煤中的战略性矿产:以镓锗为例

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.10.18

摘要/Abstract

摘要：

煤中的战略性矿产对国家经济发展和国家安全具有重要意义。这类矿产常被称作煤型矿产,不仅仅是富集关键金属的煤层,也包含夹矸、煤层顶底板和煤系中不含煤层的其他富集层位,乃至一些富集金属的煤矿的酸性矿井水等。本文在系统查阅国内外煤型矿产文献的基础上,对中国整个地质时期战略性煤型矿产进行梳理,列出产出煤型战略性矿产的主要时期;整理得到全国主要地质时期的煤矿资源分布和战略性关键矿产的空间分布图,并以镓、锗为例,对相关典型矿床进行案例解剖,深入探讨了镓、锗矿床为代表的煤型矿床的地质背景和成矿机理,归纳了矿床中镓锗的富集部位等关键找矿信息。结果表明: 在各地质历史时期,可产出以镓、锗等为代表的“四稀”和大宗矿产为主体的战略性关键金属矿产。其中,显生宙以来则产出“四稀”矿产和大宗矿产;中国的镓锗矿床主要集中在华北地台、扬子地台的石炭—二叠纪、三叠—侏罗纪、早白垩世和新近纪等含煤盆地中;煤型锗矿床的形成与岩浆作用及其热液活动有着密切的关系;镓、锗等元素的富集在含煤岩系中有特定的产出部位,镓通常产出在成煤旋回的顶部,如华北石炭—二叠纪含煤盆地偏顶部的山西组6号煤层中的镓的富集,如黑岱沟矿床,煤系旋回底部的本溪组也有一定的贡献;而锗则通常富集在煤系旋回的初期或底部,如临沧帮卖锗矿床。中国的煤中镓锗资源很有潜力。

关键词: 煤型战略性矿产, 形成时代, 镓锗, 富集部位, 资源潜力

Abstract:

Strategic coal-associated mineral resources hold significant importance for national economic development and security. These minerals, often referred to as coal-type minerals, include not only coal seams enriched with critical metals but also partings, coal seam roofs and floors, other enriched layers within coal measures that do not contain coal seams, and even acid mine waters from coal mines enriched with metals. Based on a systematic review of domestic and international literature on coal-type minerals, this paper organizes and analyzes strategic coal-type mineral resources throughout China’s geological history, listing the main periods during which coal-type strategic minerals were formed. It compiles maps showing the spatial distribution of coal mining resources and strategic key minerals during major geological periods nationwide. Using gallium and germanium as examples, the study dissects typical deposits, delving into the geological background and ore-forming mechanisms of coal-type deposits represented by gallium and germanium, and summarizes key prospecting information such as the enrichment sites of gallium and germanium within these deposits. The results show that during various geological periods, strategic critical metal resources, represented by gallium, germanium, and other “four scarcities” and bulk minerals, are the main products. Since the Phanerozoic Eon, “four scarcities” minerals and bulk minerals have been produced. Gallium and germanium deposits in China are mainly concentrated in coal-bearing basins of the North China Platform and Yangtze Platform during the Carboniferous-Permian, Triassic-Jurassic, Early Cretaceous, and Neogene periods. The formation of coal-type germanium deposits is closely related to magmatic activity and associated hydrothermal processes. The enrichment of elements such as gallium and germanium has specific locations within coal-bearing strata: gallium is typically found at the top of coal-forming cycles, such as in the Ga-enriched No.6 coal seam of the Shanxi Formation in the Carboniferous-Permian coal-bearing basin of North China, exemplified by the Heidaigou deposit. The Benxi Formation at the base of the coal cycle also contributes to some extent. Germanium, on the other hand, is usually enriched at the beginning or base of coal cycles, as seen in the Bangmai germanium deposit in Lincang. The gallium and germanium resources in China’s coal have great potential.

