邯郸煤田岩浆侵蚀区9号煤中黄铁矿赋存特征及成因机制.pdf
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1、邯郸煤田岩浆侵蚀区 9 号煤中黄铁矿赋存特征及成因机制王志勇,田泽奇,郭旭,姚建国,肖林,刘帮军,郭文牧(河北工程大学地球科学与工程学院,河北邯郸056038)摘要:以邯郸煤田受岩浆侵入作用明显的云驾岭煤矿 9 号煤为研究对象,综合运用光学显微镜观察、带能谱的电子探针(EPMA-EDS)、X 射线衍射仪(XRD)、X 射线荧光分光仪(XRF)等多种分析测试方法,分析了 9 号煤中全硫、形态硫的含量以及煤中的矿物富集特征,研究了 9 号煤中全硫及黄铁矿的赋存状态,探讨了 9 号煤中硫的来源,以及不同形态黄铁矿的成因机制。研究结果表明,邯郸煤田云驾岭煤矿 9 号煤为高硫煤,硫元素含量在 0.61%
2、7.12%,其中硫化物硫(含量 1.18%4.90%)为煤中全硫的主要形态,有机硫(含量 0.56%2.16%)次之,硫酸盐硫(含量 0.01%0.06%)含量甚微。云驾岭煤矿 9 号煤沉积于海陆相过渡环境,海水入侵为 9 号煤层提供了丰富硫源,燕山期岩浆岩侵入体引入的气液物质使云驾岭 9 号煤中全硫含量升高,特别是上部煤分层的全硫含量较整个煤层明显升高。云驾岭煤矿 9 号煤中黄铁矿微观赋存形态主要包括块状黄铁矿、浸染状黄铁矿和裂隙充填黄铁矿,具有多阶段演化的特点。块状黄铁矿主要形成于早期成岩阶段,燕山期岩浆岩侵入体带来的高温及其气液物质改造了煤中黄铁矿的形态特征,使煤中黄铁矿发生活化并重新结
3、晶为块状部分。黄铁矿受高温影响部分无机硫扩散至周边煤体中并以有机硫的形式固存,提高了上部煤分层的有机硫含量。关键词:邯郸煤田;岩浆侵入;硫;黄铁矿;成因机制中图分类号:P618.11文献标志码:A文章编号:02532336(2023)08019208Occurrence and genetic mechanism of pyrite in the No.9 coal seam in magmaticerosion area of the Handan coalfieldWANGZhiyong,TIANZeqi,GUOXu,YAOJianguo,XIAOLin,LIUBangjun,GUOWen
4、mu(Department of Geoscience and Engineering,Hebei University of Engineering,Handan 056038,China)Abstract:TheNo.9coalofYunjialingCoalMineinHandanCoalfield,whichissubjecttoobviousmagmaticintrusion,istakenasthere-searchobject.Opticalmicroscopeobservation,electronprobeenergyspectrometry(EPMA-EDS),X-rayd
5、iffractometer(XRD),X-rayfluorescencespectrometry(XRF)andotheranalyticaltestswereusedtoanalyzetheenrichmentcharacteristicsofwholesulfur,sulfurformsandminerals,tostudytheoccurrenceofsulfurandpyriteinthecoals,andtoexplorethesourcesofdifferenttypesofpyrite.Theres-ultsshowthattheNo.9coalofYunjialingCoalM
6、ineinHandanCoalfieldisahigh-sulfurcoal(0.61%7.12%),sulfidesulfuristhemainformofsulfurinthecoal(1.18%4.90%),followedbyorganicsulfur(0.56%2.16%)withalittlesulphatesulfur(0.01%0.06%).TheNo.9coalofYunhailingcoalminewasdepositedinthetransitionalenvironmentofseaandlandphases,andseawaterintrusionprovidedab
