介休2#煤地球化学特征对古沉积环境的指示意义

介休2#煤地球化学特征对古沉积环境的指示意义摘要：煤层作为重要的地质历史沉积体，记录了当时的沉积环境，是研究古沉积环境的重要对象用本文以介休2#煤为研究对象，进行微量元素组成分析#研究结果表明，富REE煤沉积过程可能受海水影响较大，整体处于干旱弱酸性环境；亏损REE煤沉积于几乎不受海水影响、潮湿的淡水环境稳定煤层的沉积通常发生在沉降速度和沉积速度一致的盆地开沉积的泥炭产生有效埋藏、沉积成煤作用#泥炭发生沉积的古环境(包括水介质氧化还原环煤系沉积地层中元素组成曲沉积过程中开煤结构中能容纳大量金属元素导致煤中不仅富含As、HgT1、Cd等有毒元素开还富集关键金属元素如Li、Ga等[1-3用因此对于煤层的开发利用要考虑能源燃烧释放的有害物质对环境和人体造成的危害另一方面开煤系关键金属元素的开发利用为煤炭洁净化开采提供重要思路因此明确煤中元素富集特征、赋存状态与沉积环境的关系开对于探讨煤中关键及有害金属元素的富集规律、煤炭资源的综合开发利用具有重要意义研究发现开酸性沉积介质(水体)能够溶解部分难溶矿物如锆石、黄铁矿等这一过程将导致ZrHfFeGa以及有害元素As的释放用随着沉积环境改变释放的金属元素发生沉淀并富集于煤系沉积地层⁴J用同一元素的富集可能受控于多种地质作用通过煤系地层中单一元素含量反演沉积古环境的唯一性受到挑战用元素比值作为示踪物源的另一重要指标用常被用来反映沉积环境用如现代海水和河流水中的Sr/Ba比值分别为615和3.5开这种具有明显差异性的元素比值中海(矿化)水的影响强度、氧化还原环境用因此综合考虑煤系沉积地层中微量元素含量及比值能精准反映沉积古环境特征山西省作为我国重要的煤炭大省广泛分布石炭-二叠纪和侏罗纪煤用沁水煤田作为省内重要的煤炭生产基地开近年来发现的金属元素富集使该区煤系伴生金属矿产的研究受到地质学者广泛关注[5#目前开已经在该煤田发现了锂、镓、铝等元素的富集现象煤中金属元素的富集不仅受物源供给影响开同时沉积古环境和变质作用也能影响煤系沉积地层中金属元素的富集和赋存形式#明确沁水煤田煤层沉积环境与元素富集和赋存规律有助于煤系伴生金属矿产的勘查和煤炭洁净化开采本文以沁水煤田介休矿区2#煤为研究对象通过微量元素分析明确介休2#煤的沉积古环境为探讨沉积环境对2#煤中元素富集和赋存机制影响提供依据山西省位于华北赋煤区省内包括沁水煤田、大同煤田、河东煤田、霍西煤田以及西山煤田用其中开沁水煤田具有面积广、煤炭资源丰富的特点主要开采煤层为石炭-二叠系煤层是沁水盆地内重要的煤炭生产基城、沁源等地该盆地在中生代之前由于受到加里东运动的影响开整体呈抬升剥蚀状态出现了石炭系地层直接沉积覆盖于寒武系或奥陶系地层之上的不整合现象用从石炭系至三叠纪盆地内整体以稳定沉积环境为主开构造、岩浆活动较少用直到中-新生代之后由于受到太平洋板块俯冲作用的影响整体上华北板块出现挤压构造开沁水盆地处于抬升剥蚀阶段开沁水向斜也在这一阶段形成开盆地内广泛出露第四系黄土层用介休矿区位于沁水盆地中部开区内地层自下而上包括太第三系和第四系用与沁水盆地含煤地层一致开山西组和太原组为研究区主要含煤地层其中开山西组可采煤层包括2和3#煤层开2#煤层局部可达到可采厚度开太原组可采煤层包括8#9和15#煤层本研究针对介休矿区山西组可采2#煤层进行采样共计采取16件煤样进行微量元素地球化学分析通过煤地球化学指标明确2#煤层沉积环境开为探讨沉积的动力学机制提供证据微量元素分析在中国科学技术大学完成用采用Elan6100电感耦合等离子体质谱仪测量用上机测试前将所采煤样磨成400目粉末称量30mg