本文摘要：摘要：平朔礦區(qū)安家?guī)X煤礦太原組煤層中Li、Al等有益元素的富集主要受陸源碎屑的影響，為明確其物源區(qū)，本文以煤層頂、底板和夾矸樣品為研究對(duì)象，利用巖石薄片、ICPOES、ICPMS等方法對(duì)11號(hào)煤層的頂?shù)装搴蛫A矸的巖石學(xué)和地球化學(xué)特征進(jìn)行分析，進(jìn)而探討了其物
摘要：平朔礦區(qū)安家?guī)X煤礦太原組煤層中Li、Al等有益元素的富集主要受陸源碎屑的影響，為明確其物源區(qū)，本文以煤層頂、底板和夾矸樣品為研究對(duì)象，利用巖石薄片、ICPOES、ICPMS等方法對(duì)11號(hào)煤層的頂?shù)装搴蛫A矸的巖石學(xué)和地球化學(xué)特征進(jìn)行分析，進(jìn)而探討了其物源屬性。巖石學(xué)結(jié)果表明，研究區(qū)砂巖樣品中碎屑成分以石英和巖屑為主，雜基含量低，膠結(jié)類型主要為鈣質(zhì)膠結(jié)。地球化學(xué)結(jié)果顯示，研究區(qū)樣品主要成分為SiO和Al，其他元素的含量都比較低。微量元素Li在各個(gè)煤層頂?shù)装搴蛫A矸中的富集系數(shù)變化較大，其中11號(hào)煤層樣品中Li富集程度最高，號(hào)煤層樣品中相對(duì)富集，號(hào)煤層樣品中表現(xiàn)為相對(duì)虧損，號(hào)煤層個(gè)樣品中僅有夾矸樣品富集，頂?shù)装鍢悠肪桓患Ｆ溆辔⒘吭乇憩F(xiàn)為Th、Hf、Zr和Nb等相對(duì)富集，Co、Sc、Cr、Ni、、Rb、Cs和Ga等元素相對(duì)虧損。根據(jù)元素比值等地球化學(xué)參數(shù)和SiOTiO、HfLa/Th、∑REELa/Yb、Dickinson圖解及DF(AP)MT圖解結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，研究區(qū)富Li和不富Li的煤層頂?shù)装搴蛫A矸中碎屑物質(zhì)主要來(lái)源于華北北緣的內(nèi)蒙古隆起。這兩類煤層頂?shù)装搴蛫A矸的源巖類型都是以長(zhǎng)英質(zhì)火成巖為主。相較于富Li煤層頂?shù)装搴蛫A矸，不富Li煤層樣品的源巖中有更多沉積巖的加入。
關(guān)鍵詞：平朔礦區(qū);安家?guī)X煤礦;富鋰煤層;地球化學(xué)特征;物源
近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)在華北北部石炭二疊紀(jì)煤層中，存在Li、Al、Ga、REE等多種關(guān)鍵金屬富集現(xiàn)象，如山西寧武煤田煤中鋁、鋰、鎵及稀土等元素富集，是煤型關(guān)鍵金屬潛在有利區(qū)[1]。平朔礦區(qū)位于寧武煤田北部，其煤炭總儲(chǔ)量達(dá)130億噸，安家?guī)X煤礦號(hào)煤中鋰元素含量達(dá)60.4840.1ppm，形成了超大型煤型鋰礦床[23]。
煤礦生產(chǎn)論文范例：煤礦生產(chǎn)安全與瓦斯監(jiān)測(cè)