7、undantsulfursourcefortheNo.9coalseam,thegas-liquidmaterialsbroughtaboutbyneutralmagmatismduringtheYanshanperiodel-evatethetotalsulfurcontentintheNo.9coaloftheYunjialingCaolMine,especiallythetotalsulfurcontentoftheuppercoalpliesaresignificantlyhigherthanthetotalsulfurcontentofthewholecoalseam.Themicr
8、oscopicoccurrenceofpyriteintheNo.9coalmainlyin-cludesmassivepyrite,disseminatedpyriteandfissure-filledpyrite,andischaracterizedbymulti-stageevolution.Massivepyriteismainly收稿日期:20220226责任编辑:周子博DOI:10.13199/ki.cst.2022-0226基金项目:河北省高等学校科学技术研究资助项目(BJ2021013,QN2021033);山西省应用基础研究面上自然基金资助项目(201801D121031)作
9、者简介:王志勇(1998),男,河南洛阳人,硕士研究生。E-mail:通讯作者:郭文牧(1992),男,河南鹤壁人,讲师。E-mail:第51卷第8期煤炭科学技术Vol.51No.82023年8月CoalScienceandTechnologyAug.2023王志勇,田泽奇,郭旭,等.邯郸煤田岩浆侵蚀区 9 号煤中黄铁矿赋存特征及成因机制J.煤炭科学技术,2023,51(8):192199.WANGZhiyong,TIANZeqi,GUOXu,et al.OccurrenceandgeneticmechanismofpyriteintheNo.9coalseaminmagmaticerosio
10、nareaoftheHandancoalfieldJ.CoalScienceandTechnology,2023,51(8):192199.192formedintheearlydiageneticstage,thehightemperatureandgas-liquidmaterialsbroughtaboutbyneutralmagmatismduringtheYan-shanperiodmodifiedthemorphologyofpyriteinthecoal,resultingintheactivationandrecrystallizationofpyriteinthecoalin
11、toamassivefraction.Inorganicsulfurfromthehigh-temperature-affectedportionofthepyritediffusedintothesurroundingcoalbodyandse-questeredasorganicsulfur,increasingtheorganicsulfurcontentoftheuppercoalplies.Key words:handancoalfield;magmaticintrusion;sulfur;pyrite;geneticmechanism0引言黄铁矿是煤中常见的硫化物矿物,与煤中硫的关
12、系密切1-5。煤燃烧产生硫氧化物是造成酸雨的主要原因6-8,煤中黄铁矿也会引发诸多环境问题9,例如黄铁矿氧化引起的酸性矿山排水问题10,对人与环境的危害不言而喻。BERNE11认为煤中黄铁矿的形成包括 3 个必要条件:SO42、Fe2+和有机质。唐跃刚等12将黄铁矿的演化模式分为 2 种,即直接沉淀黄铁矿成因演化模式和复杂成因黄铁矿的形成模式。刘大锰等13将华北晚古生代煤中的黄铁矿分为 8 种类型,即莓球状、自形粒状、鱼子状、块状、均质球形、其他形状、结节状和裂隙充填,并根据黄铁矿的 S、Fe 含量、S/Fe 原子比例及伴生元素等特征,将黄铁矿的成因分为 4 代:同生准同生期、早成岩期、晚成岩
13、期和后生阶段。在某些情况下,黄铁矿的形态是重叠的,通常自形体通常是莓球状组合的一部分,后者可以被块状黄铁矿覆盖1。本次研究中运用原子吸收分光光度计、X 射线衍射、偏光显微镜及带能谱的电子探针对云驾岭煤矿采集的 9 号煤样品进行测试,分析了 9 号煤中黄铁矿的赋存特征及成因机制,通过对硫化物形态的详细描述,以期更准确地预测各种选煤工艺去除黄铁矿的相对有效性,为邯郸峰峰矿区煤炭的可选性提供理论支持,提高相关产业的经济与环境效益。1地质背景邯郸煤田位于中国河北省西南部,地质上位于华北克拉通中部。代世峰等14对邯郸煤田的地质背景进行了细致描述。云驾岭煤矿位于邯郸煤田西北部(图 1),含煤地层包括石炭系
