华北地台晚古生代煤中微量元素及As的分布.pdf

第 3 2卷 第 2期 2 0 0 3年 3月 中国矿业 大学学报 J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y Vo l _ 3 2 NO ． 2 M al “ ．20 03 文章 编号 1 0 0 0 ～ 1 9 6 4 2 0 0 3 0 2 0 1 1 1 - 0 4 华北地台晚古生代煤 中微量元素及 As的分布 代世峰 ， 任德贻 ，李生盛 ，宋建芳 ，武朝 晖 1 ． 中 国矿业 大 学 煤 炭 资源 教 育部 重点 实 验室 ， 北 京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 核 工业 部 北 京地 质研 究 院 ， 北 京1 0 0 0 2 9 摘要 研究了华北聚煤盆地晚古生代煤中微量元素 ， 并与全国和西南地区煤中微量元素含量进 行 了对比； 还研究了煤的 区域地球化学特征， 在华北地台划分 了3个煤区域地球化学带， 绘制 了 山西组和太原组煤 中As 等元素的分布图． 结果发现 ， 除个别微量有害元素 如 Ni ， U， C l ， Mo ， C u ， Z n 在局部地 区富集外 ， 华北 煤盆地晚古生代煤中微量有害元素含量较低 ， 整体上不足 以对环 境和人 体造成危 害 燃煤 产物及其危 害性 尚值得深入研 究 ； As的 区域分布 和古地理 环境及 煤岩 煤质特征相吻合， 指 出华北地台晚古生煤 中微量元素的分布总体上主要受控于聚煤古环境， 其分 布具有南北分带， 东西延展的特征． 关键词华北地台； 微量有害元素； 煤 ； 晚古生代 ；区域地球化学 中图分类号 P 5 9 4 文献标 识码 A 华北晚古生代 聚煤 盆地为一 巨型克拉通盆地． 其 面 积约 为 1 2 l O k m ， 现今 仍 然保 存 的含 煤 地 层 分布面积 达 8 l O k m ， 煤 炭资 源约为 2万 亿 t ， 规模 宏大为世所 罕见 ， 也是 我国最重要 的的煤 炭产 地． 该 聚煤盆 地煤 中微 量有 害元 素 的含 量 、 赋存 状 态及其环 境效 应直 接影 响到我 国的总体 环境 状况 和经济的可持续 发展 ， 因此对该聚煤盆 地煤 中微量 元素 的研 究 ， 不仅 具有 重要 的基 础理 论地 质意 义 ， 而且具有重要 的社会意义． 1 煤中微量元素的含量 为 了从 整体上 了解 华北 地 台晚古生 代煤 中微 量元素 的分 布特征 以及和西 南地 区进行对 比， 对华 北地 台晚古生 代煤 中微 量元 素进 行 了测 试分 析 和 统 计 表 1 ． 在分 析 中 ， 作者 把大 多 数煤 中检 测 到 的元素含量 称之为微量元 素的背景值 ， 而将少数煤 中检测到 的远 高于背景值 的含 量 ， 称 之为异常值． 从表 1中可 以看 出， 华北地 台晚古生代煤 中微 量有害元素 的分 布有如下 特点 1 煤 中伴生 微 量元 素没 有 富集 或 明显 富集 ， 多 数 低 于 地 壳 中 元 素 的 丰 度 值 表 1 ．按 照 Gl u s k o t e r等提 出煤 中微 量元 素含量 高于地 壳克 拉 克值 6倍 以上 的为 富集 的原则①， 华 北 聚煤盆 地晚 古 生 代煤 中只有 元 素 S e明显 富集 ， 富集 系 数 E F 为 4 0 ． 2 4 ， 但仍然低 于任德贻等统计 的全 国煤 中 S e 的算 术 均值 富集 系数 4 6 7 ． 0 4 [ ， 其 它所 有元 素 的 富集系数均小 于 6 ． 2 与任 德贻等统计 的全 国煤 中伴生 元素含量 相 比[ 1 ] ， 绝大 多数 元素都低 于全 国的均值 ， 仅 有 S c 6 ．3 2， 5 ．8 1／ g ／ g 、 S r 1 9 2 ． 9 9， 1 7 5 ． 9 6／ g ／ g 、 Hf 5 ． 0 7 ， 3 ． 2 6／ g ／ g 高于全 国的均值 括 号 内第 1数 据为华北 地 区元素算术 均值 ， 第 2个 数据为任德 贻 等统计 的全 国元素算术 均值 ． 