柴达木盆地北缘赋煤带煤中稀有元素分布特征及富集条件分析

党洪量 刘文进 王伟超 张永安 党孝锋

(1.吉林大学地球科学学院，吉林省长春市，130061;2.青海省地质调查局，青海省西宁市，810000;3.青海煤炭地质一〇五勘探队，青海省西宁市，810007)

含煤岩系中普遍含有稀有金属元素，在一定的地质条件下，稀有元素可能富集并达到工业品味，极大提高了煤炭资源潜在的利用价值。国内外已经发现了一些煤中稀有金属矿床，其中锗、镓、铀等稀有金属元素已经被开采利用。在哈萨克斯坦、吉尔吉斯坦和我国新疆伊犁、吐哈等侏罗纪含煤盆地中，均发现了煤中共(伴)生的大型铀矿床；在我国云南临沧、内蒙古乌兰图噶地区和俄罗斯滨海区也发现了大型或超大型的褐煤—锗矿床；在内蒙古准格尔煤田发现了煤层中富集镓元素。

柴达木盆地北缘是青海省重要的含煤区，由赛什腾、鱼卡、全吉、德令哈和乌兰六大煤田组成，如图1所示。该地区赋煤带面积大，可以开发利用的煤炭资源十分丰富，含煤区预测资源量为151.52亿t，重点煤矿区自西向东主要有团鱼山、鱼卡、绿草山、大煤沟、西大滩、航亚等。已有煤炭勘查成果显示，区内煤中富集稀有元素，但是仅通过在自身勘查区范围内采集少量样品分析后，评价其是否达到工业品味，未进行过以柴达木盆地北缘为整体研究对象的系统研究，尤其是富集原因方面的研究。每年有大量煤炭产出和利用，煤中稀有金属元素如果不加以利用，不但影响煤的质量，还可能带来环境问题，所以深入研究煤中稀有金属元素的赋存规律和综合利用工艺对资源的合理利用具有重要意义。本次研究以区域为研究对象，系统梳理总结分析各煤矿区的成果资料，通过野外地质调查和室内煤样分析，认识柴达木盆地北缘煤矿区煤中稀有元素分布特征和富集原因分析，并初步分析其利用前景，为今后在研究区相关方面的地质研究和煤炭资源综合开发利用提供一定的参考价值。

图1 柴达木盆地北缘煤矿区分布及物源分析示意图

1 稀有金属元素赋存特征

通过整理分析后，筛选出的以往化验资料和本次研究采集煤样的化验结果显示：赛什腾煤田的团鱼山矿区主采煤层M7煤层(平均厚度3.30 m)中镓元素含量为24 μg/g；鱼卡煤田大部分可采煤层M3煤层(平均厚度2.96 m)中镓元素含量相对较高；全吉煤田西大滩煤矿区的大部可采煤层C煤(平均厚度7.77 m)中锗的含量为42 μg/g，超过工业品位；乌兰煤田的航亚煤矿区主要可采煤层G3煤层(平均厚度4.00 m)中镓的含量为41 μg/g，超过工业品位。由此可见，柴达木盆地北缘重点煤矿区煤层中锗元素和镓元素的含量相对较高，铀元素的含量相对较低，不同地区含有的稀有金属含量不同。典型钻孔的煤中稀有金属元素含量统计表见表1。

表1 柴北缘重点矿区煤中稀有金属元素含量统计

2 稀有金属元素富集因素分析

该领域目前研究所取得的共识包括：煤中稀有金属元素主要有3种来源(植物生长过程中选择吸收、植物分解过程中吸附和地下水携带经过裂隙运移而来)；断裂及不整合面可以为稀有金属元素迁移提供通道；包括煤层在内的煤系可以为稀有金属元素提供物质载体。因此富集因素分析主要从物源、运移通道和储层3个方面开展研究。具体分析内容为基岩及其它可能作为物源的岩系中稀有金属元素含量、断裂展布特征、地层接触关系和煤层煤质特征。

2.1 物源分析

柴达木盆地北缘主要煤田及重点煤矿区基底岩性分布图如图2所示。

图2 柴达木盆地北缘主要煤田及重点煤矿区基底岩性分布图

由图1和图2可知，赛什腾煤田煤系物源为北部的赛什腾山，基底主要为上奥陶统滩间山群浅变质岩系和加里东-海西运动期花岗岩及花岗闪长岩；鱼卡煤田煤系物源为东北部柴达木山和东南部的绿梁山，其西部基底为上奥陶统滩间山群浅变质岩系，东部基底为古元古界达肯大坂群变质岩系；全吉煤田煤系物源以北部山区为主，次为南部的锡铁山，基底为古元古界达肯大坂群变质岩系，局部为加里东-华力西期侵入岩类及超基性辉长岩类；德令哈煤田和乌兰煤田煤系物源均为附近山体，基底呈多样化，有古元古界达肯大坂群变质岩系、上泥盆统砂岩类和石炭系灰岩。

