2024年5月21日发(作者：汗欣怡)
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第２７卷第２期
地球化学
１ ９ ９ ８年３月
ＧＥＯＣＨＩⅣⅡＣＡ
Ｉ１ ｓ
微量元素和稀土元素地球化学研究
刘钦甫①杨晓杰①丁述
（①中国矿业大学北京研究生部北京 １０００８３）
（②河北建筑科技学院邯郸０５６０３８）
摘 要 通过华北晚古生代煤系高岭岩微量元素和稀土元素研究，以及利用Ｔ Ａ】、
Ｃｒ／ＡＩ、ｚ Ａ】、Ｎｉ，Ａ】和ｚ Ⅲ比值，探讨了研究区煤系高岭岩形成时的地质条件和成岩（矿）物
质来源。研究表明，研究区煤系高岭岩成矿母质主要来源于酸性岩石，包括源区花岗岩类和酸
性火山灰，局部有中性和基性火山灰。 ． 、 ７
关ｔ词竖
．
堡ｌ里 童 圭墨 物源 弘亿罕
分类号Ｐ ５９５
我国煤系中赋存丰富的高岭岩（土）矿产资源。近十几年来，国内一些学者“ 主要对
其进行了矿物学和岩石学方面的研究，而地球化学方面研究的文章则比较少见。
本文根据华北内蒙准格尔煤田露天矿和包头煤矿 山西省大同、平鲁、晋城、长治等地
的山西组和太原组煤层夹矸和顶底板高岭岩，以及山东新汶上石盒子组Ａ层和淮南下石
盒子组Ｂ层高岭岩样品的中子活化分析结果，研究了微量元素和稀土元素分布规律，探讨
了研究区煤系高岭岩形成时的地质条件和成岩（矿）物质。
１微量元素分布特征
ｌ＿１微■元素含■
一
作者将微量元素的平均值与地壳、玄武岩、花岗岩中各元素含量平均值进行了比较
（表１）ｔ发现Ｍｏ、、ｖ１ Ｈｆ，Ｔｈ、Ｕ、Ａｇ、ｓｂ的丰度均大于３种对比岩石中的丰度，其他元素
小于或介于３者之间。根据某些微量元素特征可以获得有关物源方面的信息。
１．２微量元素Ｒ型聚类分析
通过对微量元素Ｒ型聚类分析（图ｌａ），以相关系数ｒ＝０ ８为基准，可将元素分为ｌ４
组之多，其中Ｓｃ、Ｍｎ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｈｆ，Ｎｉ、Ｍｏ为一组，相关性较好，相关系数为０，８４４，其他元素
第一作者简介：剂钛甫男 ３３岁博士 副毂授沉积学 牯土矿物学
·国家自然科学基童资助项目（编号：４９３７２］２２）
收稿日期１９９７－０３－￣３、改回日期Ｉ９９７－０７＿０７
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第２期 刘钦甫等：华北晚古生代煤系高岭岩微量元素和稀土元素地球化学研究
表１研究区高岭岩中微■元素含量（ ｇ，ｇ）
Ｔａｂｌｅ ｌ Ｃｏｎｔｅｎｔｓ（ ，ｇ）ｏｆ ｕ￣ｄ，ｇｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｋａｏｌｉ￣ｌｅ ｒｏｃｋｓ ｉｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｔ￣．ａ
元素 高．争岩 ” 地壳 ’ 玄藏岩０ 花岗岩 ‘ 元素 高峰岩 。 地壳。 言武岩
０ ５
花岗岩“
０ ５
Ｍｏ ！ ： ＝箜：
２６．４
Ｉ ５
Ｉ ５
１．５
７
０
．
ｌ ０
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Ｓｂ
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３３． ３－５２
ｉ９
—
９０
２２
３
３０
２００
３ ０８
０．０２－
２．
—
—
０ ３８
Ａｓ ： ＝ －
ｌ＿３
ｔ．８ ２ Ｉ ５ ｓｒ
：
３７５ ４６５ ３００
ｎａ 最 ｓ Ⅲ ８３０
注：（１）研究区样品含量，分子为范国，分母为平均值，由中国科学院高能物理研究所何橙用中子括化（／ＮＡＡ）法
铡试，检测限≥０ ｌ ｇ，ｇ。标准偏差±２％一７％，以下同 （２）地壳中的平均丰度。据文献ｆ５］。（３）玄武岩中的平均丰
度，据文献［６］；【４）花岗岩中的平均丰度，引自文献ｆ７］．
或一个一组，或两个一组，相关性较差。元素的相关性受两方面控制，一方面是元素本身
的地球化学性质，化学性质相近的元素具有较好的相关性；另一方面受表生作用条件（温
度、生物活动、风化、搬运、沉积作用）及成岩变化影响，使元素产生分异。我国华北石炭一
二叠纪时期，气候温暖潮湿，植物繁盛，风化作用，特别是化学风化和生物化学风化作用强
烈，沉积物经过了长期的搬运和分异，这种地质背景条件导致了元素之间的极大分异，这
可能是元素之间的相关性变差的一个重要原因。
１．３样品的Ｑ型聚类分析
根据研究区样品微量元素含量，作者对样品进行了Ｑ型聚类分析。由图】ｂ可以看
出，样品明显分为３类：Ａ为山东Ａ层高岭岩样品；Ｂ为淮南Ｂ层高岭岩样品；ｃ为煤层
