南疆三地州同一构造背景下三个盆地煤中元素特征及其地质意义

车飞翔，樊婷婷, ，胡驰，豆龙辉

（1.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 710054；3.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；4.新疆煤田地质局综合地质勘查队，新疆 乌鲁木齐 830009）

0 引言

近年来，随着煤炭资源的开采利用，由煤中微量元素所产生的污染物必然会对环境产生影响，故而对煤中微量元素的研究越来越重要。国内许多学者通过分析煤中微量元素特征来研究其地质意义，并取得了不少研究成果（Liu et al.,2019；庄新国等，1999；郝吉生等，2000；李焕同等，2017；刘瑞，2018；刘大锐等，2018；李影影等，2018）。在短期内煤炭依然是我国的主要能源，因此探讨中国煤中微量元素的地球化学丰度和成因类型，以及对人类健康的影响就显得尤为重要（Dai et al.,2014a,2014b,2018）。故许多学者在煤中微量元素的富集成因方面做了大量研究（刘桂建等，2001；李大华等，2002；程伟等，2016），并结合不同的参数指标ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）和ω（CaO）/ω（Fe2O3+CaO）来反映泥炭沼泽的沉积环境和水介质盐度（孙顺才，1980；叶道敏等，1997），并通过灰分三角端元图来反映陆源供给程度和氧化还原环境等（赵师庆等，1994），都在不同程度上促进了我国煤中元素的研究。

中国煤盆地种类较多且分布广泛，煤中元素富集的控制因素复杂。前人研究主要是针对某一个矿区，讨论元素富集的成因，缺少对于同一构造背景下，多个矿区煤中元素含量的差异性分析。本文选择南疆三地州同一构造背景下三个盆地煤中元素进行对比研究，分析研究区内煤矿微量元素和主量元素差异的控制因素，以期为后续的开发利用提供一定的理论指导。

1 研究区概况

研究区隶属于阿克陶县和市，位于塔里木盆地西南缘，呈北西-南东向展布，物源呈现为南西-北东方向，面积约1.2万平方千米。研究区含煤地层为下侏罗统康苏组和中侏罗统杨叶组，本次煤样品均取自侏罗系中侏罗统杨叶组（J2y）。研究区内杨叶组其出露厚度约339 m，共含煤层14层，侏罗中统杨叶组上段（J2y2）含煤8层，煤层编号自下而上为7至14煤层，下段（J2y1）含煤6层，煤层编号自下而上为1至6煤层。煤层属于中灰、低热值的煤，是较好火力发电用煤，也是良好的工业锅炉和民用燃料。

2 常量元素含量特征

煤中常量元素的含量和特征，一方面可以反映成煤时期的地质背景，另一方面又可以反映后期煤层所经历地质作用，有利于理解煤层的形成过程及区域的地质演化等基本问题（范玉海等，2012）。同时，其也直接影响发热量的高低和后期的加工利用。此外，煤中C、S等元素经燃烧形成的化合物排放到大气中，会对空气产生一定的污染。

煤中如Si、Al、Fe、Mg等常量元素在沉淀或迁移过程中会受到水动力条件、水体氧化还原条件、古气候和古盐度等因素的影响，因此灰成分指数中某些参数比值可在一定程度反映聚煤规律的特征。研究区内煤样品常量元素参数统计如表1所示。

表1 研究区内煤样品常量元素参数统计/%

使用ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）这一指标，把沉积环境划分为受海水影响的泥炭沼泽和陆相泥炭沼泽两种，ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）＞0.23，沉积环境为受海水影响的泥炭沼泽，反之沉积环境为陆相的泥炭沼泽（叶道敏等，1997）。CS煤矿煤灰成分指数ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）值变化于0.08～0.58，均值为0.27，说明本区煤层的沉积环境为受海水影响的泥炭沼泽，参数ω（CaO）/ω（Fe2O3+CaO）平均值为0.13，说明沉积水介质盐度总体较稳定，受海水影响较小；KZKEA煤矿煤灰成分指数ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）值变化于0.13～0.35，均值为0.22，说明本区煤层的沉积环境为陆相的泥炭沼泽，参数ω（CaO）/ω（Fe2O3+CaO）平均值为0.24，说明沉积水介质盐度总体较稳定，受海水影响较小；MMTLK煤矿煤灰成分指数ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）值变化于0.18～0.91，均值为0.51，说明本区煤层的沉积环境为受海水影响的泥炭沼泽，参数ω（CaO）/ω（Fe2O3+CaO）平均值为0.59，沉积水介质盐度总体存在变化，说明海水对其有一定影响。

图1 塔西南盆地沉积环境及区域位置（新疆煤田地质局，2011①）

灰成分指数ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）在0.03～0.22为较弱还原环境，在0.23～1.23之间则属于较强还原型（孙顺才，1980）；研究区CS煤矿煤样品的灰成分指数ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）范围为0.08～0.58，均值为0.27，属于较强还原型；KZKEA煤矿煤样品的灰成分指数ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）范围为0.13～0.35，均值为0.22，属于较弱还原型；MMTLK煤矿煤样品的灰成分指数ω（Fe2O3+CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）范围为0.18～0.91，均值为0.51，属于较强还原型。

