低阶煤水热模拟中关键金属元素的动态迁移机制：以鄂尔多斯盆地河东煤田为例

为解决煤系关键金属元素迁移机制不明的问题，研究人员通过大水量大样量（1.5 mL水:1 mL煤）水热模拟实验（250℃~550℃），系统揭示了Li、V、Ga等8种有价值微量元素（VTEs）的迁移规律。研究发现温度与水分阶段调控元素释放，并构建了基于随机森林算法的元素含量预测模型，为煤系金属资源勘探与综合利用提供了理论依据。

　　

煤炭资源中蕴含的关键金属元素如同埋藏在地层中的"工业维生素"，其迁移与富集规律一直是能源地质领域的未解之谜。传统研究多聚焦于区域元素分布特征，却忽视了地质演化过程中温度、水介质等动态因素对微量元素（VTEs）行为的调控作用。尤其对于低阶煤而言，金属元素如何在热力-水力耦合作用下发生迁移转化？这一问题的答案不仅关乎煤系金属矿床成因机制，更直接影响"煤-金属"协同开采技术的开发。

中国石油大学（北京）的Yang Chen、Shuheng Tang等学者选择鄂尔多斯盆地河东煤场的低阶烟煤作为研究对象，在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表的研究中创新性地采用大比例水煤体系（1.5:1）开展阶梯式水热模拟实验（250-550℃，50℃间隔）。通过结合X射线衍射、扫描电镜等分析技术，系统追踪了Li、Sr、V、Ga、Zr、Hf、Th及稀土元素（REY）等8种战略金属在不同温压条件下的迁移轨迹，并首次引入随机森林机器学习算法构建元素含量预测模型。

关键技术方法
研究团队设计封闭式水热反应系统，保持24小时恒温处理；采用ICP-MS测定元素含量，XRD分析矿物相变；基于Python平台构建随机森林回归模型，以温度、矿物组成等16个特征参数预测元素含量。实验样本来自河东煤田二叠系山西组原生煤样。

矿物相变与元素释放
XRD数据显示，黏土矿物中Al的迁移活性显著高于石英中的Si；与有机质结合的Ca、P易转化为气液产物，而Mg、Fe则稳定存在于硫酸盐矿物中。这种矿物相变差异为理解元素载体选择性分解提供了直接证据。

温度-水分区调控机制
在250-400℃区间，温度主导有机结合态元素（Ga、V、Hf等）的释放，这些元素随挥发分进入气相；当温度升至450-550℃时，水分子参与矿物晶格破坏，促使Zr、Th等难溶元素发生水解迁移。研究首次量化了水热协同效应：在500℃含水体系中，REY的迁移效率比干法热解提高42%。

锂元素的特殊行为
铝硅酸盐中的Li表现出独特的两段式迁移：300℃前以离子交换形式优先释放，450℃后因矿物结构坍塌二次富集。这种"释放-再富集"双峰曲线为锂资源靶向提取提供了温度窗口指导。

机器学习预测效能
随机森林模型对Li、V、Sr的预测R²达0.85以上，但对Zr、REY的预测精度受限于小样本量。特征重要性分析揭示，黏土矿物含量和pH值是影响预测准确性的关键参数。

这项研究开创性地建立了煤系金属元素"温度-介质-载体"三元迁移模型，其理论价值体现在三方面：首次证实水分子在高温阶段对矿物结合态元素的活化作用；发现Li等战略金属的非线性富集规律；开发出融合实验数据与机器学习的地球化学过程预测方法。实践层面，该成果为鄂尔多斯盆地煤系伴生锂、稀土资源的选区评价提供了量化指标，推动煤炭从单一能源向"能源-金属"复合资源的转型升级。正如研究者Shuheng Tang指出："理解元素在地质厨房中的'烹饪'过程，才能精准定位那些富含工业味精的煤层位"。