淮南矿务局 [淮南煤中矿物特征与成因分析]

　　摘要：煤中无机成分主要以矿物的形式存在，矿物质作为煤中的组成部分，在煤地质、开发、洗选、燃烧、气液化等方面有十分重要的意义。 运用偏光显微镜、X射线衍射（XRD和能谱扫描电镜（SEM-EDAX）等方法对淮南煤田煤中矿物做了分析。研究表明淮南煤中矿物含量占煤中显微组分的10%左右。常见矿物为硅酸盐矿物，其次为碳酸盐矿物、氧化物矿物及少量硫化物矿物等。硅酸盐矿物中主要为高岭石、伊利石、伊蒙混层等粘土矿物，少见有绿泥石和锆石，偶见钠长石和白榴石；碳酸盐矿物中除了常见的方解石和菱铁矿外，在潘一井田1 048 m的深部，发现了碳酸锶；氧化物矿物主要为石英和金红石，硫化物矿物主要有黄铁矿，磷酸盐矿物大类除磷灰石外，还鉴定出了煤中未曾发现过的磷铝钡石。结合沉积环境分析，硅酸盐矿物、磷酸盐矿物多为陆源碎屑成因，盐类矿物、氧化物矿物和碳酸盐矿物多为自生矿物，伴有铁白云石，石英与方解石的交代现象。
　　关键词：矿物；煤；成因
　　中图分类号：TD167文献标识码：A
　　煤中无机成分主要以矿物的形式存在，矿物质作为煤中的组成部分，在煤地质、开发、洗选、燃烧、气液化等方面有十分重要的意义。煤中矿物的种类、数量和赋存方式是影响煤质的重要因素[1]，同时煤中矿物质也是微量元素赋存的主要载体[2]。研究煤中矿物质在环境方面的意义也愈来愈受到重视。在煤沉积环境以及其它煤地质学的研究中，矿物是地球化学的重要标志。
　　1样品制备与测试
　　本次研究样品19个，分别采自淮南煤田潘集一矿、谢桥矿、顾桥矿、李一矿、新庄孜矿、张集矿、谢李深部等（见表1）。按GB474-1996进行了样品制备。根据GB-T8899-1998规定的程序和要求，采用透反两用偏光显微镜，在干物镜反射光和粉煤光片条件下，鉴定煤中有机组分和矿物的含量与形貌；运用粉末D/Max-RC型X射线衍射（XRD）进行煤中矿物组成和含量测定；运用扫描电镜X射线光电子能谱仪（SEM-EDAX），分别对煤光片和煤的低温灰粉样进行矿物定性和形态观察。
　　本次选取了四个煤样品做了低温灰化处理，以消除煤中有机质，富集无机物，同时能最大限度保存原矿物的特征。灰化处理采用英国EMITECH公司生产的K1050X型等离子体低温灰化仪，在华中科技大学煤燃烧国家重点实验室完成。
　　2淮南煤中矿物种类和含量
　　光学显微镜下观察，淮南煤田煤中矿物总量在煤的显微组分中最高占10%，最低不到5%，主要产出四类矿物，即硅酸盐粘土矿物、碳酸盐矿物、硫化物和氧化物矿物，其中以粘土矿物含量最高（见表1）。由X衍射分析结果（见表2）得出，淮南煤中矿物高岭石含量为矿物总量的70%以上，最高可达85%。氧化物矿物石英占矿物总量的10%左右，碳酸盐矿物方解石在5%左右，仅个别井田中会达到10%，其他矿物含量不到10%。淮南煤中黄铁矿含量极少，仅顾桥井田中黄铁矿含量相对较高，在5%左右。借助扫描电镜X射线光电子能谱仪进一步识别出煤中细小和稀少矿物的种类，包括磷酸盐矿物和卤化物矿物。
　　3淮南煤中矿物特征和成因分析
　　3.1硅酸盐矿物
　　淮南煤中最常见的矿物为粘土矿物。光学显微镜下赋存状态各异（见图1a～f）。①呈条带状和有机质紧密结合，为同生粘土矿物；②充填有机质裂隙的粘土矿物，为后生粘土矿物；③充填有机质胞腔的粘土矿物，图1c和图1d分别为充填半镜质体和半丝质体胞腔中的粘土矿物，这类粘土矿物为煤化作用第一阶段泥炭聚集期和早期成岩作用阶段的产物。
