马家驹，赵晓辰
西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安710054
摘 要：煤炭作为能源是目前我国重要的一次综合利用能源之一，我国的一次性煤炭资源储量丰富，约占全球化石生物能源等一次性资源的95%。煤炭形成的地质条件非常复杂，煤中微量元素富集的成因类型很多并且分布不均匀，所以形成了一些特殊的煤层，同时这些煤层中的煤在加工利用过程中会产生一些奇特的状况，这既为对煤的研究提供了特殊的方法，同时又加强了我们研究煤中微量元素的重要意义。本文分析了鄂尔多斯盆地某矿区煤中微量元素的富集情况，初步判断鄂尔多斯盆地煤中微量元素基本为亏损状态。
关键词：鄂尔多斯盆地；侏罗纪；地球化学；岩心分析
中图分类号TE122 文献识别码A
鄂尔多斯盆地北起内蒙古包头市，南到陕西宝鸡市，西至宁夏银川市，东达山西兴县，总面积为37万平方公里，是我国第二大沉积盆地[1]。鄂尔多斯盆地也称陕甘宁盆地，行政区域横跨陕、甘、宁、蒙、晋五省。盆地内包含伊盟隆起、晋西挠褶带、渭北隆起、西缘冲断带、伊陕斜坡等地质构造（图1）。面积大、资源广、矿物多、资源潜力大、储量规模大等都是鄂尔多斯盆地的特点[2]。盆地内分布7个含煤区，隶属的5个省区均有分布。盆地的煤炭探明储量占全国近20%，充分保障了我国对能源的需求、加强了战略能源的储备、同时又对实现可持续发展具有特殊意义[3]。
图1 鄂尔多斯盆地地理位置分布图
国外对煤中微量元素的研究起步较早，在加上国外工业化进程快，所以国外对于煤中微量元素的研究更全面更深入，包括煤中微量元素的发现、煤中微量元素的赋存状态、微量元素的富集迁移形式以及元素富集亏损对于地质构造和沉积环境的指示等方面。查阅大量文献后本人发现，对于鄂尔多斯盆地煤中微量元素的研究主要为侏罗纪延安组煤层中煤的微量元素，并且多为单一矿区或地区为主，基本没有系统的研究整个鄂尔多斯盆地中煤微量元素的富集情况以及沉积环境。
1鄂尔多斯盆地地质背景
1.1鄂尔多斯盆地大地构造
鄂尔多斯盆地开始于中三叠世形成，发育的鼎盛时期有两个时期：一个是中晚三叠世延长期，另一个为早中侏罗世延安期；消亡于早白垩期；晚白垩世以来为盆地的后期改造时期。鄂尔多斯盆地在早古生代时期是属于华北板块，早古生代末期，华北板块抬升，使得其中的浅海盆地基本消亡[4]。晚古生代华北板块开始沉降，使得大量植物沉积，为以后鄂尔多斯盆地的聚煤层的形成提供了条件。三叠纪时期的地质运动情况与晚古生代基本保持一致，还是以沉积沉降为主，继续为以后形成聚煤层提供大量条件，并形成了大面积三叠纪含煤层[5]。北、西、南三侧大陆边缘活动带与其所夹持的大陆板块对立发展到趋于统一的构造演化过程，就是鄂尔多斯盆地形成演化的构造背景。
1.2鄂尔多斯盆地构造演化
盆地的演化一般会有一个发生、发展、消亡的漫长过程。根据地质的界面、沉积物的类型和沉积物的厚度、鄂尔多斯盆地可以被划分为4个构造演化阶段。第一演化阶段发生于印支运动之后到燕山运动Ⅰ幕之前，沉积地层为富县组与延安组。该阶段盆地处于总体沉降的构造背景下，地层的堆叠形式自下而上呈典型的超覆关系。第二演化阶段的沉积地层是直罗组和安定组，由于燕山运动Ⅰ幕的地质运动很弱，盆地范围和构造面貌并没有发生根本的改变。中侏罗世末到晚侏罗世为第三演化阶段，沉积地层是芬芳河组，该阶段盆地基本处于挤压应力状态下。白垩纪初期为鄂尔多斯盆地第四演化阶段，这一时期主要受燕山运动影响。早白垩世末，鄂尔多斯沉积盆地最终消亡，全区处于缓慢的隆升状态。
地史上鄂尔多斯盆地长期受沉积的时间大概在400～500Ma，所以在其漫长的演化过程中形成了多个大型盆地并叠加演化的方式，所以鄂尔多斯盆地又是一种多重叠合型地。中生代鄂尔多斯盆地在中国华北克拉通盆地的结构环境发生重大变化之前，是相互叠加而形成的，上盆地和下盆地沉积时间短、没有严重的结构变形或主要地质事件，上游盆地与下游盆地的接触关系，除了盆地周围在当地非常活跃的地区外，大部分都是整合—假整合，两盆地高度重叠。华北陆表海盆地、华北晚古生代海陆交互型盆地、华北三叠纪和侏罗纪特大型湖泊盆地共同叠加形成了鄂尔多斯盆地。经历了由海到陆，由大到小，由东向西收缩变化过程。石炭纪、二叠纪、三叠纪和侏罗纪含煤岩系和煤层，均经历了这两期构造的叠合改造。经过漫长的地史时间，多个大型盆地叠加、演化、结合并最终消亡，最终形成了现在复杂的鄂尔多斯盆地。
1.3侏罗纪延安组煤层特征
