中加里曼丹塞班高沼泽地区流纹岩基底岩对泥炭中关键元素分布的有机岩石学和地球化学控制作用：煤炭中关键元素富集的类比模型

《International Journal of Coal Geology》：Organic petrological and geochemical controls on critical element distribution in peat influenced by rhyolitic basement rocks from the Sebangau Peatland, Central Kalimantan: An analogue model for critical element enrichment in coals

泥炭与基底岩石的交互作用对关键元素富集的影响及数学模型构建。研究显示基底岩石类型（流纹质火山岩）显著影响泥炭的有机质组成和关键元素（如REY、Zr、Hf等）的垂直与水平分布，富集程度与灰分含量及矿物分选性正相关，模型预测可靠性达98.8-222.2 ppm概率窗口。

　　

Ferian Anggara|Shifeng Dai|Tim A. Moore|Auvanda Ivan Muhammad|Ofentse M. Moroeng|Jingjing Liu|Aldian Fahrialam|Himawan Tri Bayu Murti Petrus|Aulia Agus Patria

印度尼西亚日惹Gadjah Mada大学工程学院地质工程系，邮编55281

摘要

本研究分析了Sebangau国家公园的泥炭样本和基底岩石，以评估基底岩石类型对泥炭特性的影响，并探讨关键元素的富集程度、分布机制及其形成过程。研究结果为泥炭与基底岩石之间的空间（垂直和水平）相互作用提供了新的见解，这些相互作用控制着地质化学成分和元素浓度。基底岩石被鉴定为高钾钙碱性岩浆系列的流纹岩A型火山产物，形成于弧状构造向板块内构造的过渡区域，与白垩纪Kerabai火山产物相似。这些岩石具有球粒状、微晶状、条纹状、花岗闪长岩状以及波状石英结构。从下到上，泥炭序列逐渐从腐殖质泥炭过渡到半腐殖质和纤维质泥炭。下部泥炭的灰分含量较高，有机质更细且降解程度更高，而向上逐渐减少。所有类型的泥炭主要由木质植物物质组成。光学显微镜和SEM–EDX分析表明，无机成分主要包括石英、高岭石、伊利石、锆石、磁铁矿、钛铁矿、Ti氧化物以及La-Ce独居石。研究发现，某些关键元素（如稀土元素+Sc、Zr、Hf、Nb、Ta和V）在泥炭中富集，其浓度从腐殖质泥炭向纤维质泥炭逐渐降低。这些元素的富集程度与灰分含量、颗粒细度及有机质降解程度呈正相关，但与泥炭矿物组成无直接关系。关键元素的最高富集区位于最西北部，其分布受流纹岩基底岩石距离及灰分含量的影响，富集主要集中在基底接触带附近的薄层泥炭中。研究假设流体和关键元素通过垂直和水平途径从基底迁移到泥炭中，这一机制为理解煤炭中关键元素的富集提供了理论基础。本文提出了一种基于泥炭特性的数学建模方法，可用于估算煤炭中的关键元素浓度，该方法可能适用于其他泥炭和煤炭系统，但仍需在不同泥炭形成环境中进行验证。敏感性分析和10,000次蒙特卡洛模拟表明，模型预测结果具有数值稳定性，稀土元素+Sc的平均浓度为157.5 ppm（中位数153.2 ppm），在地质合理的转化参数条件下，关键元素的富集范围为98.8–222.2 ppm。

引言

煤炭矿床越来越多地被视为关键元素的潜在来源，包括稀土元素（REY）以及Li、Sc、Ti、V、Ga、Zr、Hf、Nb、Ta、U和铂族元素（Chelgani, 2019; Dai and Finkelman, 2018; Seredin and Finkelman, 2008）。在印度尼西亚，多项研究调查了新生代含煤盆地中的关键元素富集现象，包括Ombilin（Patria and Anggara, 2022）、南苏门答腊（Anggara et al., 2018, Anggara et al., 2019）、Kutai（Anggara et al., 2020）、Barito（Anggara et al., 2024）和Pasir（Anggara et al., 2025a）盆地。这些富集现象主要在泥炭积累过程中由多种基底岩石控制，这些岩石包括基性岩和长英质岩，局部还受到凝灰岩（火山灰沉积物）的影响。

长英质沉积岩被广泛认为是煤炭中Ge等关键元素的主要来源（Qi et al., 2007a, 2007b; Zhuang et al., 2006; Du et al., 2009; Dai et al., 2012a, 2015a; Lincang (Qi et al., 2004; Hu et al., 2009; Dai et al., 2015b; Seredin and Finkelman, 2008; Ningwu (Di et al., 2022)；以及中国贵州省的一些煤炭矿床（Wang et al., 2025））。基底岩石通常被认为是金属和其他关键元素的来源，这些元素通过地表水和地下水传输进入沉积盆地，随后作为陆源成分融入泥炭（Seredin and Finkelman, 2008; Seredin and Dai, 2012）。煤炭中的关键元素分布模式被描述为垂直/穹顶状或水平/扇形（Hu et al., 2009; Seredin and Finkelman, 2008; Dai et al., 2015a, Dai et al., 2015b）。然而，作为煤炭矿床类似物的泥炭特性对关键元素富集和分布的控制机制仍缺乏研究。