　　a. 潘一井田11-2煤层，条带状粘土矿物，和有机质结合原始沉积，反射光，放大200倍；b. 潘一井田11-2煤层，裂隙充填状粘土矿物，反射光，放大200倍；c. 望峰岗井田13-1煤层，充填结构半镜质体胞腔，反射光，放大200倍；d. 潘一井田1煤层，充填半丝质体空腔的粘土矿物，反射光，放大200倍；e. 望峰岗井田13-1煤层，比裂隙充填成因较早的粘土矿物，反射光，放大200倍；f. 望峰岗井田13-1煤层，矿化丝炭被粘土矿物交代成棒状，反射光，放大200倍。
　　图1煤中粘土矿物
　　高岭石：淮南煤中高岭石含量占优势（见图中的2a～f），占矿物总量的80%左右（见表2）。一般认为高岭石是远离海相沉积的矿物，多为后生成因[4]。在新庄孜井田的8煤层中发现聚集成板状的高岭石与磷灰石等共生。顾桥8煤层中发现有呈透镜体状的高岭石填充与有机质胞腔中，新庄孜和李一井田8煤层中见高岭石和黄铁矿紧密共生；这两种形态高岭石形成阶段与黄铁矿同期，属早期成岩阶段矿物[3]。伊利石：伊利石含量在淮南煤中占矿物总量5%左右多与高岭石等粘土矿物共生。携入泥炭沼泽的碎屑物中的伊利石在沉积成岩作用过程中，受到沼泽水影响很容易蚀变成其它矿物，很可能是导致煤中粘土矿物伊利石含量很少的主要原因。伊蒙混层粘土矿物是由不同比例的伊利石、蒙脱石和绿泥石等规则或者不规则的互层组成[4]，其成因分为自生和碎屑成因两类。通过扫描电镜在谢桥井田的8煤层和顾桥井田1煤层的低温灰样品中发现有伊蒙混层矿物，依据自生混层粘土矿物沉积成岩阶段的衍变方式，淮南煤中伊蒙混层矿物属自生成因的可能性很小，为陆源碎屑物成因的矿物。绿泥石是一种含铁镁的硅酸盐矿物，通过扫描电镜在潘一井田3煤层和顾桥井田的1煤层中发现梭状绿泥石，充填于有机质空隙中（见图2e），属于与成煤原始物质同时堆积的碎屑成因矿物。
　　白榴石和锆石为煤中极少见矿物，本次在潘一煤层930m深的煤样中发现一晶形完好的锆石颗粒（见图2f），煤中锆石一般是由风或水流带入泥炭沼泽，与成煤的原始物质共同堆积而存留至今。
　　a. 顾桥井田13-1煤层，梭状高岭石，填充有机质空隙，扫描电镜，放大851倍；b. 新庄孜井田8煤层，凝结的蠕虫状高岭石，扫描电镜，放大3 650倍；c. 潘一井田13-1煤层，絮状高岭石团块上散步着石英碎屑和黄铁矿颗粒，扫描电镜，放大322倍；d. 望峰岗井田13-1煤层，集结的板状高岭石上散步亮色菱铁矿碎屑，扫描电镜，放大386倍；e. 潘一井田3煤层，充填有机质裂隙的绿泥石，扫描电镜，放大1 030倍；f. 潘一井田13-1煤层锆石颗粒，扫描电镜，放大1 220倍。 　　图2煤中硅酸盐矿物
　　3.2硫化物矿物
　　淮南煤中硫化物矿物仅发现有黄铁矿，但其赋存形态多样（见图3中的a～f）。扫描电镜下可以清晰观察到组成黄铁矿集合体中的单晶结构，包括同生-准生类型莓粒状黄铁矿、晚期成岩阶段的团块状黄铁矿、早期成岩阶段的结核状黄铁矿以及后生的节理裂隙充填状黄铁矿[5]。
　　莓球状黄铁矿：反射光干物镜下黄铁矿多呈圆球形，少数与粘土矿物共生，充填在半丝质体胞腔内。扫描电镜下，莓球是由许多单颗粒黄铁矿组成，颗粒晶形完整，有立方体、八面体和五角十二面体等（见图3的a，b，c）。莓球状黄铁矿因其晶形完整、自形程度高、粒度小，其最早可能形成于同生阶段，定形于准生阶段，属同生-准生类型黄铁矿。
