川南煤田古叙矿区石屏一矿煤中锗、镓元素分布特征及其影响因素.pdf

石屏一矿作为川南煤田古叙矿区内重要的生产矿井，其煤炭资源丰富并蕴含锗、镓等稀散金属。为探究煤中锗、的分布、赋存情况及其影响因素，通过收集川南煤田石屏一矿的地质勘查资料，综合整理分析煤中锗、镓的测试成果并总结其分布规律，建立锗、镓与灰分、挥发分和全硫的相关性研究，从而达到研究目的。结果表明：平面上，锗含量基本稳定，平均为3.4ugg，处于正常水平；垂向上，随着煤层埋深的增加，锗含量呈升高趋势，其中Cas煤层中锗含量较高，平均为6.4ugg，为轻度富集；平面上，镓含量为5 50 ugg，平均值为2 2.2 ugg，在矿区北部和中部已达最低工业品位；垂向上，各煤层中镓均达到轻度富集，其中Cl3煤层中镓含量最高，平均为30.5ug：g ；煤中镓主要受到灰分的影响，且镓主要表现为无机亲和性，其可能以粘土矿物为载体；而锗具有机亲和性，其可能与酚羟基结合而赋存于有机质中，且一小部分锗还可能赋存在硫铁矿硫、硫酸盐硫或有机硫中。安静、低能的海相沉积环境（泻湖）中形成的煤层较有利于锗的富集。关键词：川南煤田；锗；镓；分布特征中图分类号：P618.11DOI:10.3969/j.issn.1006-0995.2023.S1.002近年来，“煤型关键金属矿床”愈发受到国内外学者关注，随着煤型锂矿床、煤型铍矿床、煤型锯一矿床、煤型锗矿床、煤型镓矿床、煤型硒矿床及煤型稀土矿床等陆续被发现（代世峰等，2 0 14；代俊峰，2 0 2 1），煤系地层中“三稀元素”的物源供给、赋存状态、富集机制、资源量评估及其开发利用已成为现阶段的研究热点。煤系中已实现工业化开发利用的元素有铀、钒、镁、铝、锗、镓、硒等（Daietal.，2018），其中云南临沧锗矿和内蒙古乌兰图嘎锗矿作为我国正在开采利用的煤型锗矿床（代世峰等，2 0 2 0），已被学者广泛研究。Dai 等人报道了云南临沧煤中锗的含量为12 2 52 3ugg，内蒙古乌兰图嘎煤中锗的含量为45 117 0 ugg，现已成为世界工业储的主要来源（Dai etal.，2 0 12 a；D a i e t a l.，2 0 15）。已有研究表明，内蒙古准格尔煤田和大青山煤田均含有丰富的镓元素，准格尔煤田的6 号主采煤层中镓异常富集，全煤层中镓平均含量为44.8 ugg ；大青山煤田中阿刀亥矿煤灰中镓的平均含量为6 5ugg（代世峰等，2 0 0 6；Daietal.，2 0 12 b；D a i e t a l.，2 0 18）。由此可见，煤层可为锗、镓良好的赋矿载体，并因煤层具厚度大、分布面积广及稳定性高等特点，相较于传统金属矿床，煤系金属矿床更易形成大型或超大型矿床（Daietal.，2 0 18；代世峰等，2 0 2 0）。石屏一矿作为川南煤田古叙矿区内仅有的两个大型煤矿之一，生产规模达12 0 万吨/年，以往的勘查资料表明煤中赋存有稀散元素锗、镓，但目前对煤中锗、镓的研究程度较低，尚不明晰锗、镓的分布特征、赋存状态及富集成因。故本文以石屏一矿为研究对象，基于矿区内地质勘查资料，讨论石屏一矿各煤层中锗、镓的分布、赋存特征，并阐明灰分、挥发分及全硫对煤中锗、镓的影响，进而从煤岩物质组成方面揭示对煤中锗、镓的控制作用，从而为避免煤中伴生锗、镓资源损失，实现煤系地层矿产资源综合开发利用提供一定的参考价值。1研究区地质概况石屏一矿位于川南黔北间娄山断褶带北缘古蔺复式背斜北翼东段，矿区内地层为北东一南西向展布的单斜构造，走向北东，倾向北西，倾角一般为1435，具东陡西缓的特点。区内出露最新地层为第四系全新统及三叠系下统嘉陵江组（Tij)，最老地层二叠系中统茅口组（P2m）。区内褶曲不发育，断层发育一般，其中F。断层对浅部煤层具一定的破坏作用（图1）。