富锂煤层碎屑物源探讨以平朔矿区安家岭煤矿太原组煤层为例

　　摘要：平朔矿区安家岭煤矿太原组煤层中Li、Al等有益元素的富集主要受陆源碎屑的影响，为明确其物源区，本文以煤层顶、底板和夹矸样品为研究对象，利用岩石薄片、ICPOES、ICPMS等方法对11号煤层的顶底板和夹矸的岩石学和地球化学特征进行分析，进而探讨了其物源属性。岩石学结果表明，研究区砂岩样品中碎屑成分以石英和岩屑为主，杂基含量低，胶结类型主要为钙质胶结。地球化学结果显示，研究区样品主要成分为SiO和Al，其他元素的含量都比较低。微量元素Li在各个煤层顶底板和夹矸中的富集系数变化较大，其中11号煤层样品中Li富集程度最高，号煤层样品中相对富集，号煤层样品中表现为相对亏损，号煤层个样品中仅有夹矸样品富集，顶底板样品均不富集。其余微量元素表现为Th、Hf、Zr和Nb等相对富集，Co、Sc、Cr、Ni、、Rb、Cs和Ga等元素相对亏损。根据元素比值等地球化学参数和SiOTiO、HfLa/Th、∑REELa/Yb、Dickinson图解及DF(AP)MT图解结合区域地质背景，研究区富Li和不富Li的煤层顶底板和夹矸中碎屑物质主要来源于华北北缘的内蒙古隆起。这两类煤层顶底板和夹矸的源岩类型都是以长英质火成岩为主。相较于富Li煤层顶底板和夹矸，不富Li煤层样品的源岩中有更多沉积岩的加入。

　　关键词：平朔矿区;安家岭煤矿;富锂煤层;地球化学特征;物源

　　近年来的研究发现在华北北部石炭二叠纪煤层中，存在Li、Al、Ga、REE等多种关键金属富集现象，如山西宁武煤田煤中铝、锂、镓及稀土等元素富集，是煤型关键金属潜在有利区[1]。平朔矿区位于宁武煤田北部，其煤炭总储量达130亿吨，安家岭煤矿号煤中锂元素含量达60.4840.1ppm，形成了超大型煤型锂矿床[23]。

　　煤矿生产论文范例：煤矿生产安全与瓦斯监测

　　Sun等[4]通过运用SCEP、SEMEDS、XRD等方法对山西宁武煤田平朔等多个矿区太原组煤中超常富集的AlLiGa多金属成矿的成因机制进行了深入剖析，研究认为其中Li、Ga和Al富集与无机质有关，高岭石等硅酸盐矿物可能是Li、Ga和Al的载体，他们还认为这些元素的富集属于陆源型成因，来源于阴山古陆。刘蔚阳等[5]通过运用相关性分析、XRD、逐级化学提取等方法对山西宁武煤田中南沟煤矿和大恒煤矿的多个煤层中REE富集的成因及赋存状态进行了探讨，研究发现煤中稀土元素主要赋存在硅铝酸盐等矿物中，属于无机来源且物源主要来自于华北板块北缘的阴山古陆。

　　王金喜[6]运用相关性分析、逐级化学提取等方法对宁武煤田石炭二叠系各矿区煤中Li的赋存状态与沉积控制模式进行研究，分析发现煤中Li主要以硅酸盐矿物赋存为主，Li的富集为陆源控制型且最初来源来自于北部阴山古陆。虽然对宁武煤田煤中AlLiGaREE多金属成矿的成因机制进行了探究，且发现不同煤层Li等关键金属的富集程度及元素富集组合存在较大的差异，但对导致这种差异的原因没有深入系统的分析。

　　在煤层剖面中，可以发现在夹矸附近的煤层Li富集程度高，系统分析煤层中夹矸的母岩类型及其构造背景，可能是认识这一问题的途径。因此，本文以安家岭煤矿晚古生代太原组煤层中19个煤层顶、底板和夹矸为研究对象，进行岩石学、地球化学分析，试图揭示富锂与非富锂煤层碎屑物质母岩类型及构造背景，从而为煤中Li的富集机制及成矿规律的认识奠定基础。

