山西省大同煤田石炭二叠系主采煤中锗元素分布赋存特征及成矿前景预测

张星星

(山西省煤炭地质勘查研究院，太原 030031)

近年来，国内外相关学者的研究中不断在煤层中发现具有工业利用价值的锗、锂、镓等新兴战略性矿产资源，尤其是河北工程大学孙玉壮教授及其团队在山西平朔矿区发现超大型煤伴生锂、镓矿床。山西作为产煤大省，“单打一”的现象严重，只注重煤炭资源，对煤炭资源的共伴生资源没有系统进行调查分析和评价，综合利用水平较低,不合理的开发利用造成了矿产资源的极度浪费。山西煤炭产业走出困境要高度重视煤炭伴生资源价值，加大研究开发利用力度，开辟煤炭资源利用新空间，提高资源综合利用水平。

大同煤田富含丰富的煤炭资源，目前侏罗系的煤炭资源已全部被占用，历年来开采强度很大，所剩资源已不多，目前有的矿井煤炭资源已接近枯竭，故本文主要研究大同煤田石炭二叠系主采煤层(山4号、3-5号、8号)煤中微量元素锗的分布赋存特征及成矿前景。数据来源于收集的地勘钻孔资料中微量元素含量数据以及本次煤矿井下采集样品的电感耦合等离子质谱分析(ICP-MS分析)测试数据。

1 研究区概况

1.1 位置

大同煤田位于山西省的最北端，是双纪煤田，即大同侏罗系煤田和大同石炭-二叠纪煤田。从平面上看，大同侏罗纪煤田镶嵌于大同石炭-二叠纪煤田之中，在北部略有超出。从纵向上看，大同侏罗纪煤田叠加于大同石炭-二叠纪煤田之上。地跨大同市新荣区、矿区、南郊区、左云县和朔州市右玉县、山阴县、怀仁县。

1.2 地层

大同煤田北部为沉积边缘，其上发育石炭系、二叠系、侏罗系含煤地层及白垩系、新近系和第四系(表1)。煤田基底地层寒武、奥陶系灰岩主要出露于口泉东南部边山断裂带和南部洪寿山，地层由南向北依次被剥蚀，厚度从南向北逐渐变薄。因此石炭系下统本溪组下伏地层自南向北依次为奥陶系的中统上马家沟组、下马家沟组、下统亮甲山组、冶里组以至寒武系。侏罗系与其下伏地层为区域性不整合接触，侏罗系下统永定庄组下伏地层自南向北依次为二叠系上统石千峰组、上石盒子组、下统下石盒子组、山西组以至石炭系下统太原组(图1)。

大同煤田石炭二叠系含煤地层主要为石炭系下统太原组及二叠系上统山西组。太原组平均厚85m左右，岩性主要由灰白色砂岩、深灰色粉砂岩、黑色炭质泥岩及煤层组成。山西组平均厚度为81m，岩性主要由灰白色砂岩、灰色粉砂岩及煤层组成。

1.3 构造

大同煤田位于山西隆起最北端，是一不对称的向斜构造，轴向为北东30°～35°，煤田东南缘地层倾角相对较陡，一般为30°～35°，东部边缘局部地层呈直立倒转，煤田中、西部地层倾角相对较平缓，大都在10°以下。

大同煤田主体位于晋西北块坳赋煤构造带云岗-平鲁块凹中北部，北邻华北板块北缘；南为洪涛山块凸与宁武煤田相隔；南东以大同口泉—怀仁鹅毛口断裂带与汾渭裂谷带大同盆地相邻；北东界为青磁窑逆断层；西临吕梁经向构造带的西石山脉。

表1 大同煤田地层表

图1 大同煤田地层分布图Figure 1 Strata distribution in Datong coalfield

1.4 煤层特征

大同煤田石炭二叠系主要含煤地层为太原组和山西组，含煤15层，其中：山西组含山1、山2、山3、山4等4层煤，仅山4号煤层大部可采。太原组含煤11层，其中3、5(3-5)、8号为全区稳定可采煤层，2、6、9号局部或零星可采。

山4号煤层位于山西组下部，山西组底砂岩K3之上，主要分布大同煤田的中部偏东，煤层平均厚2.44m，顶板岩性多为砂岩、砂质泥岩，底板岩性多为炭质泥岩，结构简单。

3号煤层位于太原组上部，稳定性较好，是上煤组重要的可采煤层。煤层平均厚3.89m，稳定性好，顶板岩性多为细粒砂岩、砂质泥岩，底板岩性多为砂质泥岩。

5号煤层位于于太原组上，中部，全煤田普遍发育，稳定性好，是大同煤田主要可采煤层。全煤田范围内平均厚度10.10m。顶板岩性多为砂砾岩、砂质泥岩，底板岩性多为砂质泥岩、细砂岩。在魏家沟、塔山、同忻区及左云南一带，3号煤层和5号煤层合并为3-5号煤层平均厚度达17.58m。

