各显微组分就是按照其不同的结构命名的，这些结构受控于显微组分的不同来源以及在沼泽中的不同转化途径东露天 11#煤惰质组含量9.1%~44.5%，丝质体和半丝质体最为常见，丝质体较为常见，细胞结构保存完整，反射率高，颜色为白色或黄白色，来源于植物木质部—纤维素的细胞壁 ，胞腔长度几微米到几百微米。

半丝质体细胞结构保存 差，反射率低于丝质体（图 3-2d），主要来源于由木质素和纤维素组成的茎、叶、草本植物的薄壁组织和木质部组织。真菌体反射率高、突起高、呈圆形、椭圆形，主要由单胞或多胞的真菌孢子、菌、菌丝、菌根和其他菌类遗体所形成。碎屑惰质体显是惰质体显微组分以细小的、呈分散状和不同形状的惰质体碎片形式存在，碎屑惰质体常分布于黏土矿物基质中。

壳质组是指源自非腐植化的植物组织的一类显微组分 ，包括孢粉素、树脂、蜡和脂肪等相对富氢的残余物，在同一煤样的所有显微组分中其反射率最低。

东露天 11#煤中壳质组含量很低，在样品中只观察到少量孢子体，孢子体原始胞腔呈细线状。有时可以辨别孢子体细胞壁内的分层构造。孢子外壁可能呈凸起或蠕虫状

本章主要讨论了宁武煤田平朔矿区东露天 11#煤层的灰分产率、挥发分产率、镜质体随机反射率、全硫含量测试结果和煤岩组分特征。研究结果表明：东露天 11#煤为高硫、高灰、高挥发性烟煤；煤层中挥发份含量差异较大，整体为高灰煤，但是在煤层底部为低灰煤。

11#煤层宏观煤岩特征为半暗煤为主，顶部有少量腐泥煤。显微煤岩组分中镜质组含量为 61.6%~91.0%，且以基质镜质体为主；惰质组含量为 9.1%~44.5%，丝质体和半丝质体最为常见；壳质组含量很低，在样品中只观察到少量孢子体。