3 华北 聚煤盆 地晚古生 煤 中稀 土元素 的含 量 与任 德贻 等 1 9 9 9 统计 的全 国煤 中稀 土元 素 的含 量相 当． 4 与杨 光荣等 1 9 9 8 统计 的中 国西 南地 区以 及张军 营[ 2 1 9 9 9 统计 的黔西南 地 区相 比 ， 有 明显 的差 异 ， 西南 地 区晚二叠 世煤 中明显富集 As ， C u ， Hg ， F， Mo ， S b ， S e ， U， V， Z n等有 害元素 ， 并 且在个 别地 区 如黔西南 已对 人体和环境造 成了危害 张 军 营 ， 1 9 9 9 [ ， 这 与煤盆 地基 底 的稳 定性 、 同沉积 断裂 发育 的继承 性和 长期性 、低 温 热 液 活 动 的发 育 、 峨嵋 山玄武 岩的喷发等地 质 因素有关 ， 而 华北 收 稿 日期 2 0 0 20 60 4 、 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 4 0 0 7 2 O 5 4 和 4 O 2 O 2 O 1 4 作者简介 代世峰 1 9 7 0 一 ， 男， 山东省 日照市人 ， 中国矿业大学讲师， 工学博士， 从事煤地球化学方面的研究． ①Gl u s k o t e r H J ， Ru c h R R， Mi l l e r W G， e t a 1 ．Tr a c e e l e me n t s i n c o a l o c c u r r e n c e a n d d i s t r i b u t i o n ，I．S t a t e Ge o 1 ．S u r v ．Ci t e ． ， 1 9 7 7 ， 4 9 9． 1 5 4 维普资讯 1 1 2 中 国矿业 大 学学 报 第 3 2卷 聚煤 盆地 晚古 生代煤 中微 量有 害元 素 的含量 与 赋 存特 点主要与稳定 的结晶基底 、 岩相分 布的整体 性 和宽 广性 有关 ， 聚煤环境决定 了煤 中伴 生元素 的地 质地球化学行 为『 3 ] ． 5 虽然整 体上华北 聚煤盆 地晚古 生代煤 中微 量元素不会对 环境 和人体造成 危害 ， 但 在少数 的局 部地 区 ， 有个别 微量元 素富集 ， 值得 关 注 表 1 ． 局 部 出现 异 常值 的 有 河 北 邯郸 矿 区 山西组 煤 中 的 As 6 ． 5 2 g ／ g ， 山西 晋 城 山西 组和 太原 组 煤 中 的 1 4号 煤 层 为 4 9 ．9 g ／ g ， 太 原 组 煤 的 均 值 为 2 4 ． 9 g ／ g ， 太原古交东塔矿 山西组 2煤层 的 c l 1 8 6 5 g ／ g ， 峰 峰 矿 区 康 二 城 山 西 组 的 C l 1 1 0 0 g ／ g ， 山西 阳泉 五 矿 太 原组 1 4煤 层 的 Mo 5 6 ． 9 g ／ g， 太原组 主采煤层 的均值 为3 0 ． 7 g ／ g ， 山西平 朔 太原组 1 1煤 层 的 Cu 6 0 ． 7 7 g ／ g ， 太原 组 煤 的均值 为 3 8 ． 3 2 g ／ g ， 太原 古交 马兰矿 和东 塔矿 山西组 煤 中的 Z n分 别 可达 1 4 9和1 4 4 g ／ g ， 山西河曲太原组 1 1 煤层的 z n达1 7 2 g ／ g ， 内蒙海 Ni 均 为 4 6 ． 0 g ／ g ， 山西 阳泉 太原 组 的 u 其 中 渤 湾矿 区山西组 煤 中 Z n；1 5 8 g ／ g 等． 表 1 华北晚古生代煤中微量元素的含量 T a b l e 1 C o n c e n t r a t i o n s o f t r a c e e l e me n t s i n c o a l s i n No ah C h i n a wB ／ l O 注 。 元素 的地 壳 丰度据 s ． R． Ta y l o r 1 9 6 4 ； 富集 系数 E F样品 中 的平 均含量 ／ 地壳 中的平 均含量 ； Mi n ． 