鄂尔多斯盆地侏罗系煤中稀土元素特征及其在煤风化过程中的迁移规律研究

Subject to samples and other constraints, few researchers studied the characteristic of rare earth elements in Jurassic coal from the Ordos Basin and their mobility associated with natural weathering. The preliminary study of the applicant revealed that the rare earth elements, which are generally considered highly stable during the geological processes, have relative HREE depletion in Jurassic coal of the Ordos Basin during the natural weathering. The several coal outcrops and profiles found in the Ordos Basin, with varying degrees of weathering, provides good research materials for the study on the mobility of rare earth elements in coal during natural weathering. Besides, the investigations of the controlling factors on REE distribution and the occurrence characteristics of rare earth elements in the Jurassic coal from the Ordos Basin are far from enough, resulting in the difficulties of understanding the unexplained abnormities of REE. This research is planned to conduct mainly through the use of basic principles and methods of trace element geochemistry, combined together with multiple statistical analysis, electron probe analysis, scanning electron microscopy (SEM) analysis and stepwise chemical extractor analysis. The aims of this research are to investigate the distribution and occurrence characteristics of rare earth elements in the Ordos Basin, and also to reveal the controlling factors on REE distribution. On this basis, select typical profiles and compare the distribution characteristics of rare earth elements in coals with varying degrees of weathering, then reveal the migration mechanics of rare earth elements during the weathering process.

受样品等条件限制，国内外对煤风化过程中稀土元素迁移活动规律的研究几乎空白，申请者初步研究发现，通常被认为稳定的稀土元素，在鄂尔多斯侏罗系的风化煤中却具有重稀土相对亏损的特征。鄂尔多斯盆地所发现的多个具有不同程度风化煤的露头和剖面，为研究风化过程中稀土元素迁移规律提供了良好的研究素材。此外，对鄂尔多斯盆地侏罗系煤中稀土元素分布的控制因素以及煤中稀土元素赋存特征的认识还很欠缺，致使对部分煤中稀土元素异常难以解释。本课题拟以元素地球化学方法为主，辅助多元统计分析、电子探针、扫描电镜和逐级化学提取法等手段，研究鄂尔多斯盆地侏罗系煤中稀土元素的分布特征和赋存特征，阐明煤中稀土元素分布特征的控制因素。在此基础上选取典型剖面，对比不同程度风化煤中稀土元素的分布特征，揭示煤中稀土元素在风化过程中的迁移规律和迁移机制。

对鄂尔多斯盆地东胜-神木地区直罗组和延安组的70多个新鲜煤、风化煤以及碳质泥岩进行了显微组分统计、工业分析和元素分析、XRD测试、扫描电镜、常量元素、微量元素与稀土元素测试、逐步提取实验等测试与实验，取得成果如下：①揭示了煤的显微组分特征。镜质组是最常见显微组分，其次为惰质组，平均含量分别为61.07%、38.68%。②揭示了煤质特征和有机元素组成特征。延安组煤中的Mad、Vd、Vdaf比直罗组中的低，FCdaf则较高。说明延安组煤的成熟度较高；直罗组煤沉积时，陆源碎屑物的供给更为充足。③揭示了煤中矿物的种类、含量、形态及成分特征。煤中矿物以高岭石、石英为主，此外还有少量方解石、蒙脱石等矿物，其赋存形态多样。④揭示了煤中常量元素特征。从延安组直罗组，SiO2含量增加；延安组煤中K2O含量较低，而TFe2O3则较高。这些差异性主要受成煤环境条件、环境气候条件和有机质的量等因素的控制。⑤揭示了煤中微量元素特征。Cs、Sr、Rb、Ba与K2O、SiO2和Al2O3具有中等到强的相关关系，指示这些元素与粘土矿物、石英、长石关系密切。HFSE与TiO2具有良好的相关性，指示这些元素可能都富集在重矿物中。LREE与Li和Co具有好的正相关关系，HREE与Sr、Ba、Th、Pb、U、Be和Y具有好的正相关关系。煤中的微量元素可以聚合成5组。⑥采用逐步提取法实验揭示了煤中稀土元素的赋存状态。稀土元素以无机矿物赋存状态为主，其中硅铝化合物结合态占绝对优势。随着原子序数的递增，部分样品的硅铝化合物结合态的含量逐渐减少，而碳酸盐结合态和有机态则增加。LREE倾向于富集于硅铝化合物中，而HREE倾向于富集于有机质和碳酸盐矿物中。⑦揭示了风化作用对煤显微煤岩组成、煤质、元素组成、矿物组成的影响。风化作用会使得煤中的镜质组含量减少，惰质组含量升高，碳元素含量减少，同时煤中的水分和挥发分产率降低，灰分产率增大，固定碳含量减少，无机矿物成分增加。⑧揭示了煤中REE在风化过程中的迁移规律。煤中的碎屑物质和泥岩具有相似的碎屑物源区：主要为酸性岩石，有一定量的基性岩石。相比于泥岩，部分煤中的HREE更为富集。风化过程可以导致煤中REE的分馏。风化煤显示出明显的LREE富集、HREE亏损特征，从La到Lu，质量改变系数逐渐减小，说明风化过程通过偏向地移动HREE和富集LREE导致煤中REE的活动和分馏。