鄂尔多斯盆地东北缘准格尔煤田异常富集薄水铝石的发现
任德义煤岩学和煤地球化学论文选
煤中的矿物质是煤的重要组成部分。从成因上看，煤中矿物的组成和特征不仅反映了聚煤环境的地质背景，有时还反映了煤层形成后所经历的各种地质作用，有助于弄清煤层的成因、煤化作用和区域地质历史演化等基本理论问题(Ward，2002)。从煤的利用角度看，煤中的矿物质含量直接影响煤的热值水平和煤的加工利用特性(韩德鑫，1996)，也是焦化冶金中磨损、腐蚀和污染的主要来源。此外，煤中大多数微量有害元素的含量、存在形式和环境污染也与煤中的矿物质有关(Vassilev等，1994)，矿物质是煤中微量元素的主要载体(唐等，2004)。Gupta等人(1999)认为煤利用过程中的大部分问题是由煤中的矿物质引起的，而不是煤中的有机显微组分。另一方面，符合工业品位要求的稀有元素和放射性元素为伴生有用矿物，部分矿物在煤炭利用加工过程中能起到催化作用，提高了煤炭的经济技术价值。因此，研究煤中矿物质的组成、含量、来源和赋存状态具有重要的理论和实际意义。
一.煤中发现的矿物质
煤中的矿物主要有应时、粘土矿物(主要是高岭石、伊利石和伊利石/蒙脱石混层矿物)、碳酸盐矿物(菱铁矿、方解石和白云石)和硫化物矿物(如黄铁矿)(Ward，1978，2002；哈维等人，1986；帕尔默等人，1996).国内外学者对煤中矿物，特别是这四类矿物的赋存特征和地质成因进行了广泛的研究(Martinez-Tarazona等，1992；帕特森等人，1994；黄文慧等人，1999；Hower等人，2001；沃德，2002；戴等，2003)，以及煤中多种微量矿物，如独居石、锆石、硬硅钙石、水氯镁石、胶磷矿、铬铁矿等。(Querol等人，1997；饶等人，1997；病房，1989；迪尔等人，1999；瓦西里韦特等人，1998；李等；丁振华等，2002)。根据Finkelman( 1981)的数据，煤中已鉴定出125种以上的矿物。Bou？Ka等(2000)认为煤中可能含有145种矿物；唐等(2004)总结了国内外文献报道，列出了煤中可识别的晶体矿物201种。
根据以往的研究资料，煤中发现的氢氧化物矿物有褐铁矿、铝土矿、针铁矿、锂云母、一水硬铝石、三水铝石、勃姆石、黑钨矿、水镁石和氢氧化钙。煤中常见褐铁矿、铝矾土和针铁矿，对其成因的研究很多(Dill等，1999)。玻璃纤维在煤中很少见，主要存在于泥炭中(Bou？ka等，1997)；煤中一水硬铝石含量较低，主要存在于火山灰层含脉石的煤层中，主要存在于火山灰层脉石中(Burger等，1971)；三水铝石在煤中很少见(Bou？ka等人，2000年)；勃姆石、黑钨矿、水镁石、氢氧化钙等矿物在煤中很少或很少(沃德，1978；Bou？ka等。,2000;唐·等，2004)。
值得注意的是，虽然勃姆石可以存在于某些煤系地层中的粘土岩脉中，但对其已做了一些研究工作(毛源等，1994；梁等；刘等，1997)，但关于煤中勃姆石的赋存状态和成因，国内外还没有公开报道的资料，主要原因是它在煤中很少见。Bou？Ka等人(2000)认为勃姆石在煤中非常罕见；Ward( 1977，1984，2002)认为个别煤中可能有微量的勃姆石，但煤中勃姆石含量高是不寻常的。Goodarzi等人(1985)、Harvey等人(1986)、Patterson等人(1994)和Vassilev( 1994)分别研究了加拿大、澳大利亚、美国和保加利亚煤中的矿物，但没有发现勃姆石。Tatsuo等人(1993，1996)和Tatsuo( 1998)在日本北海道石狩湾煤田古近系煤的低温灰化产物中发现了少量的薄水铝石(在采集的85个煤样中，只有8个样品的低温灰化产物中含有薄水铝石，最高含量仅为。此外，煤中一水软铝石国内外还没有公开报道。
