Question

沉积地球化学条件

Answer 1

沉积地球化学条件对微量元素的影响主要表现在四个方面，即陆源区母岩性质、成煤植物、泥炭沼泽水介质条件和古气候条件。

1.陆源区母岩性质

陆源区母岩性质决定了聚煤盆地充填物的矿物成分、化学成分、化学性质、成煤古土壤、古植物及沼泽水介质中微量元素的种类和含量。例如：科索沃盆地褐煤元素中Cr和Ni含量偏高，主要与陆源区的蛇纹岩和橄榄岩有关（Ruppert等，1996）；沈北煤田晚始新世褐煤中Cr，Ni，Zn，Cu等元素的高度富集，可能与盆地基底的橄榄玄武岩有关（任德贻等，1999a）；辽宁北票侏罗纪煤中Cr和Ni等元素的富集，可能与盆地基底玄武岩有关（赵峰华，1997）。

中小型含煤盆地由于据陆源区较近，陆源碎屑搬运距离较短，因而除了煤的灰分产率较高之外，在陆源区母岩中富集的元素往往在煤中的含量也较高。在同是侏罗纪煤的大同矿区和神东矿区，前者煤中灰分产率较后者要高，这与前者距物源区相对较近有关。此外，研究区煤中Mo的明显富集，可能也与此盆地北缘陆源区中酸性火山喷发岩（岩性主要以长石砂岩为主）母岩有关，由于Mo可以替代3价的Al和2价Ca进入斜长石晶格，所以岩浆岩中斜长石是Mo的主要富集矿物。

如第二章所述，安太堡11煤、忻州窑9煤、马家塔2-2煤中Mn，P，Pb，Zn，V，Cu，Ba，Th，Cr，Co，Mo等有害元素的含量在煤层顶底板中明显偏高，接近顶板的煤分层中大部分有害元素（如Mn，Ni，Pb，Zn，V等）含量比其他煤分层高，大部分元素的含量在煤层中部分层最低，说明煤层顶底板对煤中有害元素的分布富集有较大影响，而且顶板对煤层的影响比底板要大。安太堡11煤顶底板与煤分层中稀土元素球粒陨石标准化曲线的变化规律基本一致，具有“继承性”，这也是研究区陆源区母岩性质对煤中微量元素含量水平存在影响的地质证据。

2.成煤古植物条件

Swaine（1990）认为，成煤植物种类、植物中微量元素含量、植物生长环境等控制着煤中微量元素的含量，影响了煤中微量元素的富集和迁移。不同植物类型或同种植物的不同器官，对微量元素的吸收存在差异。不同植物的生态环境及植物本身富集微量元素的能力不同，如As和Se在海洋植物中的平均含量分别为30×10^-6和0.8×10^-6，而在陆地植物中的平均含量均为0.2×10^-6（赵峰华，1997）。大部分有害元素在低等生物藻类和草本植物中的含量高于高等植物（Bowen，1979），导致腐泥煤中大部分有害元素的含量往往高于腐殖煤。

就鄂尔多斯盆地北缘的精煤而言，As，Ba，Co，Ni，Cd，Cl，Mn含量与镜质组含量显著正相关或临界正相关，REE，Th，Hf，Cr，P，V，Mo，Sr，U等的含量与惰质组含量正相关，REE，Th，Hf，Sr，Mo的含量与壳质组正相关。有害元素的这种选择性富集，不仅受其他同生地质因素和后期地质作用的影响，也可能与活体植物各器官或组织对元素的选择性吸收有关。

3.成煤沼泽水介质化学条件

成煤沼泽水介质的E_h、pH值及盐度，也是控制煤中微量元素富集水平的重要因素，对沼泽中微量元素或化合物的溶解、沉淀、配合及吸附有较大影响。沼泽水介质多呈酸性，绝大多数金属化合物，如金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐矿物等，在pH较低的情况下，其溶解度和迁移能力会大大提高。酸性介质条件有利于Ca，Sr，Ra，Cu，Zn，Cd，Cr³⁺，Mn²⁺，Fe²⁺，Co，Ni等元素的迁移，碱性条件则有利于V，As，Se，Mo等元素的迁移（林年丰，1990），B，Cr，Cu，Ga，Ni，Mo，S，U，V等元素在碱性环境易于富集（林炳营，1990）。

