新疆伊犁盆地侏罗纪煤中铼、铀、钽的富集——来自矿物学和地球化学的证据

《Scientific Reports》：Enrichment of rhenium, uranium and tantalum in jurassic coal from yili basin, xinjiang - evidence from mineralogy and geochemistry

　　

在这项研究中，研究人员对伊犁盆地早-中侏罗世No.12煤进行了详细的地球化学和矿物学研究。结果表明：（a）伊犁盆地南部No.12煤表现出Re（394.02ng/g）、U（285.99μg/g）和Ta（120.51μg/g）的超高度富集（100<浓度系数，CC）；Mo（29.11μg/g）、Se（28.51μg/g）和Hf（12.54μg/g）的高度富集（10全球矿产资源日益短缺，国际竞争越来越聚焦于关键金属的掌控。随着传统内生关键金属资源逐渐枯竭，煤中伴生的外生关键金属有望成为重要的新来源。近年来，在世界范围内已在煤中发现大量关键金属，如稀土元素（REE）、锂（Li）、镓（Ga）、锗（Ge）、铀（U）、铼（Re）、硒（Se）、钼（Mo）、铌（Nb）、钽（Ta）、锆（Zr）和铪（Hf）等，部分含量甚至超过工业品位。中国新疆维吾尔自治区是西部最重要的煤炭生产基地，预测煤炭资源量约2.19万亿吨，占全国预测总量的40%左右；且新疆部分地区煤中关键金属含量可高达10000ppm，Re、Se等也相当富集。然而，这些关键金属元素在煤中的赋存状态较为复杂，仍存在模糊性。例如，U在煤中既有无机亲和性又有有机亲和性，Re也具有强有机亲和性，但也可赋存于粘土矿物、碳酸盐矿物和次生硫酸盐中；Se同样被认为具有有机亲和性，并可替代煤中的硫与有机质结合。另一方面，上述金属在煤中的富集机制认识尚不统一，严重制约了煤与关键金属的联合开发利用及其环境影响。为此，研究人员对伊犁盆地红海沟煤田No.12煤开展了详细的地球化学和矿物学研究，以查明异常元素富集的可能控制因素。该研究发表于《Scientific Reports》。

研究人员从伊犁盆地南部红海沟煤田4个钻孔中系统采集了27个样品，包括17个煤样、1个夹矸样、6个顶板样和4个底板样。分析采用的主要技术方法包括：X射线衍射（XRD）和扫描电镜-能谱（SEM-EDS）用于矿物鉴定；X射线荧光（XRF）用于主量元素氧化物测定；电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）结合原子荧光光度计、平面光栅摄谱仪和离子计用于测定35种微量元素；依据ICCP标准进行煤岩学分析；运用聚类分析和因子分析揭示元素共生组合和赋存状态。样本采集严格遵循中国国标GB/T482-2008和GB/T19222-2003，并按10cm间隔连续取样。

**Coal quality and maceral composition（煤质与显微组成）**：通过对11个煤样的工业分析和全硫测定，以及2个煤样的镜质组随机反射率（R_r）测定，发现No.12煤的平均灰分产率（A_d）为36.26%，挥发分（V_daf）为40.24%，全硫（S_t）为1.99%，R_r为0.80%和0.75%，表明该煤为高灰、中硫、高挥发分烟煤。煤岩学分析显示，全岩基惰质组含量为29.97%–62.64%（平均43.87%），以丝质体和惰质碎屑体为主；镜质组含量为22.36%–48.95%（平均35.46%），以结构镜质体和碎屑镜质体为主；壳质组极少；矿物含量较高（平均20.55%）。无矿物基时，大多数样品惰质组含量超过50%，且自上而下减少，镜质组含量则呈相反趋势。

