中国北方不同成煤时代煤中金属矿点(床)分布及资源前景_宁树正.pdf

第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. College of Energy, China University of GeosciencesBeijing, Beijing 100083, China; 3. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining 4. Key Laboratory of Rare Mineral, Ministry of Natural Resources, Wuhan 430034, China; 5. Jiangsu Design Institute of Geology for Mineral Resources, Xuzhou 221006, China ChaoXing 第 2 期 宁树正等 中国北方不同成煤时代煤中金属矿点床分布及资源前景 43 Abstract In some cases, metals such as germanium, gallium, lithium and rare earth elements can be enriched in coal, which is an important potential source of these metals. There are abundant coal resources in northern China, and a large number of coal-metal ore spotsdeposits have been found, and the distribution of these ore spotsdeposits shows certain temporal and spatial characteristics Metals in Permo-Carboniferous coal occur mainly as gallium and lithium-enriched ore spots, mainly are distributed in the northern coalfields of North China coal bearing regions and mining areas such as Pingshuo and Jincheng in Shanxi Province; the metal enrichment in Early-Middle Jurassic coal is mainly concentrated in Zhundong, Tuha in Xinjiang Autonomous Region, Muli coalfield in Qinghai Province, and is mainly gallium-enriched in coal, coal-rare earth elements anomaly has been found in the Early Jurassic coal in Erlian basin, which is a good pros- pecting clue; the Early Cretaceous coal mainly contains germanium in Erlian basin and Hailar basin. The time span of coal-accumulating period in north China is long, the coal-accumulating environments are diverse, the types of coal-bearing basins are diverse, the frequent and violent tectonic evolution process in north China after coal-accumulating period and coal