西北侏罗纪煤中微量元素含量分布特征

王 华，张国涛，白 妮

(榆林学院，陕西 榆林 719000)

0 引 言

大部分微量元素在煤中的含量属于正常水平，少数微量元素在一些煤中会异常富集，分析异常富集微量元素，对研究聚煤环境和煤炭加工有重要意义。避免异常富集元素在煤炭开采、运输、加工和转化过程对环境的不利影响，回收利用具有开采价值的有益富集微量元素的前期工作，均需获取微量元素在煤中含量信息。

西北侏罗纪煤中微量元素的背景值是分析西北侏罗纪煤中微量元素是否异常富集的标准[1]。由于煤中微量元素分布不均，使得准确获取某一矿区、煤田或盆地煤中微量元素含量值具有不确定性。因此为了获得具有参考价值的西北侏罗纪煤中微量元素的背景值，必须分析大量煤样，且分析样品要具有煤层和区域代表性。尽管某一区域内煤中微量元素的含量具有不均一性，但同一微量元素在固定区域内大部分煤中的含量会在一个有限的范围内波动，只有少数样品由于采样、制样或分布在该元素的异常富集带，导致其含量偏离正常范围[2]。所以在统计西北侏罗纪煤中微量元素背景值时，要剔除异常富集煤样。微量元素在煤层、煤田等的空间分布特征可以反映泥炭聚集、成岩阶段、煤炭变质等过程的差异[1]。此外微量元素含量的空间分布也可为煤炭的洁净化利用提供理论参考。迄今为止，关于西北侏罗纪煤中微量元素的报道已有不少，如杨磊等[3]对鄂尔多斯盆地陈家山矿区煤中微量元素包括稀土元素地球化学的研究，贺天柱等[4]对新疆准噶尔盆地煤中微量元素的分析，和王丹[5]对柴达木盆地煤中微量元素的分析等。这些研究报道仅针对具体某个矿区或采区煤中微量元素的含量分布特点进行分析，未能考察整个聚煤盆地或各聚煤盆地间微量元素含量的分布特点，虽然这些数据也能从侧面反映西北侏罗纪煤中微量元素的含量水平，但对局部有异常富集微量元素存在时，会影响对正常西北侏罗纪煤中微量元素含量水平的判断。

本文研究西北侏罗纪煤中微量元素的平均含量，收集的煤样分布在鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、伊利盆地、柴达木盆地和塔里木盆地，涉及的煤样变质程度从中低变质程度的烟煤到高变质程度的无烟煤，统计分析西北侏罗纪煤样1 300多种。获取西北侏罗纪煤中微量元素平均含量的基础上，分析煤中微量元素的时空分布特征。

1 西北侏罗纪煤中微量元素背景值

表1中列举了西北侏罗纪煤、中国煤和世界煤样的统计数量和煤中微量元素的平均含量。其中中国煤中微量元素的统计结果来源于5篇文献报道[1-2,6-8]，煤中微量元素的平均含量为算术平均值计算结果。

表1 煤中微量元素含量Table 1 Content of trace element in coals

续 表

为了更好分析西北侏罗纪煤中微量元素相对富集水平，引入富集因子(EF)，即煤中微量元素含量与对比煤中微量元素含量的比值。规定EF<2时，煤中微量元素无富集;EF=2～4时，轻微富集;EF=4～10时，一般(中度)富集;EF>10时，富集。分别用富集因子EF1和EF2衡量煤样中微量元素的富集情况，EF1为分析煤中微量元素平均含量与中国煤中微量元素平均值的比值;EF2为分析煤中微量元素平均含量与世界煤中微量元素平均值的比值。

由于煤的不均一性和不同产地煤微量元素含量的差异，搜集足够多的西北侏罗纪煤样微量元素信息，对反映真实的西北侏罗纪煤中微量元素的背景值非常重要。为更真实反映西北侏罗纪煤中微量元素的背景值，统计时剔除了异常富集的微量元素煤样，例如剔除了部分富含U、Mo和P的煤样。仅获取西北侏罗纪煤中微量元素的含量信息，对西北侏罗纪煤中的有毒有害元素的潜在危害评价，和其中有益元素的可利用性评估均是不够的。因此，在获取西北侏罗纪煤中微量元素含量的基础上，通过与中国煤或世界煤中微量元素的背景值比较，才能判断西北侏罗纪煤中微量元素的潜在危害性和可开发性。

