石从秋，魏 强，2*，童家颖，刘家乐，刘继威，凌德孟，廖 弦

（1.宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000；2.安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽 宿州 234000）

随着世界经济的发展及人口的增多，目前人类所使用的常规能源正在日渐短缺。非常规能源由于具有储量巨大、分布集中和开发技术日趋进步等特点，使得其越来越得到国内外学者的重点关注。泥岩中微量元素的种类繁多，部分微量元素作为反映古沉积环境以及古地理等方面的重要参数[1]，例如Ba、Cd、Zn、Cu、P等元素被当作指示古生产力的指标；Sr/Ba的比值可以用来反映水体含盐度的变化；Ba、Sr元素含量的大小可以指示古水深的变化情况；U/Th、V/Cr、V/（V+Ni）及Ni/Co的比值常用来判断底层水体氧化-还原环境[2]。

本文通过对淮南煤田下石盒子组泥岩样品进行地球化学测试，从而对淮南煤田地球化学特征及沉积环境进行综合研究分析。

1 地质背景

研究区为潘集煤矿外部勘查区，位于淮南煤田东部，大部分位于潘集区境内。西部依次与朱集东煤矿、潘四东煤矿、潘二煤矿、潘一煤矿和潘三煤矿等相邻；南部与新集二矿、新集三矿等相邻，东部与怀远县相连接。区内主要发育了明龙山-刘府断层、阜凤逆冲断层等，其次又发育了谢桥向斜、潘集背斜等规模较大的褶皱，除此之外潘集矿区还发育了较多的次级小断层，总之，这些断层和褶皱使得潘集矿区形成了复杂的地质条件[3]，淮南煤田构造地质纲要图如图1所示。

图1 淮南煤田构造地质纲要图

2 样品与实验方法

2.1 样品的采集与测试

选取淮南煤田的潘集三矿为采样点，8块泥岩样品均来自下石盒子组，按剖面顺序由上而下分层刻槽采取，每个样品采取质量为3 kg，并用塑料袋包装。样品取回后置于通风柜的滤纸上自然风干；采用四分法初步制样，然后将样品粉碎至120目；研磨后的样品保存于密封袋中，标明制样日期、采样地点和样品编号等基本信息。

2.2 样品的测试与分析方法

实验使用E1ENMENTI型电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）对微量元素的含量（质量分数，下同）进行测试。笔者在下文中引用富集系数（EF）的概念，并结合含量值来对元素进行研究分析。所谓富集系数指的是样品实测值与选取的背景值相比的一个结果，用EF来表示。常被用来作为背景值的有地壳克拉克值[4-5]、大陆岩石圈平均值和北美页岩平均值（NASC）等。

3 微量元素含量及其分布特征

本文主要研究淮南地区煤系地层下石盒子组泥岩中Al、As、Ba、Cd、Cr、Co、Cu、Fe、Ga、Li等总计21种元素，见表1。由于北美陆壳元素丰度的部分资料欠缺，所以在以下对比分析中只列出已有的元素数据。

表1 淮南煤田泥岩微量元素含量 μg·g-1

3.1 微量元素的含量特征

依据表1可将21种元素大致分为以下几类（由于8个样品的各元素含量值在表1中已列出，所以在下文中不出现），含量远大于200μg/g的元素有：Al、B、Ti、Fe、Si共5种元素；含量在10～200μg/g的元素有As、Ba、Cr、Co、Cu、Ga、Li、Ni、Sr、Zn、Th、U、Mo共13种元素；含量在10μg/g以下的元素有Cd、Sn、Pd共3种元素。由于稀土元素在地球上本身的含量就极其稀少，结合数据综合考虑将稀土元素归类为含量在10μg/g以下的元素。由表1中的21种元素与中国大陆岩石圈丰度及北美陆壳元素丰度的对比可知：从整体上看，淮南潘集泥岩中元素含量整体明显偏低于中国大陆岩石圈丰度与北美陆壳元素丰度。

3.2 微量元素的富集特征

由2.2已知富集系数的计算方法，根据前面学者的经验，本次实验对富集与亏损的界定如下：使用第一种方法时EF小于0.1为极亏损；0.1～1.0为亏损；1.0～5.0为富集；5～10为显著富集；大于10为极富集。使用第二种方法时EF大于1即为富集，小于1即为亏损[6]。