Sun等[4]通過(guò)運(yùn)用SCEP、SEMEDS、XRD等方法對(duì)山西寧武煤田平朔等多個(gè)礦區(qū)太原組煤中超常富集的AlLiGa多金屬成礦的成因機(jī)制進(jìn)行了深入剖析，研究認(rèn)為其中Li、Ga和Al富集與無(wú)機(jī)質(zhì)有關(guān)，高嶺石等硅酸鹽礦物可能是Li、Ga和Al的載體，他們還認(rèn)為這些元素的富集屬于陸源型成因，來(lái)源于陰山古陸。劉蔚陽(yáng)等[5]通過(guò)運(yùn)用相關(guān)性分析、XRD、逐級(jí)化學(xué)提取等方法對(duì)山西寧武煤田中南溝煤礦和大恒煤礦的多個(gè)煤層中REE富集的成因及賦存狀態(tài)進(jìn)行了探討，研究發(fā)現(xiàn)煤中稀土元素主要賦存在硅鋁酸鹽等礦物中，屬于無(wú)機(jī)來(lái)源且物源主要來(lái)自于華北板塊北緣的陰山古陸。
王金喜[6]運(yùn)用相關(guān)性分析、逐級(jí)化學(xué)提取等方法對(duì)寧武煤田石炭二疊系各礦區(qū)煤中Li的賦存狀態(tài)與沉積控制模式進(jìn)行研究，分析發(fā)現(xiàn)煤中Li主要以硅酸鹽礦物賦存為主，Li的富集為陸源控制型且最初來(lái)源來(lái)自于北部陰山古陸。雖然對(duì)寧武煤田煤中AlLiGaREE多金屬成礦的成因機(jī)制進(jìn)行了探究，且發(fā)現(xiàn)不同煤層Li等關(guān)鍵金屬的富集程度及元素富集組合存在較大的差異，但對(duì)導(dǎo)致這種差異的原因沒(méi)有深入系統(tǒng)的分析。
在煤層剖面中，可以發(fā)現(xiàn)在夾矸附近的煤層Li富集程度高，系統(tǒng)分析煤層中夾矸的母巖類型及其構(gòu)造背景，可能是認(rèn)識(shí)這一問(wèn)題的途徑。因此，本文以安家?guī)X煤礦晚古生代太原組煤層中19個(gè)煤層頂、底板和夾矸為研究對(duì)象，進(jìn)行巖石學(xué)、地球化學(xué)分析，試圖揭示富鋰與非富鋰煤層碎屑物質(zhì)母巖類型及構(gòu)造背景，從而為煤中Li的富集機(jī)制及成礦規(guī)律的認(rèn)識(shí)奠定基礎(chǔ)。
1區(qū)域地質(zhì)背景
寧武煤田位于山西省北部，面積約2760Km，分為四個(gè)礦區(qū)：平朔、朔南、軒崗和嵐縣礦區(qū)。寧武煤田在地質(zhì)上形成于寧武盆地，寧武盆地在大地構(gòu)造上處于比較特殊的地理位置，其東側(cè)為五臺(tái)山復(fù)背斜，西部為蘆芽山復(fù)背斜，北部為桑干河地塹，西南緊鄰呂梁山隆起[7]。寧武盆地呈北東南西條帶展布，以古、中生代地層組成的向斜構(gòu)造為主。盆地基底為早前寒武紀(jì)變質(zhì)巖系，其核部由侏羅紀(jì)地層組成，兩翼依次出露三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系和寒武系及前寒武系，缺失泥盆系與志留紀(jì)系，兩翼地層產(chǎn)狀較陡[8]。
平朔礦區(qū)位于寧武盆地北部，區(qū)內(nèi)晚生代含煤地層包括本溪組、太原組和山西組，其中山西組和本溪組僅見(jiàn)少量煤線，太原組為礦區(qū)內(nèi)主要含煤地層，太原組厚度63117m，平均厚90m，煤層總厚32m。主采號(hào)、號(hào)和11號(hào)煤層，含煤系數(shù)高達(dá)36.5%。除煤層外，巖性以黃綠色砂巖、灰色泥巖為主，含少量灰?guī)r。其中號(hào)煤層厚9.16m，號(hào)煤層厚3.14m，號(hào)煤層厚2.436.5m，平均厚度為13.45m[9]，11號(hào)煤層厚8.7m，平均厚度為3.61m。
樣品與實(shí)驗(yàn)方法在平朔礦區(qū)安家?guī)X煤礦按照標(biāo)準(zhǔn)GB4822008進(jìn)行分層刻槽取樣，共采集了太原組號(hào)、號(hào)、號(hào)、11號(hào)煤層的19件樣品，包括件煤層頂?shù)装鍢悠�，其中�?hào)煤層底板因巖芯鉆取過(guò)程中發(fā)生了損失，剩余樣品量不足以進(jìn)行測(cè)試。
