宁东煤田中侏罗统延安组稀有稀散稀土元素地球化学特征及其对沉积环境的指示意义
2023-01-05何伟吴亮魏向成陶瑞宋扬
何伟，吴亮*，魏向成，陶瑞，宋扬
(1.宁夏回族自治区矿产地质调查院，宁夏 银川 750021；2.宁夏回族自治区矿产地质研究所，宁夏 银川 750021)
“三稀元素”是稀有、稀散和稀土元素的总称。因三稀元素具有独特的性能和作用，在原子能、航空航天、半导体、电子技术等高科技领域具有广阔的应用前景，是重要的战略资源[1]。除本身特殊的性能和用途以外，三稀元素因其特有的地球化学属性，在沉积富集过程中能够记录沉积物源、沉积环境、构造背景等关键信息[2-3]。如稀有元素Rb、Sr对古气候较为敏感；稀有元素Li、Sr和稀散元素Ga能反映沉积水体的盐度条件；稀土元素如Ce异常可以反映沉积环境的氧化还原条件，还可以用于对原始沉积物源的判别[4-8]。因此，可以通过三稀元素含量、比值、特征值、配分模式、判别图解等，为古气候、古水体和古沉积环境恢复、沉积源岩等方面研究提供依据[4-8]。近年来，中国已先后发现三稀资源矿产地7处，圈定找矿靶区100多个，取得丰硕的成果[1]。而含煤岩系，因其特殊的沉积环境和富含有机质等特征，在煤层、夹矸、顶底板也伴生有三稀元素，并且已在国内外有开发利用先例[9-13]，世界上50%以上的工业用Ge来自煤[10]，煤型Se矿床主要赋存在石煤中[9]。通过含煤岩系三稀元素地球化学特征研究，可以还原成煤环境，阐明含煤岩系区域地质历史演化等基本理论问题[14]。
宁东煤田含煤面积约10710km2，主要含煤地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和侏罗系中统延安组，埋藏2000m以浅含煤面积约7256km2，累计查明煤炭资源/储量277亿吨，保有资源/储量270亿吨，预测总资源量为1066亿吨。现已建设成以煤炭、电力、煤化工三大产业为支撑，中国重要的千万千瓦级火电基地、煤化工基地和煤炭基地。近年来，一些学者针对宁东煤田煤系伴生三稀元素也开展了相关的研究。如赵存良(2015)[15]研究发现Ga和Rb等元素在宁东煤田2#煤中富集，含量均值分别为18.88μg/g、33.14μg/g，而稀土元素含量(83.83μg/g)远低于中国煤的均值(135.89μg/g)；刘亢(2016)[16]通过鄂尔多斯盆地西缘侏罗纪15个煤样微量元素测试分析，认为与中国煤中微量元素含量均值相比，宁东煤田煤中Li、Sr、Rb、Ga属轻度富集；秦国红等(2016)[17]运用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)对宁东煤田延安组8个煤样中稀土元素进行测试，得出稀土元素含量低于中国和世界煤中的均值，也低于上地壳值，呈轻微 Eu 负异常，轻微 Ce 正异常，侏罗系延安组主要为氧化的陆相环境；宁树正等(2017)[18]统计得出灵武矿区延安组煤顶分层Ga平均含量达到77.8μg/g。上述研究主要集中于对煤中部分微量元素的测试分析，样品采集相对较为分散，对于同一区域在垂向上开展样品的系统采集和元素含量测试不够，煤系地层整体的三稀元素含量水平、富集影响因素和通过三稀元素地球化学属性开展宁东煤田延安组沉积物源、沉积环境等方面的研究成果较少。
本文选取宁东煤田灵武矿区、积家井矿区作为样品采集点，其中灵武矿区位于煤田中部且靠近侏罗系赋存区域北部边界，而积家井矿区处于煤田南部，两个矿区样品具有一定的代表性。样品采自矿区勘查钻孔延安组岩心，以泥岩、砂岩为主，部分为煤层顶(底)板，采用ICP-MS法对样品开展稀有、稀散、稀土元素含量测试，通过元素含量分析宁东煤田中侏罗统延安组煤系伴生三稀元素赋存特征，探讨在该地区开展煤系三稀元素矿产资源调查的可能性。同时，根据部分稀有、稀散元素含量对沉积古气候条件、古盐度演变特征的反映，通过元素含量比值、特征值、配分模式、判别图解等，研究宁东煤田延安组沉积时期古沉积环境演化特征；根据稀土元素含量与特定地球化学特征值相关性分析，判定是否受成岩作用影响，并进一步讨论宁东煤田延安组物源区岩石性质，明确延安组煤系稀有、稀散、稀土元素的富集影响因素。
