山西平朔矿区4＃煤中镓的分布规律与富集机理＊

刘帮军 林明月 褚光琛

（河北工程大学河北省资源勘测研究重点实验室，河北省邯郸市，056038）

镓作为分散元素中的一员，本身不单独形成矿物，也很难形成独立的矿床，为了得到镓，现在多从铝土矿、明矾石矿、铅锌矿及煤灰中对镓进行回收。虽然煤中镓含量并不高，但内蒙古准格尔煤田超大型镓矿床的发现，说明镓在特定的地质条件下也可以伴生成矿。本文以研究区的采样测试结果为基础，对山西平朔矿区4＃煤中镓的分布与富集规律进行了初步探讨。

1 地质背景

宁武煤田位于山西省北部，其面积有2761km2，平朔矿区位于宁武煤田北部，占地396km2，其煤炭总储量达到130 亿t。宁武煤田位于宁武向斜盆地之中，盆地西部是吕梁古隆起，东部为五台山古隆起，北部是阴山古陆，见图1，盆地的基底是太古界的斜长片麻岩和混合片麻岩。

图1 研究区晚古生代古地理图

本区含煤地层包括石炭系中统本溪组、石炭二叠系太原组和二叠系下统山西组。其中区内4＃、9＃和11＃可采煤层均位于太原组。岩性主要由灰白色碎屑岩、深灰色泥岩、煤层及泥灰岩组成，具缓波状层理及微斜层理，为一套以海陆交互相为主的含煤岩系，其岩相为滨海相、三角洲相、冲积相及泥炭沼泽相，到晚石炭世展现了一个广阔的滨海冲积平原的古地理景观。由于距陆缘侵蚀区较近，地壳的沉降幅度与沉积物补偿大致平衡，保持了泥炭沼泽的聚煤环境，形成了4＃、9＃和11＃等厚煤层。其中4＃煤层位于太原组顶部，煤层稳定，全区可采，煤层厚2.65～21.33m，平均10.79m。

2 采样和分析方法

按照 《煤层煤岩采样方法》 （GB482-2008）和矿区煤层开采的实际情况，在平朔矿区4＃煤中采集了23个煤样剖面共计142个煤样。其中，安家岭、安太堡、井工一矿各采6个剖面，井工二矿由于工作面少，只采了5个煤样剖面。

用反光显微镜测定样品中显微煤岩组分含量、镜质组反射率，采用国家标准GB／T 212-2001对煤样进行工业分析，用带能谱仪的扫描电子显微镜（SEM-EDX）和X 射线衍射对煤中矿物组成和成分进行了分析，用电感耦合等离子质谱 （ICP-MS）对煤中的镓等微量元素进行了测定。

本次样品的测试工作由河北省资源勘测研究重点实验室和中国煤炭地质总局特种技术勘探中心实验室共同完成。

3 结果与讨论

3.1 煤化学及煤岩学特征

利用荧光显微镜 （德国LeicaDM2500P）测定样品的无矿物基显微煤岩组分和镜质组反射率，结果表明显微煤岩组分以镜质组为主 （占68.10%），惰质 组 次 之 （占23.80%），壳 质 组 最 低 （占8.1%）。其中，镜质组基本以基质镜质体为主，碎屑镜质体和均质镜质体次之，结构镜质体少见。反映了一个过渡相的成煤环境。镜质组最大反射率为0.69。无机组分占17.40%，其中以粘土矿物居多，其次有硫化物、碳酸盐类和其他矿物；粘土矿物主要为高岭石，矿物形态较差，多为碎屑粘土呈层状、分散状产出，有的填充于细胞腔中说明泥炭沼泽时期有微弱的水动力环境。

按 《煤炭质量分级标准》 （GB／T15224-2010），4＃煤层属于高灰分、低硫分、低磷分、中热值发热量的长焰煤。

表1 平朔矿区4＃煤剖面样品中镓的含量

3.2 镓的含量与分布特征

用电感耦合等离子质谱 （ICP-MS）对平朔矿区煤样中的镓的含量进行了测定，见表1，平朔矿区4＃煤剖面样品中镓的平均含量在安家岭为34.82mg／kg，在安太堡为38.08mg／kg，在井工一矿为34.51mg／kg，在井工二矿为35.38mg／kg。所有样品中镓的平均含量为35.70mg／kg。其中剖面JG2-4＃-A 的平均含量最高为68.22mg／kg。

4＃煤中镓在矿区中的平面分布见图2。可以看出，平朔矿区4＃煤中镓的分布大致特征为整体含量较高，局部分布不均匀，矿区中部 （安家岭露天矿中部、井工二矿东南部）含量较低，北部和西北部（安太堡中部、西北部，井工二矿中部）含量较高。

图2 平朔矿区4＃煤中镓含量平面图

煤层中镓的含量在剖面上的分布特征是在煤层顶、底板及夹矸中镓含量一般较高。在煤层中含量表现出中间低，靠近顶、底板高的 “接触富集”现象，表2以安家岭煤矿4＃煤中的A 剖面和井工一矿4＃煤中的A 剖面为例说明这种分布规律。在AJL-4＃-A 剖面共采集了9个样品，镓的最高含量在底板达69.99 mg／kg，从底板往上含量从38.12 mg／kg 减 少 到 27.76 mg／kg 和15.68mg／kg，在夹矸层镓含量上升到61.06 mg／kg，再往上又依次下降至最低值11.9 mg／kg，含量然后往上渐升到顶部值为44.75mg／kg。在安太堡和井工一矿也显示了同样的分布规律。由于篇幅有限不一一列举。