ation, and the diverse types of coal rocks could provide material source, migration condition, chan- nel and sedimentary accumulation condition for the enrichment of different trace elements in coal, which has a good prospect of metal resources in coal. It is suggested to further enhance the investigation and research work of key metal ore spotsdeposits resources in coal, especially in gangue and fly ash, so as to provide reference for the occurrence and prediction of key metal resources in coal, strengthen the extraction and utilization technology of key metals, and the pro- tection of key metal resources in coal by ulating resource protection policies. Keywords metal ore spotsdeposits in coal; coal-ing ages; spatial-temporal distribution; resources prospect; north- ern China 随着我国战略性新兴产业发展，以稀有元素、 稀散元素、 稀土元素“三稀”金属和稀贵金属为主体 的关键矿产资源，已成为我国产业升级换代不可替 代的动力之源[1]。煤是具有还原障和吸附障作用的 有机岩体，在特定的地质作用下，含煤岩系煤层、 围岩、夹矸中能够高度富集锗、镓、锂、稀土、铂 族等金属元素[2]。国内外已经发现一些煤中金属矿 床，例如，云南临沧、内蒙古胜利、伊敏及俄罗斯 巴浦洛夫含煤盆地中煤中锗矿床，其中已工业利用 的云南临沧、胜利乌兰图嘎及俄罗斯巴浦洛夫占世 界工业锗储量的 50以上；内蒙古准格尔煤田煤中 镓矿床不仅资源量大，而且伴生锂、稀土等多种金 属资源，具有较高开采价值；山西平朔矿区发现的 煤中锂矿床对提升我国金属锂资源的保障有重要战 略意义。近年来，我国煤中又陆续发现众多高度富 集的镓、锂、稀土元素、铌、铼、钪、锆以及银、 金、铂、钯等贵金属元素[3]，这些煤中高度富集的 金属元素，是潜在重要的金属来源。 我国煤炭资源主要分布在昆仑秦岭大别山 一线以北的广大地区本文称之为北方地区，石炭– 二叠纪、早–中侏罗世和晚侏罗早白垩世是北方地 区主要的聚煤时期。从构造演化的角度上看，印支 燕山期活跃的构造活动塑造了北方地区聚煤盆地 的形貌，同时也为金属成矿提供了充足的物质条件 和动力学基础，形成了众多金属矿床[4]；北方的含 煤盆地中也发现丰富的煤中金属矿床点[3,5]。基于 笔者多年来在相关领域的研究积累及认识，结合前 人对煤中金属元素的研究成果，分析我国北方地区 煤中锗、镓、锂、稀土等金属分布、富集特征及规 律，探讨资源前景，旨在为寻找新的战略性金属矿 床提供一定参考。 1 北方煤中金属矿点床分布特征 我国北方地区主要有 3 个聚煤期，其中，石炭– 二叠纪煤主要分布在华北赋煤区， 早–中侏罗世煤主 要分布在西北赋煤区新疆、青海木里，华北赋煤区 鄂尔多斯盆地，东北赋煤区二连盆地也有零星早– 中侏罗世煤炭资源；早白垩世煤主要分布在东北赋 煤区。煤中金属矿床中，一些金属元素的丰度比其 背景值大几十、几百甚至上千倍，这样的高度聚集 是聚煤作用和煤炭演化，含煤盆地及其构造背景演 化，地质事件等作用耦合的结果，而不同聚煤期古 植物、古气候，盆地构造及演化特征，地质事件等 差异巨大，因此，各聚煤期煤中金属分布及资源特 征具有明显差异图 1。 