1 研究区地质矿产概况
宁东煤田构造位置处于柴达木—华北板块中南部华北陆块鄂尔多斯地块，鄂尔多斯西缘中元古代—早古生代裂陷和鄂尔多斯中生代坳陷交汇部位[19](图1)。煤田受贺兰山逆冲推覆构造系统和六盘山逆冲推覆构造系统的共同作用，并且位于两大构造系统的衔接过渡部分，使得原始连续近水平的含煤岩系发生断裂、褶皱，抬升剥蚀或沉降深埋，形成大小不等、构造形态和构造复杂程度各异的赋煤块段，控制煤系矿产资源的分布与保存[16,20]。煤田北部以近南北向和北东向断裂为主，中部发育北西—北北西向、近南北向以及北东向三组断裂，南部发育北西—北北西向逆冲断层[20]。煤田大部分区域被新生界所覆盖，在南部沿青铜峡—固原断裂、青龙山—平凉断裂有白口系、震旦系、寒武系、奥陶系等老地层出露，西部靠近黄河断裂分布有三叠系、侏罗系、白垩系。断裂和褶皱将赋煤区域分割成多个赋煤构造单元，可划分为5个古生代石炭—二叠纪煤矿区和6个中生代侏罗纪煤矿区(图1)。
图1 宁东煤田区域地质特征简图Fig.1 Brief map of regional geological characteristics of Ningdong Coalfield
本次样品采集点灵武矿区位于煤田中部，积家井矿区位于煤田南部(图1)，含煤地层均为中侏罗统延安组，岩性有灰、灰白的长石石英质各粒级的砂岩，灰、灰黑色及黑色粉砂岩、泥质岩及少量的黏土岩(或根土岩)，局部夹不规则的钙质粉砂岩或泥灰岩、碳质泥岩及煤层，主要出现在延安组中部。
灵武矿区延安组平均厚度308.95m，含可采及局部可采煤层15层，煤层平均总厚度22.50m，含煤系数7.3%，主体构造为近南北宽缓、不对称褶皱及次级褶皱；积家井矿区延安组平均厚度441.50m，含煤和煤线30多层，煤层平均总厚度23.99m，矿区由一系列走向北北西或近南北向的褶皱群及与之相伴的断层组成。两个矿区煤层总体埋藏浅，煤质具低-特低灰、特低硫、特低-低磷、高化学活性、高机械强度等特点。
2 实验部分
2.1 实验样品
本次研究分别在灵武矿区、积家井矿区采集钻孔岩心样品39个(图1)，全部为中侏罗统延安组中下部泥岩和砂岩。编号为ND-SX01至ND-SX20的样品来自积家井矿区，采样深度为531～905m，其中ND-SX01、ND-SX06、ND-SX12、ND-SX18岩性为炭质泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩，为煤层顶(底)板，其余样品为细砂岩、中-粗粒砂岩。编号为ND-SX21至ND-SX39的样品来自灵武矿区，采样深度为335～617m，其中ND-SX21、ND-SX26、ND-SX30、ND-SX32、ND-SX34、ND-SX36、ND-SX37、ND-SX39岩性为泥岩、炭质泥岩、粉砂质泥岩，为煤层顶(底)板，其余样品为泥岩、粉砂岩、细砂岩、中粒砂岩。为了确保所采集的样品能代表地层本身的地球化学特征，便于更好地开展地层沉积物源信息和沉积环境研究，在野外采样过程中首先清理了岩心表面残留的钻井泥浆，并采集新鲜样品。
2.2 样品分析测试
样品测试单位为江苏地质矿产设计研究院实验室。
在室内，取适量所采样品在无污染环境中粉碎加工至200目，置于500℃下高温加热2h，以有效地去除有机质和水分对测试结果的影响。称取粉末样品50mg，在氢氟酸和硝酸混合溶液中密封充分溶解，采用电感耦合等离子体质谱仪(iCAP QC型，美国ThermoFisher公司)对样品中稀有元素Li、Be、Rb、Sr、Nb、Cs、Ta、Zr，稀散元素Sc、Ge、Ga、Cd、In、Tl、Hf、Se，稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu以及Y共31种元素进行测试分析，测试方法主要依据《岩石矿物分析》( 第四版)，使用国际标准样品BH-VO-1、BSR-1及AGV-1进行校正，测试时温度为24℃，相对湿度为30%，分析精度优于5%。