夹矸和顶底板型高岭岩样品。Ａ和Ｂ两群样品相关性较好，ｃ群样品虽变化稍大，但总体
上仍可归为一群。作者其他方面的研究表明 ，山东Ａ层高岭岩是由古土壤风化形成，淮
南Ｂ层高岭岩是由陆源高岭石搬运至三角洲平原上的湖泊环境沉积形成，而煤层夹矸和
顶底板高岭岩是在沼泽环境中由火山灰蚀变或陆源搬运沉积形成。这说明不同成因的高
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地 球 化 学 １９９８年
ｒ＝０ ８
图ｌ微量元素Ｒ型（ａ）和样品Ｏ型（ｂ）聚娄分析
ｆ ．Ｉ Ｒ ｃｌｕｓｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｎ ｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ（ ａｎｄ Ｑ ｃ］ｕｓｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ（ｂ］ｆｂｒ ｓａｍｐｌｅｓ
岭岩，微量元素所反映出的特征是有所差异的。
２微量元素与物源分析
２．１ Ｔ［／ＡＩ、Ｃｒｔ ＡＩ、Ｚｒｔ ＡＩ和Ｎｉ／ＡＩ比值与物源
利用单元素变量进行物源分析影响因素多、
变化性大，而利用多变量的元素对进行物源分析，
可以最大限度地避免这些不利因素。 ／Ａ】、
Ｃｒ／Ａ１、Ｚｒ／Ａ】和 ，Ａｌ比值可以较好地用于物源分
析 。
将研究区样品的 ／Ａ１、Ｎｉ／Ａ１、ＣｒｔＡ１和Ｚｒ／Ａ１
的数据与不同作者报道的基性岩、中性岩、富钙酸
性岩、贫钙酸性岩、花岗岩的数据进行了比较，并
利用计算机采用正规化—斜交距离一重心法进行了
Ｑ型聚类分析。从图２可以看出，以斜交距离 ：
０．４６８为界，可以明显地将研究区样品与中性岩、
基性岩和超基性岩划分开。研究区样品除Ｈ＿２５和
图２基于删Ａ１、Ｃｏ／Ａ１、ＮｒｌｔＡ１、
Ｈ—ｌ１—２之外，其余样品均与贫钙酸性岩、富钙酸性
的Ｑ型聚类分析
岩和花岗岩形成一个大的点群，具有密切的相似
Ｆｉｇ ２ Ｑ ｃｌｕｓｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ＯＮ Ｔｉ／ＡＩ
性，表明物源区岩石或原始成矿母质主要为酸性
Ｚｒ！ＡＩ，Ｎｉ／ＡＩ ａｎｄ ＡＩ
岩石。Ｈ＿一２５和Ｈ广－Ｉ１—２样品均是与风化煤共生的
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第２期 刘钦甫等：华北晚古生代煤系高岭岩微量元素和稀土元素地球化学研究 １９９
软质高岭土，前者与中性岩具有相似关系，而后者与基性岩具有相似关系。｝卜ｌ１—２样品与
其他样品明显不同之处是里面含有大量的重矿物，成群分布，主要是锆石 电气石和磷灰
石。｝卜２５样品中了也可见少量的错石和磷灰石，并且在其下部的硬质高岭岩中发现有高
温石英及长石、火山黑云母蚀变成高岭石的假象。从Ｑ型聚类分析结果，结合镜下观察特
征，作者认为这两块样品的原始成矿母质可能来源于基性和中性火山灰
２．２ Ｚｒ／Ｈｆ比值与物源
盈和Ｉ－Ｉｆ是一对亲密伴生的元素，两者关系比其他任何一个元素对都密切，因此利用
Ｚｒ／ＨＩ＂比值可以有效地判断岩石的成因和物源。从表２可以看出，从超基性岩一基性岩一
中性岩一酸性岩，Ｚｒ／ＨＩ＂比值逐渐减少。研究区Ｚｒ／Ｈｆ比值在ｌ１．１１—３１．４ｌ之问，平均为
ｌ ５．０５，与花岗岩的数值比较接近。这也说明了研究区高岭岩的原始成矿母质主要与酸性
岩石有关。
表２不向岩石中的Ｚｆ／Ｈｆ比值
Ｔａｂｌｅ ２ Ｒａｔｉｏ ｏｆ Ｚｒ／Ｈｆｉｎ ｄｉｆｅｒｅｎｔ眦ｋｓ
岩石类型
纯橄榄岩
样品号
［ｕｇ／ｇ）
ＤＴＳ一】 ３
ＨＩ＂
（Ｐｇ／ｇ）
０．０１
Ｚｒ／ＨＩ＂
３００
岩石类型 样品号
花岗闪长岩ＪＧ—Ｉ
ｚｒ
（¨ｇ，ｇ）
Ｉ６Ｏ
ＨＩ＂
（¨ｇ，ｇ］
３．５
ｚ ＨＩ＂
４６
橄榄岩
富武岩
言武岩
辉绿岩
安山岩
ＰＣＣ－Ｉ
ＪＢ—Ｉ
ＢＣＲ
ｗ—Ｉ
ＡＧＶ—Ｉ
７
３００
Ｉ９０
１０５
２２５
００６
３ ５
４ ７
２．６７
５．２
ｌｉ ７
８６
４Ｏ
３９
４３
花岗岩
花岗岩
花岗岩
正长岩
ｌ
Ｇ一２
ＧＭ
ＮＩＭ＿ｓ
２１０
３００
１４５
３００
３０
５．２
７ ３５
４．７
１２
０ ６
４０
４１
３１
２５
５０
花岗岩 ＮＩＭ－Ｇ
研究区样品 花岗闲长岩ＧｓＰ－１ ５００ Ｉ５．９ ３】 ３５ ２—３６１ ２．９－－２３ ９ １１．１－３１ ４
注：除研究区样品外，其余样品数据引自文献【ｌ１］
３稀土元素地球化学
对研究区稀土元素分析结果进行了球粒陨石标准化处理并做图（图３）。球粒陨石标
准化采用目前较广泛应用的赫尔曼 ２２个球粒陨石平均值。同时还与北美页岩、俄罗斯
