鄂尔多斯盆地西部宁东煤田Li、REEY及Ga的物源与富集机制——锆石U-Pb年代学、LA-ICP-MS元素面分布与矿物学制约

《International Journal of Coal Geology》：Provenance and enrichment mechanisms of Li, REY, and Ga in the Ningdong Coalfield, western Ordos Basin: Constraints from zircon U–Pb geochronology, LA-ICP-MS elemental mapping, and mineralogy

　　

•碱性火山碎屑物质输入是宁东煤中锂、REY、镓及其他关键金属的主要来源。
•锂赋存于由火山灰原位蚀变形成的含钛蠕虫状高岭石中。
•REY 富集于富磷煤层中的自生磷铝石内。
•早期成岩作用期间的酸性淋滤控制了关键金属的再分配和富集。
•煤灰中的 Li2O、REO 和 Ga 含量局部接近或超过工业品位。

**引言**

全球向低碳能源系统和先进制造转型，引发了对关键金属需求的空前激增，特别是锂 (Li)、稀土元素和钇 (REY；此处指十四种镧系元素加钇，排除 Sc，遵循 Seredin 和 Dai, 2012 的定义)，以及镓 (Ga)，它们是可充电电池、永磁体、半导体和高性能电子设备不可或缺的原料 (Querol et al., 1997; Seredin & Finkelman, 2008; Hower et al., 2016; Benson et al., 2017; Yu et al., 2021; Fan et al., 2023; Mororó et al., 2024; Guo and Liu, 2025; Watts, 2025)。然而，这些元素的供应链日益易受地缘政治紧张局势和资源集中的影响，从而加剧了对能够补充传统矿床的非常规资源的搜寻 (Seredin & Finkelman, 2008; Yu et al., 2021; Fan et al., 2023)。在此背景下，煤炭及含煤地层已成为关键金属的有前景的非常规来源 (Dai et al., 2024)。

煤系关键金属矿床定义为关键元素浓度显著超过全球煤平均值的煤或含煤地层 (Dai et al., 2025)，并表现出潜在的经济意义 (Seredin and Finkelman, 2008; Dai and Finkelman, 2018)。在过去几十年中，广泛的研究表明，Li、Ga、REY 及其他战略元素在主要产煤国的煤床中存在具有经济意义的富集，特别是中国、俄罗斯和美国，从而极大地扩展了煤炭作为传统能源商品之外的资源意义 (Dai et al., 2011, Dai et al., 2016, Dai et al., 2017, Dai et al., 2020, Dai et al., 2021; Dai et al., 2023; Dai and Finkelman, 2018; Finkelman et al., 2019; Hower et al., 1999, Hower et al., 2016; Li et al., 2016, Li et al., 2019, Li et al., 2020; Seredin and Finkelman, 2008; Seredin and Dai, 2012; Yang et al., 2024; Zhuang et al., 2000)。因此，煤系关键金属矿床正引起越来越多的关注，因为它们为控制含煤系统中关键金属富集的过程提供了新的见解，并代表了一种潜在重要的非常规资源 (Dai et al., 2024)。

先前的研究提出了几种富集机制，包括火山碎屑物质的同沉积输入、热液流体活动、陆源碎屑供给、地下水淋滤和低温成岩再分配 (Dai et al., 2017, Dai et al., 2020; Finkelman et al., 2018; Spears and Kanaris-Sotiriou, 1979)。虽然煤中关键元素的富集传统上主要归因于无机过程，但成煤植物的生物吸收越来越被认为是一种潜在途径，用于某些微量和关键元素（特别是 Ni、Ge 和 REY）的赋存及随后的有机质结合 (Hower et al., 2024, Hower et al., 2025, Hower et al., 2026a, Hower et al., 2026b; Zhao et al., 2026)。在这些机制中，火山灰输入被广泛认为是控制含煤层序中关键金属富集的主要因素之一，因为火山物质通常含有升高的亲石元素和高场强元素 (HFSEs) 浓度 (Spears, 2012; Dai et al., 2017)。在蚀变过程中，火山灰可能向成煤环境释放大量关键金属，从而促进其在煤层及相关非煤岩性中的富集。

中国北部的鄂尔多斯盆地被认为是全球重要的煤系关键元素地区 (Jiu et al., 2023, Jiu et al., 2025; Seredin and Dai, 2012; Song et al., 2025; Sun et al., 2023)。广泛的研究，特别是在其东北缘，揭示了石炭 - 二叠纪煤田中 Ga、Li 和 REY 的显著富集，其中君泰煤田作为超富集区的典型例子 (Dai et al., 2008, Dai et al., 2015a; Hao et al., 2025a; Jiu et al., 2023; Qin et al., 2015, Qin et al., 2020)。其中一些煤层的 Li2O 含量高达 0.8%，稀土氧化物资源估计总计数百万吨 (Seredin and Dai, 2012; Zhao et al., 2022; Dai et al., 2024)。微分析研究表明，Li 主要赋存于黏土矿物中，而 REY 既存在于独立的磷酸盐相中，也与有机质结合 (Dai et al., 2008; Jiu et al., 2023, Jiu et al., 2024)。同样，鄂尔多斯盆内的其他煤田，包括黄龙 (Shao et al., 2018; Zhao et al., 2012, Zhao et al., 2014)、渭北 (Wang and Wang, 2018; Wang et al., 2011; Wen et al., 2024) 和河东煤田 (Wang and Wang, 2018; Xu et al., 2025; Zhang et al., 2025a) 也表现出关键元素的富集。总之，这些发现强调了该地区煤系关键金属矿床相当大的资源潜力。

