Artículos seleccionados sobre petrología y geoquímica del carbón realizados por Ren Deyi
China es rica en recursos de carbón y se encuentra entre los primeros del mundo. Las reservas probadas duran cientos de años y son superiores a los recursos de petróleo y gas natural. En los últimos años, el carbón ha representado aproximadamente el 75% de la estructura energética disponible de mi país. El carbón contiene más de 60 oligoelementos, entre los que se pueden utilizar como minerales asociados germanio, galio y vanadio. Otros oligoelementos como As, F, Cr, Hg, etc. son elementos nocivos o potencialmente nocivos. Durante el almacenamiento, apilamiento, transporte, combustión y procesamiento y utilización, pueden ingresar a la atmósfera, al suelo y al agua en diversas formas, causando. contaminación. Durante 1997, la quema de carbón produjo 23,46 millones de toneladas de SO2, provocando una grave contaminación ambiental. Esta situación está atrayendo gran atención y los gobiernos de todos los niveles también han formulado las políticas correspondientes para restringir la extracción de vetas de carbón ω(St) > 3 y han formulado normas para las emisiones urbanas de SO2 a la atmósfera. Por lo tanto, de acuerdo con la asignación de recursos energéticos en cada región, se utilizan nuevas tecnologías de eliminación de cenizas y desulfuración del carbón antes de su quema para hacerlo más limpio, al mismo tiempo que es necesario realizar investigaciones en profundidad sobre su contenido, ocurrencia y origen; y distribución de azufre y elementos nocivos en el carbón para que los recursos sean compatibles con el medio ambiente y la economía nacional se desarrolle de manera sostenible.
Hay 22 tipos de oligoelementos nocivos en el carbón: plata, arsénico, bario, berilio, cadmio, cobalto, cloro, cobre, cromo, flúor, mercurio, manganeso, molibdeno, níquel, plomo, selenio, antimonio, torio, talio, uranio, vanadio y zinc. El berilio, el cadmio, el mercurio, el plomo y el talio son elementos tóxicos, y el arsénico, el berilio, el cadmio, el cromo, el níquel y el plomo son elementos cancerígenos. La investigación de mi país sobre los elementos nocivos del carbón comenzó relativamente tarde. Desde la década de 1980 se han intensificado las investigaciones sobre la distribución, aparición y contaminación ambiental de elementos nocivos en el carbón y sus productos de combustión. Los hallazgos preliminares muestran que el contenido de elementos como cromo, flúor, mercurio, molibdeno, selenio, uranio y vanadio en el carbón de mi país es superior al valor promedio del carbón en los Estados Unidos y el mundo, y el arsénico es anormalmente alto. en algunas áreas. En comparación con los países desarrollados, mi país tiene menos datos de análisis sistemáticos y menos investigaciones sobre los tipos de causas y antecedentes geológicos de los elementos nocivos.
El enriquecimiento de oligoelementos en el carbón está controlado por múltiples factores y efectos de múltiples etapas, y a menudo es el resultado de la superposición de múltiples factores. En la etapa de peatificación formadora de carbón, los principales factores de control son las propiedades de la roca madre, el ambiente de depósito, los tipos de plantas formadoras de carbón, la acción microbiana, el clima y las condiciones hidrogeológicas. En la etapa de coalificación, la diagénesis sedimentaria, la acción microbiana, la acción tectónica, la actividad hidrotermal magmática y la actividad de las aguas subterráneas son los principales factores de control. Cuando la cuenca carbonífera se reforma en el período posterior y la veta de carbón entra en la etapa supergénica, la oxidación del viento puede enriquecer o lixiviar aún más oligoelementos en el carbón.
Según los factores dominantes del enriquecimiento de elementos nocivos en el carbón, se pueden distinguir preliminarmente los siguientes tipos de causas.
En primer lugar, el tipo de enriquecimiento terrestre
La naturaleza de la roca madre en la zona terrígena determina el contenido de oligoelementos en el suelo antiguo de la turbera, y también determina hasta cierto punto Grado Contenido de oligoelementos en plantas de formación de carbón y medios de turberas. Las cuencas carboníferas pequeñas y medianas están cerca de fuentes terrígenas y la distancia de transporte de desechos terrígenos es corta. A veces, la tasa de hundimiento y la tasa de llenado de la cuenca son altas. El contenido anormalmente alto de oligoelementos en el carbón está estrechamente relacionado con el alto. Contenido de este elemento en la roca madre. Puede utilizarse como fuente de materiales terrígenos ricos. Ejemplo típico de tipo conjunto. Tomando como ejemplo el yacimiento de carbón de Shenbei en Liaoning, elementos potencialmente dañinos como Cr, Ni, Zn, Cu y Co están altamente enriquecidos en los lignitos del Eoceno medio y tardío de los valores medios geométricos de sus fracciones de masa. (ω b/10-6) son respectivamente 58,53, 73,99, 71,23, 53,8438 0 y 20. Entre los diversos tipos de rocas magmáticas, las rocas básicas tienen los contenidos más altos de Cu y Zn, seguidas por los contenidos de Cr, Ni y Co, y ocupan el segundo lugar después de las rocas ultrabásicas [1].
