网站原创博士学位论文
煤中伴生元素的地质地球化学学习性与富集模式
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2016年月ddff密级:
单位代码:11413
博士学位论文
中文题目:煤中伴生元素的地质地球化学习性与富集模式
英文题目:Geological-geochemicalBehiorsandEnrichmentModelsofAssociatedElementsinCoal
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论文提交日期:2016年4月14日论文答辩日期:2016年x月x日
学位授予日期:2016年6月x日
中国矿业大学(北京) 独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果.尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中国矿业大学(北京)或其他教学机构的学位或证书而使用过的材料.与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意.
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作者签名:导师签名:日期:.
摘 要
本文充分运用煤地球化学,煤岩学,煤田地质学,岩石学和矿物学等理论知识,研究了煤中伴生元素的地质地球化学习性和成因机理,归纳了煤中伴生元素的7种成因模式.系统总结和分析了中国华北和西南地区煤中伴生元素的分布特征及其差异的地质成因.详细讨论了煤中稀土元素的赋存分配模式和机理.指出了煤中铂族元素的背景值及5种来源,提出煤中铂族元素以Pt-Pd分配模式为特征.应用TOF-SIMS研究了高硫煤中黄铁矿化的杆状菌落的伴生元素组成,指出菌落在生物成因黄铁矿的形成过程中,在活化和富集Cu,Zn等金属元素性研究了同沉积火山灰对煤中伴生元素富集和存在形态的影响,发现了煤中以非硫化物状态存在的高含量Fe,Cu等元素,并给予了由火山灰,有机质和陆源碎屑组成特殊组构的岩石命名和分类方案.
..............................................................................................................................中文摘 要,大约3000字左右............................................................................................................................................................................
在风氧化作用对煤中伴生元素富集影响方面,指出U,Mo,Cu等在还原障和氧化障中具有高度的运移反差,在氧化障中具有较高的活性,而在还原障中可形成次生堆积.
关 键 词:煤,伴生元素,地质地球化学习性,富集模式
Abstract
Thegeological-geochemicalbehiorsandsevengeictypesofassociatedelementsincoalsofthedifferencesofassociatedelementsincoalromNorthandSouthwestChina.Thedistributingmodelsandmechaniofrareearthelementsincoalswerediscussedindetail.Inthispaper,thebackgroundvaluesandfivesourcesofPGEsincoalsarepresent,andthedistributionofPGEsischaracterizedbyPt-Pdpattern.ByusingthetechnologyofTOF-SIMS,thestudyshowsthatthebacteriaplayanimportantroleintheactivationandenrichmentofCuandZnduringtheformationstudiedindetail.
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Theauthorgropinginvestigatedtheeffectsofthesynsedimentaryvolcanic-ashontheenrichmentandtheoccurrenceofassociatedelementsincoal,thenon-sulfideFeandCuwerefoundincoal,andthepetrographicnamesandtypesofthespecialmaterialposedbythevolcanicash,anicmatteranddetrialmaterialofterrigenousoriginwereschemedout.ThereisahighmovingcontrastofU,Mo,andCuinthereductiveandtheoxidizedbarrier.Theoxidizedbarrierleadstothehighactivationofaboveelements,andthereductivebarrierleadstothesecondaryaccumulation.
