煤田地质学论文

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宿州学院

地球科学与工程学院

学生姓名： 张志 学 号： 2011103232 班 级： 11地质工程2班 学习课程： 煤田地质学 论文题目： 煤中微量元素研究

授课老师： 李建楼

摘要：讨论了煤中有害元素对环境和人体健康的危害及其作用途径，总结了煤中伴生元素的含量分类和环境地球化学分类。详细总结和归纳了煤中伴生元素的研究状况、发展趋势以及不足之处，根据以上分析和国家自然科学基金与煤炭科学基金任务的要求，提出了本次研究思路和技术路线，并对本次研究的主要工作量进行了总结。

Abstract: This paper discusses the harmful elements in coal on the environment and human health hazards and pathways, summed up the content of associated elements in coal classification and environmental geochemistry classification. Detailed review and summarize the associated elements in coal research status, trends and shortcomings, according to the requirements above analysis and the National Natural Science Foundation of China Coal Science Foundation and the task presented in this research ideas and technology roadmap, and this the main workload study are summarized.

关键词：煤中微量元素

前言

煤炭是我国最主要的一次能源，近年煤炭产量有所缩减，但2000年产量仍保持在10亿吨。由于煤炭在我国化石能源资源量中占95%，石油和天然气的储采比低，分别为21和40，因此估计到二十一世纪中叶，煤炭在一次能源结构中所占的比例仍难低于50%。所以煤的地球化学性质,特别是煤中有害元素及有害有机化合物及其对大气、土壤和水域的环境危害，对人体健康的影响，日益受到重视。煤中伴生元素环境地球化学的研究可为我国煤炭资源、环境与可持续发展的决策提供一定的科学依据。

一.煤中有害元素对环境和人体健康的危害

煤中有害元素引起的生物中毒和环境污染在许多用煤国家都已发生。如美国大气硒污染主要来源是燃煤，燃煤引起的大气硒排放量占总量的62％。燃煤过程向大气的排汞量占了人为总量的大部分，成为大气中汞的最大污染源。大气汞通过干湿沉降返回到表生生态环境中，加速了汞在水生生态系统食物链中富集强度和速度，对人类的生存构成了潜在威胁。在北欧和北美，酸雨沉降区的一些偏远湖泊中，一些鱼体中汞含量高的惊人，远远超过了世界卫生组织建议的地区食用水产品的汞含量标准。美国近10年来集中研究了燃煤造成的汞污染。煤烟是大气中砷的主要来源，著名的伦敦上空的烟雾，其大气中的砷含量为0.04～

30.14?g/m。原捷克斯洛伐克燃煤电厂排放的Pb、As已造成附近儿童骨骼生长延缓。美国近年正研究燃煤造成的As污染，并拟降低大气及水域中可造成As污染的下限值。

煤中伴生元素可能通过多种途径，即所谓的环境地球化学食物链对环境和人类健康造成影响（图1.1）。As、F、Se、U、Hg、Cd等元素在多数煤中含量很低，但在特殊的地质条件下可能富集在煤中。我国煤田地质条件复杂，煤中的伴生微量元素分布不均，从我国一些地区检测到的As、F、Se的特高含量值世界罕见，

因此，研究我国煤中伴生微量元素在什么样的地质条件下可能形成异常富集显得尤为重要。

土壤中有害植物食料和营养物质

煤中有空气中有害人和动物的水中有中动物性食料和营养物质

图1.1 煤中化学元素从环境到有机体作用路线示意图

Fig.1.1 Sketch map of ways of chemical elements on organism

二.元素的含量分类

在常见的地球化学文献中，人们常将O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K和Ti等9种元素（它们的地壳丰度共占99％左右）称之为常量元素或主要元素，而把这9种元素以外的元素统称为微量元素或痕量元素、杂质元素、副元素、稀有元素、次要元素等（Trace, Minor, Micro, Rare, Oligo Elements），它们在岩石中含量一般在1％或0.1％以下。

