煤和含煤岩系中潜在的共伴生矿产资源

———一个值得重视的问题

摘 要 煤是一种具有高度还原障和吸附障性能的有机岩和矿产，在特定的地质条件下，可以富集一些有益金属元素，并达到成矿的规模。综合国内外一些研究资料，论述了煤和含煤岩系中有益金属铌、镓、铼、钪的丰度、赋存状态、地质成因以及利用的可能性。煤中稀有金属元素富集或成矿的研究，是煤地球化学和矿床地球化学重要内容之一，值得进一步加强。

任德贻煤岩学和煤地球化学论文选辑

煤的微量元素组成中有一些珍贵的有益元素，有的已富集成相当规模的共伴生矿床，日益受到重视。例如，在哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和新疆伊犁、吐-哈等侏罗纪含煤盆地中，都发现了煤层顶板砂岩层及部分煤层中共生的大型铀矿床，其中有的已形成生产能力。又如，在云南临沧、内蒙古乌兰图嘎矿区和俄罗斯滨海边区所发现的中、新生代大型褐煤—锗矿床，这些矿床的主要特征见于众多文献^［1～8］。

近年在煤中又陆续发现了高度富集的镓、铌、铼、钪等稀有金属元素以及稀土元素和银、金、铂族元素等贵金属元素。这些高含量的煤中微量元素，不少都是潜在的重要战略矿产资源，或者是经济上可回收利用的煤加工的副产品。加强对其勘查，深入研究其赋存状态和富集规律，有利于充分、合理利用煤炭资源及共伴生的矿产资源，发展循环经济。

本文综合文献及已知信息，仅就铌、镓、铼、钪等元素，简述如下。

一、铌(Nb)

铌是一种抗蚀性强的高熔点的稀有金属，其合金超耐热、超轻，可用作导弹、火箭和航空航天发动机的重要材料，也是重要的超导材料，是世界上需求量较多的稀有金属。地壳中铌的克拉克值为21μg/g，据Ketris和Yudovich^［9］，全球煤中铌的平均含量为3.7μg/g。俄罗斯学者Середин建议当煤中铌含量≥300μg/g时，可作为伴生有用矿产评价^［6］。

煤中铌的异常可能是同生的，主要是与风化壳共生的煤往往富含铌，在表生带条件下，铌可与有机酸结合，如在含黄腐酸的溶液中有含铌矿物粉末，在4、5个月中可使溶液含铌达1mg/L即高出自然水中的几百倍。

其次，当煤层中有酸性火山碎屑蚀变的tonstein时，亦会与其相邻的煤中铌富集，Hower等报导美国肯塔基州东部FireClay煤层的tonstein夹矸层上下分层的煤中铌含量异常高，分别达到55～88μg/g和76～150μg/g^［10］。

煤中铌的异常亦可能是受含金属热液的影响，Seredin报道^［11］，俄罗斯远东地区一个地堑型始新世褐煤，由于受富含铌的碳酸型热液的改造，使煤中铌含量达60μg/g。

世界上一些煤中富含铌，俄罗斯库兹涅茨煤田二叠纪煤中铌含量可达30～50μg/g，而煤灰中达180～360μg/g，米努辛斯克石炭—二叠纪煤田伊塞克斯煤产地30号煤层中铌含量为90μg/g，而煤灰中铌含量为580μg/g。波兰日塔夫煤田两层厚达90m和22m的中新世褐煤中富集铌，其煤灰中铌含量超过200μg/g^{［6，12，13］}。

广西合山上二叠统煤中铌含量均值为50μg/g，其中柳花岭矿4_下煤层1.1m厚的上分层煤中含铌126μg/g，换算成煤灰中含铌689μg/g^［14］。据Dai等，贵州织金煤田上二叠统34号煤层铌含量的均值为64μg/g，大方煤田上二叠统3号煤层铌含量为80μg/g^{［15～17］}。

Spears和Zheng^［18］对英国主要煤田煤的分析表明，伊利石是煤中铌的主要载体。刘大锰等^［19］对山西安太堡矿的分析，也得出了相似的结论。俄罗斯库兹涅茨煤田煤中铌主要富集在烧绿石和钽铁矿中。Palmer等^［20］用六步逐级化学提取方法证实，所研究煤中66%的铌为有机态。Querol等^［21］对土耳其Beypazary新近纪含硫褐煤的研究表明，煤中以有机态铌为主。由此可见，不同煤中，铌的赋存状态各不相同，因地而异。

代世峰等^［22］、周义平^［23］报道了中国西南地区受碱性火山灰影响的煤和碱性火山灰蚀变黏土岩夹矸(Tonstein)中高度富集Nb。碱性Tonstein不仅可以作为等时标志层，而且可以根据含煤岩系中碱性Tonstein的层数、厚度的空间分布规律，有可能寻找到古火山口的位置，对于与碱性火山岩建造有关的稀有元素找矿具有重要的意义。