地台页岩 基性岩和酸性岩中稀土元素数据进行了比较。研究区高岭岩中稀土元素分布
具有如下特征。
（１）从稀土元素总量（表１）来看，其数值变化较大，ｚ唧从８．２４ Ｐ－ｇ／ｇ到
５５９．１７ｐ，ｇ／ｇ。其中ｖ＿４、ｘＬｃ １ ｝卜２５、Ｂ一２８、Ｑ（’广１ ｝卜ｌ卜２、０３０８—１３样品明显大于北美
页岩组舍样的平均值（１７３ ２ ｇ／ｇ），其Ｙ．ＲＥＦＡＥ １ ８６．Ｏ０—５５９．１７ ｇ／ｇ之间。其余样品的
Ｚ Ｒ１ Ｅ值均小于北美页岩中的平均值，多数在４Ｏ一９Ｏ ｇ／ｇ之间，大约是北美页岩的
ｌ／４—１／２，相对于北美页岩稀土元素明显亏损。在风化过程中，ＤＨ值是控制ＲＥＥ活化
的一个主要因素“ ，在酸性条件下，ＲＥＥ发生活化，易于从粘土中迁移出来，而在中性和碱
性条件下，ＲＥＥ则变得凝滞了。因此笔者认为，沼泽环境中的高岭岩与通常的页岩相比，
由于其形成于特殊的酸性环境条件，发生了稀土元素的活化迁移，因而具有比通常页岩低
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地 球 化 学 １９９８正
１。００
ｌ
。
１
墨
嚣
和
Ｌｉ Ｐｒ ５ｍ Ｇｄ Ｄ，Ｅｒ￣＇ｂＬｕ
图３研究区高岭岩稀土元素分配模式图
开ｇ ３ ＲＥＥ ｄｉｓａＳｂｕｔｉｏｎ ｐａｔ ｍｓ ｏｆ ｋａｏｌｉｎｉ￣ｒｏｃｋｓ ｉｎ血ｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａ ａ
的三ＲＥＥ含量。
（２）ＬＲＥＥ／ＨＲＥＥ比值反映了轻重稀土的分馏程度，ＬＲＥＥ代表轻稀土总含量，
ＨＲＥＥ代表重稀土总含量。研究区样品ＬＲＥＦＹ ＨＲＥＥ比值在２ ２４—１ ８．２５之间，明显可分为
两组。（ａ）ＬＲＥＥ，ＨＲＥＥ比值大于酸性岩、北美页岩及俄罗斯地台页岩的ＬＲＥＥ，Ｉ－ＩＲＥＥ
比值（７．５—７ ７５），在８．２５一ｌ８ ２５之间，明显地富集轻稀土。样品包括 卜１、ＤＴ－２、
ＭＣｒ－Ｉ、Ｐ－１０、￣ＬＣ－Ｉ、ＸＷ－３、Ｂ一２８（图ｌａ、ｂ）。在这些样品中，晶粒高岭石居多（例如
卜２、ＭＣｒ－１、ＸＷ－３、］３－２８、ｐ－１０），占７１．４％。在镜下观察这些晶粒高岭石多具有长石和
云母的假象，其物质来源多以空降火山灰为主 （ｂ）除ａ之外，其余样品的ＬＲＥＥ／ＨＲＥＥ
均小于酸性岩和北美页岩及俄罗斯地台页岩的ＬＲＥＥ／ＨＲＥＥ比值，在２．２４—５．９８之间。
在这些样品中，高岭石晶体形态主要是为隐晶质，占７２．７％。其物质来源多以陆地风化搬
运来的高岭石粘土颗粒为主，由此看来，强烈的表生风化作用可能使轻稀土相对亏损。其
原因可能与微粒粘土对稀土元素离子的吸附有关。在隐晶高岭岩中，高岭石粒度较小，比
表面积增大，稀土元素主要呈现吸附状态存在。由于镧系收缩，稀土元素原子半径从Ｌａ—
Ｃｅ…Ｇｄ—Ｈ０一Ｌｕ逐渐减小，但其被吸附的能力则依次增大，因此在隐晶高岭岩中，可能
过多地吸附了重稀土元素离子，从而导致ＬＲＥＥ／ＨＲＥＥ比值减小。
（３） Ｅｕ为铕的异常系数，它可灵敏地反映体系内的地球化学状态，并可作为鉴别物
质来源的重要参数。如中性斜长岩一般具铕正异常，玄武岩大多投有铕异常，而花岗岩多
为铕负异常。研究区样品除Ｙ＿４样品具明显的铕正异常（ Ｅｕ：１．９７）外，其余均为负铕异
常（ｄＥｕ＜１）（图３）。Ｙ 在镜下可见明显的长石和云母假象，再结合该样品具有明显的
铕正异常，可以推断其物质来源于含斜长石较多的中性火山灰。具铕负异常的样品，其物
质主要来自于酸性母岩。
（４）ｄＣｅ为铈的异常系数。铈是变价元素，除呈Ｑ”外，在氧化条件下可变成ｃｅ“，
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第２期 刘钦甫等：华北晚古生代煤系高岭岩微量元素和稀土元素地球化学研究 ２０１
地区 淮南淮南准格尔王台铺酉旺准格尔准格尔准格尔准格尔包头包头包头
注：基性岩、酸性岩、北美页岩和俄罗斯地台页岩数据引自文献【】２】．ＬＲ／Ｈ晾示ＬＲＥＥ，ＨＲＦＥ．
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地 球 化 学 １９９８正
因其离子电位与ＲＥＥ３一差别较大而发生分离。研究区样品ｄＣｅ在０．７—０．９２之间呈微弱的
铈负异常，其数值基本与北美页岩和俄罗斯地台页岩的 Ｃｅ（前者为０ ９４，后者为０．７９）一
２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ０●２ ３
致。
（５）在山东Ａ层高岭岩剖面上，稀土元素呈现有规律的变化（图３ｄ），从岩层下部到
上部（ＱＧ－Ｉ—Ｑ（１厂４），稀土元素分布曲线几乎平行地向下移动，也即稀土总量逐渐减少，
