在地质历史的发展进程中,煤—作为一种独一无二的沉积岩,似一本鸿篇巨制的史书,记载了数百万年以来发生的一系列与生物、物理、地球化学相关的地质事件。煤中的有机质,是成煤植物经腐泥化、煤化作用并演变、缩聚的产物,保存了植物生长、衰亡、堆积等各阶段的气候、环境变化信息,以及植物及其相关的微生物的活动轨迹;煤中的矿物质组成,则是各地质作用的结果,既能反映聚煤环境的地质背景,又可助于阐明煤层的成因、煤化作用,追踪区域地质历史演化等基本理论问题,是“将今论古”地质学研究方法的最佳应用选择对象。本文运用煤岩学、矿物岩石学、煤地球化学、元素地球化学、煤地质学等多学科理论知识,借助电感耦合等离子质谱(ICP-MS)、X射线荧光光谱(XRF)、稳定气体同位素质谱(IRMS)、X射线衍射(XRD)、冷原子吸收光谱(AAS)和带能谱的扫描电子显微镜(SEM-EDS)等先进测试技术,结合基础地质学分析、化学分析、统计学分析以及同位素地球化学分析手段,研究了我国内蒙古胜利煤田低锗褐煤以及云南东南部弥勒盆地褐煤的元素分布和矿物组成,并以贵州贵定煤田和云南砚山煤田煤(烟煤)作为对比研究对象,利用逐级化学提取的方法,探讨了不同煤阶煤中微量元素赋存形态的异同;研究了电厂燃煤产物—飞灰中元素的分布和分异特征,以查明其与入料原煤中元素的赋存形态的对应关系;采用逐级化学淋滤的实验方法,定量研究低煤阶煤中非矿物无机元素的赋存方式;通过胜利煤田低锗煤区与富锗煤区煤的元素地球化学特征以及Ge的空间分布异同,提出富锗煤区Ge富集的主控因素以及Ge矿床的形成模式;利用弥勒盆地煤中的矿物、环境敏感元素以及稀土元素的配分模式和异常特征,推测成煤期的古环境,指出其具有海相成煤的特点;分析测定弥勒盆地连续煤层中有机碳同位素比值δ13C,结合煤中孢粉化石、矿物组成指示的成煤环境,讨论了煤中显微组分以及成煤期古气候对有机碳同位素组成的影响;通过煤层中同生海水成因的石膏的87Sr/86Sr比值,利用已经建立的地质历史时期的海水中87Sr/86Sr比值,推断出煤沉积的地质年代,并由煤层堆积的厚度计算出泥炭的堆积速率;结合成煤盆地的区域构造及地质背景,讨论了盆地成煤期受海水输入影响的机制。煤质分析表明,胜利煤田低锗煤和弥勒煤的灰分产率相当,但前者水分和全硫含量(27.59%和1.66%)均高于弥勒煤(16.78%和0.79%),而挥发分和C、H、N含量均明显低于弥勒煤。硫的赋存形态不同,胜利煤中的硫以有机硫为主,硫酸盐含量明显较低;而弥勒煤以硫酸盐为主,或硫酸盐硫与有机硫含量相当。两地区煤的平均腐殖组反射率相近,分别为0.45%和0.40%。两地区煤中的显微组分均以腐殖组为主,但胜利煤相对富含惰质组,且以丰富的粪粒粗粒体为典型特征;弥勒煤则相对富含壳质组,树脂体、角质体和木栓质体丰富,且具有强烈的荧光性。胜利煤田和弥勒盆地原煤中的矿物主要为石英、高岭石、黄铁矿和石膏。低温灰化后,形成丰富的附加产物—硫酸盐矿物(烧石膏、石膏、六水泻盐,以及胜利煤中的钾明矾和水硫酸铝石),并构成低温灰灰分的主要组成,与煤的灰分产率呈负相关关系,表明构成硫酸盐矿物的金属元素在原煤(未灰化)中的有机亲合性。对砚山和贵定煤的逐级化学提取实验表明,煤中高度富集的微量元素V、Cr、Mo主要以有机质形式存在,部分存在于硅酸盐中,少量Mo和Cr与硫化物相关。Se和U主要赋存在有机质中,部分与硫化物相关,少量U与硅酸盐矿物相关。Cd主要以硫化物为载体,部分与有机质和硅酸盐矿物相关。与之相比,胜利煤田和弥勒盆地低煤阶煤中上述元素的赋存形态略有差异。其中,元素V、Cr相关性显著,且与灰分、SiO2、Al2O3、和K2O的线性相关性表明,二者主要以黏土矿物为载体。元素Mo不仅与有机质和黏土矿物有关,而且在弥勒煤中与硫化物也有一定的相关性,与贵定和砚山煤中的赋存形态一致。胜利和弥勒煤中Cd主要与黏土矿物关系密切,而与硫化物无明显相关性。对于元素Se和U,在胜利和弥勒煤中主要以黏土矿物、硫化物形式存在,但在贵定和砚山煤中主要以有机质和硫化物形式存在,元素的主要赋存方式存在一定的差异。