　　团块状黄铁矿：块度较大，表面不均一，形状不规则，部分呈镶嵌状产出于镜质组的条带中。偶有与粘土矿物共生，充填于破碎的细胞空隙中。充填黄铁矿是成岩晚期，由含矿溶液沿空隙渗入并沉淀而成，形成于晚期成岩阶段。
　　黄铁矿充填节理裂隙：该类黄铁矿呈裂隙或者节理状切割煤的有机组分，即为黄铁矿呈脉状切割均质镜质体。属于后生阶段，由地下水渗入或流入裂隙，在还原条件下沉淀形成的产物。
　　3.3碳酸盐矿物
　　淮南煤中常见的碳酸盐矿物主要有方解石、菱铁矿、石膏和铁白云石等（见图4的a～e），本次在潘一井田1 045 m深的煤层中发现有大量的极少见碳酸盐矿物碳酸锶（见图4f）。煤中碳酸盐矿物多为成岩或后生阶段的自生矿物[6]。
　　方解石：煤中常见的自生矿物。扫描电镜下可以观察到方解石的不同赋存形态。如薄层片状结构和板状结构（见图4a，b），方解石和石英、铁白云石等交代结构（见图4c，d）。在埋藏成岩作用过程中，石英和方解石的相互交代现象是很常见的，它们的相互交代作用是环境pH值和温度共同作用的结果：石英和方解石的平衡条件为pH值9.8，温度25 ℃。当pH值大于9.8时，发生方解石交代石英的现象；当pH值在8～9的范围内时，方解石和石英均可沉淀，当pH值小于8时，出现石英交代方解石的现象。图4c中的方解石被石英交代发现于潘一13-1煤层，该煤层位于二叠系上统上石盒子组，沉积环境属弱氧化型的三角洲沉积，沉积体系中溶液pH值小于8，易出现石英交代方解石的现象。
　　a. 顾桥井田，莓粒状黄铁矿，扫描电镜，放大194倍；b. 图a放大，放大2 190倍；c. 图a放大，放大6 290倍；d. 李一井田，与高岭土共生的黄铁矿莓粒，扫描电镜，放大834倍；e. 新庄孜井田，与高岭土共生的结核状黄铁矿，扫描电镜，放大206倍；f. e的放大，放大1 660倍。
　　图3煤中硫化物矿物
　　a. 顾桥井田8煤层，薄层状方解石和石英、菱铁矿共生，扫描电镜，放大350倍；b. 潘一井田13-1煤层，凝结的板状方解石，扫描电镜，放大386倍；c. 潘一井田13-1煤层，方解石和石英发生交代作用，扫描电镜，放大1 580倍；d. 望峰岗井田13-1煤层，铁白云石和方解石发生交代作用，扫描电镜，放大376倍；e. 顾桥井田1煤层，方解石和铁白云石，扫描电镜，放大1 690倍；f. 潘一井田1煤层，碳酸锶充填有机质孔洞，扫描电镜，放大1 250倍。
　　图4煤中碳酸盐矿物
　　铁白云石和菱铁矿：煤中常见的碳酸盐矿物。淮南煤中铁白云石有团块状集合体（见图4e，f），有的和方解石紧密共生（见图4d）。这些铁白云石一般是在成煤晚期成岩阶段自生形成，并且随着成岩作用的加深，晚期的铁白云石趋于交代方解石（见图4d）。菱铁矿通常是泥炭形成阶段的典型同生矿物，大多形成于弱氧化性泥炭沼泽环境，呈结核状或充填有机质裂隙中。
　　碳酸锶：为煤中极少见矿物，本次仅在潘一井田1 045.20～1 048.33 m的深部煤层中发现有大量的碳酸锶矿物充填有机质胞腔中（见图4f）。其形成于受海水影响的还原性泥炭沼泽环境，锶为受海水影响的标志，所以其成因可能为受海水影响沉积的同生矿物[7]。
　　3.4磷酸盐矿物