14、下统本溪组、石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。山西组和太原组是研究区主要的含煤地层,由老到新依次为海陆过渡相沉积环境和陆相沉积环境15-16,地层柱状如图 2所示。01020 km石炭-二叠系图例燕山期正长岩断裂研究区位置城镇中奥陶统寒武系-上奥陶统燕山期闪长-二长岩类1 000 m0F34F32F49F48F22F34F47F46F42F45F43F12-1F51F32F44F12F13F16F4F4F4(a)云驾岭煤矿区域位置(b)云驾岭煤矿断层示意符山涉县北洺河武安西石门永年北部采区中部采区采样点南部采区矿井边界正断层邯郸磁山NN1石炭二叠系;2中奥陶统;3寒武系上奥陶统;4燕山期闪长
15、二长岩类;5燕山期正长岩;6断裂;7研究区位置;8城镇图1云驾岭煤矿区域位置及断层示意(改自张明杰等17)Fig.1RegionallocationmapandfaultofYunjialingcoalmineFaultdiagramofYunjialingCoalMine燕山期岩浆活动对区内石炭二叠纪煤层产生重要影响,岩浆岩似层状侵入 9 号煤层上部,9 号煤层局部顶板为侵入岩浆岩,岩浆热液与煤的高温接触使侵入区煤层的变质程度升高,影响了煤中的矿物王志勇等:邯郸煤田岩浆侵蚀区 9 号煤中黄铁矿赋存特征及成因机制2023年第8期193组成16。侵入岩浆岩岩石类型为蚀变角闪闪长玢岩、闪长岩,多表
16、现为碳酸盐化、绿泥石化和绢云母化。区内断层大量发育,以中小型最为发育,几乎均为正断层,以 NNE 及 NE 向为主;为深部热液上涌提供了通道。2样品采集与测试样品采自云驾岭煤矿 9 号煤,共采集 18 个样品,包括煤样 14 个,夹矸样 2 个,顶板与底板样品各1 个,夹矸样品、顶板样品和底板样品分别用后缀 P、R 和 F 标注。所有采集的样品均用聚乙烯袋包裹,以尽量减少氧化。将样品进行粉碎筛选,筛选为 2 组,分别为1840 目(8.81043.8104m)和200 目(7.4105m)。第一组选用 1840 目样品用于制备粉煤光片,使用自动磨抛机研磨和抛光,达到表面光滑无擦痕后,用于偏光显
17、微镜和电子探针鉴定分析;第二组为 200目的煤样,用于全硫、形态硫的测定以及 XRD 测试。使用偏光显微镜(LeicaDM2500P)在反射光下对矿物进行鉴定并拍照,主要在 10 倍和 20 倍目镜下进行矿物的鉴定。运用电子探针和能谱仪分析煤中矿物的赋存状态,在背散射模式下进行拍照。全硫的测定参照国家标准 GB2141996煤中全硫的测定方法,硫酸盐硫、硫化物硫及有机硫的测定参照国家标准 GB/T2152003煤中各种形态硫的测定方法,并利用原子吸收分光光度计测定部分煤中(全硫含量1%)硫化物硫的含量。将 200 目的煤样进行低温灰化后与夹矸和顶底板样品一同进行 XRD 分析,采用 MDIja
18、de5.0 和Siroquant 软件对样品中矿物组成进行定性与定量分析。3煤质特征及煤中主要矿物成分表 1 列出了云驾岭煤矿 9 号煤中全硫、形态硫和 Fe2O3的含量。结果显示 9 号煤中全硫含量的范围为 0.61%7.12%,平均值为 3.27%,根据国家标准GB/T15224.22010 对煤中硫分分级,云驾岭煤矿 9号煤被划定为高硫煤。对煤中全硫含量大于 1%的样品进行了形态硫测试。硫化物硫含量范围为0.71%4.90%,平均值为 2.71%,是煤中硫的主要形式;有机硫次之,范围为 0.56%2.16%,平均值为1.07%;硫酸盐硫甚微。全硫在煤层中的纵向含量变化较大,上下部较高,中
19、部靠近夹矸的煤中硫含量较低,沉积旋回韵律明显。煤中全硫和硫化物硫同Fe2O3(数据由 X 射线荧光光谱仪测试所得,未发表数据)呈高度正相关(图 3),相关系数 R2分别为 0.93和 0.92,加之相似的垂直变化(图 4),表明黄铁矿是煤中硫的主要载体。高硫煤通常沉积于受海水影响的环境,原始植物、侵入泥炭沼泽中海水的硫酸盐等控制了煤中硫的含量分布与赋存状态18。除海水外,浅成热液、热液或富含硫酸盐的流体也可能使煤中硫浓度升高1,19-21。云驾岭煤矿太原组 9 号煤形成于海岸带环境,海水为煤层提供了大量硫酸根离子。燕山期岩浆岩侵入引入的局部热提高了煤的成熟度,使区域内含煤地层发生了不同程度的变