￡ ’Ｅ（Ｉｘｇ／ｇ）从１８６．０—１００．９４—２０．５５—２３．６８。ＬＲＥＥ／ＨＲＥＥ所反映的轻重稀土分馏程
度也表现为：从下到上，轻稀土逐渐减少，重稀土相对富集。 ＥＩＪ也表现为由明显的铕负
异常逐渐过渡为微弱的铕负异常（０．５８—０．６９—０．８７—０．８８１。这种变化趋势代表了一种古
代风化剖面，表明剖面由下向上风化作用逐渐增强，导致稀土元素活化、迁移流失，稀土元
素分配逐渐趋于均一化。
以上微量元素和稀土元素研究表明，研究区煤系高岭岩原始成矿母质主要是酸性岩
包括酸性陆源母岩和酸性火山灰。局部有中性和基性火山灰来源。
研究过程中得到张鹏飞教授、韩德馨院士和任德贻教授的指导，在此表示感谢。
参 考 文 献
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冯宝华．我国北方石碳—二叠纪火山灰沉积水解改造而成的高岭岩
粱绍暹．华北聚煤区火山灰蚀变桔土岩央矸研究．中国煤田地质．Ｉ９９５．７（１）；５９—６３．
刘钦甫．张鹏飞，杨晓杰 淮南下石盒子组球粒状高岭岩结构及成因探讨．地质科学．Ｉ９９５．３０（４）：３９３－－４００．
Ｔａｙｌｏｒ Ｓ ｌＬ Ａｂｕｍｉａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅｍｉｃａＪ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃ咖 ｎｅＤｔａｌ ｃｒｕｓｔ：Ａ ｆｌｅｗ ａｂｌｅ．Ｇｅｏｃｈｉｍ Ｃｏｓｍｏｃｈｉｍ
Ａｃｔａ．Ｉ９６４，２８（８）：Ｉ２７３—１２８６
Ｔｕｒｅｋｉａｎ Ｋ Ｒ Ｗｅｄｅｐｏｈｉ Ｋ Ｉ－Ｌ Ｄｉｓｔｉｆｂｕｆｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｒａｅｎｔｓ ｉｎ ｓｏｍｅ ｍａｊｏｒ ｕｎｉｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ＇ｓ ｃｒｔｌｓｔ．Ｇｅｂｌ
Ｓｃ￣Ａｍ ＢｕｌＬ １９６１．７２：１７５—１９１
戎秋涛．翁焕新．环境地球化学．北京：地质出版社．Ｉ９９０．３２９－－３３２．
刘钦甫华北晚古生代煤系高岭岩岩矿 地球化学和成因模式研究：【博士学位论文】．北京：中国矿业大学北
京研究生部，１９９６．
Ｓｐｅａｒｓ Ｄ Ａ－Ｋａｎａｔｉｓ－Ｓｏｔｉｒｉｏｕ ｌＬ Ａ ｇｅｃｃｈｅｍｉｃｆｌ ａｎｄ ｍｉｎｅｒａｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｍｅ Ｂｒｉｉｓｈ ａｎｄ ｏ￣ｈｅｒ ｔ
Ｅｕｒｏｐｅａｎ ｔｏｎｓｔｓｉｎｓ．Ｓｅｄｉｍｃｎｔｏｌｏｇｙ．Ｉ９７９．２６：４０卜４２５
赵其茌ＩＩ．程广芬编梅洋地球化学．北京；地质出版社，Ｉ９８９．１ ３（卜Ｉ５３．
刘英俊．曹励明等．元素地球化学．北京：科学出版社．Ｉ９８６．１８４．
陈德潜．陈刚．实用稀土元素地球化学．北京：冶金工业出版社，１９９６．１—２６８．
亨德森编．稀土元索地球化学．田丰等译．北京：地质出版社，Ｉ９８９．Ｉ一２８４
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第２期 刘钦甫等：华北晚古生代煤系高岭岩微量元素和稀土元素地球化学研究 ２０３
ＧＥ０ＣＨ噩ＭＩ ＲＹ ｏＦ ＴＲＡＣＥ ＥＬＥＭ匝ＮＴＳ ＡＮＤ ＲＥＥ ｏＮ
ＫＡｏＬＩＮＩＴＥ Ｒ０ＣＫＳ ＩＮ ＬＡＴＥ—＿ＰＡＬＡＥｏ乃ｏＩＣ
ＭＥＡＳＵＲＥＳ，ＮｏＲＴＨ ＣｍＮＡ
Ｌｉｕ Ｑｉｎｆｕ￣Ｙａｎｇ Ｘｉｏａｊｉｅ。Ｄｉｎｇ Ｓｈｕｌｉ。
（①Ｂｅｉｊ岫Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓ ｏｆＭｉｎ垤ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊ岫１０００８３）
（＠Ｈｅｂｅｉ ｔｎｓｔｉｍｔｅ ｏｆ Ｃｏｎｓ￣ｕｃ６ｏｎ Ｓｃｗｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｄａｎ ０５６０３８）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｂｅｓｅｄ ｏＲ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｒａｃｅ ｅｌｃｍｅｒｉｔｓ ａｎｄ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｌＪｏｓ ｏｆ