KeyWords:coal,associatedelements,geological-geochemicalbehiours,enrichmentmodels
目录
第一章引言等等.等等等等等等等等等等等........1
1.1煤中有害元素对环境和人体健康的危害等.等等.等....等.等.等..1
1.2煤中伴生元素的有关术语和分类等.等等.等.等....等等.等.2
1.3国内外研究现状及发展趋势等.等等.等等.等...等.等等.等6
1.4研究思路,技术路线及主要工作量等.等等.等等.等等.等等.9
1.5本章小结等.等等.等等.等等.等等.等等.等...等等.10
第二章华北地台晚古生代煤中伴生元素地质地球化学习性等.等等......11
2.1河北峰峰矿区煤中的伴生元素等.等等.等等.等等.等.....等..11
2.1.1河北峰峰矿区煤中的伴生元素分布.等等.等等.等等.等...等.11
2.2鄂尔多斯盆地煤中的伴生元素等.等等.等等.等等.等等.....17
2.3华北地台晚古生代煤中元素的赋存状态和分布等.等...等..等等...17
2.4华北与西南聚煤盆地煤中伴生元素的分布差异的原因..等等等等.等29
2.5本章小结等.等等.等等.等等.等等.等等.等等...等.31
第三章煤中稀土元素等.等.等等.等等.等.等等.等....等等39
3.1稀土元素的测试方法等.等等.等等.等等.等等.等..等..39
3.2煤中稀土元素的含量等.等等.等等.等等.等等.等...等.40
3.3煤中稀土元素的分配特征等.等等.等等.等等.等等.等.41
3.4稀土元素的赋存状态等.等等等.等等等等.....等等48
3.5本章小结等.等等.等等.等等.等等.等等.等等..等.50
第四章煤中铂族元素等.等等.等等.等等.等等.等.等等..等...57
4.1煤中铂族的检测方法等.等等.等等.等等.等等.等等....57
4.2煤中铂族元素的背景值与分配模式等.等等.等等.等等..等...58
4.3煤中铂族元素的来源与异常的地质成因等.等等.等等.等..等62
4.3.1煤中铂族元素的赋存状态浅议等等等.等等.等.等....等..65
4.4本章小结等.等等.等等.等等.等等.等等.等等等..等.69
第五章煤中伴生元素富集的地质成因和模式等.等等.等.等等等.等71
5.1陆源富集作用和岩浆热液作用等.等等.等等.等等.等等..等.71
5.2沉积的生物作用等.等等.等等.等等.等等...等等...等.等75
5.3深循环热液流体作用等.等等.等等.等等.等..等..等..等.等77
5.3.1同沉积火山灰作用和风化氧化作用初探等.等.等等...等.等.等83
5.4本章小结等.等等.等等.等等.等等.等等.等.等.等..等.等85
第六章结论与展望等.等等.等等.等等.等等.等等.等.等.....等.97
;左右)称之为常量元素或主要元素,而把这9种元素以外的元素统称为微量元素或痕量元素,杂质元素,副元素,稀有元素,次要元素等(Trace,Minor,Micro,Rare,OligoElements),它们在岩石中含量一般在1%或0.1%以下.目前还没有建立微量元素地球化学分类的统一标准,分类方案也因研究对象和目的不同而异.目前普遍采用程介克(1986)的分类方案(表1.1)[3].
表1.1元素含量的术语及其含量界限(程介克,1986)
Tab.1.1Termsofelementsandtheircontentlimits(ChengKejie,1986)
含量有关术语(%)((g/g)1～100104～106常量元素(MajorElement或Macroelement)0.01～1100～10000微量元素(MinorElement或Microelement)0.0001～0.011～100痕量元素(TraceElement)<,0.0001<,1超痕量元素(UltratraceElement)然而,常量元素和微量元素的区分是相对的,常因研究的对象和目的而异.煤是物质成分极其复杂的固体可燃有机岩,用现有的分析技术手段可以从煤中检测到66种元素,从煤样品,燃煤产物和煤层气样品中检测到86种元素(地壳中可供统计的元素共88种),只有Ac和Pa这2种短寿命的放射性元素在煤,煤燃烧产物和煤层气中未曾检测到.在所检测到的元素中,作者把H,C,N,O,Na,Mg,Al,Si,S,K,Ca和Fe等12种元素称之为常量元素(majorelements),它们在煤中的含量一般超过0.1%,其它元素在大多数煤中的含量低于0.1%,称之为微量元素(minorelements)(图1.2).是间接检测,尚未有一种行之有效的直接检测方法,更谈不上某元素在各种赋存状态中各占的百分比例.二是研究煤炭在开采,运输,堆放,洗选加工,燃烧等过程中有害元素侵入环境的机制和规律,正如前所述,煤是一种特殊的岩石,在其加工利用过程中,可以使得本来一些并不富集的元素得以富集后对环境或人类健康造成危害,特别是燃煤过程中有害元素在飞灰中的迁移和富集尤其引人注意.三是研究和开发脱除或降低煤中伴生有害元素的技术,从而达到控制和预防煤中伴生元素对环境和人类身体健康的危害,主要涉及到煤洁净利用技术的工艺方面.