收稿日期：2 0 2 3-0 5-31作者简介：龙正江（1994一），男，四川资阳人，工程师，主要从事地质调查与矿产勘查8文献标识码：A文章编号：10 0 6-0 9 9 5（2 0 2 3）S1-0008-062*斜川南煤田古叙矿区石屏一矿煤中锗、镓元素分布特征及其影响因素研究区面积约15.5km，主要含煤地层为二叠系上统龙潭组（Psl)，属海陆过渡相沉积，厚7 8.47 112.53m，平均91.10 m，含煤9 18 层，可采煤层7 层，编号从上至下为C13、C14、C15、Cis上、Cig、C2 4、Ca s 煤层，可采煤层总厚度平均9.7 0 m，平均可采含煤系数10.6%。2煤中锗、平面分布特征石屏一矿已有钻孔及井下坑道煤中锗、含量见表1。平面上，研究区内锗平均含量为2.4 6.3uggl，即锗在矿区内分布较稳定，矿区各处锗含量变化较小（图2）；平面上，镓平均含量为11.3 50 uggl，由图3可知，于矿区北部及中部赋存较好，已达到最低工业品位（30 ugg）。根据Dai等（Daietal.，2 0 15）提出的富集系数（CC）来分析煤中锗、镓的富集程度，当CC100时，元素含量为异常高度富集；当10 CC100时，为高度富集；当5 CC10时，为富集；当2 CC5时，为轻度富集；当0.5 CC2时，为正常水平；当CC0.5时，则为亏损状态。本次将研究区各采样位置锗、镓平均值分别与中国煤中锗平均值（2.7 8 g/g）、镓平均值（6.55g/g）对比，区内锗富集系数为0.92.3，平均为1.2，即煤中锗多为正常水平，镓富集系数1.7 7.6，平均为3.4，即煤中镓多呈轻度富集。北*P/-2E-ST石屏一矿F式Pi-2复蘭T古E-S5km图侏罗系T三叠系P3上二叠统Pi-2叠统例逆断层背斜正断层图1研究区地质简图背家寨背斜下-中二寒武系一E-S志留系地质界线研究区范围李图例逆断层错元素站孔号等值线巨钻孔深度研充区范围图2 石屏一矿煤中锗的含量等值线图正断层92023年8 月第43卷增刊第1期四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,202301989810918:00610:OS442448543226428456363 5432574442889614435453pu55345443323526455422 222222 22一2 32 3 222222488二48.30/聘333242223 3 243248.3/转222242422332854422323232333523=1-StYZ1-ItXZ1-0tXZ1-66XZ1-8EXZ1-LEZ1-96XZI-SEXZT-IEXZ10川南煤田古叙矿区石屏一矿煤中锗、镓元素分布特征及其影响因素北59F97图 例断层正断层缘元素64钻孔号等值线PT5.2钻孔深度研究区范围图3石屏一矿煤中的含量等值线图3煤中锗、镓垂向分布特征由图4可知，石屏一矿不同煤层中锗平均含量随埋深增加而呈增大趋势，其中C2s煤层锗平均含量最大，为6.4uggl。各煤层中锗富集系数为0.7 2.3，其中C2s煤层为轻度富集，其余煤层则均为正常水平。垂向上，各煤层中镓平均含量则随埋深增加而具减小趋势（图5），其中C13煤层镓平均含量最高，为30.5ugg，其余煤层镓平均含量稍低，但均超过地壳丰度（15ugg），C2 4、C2 s 煤层有个别镓异常点，最大可达38 2 ugg。各煤层中镓富集系数为2.44.6，均为轻度富集。1816141.3.3n/喜号3012104003208.3n/喜号8 0240160801采样位置采样位置图4石屏一矿不同煤层中锗含量分布图总而言之，相较于锗而言，镓在研究区煤层中更易富集，但分布较不均匀，究其原因可能与锗、镓的地球化学特性有关。研究表明，锗呈有机亲和性，其以有机组分（镜质组）为载体，通过与煤中酚羟基结构结合，从而形成锗的络合物赋存于煤中（魏强，2 0 18；侯振国等，2 0 2 0）。