3 样品分析测试结果与讨论
3.1 稀有稀散元素富集特征
根据测定结果(表1)，稀有、稀散元素含量在两个矿区均较为接近，整体含量水平较低，与前人在宁东煤田的研究结果基本一致[15-18]。稀散元素Ga最高含量为29.40μg/g(灵武矿区ND-SX24泥岩样品)，接近于30.00μg/g的煤矿伴生最低工业品位要求，其余15种元素均未达到矿床工业指标，不具有综合开发利用前景。此次结果与鄂尔多斯盆地西缘石炭—二叠系煤中的元素含量及盆地北部准格尔煤田煤中的元素含量存有一定差别，如贺兰山煤田石炭—二叠系煤Li含量达294μg/g，Ga含量达40μg/g[16]，准格尔煤田6号煤层Ga含量平均为45μg/g[5]，这可能是物源区母岩性质、沉积环境、有机质、构造和岩浆热液等诸多地质因素存在着一定的差别所导致的[16]。
表1 宁东煤田延安组样品稀有、稀散元素含量统计Table 1 Statistics of rare and dispersed element contents in samples from Yan’an Formation,Ningdong Coalfield
两个矿区不同深度样品中的元素含量存在一定差异。积家井矿区在深度500～630m，元素含量均值显示较高；在深度630～900m，元素含量均值显示出一个低值区间。而灵武矿区样品在深度400～600m元素含量较高，深度大于600m出现低值区间。不同岩性中元素含量并未显示出较大差距，除Be、Tl以外，其余元素在细-粉砂岩、泥岩中的含量高于中、中-粗粒砂岩；灵武矿区稀有元素Be、Rb、Sr、Cs、Nb、Ta和稀散元素Cd、Tl、Se含量最高值的样品均为煤层顶(底)板(样品ND-SX26、ND-SX30、ND-SX39)，岩性为泥岩或粉砂质泥岩。整体显示延安组沉积早期稀有、稀散元素富集程度相对较低，而进入沉积中期，即在延安组中部煤层大量出现的范围内，元素富集程度升高；位于煤田中部的灵武矿区，元素富集程度相对更高，且静水环境形成的细粒沉积物和富含有机质沉积物更有利于稀有、稀散元素的沉淀富集。
图2 宁东煤田延安组样品稀有、稀散元素上地壳标准化织网图(上地壳数据引自文献[21])Fig.2 Distribution patterns of rare and dispersed elements of samples in Yan’an Formation,Ningdong Coalfield (Upper crust-normalize data are from Reference [21])
与上地壳平均丰度对比，样品稀有元素Rb和稀散元素Tl含量与上地壳平均丰度相当，稀有元素Li、Cs、Zr和稀散元素Sc、Ga、Cd、In、Se、Hf相对富集，稀有元素Sr、Nb、Ta表现为亏损(图2)。其中，Nb、Ta在元素上地壳标准化织网图上呈现出Nb-Ta的“槽”，且积家井矿区“槽”谷更低(图2)，这可能与沉积源岩来自于钙碱性岩系有关[18]，说明了积家井矿区所在的矿区南部延安组沉积物源有较多的钙碱性源岩参与。
代世峰等(2014)根据富集系数(Concentration Coefficient，CC，为某地煤中微量元素含量/世界煤中微量元素含量比值)，将煤中微量元素含量水平分为6个等级：CC<0.5为亏损；0.5≤CC≤2为正常范围；2
表2 宁东煤田延安组样品稀有稀散元素平均富集系数Table 2 Average enrichment coefficient of rare and dispersed elements in samples of Yan’an Formation,Ningdong Coalfield
3.2 稀土元素和钇元素的富集特征
