生物吸收、煤化作用以及热液作用在含煤地质沉积体形成过程中的作用

煤中铼的富集机制研究：林沧铼矿床生物-热液耦合作用及同位素示踪证据

　　

孙浩宇|周美福

中国科学院地球化学研究所关键矿物研究与勘探国家重点实验室，中国贵阳550081

摘要

含煤地质矿床的成因长期以来一直是学术界争论的焦点，主要涉及生物成因过程与热液过程的作用。作为世界上最大的地质矿床之一，中国西南部中新世的临沧矿床含有低锗含量的褐煤（含锗量30至89 ppm）以及高锗含量的褐煤（含锗量65至2600 ppm）。现代植物作为形成煤的植物的代表，其δ⁷⁴Ge值范围为–0.20‰至+1.52‰。低锗含量的褐煤显示出较重的锗同位素特征，δ⁷⁴Ge值在+1.10‰至+2.15‰之间，并且与锗浓度呈正相关。这种富集现象可归因于煤化过程中轻质同位素的优先排出，这一过程使得原始生物有机质中的锗得到富集。相比之下，高锗含量的褐煤则表现出较轻的同位素特征，δ⁷⁴Ge值在+3.70‰至–0.72‰之间，并且与锗浓度呈负相关。这种同位素特征表明锗是通过流体从原有的生物储库中迁移出来，并在结构陷阱中通过动力学分馏作用重新沉淀形成的。我们的研究结果建立了一个成因模型：锗首先通过生物吸收被富集，然后在煤化过程中进一步富集，最后通过热液作用在局部区域发生改变。该模型为全球锗同位素循环中“缺失”的轻质锗沉降途径提供了新的见解。

引言

含煤地质矿床是锗的主要来源（Gulley等人，2018年；Zhai等人，2019年；Dai等人，2020年），但锗是如何在煤中富集形成矿床的机制仍不明确（Hu等人，2009年；Seredin等人，2013年）。以往的研究主要关注泥炭形成过程中的生物吸收作用（Ratynskiy等人，1966年；Zhuang等人，1998年；Yudovich和Ketris，2016年）或煤形成后的热液富集作用（Hu等人，2009年；Qi等人，2011年；Dai等人，2015年）。一些地质矿床中同时存在大规模低品位和高品位锗矿体，且它们的锗同位素组成各不相同，这一现象尚未得到充分解释（Seredin等人，2006年；Qi等人，2011年；Dai等人，2015年）。目前尚不清楚地表生物循环和热液活动是否在巨型锗矿床的形成中同时起作用。

世界级的含煤地质矿床包括中国内蒙古的乌兰图嘎矿床、俄罗斯远东的斯佩楚格利矿床以及中国云南的临沧矿床（H?ll等人，2007年；Hu等人，2009年）。中国西南部的中新世临沧矿床与形成于湿润亚热带气候下的煤层相关，这种气候有利于大量泥炭的积累（Jacques等人，2011年；Xie等人，2018年）。矿化煤层的锗含量差异显著，从横向延伸区域的30至89 ppm到局部结构控制区域的65至2600 ppm不等（Qi等人，2004年；2011年）。这种明显的差异表明存在多种成因过程，但生物吸收、煤化作用以及后续的热液改造作用的具体贡献仍不清楚。

锗同位素可用于区分生物吸收、煤化作用和热液改造过程，因为这些过程会产生不同的同位素特征（Baronas等人，2017年；Rouxel和Luais，2017年；Qi等人，2019年；Dobrzyński等人，2024年）。本文报告了对临沧矿床中现代植物、含碳泥岩以及含矿煤和贫矿煤的新锗同位素分析结果。新的数据集揭示了锗从地表生物循环到煤化过程，再到后续热液改造的多个富集阶段。我们的研究强调了锗同位素在追踪沉积系统中关键金属富集和重新分布过程中的重要作用。

区域地质

中国西南部和东南亚的三江特提斯造山带是由古生代至中生代期间冈瓦纳大陆块体（包括扬子块体、印度支那块体和西布马苏块体）以及其间弧状地体相互碰撞形成的构造复合体（例如，Metcalfe，2013年；Dupont-Nivet等人，2010年；Deng等人，2018年）。这些地体代表了闭合的古特提斯洋的残余部分，它们之间被重要的缝合带分隔开，如哀牢山缝合带和长宁-蒙连缝合带（Wu等人，

采样策略

采样工作在邦迈盆地（图1c）进行。所有煤样均来自暴露出连续地层剖面的地下采矿巷道。采样计划旨在捕捉构造控制煤层与未受扰动煤层之间的地球化学差异。高锗含量的褐煤（LCD和LCZ）采自断层附近区域，而工业品位锗煤（LC24）则采自其他区域。

主要元素和微量元素

分析了12个植物样本、13个低锗含量褐煤样本、19个高锗含量褐煤样本以及7个含碳泥岩样本中的主要元素和微量元素。对于主要元素氧化物，植物中的K₂O含量约为1 wt%，而含碳泥岩中的K₂O（2.8–4.9 wt%）、Al₂O₃（10.4–27.4 wt%）和总Fe₂O₃（0.8–3.6 wt%）含量显著更高。工业品位和高锗含量的褐煤中Al₂O₃含量较低（<5 wt%），这与碎屑成分的流失一致。

木本植物和蕨类植物

通过生物吸收初步富集锗

生物吸收过程将花岗岩风化层中的锗转移到煤形成系统中。由于锗和硅具有相似的地球化学性质，它们可以通过相同的传输途径被维管植物吸收，并被纳入细胞壁和植硅体中（Derry等人，2005年；Delvigne等人，2009年；White等人，2012年；Wiche等人，2018年）。这一过程奠定了生物体内锗的主要储存库（Hower等人，2024年）。

古气候

结论

临沧地质矿床的形成是生物作用和热液作用共同作用的结果。锗最初通过生物吸收从花岗岩来源的土壤中富集，随后在煤化过程中进一步浓缩。这一过程形成了以重锗同位素特征为标志的大规模生物有机质储库。此后，结构导向的热液流体对该储库进行了改造，导致锗的重新迁移并形成了高锗含量的褐煤。

作者贡献声明

孙浩宇：撰写初稿、数据可视化、资源获取、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。周美福：审稿与编辑、项目监督、方法指导、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家研发计划（项目编号2023YFC2906401）的资助。同时，我们也感谢Qi教授在分析工作上的帮助。