1.1 石炭–二叠纪 我国北方石炭–二叠纪煤主要分布在华北赋煤 区，区域经历了中奥陶世早石炭世长期隆起剥蚀 之后，并逐渐发育为统一坳陷盆地，在晚石炭早二 叠世接受了稳定的晚古生代海陆交互相含煤沉积[6]， 并在主要含煤地层下部本溪组形成高铝、含镓和锂 的黏土岩，在斜坡沉积构造作用下[7]，这些黏土岩 作为近源物质进入太原组、山西组含煤岩系并沉 积图 2，印支期、 燕山期区域活跃的岩浆及流体可能 为煤中镓、锂、稀土等元素的进一步富集提供动力。 北方石炭–二叠纪煤中主要以镓、 锂等亲铝元素 异常及少量轻稀土异常为主，其中镓富集主要分布 在辽宁红阳、南票煤田，内蒙古准格尔煤田，山西 ChaoXing 44 煤田地质与勘探 第 48 卷 北部平朔矿区，陕西澄合矿区，宁夏石炭井矿区； 锂富集主要分布在内蒙古准格尔煤田，山西北部平 朔矿区、南部晋城煤田；煤中稀土异常点分布在准 格尔煤田[8-13,3]。 图 1 中国北方煤中金属异常点分布示意根据文献[3,5]修改 Fig.1 Distribution of metal anomalous points in coal in northern ChinaAfter references[3,5] 图 2 准格尔煤田煤中镓沉积构造背景示意摘自文献[7] Fig.2 The sedimentary tectonic background of gallium in Jungar coalfield 区域典型的准格尔煤田煤中镓含量明显高于中 国煤中镓平均值，但分布很不均匀，达到工业品位 的煤中镓，主要分布在准格尔煤田东北部靠近物源 区的一些井田及中部构造发育的黑岱沟矿区[14]，不 同煤层煤中镓含量也有所差别，太原组底部和山西 组煤中镓含量较高，同一煤层靠近顶底板分层煤中 镓含量较高；煤中镓与铝表现出明显的相关性，主 要赋存于含铝矿物中，此外对于风化煤中镓含量的 研究表明，腐殖酸对镓也有一定的吸附作用[15]；准 格尔煤田煤中锂平均含量达到了 141 μg/g[14]，远大 于中国煤平均值，但其分布也是很不均匀，且其富 集与煤中铝、镓并没有表现出一致性，煤中锂 在煤田西北部唐公塔煤矿、官板乌素煤矿含量 最高403 μg/g，而在铝、镓含量都很高的黑岱沟、 哈尔乌素矿区，煤中锂含量却很低，只有 80 μg/g 左右，其原因有待进一步研究。对平朔矿区富锂煤 的研究表明，煤中锂最初可能来自阴山古陆，而后 被本溪组铝土矿所吸附， 最后迁移进入泥炭沼泽中沉 淀下来， 本溪组铝土矿可能是锂的直接来源。 煤中锂 的含量与硅、铝的相关系数都在 0.7 以上，推测煤中 黏土矿物可能是煤中锂的主要载体[13]，化学提取结 果显示[14]准格尔煤田煤中锂主要存在于无机矿物 中，锂在有机质中含量很少。 1.2 早–中侏罗世 北方早–中侏罗世煤主要分布在华北赋煤区鄂 尔多斯盆地，西北赋煤区，华北赋煤区义马煤田、 ChaoXing 第 2 期 宁树正等 中国北方不同成煤时代煤中金属矿点床分布及资源前景 45 大同煤田及东北赋煤区二连盆地等也有少量分 布。鄂尔多斯盆地在早–中侏罗世构造活动趋于缓 和，主要发育了中侏罗统延安组煤层，期间盆地 总体构造较稳定，火山活动微弱，对煤中微量元 素的汇入和聚集不利；西北赋煤区煤主要分布在 新疆、青海、甘肃等地，区内含煤盆地多镶嵌于 造山带之间或者内部，其煤中元素汇入、聚集受 控于造山带活动控制[6]。 鄂尔多斯盆地目前只在盆地南部区域构造相对 活跃的黄陇煤田等区发现镓、钡等元素异常[14,16]； 西北赋煤区目前发现的煤中金属异常主要以镓为 主，分布在新疆准东、准南、吐哈等煤田[3,17-18]及 青海木里煤田[19]。近年来，东北赋煤区二连盆地早–中 侏罗世煤中部分煤矿发现稀土元素明显富集图 3， 阿 木古楞煤矿煤中稀土平均值达到 632.7 μg/g， 超常富 集，煤层中稀土含量大于顶底板及夹矸值，且配分 模式表现为中、重稀土富集[20]。 新疆主要含煤盆地煤中镓富集，一方面含煤盆地 周边岩体相对富镓，为其提供了良好的物源条件，另 一方面，聚煤期富氧、潮湿的气候为物源区的风化、 淋滤等创造了良好的条件， 有利于富镓物质进入煤盆， 进一步聚集[17]；木里煤田煤中镓富集与祁连山富镓岩 体有关，而成煤期富氧、潮湿且频繁的火山热液活动 为该区域煤中镓富集的另一个重要原因[19]。 