Causas compuestas de cenizas volcánicas codepositadas y chorros submarinos sobre el enriquecimiento de oligoelementos y minerales en el carbón
Resumen El enriquecimiento de elementos principales, oligoelementos y minerales en el carbón es a menudo el resultado de la acción combinada de una variedad de factores geológicos. Las características mineralógicas y geoquímicas del carbón del Pérmico Tardío en Yingshan, Yunnan, se estudiaron utilizando métodos como la incineración a baja temperatura, el análisis de difracción de rayos X, el espectrómetro de energía con microscopía electrónica de barrido, la extracción química paso a paso y la masa de plasma acoplado a ionización. espectrometría, y propuso un patrón compuesto de codeposición de oligoelementos y cenizas volcánicas enriquecidas con minerales y respiraderos submarinos (o una génesis). El estudio encontró que la veta de carbón M9 en el área minera de Yingshan tiene un alto contenido de azufre (St, d=10,65) y es un carbón orgánico con un contenido ultra alto de azufre (So, d=9,51). Los principales componentes minerales son cuasicristal de cuarzo β, tremolita, albita, limonita, illita, pirita y una pequeña cantidad de caolinita, plagioclasa, feldespato, rutilo, gneis, etc. El carbón es rico en oligoelementos F (841 μg/g), V (567 μg/g), Cr (329 μg/g), Ni (74 μg/g), Mo (204 μg/g) y U (153 μg/g). ) /gramo). Los minerales de este carbón provienen de tres fuentes principales: (i) cuarzo de alta temperatura, tremolita, muscimolita e illita, que son productos de la ceniza volcánica ácida que cae en las turberas durante el proceso de aglomeración de la turba (ii) feldespato sódico y albita; y El sobreenriquecimiento de los oligoelementos anteriores es el resultado de la intrusión de chorros máfico-ultramáficos del fondo marino en pantanos de turba anóxicos ocluidos durante el proceso de aglomeración de la turba (iii) Fuentes de elementos litófilos como elementos de tierras raras como Nb, Y; , Zr y TiO2 Ubicado en el antiguo continente norte de Henan en la parte sur de la cuenca. Además del suministro de fuentes materiales, las anomalías mineralógicas y geoquímicas del carbón en la zona minera de Yanshan también son el resultado de la deposición de cenizas volcánicas ácidas y de chorros del fondo marino ultrabasal****.
Artículos seleccionados sobre petrología y geoquímica del carbón de Ren Deyi
Los macroelementos, oligoelementos y minerales del carbón son productos del proceso histórico geológico de formación y evolución del carbón. Ren Deyi et al. [1] y Ren Deyi et al. [2] resumieron el mecanismo genético del enriquecimiento de oligoelementos en el carbón y propusieron cinco modelos de enriquecimiento, a saber, el tipo de enriquecimiento continental, el tipo de enriquecimiento biogénico sedimentario y el tipo de enriquecimiento magmático-hidrotermal. y tipo profundo enriquecido con fallas. Los cinco modos de enriquecimiento son el enriquecimiento continental, el enriquecimiento biogénico sedimentario, el enriquecimiento hidrotermal de magma, el enriquecimiento hidrotermal de falla profunda y el enriquecimiento de aguas subterráneas. La ganga de arcilla arcillosa alterada por ceniza volcánica (Tonstein) en estratos carboníferos juega un papel importante en el estudio de la evolución histórica geológica regional y la correlación de las vetas de carbón [3, 4]. Los estudios sobre el Tonstein desarrollado en el carbón del Pérmico Superior en el suroeste de China han demostrado [4-6] que las erupciones volcánicas a principios del Pérmico Superior estuvieron dominadas por cenizas volcánicas alcalinas, y que a mediados y finales del Pérmico Superior estuvieron dominadas por cenizas volcánicas ácidas. Los carbonatos del carbón pueden tener un impacto importante en las características geoquímicas del carbón [7]. Hay muchos factores que afectan el enriquecimiento de elementos traza metálicos en el carbón del Pérmico Tardío en el suroeste de China, pero los fluidos hidrotermales de baja temperatura son el principal factor de control [8, 9]. Hay pocos informes sobre las cenizas volcánicas cosedimentarias (cenizas volcánicas distribuidas en la materia orgánica del carbón, excluyendo Tongstein) existentes en el carbón [7], y tampoco se ha informado del impacto de los chorros submarinos en el enriquecimiento de minerales y elementos del carbón. . Este artículo estudia la mineralogía y geoquímica de las vetas de carbón tipo terraza de carbonato en Yanshan, Yunnan, y propone un modelo compuesto del enriquecimiento de minerales y oligoelementos en el carbón mediante cenizas volcánicas codepositadas y chorros submarinos. El modelo de enriquecimiento de oligoelementos y minerales en el carbón propuesto en este artículo puede proporcionar una referencia para la búsqueda de nuevos depósitos metálicos.