最 小值 ； M“． 最大 值 ； A M． 算数均值 ； G M． 几何均值． 2 煤 中 A s 的区域地球化学特征 自 2 0世 纪 9 0年代 以来 ， 由于 国家 资金 的大力 投人 ， 我 国煤 地球 化学 研究 工作 取得 了很大 进展 ， 已经积 累了许多矿 区 特别是华北 、 西南 等地 煤 中 微量元 素的资料 ， 对煤 中微量元 素的赋存状态 的认 识有了较大提高， 较准确地掌握了煤 中微量元素的 测试方法． 我 国煤 中微 量元 素 的分布 状况初步得 以 维普资讯 第 2期 代 世 峰等 华 北 地 台晚 古生 代煤 中微量 元 素及 As的分 布 揭 示 ， 因此 ， 进行 煤 区域地 球化 学 的研究 的 时机 已 经成熟． 根 据作者 已掌握 的煤地球化学 资料和 区域 地 质背 景 ， 把华北 地 台含煤 岩系 和西南 主要是 上 扬 子地 台 分 别作为煤地 球化学省 的煤 地球化学单 位 ， 把华 北地 台晚古生代 含煤 岩系 自北而 南分 成 3 个 煤地球化学带 的次级煤地球化 学单位 ， 由于聚煤 环境是 华北地 台 晚古生代 煤 中微量 有 害元 素的 主 导 因素 ， 因此这 3个煤地 球化学带 的界 线基本上与 韩德馨 、 杨 起等 1 9 8 0 对 华北 晚古生代 含煤岩系太 原组和 山西组 的 3个岩相带 的分布 相 同[ ． 选取 了 华北 晚古 生 代煤 中 As ， S e ， C o ， Ni ， U， C 1 ， Mo ， Cu ， P b ， Z n等 1 0种 主要微 量有 害元 素 ， 分 山西组 和太 原组做 出了这 些元素 的分 布图 ， 初步分 析 了这些元 素 的分 布 状 况 和成 因．由于 篇 幅所 限， 现 仅 以 As 为例 ， 简述其分布 特征 图 1 ， 2 ． Z o 环县 1 l I ∞ 图 1 华北聚煤盆地太原组主煤层元素 As 分布 Fi g． 1 Di s t r i b u t i o n o f A s i n m a i n c o a l s e a ms o f Ta i y ua n For m at i on i n No r t h Chi na 1 05 11 0 1 1 5 1 20 1 25 1 30 图 2华北 聚 煤盆 地 山西 组 主煤 层元 素 As 分 布 Fi g． 2 Di s t r i b u t i o n o f As i n t h e ma i n c o a l s e a m s o f Sha nxi Fo r mat i on i n Nor t h Chi na As的地球 化学 性 质相 当复杂 ， 它 的离子 性质 与介质 的 p H 值 及其它热 力学条件 有关． 从 电子构 型 4 s 4 p 。 看 ， As可 以形 成 3 价或 5 价 的 阳离 子． As属 于半 金属 元素族 ， 既可 以形 成 简单 的 阳离子 和阴离子 ， 又能与 O， S， S e等形成络 阴离子． 6配位 1 13 As 。 一的 离 子 半 径 为 0 ．2 2 2 n m， 共 价 键 半 径 0 ． 1 2 n m， 可 以替 代矿 物 中 S 一 离 子． As是 亲 硫 元 素 ， 硫化物 中 As以 3 价 占优 势． As 。 和 As 汁可 以 替代 A1 抖． As 。 可 以替代 F e 。 和 Ti ”， As 汁可替代 s i ”． 根据 离 子半 径 的大 小 ， As 。 可替 代 八 面体 位 置 的 A1 抖 ， As 。 和 As 汁也 可 以替代 四面体 位置 的 S i 或 Al 抖． 因此 粘 土 矿物 中可 含 As ． As的地 球 化学性 质决 定 了煤 中 As赋存状 态 的复杂 性． 从 图 1看 出 ， As在 太原 组 煤 中 ， 总 的趋 势 为南 高北 低 ， 但在北带 的大 同附近有 高值 出现 ， 南带高 主要和成 煤 时的海 水影响有关 ， 与南带 煤 中硫 的含量 分布一 致 ， 北带局 部 As的含 量较 高 可 能 和 陆源 碎 屑 特 别是 粘土 矿物 有 关． 