8号煤层位于太原组下部，全煤田普遍发育，平均厚4.57m，顶板岩性多为泥岩、泥灰岩，底板岩性多为高岭质泥岩、泥岩、细砂岩。

1.5 煤质特征

山西组主采煤层原煤水分变化在0.38%～5.76%之间，平均1.88%；原煤干燥基灰分变化在介于13.65%～47.17%之间，平均为30.12%；浮煤干燥无灰基挥发分为2.7%～39.6%，平均为34.52%；原煤全硫介于0.17%～3.61%之间，平均为0.68%；原煤干燥基高位发热量平均为25.50 MJ/kg。煤类以气煤为主，可作为低温干馏及炼焦配煤。

肃南裕固族传统体育项目的推广受到当地地形、文化传统、风俗习惯以及裕固人“逐水草而居”的游牧生活影响，这些地理条件和自然因素不仅塑造了具有裕固族特色的传统体育项目和文化，同时也从根本上限制了裕固族传统体育的发展。

太原组主采煤层原煤水分变化为0.68%～6.92%，平均2.49%；原煤灰分为9.76%～43.38%，平均为27.92%；浮煤干燥无灰基挥发分为1.52%～42.73%，平均为38.39%；原煤全硫为0.07%～3.08%，平均为0.93%；原煤干燥基高位发热量平均为22.91 MJ/kg。煤类以以气煤为主，分布有少量的长焰煤、弱黏煤和1/3焦煤，零星分布有1/2中黏煤，可作为低温干馏及炼焦配煤。

1.6 煤岩和矿物

(1)显微煤岩组分。山西组、太原组煤样的Ro大部分为0.5%～0.8%，其变质程度属于中等变质煤，部分地区样品的Ro值较高，可能与岩浆岩侵入有关。

煤岩组分主要为镜质组和惰质组，镜质组主要为基质镜质体和均质镜质体，惰质组主要为丝质体和半丝质体；无机矿物以黏土类矿为主，还有少量硫化物和碳酸盐矿物，黏土矿物主要充填在有机显微组分中，如结构镜质组、基质镜质体和丝质体、半丝质体。黄铁矿成侵染状、充填胞腔和裂隙中。碳酸盐矿物主要有方解石和菱铁矿，主要为后生成因，裂隙充填状。

(2)矿物组成及赋存状态。通过X衍射分析和扫描电镜测试，煤样的无机显微组分显示，煤中矿物主要包括了黏土矿物，硫化物和碳酸盐矿物。除此之外还有氧化物矿物，如石英、金红石和锆石矿物。

2 元素分布及赋存特征

2.1 富集特征

Dai等人提出用CC表示煤中微量元素的富集系数，CC值为煤样中的微量元素含量与世界煤中微量元素平均值的比值，CC<0.5为亏损，0.5100为超常富集。

Dai等人给出了中国煤中锗元素含量的背景值为2.78 ug/g，通过本次收集的地勘钻孔资料中锗元素含量和煤矿采集样品的ICP-MS分析测试数据统计，山4号煤层煤中锗元素质量分数均值4.09 ug/g，3-5号煤层煤中锗元素质量分数均值2.75ug/g，8号煤层煤中锗元素质量分数均值3.72 ug/g。通过与中国煤中微量元素质量分数均值比较，山4号煤层煤中锗元素富集系数为1.47，属于正常元素；3-5号煤层煤中锗元素富集系数为0.99，属于正常元素；8号煤层煤中锗元素富集系数为1.34，属于正常元素。

2.2 平面分布特征

根据收集的煤炭勘查区钻孔煤质测试数据及煤矿采样煤中锗的测试结果，计算出大同煤田山4、3-5和8号煤层各点锗含量的加权平均值，并据此勾画了大同煤田山4、3-5和8号煤中锗含量等值线图(图2、图3、图4)。

山西组山4号煤层煤中锗质量分数在0.2～26.5 ug/g之间，平均值4 ug/g。山4号煤层中锗含量从大同煤田南部向北部逐渐富集，富集区分布在大同煤田北部地区，其中有3个大于10 ug/g的富集区，分别位于高山镇四台矿、同忻矿和同煤塔山矿(图2)。

太原组3-5号煤层煤中锗质量分数在0～27.7 ug/g之间，平均值2.8 ug/g。太原组3-5号煤层中锗含量从大同煤田南部向北部逐渐富集，富集区分布在大同煤田北部地区，其中有4个大于10 ug/g的富集区，分别位于高山镇四台矿、同忻矿(图3)。

