西南地区晚二叠世伴生稀有金属元素富集煤层的有机地球化学特征及其地质意义

Recently, extremely enrichment of rare metal elements, including Au, Ag, PGEs, Nb, Ta, Zr, Hf, REEs, Y and Sc has been found in the Late Permian coal seams, southwestern China. Although elemental geochemistry and geology studies have been carried on, there are scarce researches on the composition of organic matter in coals, especially the characteristics of molecular geochemistry of subdivision coals. The further investigation on the enrichment of specific elements in coals in terms of above organic geochemical data also lacked. Many scientific issues are still unclear: Does organic matter take part in the enrichment of elements directly? What are the organic geochemical features and relate geological implication of the high mature coals in this research area? Can they give the useful hints for the enrichment of the coal associated elements? Therefore, this project will select the coal seams, in which rare metal elements are enriched, as research objects. By using organic geochemical, as well as geological, coal petrologic methods, it plans to investigate the composition and molecular geochemical characteristics of organic matter, particularly polar compounds and biomarkers in the coals, and explore their geologic significance and the possible roles played in the enrichment of these rare metal elements. The project may help to understand the coal quality and coal forming environment in the Late Permian coal seams, southwestern China, and is likely to obtain original findings on interactions or geologic relationships between organic matters and enriched rare metal elements in the same coal seams.

近期在中国西南地区晚二叠世煤中普遍发现金、银、铂族、铌、钽、锆、铪、稀土、钇和钪等稀有伴生金属的超常富集。虽然已有元素地球化学和煤地质学等方面的研究，但尚无从煤中有机质组成，尤其是精细分层中分子地球化学特征角度，研究成煤微环境以及与特定伴生元素富集关系的报道。有机质是否直接参与稀有金属富集，研究区域较高变质程度煤的有机地球化学特征和指示作用如何，能否阐释元素富集成因等相关科学问题还不清楚。因此，本课题拟选择稀有金属富集的西南地区晚二叠世煤层为研究对象，运用有机地球化学理论和方法，结合煤地质学和煤岩学等，研究煤中有机质特别是极性和生物标志化合物组成及分子地球化学特征，探讨其地质意义，并分析它们在煤伴生稀有金属富集中的作用。该课题的研究，有助于完善对研究区域煤质特征和成煤环境的认识，有可能在揭示煤中有机质与稀有金属富集的相互作用或地质成因联系等科学问题上取得创新成果。

项目主要研究了西南地区重庆、贵州代表煤矿晚二叠世煤的煤岩学、元素和有机地球化学特征，分析了微量元素的赋存和富集成因，探讨了与有机质之间的关系。.结合X-射线衍射、偏光显微镜和能谱-扫描电镜等，对煤岩组分和煤中伴生矿物进行分析。中梁山和松河煤样为中高阶烟煤，其余煤样为中阶烟煤。煤岩组分以镜质组和惰质组为主，贫壳质组较少或未观测到。煤样矿物组成主要有高岭石、黄铁矿、方解石、石英，另有微量金红石、磷灰石和石膏等。. 使用X-射线荧光对煤中常量元素进行测定，常量元素以SiO2和Al2O3为主。中梁山和磨心坡煤中TiO2和P2O5的含量分别高于中国值，与煤中观测到金红石和磷灰石存在相一致；其余各常量元素氧化物的含量低于中国值。根据Al2O3/TiO2值，中梁山煤中无机组分主要来源于峨眉山玄武岩的中性岩浆岩，其余煤中主要以长英质岩浆岩为主。. 利用电感耦合等离子体质谱等测定煤中微量元素，发现中梁山煤中Cr富集，Li、Sc、V、Co、Zn、Sr、Mo、Ag和U轻度富集；磨心坡煤中Ag和Sc富集，Li、Be、Cr、Ga、As、Cd、In和Pb轻度富集；月亮田煤中Pb轻度富集；松河、火烧铺和金佳煤中As、Co元素富集，Cu、Zn、Pb等元素轻度富集。磨心坡和金佳煤中稀土元素含量较高，磷钇石和氟碳铈石的发现为稀土元素的富集提供了佐证，其余煤矿煤中稀土元素含量处于正常水平；各煤矿煤样中稀土元素的富集类型不一。. 利用气相色谱、色谱-质谱联用仪，对煤样经索式抽提、族组分分离后得到的饱和烃和芳香烃组分特征进行有机地球化学分析。结果表明，煤样成煤母质以陆相高等植物为主，伴有海相低等生物的输入；煤样成熟度和有机质受到热演化的作用较高；芳香烃以萘系和菲系为主，次是联苯、芴系、硫芴系和氧芴系，其他烃系化合物含量相对较小；中梁山和磨心坡煤层偏还原环境，月亮田、松河和火烧铺煤层为弱还原环境，金佳煤层为强还原成煤环境。.最后结合相关性分析和逐级化学提取实验，对煤中代表性富集元素Li、Cr、As和Co的赋存状态进行研究；同时对煤中微量元素和有机质的关系进行了探讨。. 研究成果有助于完善对西南地区晚二叠世煤成煤特征、煤有机地球化学和元素地球化学性质的认识，为该区域煤炭利用过程中有害微量元素的环境效应和煤中有价元素作为共伴生矿产资源可能性评估提供科学依据。