　　1区域地质背景

　　宁武煤田位于山西省北部，面积约2760Km，分为四个矿区：平朔、朔南、轩岗和岚县矿区。宁武煤田在地质上形成于宁武盆地，宁武盆地在大地构造上处于比较特殊的地理位置，其东侧为五台山复背斜，西部为芦芽山复背斜，北部为桑干河地堑，西南紧邻吕梁山隆起[7]。宁武盆地呈北东南西条带展布，以古、中生代地层组成的向斜构造为主。盆地基底为早前寒武纪变质岩系，其核部由侏罗纪地层组成，两翼依次出露三叠系、二叠系、石炭系、奥陶系和寒武系及前寒武系，缺失泥盆系与志留纪系，两翼地层产状较陡[8]。

　　平朔矿区位于宁武盆地北部，区内晚生代含煤地层包括本溪组、太原组和山西组，其中山西组和本溪组仅见少量煤线，太原组为矿区内主要含煤地层，太原组厚度63117m，平均厚90m，煤层总厚32m。主采号、号和11号煤层，含煤系数高达36.5%。除煤层外，岩性以黄绿色砂岩、灰色泥岩为主，含少量灰岩。其中号煤层厚9.16m，号煤层厚3.14m，号煤层厚2.436.5m，平均厚度为13.45m[9]，11号煤层厚8.7m，平均厚度为3.61m。

　　样品与实验方法在平朔矿区安家岭煤矿按照标准GB4822008进行分层刻槽取样，共采集了太原组号、号、号、11号煤层的19件样品，包括件煤层顶底板样品，其中号煤层底板因岩芯钻取过程中发生了损失，剩余样品量不足以进行测试。

　　其中为灰白色含砾中砂岩，取样厚0.08m;J1为灰黑色泥岩，取样厚0.0;为含黄铁矿灰色泥岩，取样厚0.06;为灰黑色泥岩，取样厚0.05m;为灰白色中砂岩，J1为含方解石薄膜灰黑色泥岩，取样厚0.1m;J2为灰黑色泥岩，取样厚0.11m;J3为灰黑色泥岩，取样厚0.0;J4为含方解石脉灰黑色泥岩，取样厚0.0m;J5为灰黑色泥岩，取样厚0.07m;J6为灰黑色泥岩，取样厚0.06m;J7为含黄铁矿灰黑色泥岩，取样厚0.06m;J8为灰色泥岩，取样厚0.06m;为含方解石灰色细砂岩，取样厚0.1m;11为灰黑色泥岩，取样厚0.04m;11J1为灰黑色泥岩，取样厚0.04m;11J2为灰黑色泥岩，取样厚0.05m;11J3为灰黑色泥岩，取样厚0.03m;11为灰白色细砂岩，取样厚0.16m。

　　3实验结果

　　3.1岩石学特征

　　对砂岩样品进行碎屑成分统计和部分图像。砂岩碎屑成分以石英和岩屑为主，局部可见褐铁矿碎屑。砂岩粒径主要分布在0.250.5mm之间，分选差，磨圆度差，以次棱角棱角为主，颗粒间接触多以缝合线接触。石英主要为单晶石英，颗粒表面洁净明亮，多具均一消光，多晶石英以燧石为主。

　　岩屑颗粒主要以火成岩为主。砂岩碎屑成分以岩屑和石英为主。砂岩粒径主要分布在0.25mm0.1mm之间，分选较差，磨圆度较差，以次棱角状为主，杂基含量低，颗粒接触多以缝合线接触，局部交代砂级碎屑。岩屑主要是火成岩岩屑为主。砂岩碎屑成分以岩屑和石英为主，可见少量云母碎屑，填隙物为粘土杂基和钙质胶结物。砂岩粒径主要分布在0.01mm0.05mm之间，分选较好，磨圆度较差，以次棱角亚圆形为主，颗粒接触多以缝合线接触。岩屑主要是火成岩岩屑。11砂岩碎屑成分以石英和岩屑为主。