Key words: coal-type strategic minerals, forming periods, gallium and germanium, enrichment site, resources potential

中图分类号:

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图/表 4

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成煤时期	代号	成煤期	年龄/Ma	分布地区	富集矿产	典型产地
新太古— 古元古代	Ar₃—Pt₁	五台期	2 500~1 900	华北地台山东—辽宁—吉林—黑龙江—内蒙古—山西—陕西—甘肃等地成带分布	晶质石墨矿富铝岩石的石榴子石、夕线石±蓝晶石或红柱石等	山东南墅、黑龙江柳毛、内蒙古兴和等黑龙江云山石墨矿
前寒武中— 新元古代	Pt_2-3	晋宁期	(1 330±4)~ (1 324±5)	华北地台北缘吉林—黑龙江—内蒙古—山西—陕西—甘肃等地,以及扬子地台三峡等地成带分布	石煤中产出晶质—非晶质石墨、含钒黑色页岩、PGE、磷矿等	华北下马岭组中的黑色岩系(北京、天津、河北、内蒙古、山西)云南昭通磷矿
早寒武世	₁	牛蹄塘期	541	扬子(云、贵、川、渝、湘、鄂、赣、苏、浙)及华北(晋、豫、甘)	中国最重要的黑色页岩中产出“五元素矿床”(铜镍钼钒钛)、稀土、铀、铂族元素矿	贵州织金铀稀土矿、山西大西沟黑色页岩型钒矿
晚奥陶世到早志留世	O₃—S₁	五峰— 龙马溪期	(445.1±3.5)~ (442.2±8.1)	扬子(云、贵、川、渝、湘、鄂、赣、苏、浙)及华北(晋、豫、甘、蒙)	中国目前工业化开采最好的页岩气段,黑色页岩中产出稀土、铀、铂族元素矿	重庆涪陵焦石坝页岩气田(含铀)
华北石炭— 二叠世	C_2-3	海西期	314~312	华北盆地(蒙陕晋豫),华南滇黔桂少量	华北盆地高镓含铝煤系的典型代表,世界著名煤产区之一,煤系底部产出著名的“山西式铁矿”和“G层”铝土矿,产出中国规模最大、品位最高的镓矿床	内蒙古鄂尔多斯准格尔煤田黑岱沟超大型镓矿等
华南二叠纪	P	海西晚期	桂西上二叠统合山组: 263~262	湖北西部—重庆南部—贵州北部—滇东北产出早二叠世的含铝煤系;桂西—滇东南产出晚二叠世含铝煤系	黔北务川—正安—道真地区下二叠统大竹园组铝土矿及广西西部(桂西)上二叠统合山组铝土矿	湖北恩施鱼塘坝硒矿(富硒煤层)、黔北务川—正安—道真地区含铝土矿煤系、广西苹果含铝土矿煤系
晚三叠世到早侏罗世	T₃—J₁	印支晚期— 燕山早期	延长组凝灰岩夹层: 241~227; 延安组凝灰岩层: 174.00~171.72	鄂尔多斯盆地、吐鲁番盆地、青海木里煤田和新疆准东煤田	晚三叠世延长组的“李家畔页岩”“张家滩页岩”和早侏罗世的“瓦窑堡煤系”是鄂尔多斯盆地重要的煤—油产层,青海木里煤田东部镓富集、新疆准东煤田中侏罗统煤系镓元素也是砂岩型铀矿的主要层位	鄂尔多斯盆地内靖安、安塞、延长等大油田储层并产铀;青海木里煤田东部煤型镓矿床、新疆准东煤田煤型镓矿床
早白垩世	K₁	燕山晚期	下白垩统白彦花组(K₁b):孢粉分析年龄为早白垩世阿普第期—阿尔比期	鄂尔多斯盆地、二连盆地、海拉尔盆地、松辽盆地、渤海湾盆地、江汉盆地、吉泰盆地和三水盆地等	是中国重要的产煤层序,煤层厚大,其中内蒙古锡林郭勒盟的乌兰图嘎煤矿富极高的锗,形成中国储量最大、品位最高的煤型锗矿	内蒙古锡林郭勒的乌兰图嘎超大型锗矿(含锗煤层)
始新世至中新世	E₂—N₁	喜马拉雅期	新近纪帮卖组 (N₁b)	多分布于青藏高原羌塘盆地及其周边云南、四川、甘肃和青海等新生代拉分盆地中,也见于东北新生代盆地内	是重要褐煤聚集期,褐煤是重要化工原料,并在云南临沧帮卖盆地中形成超大型煤型含铀锗矿	云南临沧帮卖超大型锗矿(含锗铀煤层)