其中為灰白色含礫中砂巖，取樣厚0.08m;J1為灰黑色泥巖，取樣厚0.0;為含黃鐵礦灰色泥巖，取樣厚0.06;為灰黑色泥巖，取樣厚0.05m;為灰白色中砂巖，J1為含方解石薄膜灰黑色泥巖，取樣厚0.1m;J2為灰黑色泥巖，取樣厚0.11m;J3為灰黑色泥巖，取樣厚0.0;J4為含方解石脈灰黑色泥巖，取樣厚0.0m;J5為灰黑色泥巖，取樣厚0.07m;J6為灰黑色泥巖，取樣厚0.06m;J7為含黃鐵礦灰黑色泥巖，取樣厚0.06m;J8為灰色泥巖，取樣厚0.06m;為含方解石灰色細(xì)砂巖，取樣厚0.1m;11為灰黑色泥巖，取樣厚0.04m;11J1為灰黑色泥巖，取樣厚0.04m;11J2為灰黑色泥巖，取樣厚0.05m;11J3為灰黑色泥巖，取樣厚0.03m;11為灰白色細(xì)砂巖，取樣厚0.16m。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1巖石學(xué)特征
對(duì)砂巖樣品進(jìn)行碎屑成分統(tǒng)計(jì)和部分圖像。砂巖碎屑成分以石英和巖屑為主，局部可見(jiàn)褐鐵礦碎屑。砂巖粒徑主要分布在0.250.5mm之間，分選差，磨圓度差，以次棱角棱角為主，顆粒間接觸多以縫合線接觸。石英主要為單晶石英，顆粒表面潔凈明亮，多具均一消光，多晶石英以燧石為主。
巖屑顆粒主要以火成巖為主。砂巖碎屑成分以巖屑和石英為主。砂巖粒徑主要分布在0.25mm0.1mm之間，分選較差，磨圓度較差，以次棱角狀為主，雜基含量低，顆粒接觸多以縫合線接觸，局部交代砂級(jí)碎屑。巖屑主要是火成巖巖屑為主。砂巖碎屑成分以巖屑和石英為主，可見(jiàn)少量云母碎屑，填隙物為粘土雜基和鈣質(zhì)膠結(jié)物。砂巖粒徑主要分布在0.01mm0.05mm之間，分選較好，磨圓度較差，以次棱角亞圓形為主，顆粒接觸多以縫合線接觸。巖屑主要是火成巖巖屑。11砂巖碎屑成分以石英和巖屑為主。
砂巖粒徑主要分布在0.05mm0.1mm之間，分選較差，磨圓度較差，以次棱角亞圓形為主，顆粒間接觸多以點(diǎn)接觸。以上特征表明，研究區(qū)巖性為砂巖的夾矸碎屑都未經(jīng)長(zhǎng)距離搬運(yùn)，反映為近源快速沉積[13]。總之，砂巖樣品中的巖屑主要以火成巖巖屑為主，含部分沉積巖巖屑和變質(zhì)巖巖屑。
3.2地球化學(xué)特征
3.2.1主量元素特征
列出了樣品元素含量測(cè)試結(jié)果，可以看出，研究區(qū)樣品主要成分為SiO和Al，其他元素的含量都比較低。SiO含量最高且含量變化范圍大，為25.39%~83.44%，平均為43.33%，表明樣品中含石英或含硅質(zhì)物含量較高。Al含量次之，為7.93%~39.38%,平均為28.89%，說(shuō)明樣品含有較多的長(zhǎng)石及粘土礦物，這與鏡下觀察的結(jié)果一致。TiO為0.47%~2.18%，平均為0.90%;Fe為0.06%~12.80%，平均為2.30%;MgO為0.04%~0.92%，平均為0.18%;為0.02%~0.11%，平均為0.04%;為0.02%~2.45%，平均為0.52%;Na為0.01%~0.12%，平均為0.05%。含量明顯高于Na含量，說(shuō)明頂?shù)装搴蛫A矸中長(zhǎng)石組分主要為鉀長(zhǎng)石。
4討論
4.1母巖類型
