美国最大煤炭资源中的稀土元素分布与存在情况：怀俄明州和蒙大拿州鲍威尔河盆地煤炭的地球化学特征变化

《International Journal of Coal Geology》：Rare earth element occurrence and distribution within the largest U.S. coal resource: Geochemical variability of powder river Basin Coals, Wyoming and Montana

美国怀俄明州powder river盆地煤床及邻近沉积物中发现稀土元素及镱异常富集，其含量显著高于美国常规煤平均值，并呈现边缘富集特征，可能与长期地质分选作用有关。该研究为美国关键矿物供应链提供了新资源，并指明未来研究方向。

　　

D.A. Bagdonas | R.W. Gregory | C.M. Messa | E.H. Phillips | T.C. Brown

怀俄明大学能源资源学院经济地质研究中心，美国怀俄明州拉勒米市大学大道东1000号，邮编82071

摘要

非常规地质来源的稀土元素，例如那些保存在含煤层中的稀土元素，代表了关键的国内矿产资源供应。本文提供了来自煤层及其围岩沉积物的主要元素和微量元素的地球化学数据。代表性样本采集自美国鲍威尔河盆地的Wyodak-Anderson煤区（怀俄明州和蒙大拿州），然后使用电感耦合等离子体质谱法和光发射光谱法进行了分析。这些化学分析表明，从该盆地多个地点采集的煤样中稀土元素及钇的浓度高于美国平均水平。此外，这些次烟煤中的氧化钙（CaO）含量相对于其他美国盆地的煤样而言异常较高。虽然在不同深度采集的煤样中稀土元素和钇的总浓度存在较大变化，但在煤层边缘区域显示出一致的富集趋势。这些样本的地理位置及其与周围高地的距离似乎揭示了地质时间过程中发生的地球化学分选机制。这一发现不仅表明鲍威尔河盆地的活跃煤矿具有非常规的稀土元素及钇来源，还为未来进一步研究这一潜在资源提供了方向。

部分内容摘要

引言与背景

美国怀俄明州和蒙大拿州的鲍威尔河盆地是一个具有历史和经济意义的产煤区。古新世Fort Union地层中的Wyodak-Anderson煤区含有稀土元素和钇（REY），这些元素在含煤层中呈规律分布。在某些情况下，稀土元素和钇的浓度足够高，可能有助于美国建立稳固的关键矿产资源供应链（美国地质调查局）。

地质背景

鲍威尔河盆地覆盖了怀俄明州东北部和蒙大拿州东南部近20,000平方英里的区域（Beikman, 1962）。该盆地的西、南、东三侧边界由形成于7000万至3500万年前的基底抬升构造所界定（图1），其基底为前寒武纪结晶岩（WSGS Mountains and Basins网站）。我们将该盆地的地质历史划分为四个时期（T₀、T₁、T₂和T₃，详见图3）。

采样与方法

本研究共分析了来自鲍威尔河盆地31个地点的1233个样本（图4）。样本包括用于发电的热电厂用煤、位于热煤边缘的“非专用”煤以及目前未被任何工业过程利用的煤层（包括薄煤带）。采样工作得到了鲍威尔河盆地相关利益方的直接参与，包括Western Fuels - Wyoming公司和Navajo Transitional Energy Company等机构。

结果

评估煤的地球化学成分的标准方法需要先进行灰分测定步骤（参见上文3.2.1节；基于Swaine和Pickering, 1985年的方法），从而获得以“灰分为基础”的地球化学数据，而非“煤为基础”的数据。当已知灰分含量时，可以将灰分基础浓度转换为干煤基础浓度（参见Dai等人, 2025年的讨论），从而实现不同地质材料之间的地球化学结果比较。

讨论

该地区的地质历史、煤质的空间变异性、煤层在年代地层框架中的位置以及对煤层的详细地球化学分析，共同揭示了鲍威尔河盆地Wyodak-Anderson煤区稀土元素的行为特征。这些厚煤层中的氧化钙含量较高。

作者贡献声明

D.A. Bagdonas：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、方法论设计、资金筹措、概念构思。R.W. Gregory：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据调查、数据分析、概念构思。C.M. Messa：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据调查、数据分析、概念构思。E.H. Phillips：撰写 – 审稿与编辑、项目监督。

免责声明

本报告是美国政府机构资助的研究成果。美国能源部及其任何员工均不对所披露的信息、设备、产品或过程的准确性、完整性或实用性作出任何明示或暗示的保证，也不承担任何法律责任；同时不保证其使用不会侵犯任何私有权利。报告中提及的任何特定商业产品或工艺均不属于美国政府支持的范围。

资金支持

本研究得到了美国能源部（DE-FE0032048项目）和国家能源技术实验室（National Energy Technology Laboratories）以及怀俄明州政府（通过怀俄明能源局和怀俄明大学能源资源学院机会发展基金）的财政支持。

未引用的参考文献

Berger, 1958
DE-FOA-0002364, 2020
Hotchkiss和Levings, 1986
Leutwien, 1956
Leutwien和R?sler, 1956
2017年关于煤及煤副产品中稀土元素的报告
美国能源部国家能源技术实验室, 2017
USGS COALQUAL数据库, 2025
Wood等人, 2025
WSGS Mountains and Basins网站, 2025

利益冲突声明

所有作者均声明无利益冲突。所有作者共同参与了本手稿的撰写。提交编号：COGEL D-25-00678。

致谢

特别感谢Western Fuels - Wyoming公司、Navajo Transitional Energy Company、Peabody Energy公司和Black Hills Corporations在样本提供、野外协助及指导方面的支持。同时感谢NETL/DOE的研究人员在过去十年中共同探讨并提出了关于鲍威尔河盆地煤炭的理论、假设和测试方案；感谢Burt Thomas、Kelly Rose、Scott Montross、Gabe Creason、Tom Tarka、Christina Lopano和Mengling Stuckman的贡献。此外，也感谢美国地质调查局（U.S. Geological Survey）的研究人员。