석탄은 주로 식물 잔체에 의해 형성된 고체 가연성 광물로, 유기물과 무기물이 모두 있어 지각에서 흔히 볼 수 있는 광물의 각종 원소가 거의 함유되어 있다. 현재, 이미 60 여 종의 석탄 관련 원소가 발견되었다. 이러한 관련 원소의 함량은 높지는 않지만, 대부분의 평균 함량은 지각에 있는 이 원소의 평균 함량 (클라크 값) 을 초과한다. 석탄의 미량 원소나 미량 원소라는 단어는 19 세기 중엽에서 유래했다. 스펙트럼 분석법으로 석탄의 원소 구성을 측정할 때만 미량이나 미량화학 원소의 존재를 질적으로 결정할 수 있기 때문에 미량이나 미량원소라고 부른다.
석탄의 미량 원소의 축적은 원시 석탄 형성 물질의 원소 구성, 석탄 형성 환경의 특징, 그리고 석탄기와 그 이후 경험한 각종 물리적, 화학적, 지구화학 작용에 달려 있다. 석탄에서 동반되는 미량 원소와 석탄 형성 과정의 관계에 따라 미량 원소의 출처는 다양하다. 일부 미량 원소는 석탄 식물의 생존 상태로 존재하고 석탄으로 들여온다. 일부 원소들은 석탄식물이 사망한 후 토탄늪에 축적되어 바람, 물, 대기강수 등과 같은 외력으로 광물 불순물에 들어간다. ). 석탄물질이 토탄을 형성하고 매장된 후, 석탄화작용 과정에서 일부 미량 원소가 물 침출과 구멍 틈과 구조 균열을 따라 상복암층에서 석탄으로 스며들었다. 석탄이 된 후 화성암의 침입 접촉, 휘발성 가스, 후기 열액 활동으로 인해 일부 미량 원소가 석탄으로 유입되었다.
많은 연구결과에 따르면 유기질은 석탄에 동반되는 미량 원소의 농축에 줄곧 중요한 역할을 하고 있다. 그 중에서도 늪에서 식물 잔체의 분해 과정은 원소의 이동과 농축작용을 더욱 두드러지게 한다. 석탄의 미량 원소의 농축은 기본적으로 화학과 물리적 흡착, 즉 석탄물질이 분해되어 형성된 부식산과 부식질이 매우 높은 흡착 능력을 가지고 있어 석탄 초기 미량 원소의 농축에 유리하다. 또한 배위는 아미노, 히드 록실, 카르복실기 등 관능단과 이탄 늪의 부식질 등 유기물을 함유하고 있기 때문에 특정 미량 원소의 이동 농축 능력을 바꿀 수 있다. 원소가 형성하는 금속 유기착물은 물에 용해되지 않고, 이동능력이 낮아 부자가 되고, 물에 용해되어 원소의 이동능력을 크게 증가시킨다. 대부분의 미량 원소의 경우, 석탄 늪과 다른 수역에서의 농도는 일반적으로 매우 작으며, 용액으로부터 침전되는 것은 거의 불가능하다. 왜냐하면 그것들은 용해도를 초과하기 때문이다. 따라서 부식질은 흡착제의 흡착으로 원소 이동과 농축의 기본 경로가 된다.
석탄층과 석탄층 사이의 미량 원소의 분포는 많은 지질과 지구 화학적 요인에 의해 결정된다.
석탄의 미량 원소의 함량은 분명히 석탄 형성 환경, 특히 환경의 pH 와 Eh 값의 변화에 달려 있으며, 탄암 성분과 늪 환경의 차이뿐만 아니라 미량 원소의 집합과 분산에도 영향을 미친다.
미량 원소와 유기물의 친화력은 다르다. 이온이 비교적 높은 금속 원소 (예: 플루토늄, 우라늄, 지르코늄 등) 는 석탄의 유기질과 거의 완전히 결합될 수 있으며, 비교적 강한 유기친화력을 가지고 있으며, 주로 석탄의 겔화 그룹에 농축된다. 명체프 (1972) 의 갈탄 성분과 일부 미량 원소 함량에 대한 자료에 따르면 원탄과 비교했을 때 목탄은 바나듐, 망간, 스트론튬, 바륨이 풍부하고, 경질조는 납, 니켈, 젤은 코발트, 비소, 은, 몰리브덴이 풍부하다 견운모의 원소에 대한 농축은 주로 광화작용이지만, 텅스텐과 텅스텐의 농축은 유기질과 관련이 있을 수 있다.