在風(fēng)化、搬運(yùn)及成巖過(guò)程中，Ca、Na等元素由于活動(dòng)性較強(qiáng)，含量會(huì)發(fā)生富集或虧損，而另一些主量元素如Al、Ti)由于其氧化物在低溫下的低溶解性而未受影響。因此，主量元素通常用作物源指示劑[18]。O/Al比值可以用來(lái)確定碎屑巖源區(qū)巖石的成分[19]。當(dāng)O/Al比值介于0.41.0之間，說(shuō)明母巖中含有相當(dāng)數(shù)量的堿性長(zhǎng)石;在伊利石中比值接近于0.3;在其他粘土類礦物中比值接近于[20]。
研究區(qū)煤層夾矸和頂?shù)装宓腛/Al平均值相近，均接近于，說(shuō)明母巖中堿性長(zhǎng)石和伊利石含量低，其他粘土類礦物含量高。由于Ti和Al很少被風(fēng)化影響，保存母巖信息良好，因此Al/TiO比值也廣泛用來(lái)推斷碎屑沉積物的來(lái)源[21]。當(dāng)Al/TiO在之間，沉積物物源可能來(lái)自于鎂鐵質(zhì)巖石，而Al/TiO比值在2170之間，物源可能來(lái)自于長(zhǎng)英質(zhì)巖石[2223]。
本文所有樣品/TiO比值為14.0366.31，表明以上其母巖主要來(lái)自于長(zhǎng)英質(zhì)巖石。所有不富Li樣品用紅色標(biāo)注，不富Li樣品、和落入了沉積巖區(qū)域，落入了火成巖區(qū)域。說(shuō)明不富Li煤層樣品源巖中有更多沉積巖的加入。RoserandKorsch[24]通過(guò)對(duì)砂泥巖的研究，提出根據(jù)Ti、Al、Fe、Mg、Ca、Na、主量元素氧化物，建立判別函數(shù)來(lái)分析源區(qū)的性質(zhì)。只有號(hào)不富Li樣品落在了石英質(zhì)沉積巖區(qū)域，而其他樣品都落在了火成巖區(qū)域，這也說(shuō)明了不富集Li煤層樣品源巖中雖然以火成巖為主，但是仍舊存在較大比重的沉積巖。微量元素在沉積作用過(guò)程中含量變化很小能夠很好地保留成巖物質(zhì)來(lái)源的有關(guān)信息，如Zr、Hf、Th等。
因此微量元素及某些微量元素的比值如La/Th、La/Yb、Cr/Zr、Sm/Nd等可作為物源判別的理想對(duì)象[2528]。由于稀土元素在風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積及成巖過(guò)程中具有穩(wěn)定的特性，因此稀土元素特征是反映沉積物物源性質(zhì)的良好標(biāo)志[2932]。
Cr和Zr元素主要反映鉻鐵礦和鋯石的含量，其元素比值可以反映鎂鐵質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)物質(zhì)對(duì)沉積物的相對(duì)貢獻(xiàn)[33]。研究區(qū)煤層頂?shù)装搴蛫A矸的Cr/Zr比值介于0.010.26之間，Cr/Zr平均值均小于，說(shuō)明源區(qū)物質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主。Th和Sc比值是最適合物源判別的參數(shù)之一[34]。研究區(qū)樣品的Th/Sc變化較大，比值介于0.966.08之間，平均值都高于上地殼的Th/Sc比值(0.97)，表明源區(qū)物質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主。
作者：成賢康1,3，孫蓓蕾1,3，劉超1,3，曾凡桂1,3，解錫超2,3，暢向東1,3
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