二、地质背景和实验方法
准格尔煤田位于鄂尔多斯盆地东北缘，南北长65公里，东西宽26公里，面积1700平方公里，煤炭探明地质储量268亿吨。它是鄂尔多斯盆地最丰富的煤层，也是沉积相变最明显的地带。石灰岩在煤田内全部尖灭，逐渐变成陆源碎屑岩。准格尔煤田含煤地层包括上石炭统本溪组、太原组和下二叠统山西组，总厚度110 ~ 160m。含煤地层的底板为中奥陶统灰岩，上覆地层为下石盒子组、上石盒子组、石千峰组、刘家沟组等非含煤地层。本区6号煤层位于太原组顶部，厚度一般在2。7和35 m，平均厚度30m，最大厚度50 m，是在三角洲沉积体系背景下形成的巨厚煤层(刘等，1997)。
根据GB 482-1995和MT 262-91采样规范，结合准格尔矿区煤层开采的实际情况，对黑岱沟煤矿6号煤层煤样进行了分层采集。样品的数量、厚度和特征如图1所示。煤层自上而下编号为ZG6-1、ZG6-2、ZG6-3、ZG6-4、ZG6-5、ZG6-6、ZG6-7。用X射线衍射分析(XRD)研究了煤层的矿物组成，用带能谱仪和MPV-ⅲ显微光度计的扫描电子显微镜(SEM-EDX)观察了矿物的形貌特征。根据GB 8899-88对煤的显微组分和矿物进行了定量统计。测试结果的单位是体积百分比(vol.%)，两次测试结果的允许差值小于4。5%.
图1研究区柱状层状6号煤层矿物组成
3.勃姆石及其特殊矿物组合的发现和赋存特征
从矿物组成来看，准格尔6号煤层D段自上而下明显分为四段，1段由ZG6-1组成，第二段由ZG6-2、ZG6-3和ZG6-4组成，第三段由ZG6-5组成，第四段由ZG6-6和ZG6-7组成。这四个剖面的矿物成分差别很大(图1)。自上而下的功能如下:
(1) X射线衍射分析(图2a)和光学显微镜测定表明，ZG6-1的矿物组成以应时为主，含量高达16。4%(表1)，其为分散形式(板I-1)。应时导致严重的煤炭矿化。根据应时的形态特征，其棱角分明，粒度均匀，多为5 ~ 10μ m(图版I-3)。主要分布在基质镜质体、同生粘土矿物和同质镜质体中。粘土矿物(主要是高岭石)含量为5。5%(表1)。层状应时和粘土矿物的SEM-EDX测试结果如表2所示。
表1准格尔煤田6号煤层煤岩组成
注意:bdl低于检测限。
图2研究区6号煤层分层样品的XRD图谱
(2)ZG6-2、ZG6-3和ZG6-4的成分主要为异常富集的勃姆石，含量为11。9%, 13.分别为1%和11%(。表1)，煤中存在如此高含量的勃姆石，国内外未见报道。另外，高岭石在这三层中的含量分别为4。3%, 3.6%和4。分别为4%。勃姆石在本煤层中以隐晶质形式存在，其赋存状态多种多样，但主要以块状分布在基质镜质体中，有的呈单个块状或不规则块状(图版I-4 ~ 6)，有的呈连续块状或珠状，有的分布在成煤植物的洞穴中(图版I-7)。块状分布的勃姆石粒径变化很大，从1到300 μ m不等，在偏光显微镜下，勃姆石与粘土矿物的主要区别是:勃姆石致密，而粘土矿物疏松(图I-8)，勃姆石的反射色比粘土矿物浅，勃姆石的突起较高(图I-6)，而粘土矿物不突起(图I-8)。