1.3 早白垩世 北方早白垩世煤主要分布在东北赋煤区。晚侏 罗世早白垩世由于蒙古鄂霍次克洋的闭合，对 古太平洋板块向欧亚大陆的俯冲产生了阻挡作用， 造成地幔物质上涌，使东北地区地壳发生大规模裂 陷，并伴随大规模岩浆侵入和喷发。这些多期次的 构造运动引起古地形的分割和复杂化，使晚侏罗 世早白垩世煤系大多分布在孤立、彼此隔离的小 型成煤盆地中，这些盆地边缘常有断裂伴生，且具 有同沉积断裂性质[6,21]。 晚侏罗早白垩世东北赋煤 区的大规模构造运动为煤中微量金属富集提供物源 条件、搬运介质及通道，大规模聚煤作用为煤中金 属的沉积、富集提供条件。 东北赋煤区目前发现的煤中金属主要以锗异 常为主，比较典型的就是胜利煤田乌兰图嘎煤–锗 矿床[22-25]和伊敏煤田五牧场煤–锗矿床[24,26]图 4， 煤中锗的富集主要分布在盆地边缘断裂附近，且与 热液活动有着密切的联系[3,27]。 近年来， 在二连盆地、 海拉尔盆地发现了丰富的煤–锗矿点[24]；另外，Dai Shifeng 等[25]在乌兰图嘎煤样中检测到了钨、 铂族元 素等金属的超常富集，在二连盆地南部部分煤田煤 中发现了铀的富集。 图 3 二连盆地阿木古楞煤矿煤中稀土配分模式[20] Fig.3 Distribution pattern of rare earth elements in coal of Erlian basin[20] 图 4 东北赋煤区典型煤–锗矿床五牧场锗元素分布特征[24,26] Fig.4 Distribution characteristics of germanium element in typical coal-germanium depositsWumuchang in coal-rich areas of northeast China[24,26] 热液是东北赋煤区煤中锗元素富集的主要控 制因素之一，另外，断陷盆地破碎的盆地基底、盆 地周边丰富的断裂为元素的迁移提供了通道， 褐煤 及低变质烟煤为锗提供了富集场所。 伊敏五牧场煤 由于受到热液作用影响， 局部煤质出现明显的变化 图 4b， 挥发分平面上表现为以矿区东部为极小点， ChaoXing 46 煤田地质与勘探 第 48 卷 向外逐渐增大；各煤层中，锗的富集区域均以煤挥 发分极小点为中心，呈晕状分布，推测其分布特征 原因为游离态锗随热液到达煤层后，在浓度差的驱 动下向外扩散，由于锗的亲有机质特性，遇到低变 质煤后，被煤中有机质吸附，并在煤层中富集[22]。 2 北方煤中金属资源前景探讨 北方地区是我国主要的煤炭产地，煤炭资源丰 富，聚煤期从石炭纪至新近纪均有分布，聚煤环境 既有海陆相又有陆相，聚煤期和成煤后北方频繁剧 烈的大地构造演化过程、不同的含煤盆地类型、多 样的煤岩类型，能为煤中不同微量元素的富集提供 物质来源，创造微量元素的迁移条件和通道及沉积 聚集条件。 总结目前已发现的煤–锗矿床特征[3,27-29] ① 高 锗煤主要分布在晚中生代新生代的小型断陷聚煤 盆地，且一般仅富集在很小范围内；② 热液作用是 高锗煤的典型特征； ③ 一般富集在褐煤或者低变质 烟煤中。我国东北地区煤类主要以褐煤和低变质烟 煤为主， 小型断陷盆地是区域含煤盆地的主要类型， 这些都符合已发现的煤–锗矿床的基本赋存特征。 近 年在二连盆地、 海拉尔盆地发现的丰富的煤–锗异常 点能为区内煤–锗矿床找矿提供重要线索， 具有良好 的锗资源前景。 镓、锂元素的富集常和铝有着密切的联系[3,14,28]， 沉积型和表生型是其主要的矿床类型，已知的煤– 镓、锂矿床多数以风化、沉积、成岩成矿作用机制 相关的沉积成因矿床为主，镓、锂的成矿物质需要 有稳定物源的供给，特殊的构造地质背景，持续稳 定的风化–剥蚀作用和地表水的不断活动过程， 造就 出分阶段再沉积的古地理环境，使含镓、锂矿物及 岩石不断细碎屑化，经多阶段泥化黏土化和铝土 矿化及去硅钾等杂质，各阶段产物分地质时期分解 与聚集[3]。