0 引 言
镓作为稀有金属广泛应用于现代化学和电子工业中，被誉为电子工业的“脊梁”。然而，镓在自然界中分布极其分散，本身不单独形成矿物，因而难以独立成矿[1-3]。煤中镓的含量并不高，世界上多数煤层中镓的含量小于20×10-6，平均为(5～10)×10-6[4]，镓矿床的边界品位为30×10-6、工业品位为50×10-6[5-6]。文献[7-8]就鄂尔多斯盆地黄陇煤田、河南登封煤田煤中镓的含量异常进行了报道，但均未深入研究；李春阳等[9]分析了滕县石炭二叠纪煤系中镓的分布特征，发现镓多富集在含煤地层上部和下部的薄煤层中，认为镓的分布除与灰分产率、SiO2相关外，还与A12O3、全硫相关；王钧漪等[10]分析了大同煤田北部石炭二叠纪煤中镓的分布规律以及赋存特征，认为镓主要存在于黏土矿物中。秦勇等[11]调查和评价了我国煤炭规划矿区煤中镓的成矿前景，认为镓主要以无机态赋存，镓的主要载体为含铝矿物；易同生等[12]研究了贵州凯里山西组煤中镓的分布、赋存状态及地质成因，认为高盐度、高碱度和强还原性的沉积水介质条件，是镓相对富集的重要地质原因，而刘新花等[13]在分析了古交矿区煤中镓的分布及控制因素后认为，水动力较强和还原性较弱的泥炭沼泽条件可能有利于镓在煤中富集；代世峰等[14]对准格尔煤田主采6号煤层的矿物学和地球化学进行了研究，认为煤中超常富集的勃姆石是镓的主要载体；吴国代等[15]分析了准格尔煤田煤中镓的分布特征、赋存状态和富集机理，认为镓的富集主要与物源区母岩的成分，沉积环境和古气候条件有关；王文峰等[16]对准格尔煤田煤中镓的分布、赋存、富集成因进行了研究，认为物源区镓含量水平对煤中镓的富集起主导作用。从已有的研究多集中在镓的富集规律、地球化学成因等方面，而对其沉积、构造成因的研究尚显不足，另外在沉积环境条件对镓富集影响的认识上仍存在分歧。同时镓的富集研究多集中在煤层本身，对煤层顶底板、夹矸中镓的分布情况尚未见报道。
笔者基于煤田地质勘探时期获得的测试资料，分析了韩古庄-演池勘探区煤及顶底板、夹矸中镓的分布特征，对镓富集的影响因素及地质成因进行了研究和探讨。
1 煤层特征
研究区位于渭北石炭二叠纪煤田铜川矿区，区内含煤地层为石炭-二叠系，含煤约10层左右。其中，2、3号煤层赋存于山西组，4—10号煤层赋存于太原组，其中5、10号煤层为主要可采煤层，4、9、10上为零星可采煤层，可采煤层均位于太原组。煤类以瘦煤、贫瘦煤为主，煤层硫分和灰分均相对较高。各可采煤层及其顶底板、夹矸的厚度及一般工业指标等基本数据见表1、表2。
煤中灰成分主要由Al2O3和SiO2构成，两者之和占灰分的比例在80%以上，说明煤中矿物质以黏土矿物为主。进一步来看，Fe2O3含量随硫化物硫含量的增长而增高，表明煤中硫化物硫主要来自黄铁矿类矿物(图1)。
表1 韩古庄-演池勘探区煤层基本数据
Table 1 Basic data of coal seams in Hanguzhuang-Yanchi Exploration Area
煤层钻孔数平均厚度/m工业分析/%AdVdaf硫分分析/%St,dSp,dSo,d成分分析/%w(Fe2O3)w(Al2O3)w(CaO)w(MgO)w(SiO2)w(TiO2)w(SO3)440.4716.4420.122.351.350.9713.3333.723.440.3338.781.952.365230.6316.8717.872.230.561.288.4934.263.650.3543.002.042.08920.5618.5319.342.571.550.9811.8732.433.440.3642.581.982.1610上70.7719.5718.914.133.031.0417.0530.243.160.2038.651.842.4610170.8924.0010.815.654.161.4325.9427.411.880.2336.161.581.44
表2 韩古庄-演池勘探区主要煤层顶底板、夹矸基本数据
Table 2 Basic data of coal seam roof,floor and dirt band in Hanguzhuang-Yanchi Exploration Area
煤层及顶底板钻孔数一般厚度/m工业分析/%AdVdafSt,d岩性5顶板底板50.3563.4785.887.53砂质泥岩0.5085.4876.420.75砂质泥岩10顶板夹矸底板30.4282.9475.680.66砂质泥岩0.3578.8359.013.35泥岩、碳质泥岩1.8967.9140.061.97铝土质泥岩、砂质泥岩
图1 煤中硫化物硫与Fe2O3的关系