目前还没有建立微量元素地球化学分类的统一标准，分类方案也因研究对象和目的不同而异。目前普遍采用程介克（1986）的分类方案（表1.1）[1]。

表1.1 元素含量的术语及其含量界限(程介克，1986)

Table 1.1 Terms of elements and their content limits (Cheng Kejie, 1986)

然而，常量元素和微量元素的区分是相对的，常因研究的对象和目的而异。煤是物质成分极其复杂的固体可燃有机岩，用现有的分析技术手段可以从煤中检测到66种元素，从煤样品、燃煤产物和煤层气样品中检测到86种元素（地壳中可供统计的元素共88种），只有Ac和Pa这2种短寿命的放射性元素在煤、煤燃烧产物和煤层气中未曾检测到。在所检测到的元素中，作者把H、C、N、O、Na、Mg、Al、Si、S 、K、Ca和Fe等12种元素称之为常量元素（major elements），它们在煤中的含量一般超过0.1％；其它元素在大多数煤中的含量低于0.1％，称之为微量元素（minor elements）（图1.2）。是间接检测，尚未有一种行之有效的直接检测方法，更谈不上某元素在各种赋存状态中各占的百分比例。二是研究煤炭在开采、运输、堆放、洗选加工、燃烧等过程中有害元素侵入环境的机制和规律，正如前所述，煤是一种特殊的岩石，在其加工利用过程中，可以使得本

来一些并不富集的元素得以富集后对环境或人类健康造成危害，特别是燃煤过程中有害元素在飞灰中的迁移和富集尤其引人注意。三是研究和开发脱除或降低煤中伴生有害元素的技术，从而达到控制和预防煤中伴生元素对环境和人类身体健康的危害，主要涉及到煤洁净利用技术的工艺方面。

发展趋势：一是开始研究全球煤中有害元素分布规律，如捷克著名学者Bou?ka等（1999）总结了全球31个国家褐煤中硫及微量元素含量的分布，主要有害元素的样品都在千个以上（其中我国仅10个左右）[2]；美国著名的专家Finkelman正在力争建立全球煤中毒害元素的地球化学数据库；二是研究煤中有害物质对人类健康的影响，美国Orem等（1999）对巴尔干半岛上褐煤淋出的有害有机化合物对地方性肾脏病的影响等[3]；2001年在捷克召开的第9届煤田地质会议上，就有一些煤中有害元素与病理学关系方面的新研究成果，引起了与会学者极大兴趣[90]。三是一些学者开始注重低温热液流体作用下煤中伴生元素的地球化学行为，把流体动力学的原理应用于煤中物质，特别是毒害元素的迁移、转化和富集规律的研究。注重流/岩反应、流/流反应以及沉积有机物自身的有机反应、有机物－水－岩石多相反应和有细菌参与的生物有机化学反应。流体是物质迁移和转化的主要载体，任德贻等（1999）剖析了几种煤中伴生有害元素的富集成因特点[88]，无不与流体有关。近年来低温地球化学的快速发展为此项研究提供了新的思路和可靠的理论参考。

总结国内外研究现状和发展趋势，作者认为煤中伴生元素地球化学的研究在以下几个方面需进一步加强：

（1）我国学者比较系统、深入的研究煤中毒害元素局限于华北的东部和中部、贵州省、四川省及东北个别煤田，积累了不少煤中有害元素分布的基础数据，掌握了一些有害元素的局部的富集规律，但与先进国家相比，全国积累的系统研究数据较少，并且多数集中于煤中伴生元素高异常区，往往使人产生误解，认为中国煤中有害元素普遍偏高。因此，全面评价我国煤炭资源及其环境效应，充分合理地利用丰富的煤炭资源，已有的研究成果和数据仍显不足。

