什么煤炭里有铁矿

煤核：

    煤中的一种结核，通常由方解石或氧化硅和碳质物质组成，并有碎片状或显微状的植物残体 煤核保存在内（有时可部分突出于顶板岩石内）的一种特殊的矿化结核。其内部保存有植物器官（一种或多种、完整或破碎），有时也含有少量海生无脊椎动物化石，个别情况也可以完全是动物化石。

关于煤中硫的成因研究可追溯到20世纪初White(1913)的报道。

唐跃刚、任德贻(1996)曾运用微区电子探针、中子活化、X光电子能谱和硫同位素等多种方法系统地研究了四川晚二叠世煤中黄铁矿的结构、成分、价态及同位素等成因标型特征，对黄铁矿标型特征进行了成因探讨，并提出直接沉淀系列(自形晶→集合→聚晶)和复杂成因(微粒、莓粒→圆球→结核→团块)等两大类成因演化模式。

一、煤中黄铁矿成因标志

煤中黄铁矿的结构有粒状、胶状、生物组构、聚型聚晶、交代、充填、纤维等，尤其以胶状、生物结构充填及粒状为主。构造上，最发育浸染状、层状、结核状、脉状。显微镜下，以分散状、集会状自形和半自形晶、莓粒状、结核状和脉状为多，生物组构黄铁矿占一定比例。不同类型黄铁矿在不同环境下形成煤中的分布如图4-2所示，低硫煤中，莓粒状黄铁矿占主导地位，且基底大多为粘土。南桐5号、6号煤中硫含量高，黄铁矿大多以结核状、细胞充填型黄铁矿为主，表明其形成于成岩早期，海相的影响不可忽视。五一矿煤中以自形晶、莓粒为主，并有黄铁矿集合块体，自形晶多以八面体为主，其成煤环境为受海水影响明显。由晶体、薄粒，结核，脉状，大致判别黄铁矿成因为原生、成岩、后生3个阶段。

黄铁矿的电子探针和中子活化分析表明:

1)自形晶黄铁矿及其集合体S/Fe原子比多在2左右，机械混入元素较少，伴生元素总量不超过1%。而结核状、砂层状、透镜状黄铁矿的伴生元素较多。晶形越差，亲石元素Al，Ca，Mg等含量越高。

图4-2 煤中不同类型黄铁矿的分布

2)形成于近陆源的煤顶板的集合状黄铁矿中Al，Ti，V，Ce，Hf，Zr，Th，Ba等亲石元素及Co，Cr等亲铜元素含量高。

形成于潟湖潮坪的煤中及其顶板中结核状、砂层状、透镜状黄铁矿中Ca含量高，大多在1%以上，有的Mn，As，Br，Na，Se及U含量亦高，伴生元素总量均超过2%。

3)煤中热液型脉状黄铁矿的Σ(As+Sb+Se)值高，接近于热液型矿床黄铁矿及矽卡岩型矿床黄铁矿。一般，沉积型黄铁矿S/Se值＞104，而煤中同生和早期成岩黄铁矿S/Se值＞104，后生脉状黄铁矿的S/Se值＜104，多在103～104之间(图4-3)。

图4-3 典型成因黄铁矿的XPS氧谱和拟合曲线

煤及其项底板中黄铁矿表面主要有FeS2，FeSO4，Fe2(SO4)3，Fe2O3，FeOOH及过渡态的FeO，FeSO3。

不同类型黄铁矿的铁硫氧化比值各不相同，煤源黄铁矿由原生、成岩、后生(次生)表面氧化程度逐渐增加。黄铁矿表面S/Fe原子比与其氧含量大致呈反比。

硫同位素的测定能为硫的起源、各种硫包括黄铁矿硫所形成的快慢，甚至世代及形成环境介质条件等问题提供依据。对四川晚二叠世煤和黄铁矿硫同位素分析表明:

1)煤及其顶底板中黄铁矿的δ34S变化很大，由－32.3‰～+39.5‰。南桐煤田南桐矿6号、5号和4号主采煤层中黄铁矿的δ34S有由下而上，由负值向正值变化的总趋势，反映其成煤环境由开放体系向封闭体系方向变化(图4-4)。

图4-4 南桐煤矿主采煤层中及顶底板中黄铁矿的δ34S分布

2)成岩型脉状黄铁矿的δ34S都为正值，与其相邻的结核状黄铁矿的δ34S相近，表明具有同一流源，形成于成岩期。而与热液有关的脉状黄铁矿，其δ34S约为+6‰～+9‰，其同位素值变化狭窄。

