宁武煤田2号煤中镓的富集与赋存特征_马娟娟.pdf

第 35 卷 1 期2023 年 1 月中 国 煤 炭 地 质COAL GEOLOGY OF CHINAVol.35 No.1Jan.2023doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2023.01.02文章编号:1674-1803(2023)01-0007-06宁武煤田 2 号煤中镓的富集与赋存特征马娟娟,张 帆,李舒研,李敬智,王金喜(河北工程大学河北省资源勘测研究重点实验室,河北邯郸 056038)摘 要:宁武煤田是我国典型的煤伴生资源丰富的煤炭基地。为研究煤中 Ga 的成矿规律,从宁武煤田 2 号煤中采集了 117 个煤样,通过工业分析、X 射线衍射、扫描电子显微镜、X 射线荧光光谱、电感耦合等离子体质谱和逐级化学提取实验对样品进行测试分析。结果表明宁武煤田 2 号煤中 Ga 的平均含量为 30.93g/g,整体上属于轻度富集富集。逐级化学提取的结果显示煤中 Ga 的赋存以残渣态为主,占比 8792%,其次为有机态,占比 6%10%。由煤中 Ga 与煤质和常量元素的相关性分析认为,高岭石、勃姆石等黏土矿物是煤中 Ga 的主要矿物载体,黏土矿物对 Ga 的吸附是 2 号煤中 Ga 富集的主要原因。关键词:煤中镓;富集规律;赋存状态;宁武煤田中图分类号:TQ533.1 文献标识码:AEnrichment and Occurrence of Ga in No.2 Coal Seam of Ningwu CoalfieldMA Juanjuan,ZHANG Fan,LI Shuyan,LI Jingzhi,WANG Jinxi(Key Laboratory of Resource Exploration Research of Hebei Province,Hebei University of Engineering,Handan,Hebei 056038)Abstract:Ningwu coalfield is a typical coal base with abundant coal associated resources.In order to study the metallogenic regularity of Ga in coal,117 coal samples were collected from No.2 coal seam in Ningwu coalfield.The samples were tested and analyzed by industri-al analysis,X-ray diffraction,scanning electron microscopy,X-ray fluorescence spectroscopy,inductively coupled plasma mass spec-trometry and sequential chemical extraction experimental.The results show that the average content of Ga in No.2 coal seam of Ningwu coalfield is 30.93g/g and slightly enriched.The results of sequential chemical extraction experimental shows that the main occurrence of Ga in coal is residue,accounting for 87%92%,followed by organic state,accounting for 6%10%.Based on the correlation analysis of Ga in coal with coal quality and major elements,it is concluded that clay minerals such as kaolinite and boehmite are the main mineral carriers of Ga in coal.The adsorption of clay minerals to Ga is the main reason for Ga enrichment in No.2 coal seam.Keywords:Gallium in coal;enrichment regularity;occurrence;Ningwu coalfield基金项目:国家自然科学基金项目“华北盆地石炭二叠纪森林沼泽野火的证据及其古气候效应”(41807305),河北省自然科学基金项目“深部低透气性煤层瓦斯赋存规律及解吸特征研究”(E2020209074)第一作者简介:马娟娟(1996),女,宁夏银川人,在读硕士研究生,主要从 事煤地 球化学 研究。E-mail:Mj _ pod 通讯作者简介:王金喜(1977),男,黑龙江齐齐哈尔人,博士,教授,主要从事煤地球化学研究。E-mail:Wangjinxi 收稿日期:2022-09-06责任编辑:李华0 引言随着准格尔超大型 Ga 矿和平朔矿区大型 Li(Ga)共伴生矿床的相继发现,煤型 Ga 矿床的研究备受关注1-3,研究者认为煤炭可以作为 Ga 的替代来源4。据统计,Ga 的克拉克值为16.7g/g5,中国煤中 Ga 的均值为 6.52g/g6,世界煤中 Ga 含量的均值为 5.8g/g7,中国侏罗系和石炭系二叠系煤中Ga 的平均含量分别为 5.15g/g 和 17.19g/g2。煤中 Ga 的赋存状态主要分为无机结合态、有机结合态和无机-有机混合结合态。无机结合态主要指煤中 Ga 赋存在无机矿物里,煤中 Ga 的矿物载体主要有高岭石、伊利石、勃姆石等铝硅酸盐矿物和硫化物矿物(如闪锌矿)8-11,Ga 以类质同象的方式进入无机矿物晶格中12-13。