　　煤中主要的磷酸盐矿物为磷灰石。淮南煤田的新庄孜8煤层中发现有雪花状磷灰石散步在板状高岭石集合体上，这些磷灰石和高岭石的形成时期大概相同，一般是同生沉积的陆源碎屑矿物[8]。
　　本次研究中还在望峰岗13-1煤层中发现了前人从未报道过的矿物磷铝钡石[9]，呈梭状充填于有机质空隙中。自然界磷铝钡石多产于碳质或泥质板岩的石英脉中，而石英脉多为热液成因，所以推断此次发现的磷铝钡石应为陆源物质，同成煤原始物质共同堆积成因的。
　　3.5氧化物矿物
　　淮南煤中的氧化物矿物主要有石英和金红石，石英和金红石是煤中常见矿物，其中石英呈块状或颗粒状散布在高岭石集合体上（见图2c），金红石呈颗粒状同高岭石伴生。块状集合体石英有的与方解石共生（见图4a）有的被方解石交代（见图4c），这些都为自生石英，从泥炭沼泽中的溶液中沉淀形成。而碎屑状石英和颗粒状金红石多是由陆源碎屑成因的同生矿物[10]。
　　3.6煤中其他矿物
　　钾盐：发现于潘一深部903 m处13-1煤层中，有的散布在高岭石集合体上，亦见颗粒完好的氯化钾晶体（见图2f）。在德国、英国和原苏联顿涅茨等地区有些石炭纪煤中钾盐含量很高，是因为煤系上覆的二叠纪盐矿床渗下的氯化物成因。潘一13-1煤层顶底板多为泥岩和砂质泥岩，且所发现钾盐含量极少，呈颗粒状或碎屑状同粘土矿物伴生，应为溶液中沉淀的自生矿物。
　　石膏：本次在低温灰样品谢桥和顾桥井田中发现了石膏，大多为循环于煤或裂隙的水中沉淀的自生矿物。曾有报道石膏发育于煤的风化带，但本次谢桥8煤层的958.3 m处和顾桥1煤层
　　1 071 m处的深部煤层并未有风化带发育，所以样品中石膏并非风化作用产物，而为在煤中沉淀的自生矿物。
　　4结论
　　1） 淮南煤中矿物含量占煤岩组分的10%左右。主要为粘土矿物，占煤中矿物总量的70%以上，其次为氧化物矿物石英，占矿物总量的10%左右，碳酸盐矿物方解石在5%左右，个别井田中会达到10%，其他矿物含量不到10%。顾桥井田中黄铁矿含量最高，在5%左右，其他井田中黄铁矿含量极少。
　　2） 淮南煤中矿物种类丰富。其中硅酸盐矿物最多，除了煤中常见的高岭石、伊利石、伊蒙混层外，还有煤中少见的硅酸盐矿物绿泥石和锆石；碳酸盐矿物除了常见的方解石和菱铁矿外，在潘一井田1 048 m的深部，发现了大量的碳酸锶矿物，碳酸锶为煤中极少见矿物，对潘一深部煤中碳酸锶矿物还有待做进一步研究。淮南煤中氧化物矿物主要为石英和金红石；硫化物矿物只发现有黄铁矿，但产状多样；磷酸盐矿物除了磷灰石外，还鉴定出了煤中未曾发现过的磷铝钡石。其他偶见矿物还有石膏和钾盐等。
　　3） 淮南煤中矿物的盐类矿物、碳酸盐矿物和氧化物矿物多为自生矿物，且氧化物矿物多与碳酸盐矿物伴生。其他硅酸盐矿物、磷酸盐矿物、氧化物矿物等，大部分为同生的陆源碎屑矿物。
　　4） 淮南煤中矿物的结构和产状多样，为研究煤的成因提供了重要依据。有的与有机质紧密共生，有的成条带状充填有机质裂隙，或充填有机质胞腔，其中高岭石就可以作为远离海相沉积的标志。同为硅酸盐矿物的绿泥石，呈条带状充填有机质裂隙，是还原性沉积环境的标志。菱铁矿和铁白云石作为弱还原沉积环境的标志，其赋存状态有块状，有机质裂隙充填状等，碳酸锶矿物充填有机质胞腔中，为受海水影响的重要标志矿物。

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