I. Antecedentes geológicos
El área minera de Yanshan está ubicada en el sureste de la provincia de Yunnan (Figura 1). Los estratos carboníferos son la Formación Wujiaping (P2w) y la Formación Changxing (P2ch). ) del Sistema Pérmico Superior )[10], la veta de carbón M9 en esta área es una veta de carbón de plataforma de carbonato que soporta presión típica. La veta de carbón M9 está situada en medio de la Formación Wujiaping del Pérmico Superior, con un espesor de 1,91 m, y el techo es bioclástico criptocristalino del Cretácico. El techo es toba criptocristalina rica en bioclastos y el suelo es lutita carbonosa o marga carbonosa. Los depósitos de carbón provienen principalmente del antiguo continente del norte de Henan en la parte sur de la cuenca (Fig. 1).
Figura 1 Mapa de ubicación de la zona minera de Yanshan y paleogeografía del Pérmico Superior
II. Métodos de investigación
****Recopilado de todo el carbón M9. veta de Ganhe, Yanshan Se recolectaron tres muestras de carbón, numeradas YS-1, YS-2 e YG respectivamente, al mismo tiempo, se recolectaron tres muestras de carbón debajo de la veta de carbón de arriba a abajo en la veta de carbón M9, numeradas Y; -3-1, Y- 3-2, Y-3-3, el espesor de las tres vetas de subcarbón es de 0,5 mm, 0,4 mm y 0,5 mm respectivamente.
Los tipos de minerales y sus estados de existencia se estudiaron mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido y espectrómetro de energía, instrumento de incineración criogénica y difractómetro de rayos X. La morfología y la reflectancia del grupo especular de los componentes microscópicos del carbón se determinaron utilizando un microfotómetro. El contenido de macroelementos en el carbón se midió mediante espectrometría de fluorescencia de rayos X; el F y el Hg se midieron mediante el método de electrodo selectivo de iones y la espectrometría de absorción atómica en frío, respectivamente; se midió el Cl en la muestra fundida de la mezcla de eska utilizando el método de titulación de tiocianato de potasio B; usando espectrometría de emisión atómica de plasma acoplado a ionización; se determinaron otros oligoelementos usando espectrometría de masas de plasma acoplado a ionización;
III.Resultados y discusión
1. Características químicas del carbón
El carbón M9 del Pérmico Tardío en Yanshan, Yunnan pertenece al gris medio (27,51) y alto. azufre (10,65) alto grado de coalificación carbón bituminoso (carbón pobre). Debido a que el contenido de azufre orgánico en la veta de carbón M9 es tan alto como 9,51, también se le llama carbón con contenido de azufre orgánico ultra alto (Tabla 1). Este tipo de carbón con alto contenido de azufre orgánico es muy raro en la naturaleza. En China, este tipo de carbón sólo se encuentra en Guiding, Guizhou (So, d=8,57) y Heshan, Guangxi (So, d=3,42-6,46) [11, 12].
Tabla 1 Análisis industrial, resultados de pruebas de azufre total y azufre morfológico del carbón M9 del Pérmico Tardío en Yanshan, unidad de Yunnan:
Nota: Promedio de 6 muestras. M-humedad; A-ceniza; V-materia volátil; St-sulfato de azufre; Sp-sulfuro de azufre; base analítica d-daf; .