发展趋势:一是开始研究全球煤中有害元素分布规律,如捷克着名学者Bouka等(1999)总结了全球31个国家褐煤中硫及微量元素含量的分布,主要有害元素的样品都在千个以上(其中我国仅10个左右)[51],美国着名的专家Finkelman正在力争建立全球煤中毒害元素的地球化学数据库,二是研究煤中有害物质对人类健康的影响,美国Orem等(1999)对巴尔干半岛上褐煤淋出的有害有机化合物对地方性肾脏病的影响等[89],2001年在捷克召开的第9届煤田地质会议上,就有一些煤中有害元素与病理学关系方面的新研究成果,引起了与会学者极大兴趣[90].三是一些学者开始注重低温热液流体作用下煤中伴生元素的地球化学行为,把流体动力学的原理应用于煤中物质,特别是毒害元素的迁移,转化和富集规律的研究.注重流/岩反应,流/流反应以及沉积有机物自身的有机反应,有机物-水-岩石多相反应和有细菌参与的生物有机化学反应.流体是物质迁移和转化的主要载体,任德贻等(1999)剖析了几种煤中伴生有害元素的富集成因特点[88],无不与流体有关.近年来低温地球化学的快速发展为此项研究提供了新的思路和可靠的理论参考.
总结国内外研究现状和发展趋势,作者认为煤中伴生元素地球化学的研究在以下几个方面需进一步加强:
(1)我国学者比较系统,深入的研究煤中毒害元素局限于华北的东部和中部,贵州省,四川省及东北个别煤田,积累了不少煤中有害元素分布的基础数据,掌握了一些有害元素的局部的富集规律,但与先进国家相比,全国积累的系统研究数据较少,并且多数集中于煤中伴生元素高异常区,往往使人产生误解,认为中国煤中有害元素普遍偏高.因此,全面评价我国煤炭资源及其环境效应,充分合理地利用丰富的煤炭资源,已有的研究成果和数据仍显不足.
(2)对煤中有害微量元素在有机质聚积,成岩,各种变质作用,热液作用过程中的富集机理及其地质背景探讨尚显不足.对源岩,围岩,岩浆热液活动产物的地球化学研究有待深入.我国黔西,滇东,湘南等地岩浆,构造热液作用是导致局部地区煤中有害元素富集的主要因素.华北地区区域岩浆热变质作用是决定煤级分布的主因,但其对煤中有害元素富集的影响研究甚少.所以从含煤盆地(煤产地)所处的区域地质,地球化学背景和地质发展史角度进行理论总结,归纳出煤中有害元素富集的成因类型或地质模式,尚须深入研讨.
表1.21989-2005年统计表
Tab.1.2Thedataincoalminefrom1989to2005
年份合计1以上其中:3以上数1数2数3数4数5数61989762540631287199073605194152271991641236751530819925992428216244199338596244509898383199440217239701297944819953619690759104262891996265565567313788419199732887083951930167611998286763027915411049519993216646975123583162000272057967514056370200130825670491015837320024344699556116794172003408867025110617360................................................................
................................................................
................................................................
................................................................
续表1.2
3641602742100874873306593858173911961(备注:本表数据来自国家有关统计资料)
第三章违章行为的心理原因问卷调查与因子分析研究
3.1违章行为原因问卷编制与测试
3.1.1违章行为主要原因归纳
(3.3)
②特征根
即根据上述矩阵得到的特征矩阵:
(3.4)
使上述行列等于零,可得的次方程,称为特征方程:
(3.5)
可解得个特征根,并使其按大到小排序,得到:
(3.6)
③特征根的贡献率
主成分的贡献率为:
(3.7)
前个主成分的累计贡献率为:
(3.8)
第六章结论与展望
充分运用煤地球化学,煤岩学,煤田地质学,岩石学和矿物学等理论知识,通过大量的精密测试和系统分析,较为详细研究了煤中伴生元素的地质地球化学习性和成因机理,归纳了煤中伴生元素富集的地质模式.有如下认识:
1.通过对华北聚煤盆地一些典型矿区晚古生代煤中伴生元素的综合研究,并在充分收集前人研究工作的基础上,发现除局部地区外,华北聚煤盆地晚古生代煤中明显有害元素含导因素.从现在掌握的资料来看,后期的岩浆热液和岩浆接触变质对煤的变质程度起了巨大作用,而对有害微量元素在煤中的富集作用仅在少数地区得到证实.
2.对全国晚古生代226个煤样中稀土元素的含量进行了统计,分析了煤中稀土元素的分布特征.研究发现,煤中稀土元素的含量主要受控于陆源碎屑的供给,山西组煤中稀土元这和煤层中稀土元素的赋存状态不同,表明不同的沉积环境以及相同的沉积环境对不同的物质中的稀土元素的分馏效应是不同的.
3.
4.
5.
6.研究发现,煤中稀土元素的含量主要受控于陆源碎屑的供给,山西组煤中稀土元这和煤层中稀土元素的赋存状态不同,表明不同的沉积环境以及相同的沉积环境对不同的物质中的稀土元素的分馏效应是不同的.
