舒建生

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054)

稀散金屬鎵(Ga)已被我國列為戰(zhàn)略儲備金屬，作為國防工業(yè)和高科技產(chǎn)業(yè)不可缺少的基礎(chǔ)材料，被譽為電子行業(yè)的“脊梁”，但其本身很少單獨成礦，多為伴生礦產(chǎn)。近年的勘探研究發(fā)現(xiàn)，煤系可作為我國“三稀”礦產(chǎn)資源的重要來源，其中，秦勇等基于5079件煤樣實測數(shù)據(jù)評價了全國煤炭規(guī)劃礦區(qū)煤中鎵成礦前景，結(jié)果表明煤中鎵礦床以超大型占優(yōu)，其中資源量大于5萬t的主要分布在準格爾、大同和平朔等地；代世峰、李華等在內(nèi)蒙古準格爾煤田黑岱溝礦區(qū)和山西寧武煤田平朔礦區(qū)石炭—二疊紀山西組、太原組煤中發(fā)現(xiàn)超大型伴生鎵礦床，且前者已得到工業(yè)利用，2011年從煤灰中回收生產(chǎn)鎵150 t/a；李昌盛等研究顯示山西河東煤田保德楊家礦區(qū)同層域煤中鎵也具有較好的成礦潛力。陜西省陜北石炭二疊系煤田府谷礦區(qū)作為國家重要能源接續(xù)地區(qū)，與上述地區(qū)毗鄰，同屬鄂爾多斯沉積聚煤盆地，煤炭資源儲量巨大，煤系中鎵的找礦潛力巨大。已有的煤田勘探數(shù)據(jù)顯示礦區(qū)煤中鎵含量分布不均衡，部分地段和部分煤層中鎵元素地球化學異常顯著，在南部沙川溝、高石崖地區(qū)4#、8#主要煤層中鎵平均含量34.22 μg/g，大于邊界品位。因此，基于煤田勘探煤質(zhì)測試數(shù)據(jù)，選擇府谷礦區(qū)南部石炭二疊紀山西組、太原組為研究對象，開展煤中鎵(Ga)的分布規(guī)律、賦存特征和成礦前景研究和探討，研究結(jié)果對于該區(qū)資源開發(fā)和綜合利用具有重要的理論指導意義和現(xiàn)實經(jīng)濟意義。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

陜北石炭二疊系煤田府谷礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東部邊緣，黃河晉陜峽谷以西，研究區(qū)域位于礦區(qū)南部，面積120 km2，構(gòu)造總體形態(tài)為向西傾斜的單斜, 地層傾角5°左右，東中部受到NNE向墻頭—高石崖區(qū)域性撓褶帶影響，傾角可達30°左右，且發(fā)育小型褶曲和斷層。發(fā)育地層由老到新依次為中奧陶統(tǒng)馬家溝組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，三疊系下統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組、中統(tǒng)二馬營組，侏羅系下統(tǒng)富縣組、新近系和第四系。

區(qū)內(nèi)含煤地層上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組廣泛分布，含煤地層總厚度138.06 m，煤層總厚度20.07 m，含煤系數(shù)14.54%。以往鉆孔揭露顯示含煤層數(shù)最多可達20層，具對比意義的煤層11層，太原組賦存5#、6#、7#、8#、9-1、9-2、10#、11#煤層，8#煤層全區(qū)可采，5#、6#、7#煤層大部可采，9-1、9-2煤層局部可采；山西組賦存2#、3#、4#煤層，4#煤層大部可采，3#煤層局部可采；其余煤層均不可采。4#煤層和8#煤層是區(qū)內(nèi)主要煤層。煤類以氣煤和長焰煤居多，少數(shù)弱黏煤，具有低—中高灰、高揮發(fā)分、特低—中高硫、中—中高發(fā)熱量、特低—低磷、特低—低砷的中黏結(jié)煤。煤層特征、煤質(zhì)指標及鎵元素含量見表1。

表1 煤層、煤質(zhì)特征及鎵元素含量一覽表

續(xù)表

2 煤中鎵元素富集分布規(guī)律

2.1 煤中鎵元素的富集狀態(tài)