以剔除异常富集的微量元素的煤样统计西北侏罗纪煤中微量元素的含量，并与中国煤或世界煤比较，结果如图1所示。可以看出，西北侏罗纪煤中微量元素整体比中国煤和世界煤低;没有EF>10的微量元素;EF>4的只有Th，且仅相对于世界煤表现为一般富集，而相对于中国煤只表现为轻微富集;相对于世界煤或中国煤EF>2的微量元素有W，仅相对于世界煤EF>2的微量元素有Ba、Co和Y。

图1 西北侏罗纪煤中微量元素的含量水平Fig.1 Content level of trace elements in Northwest Jurassic coals

2 西北聚煤盆地侏罗纪煤微量元素分布

西北地区蕴藏着丰富的侏罗纪煤炭资源。在西北聚煤区覆盖的众多盆地中，比较典型的聚煤盆地有鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、伊利盆地、塔里木盆地和柴达木盆地。以盆地为单位，在收集该区煤中微量元素含量文献的基础上，结合本课题组分析数据，研究各聚煤盆地内微量元素的分布情况。

2.1 鄂尔多斯盆地

鄂尔多斯盆地又称陕甘宁盆地，横跨陕西、宁夏、甘肃等省，具有丰富的矿产资源。在鄂尔多斯盆地内，侏罗纪煤主要聚集在东部和南部，西部边缘也埋藏有侏罗纪煤。鄂尔多斯盆地侏罗纪煤主要的含煤层段是延安组，煤层有低硫、低灰的特点，且厚度较大。收集到该盆地煤样的信息[3,9-15]:8个陕北焦坪矿区的陈家山煤矿煤层煤样;15个鄂尔多斯西缘侏罗煤系煤样;62个黄陵矿区煤样;16个宁东煤田煤样;4个汝箕沟煤样和1个白芨沟煤样;1 000多个神府东胜煤田煤样。

比较鄂尔多斯盆地煤中微量元素算术平均含量相对中国煤、世界煤的富集情况，结果如图2所示。可以看出，没有EF>10的微量元素;EF1>4的微量元素有P和Ba，EF2>4的微量元素有Sr、Ba、W和Th;EF1>2的微量元素有Sr、W和Th，EF2>2的有P和Eu。与中国煤相比，鄂尔多斯盆地煤中P和Ba呈中度富集趋势，Sr、W和Th呈轻微富集趋势，其他微量元素未呈富集趋势。与世界煤相比，中度富集趋势的有Sr、Ba、W和Th，轻度富集趋势的有P和Eu。

图2 鄂尔多斯盆地煤中微量元素的含量水平Fig.2 Content level of trace elements in Qrdos Basin coals

对具有富集趋势的微量元素进行分析，考察其在鄂尔多斯盆地3个重要聚煤区域的分布情况。以盆地主要聚煤区煤中微量元素平均值与整个盆地煤中微量元素平均值的比值EF作为纵坐标，绘图分析各聚煤区煤中具有富集倾向微量元素的分布特征，如图3所示。可以看出，元素P、Ba和Eu在黄陇煤田煤中的EF>1，元素Sr和Th在神府煤田煤中的EF>1，元素W在鄂尔多斯西缘煤中的EF>1。P、Ba和Eu在黄陇煤田煤中的EF值高于其他2个聚煤区;Sr在神府煤田煤中的EF值高于其他2个聚煤区;Th和W在3个聚煤区的EF值差别不明显。因此，Ba、P和Eu主要源于其在黄陇煤田煤中的富集;Sr主要表现在神府煤田煤中的富集。

图3 微量元素在鄂尔多斯盆地主要聚煤区的分布Fig.3 Trace elements distribution of main coal accumulation areas in Ordos Basin

2.2 伊犁盆地

伊犁盆地位于新疆省的西北部，是新疆5大煤炭生产基地之一，喀什河流域是伊犁盆地主要的侏罗纪含煤区域。其中侏罗纪的中下统是盆地内主要的聚煤层位。水西沟群的八道湾组和西山窑组是主要的侏罗纪含煤地层。此处统计的来自伊犁盆地的煤样信息为[16-22]:伊宁煤田界梁子矿区的24个钻孔样(23个属八道湾煤层，1个来自三工河组煤层);8个来自新疆昭苏煤田的钻孔样(西山窑组);8个来自新疆尼勒克县木斯乡煤矿煤层样(八道湾组);24个来自伊犁州皮沥青煤矿煤层样(西山窑组);40个来自于富U型煤层煤样(开采511U矿时获得的钻孔煤样)。

