滇东黔西晚二叠世煤中矿物及微量元素富集分异机理

发布时间：2018-02-03 00:20

  本文关键词： 晚二叠世煤 矿物 微量元素 富集分异机理　出处：《中国矿业大学(北京)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：本文综合运用煤田地质学、矿物学、煤化学、地球化学以及统计学等理论知识,使用光学显微镜、带能谱的扫描电镜、等离子体低温灰化仪、X射线衍射分析仪、Siroquant定量系统、X射线荧光光谱仪以及电感耦合等离子体质谱仪等分析测试技术,对滇东树根田和黔西月亮田晚二叠世煤中矿物及微量元素的含量、分布规律和赋存状态进行了研究,总结了控制煤中矿物及微量元素富集分异的主要因素。滇东树根田煤以特低-中灰和低挥发分产率、特低-低硫含量为特征,黔西月亮田煤则以低-中灰和高挥发分产率、特低-中硫含量为特征。整体而言,树根田煤的灰分、挥发分以及全硫含量均低于月亮田煤。月亮田煤中全硫含量大于1%的煤分层集中在19#和24#煤层,并且以黄铁矿硫为主。树根田和月亮田煤中显微组分都以镜质组为主,其次为惰质组,但由于树根田煤化程度较高,因此在光学显微镜下并未发现壳质组分,月亮田煤中壳质组分则以树皮体为主。X射线衍射分析和Siroquant定量分析结果显示,树根田和月亮田煤中矿物组成基本相似,以石英和黏土矿物(高岭石、伊蒙混层和鲕绿泥石)为主,其次为锐钛矿和方解石,铁白云石和黄铁矿仅在少数分层样品中有所分布,此外,在扫描电镜下还观察到了黄铜矿、闪锌矿、重晶石、锆石以及含稀土元素的磷酸盐矿物(磷铝铈矿和水磷铈矿)。从矿物含量沿煤层剖面变化趋势来看,石英在树根田和月亮田煤分层中的含量普遍高于顶底板和夹矸,并且跟高岭石的变化趋势完全相反;锐钛矿在各分层样品中均有分布,并且顶底板和正常沉积的夹矸中锐钛矿的含量普遍高于煤分层样品;方解石则主要分布在煤分层样品中。树根田和月亮田煤以大量的自生石英为显著特征,借助光学显微镜和扫描电镜分析,自生石英主要以两种形态产出:(1)赋存在基质镜质体中,这类自生石英颗粒细小,粒径约10μm左右,有的呈浸染状分散分布在基质镜质体中,有的与黏土矿物或黄铁矿顺层理分布;除此之外,在月亮田YLT182-7c煤分层中还发现了自生石英次生加大的现象,其粒径达到了120μm。(2)充填在有机质胞腔中,这类自生石英有的单独存在,有的与高岭石或鲕绿泥石共存。根据石英的赋存状态推断其主要来自峨眉山玄武岩风化析出的含硅溶液和富硅的低温热液流体。与中国煤均值相比,树根田和月亮田煤中SiO_2含量都较高,富集系数分别为1.35和1.42,TiO_2含量接近或稍高于中国煤均值,而Al_2O_3、Fe_2O_3、MnO、MgO、CaO、Na_2O、K_2O和P_2O_5含量普遍低于中国煤均值。树根田和月亮田煤中SiO_2/Al2O3比值明显高于中国煤均值(1.42)和高岭石的理论值(1.18),这主要归因于大量的自生石英。树根田和月亮田煤中SiO_2、Al_2O_3和TiO_2沿各煤层剖面的变化趋势极为相似,在顶底板及正常沉积的夹矸中含量较高,煤分层中含量相对较低,TiO_2与SiO_2和Al_2O_3呈强烈的正相关关系,表明Ti可能主要赋存在锐钛矿和黏土矿物中;Fe_2O_3和MgO在大部分煤层剖面上的变化规律基本一致,两者共同的载体矿物主要有鲕绿泥石和铁白云石;CaO整体上与灰分呈现相反的变化趋势,并且在大多数煤分层中的含量要高于顶底板和夹矸。与世界煤均值相比,树根田煤中微量元素Co、Cu、Zr、Nb和Ta含量较高,相对于世界煤均值的富集系数分别为2.37、2.21、2.39、2.03和2.21;月亮田煤中轻度富集微量元素V、Co、Cu、Se、Zr、La、Ce、Sm、Eu和Tb,富集系数分别为2.68、3、2.97、3.48、2.16、2.04、2.15、2.03、2.48和2.06。潜在有害微量元素Se、Hg和Pb在月亮田19#和24#煤中轻度富集,主要是由YLT19-6c、YLT19-9c、YLT24-8c和YLT24-10c四个异常高含量的煤分层样品导致的,这几层样品中As和U的含量也相对较高。树根田和月亮田煤中稀土元素均值分别为101μg/g和136μg/g,明显高于世界煤均值(68.6μg/g);树根田5#、9#和月亮田18_1M#煤层中稀土元素氧化物(REO)含量较高,接近甚至超过了燃煤产物中稀土元素回收利用的边界品位(0.1%REO);根据Seredin和Dai提出的稀土元素经济价值评价方法,树根田和月亮田大部分煤分层及夹矸是具有开发前景的,可以作为提取稀土元素的原材料。