因此本研究拟通过对不同地区基岩中稀有金属元素含量的调查，来推测不同矿区煤中稀有金属富集差异是否受基岩中含量的影响，测试结果见表2。由表2可知，柴北缘地区基岩中镓的含量大致相同，乌兰煤田的欧龙布鲁克山地区镓的含量相对较高为17.37 μg/g，铀的含量相对较低，只有赛什腾煤田基岩中铀的含量较高为3.51 μg/g，同时与铀相伴生的钍元素含量也较高。上述结果说明研究区基岩普遍含有稀有金属元素，能够为煤中稀有金属的富集提供丰富物源，但这不是研究区不同点稀有元素富集差异化的主要控制因素。

表2 煤系物源岩性部分稀有金属元素平均含量

2.2 运移通道

在煤化作用阶段，稀有金属元素由地下水携带，经过断裂及不整合面运移到煤层，被煤层及煤层顶底板中粘土矿物或硫化物吸附可以形成富集现象。因此通过对区内断裂发育情况及地层接触关系的研究，可以了解稀有金属元素迁移的有效通道，分析其富集的有利条件。稀有金属元素运移通道主要有不整合面和断层。其中不整合面是横向运移的重要通道，其上的煤层或煤层底板可以作为稀有金属元素的地质载体；断裂是稀有金属元素运移的主要通道，为稀有金属元素的横向和垂向运移提供了通道。

2.2.1 断裂特征

研究区构造复杂，主要发育有两组断裂，NW向断层为与区域构造线基本相平行的走向逆冲断裂，一般沿古老变质岩系形成的高山山前展布，倾向山体，活动期次长，规模较大，是控制煤系地层及煤层的主要构造。NE向断层为与走向逆冲断层相斜切的逆断层，此组断层一般两两出现，形成对冲状态，破坏了原型盆地的形态，形成若干断块，造成了研究区南北分带、东西分块的构造形态，如图3所示。区域断裂不仅控制了研究区构造格局，同时为稀有金属元素的运移提供了通道，为煤中元素富集提供了条件。

图3 柴达木盆地北缘侏罗系基岩断裂分布图

2.2.2 地层接触关系

主要含煤地层与基底接触关系见表3。分析表3可知，三叠纪构造运动之后，柴达木盆地成为一个中新生代的陆相盆地，全区抬升剥蚀，地层普遍缺失。研究区中新生代地层直接沉积在由不同时代地层组成的基底，与基底呈不整合接触。后期地下水活动可以将煤层围岩中的稀有金属元素，通过不整合面进行水平运移，在煤层或煤层顶底板达到富集。

表3 主要含煤地层与基底接触关系

2.3 储层特征

柴达木盆地北缘重点煤矿区主要可采煤层厚度与煤质情况见表4。由表4可知，煤层中的锗(Ge)元素在褐煤、长焰煤、气煤中较多，高变质煤中较少，同时煤田边缘的煤中锗含量较中部高；煤层中镓(Ga)元素主要与无机矿物结合在一起，含Al2O3高的煤中镓也往往富集；煤中铀(U)在变质程度浅的煤中容易富集。柴达木盆地北缘煤矿区煤层以中-巨厚煤层为主，煤类主要为长焰煤～不粘煤，属于低变质程度煤类。其中团鱼山地区主要可采煤层M4平均厚度6.27 m，M7平均厚度10.16 m，属于厚-巨厚煤层；鱼卡煤田主要可采煤层M7平均厚度为13.39 m，属于巨厚煤层；西大滩地区主要可采煤层C平均厚度4.55 m，属于厚煤层；航亚地区煤层稍薄，平均厚度1.66 m。综上所述，研究区煤层厚度大，以低煤阶为主，有利于元素富集，但是不同地区煤质特征基本一致，即储层特征基本一致，不是差异化富集元素的主要控制因素。

表4 重点煤矿区主要可采煤层厚度与煤质

3 资源前景分析浅析

柴达木盆地北缘重点煤矿区煤层厚度大，煤层较稳定，因此煤中稀有金属矿床赋存层位稳定；煤中稀有金属元素不仅在煤层中富集，也有可能在煤层顶底板或夹矸中富集，以煤为主、综合勘查、综合评价，可以减少环境污染,做到绿色勘查，提高经济效益。从煤的废料中开发利用稀有金属元素具有广阔前景。

4 结论

(1)柴达木盆地北缘煤矿区煤中锗元素和镓元素的含量相对较高，铀元素的含量相对较低。

(2)柴达木盆地北缘重点煤矿区煤中稀有元素具有物源丰富、运移通道断裂和不整合接触面发育及储层广泛发育的有利成矿条件，具有良好的资源前景，但是造成研究区差异化分布的控制因素不清，有待进一步研究。

(3)煤中稀有金属元素随着煤开采,如果不加以利用,不但影响煤的质量,而且可能带来环境问题，所以深入研究煤中稀有金属元素的赋存规律和综合利用工艺,对资源的合理利用具有重要意义。

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