对104个伊犁盆地煤样中微量元素的含量信息进行分析，结果如图4所示。可以看出，Mo和U的EF值均>10，U的EF2=66.5，Mo的EF2=21.56，属高度富集元素；W的EF2>4，EF1=3.54；其他微量元素的EF<4，F的EF2>2。分析煤样信息来源，发现引起伊犁盆地煤中U和Mo高度富集的主要原因是40个来自伊宁煤田的富U型煤参与样品统计;这些富U煤统计中，U和Mo的平均值分别达到320.160、114.146 mg/kg。当统计中去掉这40个异常富集煤样品后，伊利盆地煤中的U和Mo的平均值分别为5.205、2.228 mg/kg，重新计算与中国煤、世界煤比值，EF<4。此外来自伊宁煤田的40个富U型煤中元素W含量较高是引起伊犁盆地煤中W统计结果偏高的原因。

图4 伊犁盆地煤中微量元素的含量水平Fig.4 Content level of trace elements in Yili basin coals

2.3 准噶尔盆地

准噶尔盆地的南部、北部和东部含有丰富的侏罗纪煤系，自上而下的含煤层段有西山窑组、三工河组和八道湾组。本文收集的煤样信息主要位于盆地的南部和东部，具体信息为[4,23-26]:① 156个准东煤田样品，其中56个采自于乌苏市夹皮沟煤矿，为侏罗纪八道湾组含煤层样品，69个来自五彩湾开采区内的钻孔样，31个来自自西黑山勘查区的钻孔样;② 8个来自准噶尔盆地准南煤田的六道湾煤矿，属中侏罗纪西山窑组煤层煤样;③ 96个来自准噶尔煤田的南部(21)和东部(75);④ 2个来自准噶尔南部的电厂原煤。

对收集到的262个煤样进行分析，结果如图5所示。可以看出，该盆地没有高度富集的微量元素。EF>4的有V、Co和Y;EF2>4的有Nb、La、Eu、Tm、Ta和F;剩余元素仅有Sc、Pr、Sm和Cl的EF>2，其他微量元素EF<2。因此，准格尔盆地V、Co和Y表现出中度富集。

图5 准噶尔盆地煤中微量元素的含量水平Fig.5 Content level of trace elements in Zhunger basin coals

2.4 柴达木盆地

柴达木盆地侏罗纪主要的含煤区分布在青海、新疆的边境和盆地北部。盆地的侏罗纪岩石地层有小煤沟组、火烧山组、甜水沟组、饮马沟组、大煤沟组、石门沟组和采石岭组，除采石岭组外，其他均含有厚度不等的煤层。该盆地收集到的煤样信息[5,27-29]:20个煤样来自柴达木盆地北缘含煤地层，为中侏罗纪大煤沟组和石门沟组;23个样品来自柴达木盆地南缘褶皱带，属侏罗纪中下统的羊曲组中部含煤岩层;27个煤样品来自柴达木盆地北缘中段西大滩煤矿。

对70个来自柴达木盆地的煤样进行分析，结果如图6所示。可以看出，该盆地煤中没有高度富集的微量元素;EF>4的只有W，属中度富集;元素Th、Sc、V、Cr、Y、Cs、La和Er的EF>2，属轻微富集，其他微量元素没有富集趋势。

图6 柴达木盆地煤中微量元素的含量水平Fig.6 Content level of trace elements in Qaidam basin coals

2.5 塔里木盆地

塔里木盆地主要侏罗纪煤系分布在盆地的北部、西南部和东南部，主要的侏罗纪含煤地层为杨叶组。收集到来自该盆地北部库拜煤田中西部地区的11个煤样，样品采自侏罗纪下统塔里奇克组煤层[30]。

该盆地煤中微量元素的平均含量与中国煤、世界煤比较结果如图7所示。可以看出，没有EF>4的微量元素;Co的EF>2;Ti的EF1>2;其他微量元素没有富集倾向。

图7 塔里木盆地煤中微量元素的含量水平Fig.7 Content level of trace elements in Tarim basin coals

3 西北侏罗纪聚煤区煤中微量元素分布特点

3.1 不同聚煤盆地煤中微量元素含量比较

微量元素最大值出现的盆地归属见表2。可以看出，较多数量的微量元素最大值出现在柴达木盆地和准噶尔盆地，其次是鄂尔多斯盆地和伊犁盆地，仅Ti的最大值出现在塔里木盆地。微量元素Be、Ti、Mn、Ni、Cu、Zn、Ge、Se、Cd、Cs、Hf、Ta、Tl、Bi、In、Hg、F和Cl在5个聚煤盆地煤中的差异较小(最大值/最小值<5)。