就鄂尔多斯盆地北缘-晋北地区来看，石炭纪煤中绝大多数有害元素含量比侏罗纪煤要高，反映出从晚古生代到中生代，聚煤环境从浅海、滨海过渡相向陆相演化，泥炭沼泽水介质条件的规律性变化。一般来说，水中微量元素的浓度从淡水、半咸水向咸水介质环境增高。晚古生代泥炭沼泽受海水影响，还原性较强，古盐度较高，微量元素丰富。中生代泥炭沼泽多为淡水条件，还原性相对较弱，古盐度相对较低，微量元素相对贫乏。由此，也导致某些元素的选择性富集，如侏罗纪陆相煤中Nb等元素相对较高，而石炭纪近海相煤中S，Br，Ca，P，Cu，U，Na，Mg相对富集。

下面，以受海水影响的安太堡11煤层（简称11煤）为例，进一步探讨煤中有害微量元素和S的分布富集与沼泽水介质条件之间的关系：

1）与海相沉积密切的煤层中微量元素的含量较高，不仅是因为海水中物质来源丰富，更重要的是海水改变了泥炭沼泽的pH和E_h值，造成了特定的地球化学环境，使之有利于微量元素的富集。安太堡11煤中黄铁矿结核丰富，煤层顶板（PA0）及第一煤分层（PA1）中全硫分别为5.34%与4.65%，硫铁矿硫分别为3.27%与1.43%，而且从顶到底有总体下降的趋势（表5-3）。因此，随着泥炭形成时间的推移，11煤泥炭沼泽与海水的联系逐渐密切，还原性加强，水介质由咸到淡，pH值减小。

2）w（Th）/w（U）比值是指示古环境的一种地球化学标志，陆相沉积物中w（Th）/w（U）大于7，海水沉积物中w（Th）/w（U）的值小于7（Bouska，1981）。安太堡11煤及顶底板中w（Th）/w（U）值都小于7（表5-3），指示其泥炭聚集期间受过海水的影响。进一步比较煤层剖面上 w（Th）/w（U）的变化规律，可以看出 w（Th）/w（U）值从底板到顶板有减小的趋势，与上述泥炭沼泽水介质条件演化规律的结论一致。此外，w（Th）/w（U）在光亮煤中较低，在暗淡煤中相对较高，表明还原性较强的介质条件更有利于Th的富集。

表5-3 安太堡矿11煤Th，U，As，S的分布　（w_B/10^-6）

注：K_As·S等于w（As）×10⁴/w（S）。

3）就11煤中元素富集和分布与宏观煤岩类型的关系而言，U，As，Sb，Br，Ca，P，Fe，Mn，Zn，Pb，S等在弱碱性、还原性的海水中含量高，故在与海水联系较强的煤层上部及顶板中含量高；稀土元素在煤层上部及顶板中含量较下部高，是因为稀土元素易于被粘土矿物吸附、而且被吸附性能明显地受控于pH值的缘故，pH值增大，粘土矿物吸附稀土元素的能力增强；U，As，Sb，Fe，W，Mo等元素以及全硫、黄铁矿硫、有机硫在光亮煤中富集，与形成光亮煤的还原环境有联系；稀土元素，Hf，Ta及Th在暗淡煤中相对富集，主要是与富惰质组暗淡煤形成时的氧化环境有关。

4）安太堡11煤各分层样品的K_As·S值略大于或接近于0.7（表5-3），表明煤中无机硫和有机硫基本上是在同生期形成的。此外，11煤顶底板及各煤分层的稀土元素配比模式曲线基本一致，也表明泥炭与黄铁矿大致是同期生成的，因为各煤分层中黄铁矿硫含量差异较大，但在稀土元素配比模式曲线没有反映，只有同生作用才能给予较好的解释。由于泥炭沼泽中大量的活性有机质与海水中丰富的Br与Ca结合，导致11煤中Br与Ca的含量比顶底板要高。

4.成煤时期古气候条件

成煤时期古气候的变化，不仅影响古土壤中微量元素的迁移富集，也影响到有机生物体的种类、繁盛程度和植物遗体分解速率，进而影响到沼泽生物体中有害微量元素的迁移与富集。此外，与气候条件密切相关的风化作用能使煤中矿物变得易于水溶，安太堡11煤中Sr，Pb，V，Mn，Co，Th，Mo，Ni，P等有害元素的溶出率较公乌素煤样高很多，除了与赋存状态、煤级有关之外，可能也与风化作用有关。