成煤时期	代号	成煤期	年龄/Ma	分布地区	富集矿产	典型产地
新太古— 古元古代	Ar₃—Pt₁	五台期	2 500~1 900	华北地台山东—辽宁—吉林—黑龙江—内蒙古—山西—陕西—甘肃等地成带分布	晶质石墨矿富铝岩石的石榴子石、夕线石±蓝晶石或红柱石等	山东南墅、黑龙江柳毛、内蒙古兴和等黑龙江云山石墨矿
前寒武中— 新元古代	Pt_2-3	晋宁期	(1 330±4)~ (1 324±5)	华北地台北缘吉林—黑龙江—内蒙古—山西—陕西—甘肃等地,以及扬子地台三峡等地成带分布	石煤中产出晶质—非晶质石墨、含钒黑色页岩、PGE、磷矿等	华北下马岭组中的黑色岩系(北京、天津、河北、内蒙古、山西)云南昭通磷矿
早寒武世	₁	牛蹄塘期	541	扬子(云、贵、川、渝、湘、鄂、赣、苏、浙)及华北(晋、豫、甘)	中国最重要的黑色页岩中产出“五元素矿床”(铜镍钼钒钛)、稀土、铀、铂族元素矿	贵州织金铀稀土矿、山西大西沟黑色页岩型钒矿
晚奥陶世到早志留世	O₃—S₁	五峰— 龙马溪期	(445.1±3.5)~ (442.2±8.1)	扬子(云、贵、川、渝、湘、鄂、赣、苏、浙)及华北(晋、豫、甘、蒙)	中国目前工业化开采最好的页岩气段,黑色页岩中产出稀土、铀、铂族元素矿	重庆涪陵焦石坝页岩气田(含铀)
华北石炭— 二叠世	C_2-3	海西期	314~312	华北盆地(蒙陕晋豫),华南滇黔桂少量	华北盆地高镓含铝煤系的典型代表,世界著名煤产区之一,煤系底部产出著名的“山西式铁矿”和“G层”铝土矿,产出中国规模最大、品位最高的镓矿床	内蒙古鄂尔多斯准格尔煤田黑岱沟超大型镓矿等
华南二叠纪	P	海西晚期	桂西上二叠统合山组: 263~262	湖北西部—重庆南部—贵州北部—滇东北产出早二叠世的含铝煤系;桂西—滇东南产出晚二叠世含铝煤系	黔北务川—正安—道真地区下二叠统大竹园组铝土矿及广西西部(桂西)上二叠统合山组铝土矿	湖北恩施鱼塘坝硒矿(富硒煤层)、黔北务川—正安—道真地区含铝土矿煤系、广西苹果含铝土矿煤系
晚三叠世到早侏罗世	T₃—J₁	印支晚期— 燕山早期	延长组凝灰岩夹层: 241~227; 延安组凝灰岩层: 174.00~171.72	鄂尔多斯盆地、吐鲁番盆地、青海木里煤田和新疆准东煤田	晚三叠世延长组的“李家畔页岩”“张家滩页岩”和早侏罗世的“瓦窑堡煤系”是鄂尔多斯盆地重要的煤—油产层,青海木里煤田东部镓富集、新疆准东煤田中侏罗统煤系镓元素也是砂岩型铀矿的主要层位	鄂尔多斯盆地内靖安、安塞、延长等大油田储层并产铀;青海木里煤田东部煤型镓矿床、新疆准东煤田煤型镓矿床
早白垩世	K₁	燕山晚期	下白垩统白彦花组(K₁b):孢粉分析年龄为早白垩世阿普第期—阿尔比期	鄂尔多斯盆地、二连盆地、海拉尔盆地、松辽盆地、渤海湾盆地、江汉盆地、吉泰盆地和三水盆地等	是中国重要的产煤层序,煤层厚大,其中内蒙古锡林郭勒盟的乌兰图嘎煤矿富极高的锗,形成中国储量最大、品位最高的煤型锗矿	内蒙古锡林郭勒的乌兰图嘎超大型锗矿(含锗煤层)
始新世至中新世	E₂—N₁	喜马拉雅期	新近纪帮卖组 (N₁b)	多分布于青藏高原羌塘盆地及其周边云南、四川、甘肃和青海等新生代拉分盆地中,也见于东北新生代盆地内	是重要褐煤聚集期,褐煤是重要化工原料,并在云南临沧帮卖盆地中形成超大型煤型含铀锗矿	云南临沧帮卖超大型锗矿(含锗铀煤层)