由图2可知，样品与中国陆壳微量元素的平均值的比较情况：Si均值0.22；Sr均值0.17；Al均值0.19；Ba均值0.45；Co均值0.26；Cu均值0.42；Fe均值0.20；Ni均值0.38；Cr均值0.83；Zn均值0.82，以上元素为亏损元素。Li均值4.67；Sn均值2.70；Th均值4.10，以上元素为富集元素。Ga均值6.34，为显著富集元素。As均值41.84；B均值754.94；Cd均值59.79；Ti均值10 593.63；U均值77.97；Mo均值14.79；Pd均值1512.35，以上元素为极富集元素。

图2 淮南煤田泥岩中微量元素的富集系数分布（以中国陆壳作为背景值）

4 微量元素的沉积环境分析

微量元素的质量分数在地球化学过程中通常会产生变化。一些元素可能在海洋沉积物中的含量相对较高，而有些则可能在大陆沉积物中的含量相对较高，这很大一部分是由于地球化学作用产生的差异。通过对沉积物中相关元素含量的高低及其特定元素的比值的研究分析，可以推断当时的沉积环境，然后进行一个反演推测，从而知道当时的地质条件。目前，人们常用沉积岩中的Sr、V、Ni、Th、Cu、Zn、Mo等微量元素的含量及其相关比值的大小与变化特征来反演当时的沉积环境的氧化还原特征、古气候特征和古盐度特征等。淮南泥岩中微量元素分析结果如图2所示。

4.1 古生产力

在富含营养元素的水体中，通常Si、P、Cd、Ba、Ti等元素与生物活动密切相关，在生物的生长中起着重要的作用。Ba元素的丰度与有机碳通量以及生物生产力这两者有着明显的正相关关系[7-8]，Ba元素的富集条件主要取决于上层水体的高生产率和底部的缺氧[9]；而另一种元素Cd在海洋中的分布与磷酸盐相似，高含量的Cd指示营养型水体，反之则是低营养水体。此外较高的Cu、Zn含量通常也可作为高古生产力的替代指标[10]。

由图2可以看出，研究区中的Ba元素富集程度总体上还是比较低的，而且在纵向上的波动范围是略小的。综合以上分析，研究区二叠系泥岩沉积形成时期的古生产力比较低且不稳定，使得上述元素富集程度产生差异性。

4.2 水体含盐度

通常用Sr/Ba比值来作为水体含盐度的指标：Sr/Ba＞1指示海相咸水沉积；Sr/Ba＜0.6指示陆相淡水沉积；Sr/Ba为0.6～1指示过渡相的半咸水沉积。研究区中这两者的比值可以由图3得知，其中8个样品整体的Sr/Ba均值为0.62，而且纵向上变化不大，说明该研究区水体整体上为过渡相的半咸水沉积。而B元素含量的高低与盐度成正线性关系[11]，且研究区内B元素的含量是远大于中国陆壳与北美陆壳的，这一观点也可以支持研究区内水体整体上为半咸水的结论。

4.3 氧化还原条件

通常当水体含氧量大于1.0 mL/L为富氧环境、0.1～1.00 mL/L为贫氧环境、小于0.1 mL/L为厌氧环境。而水体的氧化还原环境与有机质的丰度有着密切的联系，但是根据现有的资料还不能表明其可以影响丰度的高低。而一些微量元素的比值可以反映水体的氧化还原环境，如U/Th、V/Cr、V/（V+Ni）等。根据现有资料，在本文中用U/Th之比作为此次指标。

由图3可知，研究区中的U/Th比值约为16.136，一般来说，U/Th＞1.25指示缺氧环境，0.75＜U/Th＜1.25指示弱氧化环境，U/Th＜0.75指示氧化环境，由此判断，研究区的水体为缺氧环境。

图3 淮南煤田泥岩微量Sr/Ba、Sr/Cu、U/Th元素分析结果图

5 结论

（1）通过对泥岩样品的矿物含量分析，可知淮南煤田泥岩不具备商业开发的条件，但大部分具有较好的脆性特征。

（2）通过对泥岩中的Ba、Cd、Cu、Zn元素富集程度分析可知，淮南煤田二叠系泥岩沉积形成时期的古生产力比较低且不稳定。

（3）通过对泥岩中的B元素富集程度、Sr/Ba比值分析，可知淮南煤田二叠系时期水体整体上为过渡相的半咸水沉积。

（4）通过对泥岩中的U/Th比值分析，可知淮南煤田二叠系时期水体为缺氧环境。