对北 带 贺兰 山煤 田和 中带峰 峰矿 区煤 中微量元 素的逐级化学 提取结果显示 ， 北 带 As主 要赋存 在黄铁 矿和 粘土矿 物 中， 而 中带煤 中 As在 黄铁矿 中 的比例有 明显提 高 ， 而在粘 土矿 物 中的含量 有所 降低[ 3 ] ． 但 总 的看 来 ， 主要 以黄铁 矿形式存 在 为 主 ， 这 和 F i n k e l ma n 1 9 9 4 认 为 煤 中 As主要存在 于黄铁矿 中的结 论是一致 的[ 引 ． 华 北北 带 属 于滨海 冲积平 原 环境 ， As含 量 高 的地方其灰分产率也偏 高[ 引 ， 呈正相关， A s和煤中 硫分有呈正相关的趋势[ ， 表明 As 不仅与煤中黄 铁 矿有 关 ， 而且 和 煤 中 的 陆源 碎 屑有 较 密 切 的关 系． 但 总体 上， 北 带 As的含 量要 比南带低 ， 表 明煤 中黄铁 矿对 As的主导控制作 用． As的含量 与煤层 的厚度 呈正 相关 [ 3 ] ， 由于北 带 距离 陆源 剥蚀 区较 近 ， 并经 历多 次海侵 ， 其特点是愈靠 近古 陆 ， 陆相沉 积 愈多 ， 这种 沉积 环境 一 般碎 屑岩 比例大 于 8 ， 砂 泥 比值 1 ～1 ／ 2之 间[ 4 ] ， 在聚 煤坳 陷 的沉 降 幅度 与 碎 屑物 补偿大致平衡 的过渡环境 ， 陆源碎屑供应较 充分 ， 海水也 时而侵入 ， 沉 降幅度适 宜 ， 易于泥炭堆 积 速度保 持平 衡 ， 聚煤 环境 持续 保持 ， 泥 炭 沼泽环 境 比较 稳 定 ， 往 往形 成 富煤带 ， 煤 中 As的含量 也 受 到陆源碎屑和 海水 影响 的双重控 制作用． 包括苏 西北 、 皖北 、 豫西 和黄河 以南诸 煤 田， 该 带 As与灰 分呈 负相关 ， 即 As含量 随着灰分 的减少 而增高． 南 带煤 层厚度 和 As的含量 呈负相 关． 这 一带 地 区由于地壳沉 降幅度 较大 ， 为 当时的华北 地 台沉 降 中心 ， 碎屑物 质供应不充分 ， 浅海 环境 占优势 ， 大 部分 属于泥岩 、 灰 岩相 区， 碎屑 岩 比例 一般 小于 2 ， 砂 泥岩 比例 小 于 1 ， 相 区呈 明显 的东 西 向展 布 ， 由 于 随着海 侵频 繁而持 久 强度增 大 ， 煤 中硫分 ， 特别 是 黄铁 矿含 量增 高 ， As的含 量和 赋存 状态 主要受 控于煤 中黄铁矿 ， 泥炭 沼泽 的环境仅在海 侵间歇 时 出现 ， 不利于 聚煤 ， 形 成的煤层厚度较 薄． 维普资讯 1 1 4 中国矿 业 大学 学 报 第 3 2卷 南带煤 的的岩石学特 征 、 As的含量 、 岩相分 布 有密切关 系， 南带 的灰岩厚 度一般大 于 5 0 m， 聚煤 环境 受海水 影响 强烈 ， 地 势低 而潜 水面 高 ， 煤 的凝 胶化作 用进行 的彻底 ， 导致煤 中镜 质组含量 高[ 4 ] ． 因此 ， 南 带太 原组 表 现 出 As含 量 、 镜质 组 含 量 、 煤 中硫含量 、 灰岩 厚度 、 海 水影响程度 表现 出正 相关 ， 而上述参 数和灰分产 率 、 煤层 厚度呈负相 关． 中带太原组属 于滨海平原环 境 ， 主要 由过渡相 组成 ， 间夹海相 、 沼泽相及泥炭 沼泽相． 因这一带处 于华北 巨型坳 陷 中部 ， 地域 辽 阔而 平坦 ， 地 壳升 降 缓慢 、 幅度 小而 整体 性强 ， 故 岩相 、 岩性稳 定 ， 多 形 成 薄至 中厚煤层 ． 煤 中 As的含量 明显 表现 出和煤 中硫 分 的正相 关性 ， 和 煤 中灰分 负相 关 ， 表 明煤 中 As在北带 的陆源碎屑和 煤 中黄铁 矿的双 控性 向主 要 受海水影 响 煤 中黄铁 矿 的单一控制转 变． 山西 组 煤 中 As的分 布亦 主要 受 控 于 聚 煤 古 环 境 图 2 ， 邯邢 矿 区的康二城 矿的异 常值 可能与燕 山期 的 中性 闪长岩 体侵 入有 关． 