二、镓(Ga)

镓是典型分散元素，是用于光纤通讯设备、电脑和彩电显示的材料。镓的克拉克值为16μg/g^［24］。在自然界难以形成独立的镓矿床，而主要从铝土矿及闪锌矿矿床开采中综合回收。全球煤中的镓含量为5.8μg/g，而煤灰中镓含量的均值为33μg/g^［9］。我国煤中镓含量的均值为6.5μg/g^［7］。

世界上有些煤田煤中镓含量比较高，一些煤的煤灰中镓含量高达几百μg/g，因此，富镓煤的燃烧副产品具有提取镓的潜力。根据全国矿产储量委员会1987年的规定，各类含镓矿床中镓的工业利用标准:铝土矿矿石镓为20μg/g，而煤为30μg/g。

周义平和任友谅^［25］的研究表明，西南地区上二叠统的煤灰中镓含量可达63.7～401.5μg/g，主要呈有机态，在<1.3g/cm³密度级的煤样的灰分中较为富集。贵州紫云轿顶山上二叠统煤中镓含量均值为375μg/g。贵州织金龙潭组底部34号煤含镓100μg/g。重庆松藻煤田11号煤层煤中镓含量为32μg/g^［22］。此外，浙江长兴上二叠统若干煤，宁夏石炭井、石嘴山矿区晚古生代中镓含量亦超过30μg/g。

内蒙古准格尔煤田黑岱沟巨厚煤层6号煤是煤中镓富集的一个典型实例^{［26，27］}。该煤层中Ga的含量均值为44.6μg/g，有的分层可达76μg/g，微区分析表明，镓的主要载体是煤中的勃姆石，部分分布在有机质中^{［26，27］}。不仅如此，该煤中亦超常富集Al，导致该煤层的燃煤产物高度富集Al₂O₃，Al₂O₃在粉煤灰中的含量超过50%，因此，黑岱沟6号煤层是一个与煤共(伴)生的镓—铝矿床。在黑岱沟南部和北部的哈尔乌素和官板乌素煤中镓虽然富集，但尚未达到工业品位。随着近年来煤炭产量的增加，黑岱沟富镓和铝的煤炭资源量逐年递减，应引起相关部门的高度重视，以保护这块稀有的煤炭资源。另外，燃烧该区6号煤层的电厂所排放的粉煤灰经过常年的累积，形成了富Al和Ga的人工矿床，该人工矿床中Al和Ga的分布规律、赋存形态和迁移特征值得进一步深入研究。

俄罗斯米努辛斯克煤田切尔诺戈尔煤产地“两俄尺”煤层煤中含镓30μg/g，煤灰中含镓375μg/g;俄罗斯远东地区拉科夫斯克煤产地中新世含锗煤中含镓30～65μg/g，煤灰中含镓100～300μg/g。美国肯塔基州西北部石炭纪煤层“阿莫斯”的低灰煤中，煤灰中含镓140～500μg/g^［28］。

Affolter(1998)研究表明，美国肯塔基州某大型电厂，原料煤灰分含镓70μg/g，炉渣含镓<22μg/g，粗粒飞灰中为67μg/g，镓相对富集在细粒飞灰中，其含量为110μg/g。Mar-don和Hower^［29］研究表明，美国肯塔基州东南部燃煤电厂的各级产物中，原料煤煤灰含镓61μg/g，灰渣中为26μg/g，而电除尘器所获的飞灰中镓为169μg/g，相当富集。据方正和Gesser^［30］，取自加拿大、以色列和中国的煤烟尘镓的含量达100μg/g以上。

由此可见，燃煤副产品，主要是细粒飞灰，已成为世界上从矿产中综合回收镓的第三种主要来源。

三、铼(Re)

铼是具有超耐热性的稀有金属，是新一代航空航天发动机的材料，属战略性矿产资源，也是高效催化剂和制造新医疗器械的材料。铼是极度分散的元素，地壳中铼的克拉克值仅为0.6ng/g^［24］。作为伴生金属利用时，要求矿产中铼的含量不低于2ng/g。哈萨克斯坦热兹卡兹干含铜砂岩型铜矿床中，铼局部达到工业品位。俄罗斯Середин^［6］建议，当煤中含铼超过1μg/g时，可作为有益的伴生铼矿产资源予以评价。

根据Клер和Неханова1981年报告，乌兹别克斯坦安格连侏罗纪煤中含铼0.2～4μg/g，铼源自盆地周围母岩。据Валиев等(1993)研究，塔吉克斯坦纳扎尔-阿依洛克侏罗纪煤产地无烟煤中，低灰煤(A_d=3.2%)含铼2.1μg/g，而灰分较高的煤(A_d=17.9%)含铼3.3μg/g，这表明该地煤中既有有机态铼又有矿物态铼。