在这些富含勃姆石的煤层中，与勃姆石伴生的矿物组合也很特殊。这些矿物包括金红石、镁橄榄石、锆石、菱铁矿、方铅矿、黄铜矿和硒方铅矿。ZG6-2中金红石含量高(1。6%).金红石以单晶或膝状孪晶的形式出现，存在带状结构现象(板块II-1，2)。ZG6-2和ZG6-3中有片钠铝石。片钠铝石主要填充在丝状体的细胞腔中，呈圆形颗粒，粒度为1 ~ 2微米(图版I-7和II-3)。ZG6-3中有方铅矿、黄铜矿和硒方铅矿。这三种矿物呈圆形(图版ⅱ-4)，内部结构比较特殊，孔洞较多，似乎有细菌、藻类等低等生物矿化的明显迹象(图版ⅱ-5)。ZG6-2和ZG6-3中有锆石，断裂痕迹表明来自物源(图版II-6、7)。此外，在富勃姆石层位(图版ⅱ-8)中有少量菱铁矿。由于金红石、片钠铝石、锆石和菱铁矿的含量不高，X射线衍射分析未能检测到，主要通过偏光显微镜和带能谱仪的扫描电镜(SEM-EDX)观察晶体形貌和物质组成进行鉴定。
(3)ZG6-5的矿物成分主要是高岭石，含量为11。含少量勃姆石(3。3%)和微量黄铁矿。
(4)ZG6-6和ZG6-7的矿物主要是高岭石，占22%，19。含微量黄铁矿、应时和方解石，但不含勃姆石(图2e和F)。
4.勃姆石及其伴生矿物成因的初步研究
勃姆石是硅酸盐岩石的风化产物，常与三水铝石、一水硬铝石、高岭石、玉髓、铵云母等矿物共生。此外，也可能是低温热液产物，与沸石共生(Kondakov等，1975；Hrinko，1986；梁等；班尔基，1998；程东等，2001)。但在富含勃姆石的煤层中，除高岭石外，未发现上述生物成因矿物，也未发现低温热液矿物或热液活动的证据。
根据王双明等人(1996)的研究，在准格尔煤田6号煤层(对应煤层编号为ZG6-7和ZG6-6)形成的早期，准格尔煤田的地形为北西向高，南向低，陆源碎屑物质主要来自北西向广泛分布于阴山古陆的中元古代钾长石花岗岩，因此在ZG6-7和ZG6， 煤层形成中期(对应煤层编号为ZG6-5、ZG6-4、ZG6-3、ZG6-2)，煤田东北部开始隆起，本溪组铝土矿出露。 煤田位于北部西部的阴山古陆低洼区和北部东部的本溪组隆起区，聚煤作用持续。古河道走向为北东向(王双明等，65438+)根据石炭纪灰岩的氧、碳同位素值所代表的环境意义，得出石炭纪灰岩形成于正常的海洋环境，太原组形成时的古水温平均为29 ~ 32℃，表明当时该地区气候炎热(刘焕杰等，1991；程东等，2001)。根据林(1984)和程东(2001)对本区石炭纪古地磁的研究，准格尔煤田晚石炭世的古纬度约为北纬14。这种热带湿润气候有利于本溪组风化壳中三水铝石的形成(程东等，2001)。三水铝石是开放环境氧化的产物。三水铝石和少量粘土矿物在水流的作用下以胶体的形式被短距离搬运到准格尔泥炭沼泽。根据王双明的研究(1996)，准格尔煤田距离风化壳仅50公里左右。随着泥炭的不断堆积，当对应煤层为ZG6-1时，北东向的本溪组隆起下降，陆源碎屑的补给变为北西向的阴山古陆中元古代钾长石花岗岩。ZG6-1除大量应时外，主要为粘土矿物。在泥炭堆积成岩早期，ZG6-5、ZG6-4、ZG6-3和ZG6-2层中的三水铝石胶体溶液在上覆沉积物的压实作用下脱水形成勃姆石。从勃姆石的赋存形式来看，大部分勃姆石是絮凝的，这也反映了其胶体成因的特点。