从整 体上 看 ， 华北 地 台晚 古生代 太原组 煤 中 As的分 布 和岩相分 布 、 含煤 性 分带 、 煤 岩煤 质特性 等具 有密 切关 系 ， 它们 总体 都 具有南北分 带 ， 东西展布 的特 征． 3 结论 华北 地台晚古生代 煤 中有害元 素含量较低 ， 整 体上 不足 以对 环境和人 体造 成危害 ， 但煤 的燃烧 产 物及其危 害性、 局部地区存在的高异常值， 值得关 注 ． 参考文献 [ 1 ] Re n D Y，Z h a o F H，Wa n g Y Q， e t a 1 ．D i s t r i b u t i o n o f mi n o r a n d t r a c e e l e me n t s i n C h i n e s e c o a l s[ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Co a l Ge o l o g y，1 9 9 9，4 01 0 9 118 ． E 2 ] 张军 营．煤 中潜在毒害微量元 素富集规律及其污染 性抑制研究E D] ．北京 中国矿业 大学资源与安全工 程 学 院 ， I 9 9 9 ． 2 5 3 2 ． E 3 ] 代世 峰．煤 中伴生元 素的地质地球化学习性与富集 模式E D] ．北京 中国矿业大学资源与安全工程学院， 200 2．1 1 38． E 4 3 韩德馨 ， 杨起．中国煤 田地质学 下册 [ M] ．北京 煤 炭 工业 出版社 ， 1 9 8 0 ． 1 0 1 1 5 1 ． [ 5 ] Fi n k e l ma n R B ．Mo d e s o f o c c u r r e n c e o f p o t e n t i a l l y h a z a r d o u s e l e me n t s i n c o a l L e v e l o f C o n f i d e n c e [ J ] ． Fu e l P r o c e s s i n g Te c h n o l o g y，1 9 9 4，3 92 1 - 3 4 ． [ 6 ] 中国煤 田地质总局．华北地台晚古生代煤地质学研 究E M] ．太原 山西科学技术出版社， 1 9 9 7 ． 2 0 7 2 0 9 ． [ 7 3 韩德馨， 任德贻 ， 王延斌 ， 等．中国煤岩学[ M] ．徐州 中国矿业 大学 出版社 ， 1 9 9 6 ． 1 1 3 - 1 1 4 ． Co nc e n t r a t i on s o f M i no r El e me nt s a nd R o f Ar s e n i c i n La t e Pa l e o z o i c Co a l s f r o m N e g i o na l Di s t r i bu t i o n o r t h Chi n a Pl a t f o r m DAI S h i f e n g ，REN De y i 。 ，LI S h e n g s h e n g ，S ONG J i a n f a n g 。 ，W U Z h a o h u i 1 ． Th e Ke y La b o r a t o r y o f Co a l Re s o u r c e s o f M i n i s t r y o f Edu c a t i o n，CUM T，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a； 2 ． Be i j i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Ur a n i u m Ge o l o g y。