粉末样品加入纯硝酸、氢氟酸和高氯酸拧盖置于电热板上升温至180C并保持直到样品完全溶解开变为透明浅黄色的溶液开盖蒸干加入纯硝酸再蒸干加入50%硝酸加热确保溶液清澈#如果存在絮状物则重复上述步骤直至样品全部溶解用将匹配好的溶液进行分析测试3微量元素组成平均总量明显低于中国和世界煤开各元素CC值均比富REE煤低Sr/Ba和Sr/Gu比值明显偏低#整体2#煤层V/(V+Ni)>0.49(23-JX-14样比值为0.43开V/Cr<2.654U/Th比值则表现出较大的变化范围(0.11～5.12且无明显变化规律图1介休2#煤微量元素含量、比值协变图4讨论及结论4.1微量元素反演沉积水体介质酸度沉积环境(如沉积水体盐度、气候湿度等)改变能较大程度影响煤中元素的迁移和富集规律开导致不同地质背景下沉积地层的微量元素化学组成存在明显差异煤系沉积地层通常发育在沼泽环境受到矿化地下水、水体蒸发量与补给量差值、海进/退等因素影响开沉积水体的盐度、酸碱度以及氧化还原状态会发生变化用传统研究中常采用结构保存指数(TPI和凝胶化指数(GI分别指示沉积水体的pH值和沼泽的潮湿程度、覆水深浅随着元素地球化学在煤中的应用开煤系地层元素组成的研究趋于完善如高场强元素开由于其在风化过程中不易发生改变常被用来示踪物质源区元素推测可能是在弱酸性环境下富集高场强和REE元素的副矿物发生少量的溶解并释放组成元素导致#值得注意的是相比富REE煤亏损REE煤样中Ga等极少量元素表现为轻微富集特征外其他元素整体呈现亏损状态用这一相对亏损特征表明其沉积水体介质pH值比富集RE煤的沉积水体更接近中性环境开导致在碎屑沉积物供给一致的条件下富集REE煤沉积过程中更多的无机矿物发生分解并释放相应的组成元素用综上所述开介休2#煤富集和亏损REE的两类煤发生沉积的水体介质条件分别为弱酸和中性4.2微量元素反演沉积介质盐度矿物在水体中的溶解度受水体盐度的影响开导致元素在水体中的迁移发生变化开并控制煤层的微量元素组成研究发现随着水体盐度增大Sr/Ba值有明显增大的趋势用因此受盐度较高的海水影响的煤系地层Sr/Ba比值明显偏高开这也被用来判断沉积水体盐度用区别于西南地区的热液流体活动对煤中金属元素迁移富集的影响用沁水盆地内鲜少有较大的岩浆岩体活动日煤系地层沉积几乎不受矿化的岩浆热液或热水溶液影响用介休2#煤中富REE煤(23-JX-1、4、1Q13、14和19表现出异常高的Sr/Ba比值特征接近顶板位置Sr/Ba比值最高开这表明富REE煤可能形成于海水影响较大的海进过程用相反亏损REE煤的Sr/Ba值为1.0为典型的淡水环境沉积产物据此推测影响2#煤Sr/Ba比值主要受控于高盐度海水作用其中开富REE煤受海水影响程度较大随着水体蒸发量增加(干旱环境)开Sr元素含量显著增加导致干旱环境下的沉积地层中Sr含量明显升高相反开Cu元素在潮湿环境下易发生富集两元素鲜明的差异性使Sr/u比值常规被用来指示水体蒸发量和补给量的相对差即指示干旱或潮湿的沉积环境值得注意的是开介休2#煤的Sr/Cu比值变化较大开沉积富REE煤的沉积作用可能发生在蒸发作用大于补给作用的干旱环境而亏损REE煤则沉积于蒸发作用小于补给作用的潮湿环境中用这一现象表明同一煤层沉积水体的盐度及蒸发研究发现氧化还原环境能够控制变价元素(V、Cr等比值常被用来指示沉积岩发生沉积作用的氧化还原环境通常V/Cr>4.5QU/Thk时代表(强)氧化环境的沉积产物反之为还原环境2#煤层的微量元素比值特征显示V/(V+Ni)>0.49(除23-JX-14样品比值为0.43外)田指示整体形成于缺氧还原-弱氧化环境然而#V/Cr