（2）对煤中有害微量元素在有机质聚积、成岩、各种变质作用、热液作用过程中的富集机理及其地质背景探讨尚显不足。对源岩、围岩、岩浆热液活动产物的地球化学研究有待深入。我国黔西、滇东、湘南等地岩浆、构造热液作用是导致局部地区煤中有害元素富集的主要因素。华北地区区域岩浆热变质作用是决定煤级分布的主因，但其对煤中有害元素富集的影响研究甚少。所以从含煤盆地（煤产地）所处的区域地质、地球化学背景和地质发展史角度进行理论总结，归纳出煤中有害元素富集的成因类型或地质模式，尚须深入研讨。

三.微量元素在煤中的赋存状态

知道元素的赋存状态第探讨煤中元素的来源，及其在成煤作用全过程中的地球化学行为至关重要。元素的赋存状态又决定了元素在表生作用中和加工利用过程中可能的运移和转化，所以了解元素的赋存状态是评价元素的利用价值，评估元素的环境效应的基础。 已有研究成果表明：在一个煤样里任何一种元素均可

处于多种赋存状态，若干种元素又可同处同一赋存状态，同一种载体含某一种元素的量还相差挺大。微量元素在煤中的赋存状态不外乎三种：赋存在矿物里，被有机质束缚，溶于孔隙水里，其中第一种是最主要的。

1.微量元素赋存在煤中矿物

由于煤中矿物种类繁多，自然界煤中常见的矿物种类并不多，但少见和偶见的矿物种类繁多。但是研究这些少见偶见的矿物十分重要，Gluskoter(1965)把射频低温灰化法应用于灰化煤样，鉴定出鲜为人知的矿物。在《中国煤中微量元素》这本书里面作者汇集国内外文献得到的矿物名称，记16类201种晶体矿物，蛋白石，玉髓，磷钙土等非晶质矿物，以及火山灰和火山玻璃。Finkelman和Stanton(1978)在煤层内层发现来自宇宙的尘埃。然而，自然界常见的矿物种类却有限，主要有：硅酸盐里的粘土类矿物（高岭石、伊利石、绢云母、蒙脱石等），硫化物利的黄铁矿和较少量的白铁矿，氧化物里的石英，，碳酸盐里的方解石和菱铁矿，以及较少量得白云石和铁白云石，还有氢氧化物里的褐铁矿和铝土矿等。这几种常见的矿物的数量占煤中矿物总量的绝大部分，其中又以粘土类矿物为主。

煤中矿物的产状复杂，分布杂乱，其宏观产状有：分散的晶体颗粒、球粒、结核、透镜体、条带等：其微观产状有：单独的自形晶体、破碎的晶体碎块、显微结核、亚显微晶体集合体等，由于一些亚微米粒径的矿物微粒弥散在有机组分内部，利用电子显微镜可以识别他们的存在但几乎无法准确分析其成分。 煤中矿物具有多种成因和多期生成的特点。按成因，煤中矿物可分为5类①植物成因的矿物②陆源碎屑成因的矿物③火山成因的矿物④化学成因和生物化学成因的矿物（自生矿物）⑤成岩交代作用形成的矿物。按矿物形成时期可分为同生和后生两大类，同生是指在成煤作用第一阶段泥炭聚集期和早期成岩作用阶段形成的矿物，后生是指在成煤作用第二阶段煤变质作用阶段形成的矿物还包括多期地下水或热液活动形成的矿物以及在表生作用下的风化产物。

2，微量元素在煤中被有机质束缚

Gluskoter(1977)利用浮—沉试验得到的煤可选性曲线计算“有机亲合性指数”，定量表示微量元素的有机亲合性。Finkelman(1995)论述25种微量元素赋存状态时把浮沉试验结果作为讨论元素是否与有机质缔合的重要依据。但是浮沉试验方法不可能分离出弥散在有机组分内部的矿物微粒，则探讨元素的有机结合态另一种常用的方法是化学提取，逐级化学提取方法虽然被国内外研究者所利用但此方法的某些结果值得商榷。下面具体说一下各微量元素的赋存状态。 煤中银的赋存状态，1995，Finkelman总结从1968年起国内外见解后提出，煤中多数银最可能赋存在硫化物的矿物里，还可以成为银的硫化物，闪锌矿，方铅

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