稀土元素(REE)也称镧系元素，可根据原子电子层结构和物理化学性质分为2组，即轻稀土(LREE，包括La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu)和重稀土(HREE，包括Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)。而第39号元素Y，最外层电子的排列方式和化学性质与REE较为相似，且常与REE在矿床中共生，在研究中常与REE一起讨论并划分至HREE中。Seredin等(2012)[23]根据元素的地球化学特性将REE和Y(合并以REY表示)划分为轻稀土(LREY，包括La、Ce、Pr、Nd、Sm)，中稀土(MREY，包括Eu、Gd、Tb、Dy、Y)和重稀土(HREY，包括Ho、Er、Tm、Yb、Lu)三类，这种分类方法综合了各元素物理、化学性质的相似性和差异性，能更好地描述传统稀土矿床中稀土元素的分布模式，近年来多用于煤和REY矿石中REY的分布特征研究[7,15-17,24]。本次研究对象为煤系地层样品，因此在讨论样品REY分布特征时采用Seredin等的分类方法，而在沉积物源讨论部分为便于对比，在计算稀土元素总量时没有加入Y含量。样品REY的含量及地球化学参数列于表3、表4中，其中REY为REE和Y含量之和，(La/Lu)N、(La/Sm)N和(Gd/Lu)N为相应元素球粒陨石标准化比值。
根据测试和计算结果(表3和表4)，积家井矿区延安组泥岩、砂岩中REY含量介于65.49～376.61μg/g，平均215.70μg/g；LREY含量介于48.89～308.50μg/g，平均168.25μg/g；MREY含量介于11.27～58.16μg/g，平均40.01μg/g；HREY含量介于2.42～10.67μg/g，平均7.43μg/g。灵武矿区延安组泥岩、砂岩中REY含量介于153.58～342.84μg/g，平均247.52μg/g；LREY含量介于125.71～269.84μg/g，平均194.32μg/g；MREY含量介于20.08～61.43μg/g，平均44.73μg/g；HREY含量介于3.53～11.57μg/g，平均8.47μg/g。
两个矿区REY含量明显高于中国煤中的均值(135.89μg/g)[9-10]、世界煤中的均值(68.47μg/g)[9-10]和上地壳 REY 值(168.4μg/g)[2]，在泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩中含量普遍较高，最高值为粉砂岩样品(ND-SX15，376.61μg/g)，其次为炭质泥岩样品(ND-SX30，342.8μg/g)，煤田中部的灵武矿区REY含量普遍高于南部的积家井矿区。根据前述的元素富集系数分类，样品REY富集系数为1.50～3.99，其中LREY平均富集系数3.36，MREY平均富集系数2.82，HREY平均富集系数2.39，除元素Ho、Tm为正范围常外，其余均为轻度富集。
两个矿区LREY含量均较MREY和HREY高，REY、LREY、MREY、HREY含量在两个矿区的分布特征较为接近。Seredin等(2012)[23]根据(La/Lu)N、(La/Sm)N和(Gd/Lu)N的比值将REY分为三种富集类型，即：LREY富集型，(La/Lu)N>1；MREY富集型，(La/Sm)N<1且(Gd/Lu)N>1；HREY富集型，(La/Lu)N<1。经计算得出两个矿区样品REY地球化学参数(表4)，其中(La/Lu)N值范围为6.63～14.48，平均值10.15，说明样品全部属于LREY富集型。
根据以上参数，两个矿区延安组泥岩和砂岩样品REY分布均属于LREY富集型，说明宁东煤田延安组煤系沉积物主要是陆源物质[4，25-26]。样品δEu值为0.60～1.15，平均值为0.73，呈明显的负异常；δCe值分布在 0.87～1.04之间，平均值为0.98，接近于1，呈轻微的负异常或者基本属于正常，说明物源区相对稳定[26]。