鄂尔多斯盆地中部地区为湖泊沉积，延安组煤层不发育；南部和东部为早期河流沉积，煤层厚度大变化快，煤层分布不稳定。北部和西部为内陆沉积，煤层发育稳定，煤厚度基本无变化。总体表现为向盆地中心煤层变化越来越薄，盆地边缘煤层厚度最大。
2矿区煤中微量元素分析
2.1矿区煤样数据收集
矿区的可采煤层主要是侏罗纪中统延安组下部煤层，对矿区的煤层深度进行调查后，收集了矿区20个煤样进行分析。对于采集煤层小于3m的地方，直接选取去全部煤心作为煤样；对于采集煤层大于3m的地方，截取3m长的煤心作为煤样。最后对于20组煤样进行测定其中多种微量元素的含量，并计算出煤样的微量元素含量平均值如表1。
其中Li、Be、Sr、Cs、Ba元素的平均含量要小于元素含量的中国值，所以说这几种元素相对来说较为匮乏；Mn、Cu、Rb这3种元素的平均含量是要大于元素含量的中国值，所以说这3种元素相对来说较为富集，值得注意的是其中Mn的元素含量是要远远大于元素含量的中国值和世界值，那么说明了矿区的Mn的元素含量非常富集；Ga、In、Ti、Pb这4种元素的平均含量基本与元素含量的中国值保持一致，所以说这4种元素相对来说在正常范围内。元素的具体富集亏损程度还要进一步通过计算出EF值来分析。
表1 煤矿煤中微量元素含量平均值（据姚文博等，2018）[6]
2.2矿区煤微量元素富集分析
在分析煤中微量元素的富集亏损情况之前，我们先要引出一个概念，那就是EF值。EF值就是元素的富集因子，他可以直观的看出元素的富集亏损状况。其计算方法为：EF =元素含量/中国或世界煤含量均值，或EF =元素含量/元素的克拉克值。那么元素的EF值判断方法为富集程度归类：EF < 0.5，亏损或缺乏；0.5 <EF<2，正常水平；2 <EF < 5，稍富集；5<EF < 10，富集；10 < EF<100，显著富集；EF>100，异常富集。计算出矿区煤样的微量元素EF值如图2所示。
图2 煤矿煤中微量元素EF值图
从图中可以直观的看出Be、Mn、Rb、Sr、In、Cs、Ba这7种元素的EF值小于0.5，所以这几种元素在矿区的煤中属于亏损状态；EF值最高的是Pb元素，它的EF值是1，也是小于2的，所以说矿区剩下的几种元素都属于正常状态，不富集也不亏损。煤矿的煤中微量元素只有亏损元素而没有富集元素，说明矿区的煤沉积物来源比较单一，不会特别复杂，其中Pb元素含量最高，而Mn元素很低，这些元素大多以无机矿物存在，所以可以推断出，矿区主要物源为陆源碎屑。同时Ba元素在有的样品中较高，相关的学者认为δEu的正异常与Ba元素的含量有关，原因有两点：一是两者的离子半径相似，二是两者的价态相同，所以Ba2 +在湖泊环境中可以代替重晶石和碳酸钡等矿物中的Eu2 +。所以元素赋存受陆源碎屑母岩影响，陆源碎屑母岩为其提供了丰富的物质。
3煤中元素沉积环境分析
3.1古盐度分析
通过Sr/Ba的值可获得沉积水体的古盐度信息。一般认为，Sr/Ba>1，代表沉积水体为咸水，Sr/Ba<1，代表淡水沉积。可以看出矿区的Sr/Ba大于1，所以可以表明沉积介质为盐度相对较大的水体中。Sr/Cu和Sr/Ba值都非常高，说明水体盐度较高，其原因可能是在沉积过程中由于干热的气候，蒸发量增大，使得水体深度变浅，最终导致水体盐度相对较高。
3.2氧化还原条件分析
氧化还原条件对煤的形成具有重要的影响。植物死亡后，遗体在氧化的环境中容易被分解，而还原的环境则有利于其保存。大部分学者主要是通过V/Ni及V/（V+Ni）的值来推测沉积物的沉积环境。沉积环境的还原程度越强，V/Ni的值越大。0.84<V/（V+Ni）<0.89，代表水体分层强的还原环境，0.54<V/（V+Ni）<0.82，代表水体分层弱的还原环境，0.46<V/（V+Ni）<0.6，代表水体分层弱的贫氧环境。矿区的V/（V+Ni）为0.98，为水体分层强的还原环境。
此外，沉积物中U、Cr、Ni、Cu、Zn等在还原环境易富集，在氧化环境下易亏损。矿区中只有Mn元素富集，其他元素都属于正常或亏损情况，所以进一步说明矿区沉积条件为氧化环境。
4结语
古气候的变化是影响煤的形成一个重要因素。通常用Sr/Cu的值来恢复研宄区的古气候条件。当沉积物中1.5<Sr/Cu<7时，显示温湿气候；而Sr/Cu>7时，显示为干热气候。
鄂尔多斯盆地延安组煤中微量元素主要以亏损和正常水平为主，很少有微量元素富集。鄂尔多斯盆地西部、北部和中部地区古地理环境为干热气候且水体盐度低的氧化沉积，南部和东部为温湿气候且水体盐度低的还原沉积。
参考文献
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收稿日期：2020-09-26