本次研究的胜利煤田低锗煤区与锗矿床地理位置仅1.2 km之隔。但低锗煤中元素Ge的浓度厚度加权均值仅为0.45 μg/g,远远低于富锗煤中Ge含量的均值273.4 μg/g,并且富锗煤仅分布于煤田西南部,区域面积仅为2.2 km2,从煤田的西南缘至东北向,煤中Ge的浓度递减,呈扇形分布。该空间分布表明,煤田西南缘的花岗岩受淋溶作用形成富Ge溶液,并在西南至东北向横向迁移至泥炭沉积区时,被有机质选择性吸附,导致溶液中Ge的浓度逐渐降低。与云南临沧和俄罗斯巴甫洛夫锗矿床相比,尽管都与盆地周边的花岗岩的淋溶作用有关,但是胜利煤田锗矿床富Ge溶液的的运移方式为横向迁移,因此Ge的富集仅发生在盆地边缘较小范围内的煤层中;而临沧和巴甫洛夫锗矿床中富Ge溶液的运移方式为纵向迁移,即从盆地底部沿裂隙垂直向上迁入至泥炭沉积层中,因此Ge的富集多发生在地层断裂带裂隙或相交部位,并且随着与底部花岗岩的距离的增加,Ge浓度逐渐降低,从而形成了穹状的Ge浓度分布模式。弥勒煤中丰富的莓球状黄铁矿、自生石膏以及分布不均的元素硫均指示由海水为泥炭提供充足的硫酸盐作为硫源,随着泥炭层的堆积,三者的含量递减,表明海水的影响作用减弱。同时,元素比值Ca/Mg、Sr/Ba反映出沉积物水体的盐度在泥炭沉积过程中逐渐降低的趋势。环境敏感元素Th/U、V/Ni、St、Ca、Sr的浓度值均一致地指示了海水作用骤然减弱的成煤阶段。稀土元素的配分以富中-重稀土类型为主,并伴有La及显著的Gd正异常,也进一步反映了泥炭在堆积过程中海水输入的影响。弥勒盆地煤中的孢粉化石表明,其所属的植物群主要生长于渐新世/中新世交替时期,且包含低地和高山植物,古气候为中温带气候,并具有一定的亚热带气候特征,山毛榉和杉科植物孢粉化石的缺失,表明成煤期或存在气候干燥的阶段。盆地内深色褐煤层间分布有多层浅色褐煤,其显微组分具有贫腐殖组、富壳质组的特征,并含有多种水生草本植物的花粉,指示该阶段沉积区内水量丰富,植物以贫木质素的草本植物为主;而深色褐煤层富腐殖组、贫壳质组,以赤杨属、榆属等木本植物为主,指示该阶段沼泽区内潜水面较低。煤中的有机碳同位素组成反映的是古植物的碳同位素组成,而影响植物对碳的吸收的因素为大气中CO2的组成。因此,植物体内的碳同位素比值δ13C与气候条件密切相关,即偏正的δ13C值对应了干燥的气候条件,偏负的δ13C值对应湿润的气候条件。根据煤的显微组分计算的煤的植被指数Ⅵ与煤的有机碳同位素比值变化趋势一致,表明在成煤期的干燥气候阶段,沼泽区内潜水面低,植被类型以富木质素的木本植物为主;而在气候湿润阶段,区内潜水面高,成煤植物以贫木质素的草本植物为主。在偏正的δ13C值对应的时期内,高含量的石膏近一步表明该时期内干燥的气候条件。对应“深海钻探项目”588C钻孔中浮游有孔虫记录的87Sr/86Sr数据,本次测试的弥勒煤中石膏的87Sr/86Sr 比值对应的地质年代是中新世早期,与煤的形成时代一致。根据87Sr/86Sr的比值划分的三组数据分别对应煤层的底部、中部和上部,三组87Sr/86Sr 比值均值对应的地质年代分别约为21.7Ma,20.7 Ma和18.7 Ma,测年误差分别为+/-0.55 Ma、+/-0.56 Ma和+/-0.24 Ma。上述分析表明,弥勒煤最初形成于早中新世约21.7 Ma,整个沉积过程约持续了 3 Ma,沉积层厚度27 m。据此计算,研究区泥炭的堆积速率约为0.009 mm/年。弥勒山间内陆盆地与哀牢山-红河断裂带内的特提斯海域之间的水系连接可能为哀牢山-红河断裂带以及与之交汇的鲜水河-小江断裂带。成盆期,断裂带变形区长期处于多阶段活动期,为海水运移至陆地成煤盆地提供了便利通道。同时期,太平洋板块的俯冲方向的改变,使东西向断裂带,如富源-弥勒、宣威-寻甸断裂带,包括与本研究区紧邻的弥勒-师宗断裂带,转为右旋剪切运动,并伴随着哀牢山-红河断裂带北部区域(包括弥勒盆地)的抬升。一方面,该区域的抬升,使弥勒盆地M1煤层沉积时受到的海水的影响逐渐减小,另一方面,持续的陆地抬升作用,也使弥勒盆地由近海平面位置逐步抬升至现今的海拔高度1350m。