ｎ／ＡＩ，Ｃｒ／ＡＩ，Ｚｒ／Ａ１，Ｎｉ／ＡＩ ａｎｄ Ｚｒ／ａｆ，ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｏｎｄｉｆｏｎ ａｎｄ ｐｃＯ＇ｏｇｅｎｉｃ／
ｍｅｔａｌｌｏｇｅｎｅｌ￣ｅ ｐｒｏｖｅｎａｎｃｅ ｏｆ ｋａｏｌｉｎｉｔｅ ｒｏｃｋｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｋａｏｌｉｎｉｅｔ ｒｏｃｋｓ ａｒｅ
ｍａｉｎｌｙ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ａｃｉｄ ｒｃｏｋｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｃｉｄ ｇｒａｎｉｅｔ ｉｎ ｐｒｏｖｅｎａｎｃｅ ａｎｄ ａｃｉｄ
ｖｏｌｃａｎｉｃ ａｓｈ，ａｎｄ ｌｏｃａｌｌｙ ｆｒｏｍ ｎｅｕｔｒａｌ ａｎｄ ｂａｓｉｃ ｖｏｌｃａｎｉｃ ａｓｈ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌ ｍｅａｓｕｉ＇ｅｓ，ｋａｏｌｉｉｎｔｅ ｒｃｏｋ，ｔｒａｃｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ＲＥＥ，ｐｒｏｖｅｎａｎｃｅ
2024年5月21日发(作者：汗欣怡)
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（①中国矿业大学北京研究生部北京 １０００８３）
（②河北建筑科技学院邯郸０５６０３８）
摘 要 通过华北晚古生代煤系高岭岩微量元素和稀土元素研究，以及利用Ｔ Ａ】、
Ｃｒ／ＡＩ、ｚ Ａ】、Ｎｉ，Ａ】和ｚ Ⅲ比值，探讨了研究区煤系高岭岩形成时的地质条件和成岩（矿）物
质来源。研究表明，研究区煤系高岭岩成矿母质主要来源于酸性岩石，包括源区花岗岩类和酸
性火山灰，局部有中性和基性火山灰。 ． 、 ７
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．
堡ｌ里 童 圭墨 物源 弘亿罕
分类号Ｐ ５９５
我国煤系中赋存丰富的高岭岩（土）矿产资源。近十几年来，国内一些学者“ 主要对
其进行了矿物学和岩石学方面的研究，而地球化学方面研究的文章则比较少见。
本文根据华北内蒙准格尔煤田露天矿和包头煤矿 山西省大同、平鲁、晋城、长治等地
的山西组和太原组煤层夹矸和顶底板高岭岩，以及山东新汶上石盒子组Ａ层和淮南下石
盒子组Ｂ层高岭岩样品的中子活化分析结果，研究了微量元素和稀土元素分布规律，探讨
了研究区煤系高岭岩形成时的地质条件和成岩（矿）物质。
１微量元素分布特征
ｌ＿１微■元素含■
一
作者将微量元素的平均值与地壳、玄武岩、花岗岩中各元素含量平均值进行了比较
（表１）ｔ发现Ｍｏ、、ｖ１ Ｈｆ，Ｔｈ、Ｕ、Ａｇ、ｓｂ的丰度均大于３种对比岩石中的丰度，其他元素
小于或介于３者之间。根据某些微量元素特征可以获得有关物源方面的信息。
１．２微量元素Ｒ型聚类分析
通过对微量元素Ｒ型聚类分析（图ｌａ），以相关系数ｒ＝０ ８为基准，可将元素分为ｌ４
组之多，其中Ｓｃ、Ｍｎ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｈｆ，Ｎｉ、Ｍｏ为一组，相关性较好，相关系数为０，８４４，其他元素
第一作者简介：剂钛甫男 ３３岁博士 副毂授沉积学 牯土矿物学
·国家自然科学基童资助项目（编号：４９３７２］２２）
收稿日期１９９７－０３－￣３、改回日期Ｉ９９７－０７＿０７
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表１研究区高岭岩中微■元素含量（ ｇ，ｇ）
Ｔａｂｌｅ ｌ Ｃｏｎｔｅｎｔｓ（ ，ｇ）ｏｆ ｕ￣ｄ，ｇｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｋａｏｌｉ￣ｌｅ ｒｏｃｋｓ ｉｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｔ￣．ａ
元素 高．争岩 ” 地壳 ’ 玄藏岩０ 花岗岩 ‘ 元素 高峰岩 。 地壳。 言武岩
０ ５
花岗岩“
０ ５
Ｍｏ ！ ： ＝箜：
２６．４
Ｉ ５
Ｉ ５
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３７５ ４６５ ３００
ｎａ 最 ｓ Ⅲ ８３０
注：（１）研究区样品含量，分子为范国，分母为平均值，由中国科学院高能物理研究所何橙用中子括化（／ＮＡＡ）法
铡试，检测限≥０ ｌ ｇ，ｇ。标准偏差±２％一７％，以下同 （２）地壳中的平均丰度。据文献ｆ５］。（３）玄武岩中的平均丰
度，据文献［６］；【４）花岗岩中的平均丰度，引自文献ｆ７］．