通过大量系统的研究工作,作者取得了一些有意义的认识.首次详细讨论了煤中铂族元素的含量和地质成因,在低温热液流体对煤中伴生元素的再分配作用等方面提出了新的见解和思路,探索性研究了同沉积火山灰作用对煤中伴生元素的富集和存在形态的影响,提出了新的岩石分类和命名方案.但仍然存在不少的问题和不足之处尚待更深入研究和探讨:(1)在铂族元素赋存状态方面,本次研究尚显论据不充分,只是采用数理统计的方法得出了煤中铂族元素与矿物的亲和性,尚须采用高分辨率离子探针,质子探针,微区同位素分析等技术进行详细研究.(2)在同沉积火山灰对煤中伴生元素富集作用方面,贵州织金9煤层中的基性火山灰虽经国内一些知名专家得以认证,但仍缺乏充分的野外实地考察工作和火山灰确凿物证,沉碳质火山灰胶凝体,正常煤显微组分,陆源碎屑物质这三者之间是一种怎样的成分,结构构造关系,织金矿区9煤层及其中的风氧化煤砾是否属于同一煤层等问题值得深入探索研究.作者愿意在经费有保证的情况下,继续以上研究工作,希望最终能得到一个圆满的结论.
参考文献
代世峰任德贻唐跃刚等.高硫煤中硫的地质演化模式——以内蒙古乌达矿区为例.地质论评2001,47(4):383-387.
KostovaI,PetrovO,KortenskiJ.Mineralogy,geochemistryandpyritecontentofBulgariansubbituminouscoals,PernikBasin[J].GeologicalSociety,London,SpecialPublications,1996,109(1):301-314.
叶连俊.生物有机质成矿作用和成矿背景.北京海洋出版社1998:75-84.
StachE,MackowskyM,TeichmullerM,etal.Stach'sTextbookofCoalPetrology[J].Borntraeger,Stuttgart,1982:12-89.
代世峰.乌达矿区高硫煤中菌藻类体的发现及意义.中国矿业大学学报1999,28(1):57-60.
ChouCL.Geologicfactorsaffectingtheabundance,distribution,andspeciationofsulfurincoals[C].//GeologyofFossilFuels,Proc30thIntGeolCongress.1997:47-57.
郑宝山.地方性氟中毒及工业氟污染研究.北京中国环境科学出版社1992:169-172.
代世峰.煤中伴生元素的地质地球化学习性与富集模式[].北京:中国矿业大学,2002.
等等等等等等等等等等..
致谢
2016年6月,终于提交了这篇博士论文.论文的完成首先要归功于所有指导我,帮助我和支持我的老师和同学,特别是我的导师等等.
作者简介
代世峰,男(1970-),1994年毕业于山东科技大学地球科学系,获学士学位,1997年毕业于中国矿业大学北京研究生部,获硕士学位,同年7月留校任教.1999年9月-2002年7月在中国矿业大学(北京校区)攻读博士学位,专业为矿产普查与勘探,研究方向为应用地球化学.
在学期间发表的学术论文
DaiShifeng,RenDeyi,YangJianyeetal.TOF-SIMSstudyofthehydrocarbon-generatingpotentialofmineral-bituminousgroundmass.ActaGeologicalSinica,2000,74(1)(SCI收录)
DaiShifeng,RenDeyi,TangYuegang,etal.Abudance,distribution,andisotopicvariationofsulfurincoalsintheWudaCoalfield,InnerMongolia,NorthChina.InternationalJournalofCoalGeology,2002(Acceptedandinprint)
DaiShifeng,RenDeyi.Influencesoftheheatflowonthere-distributionsandoccurrencesoftheassociated-elementsincoal.9thCoalGeologyConference,Prague2001
DaiShifeng.Theactionandsignificanceoflowaniintheformationofhigh-sulfurcoal.ScientiaGeologicaSinica,2000,9(3)
DaiShifeng,TangYuegang,LiBaochun.Relationshipbetweencoalfaciesandwashabilityofhigh-sulfurcoal.JournalofChinaUniversityofMining&,Technology,2000,10(1)
代世峰,任德贻,唐跃刚等.高硫煤中硫的地质演化模式——以内蒙古乌达矿区为例.地质论评,2001,47(4)(学位论文第*章)
代世峰,任德贻,等.高硫煤中菌落成因黄铁矿的TOF-SIMS研究.煤炭学报,2000,25(2)
代世峰,任德贻,艾天杰等.乌达矿区主采煤层可选性评价的地质因素研究.中国矿业大学学报,2000,29(3)(Ei收录)
代世峰,艾天杰,焦方立等.内蒙古乌达矿区煤中硫的同位素组成及演化特征.岩石学报,2000,16(2)(SCI收录)
10.代世峰,唐跃刚,杨建业等.烃源岩生烃性的飞行时间二次离子质谱研究.中国矿业大学学报,2000,29(6)(Ei收录)
11.代世峰,艾天杰,焦方立等.不同成因类型煤的可选性评价.煤田地质与勘探,2001,29(1)
12.张鹏飞,邵龙义,代世峰.华北地台晚古生代海侵模式雏议.古地理学报,2001,3(1)
13.唐跃刚,张会勇,代世峰等.煤中铅的地球化学特征,煤田地质与勘探,2001,29(2)
在学期间参加科研项目
国家自然科学基金项目煤中有害元素富集成因类型-以鄂尔多斯晚古生代煤为例主要研究人员.项目编号:40072054.2001年1月-2003年12月.
