淮北煤田二叠系煤的元素特征——以孟庄和孙疃煤矿为例

冯松宝,顿亚鹏,刘 瑞

1.宿州学院地球科学与工程学院，安徽宿州，234000；2.安徽煤田地质局第三勘探队，安徽宿州，234000



淮北煤田二叠系煤的元素特征
——以孟庄和孙疃煤矿为例

冯松宝1,顿亚鹏2,刘 瑞1

1.宿州学院地球科学与工程学院，安徽宿州，234000；2.安徽煤田地质局第三勘探队，安徽宿州，234000

采用X射线荧光光谱(XRF)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等方法分析了淮北煤田煤中主量元素和微量元素特征，并根据元素特征探讨了研究区煤中微量元素的环境意义。研究发现主量元素以Si和Al为主，两者之和达20%。从底部煤层到上部煤层，整体上经历了低位泥炭到高位泥炭的过程。Sr/ Ba、V/(Ni+V)和Sr/ Cu等微量元素比值指示淮北煤田形成于半咸水-海相，厌氧、干热的沉积环境。

煤；微量元素；主量元素；淮北煤田

煤中主量元素和微量元素的研究具有重要的意义。首先，在特定的条件下，某些元素在煤中可以富集达到工业利用的品位[1]。其次，在成煤作用过程中，煤中所含元素的迁移、聚集与分布规律可用来判断和恢复成煤环境。另外，煤中过渡金属元素对煤有催化作用，特别是在缓慢的地质演化过程中。

Swaine在研究澳大利亚新南威尔石炭纪煤时认为，硼含量在40×10-6以下，与淡水沼泽有关；在40×10-6～120×10-6之间，与半咸水有关；大于120×10-6，则与海水有关[2]。宁占武通过热模拟实验证明了过渡金属在有机质生烃过程中能够降低热解成烃的活化能，对低温下有机质成烃起着很重要的作用[3]。肖华芝通过开放体系热模拟实验表明微量元素中钡元素与含气率之间具有良好的相关关系，相关系数达0.91[4]。

淮北煤田是华北地层区重要的煤田之一，煤炭资源丰富，开采时间长。但对于该地区煤中主量元素和微量元素的地球化学特征,尤其是对生烃有重要意义的元素，还没有全面详细的探讨，为此，本文以孟庄煤矿和孙疃煤矿为例，探讨煤中主量元素和微量元素的含量特征，并应用某些微量元素的地球化学特征，探讨成煤环境。

1 样品与实验方法

1.1 实验样品

实验样品采自淮北煤田孙疃和孟庄煤矿的1、5-1、13-1煤层，主要为块样，部分样品由于性脆、结构松散，在采集和运输过程中自行碎裂为粉样。

1.2 实验方法

依据GB/T14506.28-93，采用硅酸盐岩石化学分析方法——X射线荧光光谱法测定主量元素，分析仪器为飞利浦PW24O4X射线荧光光谱仪，样品为粉末。采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)方法测定样品中的微量元素，分析仪器为 FinniganMAT制造的HR-ICP-MS(Element I)，温度20℃，相对湿度30%，样品特性为粉末，共测试了样品中43种元素。

2 实验结果与讨论

2.1 主量元素含量与组成特征

所测得的淮北煤田各煤层样品主量元素含量如表1所示。表1显示，主量元素主要以Si和Al为主，占总主量元素的20%左右，Fe次之，其他主量元素如Mg、Ca、Na、K等都在1%以下。对比孙疃和孟庄两矿的煤样，孙疃矿煤样中SiO2和Al2O3总含量明显大于变质程度较高的孟庄矿煤样，而Fe2O3、MgO和CaO总含量小于孟庄矿煤样，这说明煤的变质程度对各主量元素的含量有一定的影响。SiO2和Al2O3总含量有随煤层埋深的增加而逐渐减小，而Fe2O3、MgO和CaO总含量增大的规律，这与其当时煤层形成的环境是分不开的。通常认为，高位泥炭形成的煤中含有较多的SiO2和Al2O。若煤中CaO、MgO和Fe2O3的含量相对较高，则说明是由低位泥炭所形成的。由此可以推断，从下部煤层到上部煤层的形成经历了由低位泥炭逐渐转变到高位泥炭的过程。表1中的烧失量数据显示出随着煤变质程度的增高而增高的正相关关系，与各主量元素则是反相关关系。这说明烧失量越高，有机质含量越高，无机物含量越低，其变质程度也相应增高。

表1 淮北煤田煤样品主量元素分析结果

图1 淮北煤田典型煤矿元素富集系数对比曲线图

2.2 微量元素含量与组成特征

本次样品分析了43种微量元素，部分元素分析结果见表2。从表2可以看出，孙疃矿煤样V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Mo、Ba、Zr等元素平均含量均在10 μg/g以上，其他元素则较少。其中V含量为82.05 μg/g，Zn为50.9 μg/g，Sr为113.06 μg/g，Ba为116 μg/g。孟庄矿煤样V、Zn、Sr、Ba、Zr平均含量分别为60.57 μg/g、3707 μg/g、60.9 μg/g、76.73 μg/g、102.93 μg/g，其他元素平均含量与孙疃矿煤样相差不大。