利用球粒陨石标准化值对样品进行标准化处理，同时为便于物源对比研究，收集了贺兰山地区古元古代花岗质片麻岩、古元古代花岗岩、贺兰山岩群孔兹岩、晚三叠世玄武岩REY含量数据并进行标准化处理。两个矿区延安组样品的稀土元素配分模式基本相似(图3中a，b)，均呈右倾的“V”字形，为LREY富集型。曲线LREY段(La-Sm)斜率较大，灵武矿区稍大于积家井矿区；MREY(Eu-Y)和HREY段(Ho-Lu)斜率较小，曲线平缓；说明LREY分馏程度较高，而MREY和HREY分馏程度较低，表明两个矿区母岩性质差别较小。在Eu处可见明显的“谷”，指示 Eu负异常，而Ce处未见明显异常。
两个矿区REY配分模式整体上与贺兰山地区古元古代花岗质片麻岩、古元古代花岗岩、贺兰山岩群孔兹岩呈高度相似的特征，而个别样品(ND-SX14、ND-SX18、ND-SX21)的Eu负异常不明显并与晚三叠世玄武岩配分模式相似(图3中a，b，c)，整体上表明宁东煤田延安组沉积物源稳定，来源及母岩性质一致。宁东煤田延安组沉积岩物源可能主要为贺兰山地区孔兹岩系、古元古代花岗质片麻岩、古元古代花岗岩，有少部分物源可能来自于晚三叠世玄武岩。
4 稀有稀散稀土元素地球化学特征及其对沉积环境的指示
4.1 稀有稀土元素对古气候条件的指示
稀有元素Rb、Sr和REY含量及其比值对古气候条件具有一定的指示作用。Rb /Sr高值表示气候湿润，而Rb/Sr低值则指示气候干旱[27]，两个矿区样品中Rb/Sr比值为0.2～1.1，平均比值(0.7)相对较高，反映整体温湿的气候环境，但是比值跨度较大，部分砂岩、泥岩样品比值较低，说明在沉积期气候环境存在短暂的动荡变化；(La/Yb)N高值指示温湿的气候环境，低值指示干热的气候环境[4]，样品中(La/Yb)N值为6.31～17.11，均值为9.97，指示温湿的气候；REY高值指示温湿的气候，较低指示寒冷干旱的气候[28]，样品REY是上地壳REY的1.4倍，是北美页岩REY的1.5倍，是球粒陨石REY的80倍，表明沉积期间气候较为温湿；Eu负异常通常指示温暖湿润的气候环境，样品δEu值平均为0.73，仅2个样品δEu≥1，整体上具有明显的负异常，指示温湿的气候环境。根据以上参数，宁东煤田延安组沉积时期古气候的反映信息基本一致，即整个延安组沉积时期以温湿气候为主，在局部较短时间范围内存在干热与温湿气候环境的动荡变化。
表3 宁东煤田延安组样品稀土和钇元素含量Table 3 Contents of REEs and yttrium in samples from Yan’an Formation,Ningdong Coalfield
表4 宁东煤田延安组样品稀土和钇元素地球化学参数Table 4 Geochemical parameters of REEs and yttriumin in samples from Yan’an Formation,Ningdong Coalfield
球粒陨石数据引自文献[21]，收集样品数据引自文献[19]。图3 宁东煤田延安组样品稀土和钇元素球粒陨石标准化配分模式图Fig.3 Chondrite-normalized distribution patterns of REEs and yttriumin in samples from Yan’an Formation,Ningdong Coalfield (Chondrite data are from Reference [21],sample data are collected from Reference [19])
根据碳酸盐岩中的Sr质量分数与温度的经验公式可以估算古水温[26]，即w(Sr)=2578-80.8T。通过样品Sr含量估算出古水温为28.09～30.77℃，平均为29.90℃，说明气候较为温暖，与微量、稀土元素指示结果一致。
4.2 稀有稀散元素对古盐度的指示