太原组8号煤层煤中锗质量分数在0～34.3 ug/g之间，平均值3.8 ug/g。太原组8号煤层中锗含量从大同煤田东南部向西北部逐渐富集，富集区分布在大同煤田西北部地区，其中有3个大于10 ug/g的富集区，分别位于高山镇四台矿、同忻矿(图4)。

图2 山西组山4号煤层煤中锗的含量等值线图Figure 2 Isogram of germanium content in Shanxi Formation coal No.S4

图3 太原组3-5号煤层煤中锗的含量等值线图Figure 3 Isogram of germanium content in Taiyuan Formation coal No.3-5

图4 太原组8号煤层煤中锗的含量等值线图Figure 4 Isogram of germanium content in Taiyuan Formation coal No.8

2.3 垂向分布特征

根据大同煤田煤矿采样样品煤中锗含量的测试结果，统计分析出山西组山4号煤层和太原组3-5和8号煤层的最小值、最大值、平均值(表2)，并将山西组、太原组各煤层中的锗含量均值进行了对比(图5)：总体垂向上看，大同煤田煤中锗含量从下向上逐渐升高，其中山4号煤层最大，平均值大于10 ug/g。

表2 大同煤田主采煤层煤中锗含量统计

锗质量分数均值/μg·g-1图5 大同煤田不同煤层煤中锗含量垂向分布Figure 5 Vertical distribution of germanium content in different coal seams in Datong coalfield

2.4 赋存特征

综上所述，各煤层煤中锗主要富集在大同煤田北部，大同北部的煤层煤变质程度低，多以长焰煤和气煤为主，低价煤中有机质含有较多官能团，可以与锗以整合物的形式结合。

2.5 成因浅析

在泥炭沼泽时期，成煤植物经过大分子物质的分解和小分子物质的聚合，形成了腐殖酸等有机质大分子物质。腐殖酸一方面聚煤环境成酸性，而使得想Al(OH)3正胶体和带负电的SiO2胶体发生凝聚作用，形成同生的硅铝酸盐矿物，最终到达Al、Si等亲石元素得到富集；另一方面腐殖酸的大分子结构具有较强的吸附能力，可以对煤中微量元素进行吸附，使得元素赋存在有机质中。

大同煤田煤中锗主要以有机质结合存在，其富集区主要分布在低变质程度煤层中，所以有机质的还原和吸附作用对煤中锗元素富集起到一定作用。

3 成矿前景预测

锗是一种稀散元素，大部分锗是以杂质状态存在于闪锌矿、硫砷铜矿等矿物中，煤中也常含有元素锗，很少独立成矿，锗在煤中的富集程度大多在5 g/t以下，一般而言，褐煤、长焰煤、气煤低价煤类中含锗品位最高，其次是焦煤和瘦煤，贫煤和无烟煤最少。

据相关研究，我国煤中锗的质量分数大部处于 bdl～5ug/g，储量均值2.52ug/g。此次研究工作发现，大同煤田山4号、3-5号、8号煤煤中锗的质量分数均值为4ug/g、2.8ug/g、3.8ug/g，按照Dai等的观点，各煤层锗含量属于正常范围。从品位来看，本评价区煤中锗元素尽管总体上没有达到边界工业品位，但部分勘探区煤中存在地球化学异常，通过初步选矿或提取，可使元素得到相当程度的富集。为此，区内煤中锗仍有一定的成矿前景。

国内外对煤中锗的赋存状态研究较多，一般认为煤中锗的主要赋存状态是与有机质结合。锗极易富集在官能团比较发育、有序度较低的低价煤中。此次研究工作发现，大同煤田各煤层煤中锗含量与灰分不相关或低度相关，锗的富集区主要分布在煤层成熟度较低的地区，受有机质的影响较大。

从平面上看，山4号、3-5号、8号煤层煤中锗的高值区均位于煤田北部高山镇附近的四台煤矿、口泉乡附近的同忻煤矿，所以四台煤矿和同忻煤矿可以作为锗成矿远景区。

总体上，大同煤田煤中锗资源富集较高，成矿及开发利用前景较好。对于大同煤田煤中锗的富集成矿，应重点关注煤田北部四台煤矿和同忻煤矿这两个区域，在这两个区域的各煤层煤中锗资源富集度高，成矿前景较好，可作为下一步重点勘查开发地区。

4 结论

(1)大同煤田煤炭中锗元素主要分布在大同煤田的北部地区的高山和口泉地区。

(2)大同煤田煤炭中锗元素主要赋存在煤有机质中。

(3)大同煤田煤炭中锗主要赋存在有机质中，其富集区集中在低变质煤中，受有机质影响较大。

(4)锗元素富集区基本分布于大同煤田北部，高山镇附近的四台煤矿以及口泉乡附近的同忻煤矿可以作为锗成矿远景区，可作为下一步重点勘查开发地区。