由表1可知，各煤層平均鎵含量在17.97～49.15 μg/g之間，且在平面區(qū)域和垂向?qū)佑蛏戏植疾痪狻鴥?nèi)煤田研究表明，以華北石炭二疊系煤田煤中鎵含量平均值最高，達9.88 μg/g，且高于全國煤中鎵含量平均水平6.55 μg/g和世界煤中鎵含量平均水平5.80 μg/g。通過對比不難發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)煤中鎵元素明顯富集，遠高于前者，且各煤層的富集程度存在不同，根據(jù)代世峰等提出的富集系數(shù)，以世界煤中微量元素含量為對比基準的等級劃分，區(qū)內(nèi)3#、4#、5#、6#、7#、8#、9-1、9-2煤層煤中鎵含量的富集系數(shù)分別為6.29、7.64、4.41、5.09、3.10、4.00、7.29、8.47，可以看出，山西組3#、4#煤層和太原組6#、9-1、9-2煤層屬于富集狀態(tài)；其余煤層均屬于輕度富集狀態(tài)。

2.2 煤中鎵元素的分布規(guī)律

2.2.1 平面展布

統(tǒng)計表明，區(qū)內(nèi)煤中鎵元素豐度在平面上存在差異，總體北部高南部低、西部比東部高，在北西部ZK5204孔附近表現(xiàn)異常富集，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)各煤層煤中鎵含量分布圖

由圖1可知，各煤層煤中鎵平均含量在51.12～85.67 μg/g之間，遠遠高于國家礦產(chǎn)工業(yè)要求的邊界品位30 μg/g。區(qū)內(nèi)主要煤層4#煤層屬于穩(wěn)定的中厚層大部可采煤層，煤中鎵元素豐度顯示異常富集，含量在23.81～85.67 μg/g之間，平均為44.34 μg/g。由4#煤層中鎵含量等值線圖(圖2)可知其沿ZK5212和ZK402一線以西絕大部區(qū)域煤中鎵含量超過邊界品位，并在北部ZK5204、ZK5212孔一線形成了含量大于40 μg/g高度富集區(qū)域。8#煤層屬穩(wěn)定的巨厚層全區(qū)可采煤層，煤中鎵含量平均23.22 μg/g，分布不均衡，僅在北部GZK5204孔高度富集，含量達56.30 μg/g，其余地段15 μg/g左右，值得關(guān)注的是8#煤層結(jié)構(gòu)復雜，一般含有2～5層夾矸，累計厚度0.20～1.23 m，平均為0.92 m，測試數(shù)據(jù)顯示其夾矸中鎵元素含量達30～39 μg/g，平均為34 μg/g。

2.2.2 垂向分布

統(tǒng)計表明，區(qū)內(nèi)煤中鎵元素在垂向上差異性顯著，山西組煤中鎵含量平均為42.61 μg/g，高于太原組煤中鎵平均含量30.18 μg/g，且總體表現(xiàn)距離山西組、太原組各自沉積基底界面(山西組/太原組、太原組/本溪組)越近，其煤中鎵含量呈增大趨勢，如圖3所示，含煤地層下部3#、4#、9-1、9-2煤層中鎵含量較高，平均值分別為36.51 μg/g、44.34 μg/g、42.29 μg/g和49.15 μg/g，富集顯著，平均值均遠超過了邊界品位；太原組中上部的5#、6#和8#煤層中鎵平均含量分別為25.57 μg/g、29.52 μg/g和23.22 μg/g，接近邊界品位但也存在局部富集。

圖2 研究區(qū)4#煤中鎵含量等值線圖

3 煤中鎵元素賦存狀態(tài)探討

研究表明，煤中鎵的賦存形態(tài)主要有3種形式，一是無機形式，主要在賦存于黏土礦物和鋁土礦中；二是有機形式，包括腐殖酸吸附的鎵以及凝膠化組分中賦存的鎵；三是無機礦物和有機質(zhì)共同作用富集。測試結(jié)果顯示：區(qū)內(nèi)煤的灰分平均為13.51%～38.27%，揮發(fā)分為34.84%～41.92%。煤灰成分以SiO2、Al2O3為主，其次為Fe2O3、CaO、SO3、TiO2，其中SiO2含量為42.55%～51.10%，Al2O3含量為28.16%～38.57%，可見煤灰成分中二者占有絕對比例，且二者存在正相關(guān)關(guān)系，同時Fe2O3含量與SiO2、Al2O3呈顯著負相關(guān)，如圖4(a)所示，表明煤中黏土礦物較多，且主要為鋁硅酸鹽礦物。本次通過元素SPSS相關(guān)性分析探討區(qū)內(nèi)煤中鎵元素的賦存狀態(tài)。統(tǒng)計分析表明，煤中鎵含量與灰分、Al2O3含量均呈正相關(guān)性，如圖4(b)、4(c)所示，說明煤中鎵元素富集與煤中黏土礦物密切相關(guān)，鎵元素與鋁元素具有相近的化學性質(zhì)，鎵元素在沉積過程中以類質(zhì)同象取代鋁元素進入黏土礦物晶格，賦存于含鋁的黏土礦物中，如高嶺石、勃姆石等，此現(xiàn)象在內(nèi)蒙古黑岱溝、山西平朔礦區(qū)均已證實。