稀有元素Li、Sr和稀散元素Ga等含量对沉积时期水体盐度具有很好的指示作用[4]。前人对古盐度的判别参数给出了参考标准。田景春等(2016)认为在淡水环境中，Li元素含量小于90μg/g，Sr元素含量为100～500μg/g，Ga元素含量大于17μg/g[29]；邓宏文等(1993)、郑荣才等(1999)、文华国等(2008)认为，Sr元素含量小于300μg/g为淡水环境，大于500μg/g为咸水环境[30-32]。根据本次两个矿区延安组样品测试结果，Li元素含量为6.00～65.68μg/g，平均35.55μg/g；Sr元素含量为91.50～308.00μg/g，平均162.40μg/g；Ga元素含量为9.32～29.44μg/g，平均21.85μg/g。三种元素含量均满足淡水沉积环境含量标准值区间，说明宁东煤田延安组整体为淡水沉积环境。
4.3 稀土元素对氧化还原条件的指示
REY中Ce异常可以灵敏地反映沉积环境的氧化还原条件，δCe值大于1为正异常，表示还原环境；δCe值小于0.95为负异常，表示氧化环境[4]；Ce异常指数Ceanom>-0.1反映水体呈现缺氧的还原环境，而Ceanom<-0.1则反映水体呈现氧化环境[33]；Ce/La<1.5时为氧化环境，1.5≤Ce/La<1.8时为贫氧环境，Ce/La≥1.8时为厌氧环境[34]。两个矿区样品的δCe值为0.87～1.04，平均为0.98；Ceanom值为-0.10～-0.02，平均为-0.05；Ce/La值为1.62～2.05，平均为1.92。说明宁东煤田延安组沉积时整体为缺氧的还原环境。
4.4 稀有稀散稀土元素对沉积岩物源属性判别的指示
沉积岩的REY特征对物源区岩石地球化学特征具有重要的示踪意义[7，35-37]。但是在开展沉积源岩研究之前，需要确定成岩作用对REY富集的影响，本次所采集的样品δCe与δEu、ΣREE、(La/Nd)N、(La/Sm)N散点图数据杂乱无章，均无明显相关性(图4中a，b，c，d)，说明REE未受成岩作用影响[38]，其记录的信息可以用于对原始沉积岩物源的判别。
a—δCe-δEu相关性图；b—δCe-ΣREE相关性图；c—δCe-(Dy/Sm)N相关性图；d—δCe-(La/Sm)N相关性图。图4 宁东煤田延安组样品REY地球化学参数相关性图(图中ΣREE未计入Y含量)Fig.4 Relationship between geochemical parameters of REY in Yan’an Formation,Ningdong Coalfield (Total rare earth elements without yttrium)
Eu的异常特征是物质来源的重要鉴别参数。源岩为花岗岩，则沉积岩表现为Eu负异常，而源岩为玄武岩Eu异常特征不明显[37]；LREY富集、Eu负异常、Ce无异常，则说明源岩为长英质岩[38-39]；源岩为地幔物质Sm/Nd比值0.260～0.375，为大洋玄武岩Sm/Nd比值0.234～0.425，而源于壳层的花岗岩类以及各类沉积岩Sm/Nd比值一般小于0.3[40]。宁东煤田两个矿区样品δEu均呈明显的负异常，Ce无明显异常，LREY富集，Sm/Nd比值平均为0.18，说明沉积岩物源以壳源花岗岩及相关沉积岩为主，样品的REY配分模式基本一致，整体表明宁东煤田延安组沉积岩物源稳定，来源及母岩性质较为一致。
稀有元素Nb、Ta属于高场强元素，在两个矿区均出现严重亏损，在元素上地壳标准化织网图上呈现出Nb-Ta的“槽”(图2)，表现出一定钙碱性岩系的源岩特征；稀有元素Li(均值35.55μg/g)、Cs(均值7.10μg/g)和稀散元素Cd(均值0.13μg/g)相对富集，说明泥质含量较高，也有火山岩物源的可能；而稀散元素Se的富集(均值0.17μg/g)，也说明沉积岩物源可能有火山岩的参与[18，41-42]。