宁东矿区位于鄂尔多斯盆地西缘，拥有丰富的晚石炭世 - 早二叠世煤炭资源，近期因几种关键元素（特别是锂 (Li) 和稀土元素和钇 (REY)）的异常富集而受到越来越多的关注 (Sun et al., 2024; Wu et al., 2024)。先前的研究 (例如 Wu et al., 2024) 使用了整体地球化学指标，如 Al2O3/TiO2 比值和 REY 分布模式，来推断主要为长英质物源。然而，这些方法在区分同沉积火山灰输入和碎屑陆源贡献方面具有内在局限性，并且在缺乏独立的年代学约束的情况下，提出的物源区在很大程度上仍是推测性的。此外，对关键金属赋存形式的解释主要依赖于基于相关性的地球化学推断，而不是直接的矿物学或微分析证据。总之，这些局限性阻碍了对造成该地区含煤序列中关键金属富集的富集过程和成矿机制的全面理解。

在本研究中，我们结合锆石 U-Pb 测年、锆石微量元素地球化学、序列化学提取 (SCE)、扫描电子显微镜 - 能谱仪 (SEM-EDS) 矿物学表征、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱 (LA-ICP-MS) 元素映射、X 射线衍射 (XRD) 和全岩地球化学分析，研究了宁东矿区的 5 号、9S 号和 9 号煤。本研究的主要目标是：(1) 限定沉积物物源；(2) 确定关键元素的矿物载体；(3) 阐明碱性火山灰在关键元素富集中的作用；以及 (4) 建立宁东矿区关键金属富集和成矿的成因模型。结果不仅为火山碎屑物质输入和早期成岩流体活动对关键元素富集的耦合效应提供了新的见解，也有助于更广泛地理解关键元素的资源潜力和富集机制。

**章节片段**

**区域构造背景**
鄂尔多斯盆地是一个覆盖约 370,000 平方公里的大型多旋回叠加克拉通盆地，位于华北地块 (NCB)、阿拉善地块、祁连造山带和秦岭造山带的构造交汇处 (Fig. 1A, B) (Xu et al., 2018)。结构上，该盆地通常划分为六个一级构造单元：伊盟隆起、西部折叠推覆带、天环坳陷、宜川斜坡、晋西挠折带和渭北隆起 (Fig. 1C) (Yang et al., 2005)。

**样品采集与制备**
总共从鄂尔多斯盆地西部的宁东矿区任家庄煤矿采集了 34 个样品。其中，5 号煤获得了 11 个煤样和 3 个非煤样；9S 号煤获得了 6 个煤样和 2 个非煤样；9 号煤获得了 8 个煤样和 4 个非煤样 (Fig. 2)。采集后立即将所有样品密封在气密聚乙烯袋中，以尽量减少污染和氧化。每个样品的一部分...

**煤岩学、化学分析及镜质体反射率**
5 号、9S 号和 9 号煤的工业分析结果总结于表 S4。这三个煤层的特征均为低水分含量，平均值分别为 2.74%、3.24% 和 2.18%。根据中国国家标准 GB/T 15224.1-2018，5 号和 9 号煤表现出中至高灰分产率 (平均值分别为 26.64% 和 27.02%)，而 9S 号煤的特征为低灰分产率 (平均值 11.65%) (表 S4)。硫含量在各...

**碎屑锆石的物质来源**
先前的研究确定了几个在石炭 - 二叠纪期间可能向鄂尔多斯盆地西部提供沉积物的潜在物源区，包括阿拉善地块、中亚造山带 (CAOB)、北秦岭造山带、北祁连造山带、华北地块基底和古阴山陆块 (Li et al., 2024; Zhang et al., 2015, Zhang et al., 2023; Zheng et al., 2022)。Wang et al. (2024) 的古流向数据，以及 Bai et al. (2007) 和...

**结论**

(1) 宁东矿区的 5 号、9S 号和 9 号煤被归类为高挥发分烟煤，矿物学上以高岭石为主，磷铝石出现在富磷层中。与全球煤平均浓度相比，5 号和 9 号煤中的 Li 和 REY 显著富集，而 9S 号煤未表现出相当的富集。在富磷层中，煤灰中的 REO 浓度达到 5093.45 μg/g (RJZ5-9C) 和 2229.39 μg/g (RJZ9-11C)，突显了...

**CRediT 作者贡献声明**

Qi Zhang: 撰写 - 原稿，方法论，调查，概念化。Yajie Guo: 撰写 - 审稿与编辑，验证，方法论。Wencheng Huang: 撰写 - 审稿与编辑，验证，形式分析。Baoqing Li: 撰写 - 审稿与编辑，资源，项目管理，数据管理，概念化。Pengcheng Huang: 资源，调查。Feifei Cai: 资源，调查。Xiaoyan Ji: 资源，调查。Xinguo Zhuang: 资源，调查。Jijun Tian:

**未引用参考文献**

Dai et al., 2018
Enciso-Cárdenas et al., 2025
GB/T 15224.1-2018, 2018
GB/T 16773-2008, 2008
Wen et al., 2019
Zhuang et al., 2006

**利益冲突声明**

作者声明没有已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

本研究由国家重点研发计划 (编号：2021YFC2902005) 和国家自然科学基金委员会 (编号：42272207) 资助。作者衷心感谢宁夏回族自治区煤田地质局在采样期间提供的协助。我们真诚感谢主编戴世峰教授以及审稿人维克托·涅恰耶夫教授、詹姆斯·C·豪厄教授和匿名审稿人的建设性评论...

Qi Zhang|Yajie Guo|Wencheng Huang|Baoqing Li|Pengcheng Huang|Feifei Cai|Xiaoyan Ji|Xinguo Zhuang|Jijun Tian|Yunfei Shangguan|Yingchun He|Xiaomei Wang|Jing Li|Xavier Querol|Patricia Córdoba