华北聚煤盆地南缘岩浆侵蚀区煤岩接触剖面上汞同位素分馏规律的研究

Mercury stable isotopes have been recently used to trace the biogeochemical origins of Hg in coal deposits. It is crucial to constrain the mercury isotope fractionation in coal associated with various geological processes in coal basins. A preliminary study of the applicant found that the coal-metamorphosed natural coke in magmatic intrusion zone showed obvious mercury isotope excursion relative to normal coal, indicating that magmatic intrusion into coal seams could significantly fractionate Hg isotopes in intruded coal. This phenomenon deserves a systematic and in-depth study. This project plans to sample the typical magmatic rock-coal contact profiles with different magmatic intrusion modes from the magmatic intrusion zone within Huainan and Huaibei Coalfield at south margin of North China coal basin. In addition to the traditional coal geochemical parameters (e.g., proximate and ultimate analysis, mineralogy and coal structure), this project will measure the total and speciated mercury isotope composition in intrusion rock, natural coke, intruded coal, non-intruded coal and surrounding rocks (i.e., coal roof and floor rocks and coal rock partings), with an aim of characterizing the mercury isotope fractionation patterns in magmatic rock-coal contact profile and understanding the relationships between Hg isotope composition and coal rank, structure and major components. This project will illuminate the effects of material inputs (magmatic hydrothermal fluids and secondary hydrothermal fluids) and geochemical processes (volatilization, diffusion, adsorption and rock leaching) during magmatic intrusion on mercury isotope composition of intruded coal. It is of great significance in extending mercury isotope fractionation theory in coal deposits, and in developing mercury isotope tracing methods for Hg cycles in sedimentary basins.

稳定汞同位素最近开始被用来研究煤中汞的生物地球化学成因，这种应用需考虑各个地质过程对煤中汞同位素所造成的分馏。申请人前期的研究发现岩浆侵蚀区由煤相变的天然焦相对于正常变质煤表现出明显的汞同位素异常，表明岩浆侵入显著影响了侵蚀煤的汞同位素组成，值得系统深入的研究。本课题以华北聚煤盆地南缘岩浆侵蚀区的两淮（淮南、淮北）煤田为研究对象，采集不同岩浆侵入模式的煤岩剖面样品，在传统地球化学分析的基础上，测试侵入岩、天然焦、岩浆热变质煤、正常变质煤以及围岩（煤层顶底板及夹矸）的总汞及不同结合态汞的同位素组成，查清煤岩接触面上汞同位素分馏规律以及煤变质程度、结构和主要组份与汞同位素之间的关系。该研究旨在阐明侵入岩浆所输入的物质（岩浆热液、次生热液）及所引起的地球化学过程（挥发、扩散、吸附、淋滤）对侵蚀煤汞同位素组成的影响机理，有助于完善煤中汞同位素分馏理论和拓展汞同位素在沉积盆地汞循环示踪方面的应用。

汞是地球化学敏感元素，常被用来示踪沉积盆地所经历的演变过程与地质改造历史。最近发展的汞稳定同位素技术为应用汞研究上述问题提供了新的视角，但是汞同位素在地质过程中的分馏规律还不清晰。本项目以岩浆影响煤层为研究对象，通过系统采集华北聚煤盆地岩浆侵蚀区的接触变质煤剖面样品（侵入岩、天然焦、岩浆热变质煤、正常变质煤、顶底板围岩及夹矸）以及低温热液侵入煤剖面样品，分析其汞含量、汞同位素组成以及岩石学、矿物学以及元素地球化学参数，以查清煤岩接触面上汞同位素分馏规律与岩浆侵入模式、煤变质程度和主要组份之间的关系。对于岩浆接触变质过程，研究发现：1）岩浆在从深部向上侵入煤层的过程中，可能混染了大量的地壳物质，使其汞含量显著富集且主要富集轻的汞同位素；2）岩浆侵入煤层后，岩浆热液所带来的高温高压均一化了短距离岩浆-煤层接触面的汞同位素组成，使得结晶岩浆岩与受岩浆直接影响煤层的汞同位素趋于一致；3）距离岩浆侵入剖面较远的煤层与大气降水的汞同位素组成相似，表明这些煤层受到了岩浆加热的地下水淋滤的影响。对于岩浆非接触过程，研究发现：1）浅层岩浆入侵通过加热近表层水体形成低温热液，而低温热液通过反复淋滤围岩能够显著富集汞；2）富集汞的低温热液能够分几个阶段侵入沉积后的煤层：其中原始热液基本上保持了原岩的汞同位素特征，具有非常小的非质量分馏值，而后期次生热液显著富集轻的汞同位素并且具有非常明显的非质量分馏值；3）沉积煤层的汞可以用具有不同汞同位素特征的三个端元解释：原始热液、次生热液、原始成煤物质。通过上述两个方面的研究，本项目系统阐明了岩浆输入物质（岩浆热液、低温热液）及岩浆侵入所带来的温压梯度对煤层汞同位素影响的确切地球化学机制。这对于完善成煤盆地的汞同位素分馏理论以及拓展汞同位素在沉积盆地汞循环示踪方面的应用具有重要参考价值。