La/Yb-ΣREE图解中大部分样品落入花岗岩与沉积岩重叠区，少量落在玄武岩区和沉积岩区，这与上述元素结果相一致，说明沉积岩物源主要来自上地壳长英质源区，并混合有碱性玄武岩和花岗岩，这与前述物源属性较为一致(图5)。
图5 宁东煤田延安组下部泥岩样品源岩La/Yb-∑REE判别图解(图中ΣREE未计入Y含量，底图据文献[42])Fig.5 La/Yb-∑REE discriminant diagram for source rock of mudstone samples from lower Yan’an Formation,Ningdong Coalfield (Total rare earth elements without yttrium，base map is cited from Reference[42])
根据本次元素含量测定结果，两个矿区样品稀有、稀散元素含量之间未出现明显的相关性，不同元素含量比值以及相关地球化学特征值与各元素含量之间也未见明显相关性，仅有Sc、Ga、Cd、In四种稀散元素与REE总量出现一定的相关性(图6中a，b，c，d)，说明元素的富集主要受原始沉积岩物源的控制，沉积环境、古气候条件对稀有、稀散元素的富集影响作用不大。
(a)Sc-∑REE相关性图；(b)Ga-ΣREE相关性图；(c)Cd-ΣREE相关性图；(d)In-ΣREE相关性图。图6 宁东煤田延安组样品稀土元素总量与部分稀散元素含量相关性图(图中ΣREE未计入Y含量)Fig.6 Relationship between ∑REE and the contents of some dispersed elements in Yan’an Formation,Ningdong Coalfield (Total rare earth elements without yttrium)
宁东煤田属鄂尔多斯盆地西缘，侏罗纪沉积盆地为继承性凹陷盆地，基底为三叠纪地层，延安期以河流-湖沼相沉积为主。盆地北部紧邻的贺兰山中段汝箕沟地区也分布有侏罗系延安组，并且延安组岩性、沉积充填序列等特征与鄂尔多斯盆地具有相似性，延安组古水流也指向鄂尔多斯盆地内部，所含砾石和砂级碎屑的成分为片麻岩、变粒岩及古花岗岩，来自盆地边缘断裂以北贺兰山岩群[43]。本研究通过元素地球化学特征证实了宁东煤田延安组沉积岩物源主要来自贺兰山地区岩浆岩、变质岩，说明宁东煤田乃至鄂尔多斯盆地西缘延安组沉积岩物源主要为贺兰山地区孔兹岩系、古元古代花岗质片麻岩、古元古代花岗岩，少部分物源来自晚三叠世玄武岩。
5 结论
本次研究选取了宁东煤田灵武、积家井两个典型矿区，通过钻孔岩心系统采集中侏罗统延安组泥岩、砂岩以及煤层顶(底)板样品，采用ICP-MS法开展稀有、稀散、稀土元素含量测试，结果显示三稀元素整体含量水平较低，且均未达到矿床工业指标要求，不具有综合开发利用前景。与世界煤中元素平均含量对比，两个矿区稀散元素中Se属于亏损，稀有元素Sr、Be和稀散元素Ge、Cd、Tl属于正常范围，稀有元素Li、Nb、Ta和稀散元素Ga、In、Sc以及REY属于轻度富集，稀有元素Rb、Cs、Zr和稀散元素Hf为富集；煤田中部的灵武矿区元素含量普遍高于南部的积家井矿区。在延安组中部煤层顶(底)板，元素富集程度升高，显示静水环境形成的细粒沉积物和富含有机质的沉积物更有利于稀有、稀散元素的沉淀富集。
稀有、稀散、稀土元素含量对古气候条件、古沉积环境指示作用明显，稀土元素含量未受成岩作用影响，可以用于对原始沉积岩物源的判别。根据典型元素地球化学参数对古沉积环境和沉积岩物源属性进行了恢复，结果表明:宁东煤田延安组沉积时期气候温湿，整体为缺氧的淡水沉积、还原环境；沉积岩物源较为稳定，来源及母岩性质一致，以壳源花岗岩及相关沉积岩为主，混合有碱性玄武岩；经稀土元素配分模式对比，位于煤田西北的贺兰山地区古元古代花岗质片麻岩、古元古代花岗岩、贺兰山岩群孔兹岩为延安组主要物源供给区域；稀有、稀散、稀土元素的富集主要受原始沉积岩物源控制，水动力条件和有机质含量对元素含量有一定影响，沉积环境、古气候条件影响作用不大。