或一个一组，或两个一组，相关性较差。元素的相关性受两方面控制，一方面是元素本身
的地球化学性质，化学性质相近的元素具有较好的相关性；另一方面受表生作用条件（温
度、生物活动、风化、搬运、沉积作用）及成岩变化影响，使元素产生分异。我国华北石炭一
二叠纪时期，气候温暖潮湿，植物繁盛，风化作用，特别是化学风化和生物化学风化作用强
烈，沉积物经过了长期的搬运和分异，这种地质背景条件导致了元素之间的极大分异，这
可能是元素之间的相关性变差的一个重要原因。
１．３样品的Ｑ型聚类分析
根据研究区样品微量元素含量，作者对样品进行了Ｑ型聚类分析。由图】ｂ可以看
出，样品明显分为３类：Ａ为山东Ａ层高岭岩样品；Ｂ为淮南Ｂ层高岭岩样品；ｃ为煤层
夹矸和顶底板型高岭岩样品。Ａ和Ｂ两群样品相关性较好，ｃ群样品虽变化稍大，但总体
上仍可归为一群。作者其他方面的研究表明 ，山东Ａ层高岭岩是由古土壤风化形成，淮
南Ｂ层高岭岩是由陆源高岭石搬运至三角洲平原上的湖泊环境沉积形成，而煤层夹矸和
顶底板高岭岩是在沼泽环境中由火山灰蚀变或陆源搬运沉积形成。这说明不同成因的高
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地 球 化 学 １９９８年
ｒ＝０ ８
图ｌ微量元素Ｒ型（ａ）和样品Ｏ型（ｂ）聚娄分析
ｆ ．Ｉ Ｒ ｃｌｕｓｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｎ ｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ（ ａｎｄ Ｑ ｃ］ｕｓｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ（ｂ］ｆｂｒ ｓａｍｐｌｅｓ
岭岩，微量元素所反映出的特征是有所差异的。
２微量元素与物源分析
２．１ Ｔ［／ＡＩ、Ｃｒｔ ＡＩ、Ｚｒｔ ＡＩ和Ｎｉ／ＡＩ比值与物源
利用单元素变量进行物源分析影响因素多、
变化性大，而利用多变量的元素对进行物源分析，
可以最大限度地避免这些不利因素。 ／Ａ】、
Ｃｒ／Ａ１、Ｚｒ／Ａ】和 ，Ａｌ比值可以较好地用于物源分
析 。
将研究区样品的 ／Ａ１、Ｎｉ／Ａ１、ＣｒｔＡ１和Ｚｒ／Ａ１
的数据与不同作者报道的基性岩、中性岩、富钙酸
性岩、贫钙酸性岩、花岗岩的数据进行了比较，并
利用计算机采用正规化—斜交距离一重心法进行了
Ｑ型聚类分析。从图２可以看出，以斜交距离 ：
０．４６８为界，可以明显地将研究区样品与中性岩、
基性岩和超基性岩划分开。研究区样品除Ｈ＿２５和
图２基于删Ａ１、Ｃｏ／Ａ１、ＮｒｌｔＡ１、
Ｈ—ｌ１—２之外，其余样品均与贫钙酸性岩、富钙酸性
的Ｑ型聚类分析
岩和花岗岩形成一个大的点群，具有密切的相似
Ｆｉｇ ２ Ｑ ｃｌｕｓｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ＯＮ Ｔｉ／ＡＩ
性，表明物源区岩石或原始成矿母质主要为酸性
Ｚｒ！ＡＩ，Ｎｉ／ＡＩ ａｎｄ ＡＩ
岩石。Ｈ＿一２５和Ｈ广－Ｉ１—２样品均是与风化煤共生的
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第２期 刘钦甫等：华北晚古生代煤系高岭岩微量元素和稀土元素地球化学研究 １９９
软质高岭土，前者与中性岩具有相似关系，而后者与基性岩具有相似关系。｝卜ｌ１—２样品与
其他样品明显不同之处是里面含有大量的重矿物，成群分布，主要是锆石 电气石和磷灰
石。｝卜２５样品中了也可见少量的错石和磷灰石，并且在其下部的硬质高岭岩中发现有高
温石英及长石、火山黑云母蚀变成高岭石的假象。从Ｑ型聚类分析结果，结合镜下观察特
征，作者认为这两块样品的原始成矿母质可能来源于基性和中性火山灰
２．２ Ｚｒ／Ｈｆ比值与物源
盈和Ｉ－Ｉｆ是一对亲密伴生的元素，两者关系比其他任何一个元素对都密切，因此利用
Ｚｒ／ＨＩ＂比值可以有效地判断岩石的成因和物源。从表２可以看出，从超基性岩一基性岩一
中性岩一酸性岩，Ｚｒ／ＨＩ＂比值逐渐减少。研究区Ｚｒ／Ｈｆ比值在ｌ１．１１—３１．４ｌ之问，平均为
ｌ ５．０５，与花岗岩的数值比较接近。这也说明了研究区高岭岩的原始成矿母质主要与酸性
岩石有关。
表２不向岩石中的Ｚｆ／Ｈｆ比值
Ｔａｂｌｅ ２ Ｒａｔｉｏ ｏｆ Ｚｒ／Ｈｆｉｎ ｄｉｆｅｒｅｎｔ眦ｋｓ
岩石类型
纯橄榄岩
样品号
［ｕｇ／ｇ）
ＤＴＳ一】 ３
ＨＩ＂
（Ｐｇ／ｇ）
０．０１
Ｚｒ／ＨＩ＂
３００
岩石类型 样品号
花岗闪长岩ＪＧ—Ｉ
ｚｒ
（¨ｇ，ｇ）
Ｉ６Ｏ
ＨＩ＂
（¨ｇ，ｇ］
３．５
ｚ ＨＩ＂
４６
橄榄岩
富武岩
言武岩
辉绿岩
安山岩
ＰＣＣ－Ｉ
ＪＢ—Ｉ
ＢＣＲ