La base de la cuenca carbonífera de Shenbei es el basalto olivino. El análisis de lechos rocosos con diferentes grados de meteorización muestra que a medida que aumenta el grado de meteorización, las fracciones masivas de Cr, Zn, Co, Ni y otros elementos disminuyen en diversos grados, lo que significa que estos elementos pueden oxidarse en fuertes condiciones de oxidación en el zona epigenética. Se disuelve de la roca madre y entra en la cuenca de carbón (Tabla 1).
Tabla 1 Resultados del análisis ICP-AES de elementos nocivos en carbón y basalto de olivino
Nota: La fracción de masa de elementos en el carbón de China Coal y Shenbei Coalfield es la media geométrica (; 1) relativamente fresco, WI (índice de meteorización, según Qiu Jiaxiang y Lin, 1991 [2]) es 84,53 ② moderadamente meteorizado, WI es 65,23 ③ meteorizado, WI es 40,25;
Las cuencas carboníferas suelen ser ricas en humus. Para observar el efecto de extracción del ácido húmico sobre los oligoelementos de la roca madre, se remojó el basalto de olivino en agua destilada y una solución de ácido húmico durante 3 meses y se midió el contenido de oligoelementos (Tabla 2). El estudio encontró que la solución de ácido húmico tiene una mayor capacidad para extraer elementos nocivos del basalto de olivino que el agua, especialmente zinc, cobre y cromo. Se puede ver que en las cuencas de carbón ricas en humus, elementos potencialmente dañinos como Cr, Ni, Zn, Cu y Co están obviamente enriquecidos en rocas sedimentarias como el carbón y la lutita abigarrada en el fondo de la veta de carbón. la zona matriz de la zona terrígena de la cuenca. La roca está relacionada con el basalto olivino.
Resultados del análisis de elementos nocivos extraídos del basalto de olivino mediante una solución de agua y ácido húmico
El carbón jurásico en Beipiao, Liaoning, es rico en elementos nocivos como Cr y Ni, que también es relacionado con el basalto del sótano y pertenece a este tipo [3]. Hay muchos ejemplos en el extranjero. Ruppert et al. (1996) encontraron que la fracción de masa promedio ω (Ni) del lignito en la cuenca de Kosovo en Serbia es 100 × 10-6, y la fracción de masa promedio ω (Cr) es 58 × 10-6, principalmente porque la zona terrígena está compuesta de serpentino y hueso de olivo. Los altos contenidos de Cr y Ni en el carbón de la cuenca de los Urales del Sur y de la cuenca de Chelyabinsk en Rusia también están relacionados con la distribución generalizada de rocas básicas y ultrabásicas alrededor de las cuencas [5].
El basamento sedimentario de las cuencas neógenas de acumulación de carbón en el oeste de Yunnan es principalmente granito y gneis granítico. Cuando las vetas de carbón se acumulan en el fondo de los edificios que contienen carbón, hay abundantes fuentes de U y Ge. Por lo tanto, las vetas de carbón del fondo a menudo se enriquecen en U y Ge, y algunas incluso forman depósitos ultragrandes de germanio-uranio.
Dos. Tipo de bioconcentración sedimentaria
El ambiente sedimentario es uno de los factores más importantes que controlan la distribución de oligoelementos en el carbón. Generalmente, el contenido de oligoelementos estrechamente relacionados con los sedimentos marinos es mayor. Esto no se debe sólo a que el contenido de oligoelementos como B, Mo y V en el agua de mar sea mayor que el del agua dulce, que puede proporcionar una rica fuente de. materiales, pero lo más importante es que el agua de mar ha cambiado los pantanos de turba. El valor de pH, el valor de Eh y el contenido de H2S crean una barrera geoquímica específica que favorece el enriquecimiento de oligoelementos. El ácido húmico y el ácido húmico pardo pueden formar complejos fuertemente con el U y otros metales para formar complejos orgánicos de uranio y ftaleína. Hay muchos grupos cargados disociables en la composición de las células de las algas que pueden adsorber iones metálicos. Algunas algas inferiores tienen un grado considerable de enriquecimiento en U y otros oligoelementos. Este tipo de enriquecimiento formado por la combinación de ambiente sedimentario y organismos es más distintivo en las vetas de carbón formadas en ambientes de llanuras de marea con plataformas de carbonato limitadas.