刘长岭等人(1985)认为勃姆石的形成主要与成岩阶段的弱酸性和弱氧化至弱还原的介质环境有关，勃姆石更容易在泥炭沼泽中形成。山西河曲本溪组铝土矿富含勃姆石，晋豫铝土矿的重矿物组成为锆石、金红石、方铅矿等。这与富勃姆石煤层(刘长岭等，1985)的结果相似，也是6号煤层中勃姆石来源于本溪组铝土矿的证据。6号煤中高含量勃姆石的形成不同于煤系高岭岩中的勃姆石或勃姆石。刘等(1997)指出，煤系高岭岩中一水软铝石或勃姆石的形成主要是由于高岭石在介质(pH
表2勃姆石及其伴生矿物的扫描电镜-EDX测试结果
注意:Min是最小值；Max是最大值；AM是算术平均值；Bdl低于检测限。
研究区晚古生代煤中高含量勃姆石的出现不是一个简单孤立的地质事件，其独特的赋存状态、成因和伴生矿物组合与其周围的地质体、煤层的形成和演化、煤层形成时的古地理和古气候有着千丝万缕的联系。
鸣谢:感谢中国科学院地质与地球物理研究所曾教授和中国大学钟宁宁教授的悉心指导和大力帮助。
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图表描述
图版ⅰ
应时(SEM)在1。ZG6-1。
2.ZG6-1应时矿化严重(油浸，反射单极化，320 ×)。
3.ZG6-1中的应时棱角明显，粒度均匀(SEM)。
4.ZG6-2中规则块状勃姆石(SEM)。
5.ZG6-2中的不规则块状勃姆石(SEM)。
6.ZG6-3中的不规则块状勃姆石，具有高突起(油浸，反射单偏振，320 ×)。
7.填充在丝体空腔中的ZG6-3中的勃姆石和磷酸铝(SEM)。
8.ZG6-5中的粘土矿物无突起(油浸，反射单极化，320 ×)。
图版ⅱ
金红石晶体1。ZG6-2(油浸，反射单极化，320 ×)。
2.ZG6-2中金红石的膝状孪晶。
3.ZG6-3填充细胞腔的扫描电镜观察。
4.产于ZG6-3的硒方铅矿(SEM)呈圆形。
5.ZG6-3黄铜矿的内部结构(SEM)。
6.ZG6-2中的锆石(SEM)。
7.ZG6-3中的锆石(SEM)。
8.ZG6-3中的菱铁矿(SEM)。
戴世峰等:鄂尔多斯盆地东北缘准格尔煤田异常富集薄水铝石的发现。
图版ⅰ
任德义煤岩学和煤地球化学论文选
戴世峰等:鄂尔多斯盆地东北缘准格尔煤田异常富集薄水铝石的发现。
图版ⅱ
任德义煤岩学和煤地球化学论文选
鄂尔多斯盆地东北部准格尔煤田煤中极富集勃姆石的发现。
戴世峰1，2，任德义1，2，李声生2，陈林仇3
( 1.CUMT煤炭资源重点实验室，100083；2.中国矿业大学资源与地球科学系，北京，100083；3.伊利诺伊州地质调查局，IL61820，美国)
文摘:利用X射线衍射分析、带能谱仪的扫描电子显微镜和光学显微镜等技术，在鄂尔多斯盆地东北部琼格煤田6号特厚煤层中首次发现了一种极富集的薄水铝石及其伴生矿物。勃姆石含量高达13。1%,伴生矿物有钙铝石、锆石、金红石、针铁矿、方铅矿、黄铜矿和硒方铅矿。重矿物组合与华北本溪组铝土矿相似。煤中的高勃姆石主要来自东北聚煤盆地本溪组的薄壳铝土矿。三水铝石胶体石溶液从铝土矿中迁移到泥炭沼泽中，勃姆石是在泥炭堆积期和成岩作用早期，三水铝石胶体石溶液经压实脱水而形成的。
关键词:煤炭；勃姆石；晚古生代；准格尔煤田
(本文由戴世峰、任德义和李生生合著，原载于《地质学报》2006年第80卷第2期)