萍乐坳陷带中西部煤中微量元素的地球化学特征*

夏小进，胡小娟，涂 玮，黄 懿，米振华

（江西省煤田地质勘察研究院，江西 南昌 330001）

研究煤中微量元素具有重要的意义。在特定的地质条件下，某些元素在煤及煤灰中可富集达到工业利用的品位，如Ga、Ge、U［1-6］等；其次，煤在燃烧利用过程中，煤中有害微量元素会对环境及人和动物造成影响（如燃煤型As、F中毒）［7］；另外，煤在成煤作用过程中其所含的微量元素的迁移、聚集与分布规律可用来判断和恢复成煤环境［8］。

本文以萍乐坳陷带中西部为研究对象，初步研究了煤中微量元素的含量特征，并在数理统计软件SPSS下分析微量元素与有机质、硫分、灰分之间的相关关系，研究煤中微量元素可能的赋存状态，并对煤中微量元素进行初步评价，为江西煤的综合开发和煤炭利用提供参考资料。

1 地质背景

萍乐坳陷带北部以宜丰—南昌—景德镇为界，南部以萍乡—分宜—丰城—进贤—婺源为界，总体呈北东东至北东向延伸的狭长坳陷地带，是重要的构造成矿带[9]。

研究区即萍乐坳陷带中西部处于萍乡至丰城一带。研究区内发育地层较为完整，地层从老到新依次为：中元古界双桥山群，上元古界青白口系、南华系、震旦系，古生界寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系；中新生界三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、第四系；缺失奥陶系、志留系、新近系。其中二叠系龙潭组、三叠系安源组为研究区内主要含煤地层。

2 样品采取与测试

本次研究主要利用地质钻孔采样的样品，对钻孔遇到的煤层进行微量元素的测试。在26个矿区井田中，煤层样品采自主采煤层，共采集煤心煤样776个，见图1。

图1 研究区范围及采样位置

将用于地球化学分析的样品均破碎至200目，煤中P元素用X射线荧光光谱（XRF）测定，检测极限为0.001%；煤中F元素用离子选择性电极（ISE）测定，检测极限为1×10-6；Cl元素用艾士卡混合试剂-硫氰酸钾滴定法测定，检测极限为0.001%；其他微量元素（如Ge、Ga、U、As）用电离耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定，检测极限为1×10-6。

3 微量元素的含量及特征

通过煤中微量元素含量及特征情况的研究，评价微量元素的回收利用价值，并为降低有害微量元素含量或去除有害微量元素提供理论依据。因此，对煤中微量元素含量及特征的研究在煤环境地球化学上具有重要意义[10]。

本次主要研究区内主采煤层煤中Ge、Ga、U、Cl、F、P、As等7种微量元素。

各样品中这些元素的含量范围、算术平均值、标准差等值见下页表1所示。

表1表明，区内主采煤层煤中微量元素含量具有以下特点：

1）与中国煤相比，区内主采煤层煤中微量元素平均含量高于中国煤中微量元素的平均含量的有Ga、U、F、P、As等元素， 平均含量低于中国煤中该元素的平均含量的元素有Ge、Cl元素。

2）与世界煤相比，区内主采煤层煤中Ga、U、F、As的平均含量高于世界煤中该元素的平均含量；P元素的平均含量与世界煤中该元素的平均含量相近；Ge、Cl等元素的平均含量低于世界煤中该元素的平均含量，其中Ge元素的平均含量低于世界煤中该元素的平均含量3倍以上。

3）与地壳的平均含量相比，区内煤中Ge、U、As等元素含量偏高，富集系数Ef＞1，其它元素的算术均值接近或低于地壳克拉克值。本区煤中U元素富集系数为11.46，高于地壳克拉克值6倍以上［16］，明显富集，其他6种微量元素均为正常。

4 煤中微量元素的赋存状态

通过数理统计软件SPSS，分析微量元素与显微组分、硫分、灰分之间的相关关系，探讨煤中微量元素可能的赋存状态。

4.1 微量元素与有机显微组分的关系

分析煤中微量元素与显微组分之间的关系对研究微量元素的亲和性有重要的意义［17］。本次研究是用回归分析方法，求得研究区内主采煤层中Ge、U、Ga、Cl、F、P、As等微量元素与煤中显微组分之间的相关系数如表2所示。

从表2中可以看出，Ge、Ga、F、P、As元素与有机显微组分相关系数小，均小于0.5，说明他们与有机显微组分的亲和性较差。U与镜质组的相关系数为0.503，说明U在镜质组的分布中含量可能较高，有机质的赋存能力较强。Cl与惰质组的相关系数为0.502，有机质赋存能力较强。