20、质,同时,岩浆岩侵入体可能引入大量热液使云驾岭 9 号煤中的全硫含量升高,特别是上部煤层的全硫含量较整个煤层明显升高(图 4)。煤中黄铁矿受高温影响部分无机硫扩散至周边煤体中并以有机硫的形式固存22-23,提高了上部煤层的有机硫含量。表 2 列出煤中主要矿物成分,包括:伊利石、方1 上4 下6 下1234.56789组厚度/m岩性煤层煤层编号山西组太原组本溪组66.07122.7820.60YJL-9-1cYJL-9-2cYJL-9-3cYJL-9-4cYJL-9-RYJL-9-FYJL-9-13cYJL-9-14cYJL-9-15cYJL-9-5cYJL-9-6cYJL-9-7cYJL-9-
21、8cYJL-9-9pYJL-9-10cYJL-9-11cYJL-9-12pYJL-9-16c300250200150100050厚度/cm细砂岩细粒砂岩粉砂岩中粒砂岩石灰岩砂泥岩互层破碎带闪长岩铝土泥岩煤9 号煤样品编号.图2云驾岭煤矿地层柱状Fig.2StratumhistogramoftheYunjialingCoalMine2023年第8期煤炭科学技术第51卷194解石、钠长石、黄铁矿以及高岭石;在部分煤样中还鉴定出铁白云石、白云母和菱铁矿,但含量均较低。黄铁矿在煤层中普遍发育,纵向含量分布与煤层中全硫的含量分布相似(图 4)。表 1 9 号煤全硫、形态硫(部分样品)及 Fe2O3含量T
22、able 1 Total sulfur,morphological sulfur(Partialsamples)and Fe2O3 content of No.9 coal样品编号含量/%全硫硫化物硫硫酸盐硫有机硫Fe2O3YJL-9-R2.572.550.066.36YJL-9-1c5.504.100.011.385.28YJL-9-2c7.124.900.062.166.91YJL-9-3c5.844.390.051.404.27YJL-9-4c5.803.960.031.824.87YJL-9-5c3.763.160.030.572.74YJL-9-6c2.251.700.020.531
23、.53YJL-9-7c1.360.710.650.92YJL-9-8c0.700.92YJL-9-9p0.360.73YJL-9-10c0.610.52YJL-9-11c3.952.500.041.412.26YJL-9-12p0.120.31YJL-9-13c0.951.04YJL-9-14c3.062.370.692.19YJL-9-15c2.822.250.010.561.74YJL-9-16c2.081.180.901.11YJL-9-F0.410.22123456789R2=0.93123456123456780St,d/%Ss,d/%w(Fe2O3)/%123456780w(Fe2
24、O3)/%R2=0.92图3云驾岭煤矿 9 号煤全硫、硫化物硫与 Fe2O3关系Fig.3Relationshipbetweentotalsulfur,sulfidesulfurandFe2O3ofNo.9coalinYunjialingCoalMineYJL-9-1cYJL-9-2cYJL-9-3cYJL-9-4cYJL-9-RYJL-9-FYJL-9-13cYJL-9-14cYJL-9-15cYJL-9-5cYJL-9-6cYJL-9-7cYJL-9-8cYJL-9-9pYJL-9-10cYJL-9-11cYJL-9-12pYJL-9-16cSt,d/%Ss,d/%w(Fe2O3)/%9
25、煤w(方解石)/%w(黄铁矿)/%0246824680246005 10 15 200204060样品编号图4云驾岭煤矿 9 号煤中全硫、硫化物硫、Fe2O3、黄铁矿含量以及方解石含量的剖面变化Fig.4longitudinaldistributionoftotalsulfur,pyritesulfur,Fe2O3,pyriteandcalciteinNo.9coalofYunjialingCoalMine王志勇等:邯郸煤田岩浆侵蚀区 9 号煤中黄铁矿赋存特征及成因机制2023年第8期1954煤中黄铁矿显微赋存特征运用偏光显微镜及带能谱的电子探针对云驾岭煤矿 9 号煤中黄铁矿进行了观察与分析,
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