　　砂岩粒径主要分布在0.05mm0.1mm之间，分选较差，磨圆度较差，以次棱角亚圆形为主，颗粒间接触多以点接触。以上特征表明，研究区岩性为砂岩的夹矸碎屑都未经长距离搬运，反映为近源快速沉积[13]。总之，砂岩样品中的岩屑主要以火成岩岩屑为主，含部分沉积岩岩屑和变质岩岩屑。

　　3.2地球化学特征

　　3.2.1主量元素特征

　　列出了样品元素含量测试结果，可以看出，研究区样品主要成分为SiO和Al，其他元素的含量都比较低。SiO含量最高且含量变化范围大，为25.39%~83.44%，平均为43.33%，表明样品中含石英或含硅质物含量较高。Al含量次之，为7.93%~39.38%,平均为28.89%，说明样品含有较多的长石及粘土矿物，这与镜下观察的结果一致。TiO为0.47%~2.18%，平均为0.90%;Fe为0.06%~12.80%，平均为2.30%;MgO为0.04%~0.92%，平均为0.18%;为0.02%~0.11%，平均为0.04%;为0.02%~2.45%，平均为0.52%;Na为0.01%~0.12%，平均为0.05%。含量明显高于Na含量，说明顶底板和夹矸中长石组分主要为钾长石。

　　4讨论

　　4.1母岩类型

　　在风化、搬运及成岩过程中，Ca、Na等元素由于活动性较强，含量会发生富集或亏损，而另一些主量元素如Al、Ti)由于其氧化物在低温下的低溶解性而未受影响。因此，主量元素通常用作物源指示剂[18]。O/Al比值可以用来确定碎屑岩源区岩石的成分[19]。当O/Al比值介于0.41.0之间，说明母岩中含有相当数量的碱性长石;在伊利石中比值接近于0.3;在其他粘土类矿物中比值接近于[20]。

　　研究区煤层夹矸和顶底板的O/Al平均值相近，均接近于，说明母岩中碱性长石和伊利石含量低，其他粘土类矿物含量高。由于Ti和Al很少被风化影响，保存母岩信息良好，因此Al/TiO比值也广泛用来推断碎屑沉积物的来源[21]。当Al/TiO在之间，沉积物物源可能来自于镁铁质岩石，而Al/TiO比值在2170之间，物源可能来自于长英质岩石[2223]。

　　本文所有样品/TiO比值为14.0366.31，表明以上其母岩主要来自于长英质岩石。所有不富Li样品用红色标注，不富Li样品、和落入了沉积岩区域，落入了火成岩区域。说明不富Li煤层样品源岩中有更多沉积岩的加入。RoserandKorsch[24]通过对砂泥岩的研究，提出根据Ti、Al、Fe、Mg、Ca、Na、主量元素氧化物，建立判别函数来分析源区的性质。只有号不富Li样品落在了石英质沉积岩区域，而其他样品都落在了火成岩区域，这也说明了不富集Li煤层样品源岩中虽然以火成岩为主，但是仍旧存在较大比重的沉积岩。微量元素在沉积作用过程中含量变化很小能够很好地保留成岩物质来源的有关信息，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等可作为物源判别的理想对象[2528]。由于稀土元素在风化、搬运、沉积及成岩过程中具有稳定的特性，因此稀土元素特征是反映沉积物物源性质的良好标志[2932]。

　　Cr和Zr元素主要反映铬铁矿和锆石的含量，其元素比值可以反映镁铁质和长英质物质对沉积物的相对贡献[33]。研究区煤层顶底板和夹矸的Cr/Zr比值介于0.010.26之间，Cr/Zr平均值均小于，说明源区物质以长英质为主。Th和Sc比值是最适合物源判别的参数之一[34]。研究区样品的Th/Sc变化较大，比值介于0.966.08之间，平均值都高于上地壳的Th/Sc比值(0.97)，表明源区物质以长英质为主。

　　作者：成贤康1,3，孙蓓蕾1,3，刘超1,3，曾凡桂1,3，解锡超2,3，畅向东1,3

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