圖4 煤中Ga、SiO2、Al2O3、So,d及Fe2O3間相關(guān)性圖

前人研究表明煤中鎵元素與有機質(zhì)關(guān)系密切，其中有機酸對鎵有較強的吸附作用，在pH值為4～7時，吸附作用最強。區(qū)內(nèi)煤中鎵含量與揮發(fā)分含量關(guān)系性不明顯，但是與煤中有機硫含量呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系，如圖4(d)所示，側(cè)面反映不利于有機硫形成的氧化環(huán)境可能出現(xiàn)有機質(zhì)吸附游離鎵，說明區(qū)內(nèi)煤中鎵元素主要以黏土礦物為載體，但也表現(xiàn)出同有機組分關(guān)系密切。

4 成礦前景分析

煤中鎵利用現(xiàn)有技術(shù)主要集中在粉煤灰和煤矸石中提取。區(qū)內(nèi)煤中鎵含量高于我國華北石炭二疊紀的平均含量9.88 μg/g，山西組3#、4#煤層中鎵含量平均值36.51 μg/g、44.34 μg/g，超過邊界品位30 μg/g，尤其山西組4#煤層原煤中鎵含量區(qū)內(nèi)富集顯著，絕大部區(qū)域鎵含量超過邊界品位30 μg/g，并在北部高度富集，接近或超過了最低工業(yè)品位50 μg/g。太原組除7#煤層外，5#、6#、8#、9-1、9-2煤層中鎵含量也超過或接近邊界品位，顯示較好的找礦潛力。同時，區(qū)內(nèi)煤中鎵的富集載體主要為黏土礦物，類比前人研究，說明鎵元素富集煤層同時，易于在煤層頂?shù)装搴蛫A矸聚集成礦，事實上已有測試數(shù)據(jù)也證明了這點，例如4#煤層頂板、底板和夾矸泥巖中鎵含量平均達到36 μg/g 、38 μg/g和39 μg/g；8#煤層泥巖夾矸平均含量34 μg/g，均大于邊界品位。

根據(jù)秦勇等提出的煤中鎵成礦前景評價方法，基于表1中的原煤和煤灰中鎵含量數(shù)據(jù)可初步探討劃分區(qū)內(nèi)主要煤層中鎵的預測資源類型，按照平均值計，3#、4#、9-1和9-2煤層中鎵的預測資源類型為富礦類型，其余均屬于貧礦類型?？梢娚轿鹘M下部4#煤層成礦前景和成礦規(guī)模應(yīng)最佳。

5 結(jié)語及其認識

(1)府谷礦區(qū)南部石炭二疊系山西組和太原組煤層及其頂?shù)装彐壘胁煌潭雀患?，總體平面上北部高南部低、西部高于東部；垂向上表現(xiàn)距離山西組、太原組各自沉積基底界面越近煤中鎵含量呈增大趨勢。山西組3#、4#煤層和太原組6#、9-1、9-2煤層屬于富集狀態(tài)；其余煤層均屬于輕度富集。主要煤層山西組4#煤中鎵元素區(qū)域地化富集最為顯著，超過邊界品位30 μg/g，其分布廣泛，具有良好的成礦前景。

(2)通過元素SPSS相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)煤中鎵元素主要以無機形式存在，以類質(zhì)同象賦存于含鋁的黏土礦物中。但煤中鎵含量與煤中有機硫含量顯著負相關(guān)關(guān)系側(cè)面也反映其同有機組分可能關(guān)系密切，有待進一步研究。

(3)基于煤中鎵成礦前景評價方法，初步探討劃分區(qū)內(nèi)主要煤層中鎵的預測資源類型，按照平均值計，3#、4#、9-1和9-2煤層中鎵的預測資源類型為富礦類型，其余均屬于貧礦類型。