攀枝花太平煤矿18号煤层稀土元素地球化学特征

摘要：运用ICP-MS检测并研究了攀枝花太平煤矿18号煤层中煤的稀土元素地球化学特征和赋存状态，结果表明：太平煤矿18号煤层的18个样品中La、Ce、Nd、Sm的平均含量高于中国煤均值和世界煤均值，Pr、Gd、Tb、Dy、Er、Tm、Yb、Lu的平均含量低于中国煤均值但高于世界煤均值；18号煤层中的稀土元素主要赋存于煤的灰分中，来源于陆源沉积物。

关键词：稀土元素；地球化学；太平煤矿

中图分类号：P641.3 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）2-0135-03

1 引言

煤中稀土元素之间化学性质相似且稳定性高，蕴含了丰富的地质信息，可以作为研究地质成因的地球化学示踪剂，其在分析岩石成因、物源供给和成煤环境方面具有广泛的应用[1]。在中高硫煤中，稀土元素不仅对硫而且对其他多种有害元素存在成因联系，因而了解稀土元素与有害元素在成因上的关系，能为煤的洁净利用提供一定理论依据[2]。

笔者以攀枝花太平煤矿18号煤层为例，借鉴别人的研究方法通过实验对比研究18号煤层中稀土元素的地球化学特征，探讨了煤中稀土元素的赋存状态，并利用稀土元素地球化W参数探讨了成煤环境对煤中稀土元素富集的影响。太平煤矿位于四川省攀枝花宝鼎盆地，资源丰富，是煤炭开采和煤层气开发的重要基地，其基本构造为一个北端封闭，向东南倾没，东缓西陡的不对称向斜，主采煤层为三叠系上统的大荞地组。太平煤矿开采煤层的灰分较低，硫分稍高，煤变质程度相对较低，煤类为焦煤。

2 稀土元素地球化学特征

2.1 稀土元素分布特征

按照煤层相对位置从上到下依次选取太平煤矿18个样品，并对18个样品的稀土元素、灰分和伴生元素等进行了测试。采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS） 分析了样品中的稀土元素含量，结果见表1。

从表1中可以看出，太平煤矿18号煤层的稀土元素中La、Ce、Nd、Sm的平均含量高于中国煤均值和世界煤均值。Pr、Gd、Tb、Dy、Er、Tm、Yb、Lu的平均含量低于中国值但也高于世界值。

2.2 稀土元素地球化学参数

结合稀土元素的含量同时采用Masuda（1973）提出的26个球粒陨石平均值（表2）经过计算得出稀土元素的地球化学参数表（表3）

从表3可以看出REE的平均含量为123.75 μg/g，高于世界REE的含量，说明太平矿18号煤层稀土元素的含量比较高，且LREE/HREE的值为7.99，LREE的含量远远高于HREE的含量，LREE相对富集而HREE相对亏损。δEu的平均值为0.615，其值小于1说明Eu负异常， δCe的值为0.768，表明Ce负异常，有关研究表明[4]，当沉积物中的Ce亏损时为氧化环境，Eu亏损时也是氧化环境，由此可以判断当时的成煤环境是氧化环境。煤层中的Ce负异常则可以指示海相沉积环境，Eu负异常主要是来源于陆源碎屑。黄文辉，赵志根等[5，6]认为随着成煤沼泽中海水影响的减弱，煤中稀土元素的含量是增加的，因此推断，太平煤矿18号煤层主要是陆相沉积环境，成煤沼泽受到海水的影响不大。

根据表3中灰分与稀土元素含量的数据，作出两者的关系图（图1），并进行线性拟合，研究二者之间的联系。

由图1可看出，随着样品中灰分含量的逐渐增加，∑REE和LREE含量的变化趋势几乎完全相同；而HREE的含量则变化不明显，只是略有增加。再结合表3中LREE/HREE的值可发现，太平矿18号煤层中的稀土元素主要以LREE为主，∑REE的变化主要是受到LREE含量变化的影响。同时，HREE的含量不随灰分的增加而发生显著变化，也说明HREE可能与有机质有较强的亲和性。

