南非威特班克煤田煤矸石中关键原材料（Ga、Sr、Zr、Ba）的赋存模式、分布规律与富集机制

本文聚焦南非威特班克煤田煤矸石中关键原材料（CRMs）的赋存与富集机制，通过综合运用热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜-能谱（SEM-EDS）等技术，揭示了石英和高岭石为主导矿物相，并发现Ga、Sr、Zr、Ba等元素在特定矿物载体（如重晶石、锆石）中的富集规律。研究为煤基废弃物资源化（如酸性矿山废水治理）和战略金属回收提供了科学依据，填补了南非煤矸石地球化学研究的空白。

　　

Highlight

煤矸石作为煤炭开采的副产品，其矿物学与微量元素组成不仅揭示地质成煤过程，还为资源增值利用提供关键线索。本研究首次系统解析了威特班克煤田石炭纪至早侏罗世煤矸石中关键原材料（CRMs）的赋存特性，为南非战略金属供应链开发开辟新路径。

Geological setting

威特班克煤田位于南非姆普马兰加省东北部，地质背景以赛伦河组（Selon River Formation）的火山岩-沉积岩序列为特征，上覆含煤岩系受淡水沉积环境与火山灰输入共同影响，为CRMs富集提供了独特的地球化学场。

Sampling

研究采用系统钻探法在1500m×500m的尾矿储存设施（STF）中采集14个钻孔样品，覆盖不同风化程度的煤矸石层位，为揭示元素垂向分异规律奠定基础。

Coal discard quality

样品理化性质显示，随深度增加，灰分产率（A）呈上升趋势，固定碳（FC）含量则与有机质矿化程度相关，反映成岩作用对煤矸石品质的调控。

Vertical distribution of Major oxides and Ga, Sr, Zr and Ba

元素垂向分布图谱揭示：浅层煤矸石因风化淋滤作用导致元素迁移，而深层样品中Ga（与高岭石/有机质结合）、Sr/Ba（富集于重晶石）及Zr（以锆石颗粒形式存在）呈现原生富集特征。TiO₂/Al₂O₃比值等地球化学指标印证了火山灰输入对沉积环境的改造。

Conclusion

本研究阐明煤矸石中CRMs的赋存载体与富集机制，其含有的酸中和矿物（如碳酸盐）可应用于酸性矿山排水（AMD）治理，而Ga、Zr等战略金属的工业级富集为南非资源安全提供了替代供给方案。