煤中 Ga 的有机质载体通常是腐殖酸或凝胶化镜质组14,现有的研究中,煤中 Ga 的有机赋存状态较少。代世峰等认为煤中Ga 部分存在于无机矿物中,部分赋存于有机质中,属于无机-有机混合结合态1。近年来,许多研究人员对宁武盆地平朔矿区煤中Ga 展开研究,统计了平朔矿区多个煤矿煤中 Ga 的含量,分析了煤中 Ga 的赋存状态和地质成因15-17。本文以宁武煤田 2 号煤为研究对象,结合煤质、元素地8 中 国 煤 炭 地 质第 35 卷球化学特征、矿物学特征及逐级化学提取实验,研究了 2 号煤中 Ga 的富集程度和赋存状态,为煤型镓矿的开发利用提供理论支持。1 地质背景宁武盆地位于山西省西北部,东侧为太行山造山带,西侧为吕梁山隆起带,被吕梁山、太行山和阴山环绕,行政区划分主要包括朔州市部分地区,中部的宁武县和南部的静乐县,如图 1a 所示。宁武盆地在中二叠世时期,因地壳抬升海水退去,海相沉积转为陆相沉积,形成陆相沉积的山西组。地层厚度变化范围:0 85m,一般厚度在 50 70m。中二叠统山西组岩性特征为灰白色砂岩和黑色、灰色及灰黑色页岩,部分区域沉积一些不连续的薄煤层(图2)。山西组共含4 层煤,1 号煤多为薄层或煤线,层位不稳定,不可采;2 号煤在盆地中部可采面积较大;3 号煤层厚度不大,为零星可采或局部可采煤层;4 号煤层厚度大,稳定性好,是宁武煤田主要的可采煤层之一。2 样品采集与测试方法2.1 样品采集样品采集严格依据煤层煤样采取方法(GB/T 4822008),在宁武煤田全域 2 号煤中采集了 19个煤样剖面共计 117 个煤样。其中,从北向南样品采集地点分别为程家沟(CJG)、栖凤(QF)、榆树坡(YSP)、老窑沟(LYG)、石湖(SH)、朝凯(CK)、德胜(DS)、庄望(ZW)、南沟(NG)、梨园河(LYH)、盘道(PD)、孟家窑(MJY)、花沟(HG)、刘家梁(LJL)、焦家寨(JJZ)、张家沟(ZJG)、潞宁(LN)、昌元(CY)和天安(TA),如图 1b 所示。图 1 宁武盆地位置(a)及采样点(b)示意图Figure 1 Location(a)and sampling point(b)of Ningwu Basin图 2 宁武盆地山西组综合柱状图Figure 2 Stratigraphic column of Shanxi Formationin Ningwu Basin2.2 测试方法采用国家标准 GB/T 307322014 对煤样进行工业分析,采用带能谱仪的扫描电子显微镜(SEM-EDS)和 X 射线衍射仪(XRD)分析煤中矿物的组成和赋存状态,采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)和 X 射线荧光光谱仪(XRF)测定了煤中微量元素和常量元素氧化物的含量。3 结果与讨论3.1 煤质及矿物学特征按国家标准(GB/T 2122008,GB15224.12018,GB/T 15224.22021),宁武煤田 2 号煤属于特低水分、高灰分、中等挥发分、特低硫煤。由 XRD图谱可知,2 号煤中主要的矿物有高岭石和方解石,可见少量勃姆石、黄铁矿和伊利石(图 3)。1 期马娟娟,等:宁武煤田 2 号煤中镓的富集与赋存特征9 K高岭石;B勃姆石;C方解石;P黄铁矿;I伊利石图 3 宁武煤田 2 号煤的 XRD 谱图Figure 3 XRD spectrum in No.2 coal seam of Ningwu coalfield扫描电镜发现 2 号煤中高岭石主要呈条带状与基质镜质体相结合(图 4a,图 4b),或散布在均质镜质体中(图 4c,图 4d),并且扫描电镜下观察到部分伊利石(图 4a)和含钛高岭石(图 4b)。黄铁矿主要以脉状(图 4c,图 4d)和团块状存在于 2 号煤中。方解石主要充填在裂隙或均质镜质体中(图 4d,图4e),2 号煤中发现较多镁方解石和铁方解石(图4f),它们的形成通常受低温热液活动的影响较大18,表明 2 号煤在泥炭聚积时可能发生了低温热液活动。此外,扫描电镜还检测到锆石(图 4g)、石英(图 4h)、勃姆石(图 4i)及锐钛矿(图 4a)等。3.2 煤中 Ga 的含量特征与富集程度2 号煤中 Ga 的含量见表1,单个样品煤中 Ga 含量范围是 3.53g/g(LN-203)109.92g/g(CJG-205),平均值为 30.93g/g。2 号煤中 Ga 含量的均值达到了煤中 Ga 的工业利用边界品位(30g/g),其中榆树坡、孟家窑、程家沟煤矿煤中 Ga 含量达到了煤中 Ga 的最低工业品位(50g/g)。表 1 宁武煤田 2 号煤中 Ga 的含量Table 1 Content of Ga in the No.2 coal seam of Ningwu coalfieldg/g矿区名称最小值最大值算术平均值刘家梁12.1029.5026.01焦家寨10.6037.7020.67花沟26.5055.0040.51盘道31.4055.3043.10德胜11.5041.7026.51南沟10.7035.3022.22庄望11.1044.4021.30南湖10.0018.3014.82朝凯12.5028.0019.17榆树坡22.60101.4057.08孟家窑21.7069.8056.46程家沟47.30109.9272.86梨园河16.2072.7038.65潞宁3.5330.6014.02张家沟6.0029.7010.47昌元15.8038.8025.18天安6.6038.1025.622 号煤层3.53109.9230.93本文采用 CC 值和 EF 值两个富集系数来表示煤中 Ga 的富集程度,CC 值=样品值/中国煤中均值,2CC5 表示轻度富集,5CC10 表示富集19;EF 值=样品值/克拉克值,FILIPPIDIS 认为EF2 时表明煤中该元素富集20。宁武煤田 2 号煤中 Ga 的富集程度较高(图 5)。根据 CC 值判断,煤中 Ga 几