2. Tipos, características de aparición y origen de los minerales en el carbón
Los minerales comunes en el carbón generalmente incluyen minerales arcillosos, minerales sulfurados, cuarzo y calcita [13]. Utilizando análisis de difracción de rayos X de cenizas a baja temperatura, microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido con espectrómetro de energía, se descubrió que la combinación de minerales en la veta de carbón Yanshan M9 es relativamente especial. Los principales minerales son tremolita, cuasicristal de cuarzo β, dolomita. illita y sodio, feldespato, pirita y una pequeña cantidad de albita escamosa, plagioclasa, feldespato, anatasa, rutilo, etc.
Pirita: Distribuida principalmente en la matriz del cuerpo especular en forma de bolas diseminadas o de baya, con tamaño de partícula pequeño, la mayoría inferior a 20 μm. La forma de aparición de la pirita en el carbón muestra que es un producto bajo la influencia del agua de mar. Durante el proceso de acumulación de turba, las bacterias reductoras de sulfato reducen los iones de sulfato en el agua de mar a sulfuro de hidrógeno y luego reaccionan con los iones de hierro en el pantano para formar [14].
β-Cuarzo parapiroxeno: Se trata principalmente de partículas pequeñas y bien cristalizadas distribuidas en el cuerpo especular de la matriz. La mayoría de sus partículas tienen menos de 10 μm y la sección transversal es aproximadamente hexagonal (Figura 2(). a) )), algunas partes tienen un fenómeno de fusión y la superficie columnar no está desarrollada. De sus características morfológicas se puede inferir que es de origen de alta temperatura.
Turbulita: los granos son pequeños, la mayoría tienen menos de 10 μm, algunas formas cristalinas están bien conservadas (Figura 2(b), (c)), algunas se han derretido y la turbulita derretida a veces solo es vaga. Las formas permanecen y algo de turbulita se funde más severamente, dejando solo bordes incompletos. El interior está lleno de rodajas de albita o dawsonita (NaAl(OH)2CO3). Figura 2(c)).
Moscovita: distribuida en franjas en la matriz del cuerpo especular.
Albita: La forma cristalina es más completa que la tremolita (Figura 2(d)), se desarrollan cristales gemelos simples, parte de la albita se ha derretido (Figura 2(c)) y parte de la albita Se rellena con tremolita fundida en el interior.
Zeolita: en forma de aglomeración irregular, elongación, floculación (Figura 2(e)) o diseminada en la matriz especular del cuerpo del carbón.
Además, hay una pequeña cantidad de minerales distribuidos en el cuerpo matricial especular de la veta de carbón M9, como plagioclasa, rutilo, feldespato, caolinita, etc.
Aunque el cuarzo a alta temperatura en inclusiones de arcilla volcánica ácida alterada por cenizas volcánicas en vetas de carbón es muy común [3, 15], rara vez se ha informado sobre cuarzo a alta temperatura que está estrechamente relacionado con la materia orgánica en el carbón. La forma del cuarzo de alta temperatura en la veta de carbón Yanshan M9 todavía depende del cuarzo β (Fig. 2 (a)). El beta cuarzo y la tremolita son productos de fases de alta temperatura. La combinación de minerales de cuarzo, tremolita, feldespato y biotita de alta temperatura en este carbón es producto de la ceniza volcánica ácida que cayó en el pantano durante la acumulación de turba. Dado que el tamaño de las partículas de estos minerales es pequeño y está distribuido uniformemente en la materia orgánica del carbón, se especula que el cráter estaba muy lejos del pantano en ese momento, y la cantidad de ceniza volcánica que cayó en el pantano era demasiado pequeña para formarse. las llamadas inclusiones de rocas arcillosas alteradas por cenizas volcánicas. No se ha encontrado ninguna capa de Tonstein en la veta de carbón M9, y el área minera de Yanshan está ubicada fuera del rango de distribución de Tonstein en la región suroeste delineada por Zhou Wen et al [4]. intenso, formando múltiples capas de Tonstein en la veta de carbón.