灰成分三角端元分析中用ω（SiO2+Al2O3）端元反映以黏土矿物为代表的陆源，可反映泥炭沼泽接受陆源的供给程度；ω（CaO+MgO）端元可以判断泥炭沼泽弱氧化-弱还原程度，碱度越高，Ca、Mg离子越易沉淀；ω（Fe2O3+SO3）端元表示硫铁矿含量较高，代表相对闭塞的局限沼泽环境（赵师庆等，1994）。研究区内煤样品所测数据总体上呈现为，靠近陆源区，泥炭沼泽接受陆源的供给程度较高，覆水程度较浅，且硫铁矿含量较低，表现为沼泽环境相对流通（图2）。

图2 煤灰成分三角端元图解

从研究区不同煤矿煤层硫分均值与灰成分指数均值的垂向变化来看，KZKEA煤矿，硫分均值与灰成分指数均值变化趋势契合度较低，煤层硫分和灰成分指数较低，反映煤层成煤时受到海水的影响较小；CS煤矿和MMTLK煤矿硫分均值和灰成分指数均值变化趋势基本一致，且反映了煤层总体形成于受海水影响的泥炭沼泽（图3）。同时也能从侧面反映三个煤矿在成煤期时水动力条件存在差异，成煤环境有一定变化，与前文结论相一致。

图3 研究区煤中硫分及灰成分指数变化趋势

3 微量元素含量特征

了解研究区内煤中微量元素的含量及分布，才能更好的掌握煤中微量元素地球化学特征。煤中微量元素的含量受到多种控制因素的影响，同时，不同的微量元素对沉积环境有不同的指示意义，如Sr、Ba等可以指示成煤环境。由于古环境和原始沉积物的差异，导致研究区内处于同一构造背景下的三个盆地煤中微量元素含量存在变化。

在与中国煤中微量元素算数平均值的比较中，CS煤矿煤层微量元素平均含量高于中国煤的有As、Cu、Sr，煤层微量元素平均含量接近中国值的有Co、Ga、Li，煤层微量元素平均含量明显低于中国值的有Ba、V和Ni等；KZKEA煤矿煤层微量元素平均含量高于中国煤的有Li、Cu，煤层微量元素平均含量接近中国值的有As、Co、Ga，煤层微量元素平均含量明显低于中国值的有Ba、V、Cr、Sr、Zn和Ni等；MMTLK煤矿煤层微量元素平均含量高于中国煤的有Cu和Sr，煤层微量元素平均含量接近中国值的有As、Co和Ga，煤层微量元素平均含量明显低于中国值的有Ba、V、Cr、Zn和Ni等（图4）。研究区内煤样品微量元素含量变化范围较大，虽有部分元素含量超过中国值，但大多数微量元素仍表现为近似相等或亏损。

CS煤矿煤样品中As和Mo元素富集程度最高，MMTLK煤矿煤样品中As和Cu元素富集程度最高；CS煤矿煤样品处在0.5

图5 煤样品微量元素浓度系数（CC）图

4 微量元素指示意义

煤中微量元素的聚集是多种地质因素以及多期地质作用叠加的综合作用结果，反过来煤中微量元素对沉积时的地质环境也同时具有很强的指示意义。本文选取微量元素V、Ni、Sr、Cu、Ba，利用其相关比值对三个煤矿的氧化还原、古气候和古盐度特征进行探讨，总结三个不同盆地煤的元素差异的因素。

4.1 氧化还原环境

V/(V+Ni)>0.84时，表现为水体强分层，且当时为还原环境；V/(V+Ni)在0.6～0.84时，表现为分层中等，且当时为厌氧环境；V/(V+Ni)在0.4～0.6时，表现为弱分层，且当时为贫氧环境（冀华丽等，2020）。由图6可知，研究区内V/(V+Ni)比值几乎都<0.84。其中CS煤矿煤层V/(V+Ni)在0.38～0.85，平均值为0.56，说明煤层在沉积时水体分层弱，且当时环境以贫氧环境为主；KZKEA煤矿煤层V/(V+Ni)平均值为0.5，说明煤层在沉积时水体分层弱，且当时环境以贫氧环境为主；MMTLK煤矿煤层样品中，V/(V+Ni)变化范围在0.23～0.75，平均值为0.53，说明煤层在沉积时水体分层弱，且当时环境以贫氧环境为主。

图6 元素比值剖面变化图

4.2 古气候特征

Sr和Cu属于喜干型元素和喜湿型元素，因此Sr/Cu的比值具有较好的古气候指示作用。一般认为，Sr/Cu比值在1.3～3.5时，反映古气候为温暖潮湿气候，Sr/Cu比值大于5时，指示古气候为干旱炎热气候（魏迎春等，2020）。CS煤矿煤层样品中Sr/Cu的比值范围在0.85～4，平均值为2.74，反映古气候为温暖潮湿气候；KZKEA煤矿煤层样品中Sr/Cu的比值范围在0.65～0.8，平均值为0.71，反映古气候为温暖潮湿气候；MMTLK煤矿煤层样品中Sr/Cu的比值范围在1～4，平均值为2.53，反映古气候为温暖潮湿气候。