表2 微量元素最大值出现的盆地Table 2 Basin in which the maximum content oftrace element occurs

以微量元素总的算术平均值作为标准，比较各聚煤盆地煤中微量元素的含量，结果如图8所示。分析可知，柴达木盆地煤中微量元素含量最高，其次为准噶尔盆地，伊犁盆地和鄂尔多斯盆地煤中微量元素含量差别不明显，均少于准噶尔盆地，塔里木盆地煤中微量元素含量最低。

图8 不同盆地煤中微量元素含量比较Fig.8 Comparison of trace elements in coals from different basins

3.2 不同省及自治区煤中微量元素含量比较

西北侏罗纪煤覆盖的省及自治区范围有陕西省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区、甘肃省、青海省和内蒙古自治区。本文仅对陕西、甘肃、青海、宁夏和新疆自治区内煤中9种微量元素的含量进行比较，结果见表3。分析可知，Be、Cr、Ni、和Pb的最大值均出现在青海省;Cu、Ga、Cd和Sr的最大值均出现在宁夏回族自治区;Ba的最大值出现在陕西省;与其他省及自治区相比，甘肃省煤中Cr、Ni、Cu、Ga、Cd和Pb含量均最低;Be、Sr和Ba的最低值均出现在新疆煤中。煤中微量元素在各省及自治区内的分布特征有:青海>宁夏>陕西>新疆>甘肃。

表3 不同省份煤中微量元素含量比较Table 3 Content comparison of trace element in different province

3.3 早、中侏罗纪煤中微量元素含量比较

煤在不同时代具有不同成煤环境，可能会引起煤中微量元素含量的差异。本文以区分较明显的八道湾组煤代表侏罗纪早期煤样，西山窑组煤代表中侏罗纪煤样，分析早、中侏罗纪煤煤中微量元素含量的差异，结果如图9所示。分析可知，早、中侏罗纪煤中微量元素含量存在差异，大部分元素(包括稀土元素)在早侏罗纪煤中含量表现较高;中侏罗纪煤中含量明显较高的有Sb、Hf、Ta和B;微量元素Be、As、Sn、U、Mo、Mn和P等差异不明显。整体来看，早侏罗纪煤比中侏罗纪煤微量元素含量高。

图9 早、中侏罗纪煤中微量元素含量分布Fig.9 Content distribution of trace element in Early and Middle Jurassic coals

4 结 论

1)通过与中国煤、世界煤相比，除少数异常富集微量元素U、Mo和P外，仅少数微量元素在西北侏罗纪煤中表现出一定的富集趋势，如Th、W、Ba、Co和Y。

2)鄂尔多斯盆地侏罗纪煤中具有富集倾向的微量元素有P、Ba、Sr、W、Th和Eu，其中元素P、Ba和Eu主要在黄陇煤田富集，元素Sr主要在神府煤田富集;而元素W主要富集在鄂尔多斯西缘煤中。整体来看，神府煤田比其他2个聚煤区微量元素含量低。

3)伊犁盆地煤中具有富集倾向的微量元素有U、Mo、W和F。准噶尔盆地煤中微量元素V、Co和Y表现中度富集趋势，元素Nb、Ta、F和稀土元素(La、Eu、Y、Tm)表现轻微富集趋势。在柴达木盆地煤中，具有富集趋势的微量元素有W、Th、Sc、V、Cr、Y、Cs、La和Er，其中W属中度富集元素。塔里木盆地煤中微量元素含量相对较低，仅元素Ti和Co表现轻微富集趋势。

4)不同聚煤盆地间比较，煤中微量元素含量差异明显。较多的微量元素最大值出现在柴达木盆地和准噶尔盆地，其次为鄂尔多斯盆地和伊犁盆地，仅元素Ti最大值出现在塔里木盆地。通过微量元素总算术平均值比较得出，柴达木盆地微量元素含量水平最高，其次为准噶尔盆地，再次为伊犁盆地、鄂尔多斯盆地，塔里木盆地最低。

5)元素Ba含量在陕西煤中表现最高，其他省份煤中含量差异不明显;元素Sr的最低值出现在新疆煤中，其他省份含量差异不明显。大部分微量元素表现为在青海和宁夏煤中含量较高;其次在陕西和新疆;甘肃煤中含量最低。

6)早、中侏罗纪煤相比，元素Sb、Hf、Ta和B在中侏罗纪煤中高于早侏罗纪煤，其余大多数分析元素在早侏罗纪煤中含量较高。