Figura 2 Características de mineralización del carbón M9
La illita se puede formar en el carbón mediante suministro clástico de fuente terrestre y efectos epigenéticos [13]. Sin embargo, la illita en la veta de carbón M9 no es producto de origen clástico terrígeno ni de procesos hidrotermales tardíos. La bauxita de ceniza volcánica ácida en los pantanos que descendió a la veta de carbón M9 se modificó para formar caolinita durante la aglomeración de turba y la diagénesis temprana. A medida que se intensificó la diagénesis, en condiciones ambientales mediadas por alcalinos, la mayor parte de la caolinita se transformó en illita, y parte de ella se retiene. las características estructurales de los flóculos de ceniza volcánica (Fig. 2 (e)). La investigación realizada por Burger et al. [5], Zhou Yiping y Ren Youliang [6] mostró que no se formó illita en la veta de carbón M9 en el este de Yunnan y en la provincia oriental de Yunnan. Las investigaciones muestran que la proporción de composición de los minerales arcillosos (caolinita-illita) en las vetas de carbón del Pérmico superior en el este de Yunnan y el oeste de Guizhou está estrechamente relacionada con el grado de metamorfismo del carbón. En la etapa de carbón bituminoso, la caolinita es dominante y en la etapa de antracita. , es abrumadoramente Parte de la caolinita se erosiona hasta convertirse en illita. Las propiedades de la ceniza volcánica en el carbón Yanshan M9 son consistentes con las características de las erupciones volcánicas en el suroeste de China, es decir, fueron principalmente ácidas en el Pérmico medio y tardío.
El feldespato y la mica del carbón generalmente se consideran minerales clásticos terrígenos [13, 16]. Sin embargo, el feldespato en la veta de carbón de Yanshan M9 no es un mineral terrestre, y la albita en la veta de carbón M9 no se originó al mismo tiempo que la tremolita volcánica y el cuarzo de alta temperatura. La albita a veces se rellena con turbidita fundida y se forma después de la disolución de la turbidita. Su tiempo de formación es posterior al de la turbidita, lo que indica que la albita está autorizada por fluidos hidrotermales. Por lo tanto, se puede inferir que durante el período de acumulación de turba, luego de que la ceniza volcánica cayera en la turbera y sufriera cierto grado de alteración, el fluido hidrotermal formado por los chorros basales-ultrabasales del fondo marino ingresó a la turbera, formando albita y una pequeña cantidad de albita y plagioclasa y otros minerales. La albita no ha sido reportada en el carbón [13, 17, 18] y es un mineral de origen hidrotermal [19-21]. La siderita registra la transferencia de materiales entre fuentes del manto profundo y fuentes de la corteza poco profundas. Es un producto que queda por la migración de fluidos y se forma en condiciones de medio fluido alcalino rico en sodio [21, 22]. Una prueba más de la intrusión de aviones submarinos en la turbera.
La distribución de albita y albita excluye la posibilidad de que estos dos minerales pertenezcan a fluidos hidrotermales epigenéticos: ① Las fracturas epigenéticas en el carbón M9 están extremadamente subdesarrolladas y no se encontró feldespato ni albita para llenar las fracturas epigenéticas. Medio; ②La albita se distribuye a lo largo del lecho en la veta de carbón (Fig. 2 (f)). 2 (f)), que muestra las características de origen hidrotermal cosedimentario en lugar de epigenético ③ La distribución plana de los componentes minerales en el carbón tiene una diferenciación muy pobre, el nivel de distribución de albita es muy bajo y el nivel de distribución de albita en el carbón; Muy bajo. (3) La distribución plana de los componentes minerales en este carbón no es obvia. La albita es omnipresente en esta veta de carbón, y minerales como la albita se enriquecen en muestras recolectadas por investigadores en 1988 y 2006 (muestras El intervalo de recolección es 18a); Los minerales procedentes de fluidos epitermales suelen estar enriquecidos localmente en las vetas de carbón y la diferenciación de contenido es evidente.
3. Abundancia, estado y origen de los elementos principales y oligoelementos del carbón.
La tabla 2 enumera el contenido de los elementos principales y oligoelementos del carbón Yanshan M9 y su relación con China Most. carbón en comparación con la mayor parte del carbón del mundo. En comparación con los valores promedio de oligoelementos de la mayoría de los carbones en China y la mayoría de los carbones del mundo, F (841 μg/g), V (567 μg/g), Cr (329 μg/g), Ni (el contenido de oligoelementos como 74 μg/g), Mo (204 μg/g) y U (153 μg/g) están superenriquecidos (Tabla 2). Los valores medios de V, Cr, Mo y U en este carbón son 16,2 veces, 21,4 veces, 63,9 veces y 63,5 veces los del carbón ordinario en China, respectivamente.