把平朔矿区4＃煤中镓含量的平均值与地壳克拉克值、中国华北石炭二叠纪值、全国算术均值、美国值、世界值进行对比分析，分析结果见表3。结果表明平朔矿区镓含量平均值是华北值的3倍左右，是全国算数平均值的4倍左右，富集明显。

表2 4＃煤中镓含量在剖面上的变化

据统计，截至2012年年底平朔矿区4＃煤层储量约为17.70亿t，根据国家标准，镓的工业品位边界为30 mg／kg，如果采用平均含量35.70 mg／kg来计算镓的储量，那么平朔矿区4＃煤中的镓含量约为6.32万t，根据 《中国主要工业类型矿床规模划分标准》，可以判断这是一个大型的镓矿床。

4 镓的赋存状态

目前，关于煤中镓的赋存状态的研究还比较少，煤中超常富集的镓究竟受何种因素影响，其赋存状态是受有机质控制，还是与无机矿物有关，或者受两者共同作用，均需要进一步研究。吴国代等对准格尔部分超常富集镓的煤层进行了分析，认为粘土矿物高岭石与勃姆石等均可能是镓的载体。黄文辉和赵继尧等提出镓可能置换粘土矿物中部分铝元素，造成粘土矿物中镓含量增加，并随着沉积作用进入到了煤层中。代世峰发现内蒙古准格尔煤田6＃煤中镓元素平均含量达44.8mg／kg，且认为镓超常富集的载体为勃姆石。张复新、王立社认为内蒙古准格尔黑岱沟煤中镓的超常富集与镓的亲铝性有关。易同生等对贵州凯里下二叠统梁山组煤层柱状剖面上赋存状态和地质成因进行了研究，认为镓的主要地质载体为硬水铝石。

本次研究发现，平朔矿区4＃煤层中成煤植物很多细胞腔被粘土矿物充填，如图3显示的是样品丝质体被粘土矿物充填，并在镜下发现了大量形态各异的勃姆石，有蠕虫状的见图4，有串珠状的见 图5，这也可能与镓的富集有关。

表3 4＃煤中镓与中国、美国、世界值对比 μg／g

通过上述分析，认为平朔矿区4＃煤中镓元素的富集与粘土矿物关系密切，煤中勃姆石等可能是镓富集的主要载体。这其中的主要原因是由于镓和铝的地球化学性质相似，镓主要是以类质同象取代铝而赋存在含铝的粘土矿物中，如高岭石、勃姆石等，煤层中镓的接触富集现象也正好印证了这一点。

图3 丝质体被粘土矿物充填

图4 蠕虫状勃姆石

图5 串珠状勃姆石

5 镓的富集机理

5.1 陆源区母岩性质

平朔矿区物源主要有来自北部的阴山古陆、西部的吕梁半岛及东南侧的五台岛。其中北部的阴山古陆对该区的沉积影响可能更大。物源区母岩主要为中元古带钾长花岗岩。中酸性岩中镓的含量较高，本溪组下段的G 层铝土矿有较高含量的镓并主要分布于宁武盆地的NE仰起端。含有镓元素的大陆物源经长期地表风化、剥蚀、搬运和分选等一系列过程，主要对赋含镓的矿物、岩石的不断解离与分解，转变为不同粒径的碎屑物质，这些碎屑物或在原地相对聚集，或被搬运至盆地沉积中心方向。

5.2 沉积环境

平朔矿区周缘由于造山作用，自中奥陶世华北整体持续隆升，使古风化壳上本溪组的铁铝质粘土层、铝土矿和炭泥质层暴露地表遭受剥蚀，加之气候温暖潮湿、生物繁多，这种环境具有较为强烈的分解能力，能够将富含镓的陆源物质铝土化。宁武盆地当时呈现出北部和吕梁地区相对较高，中东部较低的向东开放的箕状地势，使得来自北部和吕梁地区的沉积物 （包括盆地周围的富含镓的铝土矿层）大部分被搬运至盆地中沉积下来，从而使镓在盆地中相对富集。

5.3 后生淋滤作用

含矿岩系若经过强烈的淋滤作用则中上部的硼元素大量流失，底部硼含量大幅度升高。而平朔矿区北部和西部暴露的本溪组铝土矿其下段从下至上硼和镓的含量呈反相关关系，硼自下而上逐渐减少，而镓逐渐增加。表明改层铝土矿在后期经过了较为强烈的淋滤作用，而经过后期风化淋滤作用，导致矿层活泼组分流失，稳定组分进而富集，使粘土矿层Al／Si比值增大，铝土品级得到提高，而镓则随铝的聚集而富集。

6 结论

平朔矿区4＃煤中的镓明显富集，整个煤层中镓含量在8.27～68.22 mg／kg之间，平均含量为35.70mg／kg，超过了工业边界品味。经计算4＃煤中镓含量约为6.32万t，达到了一个大型镓矿床的标准。但其在整个煤层中的分布不均匀。平朔4＃煤中镓的富集与粘土矿物 （如高岭石）有紧密关系，勃姆石可能是镓的主要载体；平朔4＃煤中镓的富集主要受陆源区母岩性质，沉积环境和后生淋滤作用等多方面因素的控制，其中陆源区母岩的性质对镓的含量起主导作用。沉积环境和后生淋滤作用等其他地质作用促进了镓的富集。

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