El carbón de la Formación Longtan del Pérmico Tardío en Shanjiaoshu, condado de Panxian, Guizhou, se formó en el entorno de la llanura del delta superior, el carbón de la Formación Longtan de Liuzhi se formó en el entorno de la llanura del delta inferior y el carbón de la Formación Changxing del Pérmico Tardío en Guiding se formó en el entorno de llanura de marea de la plataforma carbonatada localizada. Como se puede ver en la Tabla 3, desde Panxian, Liuzhi hasta Guiding, a medida que aumenta el impacto del agua de mar en las turberas, los elementos nocivos como U, V y Mo en el carbón aumentan significativamente. Por otro lado, el techo y el piso de la veta de carbón guía son todos piedra caliza de algas. La composición microscópica del carbón es principalmente vitrinita de matriz rica en hidrógeno. Su reflectancia Ro ha alcanzado 65438 ± 0,48, pero todavía tiene fluorescencia de color naranja oscuro. Los estudios de microscopía electrónica de transmisión muestran que es rico en lípidos ultrafinos y contiene una gran cantidad de fósiles de hongos, como bacterias de sulfato reductoras de pirita y bacterias de azufre. La fracción de masa de azufre en el carbón ω (St) llega a 8,89. Esto demuestra que bacterias, algas y otras plantas participan activamente en la formación del carbón, formando una barrera geoquímica rica en reducción de H2S y S, que favorece el enriquecimiento de elementos nocivos como U, V y Mo. Los carbones del Pérmico Tardío en Yanshan, Yunnan y Ziyun, Guizhou también pertenecen a este tipo de enriquecimiento.
Tabla 3 Resultados del análisis de oligoelementos en el carbón del Pérmico Tardío de Guizhou (método INAA)
Nota: El valor *-B fue analizado por ICP-AES.
Tres. Tipo de enriquecimiento de fluidos hidrotermales magmáticos
Las actividades de magma mesozoica y cenozoica son frecuentes en el este de China, y se desarrolla el metamorfismo superpuesto del carbón. Entre ellas, el metamorfismo térmico magmático regional del carbón es el más importante y tiene el impacto más amplio. [8]. El enriquecimiento de oligoelementos nocivos en carbones de rango medio y alto está relacionado con las propiedades de los fluidos hidrotermales magmáticos.
El enriquecimiento de U, Th, W, REE y otros elementos en el carbón del Triásico Tardío de Jianou, Fujian, y el enriquecimiento de U, Th, Zn, As, Sb y otros elementos en el Triásico Tardío carbón de Zixing, Hunan Algunos de los enriquecimientos están relacionados con la actividad hidrotermal magmática del granito de Yanshan. El carbón del Pérmico tardío en la zona minera de Meitian en Hunan se vio afectado por la intrusión de granito de mica, y los oligoelementos dañinos mercurio, cadmio, molibdeno y cobre en el carbón aumentaron significativamente. La acción hidrotermal del magma alcalino y débilmente alcalino en el período Yanshanian en el oeste de Shanxi Gujiao provocó un aumento en el contenido de Cl, se, Pb, Zn y Br en el carbón. El carbón del Jurásico tardío-Cretácico temprano de Yimin Wumuchang, Mongolia Interior, se vio afectado por un metamorfismo hidrotermal subvolcánico. El carbón contiene oropimente y rejalgar, y la fracción másica de arsénico en el carbón es 768×10-6 [9].
4. Tipo de enriquecimiento de fluido hidrotermal de falla grande y profunda
Este tipo suele ser típico en cuencas de carbón cercanas a fallas profundas. El contenido anormalmente alto de elementos nocivos en el carbón está relacionado con la migración de fluidos hidrotermales y materias volátiles en la zona de la falla. Zhou Yiping (1992) estudió comparativamente el contenido de arsénico en el carbón en la zona de la falla de Yunnan Sanjiang y su cercana cuenca de lignito terciario, y encontró que el enriquecimiento de arsénico en el carbón está estrechamente relacionado con la zona de la falla de Sanjiang [10].