4.2 微量元素与硫分的关系

分析区内主采煤层中7种微量元素与全硫、硫酸盐硫（Ss,d）、黄铁矿硫（Sp,d）和有机硫（So,d）之间的相关性，探讨研究区主采煤层煤中7种微量元素的赋存状态。相关系数见表3所示。

表2 微量元素与有机显微组分的相关系数

表3 微量元素与硫分之间的相关系数

由表3中微量元素与硫分的相关系数可知，F元素与Ss，d（硫酸盐硫）的相关系数为0.364，呈低度相关，表明F元素可能以硫酸盐硫的形式存在于煤中；P元素与So，d（有机硫）的相关系数为-0.406，呈低度负相关，表明P元素可能以无机硫化物的形式存在于煤中；As元素与Sp，d（黄铁矿硫）的相关系数为0.358，呈低度相关，表明As元素可能与无机硫相关，且赋存于黄铁矿硫中。

4.3 微量元素与灰分的关系

本次研究利用煤中微量元素的含量与灰分的相关性分析，探讨研究区煤层煤中7种微量元素的赋存状态［18］。煤中微量元素含量与灰分的相关系数见表4所示。

从表4可以看出，研究区主采煤层煤样中，7种微量元素中Ge、U、Cl、P、As等元素与灰分之间的相关系数小，基本不相关，表明样品中这些元素在煤中的赋存状态比较复杂，既可能以无机态存在，又可能以有机态存在；Ga、F元素与其灰分的相关系数较高，分别为0.793、0.588，表明中Ga、F元素主要以无机态存在于煤中。

表4 微量元素与灰分的相关系数

5 微量元素的初步评价

现对煤中微量元素进行初步的评价，以便对微量元素进行回收利用。

煤中微量元素可划分为有害和有益两类，有害元素如As、F、Cl、P等元素，有益元素如Ge、Ga、U等元素［19］，有害微量元素及其限定值对比表如表5所示。

表5 煤中有害微量元素及其限定值对比表单位：（μg/g）

表5给出了区内主要有害元素在地壳沉积圈及本区煤中的含量，列出了煤中有害元素参考限定值，超过该元素参考限定值，使用时可能会引起危害，应加以防治。

由表5可知，本区煤中有害微量元素F、P、Cl的平均含量都低于地壳沉积圈中的平均值，且P、Cl低于参考限定值，在使用中一般不会对环境及人体健康造成威胁，F高于参考限定值，使用时应注意。As元素的平均含量高于地壳沉积圈中的平均值和参考限定值，在使用中可能会对环境及人体健康造成威胁，应加以防治。

有益元素含量及工业边界品位对照表如表6所示。表6给出了主要有益元素在地壳沉积圈及本区煤中的含量，列出了煤中有用元素的工业边界品位。

表6 有益元素含量及工业边界品位对照表单位：（μg/g）

由表6可知，本区煤中有益微量元素的平均含量高于地壳沉积圈中该元素的含量，却远低于工业边界品位值，在现有技术经济条件下，尚未具备利用价值。

由所收集的7种微量元素的数据可知，部分井田矿区中的微量元素超过工业边界品位，洪塘矿区中收集了31个Ga元素的样品数据，其中有8个数据超过工业边界品位30 μg/g，占数据的40%，其有可能具有工业利用价值，但还需进一步的分析研究。

6 结语

1）与中国煤相比，Ga、U、F、P、As等元素的含量高于中国煤的平均值；与世界煤相比，Ga、U、F、As的平均含量高于世界煤中的平均含量；与地壳的平均含量相比，区内煤中Ge、U、As等元素含量偏高，在煤中的富集系数Ef＞1，且煤中U（11.46）元素明显富集，其他元素的算术均值接近或低于地壳克拉克值。

2）由煤中微量元素与有机显微组分、硫分、灰分之间的相关关系可知，U、Cl、P等元素的赋存状态比较复杂，既可以有机态赋存，又可以无机态赋存；Ge、Ga、F、As等元素主要以无机态赋存于煤中，F元素主要赋存于硫酸盐硫中，As元素主要赋存于黄铁矿中。

3）本区煤中有害微量元素F、As元素含量在参考限定值之上，在使用过程中可能会对环境及人体健康造成威胁，应注意防治。

4）本区煤中有益微量元素Ge、Ga、U的平均含量远低于工业边界品位值，在现有技术经济条件下，尚未具备利用价值。

5）宜春洪塘矿区中共收集了31个Ga元素的样品数据，其中有8个数据超过工业边界品位30 μg/g，约占数据的40%，其可能具有工业利用价值，还需进一步的分析研究。