석탄의 미량 원소의 농축도 접촉 변질과 지역 변질의 영향을 받는다. 접촉 변질은 종종 비교적 젊은 화성암 침입으로 인해 발생하며, 대부분 광화작용을 동반한다. 침입체는 휘발성 기체와 열액의 작용을 가지고 있기 때문에, 일부 미량 원소가 풍부하게 된다. 지역 변질작용은 플루토늄, 게르마늄 등 다양한 원소의 농축에 뚜렷한 영향을 미치며, 미량 원소의 함량은 변질도가 증가함에 따라 감소한다. 석탄화 작용 중 광물 성분 (탄산염, 산화물 등 염류) 은 부식산 등 유기화합물과 분리될 수 있고, 용해성 성분 (예: GeO2 또는 Na2GeO3) 은 순환수에 의해 석탄층에서 빠져나오기 때문이다.
많은 미량 원소의 농축은 흔히 석탄층의 지층과 관련이 있으며, 석탄층에서는 흔히 석탄층 꼭대기, 후면판, 집게 부근의 지층에 집중되어 있다. 그 중에서도 석탄지층을 함유한 지질시대 (층위) 가 미량 원소에 미치는 영향은 주로 지질사의 진화에 따라 각종 지질작용, 고식물의 진화, 고기후, 고환경의 특징이 돌이킬 수 없는 변화로 인해 발생하지만 구체적인 영향 메커니즘, 미량원소의 범위와 정도는 여전히 연구해야 할 문제이다. 석탄층의 미량 원소가 상단 바닥과 집게 부근에 있는 농축 메커니즘은 토탄 늪이 쌓이기 전후에 다른 시기보다 더 많은 광물과 풍부한 광물 용액이 늪에 들어와 형성된다고 생각하는 사람들도 있다.
많은 연구자들은 미량원소가 석탄층 꼭대기, 후면판, 맥석 부근의 농축은 성암 과정이나 성암 이후 석탄층 주변암이나 토탄층의 미량원소가 확산과 침투를 통해 농축되고, 주변암탄층 부근에 부집합 지대를 형성하기 때문에 접촉대 부집합이라고 하는데, 석탄층에서의 확산은 주로 젤라틴 물질에서 직접 이루어진다. 이 인식은 미량 원소가 얇은 석탄층과 렌즈 석탄층에서 쉽게 농축되는 이유를 더 설명한다.
석탄에서 동반되는 미량 원소의 농축은 유기질과 밀접한 관련이 있을 뿐만 아니라 무기회와도 관련이 있다. 일부 미량 원소는 석탄층이나 토탄층에 들어간 후 일정한 원인 유형을 가진 미네랄 (즉, 미량 원소 운반체) 과 결합한다. 이런 미네랄이 많을수록 석탄에 모이는 미량 원소가 많아진다.
상술한 요소 외에 석탄층이 형성한 고지리 조건도 미량 원소의 농축에 영향을 미친다. 예를 들어, 미량 원소는 석탄 분지 가장자리나 물원 지역 근처의 석탄에서 농축되는 경향이 있습니다. 일부 미량 원소는 육상탄분지에서 함량이 높고, 근해 석탄분지에서는 함량이 낮다. 예를 들면 석탄의 텅스텐과 같다. 또한 일부 석탄의 미량 원소의 농축은 동생이나 준동생의 마그마와 화산 활동과 관련이 있다.
석탄의 미량 원소가 개발 활용에 적합한 함량이 되면 유용한 광산자원으로 사용될 수 있다. 석탄의 적용 범위가 확대됨에 따라 석탄의 미량 원소 연구에 관련된 문제도 갈수록 많아지고 있다. 예를 들어 석탄 평가, 석탄 세척 가공, 석탄 맥석 처리 및 석탄 찌꺼기 무해화 처리, 석탄 종합 이용, 환경 보호, 미량 원소가 석탄 기화와 액화에서 작용하는 역할 연구 등이 있다. 탄전 지질 연구에서 석탄의 미량 원소 연구는 석탄층 비교, 석탄화작용 연구 및 성탄 환경 분석을 위한 방법과 근거를 제공한다.