总体而言,滇东树根田和黔西月亮田晚二叠世煤中矿物和元素具有相似的组合特征,其富集分异主要受到以下因素的影响:(1)沉积源区供给研究区西侧的康滇古陆是西南地区的主要物源区,对含煤盆地的供给主要包括峨眉山玄武岩风化析出的硅质溶液以及陆源碎屑物质输入。树根田和月亮田煤中大量的自生石英主要来源于峨眉山玄武岩风析出的硅质溶液;在煤分层及顶底板中发现的粒度较大(100μm)、具有一定磨圆度的石英颗粒以及呈条带状顺层理分布的高岭石都为陆源碎屑输入提供了证据。树根田和月亮田煤层顶底板和正常沉积的夹矸中常量元素氧化物TiO_2,过渡金属元素Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu和Zn以及高场强元素Nb、Ta、Zr和Hf的含量明显较高,主要是受到峨眉山玄武岩碎屑输入的影响;此外,绝大多数顶底板及正常沉积的夹矸中稀土元素分布模式与峨眉山玄武岩极为相似,表现为富轻中稀土型,Eu呈明显的正异常,然而个别几层顶底板夹矸中Eu无明显异常或呈现弱的负异常,表明除峨眉山玄武岩之外,它们还受到了中酸性岩石碎屑输入的影响。(2)酸性火山灰输入在树根田和月亮田煤中发现了四层Tonstein:SGT7U-3p、YLT18_1U-7p、YLT18_1M-6p和YLT19-8p,它们的厚度分别为5cm、1cm、2cm和5cm,与上下煤分层的界限清晰;其矿物成分主要为黏土矿物,含量最高达到了95.6%。借助光学显微镜和扫描电镜分析,在Tonstein中观察到了火山碎屑石英,有的因高温熔蚀呈现不规则形状,其上可见高温裂纹,有的棱角分明,呈尖角状或镰刀状产出,为酸性火山灰输入含煤地层提供了直接证据;锆石晶形保存完好,呈细长柱状,晶体长度和宽度比值(c/a)远远大于2.5,有的具有熔蚀孔洞或高温裂纹,这与以往研究的来源于酸性火山灰的锆石特征相一致;此外还有椭球形高岭石集合体以及结晶良好的蠕虫状高岭石都是Tonstein的特征矿物。Tonstein中TiO_2和过渡金属元素(Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn)含量明显较低,但是Th和U含量很高,SGT7U-3p、YLT18_1U-7p和YLT19-8p的稀土元素分布模式呈现明显的Eu负异常,符合西南地区长英质Tonstein的典型特征。SGT7U-3p、YLT18_1U-7p、YLT18_1M-6p和YLT19-8p的TiO_2/Al2O3比值分别为0.01、0.03、0.02和0.02,并且在Nb/Y-Zr/TiO_2分布图中相应的投点全部落在了粗安岩区域内,说明它们的原始岩浆与粗安岩相似,均为峨眉山地幔柱衰退期喷发的酸性岩浆,进一步印证了其酸性火山灰来源。(3)热液流体侵入通过扫描电镜观察发现,树根田和月亮田煤中鲕绿泥石主要有两种赋存状态,一种是与石英或高岭石共同充填在有机质胞腔中,另一种是交代高岭石呈细条带状产出,表明它是由高岭石和富Fe、Mg的热液流体相互作用形成的。充填裂隙的黄铁矿和方解石相互交错,说明在后生成岩作用阶段,富Fe、Ca的热液流体侵入煤层节理或裂隙,形成了脉状的黄铁矿和方解石。此外,充填在胞腔或裂隙中的黄铜矿、重晶石、锐钛矿和含稀土元素的磷酸盐矿物都是多期次热液流体侵入煤层的产物。热液流体作用导致某些微量元素在煤分层、顶底板、夹矸和Tonstein中的含量重新分配。月亮田19#和24#煤层中含量较高的As、Se、Hg、Pb和U主要受控于热液流体活动;靠近顶板、夹矸或Tonstein的煤分层YLT18_1U-8c、YLT18_1M-2c、YLT18_1M-7c、YLT182-7c和YLT19-9c中稀土元素总量明显高于其他煤分层,就是因为与其紧邻的顶板、夹矸或Tonstein受到了热液流体或地下水的淋滤作用,稀土元素随淋滤液进入下伏煤分层中。YLT18_1M-6p为长英质Tonstein,因遭受高温热液流体影响,继承自酸性岩的Eu负异常被抵消,最终呈现Eu无明显异常,其下伏的YLT18_1M-7c煤分层中明显的Eu正异常也为高温热液活动提供了证据。(4)沉积环境影响沉积环境对煤中矿物质的影响主要表现为海水作用。因受海水影响,月亮田19#和24#煤层全硫含量较高,最高值达到了4.76%,借助X射线衍射和Siroquant定量分析,在相应煤分层样品中检测出了大量的黄铁矿,其赋存形态多种多样,有莓球状、团块状、自形和半自形晶体,还有的充填有机质胞腔,这些都是同生成岩作用阶段由来源于海水的SO_4~(2-)和陆源供给的Fe~(2+)在细菌作用下形成的。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P612
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本文编号：1485878