Los clastos terrígenos suelen ser una fuente importante de oligoelementos en el carbón, mientras que los elementos de tierras raras, Nb, Y, Zr y TiO2 y otros elementos litófilos en el carbón Yanshan M9 reflejan la composición material del norte de Henan. Característica del antiguo continente. El antiguo continente de Yuebei es el cinturón de Lujiang del cinturón plegado de Caledonia y está dominado por masas de rocas ácidas [25, 26]. Sin embargo, los mayores contenidos de V, Ni, Cr, Mo y U en el carbón de Yanshan no pueden explicarse por un suministro terrígeno. En comparación con las rocas ultrabásicas y los basaltos, las rocas ácidas tienen contenidos más bajos de V, Ni, Mo y Cr. Aunque el contenido de U es mayor, es sólo de 3,5 μg/g [27], lo que no es suficiente para proporcionar un contenido tan alto en el carbón. Contenido U.
Estos elementos de alto contenido no están formados por las mencionadas cenizas volcánicas ácidas que cayeron en las turberas. Las cenizas volcánicas ácidas no son ricas en estos elementos y mucho menos aterrizan en las turberas. Además, la cantidad de cenizas ácidas que caen en las turberas es relativamente pequeña.
No hay evidencia de que estos elementos sean de origen extraterrestre. Estos elementos (incluido el S) tampoco los proporciona el agua de mar normal, que contiene una cierta concentración de sulfato. La turba se acumula en una plataforma de carbonato estancada y restringida, y el agua de mar dulce que afecta al pantano de turba no puede reponerse a tiempo.
Tabla 2 Contenido de elementos de la veta de carbón Yanshan M9 y su comparación con la mayoría de los carbones en China y la mayoría de los carbones del mundo
Elementos enriquecidos y características de combinación de elementos de la veta de carbón Yanshan M9 y aquellos en el sur de China, el esquisto negro del Cámbrico temprano (incluido el carbón de roca) es similar; sin embargo, las formas y fuentes de aparición de elementos del sistema de carbón de Yanshan son mucho más complejas que las del esquisto negro, que combina clastos volcánicos, terrígenos, organismos y agua de mar; y erupciones submarinas y otros elementos. Las anomalías geoquímicas del carbón de Yanshan pueden ser el resultado de la deposición de elementos metálicos V, Ni, Mo, U, Cr, S y F transportados por chorros submarinos en pantanos de turba a lo largo de fallas profundas durante el proceso de acumulación de turba. Los respiraderos del fondo marino apagaron los elementos V, Ni, Cu y Mo de las rocas de magnesio, hierro y hierro ultramáfico y probablemente los mezclaron con material proporcionado por la capa de magma subyacente rica en U, transportando y depositando estos elementos en ácido carbónico en pantanos de turba en el La meseta salada, el ambiente anóxico y la rica materia orgánica (plantas superiores y organismos inferiores derivados de hongos y algas) en el pantano proporcionan las condiciones para la activación y el enriquecimiento a largo plazo de estos elementos. La investigación de Bao Xuezhao et al. [28] muestra que los chorros del fondo marino pueden transportar una gran cantidad de elementos de uranio.
Aunque los organismos inferiores contribuyen al enriquecimiento de azufre orgánico y ciertos elementos metálicos, el alto contenido de azufre y elementos metálicos en el carbón M9 no lo proporcionan las bacterias del azufre. El valor de caseína δ13C‰ (PDB) de esta veta de carbón es de -22,8‰~-23,7‰ y el contenido de N no es alto (0,67~0,69). Esta es la característica del carbón humus, por lo que es el principal elemento de formación del carbón. Las plantas son plantas aún superiores. Sin embargo, durante el proceso de crecimiento y degradación después de la muerte, las bacterias y las algas pueden desempeñar un papel importante en el enriquecimiento de elementos, cambiando el valor de pH y el valor de Eh del medio ambiente, cambiando el sistema de equilibrio de elementos y la precipitación de elementos en el cuerpo de agua, etc. que tienen un impacto negativo sobre el azufre orgánico y los metales en el carbón. Enriquecimiento de elementos.