ｗ—Ｉ
ＡＧＶ—Ｉ
７
３００
Ｉ９０
１０５
２２５
００６
３ ５
４ ７
２．６７
５．２
ｌｉ ７
８６
４Ｏ
３９
４３
花岗岩
花岗岩
花岗岩
正长岩
ｌ
Ｇ一２
ＧＭ
ＮＩＭ＿ｓ
２１０
３００
１４５
３００
３０
５．２
７ ３５
４．７
１２
０ ６
４０
４１
３１
２５
５０
花岗岩 ＮＩＭ－Ｇ
研究区样品 花岗闲长岩ＧｓＰ－１ ５００ Ｉ５．９ ３】 ３５ ２—３６１ ２．９－－２３ ９ １１．１－３１ ４
注：除研究区样品外，其余样品数据引自文献【ｌ１］
３稀土元素地球化学
对研究区稀土元素分析结果进行了球粒陨石标准化处理并做图（图３）。球粒陨石标
准化采用目前较广泛应用的赫尔曼 ２２个球粒陨石平均值。同时还与北美页岩、俄罗斯
地台页岩 基性岩和酸性岩中稀土元素数据进行了比较。研究区高岭岩中稀土元素分布
具有如下特征。
（１）从稀土元素总量（表１）来看，其数值变化较大，ｚ唧从８．２４ Ｐ－ｇ／ｇ到
５５９．１７ｐ，ｇ／ｇ。其中ｖ＿４、ｘＬｃ １ ｝卜２５、Ｂ一２８、Ｑ（’广１ ｝卜ｌ卜２、０３０８—１３样品明显大于北美
页岩组舍样的平均值（１７３ ２ ｇ／ｇ），其Ｙ．ＲＥＦＡＥ １ ８６．Ｏ０—５５９．１７ ｇ／ｇ之间。其余样品的
Ｚ Ｒ１ Ｅ值均小于北美页岩中的平均值，多数在４Ｏ一９Ｏ ｇ／ｇ之间，大约是北美页岩的
ｌ／４—１／２，相对于北美页岩稀土元素明显亏损。在风化过程中，ＤＨ值是控制ＲＥＥ活化
的一个主要因素“ ，在酸性条件下，ＲＥＥ发生活化，易于从粘土中迁移出来，而在中性和碱
性条件下，ＲＥＥ则变得凝滞了。因此笔者认为，沼泽环境中的高岭岩与通常的页岩相比，
由于其形成于特殊的酸性环境条件，发生了稀土元素的活化迁移，因而具有比通常页岩低
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地 球 化 学 １９９８正
１。００
ｌ
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１
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和
Ｌｉ Ｐｒ ５ｍ Ｇｄ Ｄ，Ｅｒ￣＇ｂＬｕ
图３研究区高岭岩稀土元素分配模式图
开ｇ ３ ＲＥＥ ｄｉｓａＳｂｕｔｉｏｎ ｐａｔ ｍｓ ｏｆ ｋａｏｌｉｎｉ￣ｒｏｃｋｓ ｉｎ血ｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａ ａ
的三ＲＥＥ含量。
（２）ＬＲＥＥ／ＨＲＥＥ比值反映了轻重稀土的分馏程度，ＬＲＥＥ代表轻稀土总含量，
ＨＲＥＥ代表重稀土总含量。研究区样品ＬＲＥＦＹ ＨＲＥＥ比值在２ ２４—１ ８．２５之间，明显可分为
两组。（ａ）ＬＲＥＥ，ＨＲＥＥ比值大于酸性岩、北美页岩及俄罗斯地台页岩的ＬＲＥＥ，Ｉ－ＩＲＥＥ
比值（７．５—７ ７５），在８．２５一ｌ８ ２５之间，明显地富集轻稀土。样品包括 卜１、ＤＴ－２、
ＭＣｒ－Ｉ、Ｐ－１０、￣ＬＣ－Ｉ、ＸＷ－３、Ｂ一２８（图ｌａ、ｂ）。在这些样品中，晶粒高岭石居多（例如
卜２、ＭＣｒ－１、ＸＷ－３、］３－２８、ｐ－１０），占７１．４％。在镜下观察这些晶粒高岭石多具有长石和
云母的假象，其物质来源多以空降火山灰为主 （ｂ）除ａ之外，其余样品的ＬＲＥＥ／ＨＲＥＥ
均小于酸性岩和北美页岩及俄罗斯地台页岩的ＬＲＥＥ／ＨＲＥＥ比值，在２．２４—５．９８之间。
在这些样品中，高岭石晶体形态主要是为隐晶质，占７２．７％。其物质来源多以陆地风化搬
运来的高岭石粘土颗粒为主，由此看来，强烈的表生风化作用可能使轻稀土相对亏损。其
原因可能与微粒粘土对稀土元素离子的吸附有关。在隐晶高岭岩中，高岭石粒度较小，比
表面积增大，稀土元素主要呈现吸附状态存在。由于镧系收缩，稀土元素原子半径从Ｌａ—
Ｃｅ…Ｇｄ—Ｈ０一Ｌｕ逐渐减小，但其被吸附的能力则依次增大，因此在隐晶高岭岩中，可能
过多地吸附了重稀土元素离子，从而导致ＬＲＥＥ／ＨＲＥＥ比值减小。
（３） Ｅｕ为铕的异常系数，它可灵敏地反映体系内的地球化学状态，并可作为鉴别物
质来源的重要参数。如中性斜长岩一般具铕正异常，玄武岩大多投有铕异常，而花岗岩多
为铕负异常。研究区样品除Ｙ＿４样品具明显的铕正异常（ Ｅｕ：１．９７）外，其余均为负铕异
常（ｄＥｕ＜１）（图３）。Ｙ 在镜下可见明显的长石和云母假象，再结合该样品具有明显的
铕正异常，可以推断其物质来源于含斜长石较多的中性火山灰。具铕负异常的样品，其物
质主要来自于酸性母岩。
（４）ｄＣｅ为铈的异常系数。铈是变价元素，除呈Ｑ”外，在氧化条件下可变成ｃｅ“，
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地区 淮南淮南准格尔王台铺酉旺准格尔准格尔准格尔准格尔包头包头包头