2.3 稀土元素分布模式

根据表3中的地球化学参数计算结果，可以绘制出稀土元素的分布模式图（图2）。

从图2中可以看出，LREE之间的分馏程度大于HREE，且均有Eu负异常的现象，其中La-Eu段的平均斜率陡于Gd-Lu段。大部分样品的曲线图均呈现左高右低的右倾“V”型变化趋势。样品18-6、18-10、18-11、18-12、18-14的曲线位于全部曲线的最下方，存在一定的低异常，可能是由于该处受到地下水淋滤或其他因素的影响[7]，使得其中的稀土元素发生迁移，从而影响了稀土元素的分布。

这种分布模式与李大华等[8]对我国西南地区煤中稀土元素进行研究后总结的B型分配曲线相类似，这种分配曲线之间存在的相似性，表明了太平矿18号煤层在成煤过程中成煤环境没有发生大的变化。

3 讨论

3.1 稀土元素的来源和分布

煤中稀土元素具有较强的无机亲和性，此外，有机质可以与稀土元素形成络合物，吴艳艳等[9]认为稀土元素与黄铁矿有较强的亲和性，而与黏土矿物呈负相关。由于成煤环境条件和成煤时期地质构造的影响，变质作用等都会影响稀土元素在煤中的富集。

太平矿18号煤层所在的大荞地组主要是陆相断陷盆地中的碎屑岩沉积，在晚白垩世时研究区内有燕山期深成岩浆向上侵入，其引起的地层温度的变化以及岩浆热液对18号煤层的变质情况和稀土元素分布产生了一定的影响[10]。

3.2 稀土元素的赋存

根据样品所测得的其他伴生元素的含量，结合∑REE的含量分析后做出聚类分析树形图，可以看出REE与Al高度正相关，与典型陆源碎屑的痕迹元素Cr、Co等正相关，说明18号煤层中的稀土元素主要来源于陆源沉积物中，且主要与煤中矿物质的硅酸盐部分相结合[11]。

4 结论

（1）太平矿煤矿18号煤层的18个样品中，∑REE的含量在6.59～281.7 μg/g之间，平均值为123.75 μg/g。La、Ce、Nd、Sm的平均含量高于中国煤均值和世界煤均值，Pr、Gd、Tb、Dy、Er、Tm、Yb、Lu的平均含量低于中国煤均值但高于世界煤均值。

（2）LREE相对富集而HREE相对亏损，随着灰分含量的增加，∑REE和LREE含量变化趋势几乎完全相同，而HREE由于与有机质亲和性较强，其含量几乎没有变化。

（3）由稀土元素的分布模式图中各样品曲线可以看出，LREE之间的分馏程度大于HREE，均有Eu负异常而Ce无异常的现象。这些曲线的相似性，说明在整个18号煤层形成的过程中，物质来源比较稳定，成煤环境并没有发生大的变化。

（4）太平V18号煤层中的稀土元素主要来源于陆源沉积物，赋存于煤中灰分中，且主要与煤中矿物质的硅酸盐部分相结合。

参考文献：

[1]王中刚，于学元，赵振华.稀土元素地球化学[M].北京： 科学出版社，1989：247～279.

[2]王文峰，秦 勇.煤洁净过程中有害元素和矿物的分配规律[M].北京：中国矿业大学出版社，2011：44～51.

[3]代世峰.煤中伴生元素的地质地球化学习性与富集模式[D].北京：中国矿业大学（北京），2002.

[4]赵志根，唐修义.中国煤中的稀土元素[J].中国煤田地质，2002，14（sl）：71～75.

[5]黄文辉，杨 起，汤达祯，等.华北晚古生代煤的稀土元素地球化学特征[J].地质学报，1999，73（4） ：360～369.

[6]赵志根，唐修义，李宝芳.淮南矿区煤的稀土元素地球化学[J].沉积学报，2000，18（3） ： 453～459.

[7]曹吉阳，姚多喜，胡永发.攀枝花大宝顶煤矿18号煤层稀土元素地球化学特征[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2016，36（2）：11～15.

[8]李大华，唐跃刚，陈 坤，等. 重庆煤中稀土元素的地球化学特征研究[J]. 中国矿业大学学报，2005，34（3）：312～317.

[9]吴艳艳，秦 勇，易同生.贵州凯里梁山组高硫煤中稀土元素的富集及其地质成因[J].地质学报，2010，84（2） ：280～285.

[10]李产林. 四川晚三叠世煤变质问题的研究[J]. 现代地质，1990，4（2）：98～104.

[11]代世峰，任德怡，李生盛. 煤及顶板中稀土元素赋存状态及逐级化学提取[J]. 中国矿业大学学报，2002，31（5）：349～353.