**Geochemistry（地球化学）**：主量元素分析表明，No.12煤中主要氧化物为SiO₂（19.83%），其次为Al₂O₃（6.43%）、CaO（3.56%）和Fe₂O₃（2.17%）。与中国煤平均值相比，K₂O、CaO、SiO₂和MgO相对富集，Fe₂O₃轻度亏损。微量元素分析显示，与世界高挥发分烟煤平均值相比，Re（浓度系数CC=394.02）、U（285.99）和Ta（120.51）为异常富集；Mo（29.11）、Se（28.51）和Hf（12.54）为高度富集；Zn和Be为富集；Cs、Rb、Cr、V、Co、Ni、W、Pb、Ge、Cd、F、Cu、Tl、In、Ga、Sb、Zr、Sc和Th为轻度富集；As、Nb、Li、Hg、Ba、Sr和B为正常；Bi为亏损。R型聚类分析在相似距离12.5水平上得到6个元素组合，因子分析得到4个主因子，共解释91%的总方差。结果表明，U、Re、Se、Ta、Hf等元素主要受氧化还原敏感的高价元素和硫亲和元素控制，而Mo未显示明显的亲硫或亲石倾向，也未检测到含Mo矿物，可能主要以有机结合态存在。稀土元素和钇（REY）分析显示，相对于世界低阶煤，所有REY均富集，多数元素CC介于2–5，以Y和Er富集程度最高；经上地壳标准化后，配分模式平坦至略右倾，无明显Eu或Ce异常，指示物源以长英质上地壳为主。

**Minerals（矿物）**：通过光学显微镜、XRD和SEM-EDS鉴定，No.12煤中最常见的矿物为石英、高岭石和黄铁矿，另有石膏。在U超高度富集（含量大于1000μg/g）的煤样中，识别出金红石、独居石、重晶石、硒铅矿、铁硒矿、磁黄铁矿、铀石、沥青铀矿、闪锌矿和铁硫酸盐等罕见矿物。SEM-EDS显示，独居石呈亚圆形颗粒，与粘土矿物伴生，富含Ce、La、Nd等轻稀土，可能来自物源区的岩浆岩；重晶石结晶差，呈团块状或结核状嵌入有机质，并伴生铁硫酸盐，指示低温热液流体作用；硒铅矿呈细粒集合体与粘土矿物伴生，Se/Pb原子比为1.21；铁硒矿呈块状或短柱状嵌入有机质，Se/Fe原子比为2.19；闪锌矿结晶差，与铀石伴生；沥青铀矿呈球粒状或粒状分布于有机质中，不含Pb、Th。

研究人员在讨论部分围绕赋存状态、物源、沉积环境与矿物控制及开发潜力四个方面展开。微量元素统计与矿物学证据表明，U、Re、Se等元素在煤中具有有机和无机双重亲和性，高场强元素U、Ta、Hf的共富集与中酸性火成岩碎屑输入有关，Mo主要赋存于有机质。石英颗粒呈棱角状、分选差，指示近源陆源成因；高岭石保留长石短柱状假象，进一步证实了陆源碎屑来源。TiO₂/Al₂O₃比值（0.005–0.073，平均0.043）以及REY配分特征（LREE/HREE高值、Th/U高值、Gd_N/Yb_N与La_N/Yb_N正相关）共同表明物源区以长英质上地壳岩石为主。沉积背景上，三角洲平原-前缘分流河道体系为含U氧化水的运移提供了通道，盆地边缘单斜构造为其持续流入盆地提供了势能，使得铀矿化持续至今。因此，煤中U等元素的富集主要为后生成因，含U热液流体可能主要来自源区含U浅层地下水。开发潜力评价显示，伊犁盆地南部No.12煤中U、Re和Ta达到可利用品位，北部皮里青煤田部分样品中Ga和Zr达到可利用品位，这与物源区母岩继承及含U氧化水渗入有关。

研究结论如下：（1）红海沟煤田No.12煤中发现U、Re和Ta的超高度富集，以及Se、Mo和Hf的高度富集。在16个煤样中，U、Re、Ta、Se、Mo、Hf的CC大于10的样品数分别为7、11、9、6、10和7。此外，上述元素的高值主要分布在煤层上部。（2）No.12煤中最常见的矿物是石英、高岭石和黄铁矿。而在超高度富铀煤中（尤其是铀含量大于1000μg/g，如ZkL2916-2），观察到一些不常见矿物，如硒铅矿、铁硒矿、铀石、沥青铀矿和铁硫酸盐。（3）No.12煤中U-Re-Se-Mo-Ta-Hf的富集可能归因于含U氧化溶液（主要是含U浅层水）的渗入和来自物源区的碎屑输入。这可通过铀矿物和硒矿物在煤中的赋存方式得到证实（例如沥青铀矿主要嵌入有机质，而硒铅矿常与粘土矿物伴生）。同时，盆地南部No.12煤中的U、Re和Ta具有开采潜力。

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