석탄이 가공 이용될 때 석탄의 미량 원소는 액체 탄화수소 제품, 코크스 등의 제품으로 전환된다. 석탄의 복잡한 전환 과정에서 미량 원소는 촉매제나 억제제의 역할을 할 수 있지만, 일부 원소는 석탄 연소나 석탄과 석탄재의 풍산화로 인해 주변 환경으로 방출된다. 어떤 원소는 일정한 형태를 통해 동물, 식물, 인간에 대한 유독물질이 된다. 미국의 자료에 따르면, 석탄 연소에 의해 형성된 우라늄, 토륨, 삼중 수소, 아르곤, 불활성 가스, 요오드, 라돈, 플루토늄 등 일부 방사성 핵종은 인체 발암 독소가 되기 쉽다.
핵공업과 전자공업이 발달하면서 희귀금속에 대한 수요가 급속히 증가하면서 많은 국가들이 석탄의 미량 원소에 대한 연구와 이용을 전개하였다. 최근 석탄의 독성, 방사성, 부식성의 미량 원소가 광범위하게 연구되었다. 게르마늄, 우라늄, 텅스텐은 중국과 석탄이 동반하는 가장 풍부한 미량 원소로, 각각 아래와 같이 열거되어 있다.
둘. 우라늄
우라늄은 현대 원자력 공업의 주요 원료이며, 석탄과 공생하는 우라늄은 이 광상의 중요한 유형 중 하나이다. 석탄에서 우라늄을 동반하는 공업급 요구는 일반적으로 0.02% 이다.
현재 알려진 공업가치가 있는 우라늄이 풍부한 석탄층은 대부분 육상퇴적 환경, 특히 갈탄층에서 형성된다. 이 우라늄이 풍부한 석탄층은 대부분 석탄 분지의 기저결정암에 위치해 있으며, 그 중 일부는 산성 분출암과 상호 층으로 되어 있다. 또한 얕은 바다 아스팔트 셰일이나 중국의 석탄에도 우라늄이 보편적으로 함유되어 있으며 인, 바나듐 등의 원소와 공생하는 경우가 많다. 이런 우라늄 광산은 매장량은 크지만 품위는 낮다.
우라늄은 주로 우라늄의 유기화합물 형태로 석탄에 존재한다. 토탄 축적 기간에는 대부분 용해성 우라늄 유기착물의 형태로 이주하여 다른 부식산염 복합체에서 이동한다. 부식산이 산화되면, 복합체가 파괴되거나 우라늄 유기복합체가 특정 소금과 반응하거나 흡착으로 인해 침전된다. 우라늄도 콜로이드 우라늄의 형태로 이주할 수 있고 유기질의 환원에 의해 침전될 수 있다.
토탄이 석탄으로 쌓이는 단계에서 유기질은 우라늄에 대한 농축작용이 뚜렷하다. 식물 잔체가 분해되어 형성된 부식산 용액은 늪물에 들어가는 우라늄의 복합물을 분해하여 우라늄산 이온을 형성하고 흡착, 이온 교환 또는 배위 킬레이트를 통해 부식산 우라늄을 형성할 수 있다. 석탄 형성 단계에서 Eh 값의 감소로 흡착, 착화 또는 부식산 이온과 교환되는 우라닐 이온이 탈착되어 풍부한 우라늄체로 침전된다.
Denson( 1959) 은 석탄에서 우라늄의 축적과 형성에 대해 세 가지 가설을 제시했다. 즉, 원생 우라늄은 석탄화 작용 전에 늪물에 살던 식물이나 지표수에서 온 죽은 유기물의 축적을 가리킨다. 성암 우라늄은 석탄화 작용 과정에서 물이 석탄으로 유입되는 석탄 분지 가장자리에 있는 우라늄이나 우라늄 매장지를 말한다. 표생 우라늄은 암석화압이 굳은 후 열수나 불통합 화산암이 지하수를 형성하는 것을 말한다.
우라늄은 석탄층 꼭대기 바닥 부근에 많이 집중되어 석탄층 중심 함량이 점차 줄어들고 있다. 우라늄의 함량은 대부분 석탄재가 증가함에 따라 감소한다. 브레그와 쇼프프 (1955) 는 미국 테네시 주와 오하이오 주 상분지통의 연탄탄층과 렌즈체를 연구했다. 석탄회와 우라늄 함량은 표 1 1-2 에 나와 있다.
표 1 1-2 석탄회분과 우라늄 함량의 관계
(브레그 등에 따르면 1955)
이런 저회분, 높은 우라늄 함량 현상은 주로 퇴적과 석탄화 과정에서 부식산류 유기물이 물에 휴대하는 우라늄의 흡착으로 인한 것이다. Breger 등 (1955) 은 알칼리 금속이나 알칼리 토금속의 탄산우라늄이 물에서 불안정하여 산성 환경에서 우라늄이온 UO2+ 를 형성하고 석탄의 유기성분과 우라늄 세라미드 유기복합체를 형성한다고 생각한다.