4.3 古盐度特征

Sr和Ba化学性质类似，但当沉积环境发生变化时，二者变化各不相同，一般来说，当水体由淡水过渡到咸水环境时，Sr/Ba的比值在沉积物中呈现增大的趋势，故利用Sr/Ba的比值可以推测当时古环境水体中的盐度特征。通常认为，Sr/Ba比值大于1时，指示当时为海相咸水沉积，Sr/Ba比值小于0.6时，指示当时为陆相淡水沉积，Sr/Ba比值在0.6～1时，反映过渡相的半咸水沉积（冀华丽等，2020）。CS煤矿煤层样品中，Sr/Ba的比值范围在1.92～7.08，平均值为4.31，表明古环境为海相咸水沉积，KZKEA煤矿煤样品中，Sr/Ba的比值范围在0.13～0.54，平均值为0.31，表明古环境为陆相淡水沉积；MMTLK煤矿煤样品中，Sr/Ba的比值范围在1.64～8.33，平均值为5.24，表明古环境为海相咸水沉积。

4.4 小结

对比研究区内三个盆地所测样品中微量元素含量可知，三个煤矿虽有部分元素其浓度系数超过或接近上地壳元素含量，但仍有大多数元素其浓度系数低于上地壳元素含量。同时，即使研究区内三个煤矿位置相近，经历同样的大地构造背景，但由于其他地质因素的差异，使得三个煤矿在元素的含量上存在差异。故笔者通过对三个煤矿内不同煤矿的沉积环境背景、煤质和煤相特征的综合分析,认为这三个不同盆地煤的元素差异由下列因素控制:

（1）泥炭沼泽形成时的沉积环境

泥炭沼泽水体介质的酸碱性和盐度对煤中微量元素的含量存在一定的控制作用。当水体介质变现为酸性时，大部分金属化合物的溶解能力增强。pH越低，越有利于Ca、Cu、Sr等元素迁移，pH越高，则B、S、V等元素更容易富集。通过对三个煤矿元素富集情况的分析，以及对海相、陆相沉积环境特点的对比，故相比于陆相沉积环境，在具有海陆交互相沉积环境背景的CS煤矿和MMTLK煤矿中，其全硫含量和灰份含量明显偏高。查阅我国煤田预测煤质化验成果综合表后发现，与海水有关或受海水影响的含煤盆地煤中的硫含量和灰分含量一般也高于没有受海水影响的陆相含煤盆地。受到海水影响的泥炭沼泽，沼泽水体的矿化程度会高于没有受到影响的沼泽水体，因此，CS煤矿和MMTLK煤矿煤层中煤的微量元素含量也较高。

（2）构造活动

构造活动对于煤中微量元素的富集及运移，有着很大的影响。研究区内未见到岩浆活动，但断裂和褶皱尤为发育。断裂和褶皱构造对煤中微量元素的影响一般有以下几个方面：①扰动原始地层，形成地下水良好的运移通道；②褶皱和断裂发生时，产生的热量会影响煤层的变质程度。虽然研究区内三个盆地处于相同的构造背景下，但由于小构造的发育程度存在差异，其中KZKEA煤矿构造活动频繁，煤层受构造活动扰动较大，进而会对煤层中微量元素的迁移和富集产生影响。故相较于其他样品，KZKEA煤矿煤层样品中测的微量元素含量少于其他煤矿，微量元素含量总体偏低。

5 结论

（1）CS煤矿煤样品表现为中灰分、中高硫、高挥发分煤；KZKEA煤矿样品表现为中高灰、低硫、特低挥发份煤；MMTLK煤矿样品表现为高灰、中高硫、低挥发份煤。

（2）煤样品所测得的微量元素含量中，微量元素平均含量高于中国煤的有As、Cu、Sr（CS煤矿），Li、Cu（KZKEA煤矿），Cu、Sr（MMTLK煤矿）；煤层微量元素平均含量接近中国值的有Co、Ga、Li（CS煤矿），As、Co、Ga（KZKEA煤矿和MMTLK煤矿）；煤层微量元素平均含量明显低于中国值的有Ba和Ni等（CS煤矿），Ba、V、Cr、Sr、Zn和Ni等（KZKEA煤矿），Ba、Cr、Zn和Ni等（MMTLK煤矿）。

（3）CS煤矿、KZKEA煤矿和MMTLK煤矿通过参数指标V/(V+Ni)反映古沉积环境以贫氧环境为主，Sr/Cu指示古气候为温暖潮湿气候，Sr/Ba反映古环境分别为海相咸水沉积、陆相淡水沉积和海相咸水沉积。

（4）通过对三个不同煤矿沉积背景以及煤质特征的对比分析，可以得出研究区内泥炭沼泽形成时的沉积环境和构造运动，是控制三个盆地煤中元素差异的主要因素。

注 释

①新疆煤田地质局.2011.新疆煤炭潜力评价报告[R].