注：基性岩、酸性岩、北美页岩和俄罗斯地台页岩数据引自文献【】２】．ＬＲ／Ｈ晾示ＬＲＥＥ，ＨＲＦＥ．
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因其离子电位与ＲＥＥ３一差别较大而发生分离。研究区样品ｄＣｅ在０．７—０．９２之间呈微弱的
铈负异常，其数值基本与北美页岩和俄罗斯地台页岩的 Ｃｅ（前者为０ ９４，后者为０．７９）一
２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ０●２ ３
致。
（５）在山东Ａ层高岭岩剖面上，稀土元素呈现有规律的变化（图３ｄ），从岩层下部到
上部（ＱＧ－Ｉ—Ｑ（１厂４），稀土元素分布曲线几乎平行地向下移动，也即稀土总量逐渐减少，
￡ ’Ｅ（Ｉｘｇ／ｇ）从１８６．０—１００．９４—２０．５５—２３．６８。ＬＲＥＥ／ＨＲＥＥ所反映的轻重稀土分馏程
度也表现为：从下到上，轻稀土逐渐减少，重稀土相对富集。 ＥＩＪ也表现为由明显的铕负
异常逐渐过渡为微弱的铕负异常（０．５８—０．６９—０．８７—０．８８１。这种变化趋势代表了一种古
代风化剖面，表明剖面由下向上风化作用逐渐增强，导致稀土元素活化、迁移流失，稀土元
素分配逐渐趋于均一化。
以上微量元素和稀土元素研究表明，研究区煤系高岭岩原始成矿母质主要是酸性岩
包括酸性陆源母岩和酸性火山灰。局部有中性和基性火山灰来源。
研究过程中得到张鹏飞教授、韩德馨院士和任德贻教授的指导，在此表示感谢。
参 考 文 献
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刘长龄．王双彬．论晋北石炭二叠系紫色高岭石桔土的成目．岩石学报．Ｉ９８７．（２）；２５—３６．
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第２期 刘钦甫等：华北晚古生代煤系高岭岩微量元素和稀土元素地球化学研究 ２０３
ＧＥ０ＣＨ噩ＭＩ ＲＹ ｏＦ ＴＲＡＣＥ ＥＬＥＭ匝ＮＴＳ ＡＮＤ ＲＥＥ ｏＮ
ＫＡｏＬＩＮＩＴＥ Ｒ０ＣＫＳ ＩＮ ＬＡＴＥ—＿ＰＡＬＡＥｏ乃ｏＩＣ
ＭＥＡＳＵＲＥＳ，ＮｏＲＴＨ ＣｍＮＡ
Ｌｉｕ Ｑｉｎｆｕ￣Ｙａｎｇ Ｘｉｏａｊｉｅ。Ｄｉｎｇ Ｓｈｕｌｉ。
（①Ｂｅｉｊ岫Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓ ｏｆＭｉｎ垤ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊ岫１０００８３）
（＠Ｈｅｂｅｉ ｔｎｓｔｉｍｔｅ ｏｆ Ｃｏｎｓ￣ｕｃ６ｏｎ Ｓｃｗｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｄａｎ ０５６０３８）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｂｅｓｅｄ ｏＲ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｒａｃｅ ｅｌｃｍｅｒｉｔｓ ａｎｄ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｌＪｏｓ ｏｆ
ｎ／ＡＩ，Ｃｒ／ＡＩ，Ｚｒ／Ａ１，Ｎｉ／ＡＩ ａｎｄ Ｚｒ／ａｆ，ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｏｎｄｉｆｏｎ ａｎｄ ｐｃＯ＇ｏｇｅｎｉｃ／
ｍｅｔａｌｌｏｇｅｎｅｌ￣ｅ ｐｒｏｖｅｎａｎｃｅ ｏｆ ｋａｏｌｉｎｉｔｅ ｒｏｃｋｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｋａｏｌｉｎｉｅｔ ｒｏｃｋｓ ａｒｅ
ｍａｉｎｌｙ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ａｃｉｄ ｒｃｏｋｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｃｉｄ ｇｒａｎｉｅｔ ｉｎ ｐｒｏｖｅｎａｎｃｅ ａｎｄ ａｃｉｄ
ｖｏｌｃａｎｉｃ ａｓｈ，ａｎｄ ｌｏｃａｌｌｙ ｆｒｏｍ ｎｅｕｔｒａｌ ａｎｄ ｂａｓｉｃ ｖｏｌｃａｎｉｃ ａｓｈ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌ ｍｅａｓｕｉ＇ｅｓ，ｋａｏｌｉｉｎｔｅ ｒｃｏｋ，ｔｒａｃｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ＲＥＥ，ｐｒｏｖｅｎａｎｃｅ