煤炭科学基金项目煤中硫的污染抑制性与可选性评价的地质成因课题负责人.项目编号:97地10205.1998年1月-2000年12月.
国家自然科学基金项目沥青质体和矿物沥青基质的来源,形成期次及生烃性研究主要研究人员.编号:49772132.1998年1月-2000年12月
原煤炭工业部科技项目煤的洁净利用地质技术主要研究人员.1996年9月-2001年7月.
主要获奖
煤的洁净利用地质技术于2001年获得教育部中国高校科技进步一等奖(排名第2).
煤中硫的污染抑制性与可选性评价的地质成因于2001年获中国矿业大学科技进步一等奖,项目负责人(排名第1).
乌达矿区煤的洁净利用地质技术与动态评价于2000年获中国矿业大学科技进步一等奖(排名第2).
于2001年获第十三届邝寿堃奖学金.
获1999-2000学年度中国矿业大学(北京校区)优秀学生称号.
II
III
I
IV
III
中国矿业大学(北京)博士学位论文
第一章引言
14
13
第三章违章行为的心理原因问卷调查与因子分析研究
第六章结论与展望
7714-2005《文后参考文献着录规则》及《中国学术期刊(光盘版)检索与评价数据规范》规定:(1)字体宋体(数字和英文用TimesNewRoman),小四,居左,多倍行距1.25,段前,段后均为0,(2)采用顺序编码制,在引文中按引用文献出现的先后以阿拉伯数字连续编码,序号置于方括号内,所列文献折行应左缩进与第一行的首字(母)对齐,(3)不同文献类型(专着,连续出版物,析出文献,专利文献,电子文献等)的着录格式不同,请参照标准,规范着录,着录用文字,字符,标点符号(.:,,//()[]/)请规范使用,全角,半角状态应统一设置,(4)所引文献作者不多于3人时,作者应全部列出,含作者多于33人,其后加"等"或与之相应的词,文献版本,第一版不着录,其他版本需说明版次,如(第二版),从专着中析出的文献与源文献的关系用"//"表示,从报刊中析出的文献与源文献的关系用"."表示,从期刊中析出的文献需在刊名后注明年份,卷,期,部分号,页码,以阿拉伯数字和标点符号表示,而不是以汉字或英文缩写表示,具体格式为:年,卷(期):页码1~页码2致谢,标题,黑体,三号,居中,1.5倍行距,段前为0,段后11磅,致谢正文,宋体,小四,多倍行距1.25,每段落首行缩进2字符,段前,段后均为0行
作者简介,(1)标题"作者简介",黑体,三号,1.5倍行距,段前0磅,段后11磅,(2)作者姓名,楷体GB2312,小四,加粗,缩进2字符,(3)作者简介正文,宋体,小四,多倍行距1.25,段前,段后为0
学术论文,仅列出博士生攻读学位期间已见刊发表或已被录用的,并与学位论文或所学专业有关的学术论文,还要注明属于学位论文内容的部分(章节),尚未刊载但已经接到正式录用函的学术论文,在每一篇后加括号注明已被××××杂志录用.(不要写预计发表时间),在学期间参加科研项目主要获奖
注:学位论文作者,加粗.
在学期间发表的学术论文,在学期间参加科研项目,主要获奖,(1)标题,均为楷体GB2312,四号,1.5倍行距,段前0磅,段后11磅,(2)正文,宋体,小四,多倍行距1.25,段前,段后均为0行