La depresión de la falla de Guizhou en el suroeste desarrolló la serie de rocas carboníferas del Pérmico Superior y del Triásico Superior. La acumulación de carbón en el Pérmico Superior y sus cambios posteriores se ven estrictamente afectados por la falla de Shuicheng-Ziyun y Shizong-Guiyang. Falla, falla de Panxian y control de fallas de Nanpanjiang. Hay muchos tipos de depósitos de oro, antimonio, arsénico y mercurio en el área de depresión de la falla, especialmente depósitos de oro. El carbón se enriquece con elementos nocivos como el mercurio y el arsénico y se desarrollan pirita hidrotermal de baja temperatura, calcita y vetas sincrónicas. La temperatura de inclusión es de 160 ~ 200 ℃. El análisis muestra que el contenido de elementos nocivos como, Cd, Hg, Mo, Pb, Se, Tl y Zn en la pirita venosa causada por fluidos hidrotermales de baja temperatura es relativamente alto. La fracción de masa de As alcanza 255 × 10-6. y la fracción de masa de Hg La fracción alcanza 22,5×10-6, y la fracción de masa de Se también es mayor. La fracción de masa de Zn w (Zn) puede alcanzar 326× 10-6, y el valor de isótopos de azufre de la pirita hidrotermal de baja temperatura es de 1,8 ‰ ~-9,8 ‰. La fracción de masa w (Hg) de mercurio en las vetas de calcita hidrotermales de baja temperatura puede alcanzar 11,9 × 10-6, la fracción de masa w (Zn) de zinc puede alcanzar 282 × 10-6, y los contenidos de Sr, Ni, Ag y Pt también son altos. Sin embargo, la fracción de masa promedio w (Hg) del carbón del Triásico Tardío en Zhenfeng es 0,233 × 10-6, y la fracción de masa promedio w (Hg) del carbón del Pérmico Tardío en Qinglong es 0,127 × 10-6. Esto es consistente. Con Guo Yingting et al. (1994) los resultados son diferentes. Las muestras individuales pueden alcanzar 10,5×10-6. El enriquecimiento de elementos nocivos en el carbón en el suroeste de Guizhou está controlado principalmente por grandes fallas profundas y sus fallas derivadas de pirita y calcita hidrotermales de baja temperatura en múltiples etapas se han convertido en los principales portadores de elementos nocivos.
5. Tipo de enriquecimiento de las aguas subterráneas
Los elementos abundantes en el carbón están relacionados con las propiedades químicas del agua subterránea y la relación relativa entre el nivel del agua y la veta de carbón, así como las propiedades. de la roca circundante y los estratos de roca suprayacentes de la veta de carbón relacionados. La fracción de masa w (Cl) del cloro en el carbón carbonífero de Illinois, EE. UU., es de 0,13 a 0,58. Una parte es carbón con alto contenido de cloro y el contenido de cloro aumenta gradualmente a medida que se avanza en profundidad. Chou et al. (191) y Shao et al. (1994) sugirieron que el cloro está relacionado con las aguas subterráneas [Algunos carbones en la ex Unión Soviética, el Reino Unido, el este de Alemania y la cuenca carbonífera occidental de Donetsk en Polonia se denominan "altos". carbones salados" [5]. El valor w(Cl) del carbón de Staffordshire en el Reino Unido es 0,74, el del este de Alemania es 0,43 ~ 0,77 y el del carbón de Donets es 0,11. Hay diferentes opiniones sobre su origen, pero la mayoría cree que durante el proceso de diagénesis, el agua subterránea fluyó a través de la capa de sal de yeso del Pérmico suprayacente, aumentando la salinidad. Después de penetrar en la serie de rocas que contienen carbón, el contenido de cloro en el carbón aumentó [5. ].
Este artículo realiza una discusión preliminar sobre las causas del enriquecimiento de oligoelementos nocivos en el carbón. El estudio en profundidad de los antecedentes geológicos y geoquímicos de las fuentes, la migración y el enriquecimiento de oligoelementos dañinos en el carbón ayudará a desarrollar la teoría básica de la geoquímica del carbón en mi país, proporcionará una base científica para la extracción, el lavado, el procesamiento y la utilización y la protección del medio ambiente. y hacer un uso pleno y racional de los ricos recursos carboníferos de mi país.
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Estudio preliminar sobre los tipos de causas del enriquecimiento de oligoelementos nocivos en el carbón
Ren Deyi, Zhao Fenghua, Zhang Junying, Xu Dewei
(Universidad de China of Mining and Technology, Beijing, 100083)
Resumen: El enriquecimiento de oligoelementos dañinos en el carbón está controlado por múltiples factores y procesos geológicos en diferentes períodos y, a menudo, es una combinación de múltiples factores. Este artículo ofrece los resultados preliminares del estudio sobre los tipos de factores de enriquecimiento de oligoelementos en el carbón. Con base en los principales factores de control, se proponen cinco tipos genéticos de enriquecimiento de oligoelementos dañinos en el carbón, a saber: ① tipo controlado por roca madre; ② tipo controlado por fluido sedimentario-biológico; ③ tipo controlado por fluido hidrotermal magmático; tipo y ⑤ tipo de control de aguas subterráneas. El estudio en profundidad de los antecedentes geológicos y geoquímicos de las fuentes, la migración y el enriquecimiento de oligoelementos dañinos en el carbón enriquecerá la teoría básica de la geoquímica del carbón y proporcionará una base científica para su utilización inofensiva.
Palabras clave: carbón, oligoelementos nocivos, tipo de formación
(Este artículo es coautor de Ren Deyi, Zhao Fenghua, Zhang Junying y Xu Dewei, y se publicó originalmente en el Volumen 6 del Suplemento 1999 "Frontiers of Earth Science").