우라늄 함량과 탄암분조의 관계는 종종 높은 우라늄 함량의 젤라틴 그룹이 많다는 것을 보여준다. 탄암계 각 석탄층에서 우라늄은 대부분 석탄계 밑바닥의 석탄층에 농축되어 있다. 중국 윈난성의 많은 갈탄 분지에서 우라늄은 분지 바닥의 석탄층에 상대적으로 농축되어 있다. 예를 들어, 전양 갈탄 분지의 5 층 석탄에서 상향식 석탄 샘플의 평균 우라늄 함량은 각각 2 1.7× 10-6,17.6 ×/KLOC 입니다.
셋. 게르마늄
게르마늄은 희귀한 분산 원소로, 주로 동반원소로 석탄층에 존재한다. 보통 함량이 높지 않아 톤당 석탄 20g 에 이르면 가공하여 이용할 수 있다. 석탄회, 석탄재 등 석탄 가공 제품에서 게르마늄을 추출하는 공예는 비교적 간단하여 이미 게르마늄의 중요한 공급원 중 하나가 되었다.
석탄 솔기에서 게르마늄의 분포는 종종 상단 바닥 근처에 집중되어 있습니다. 또한 얇은 석탄층과 렌즈에는 게르마늄 함량이 풍부하다.
석탄에서 게르마늄의 주요 발생 상태는 부식산염, 흡착상태 또는 기타 게르마늄의 유기금속화합물, 규산염 또는 황화물 및 게르마늄 산화물이다.
석탄에서 게르마늄의 농축은 석탄 형성 과정에서 게르마늄의 공급과 충분한 부식산에 달려 있다. 부식산은 대량의 활성 관능단을 가지고 있어 표면 흡착량이 많고 이온 교환 능력이 강하다. 게르마늄은 표생지구 화학 활동에서 매우 활발한 원소로, 석탄의 부식산에 가장 쉽게 잡혀 부식산 복합체를 형성한다. 이탄 늪에는 과잉 부식산이 있기 때문에 석탄에서 게르마늄의 농축은 주로 석탄 분지 매체에 풍부한 게르마늄 이온이나 그 화합물이 있는지 여부에 달려 있다. 보통 각종 화강암, 화강편마암, 기성-산성 화성암, 혼합변성암 중 게르마늄 함량이 높아 게르마늄이 풍부한 모암을 형성한다. 둘째, 모암 격자에서의 게르마늄 이동은 암석 자체의 풍화 난이도와 구조, 수문 등 풍화 조건에 의해 결정된다. 구조안정구역에서 암석은 화학풍화를 위주로 게르마늄 이동에 유리하다. 상대적으로 안정적이고 느린 침하 환경은 석탄에서 텅스텐의 농축에 유리하다는 것을 알 수 있다. 석탄을 만드는 과정에서 유리한 기후와 강우, 뚜렷한 온도차 변화, 근원구 지표수에 대한 게르마늄의 강한 용해성은 석탄의 게르마늄 농축에 유리한 수문지구화학 조건이다.
게르마늄은 유기 친화력이 강한 원소 중의 하나이다. 일반 석탄의 거울질 그룹 함량이 높을수록 게르마늄 함량이 높아진다. 실크팀의 게르마늄에 대한 흡착성이 떨어지는 것은 석탄이 되는 과정에서 실크조에서 높은 흡착능력을 가진 부식물질이 부족하기 때문이다. 게르마늄은 유기질과 동생하기 때문에 석탄에서의 게르마늄 분포도 낮은 회분, 높은 게르마늄 함량 현상을 나타낸다.
석탄층에서의 게르마늄 분포는 석탄층 중부에서 바깥쪽으로 증가하는 추세로, 흔히 석탄층 꼭대기, 바닥 근처, 사질, 점토암 속 얇은 석탄층과 탄렌즈체에 집중된다. 게르마늄의 농축은 또한 석탄층의 상부 및 하부 층의 암석학과 관련이있다. 사암에 가까운 석탄층 게르마늄 함량은 점토암 근처의 석탄층보다 높다.
게르마늄의 함량은 종종 석탄층의 지층 시대와 관련이 있다. 석탄층은 젊고 게르마늄 함량이 높다. 석탄화작용의 강화가 석탄층에서의 게르마늄 농축에 영향을 미쳤을 뿐만 아니라, 주변암이 상응하는 성암 변질작용으로 다공성을 낮추고 용액의 침투에 영향을 미치기 때문이다.