然而，研究区内主要为高变质程度无烟煤，该变质阶段煤中芳构化作用及环缩合作用强烈，煤中大分子结构上的侧链及含氧官能团大量脱落，即煤中酚羟基数量减少，进而使得煤中缺乏锗的有机结合点位，最终导致区内各煤层中11图5石屏一矿不同煤层中镓含量分布图2023年8 月第43卷增刊第1期锗含量多为正常水平，难以达到轻度富集及以上富集程度。关于镓元素，目前普遍认为其多表现为无机亲和性，主要赋存在粘土矿物中，多以高岭石、勃姆石及一水硬铝石等矿物为载体（温汉捷等，2 0 2 0）。由于煤中灰分的主要来源为陆源碎屑矿物，且区内多为无烟煤，其灰分含量较高，因而使得区内各煤层中镓赋存较好，均达到轻度富集。4影响因素4.1灰分、挥发分本次通过建立锗、镓与工业组分（灰分、挥发分）的相关性研究，探讨灰分、挥发分对煤中锗、镓的影响。相关系数lrl0.8为高度相关，0.5lrl0.8为中度相关，0.3lrl0.5为低度相关，lrl 1%）,且当水体流动性差、沉积水介质还原性强时，煤中全硫，尤其是黄铁矿硫及有机硫会逐渐增多（王佩佩，12四川地质学报Ge60Ga501.3.3n/吾易研40y=0.99x-8.081-0.86Vol.43 Suppl.No.1Aug.,2023y=1.51x+6.811=0.213020y=-0.01x+3.5510I=-0.1208图7 挥发分与锗、镓的相关性分析图6040,.3.3n/喜早所13020100图8 全硫与锗、镓的相关性分析图GeGay=0.06x+2.651=0.12910挥发分/%y=-1.49x+24.541=-0.20y=0.29x+2.601=0.5401112全硫/%123131445川南煤田古叙矿区石屏一矿煤中锗、镓元素分布特征及其影响因素2017）。因而在安静、低能的海相沉积环境（泻湖）中形成的煤层较有利于锗的富集。通过本次研究得知，研究区煤层中锗含量多为正常水平，镓含量多达到轻度富集，其中C13煤层镓平均含量已达到最低工业品位。为评估煤中镓的工业利用价值及综合开发利用其他金属矿产，除了分析在煤层中的富集程度外，还应包含煤层厚度及灰分产率等指标。Dai等人认为，当煤灰中镓的含量大于50ugg以及煤灰中Al203的含量大于50%，且煤层厚度大于5m的情况下，可以考虑共同开发镓和铝。如果不考虑铝等其他金属元素的提取利用，镓在煤灰基中的工业品位为10 0 ugg（D a i e t a l.，2 0 18)。因此，在当前的经济技术条件下，研究区煤层中锗、镓较难被开发利用。5结论（1）平面上，研究区煤中锗含量为2.46.3ugg，平均值为3.4ugg，均为正常水平；煤中镓含量为11.350 ugg，平均值为2 2.2 ugg，在研究区北部和中部达到最低工业品位。（2）垂向上，研究区各煤层中锗含量随埋深的增加而呈增大趋势，其中C2s煤层锗平均含量最高，为6.4ugg，达到轻度富集；各煤层中镓含量则随埋深增加而呈减小趋势，其中Ci3煤层镓平均含量最高，为30.5ugg，各煤层中镓均达到轻度富集。（3）煤中镓与灰分呈高度正相关，其含量随灰分的增加而增加，而与挥发分、全硫无明显相关性，煤中镓主要表现为无机亲和性，其可能以粘土矿物为载体；而锗具有机亲和性，灰分、挥发分几乎不影响煤中锗的赋存，锗可能与煤中酚羟基结合而赋存于有机质中，同时一小部分锗还可能赋存于硫铁矿硫、硫酸盐硫或有机硫中。另外，安静、低能的海相沉积环境（泻湖）中形成的煤层较有利于锗的富集。参考文献：代世峰，任德贻，周义平，等.2 0 14.煤型稀有金属矿床：成因类型、赋存状态和利用评价J.煤炭学报，9(0 8):17 0 7-17 15.代俊峰，李增华，许德如，等，2 0 2 1煤型关键金属矿产研究进展J大地构造与成矿学，45(0 5):9 6 3-9 8 2.Dai S F,Finkelman R 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