中国侏罗纪成煤植物对煤中有毒有害元素响应性研究

掌握煤中有毒有害元素的成因，是实现煤中污染物可控脱除、保护环境，达到煤炭资源高效清洁利用和实现低碳经济的重要组成部分。长期以来，对于成煤植物在煤中有毒有害元素形成过程中作用的认识，是煤中有毒有害元素成因研究的短板，成为煤地质学工作者面临的重大理论课题。本项目旨在以我国鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地及吐哈盆地侏罗纪煤为研究对象，综合运用有机岩石学、地球化学、古植物学、植物学、生物化学、环境化学、孢粉学、沉积学等学科原理与方法；恢复侏罗纪煤的煤植体及生源组成；通过对成煤植物孑遗分子及其形成土壤有机质、煤植体、成煤植物到煤中有毒有害元素分布、赋存、富集与迁移规律的比较和全面分析，建立煤植体、成煤植物、不同有机相中有毒有害元素的变化规律及关系模型；探讨成煤植物类型与组成对于煤中有毒有害元素的贡献大小，以此为突破口实现对成煤植物对煤中有毒有害元素的响应性这一重大理论问题的准确认识与客观评价。

侏罗纪煤在我国煤炭资源中具有重要地位，弄清其微量有毒有害元素成因，对于实现该类煤中污染物可控脱除和煤炭资源高效清洁利用具有重要意义。本项目以鄂尔多斯、准噶尔及吐哈等盆地侏罗纪煤为对象，以渭北晚石炭世太原组高硫煤为参照系，对西北侏罗纪煤中成煤植物与微量有毒有害元素关系这一重要理论问题进行了全方位研究。对秦巴山区、峨眉山等地11种侏罗纪主要成煤植物孑遗分子、土壤及太白红杉降解产物微量元素研究发现，不同植物生长的类似土壤及同类植物生长的不同土壤中微量元素含量差异显著；植物中的微量元素随环境变化而出现一定差异，Hg、B等元素在植物和土壤间高度相关，同种植物中Co与Ag、Mo与Zn、Pb与Fe高度相关。太白红杉在弱酸性-弱碱性条件下降解产物中微量元素变化规律存在差异。降解中易析出元素会很快进入周围环境，不易析出元素可能会长期滞留降解后的植物残体中，侏罗纪成煤时成煤植物中的这些元素可能会成为煤中该类元素的一个重要来源。通过侏罗纪煤中5属6种分散角质层和79属197种孢粉分析，恢复了我国早中侏罗世成煤植物群落结构，指出侏罗纪成煤植物种类丰富多样，既有蕨类植物真蕨类、节蕨类、石松类，又有裸子植物银杏类、苏铁类和松柏类等，不同盆地成煤植物类型存在各自特点。通过对成煤植物与煤中微量元素相关性分析发现，成煤植物对煤中部分微量元素具有一定贡献。桫椤科、紫萁科、水龙骨科、木贼科、石松科等蕨类植物对Se、Be、B、As、Mo、Ag、Cd、Tl等8种元素有一定贡献。分类位置不明的蕨类植物三缝孢类与Mo、Ni、Cd、Cr、Pb、V、Zn、Ag、Co、Sr、As等11种元素显著相关，单缝孢类与Cd显著相关，无缝孢类与Ni显著相关。银杏科、苏铁科、罗汉松科、松科、麻黄科等裸子植物对V、Ni、Zn、Ga、As、Se、Pb等7种元素有一定贡献。比较分析了侏罗纪煤与渭北太原组高硫煤的有机岩石学特性和地球化学特性异同。系统分析了煤中微量元素的赋存状态及热解迁移规律，探索了煤炭特性与微量有毒有害元素之间的关系，探讨了煤中微量有毒有害元素脱除效率及其相关利用途径。建立了渭北太原组高硫煤镜质组化学结构模型及有机硫结构模型。研究成果对今后该领域的进一步深入提供了必不可少的基础性方法和规律借鉴。