泥炭来源于生物量的积累，其组成受湿地生态和植物演化的影响（Stout and Spackman, 2002; Shearer et al., 1995）。泥炭地及其产生的煤炭具有复杂的生物结构（Moore, 1989; Lindsay, 2018; DiMichele et al., 1985; Greb et al., 2006; O'Keefe et al., 2013）。因此，研究泥炭对于理解煤炭中的关键元素富集和分布至关重要。

全球约30%的热带泥炭地位于印度尼西亚，主要集中在苏门答腊（占印尼泥炭地的43%）、加里曼丹（32%）和巴布亚（25%）（世界银行，2018；Anda et al., 2021；Omar et al., 2022）。加里曼丹自古近纪以来地质相对稳定，位于赤道附近（Lumadyo et al., 1993），并且一直保持湿润的高降雨量古气候，有利于泥炭的持续积累（Flenley, 1979; Morley, 2000; Bush and Flenley, 2007）。全球最大的泥炭地之一位于Sebangau国家公园（图1A），该地区泥炭层下存在孤立的白垩纪花岗岩/流纹岩体（Nila et al., 1995）。这些侵入岩体与上覆泥炭之间的有机/无机成分及其相互关系尚未明确。

鉴于对花岗岩基底岩石对泥炭特性影响了解有限，本研究在Sebangau国家公园的花岗岩露头附近进行了采样。这些泥炭和基底岩石为评估和比较煤炭中的关键元素富集过程提供了独特的研究环境。这种方法可以同时考虑基底岩石的影响和环境因素对泥炭性质的影响，这是之前尚未探索过的。因此，本研究旨在：

1.

从岩石学、矿物学和地球化学角度描述Sebangau国家公园选定区域的泥炭和基底岩石特征。

2.

确定基底岩石对泥炭特性的影响。

3.

评估关键元素浓度的空间分布（包括垂直和水平方向）。

4.

研究基底岩石对煤炭富集的潜在机制，作为现代类比。

5.

基于这项现代类比研究，提出一种估算煤炭中关键元素浓度的模型。

地质背景

Sebangau国家公园位于印度尼西亚中加里曼丹省的三个行政区：Katingan县（52%）、Pulang Pisau县（38%）和Palangkaraya市（10%）（图1A）。该公园位于热带辐合带（ITCZ），气候湿润。2004年至2017年间，全年平均月温度在22至30°C之间，年降水量在2187至4563毫米之间（BMKG, 2023）。

采样和分析方法

野外工作在Sebangau国家公园进行（图1，图2）。Sebangau国家公园的泥炭地面积为4627.18平方公里，占公园总面积的81%（JPIK（独立森林监测网络），2018年数据）。在流纹岩露头向东到西方向选取了4个地点进行钻探（图2A），使用手动操作的MacCaulay泥炭采样器以50厘米间隔采集岩芯样本。

矿物学和岩石结构

根据IUGS火成岩分类系统（Le Bas and Streickeisen, 1991），Sebangau泥炭地下的基底岩石已被鉴定。详细的露头样本和代表性显微照片见图3A–F。

Sebangau泥炭地中的火成岩以连贯的无晶质至隐晶质长英质物质为主，缺乏内部结构，含有白色和部分灰色的部分，具有斑状结构。

讨论

Seredin和Dai（2012）提出了煤炭中稀土元素和关键元素富集的四种成因机制：凝灰岩作用、渗透作用、陆源作用和热液作用。此外，植物生长过程中对金属的超积累也被认为是泥炭和煤炭中关键元素富集的潜在机制（Hower et al., 2024; Zhao et al., 2026）。对于与基底岩石来源相关的煤炭中的关键元素，已有多种形成模型。

结论

Sebangau泥炭记录了与下伏流纹岩基底相互作用形成的地球化学特征，这为理解早期煤炭形成过程中关键元素的来源和迁移路径提供了框架。尽管观察结果具有地点特异性，但空间限定的采样揭示了关键元素分布的系统性模式，为现代关键元素富集过程提供了新的地质见解。

作者贡献声明

Ferian Anggara：撰写初稿、监督、资源协调、调查、资金获取、概念构思。Shifeng Dai：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、调查。Tim A. Moore：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、调查。Auvanda Ivan Muhammad：撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法学研究、数据管理。Ofentse M. Moroeng：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、调查。Jingjing Liu：

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的利益冲突。

致谢

本研究由印度尼西亚教育基金（LPDP）代表印度尼西亚高等教育部、科学和技术部资助，资助项目属于EQUITY计划（合同编号：4301/B3/DT.0308/2025和1017/UN1·P/Dit-Keu/HK.08.00/2025）。我们衷心感谢Sebangau国家公园管理局的慷慨支持和合作，并感谢国家自然科学基金创意研究组的资助。