华北赋煤区中奥陶世整体隆升，在分化、 淋滤作用下，富铝，含镓且锂的黏土岩风化壳，在 聚煤期作为近源汇入含煤盆地， 并可能在后期地质、 构造作用下进一步聚集。新疆准东、吐哈等西北赋 煤区煤田，青海木里煤田都在聚煤期之前经历了物 源区的抬升、风化、淋滤等过程，导致物源区铝、 镓等丰度提升，在聚煤期汇入聚煤盆地后进一步聚 集。近年在华北赋煤区准格尔煤田、大青山煤田、 南票煤田、红阳煤田、平朔矿区、晋城矿区等发现 丰富的镓、锂异常矿点，西北赋煤区新疆准东煤田、 吐哈煤田，青海木里煤田等也都发现了丰富的煤中 镓异常点，这些区域具有良好的资源前景。 前人总结得出煤中稀土富集主要有 3 种模式[27-31] ① 凝灰质型，该种方式形成于泥炭沼泽阶段，伴随 火山的喷发与火山灰在泥炭沼泽的堆积；② 热液 型，该种类型稀土元素被热液携带，在泥炭期或者 成煤作用早期以离子态进入煤层泥炭沼泽，该种 类型一般在全层煤中均表现为稀土元素富集，且稀 土配分模式一般表现为重稀土富集型；③ 淋滤型， 该种方式形成的高稀土煤一般赋存于煤层靠近顶、 底板的位置，以轻稀土富集为主。东北赋煤区二连 盆地经历了三叠纪抬升风化、早侏罗世伸展成盆、 中–晚侏罗世收缩反转、早白垩世伸展成盆的过程， 期间岩浆、热液活动频繁，为煤中金属富集创造良 好的条件，研究发现二连盆地侏罗纪煤中稀土含量 远大于白垩纪煤中稀土含量，已发现部分煤矿稀土 含量达到工业品位，二连盆地侏罗纪煤具有较高的 稀土资源前景。 3 研究方向 3.1 加强对煤矸石、粉煤灰中金属资源调查 煤矸石和围岩也是一些金属元素锂、镓、铂族 等赋存的重要层位，而在以往调查中往往以未开采 或者正在开采的煤炭资源作为调查对象，却忽略了 已经采出的煤矸石中的金属资源；另外，煤在燃烧 后其中的金属资源会进一步富集，而在以往工作中 却忽视对已有粉煤灰中金属资源的调查研究。所以 在金属资源供需矛盾及战略性日益突出的当前，加 强煤矸石、粉煤灰中金属资源的调查意义重大。 3.2 加强对煤中金属资源的保护 金属资源具有“细、稀、伴”的特点，不易被发 现。煤中金属资源作为煤炭资源的伴生资源，在煤 炭开采、利用中如不进行专门的测试，可能造成金 属资源的巨大浪费；另一方面，由于很多煤中金属 的提取利用技术未取得突破，使煤中金属资源的经 济价值无法立即兑现，在煤炭开采、使用过程中， 造成已发现的煤中金属资源的浪费，因此，在今后 的工作中，一方面应加强煤中金属资源分布、赋存 的调查，另一方面，需制定煤中金属资源保护的措 施法规，加强对煤中金属资源的保护。 3.3 预测技术 在有些煤中，金属元素含量达到了地壳中平均 值的几十、几百甚至上千倍，如此大幅度的超常富 集必然是多种条件作用耦合的结果，在其富集过程 中很可能也造成了其周围其他地球化学或围岩物理 特征的变化，进一步研究煤中金属的超常富集和一 些易于探测的参数变化之间的关系，对煤中金属资 源的预测、找矿尤为关键。 ChaoXing 第 2 期 宁树正等 中国北方不同成煤时代煤中金属矿点床分布及资源前景 47 4 结 论 a. 我国北方煤中发现大量的煤–金属矿点 床。其中，石炭–二叠纪煤中金属以镓、锂富集矿 点床为主；早–中侏罗世煤中金属元素，除二连盆 地煤–稀土异常外，其他煤田主要以镓富集为主； 早白垩世煤中金属元素以锗矿点床为主。 b. 我国北方聚煤环境多样，含煤盆地类型多 样，聚煤期和成煤后，北方频繁剧烈的大地构造演 化过程、多样的煤岩类型，为煤中不同金属元素的 富集提供物质来源、迁移条件和通道及沉积聚集条 件，形成了煤–锗矿床、煤中镓与锂元素的富集，煤 中稀土高度富集等不同成煤时代的煤中金属元素矿 点床，具有良好的金属资源前景。 c. 后续应进一步加强煤、煤矸石和粉煤灰中金 属资源分布、赋存的调查研究，加强金属的提取利 用技术，并通过制定资源保护政策，加强对煤中金 属资源的保护。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 翟明国，吴福元，胡瑞忠，等. 战略性关键金属矿产资源现 状与问题[J]. 中国科学基金，2019，332106–111. 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