从样品的富集系数来看，孙疃矿煤样仅Be、Sb、Cs、Th、U、Zr、Hf等元素富集系数大于1，属相对富集；其他元素均小于1，为相对亏损。孟庄矿煤样Be、Sb、Th、U、Zr等元素属相对富集。

从两矿煤样中元素富集系数对比曲线(图1)可以看出，大部分元素的富集系数都小于1，这说明多数元素均低于地壳中元素平均含量，属于相对亏损状态；仅少数元素相对富集，如Be、Sb、U等元素均在地壳平均含量的2倍以上，Sb更是在5倍以上。总体来看，孙疃矿煤样的元素含量大部分是大于孟庄矿煤样，因为孙疃煤矿煤变质程度小于孟庄煤矿，且灰分高于孟庄煤矿，由此可以推断各元素多以粘土矿物或碎屑矿物为载体赋存于各煤层，这与矿物含量有一定的相关关系。

表2 淮北煤田沉积环境微量元素参数表

2.3 微量元素的环境意义

沉积盆地具有基本的地球化学环境，对元素的分布起控制作用，并且表现出微量元素分布的规律性[5]。通过对部分具有指向意义的微量元素进行综合比对，大体上可以分析、还原出沉积环境特征。

(1)Sr/ Ba。微量元素Sr/Ba比值常作为区分淡水和咸水的标志。海相沉积的Sr/Ba比值大于1，淡水沉积的Sr/Ba比值小于1；若比值在0.5～1之间，则为半咸水沉积。而在湖相沉积中，Sr/Ba值大于1，则指示为干旱气候条件下的湖水咸化[6]。

淮北煤田典型煤矿的Sr/Ba值见表2，从中可以看出，淮北煤田Sr/Ba值多在0.5～1之间，平均值为0.74，个别样品大于1，说明淮北煤田各煤层形成于半咸水-海相沉积环境。

(2)V/(Ni+V)。V/(V+Ni)比值可用来指示恢复水体氧气条件。V/(V+Ni)比值小于0.45，表示富氧环境；V/(V+Ni)比值大于0.50，表示厌氧的沉积环境；V/(V+Ni)比值介于0.46～0.60之间，表示贫氧的沉积环境。淮北煤田的V/(V+Ni)比值都大于0.50(表2)，平均比值为0.81，因此，淮北煤田各煤层均处于厌氧的沉积环境。

(3)Sr/Cu。Sr/Cu比值介于1.3～5.0，指示温湿气候；该值大于5.0，则指示干热气候。相同气候状况下的不同盆地，因其蒸发量的不同使得同种离子的浓度和沉淀量产生差异，这就导致不同盆地的Sr/Cu比值并不相同。淮北煤田Sr/ Cu比值浮动范围较大，处在0.87～16.25之间，大部分在5.0以下，均值为3.48，大体上指示出温湿气候，局部地区局部煤层指示出干热的气候条件。

3 结 论

(1)淮北煤田煤样中主量元素以Si和Al为主，两者之和达20%。底部煤层到上部煤层，整体上经历了低位泥炭到高位泥炭的过程。

(2)微量元素比值指示，淮北煤田形成于半咸水-海相，厌氧、干热的沉积环境。

[1]Seredin V V.Dai S F.Coal deposits as potential alternative sources for lanthanides and yettrium[J].international journal of coal geology,2012,94:67-93

[2]Swaine D J.Trace elements in coal[M].Austrialia:Butterworths Sydney,1990：168

[3]宁占武，王卫华，温美娟，等.过渡金属对有机质热解生烃过程的影响[J].天然气地球科学，2004,15(3)：317-320

[4]卢红选，孟自芳，李斌，等.微量元素Mo对褐煤有机质热解成烃的影响[J].天然气地球科学，2007,18(1)：104-106

[5]肖华芝，胡国艺，钟宁宁，等.矿物中的微量元素对有机质产气的影响[J].中国石油大学学报：自然科学版，2008,32(1)：33-36

[6]中国国家技术监督局.GB6948-86，煤中镜质组反射率测定方法[S].中华人民共和国国家标准，1986

(责任编辑：汪材印)

The Elements Characteristics of Huaibei Coalfield -taking the Mengzhuang Coalmine and Sun Tuan Coalmine as Examples

FENG Song-bao1,Dun Ya-peng2， LIU Ren1

1.School of Earth Science and Engineering,Suzhou University,Suzhou,234000；2.No.3 Exploration Team of Anhui Burean of coal geology Suzhou,234000,China

The characteristics of major elements,trace element were analysed by the method of XRFand ICP-MS.According to these elements characteristics, the environmental significances were discussed.The results indicated that Si and Al were the main major elements,and the sum of the two elements was up to 20%.From the bottom of the coal mine to the top,they underwent the process of lowland bog to the high bog.The ration of Sr/Ba，V/(Ni+V)，Sr/Cu indicated that huaibei coalfield formed from the environment of Marine, anaerobic and xerothermic.

coal;trace element;major elements;Huaibei coalfield

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.05.025

2014-03-06

宿州学院博士科研启动基金“淮北煤田煤系地层物质组成与生烃能力研究”(2013jb03)；国家自然科学基金“含水层混合条件下地下水地球化学演变及多水源识别研究”(41302274)。

冯松宝(1982-)，安徽宣城人，博士，讲师，主要研究方向：地球化学。

P595

A

1673-2006(2014)05-0081-03