Desde la perspectiva de las combinaciones de oligoelementos, el V/(V Ni) de la materia orgánica es 0,88, el V/(V Ni) de la materia orgánica en un ambiente anóxico es 0,5 y el V/( VNi) de materia orgánica en un ambiente deficiente en oxígeno es 0,5 Ni)=0,4[29].
Se puede ver en la relación U/Th del carbón Yanshan M9 (Figura 3) que todos los moldes pertenecen a la región U/Th=1-100. Además, la relación U/Th es muy alta (8,9-35,2). , lo que indica que la turba se encuentra en proceso de agregación y está relativamente afectada por los fluidos hidrotermales [30, 31]. El estado hipóxico puede explicarse por la relación Th-U Ua=UTotal-Th/3 (donde Ua es U autógena) [32]. La Ua del carbón M9 es 107-176 μg/g, mientras que la Ua del carbón M7 es 107-176 μg/g. sólo 17 μg/g, lo que indica que la turba del carbón M9 es obviamente hipóxica cuando se acumula la turba.
El contenido de elementos Zn, Ni y Co en la veta de carbón Yanshan M9 se trazó en un diagrama ternario Cronan Zn-Ni-Co (Figura 4). Todos estos puntos pertenecen al área de deposición de agua caliente. , que muestra las características de la deposición de agua caliente [33].
Figura 3 Diagrama de relación U/Th de la veta de carbón Yanshan M9
Figura 4 Diagrama ternario de Zn-Ni-Co de la veta de carbón Yanshan M9
Acerca de la fuente de azufre y estado de ocurrencia Dado que los métodos actuales para medir el contenido de azufre orgánico (GB/T214-1996, GB/T215-2003 y ASTMD3177/4239, D2492-2) se obtienen restando el azufre de sulfuro y el azufre de sulfato del azufre total, estos métodos. No se ha demostrado que el azufre sea azufre orgánico. El estado fugitivo del carbón Yanshan M9 merece un estudio más profundo. Es posible que estos altos niveles de azufre hayan llegado a la marisma cerrada a través de fuentes termales submarinas y se hayan distribuido uniformemente en la materia orgánica del carbón, lo que se considera el llamado "azufre orgánico".
En resumen, la composición mineral de la veta de carbón M9 en Yanshan, Yunnan y el extraordinario enriquecimiento de ciertos elementos son el resultado de la acción combinada de cenizas volcánicas sedimentarias y chorros del fondo marino. El conjunto de vetas de carbón es un nuevo modo de enriquecimiento compuesto. Es necesario estudiar más a fondo si los carbones del Pérmico Tardío en Guiding, Guizhou y Heshan, Guangxi, se vieron afectados por cenizas volcánicas ácidas co-depositadas.
En términos de utilización de oligoelementos en el carbón, debido al alto contenido de V, Cr y U en el carbón, puede enriquecerse aún más en los productos de combustión del carbón (como las cenizas volantes). Si se pueden extraer estos elementos, se puede lograr un círculo virtuoso de desarrollo económico del carbón, y además proporcionar una referencia para la investigación y el desarrollo de nuevos yacimientos metálicos.
IV.Conclusión
El carbón Yunnan Yanshan M9 es una veta de carbón formada sobre la base de una plataforma de carbonato confinada y es un carbón con un contenido ultra alto de "azufre orgánico". Los minerales del carbón (cuarzo β, tremolita, albita, limonita, illita, plagioclasa, pirita, alunita de sodio) y oligoelementos (F, V, Cr, Ni, tipos y combinaciones de Mo, U) son el resultado de la interacción con cenizas volcánicas ácidas depositadas y chorros submarinos. El mecanismo genético de enriquecimiento de oligoelementos y minerales en esta veta de carbón es un nuevo modo de enriquecimiento (o tipo genético).
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(Este artículo fue escrito en coautoría por Dai Shifeng, Ren Deyi, Zhou Yiping, Zhou Zhenlin, Wang Xibo, Zhao Lei y Zhu Xingwei. Se publicó originalmente en "Science Bulletin", Volumen 53, Número 24, 2008)