넷. 바나듐
텅스텐의 분포는 상당히 분산되어 있으며, 대부분 다른 원소와 동반하여 텅스텐을 함유한 광상이 형성된다. 공업부문의 규정에 따르면 V2O5 의 함량은 마감급에서 0.5%, 공업급에서는 0.7% 였다. 따라서 V2O5 함량이 0.5% ~ 1% 인 암석을 바나듐 광석이라고 하고, V2O5 함량이 1% 보다 큰 암석을 부바나듐 광석이라고 합니다. 중국의 초기 고생대' 석탄탄' 은 실리콘 진흙을 함유한 썩은 진흙형 무연탄으로, 그중에는 바나듐 함량이 높고, 일부는1..18% 에 달한다.
퇴적암에서 바나듐의 농축은 유기물과 밀접한 관련이 있습니다. 장애운 등 (1987) 연구에 따르면 V2O5 함량은 플랑크톤 피부 함량이 증가함에 따라 긍정적인 상관관계를 보였다. 일부 배낭동물 악고에서 플랑크톤의 껍데기는 유기물의 외벽이다. 이 플랑크톤은 체내에 점차 바닷물 중 백만 분의 1 그램의 텅스텐을 축적하고, 죽은 후에 퇴적물에 묻힐 수 있기 때문에, 바나듐은 해저 퇴적물에 풍부하게 축적된다.
텅스텐의 발생 상태는 주로 유기질, 점토 광물, 독립 플루토늄 광물에 농축되어 있다.
중국 석탄에 들어 있는 텅스텐은 정체 복원 환경에 초점을 맞추고 있으며, 주로 육지해유한분지, 변두리해경사, 변변해분지에 위치해 있다.
중국의 석탄에서, 광상의 층위, 두께, 품위는 대칭적으로 분포되어 있으며, 대부분 부광층에 집중되어 있다. 부광층은 해퇴소회전에서 해진소회전으로 돌아가는 과도기 단계에 형성되어 칼슘 함량, 두께 부스러기 함량, 인덩어리 암석 함량과 관련이 있다.
다섯째, 석탄의 다른 미량 원소
위에서 언급 한 희귀 원소 외에도 석탄은 때때로 베릴륨, 리튬, 루비듐, 레늄, 인듐, 탈륨, 토륨, 티타늄, 니오브, 탄탈, 지르코늄, 스트론튬, 텅스텐, 은, 금 및 백금과 같은 미량 원소가 풍부합니다. 이러한 요소들의 광범위한 응용으로 인해 사람들은 그것들을 점점 더 중시하고 있다. 예를 들어, 플루토늄은 원자력, 로켓, 미사일, 항공우주, 전자공업에서 중요한 역할을 한다. 어떤 사람들은 그것을 우주 금속이라고 부른다.
플루토늄은 주로 석탄에 유기적으로 결합되어 거울질체와 밀접한 관계가 있다. 석탄의 베릴륨 함량은 높지 않아 (10 ~ 20) × 10-6, 어떤 것은 최대 40 × 10-6 에 달한다. 베릴륨 함유 석탄층은 일반적으로 폴리 석탄 분지의 가장자리에 분포한다. 석탄 이용 과정에서 석탄의 텅스텐은 주변 환경에 큰 영향을 미친다. 그것은 독성이 강한 원소로 암을 유발할 수 있기 때문에 세계 각국은 석탄에서 플루토늄의 회수와 종합 이용을 중시한다.
리튬도 석탄층에서 농축할 수 있다. 산화 리튬 LiO2 _ 2 는 휘발하지 않기 때문에 석탄회 중 리튬이 더 풍부하다. 리튬은 주로 항공우주, 원자력, 군사, 화공 등에 쓰이기 때문에 석탄에서 리튬을 추출하는 연구가 주목된다.
석탄에서도 스트론튬, 루비듐 등의 원소가 발견되었지만, 루비듐 함량은 매우 적고 스트론튬 함량은 (20 ~ 50) × 10-6 에 이른다.
텅스텐은 우주선 고온 부품의 재료로 사용할 수 있고, 플루토늄, 텅스텐, 텅스텐의 합금은 전자관 부품으로 사용할 수 있다. 석탄에서 텅스텐의 농축 품위가 2× 10-6 이상에 이르면 공업추출 가치가 있다. 우리나라 석탄 중 텅스텐의 품위는 비교적 낮으며, 대부분 1× 10-6 이하이다.