西班牙北部埃布罗盆地碳酸盐岩系中的褐煤含铼9μg/g，这种“褐煤”富含沥青质，灰分很高，其特性接近油页岩。

淋滤型铀—煤矿床的煤中往往富集铼。哈萨克斯坦下伊犁铀—煤矿床4m厚煤层的还原带上部的富铀矿带，铼含量均值为9.5μg/g;煤层的过渡带下部铼含量均值为4.2μg/g。煤作为还原障能使溶液中高铼酸盐还原并富集。

根据Юровский1968年的报告，顿涅茨煤田南普利沃尔尼扬矿长焰煤的精煤(A_d=8%)含铼4μg/g。

用高分辨ICP-MS方法测定煤中铼的含量，在我国大多数样品中未检测出铼，但在河北开滦、山东济宁、山西晋城个别煤矿太原组煤中，贵州兴仁上二叠统个别煤层中以及江西安源上三叠统个别煤样中，测出铼含量为0.106～0.39μg/g，这些值虽低于伴生矿产评价所需的值，但已高出铼的克拉克值百余倍到几百倍，相对富集，值得今后进一步关注。新疆早、中侏罗世的淋滤型铀-煤矿床煤中的铼应引起重视。

四、钪(Sc)

钪是一种超耐热制造轻质合金的稀有金属，价格昂贵，目前主要从提炼钨、钛、铀等金属的废渣(钪含量为80～100μg/g)中提取，出率相当低。Середин提出，当煤灰中钪的含量超过100μg/g时，可作为有益的燃煤副产品予以评价^［6］。据Ketris和Yudovich的报道，全球煤中钪含量均值为3.9μg/g，而且煤灰中钪含量均值为23μg/g^［9］。

近年研究表明，有些煤产地煤灰中钪含量相当高。俄罗斯库兹涅茨煤田的切尔尼戈夫露天矿、卡尔坦露天矿和南吉尔盖依矿的个别煤层煤灰中含钪100～200μg/g^［31］。Юровский对煤进行重液分离后发现库兹涅茨煤田切尔诺戈尔煤产地低密度的精煤中含钪量400μg/g，因此在选煤阶段可提取富集钪的精煤。俄罗斯米努辛斯克煤田一些煤层的煤灰中含钪95～175μg/g，在低密度级的煤中钪含量达到400μg/g。俄罗斯坎斯克—阿钦斯克侏罗纪煤田别廖佐夫煤产地1号煤层的上分层煤含钪230μg/g，其灰中钪含量则达870μg/g^［32］。

美国肯塔基州西北部阿莫斯煤层很薄(<0.5m)，在其底部8.2cm厚的分层中，煤灰中钪含量达560μg/g^［28］。

广西合山上二叠统煤田中钪含量均值较高，为42.2μg/g，而在其溯河矿4号煤层中部煤灰的钪含量达221μg/g^［14］。

煤中其他含量异常高的元素并有可能回收的副产品还有V、Sb、Cs、Mo、W、Be、Ta、REEs、Zr、Hf等。

煤中共伴生有益矿产资源的勘查与评价很有意义。在煤炭资源勘查中如缺失此项工作，很难弥补。在从事此项工作时，需要注意以下事项。

(1)优选最佳的有益元素测试方法，以确保测试成果的可靠性。

(2)由于煤中共伴生有益元素往往富集在煤层的局部层位和特定的空间，因此要注意合理布置采样点，以掌握其富集成矿的规律。

(3)煤中有益金属元素的利用最佳途径是从粉煤灰中进行提取。因此，研究有益元素在煤炭燃烧及其他加工利用过程中的习性，及有益元素在煤副产品中的富集程度及其回收的可能性是非常重要的。

(4)煤中共伴生有益矿产往往是多金属的，除有益元素外，往往又有潜在有害元素，因此，必须进行全面的技术经济和环境评估，以保障开发中尽量减少潜在有害元素的对环境和人体健康的影响。

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Potential Coexisting and Associated Mineral Resources in Coal and Coal-bearing Strata———An Issue Should Pay Close Attention to

Ren Deyi，Dai Shifeng

( Key State Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，CUMT ( Beijing) ，Beijing 100083;

School of Earth Science and Surveying and Mapping Engineering，CUMT ( Beijing) ，Beijing 100083)

Abstract: Coal is a kind of organolite and mineral deposit with high reducing barrier and absorbing barrier performances，under specific geological conditions，it can enrich some useful metal elements and amount to the ore-forming scale. Integrated some literatures both home and abroad，w e have discussed abundance，hosting state，geologic genesis and possibility of utiliza- tion of useful metals such as niobium，gallium，rhenium and scandium in coal and coal-bearing strata. The research of rare metal elements enrichment or ore-forming is one of major subjects in coal geochemistry and ore deposit geochemistry，and thus w orthw hile to be further strength- ened.

Key words: coal; coal-bearing strata; rare metal; coexisting and associated ore deposits

( 本文由任德贻、代世峰合著，原载《中国煤炭地质》，2009 年第 21 卷第 10 期)