B e i j i n g 1 0 0 0 2 9，Ch i n a Ab s t r ac tCo m pa r a t i v e s t u dy be t we e n c o a l s f r o m No r t h a nd So ut hwe s t Chi na wa s c a r r i e d o ut ． The r e s ul t s ho ws t ha t t he c o nc e nt r a t i o ns o f m i n o r t oxi c e l e me nt s i n l at e Pa l e o z o i c c oa l s f r om N o r t h Chi na p l a t f or m a r e t o o l O W t o do ha r m t o t he e nvi r o nme nt a nd hum a n he a l t h，w i t h e xc e pt i o ns o f a f e W m i nor t o xi c e l e m e nt s e nr i c hi ng i n s o m e p l a c e s，s u c h a s N i ，U ，C1 ，M o，Cu，a nd Zn． Howe v e r，t he p r o d uc t s o f c o a l c o m bus t i o n a nd t h e i r e f f e c t s o n e nv i r o nme nt a nd hum a n he a l t h s ho ul d be f ur t he r s t ud i e d． M o r e o ve r。 t he r e gi o na l ge o c h e m i c a l c ha r a c t e r i s t i c s o f c o a l w e r e s t ud i e d a nd t hr e e b e l t s o f r e gi o na l ge oc he m i s t r y of c o a l we r e di vi de d i n Nor t h Chi na ． Th e a r s e ni c di s t r i b ut i ng c o nt o ur s o f t he S ha nx i Fo r m a t i o n a nd t he Ta i yu a n Fo r m a t i o n we r e p l o t t e d．I t c a n b e s e e n t h a t t h e d i s t r i b u t i o n o f As i n c o a l s c o i n c i d e wi t h t h o s e o f p a l e o g e o g r a p h y a nd t h e c ha r a c t e r i s t i c s o f p e t r o l o gi c a l a nd c he mi c a l da t a o f c o a 1 ． The s t udy a l s o s ho w s t ha t t h e t r a ns m e r i di o na l e x t e ns i o n s a nd t he be l t di v i s i o ns of m i no r t ox i c e l e m e nt s d i s t r i but i o n f r om no r t h t o s o ut h a r e m a i nl y c o nt r ol l e d by t he pa l e o e nv i r o nm e nt dur i ng t he c oa l f o r m a t i o n． K e y wo r dsN o r t h Chi na pl a t f o r m ；m i no r t o xi c e l e me nt；c o a l ；l a t e Pa l e o z o i c e r a；r e gi o na l ge oc he m i s t r y 责任编辑李成俊 维普资讯