Fig.1 Correlation between sulfide sulfur and Fe2O3 contents in coal seam
2 煤中镓的分布规律及富集特征
根据测试资料，各煤层(4、5、9、10上、10)中镓的含量介于17×10-6～38×10-6之间(表3)，加权平均值为28×10-6，略低于镓的边界品位，但均明显大于地壳丰度(15×10-6)[17]，也大于中国煤与世界煤中镓的含量平均值(9与5.8×10-6)[18.19]；研究区下部煤层(10上、10号煤)中镓的加权平均值为38×10-6，超过了镓的边界品位。各煤层顶底板、夹矸中镓的含量为11×10-6～66×10-6，加权平均为36×10-6，也高于镓的边界品位。由此可见，镓在本研究区内显著富集。
在垂向上，无论是煤层本身，还是煤层顶底板、夹矸，镓的含量总体上表现为从上向下增大的趋势，镓相对富集于下部煤层和底板岩层(图2)。尤其是10上、10号煤及其顶底板和夹矸中镓含量均超过了边界品位，10号煤层顶板及底板个别样品镓含量甚至达到了工业品位要求。就单个煤层而言，底板、夹矸中镓含量也明显高于其他煤层，即镓在煤层底板及夹矸中较之于煤层更为富集。
图2 煤层柱状剖面各分层镓含量的分布
Fig.2 Distribution of gallium contents in column profile of seam
平面分布上从图3可知，镓的分布具有由东南向西北递减的特征，即在平面上镓主要富集在研究区的东南部。
图3 煤系地层中镓含量等值线
Fig.3 Isoclines of gallium contents in coal-bearing Strata
3 结果分析
根据研究区煤及顶底板、夹矸样品测试数据的统计，镓在煤层顶底板中的富集程度明显高于煤层本身，且镓含量与灰分产率、Al2O3与SiO2之间均呈正相关关系(图4)，这表明镓主要以无机态赋存在黏土矿物中。
图4 煤中镓与煤工业指标之间的关系
Fig.4 Correlation among gallium content and minimum industrial grade of coal
镓含量与灰成分中Al2O3、SiO2含量呈正相关关系(图4c)，说明区内镓的富集与Al、Si元素的分布关系密切。已有研究表明，铝土质泥岩中的三水铝石胶体溶液经压实而脱水形成的勃母石是镓的主要载体[12]，其机理为铝土质泥岩中化学性质稳定的Ga和Al共同搬运沉积，导致了Ga和Al含量的一致性特征[20]。研究区内的10号煤层底部普遍发育一层铝土质泥岩，Al2O3、SiO2平均含量分别为33.0%、44.1%，铝土泥岩厚度的变化趋势与含煤岩系中Ga元素含量的变化趋势高度一致(图5)，且含煤岩系中的镓的含量随着与铝土质泥岩层位距离的增大逐渐减小，证明了含煤岩系中Ga的来源是铝土质泥岩。
图5 铝土质泥岩厚度等值线
Fig.5 Thickness contours of bauxitic mudstone
煤中镓的含量也随着Fe2O3、全硫、有机硫以及硫化物硫含量的增高而增加(图4c、图4d)，即镓含量与铁、硫分表现为明显的正相关性，这与镓具有亲铁、亲硫的地球化学特征有关。
就煤系地层沉积环境而言，太原组下部属于滨海-潟湖沉积环境，由于风化淋滤作用使Al2O3、Fe2O3富集，形成铝土质泥岩，为镓的富集提供了物质来源，因此，成煤前期的沉积环境是区内镓富集的决定性因素，这也揭示了镓与铁的含量具有正相关性的机理。同时，研究区铝土质泥岩的成因与我国石炭纪铝土矿的区域性特征及成因相一致[21]。
煤系地层的沉积环境受构造背景的控制，加里东运动使地壳抬升导致奥陶纪灰岩遭受剥蚀，进而形成表面形态各异、高低起伏的古地形，海西期地壳下降接受沉积，含铝的陆源碎屑物搬运到地形低洼地带，对煤系基底起到了填平补齐的作用，在垂向上表现为奥陶系灰岩距10煤底板距离越大，铝土质泥岩发育厚度越大，因此，构造作用为镓的物源-铝土质泥岩的聚集创造了有利的沉积环境条件。
4 结 论
1)镓在研究区内显著富集。下部煤层及顶底板夹矸中镓含量，均超过了镓的边界品位，部分层位镓的含量达到了工业品位要求，可将镓作为煤炭资源开采的附加产品加以回收利用。
2)镓的含量在垂向上随着煤层层位的降低呈逐渐增大的趋势，煤层底板中镓的含量普遍高于煤层、顶板和夹矸中镓的含量。
3)研究区内的镓主要赋存在粘土矿物中，镓的物质来源主要为太原组底部的铝土质泥岩。
4)成煤期间的沉积环境对于含煤岩系中镓的富集具有决定性意义，而构造运动则为镓的富集创造了有利的沉积环境条件。
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