3)美国佛罗里达的泥炭研究表明，由Okefenokee淡水泥炭→Everglades微咸水泥炭→Everglades咸水泥炭，其有机硫的同位素比值逐渐变轻，即更富32S。四川晚二叠世煤中黄铁矿的δ34S值，由房连湖泊相C8煤中黄铁矿δ34S为+4.1‰，到潮坪相的南桐5号煤中的δ34S为－9.2‰，受海水影响的南桐6号煤(残积平原)中δ34S约为－13.9‰，海相的五一煤中黄铁矿δ34S为－19.0‰，亦反映出由淡水向咸水方向δ34S变负，同位素逐渐变轻而富32S。

二、直接沉淀黄铁矿成因演化模式

当介质含有由硫酸盐还原的炮和H2S及铁，且还原环境pH＜6.5，Fe2+与H2S不超过FeS的浓度积时，水介质环境中可直接沉淀出具有晶形的黄铁矿，晶形常见立方体(a)、五角十二面体(e)、八面体(o)。黄铁矿晶形受结晶习性及介质条件影响，由于立方体(a)表面能最小，所以黄铁矿雏晶为简单立方体，即饱和状态形成立方体。Donnay和Harkerj认为八面体是黄铁矿最稳定的状态，a理应向o转化。黄铁矿雏晶在稳定的、过饱和度较低的介质环境中，立方体上出现八面体结晶面。形成a+o聚形晶，实现a→a+o→o的转变。一般黄铁矿化的演化完整序列是:a→a+e→e→e+a→a→a+o→o。黄铁矿雏晶a在不稳定的过饱和度高的介质环境中，{100}面生长层边缘构成高指数{hko}面，形成{100}+{hko}聚形晶。

形成于陆源淡水酸性环境(pH＜6.5)中的低硫煤，硫酸盐浓度低，Fe供应较足，在局部小环境中，一旦介质中S－与Fe2+达到饱和态，则形成立方体雏晶，呈星点状散布。由于介质浓度低，它不会再向e，o转变，因此，低硫煤中的黄铁矿晶体多为立方体。五一高硫煤，由于受海水影响，硫源供应充足，硫酸盐还原菌活动强烈，S－及Fe2+供给充足，呈过饱和态。黄铁矿晶体向最稳定的八面体方向转化，因此所见晶体多为八面体。黄铁矿与白铁矿共生，说明介质呈中偏酸性。

随着黄铁矿生成环境介质浓度的增加，空间黄铁矿个数增加，相互集合，呈现透镜状、层状集合体，进一步溶化、空间浓度增加，形成聚晶，由点连生体向部分连生体及完全连生体方向演化。

由上述，可推断晶体黄铁矿形成及演化模式如图4-5所示。图4-5中箭头指向为浓度增加，e与a+e，a，a+o线相交，表示e变o经历了e→a+e→a→a+o→o。由Fe，S转变为a，则取决于介质条件，并经历了硫酸盐还原作用及黄铁矿成矿作用，其中可能经历了不稳定的单硫化铁阶段(低饱和度)。

图4-5 自形晶黄铁矿形成及演化模式

直接沉淀而成的黄铁矿晶体，形成较快。相对而言，立方体形成快，而由立方体形成五角十二面体、八面体的过程则较为缓慢。且各阶段形成的黄铁矿，介质条件要求很高，形成矿物质纯，伴生元素少。

三、复杂成因黄铁矿的形成样式

在咸水及pH＞6.5的条件下，当介质中溶解的硫离子浓度也高时，黄铁矿的形成经历了由单硫化物到四方硫铁矿(Fe9S8)至等轴硫铁矿(Fe3S4)，最后形成黄铁矿的过程。尽管Fe9S8和Fe3S4分别属四方晶系和立方晶系，但宏观及显微镜下常呈“胶态”，由此演化成的黄铁矿亦不显晶形，呈“胶状”。由于所经历的阶段多而复杂，形成多较为缓慢。Bailey(1990)研究表明，大的单晶黄铁矿S/Fe值多近于2.0，而小的微粒状黄铁矿或细微莓粒黄铁矿则为高浓度微氧化的介质条件下形成，S/Fe值＜2.0，且含有一定量的氧。此时，单硫化物沉淀要求超饱和度。

随着结晶作用的加强，组成莓粒状黄铁矿的更小个体，由微粒状(胶态)转变为立方体半自形晶、自形晶，以至具较稳定状态的十二面体或八面体单晶转变为球状黄铁矿。

在许多结构中，常可见到多个圆球的集合。南桐5号煤层底板中的黄铁矿结核，由波谱测定，其成分为FeS1.061≈Fe8S9，FeS0.834≈Fe9S8等低硫硫化铁矿物，并呈圆球，不显晶粒的颗粒，它们显然是复杂成因黄铁矿形成的雏形。由此可知结核的成因之一可为莓粒演化而成。由上述可知，在介质饱和状态，pH＞6.5，复杂成因的黄铁矿其形成较慢，形成模式如图4-6所示。

图4-6 缓慢复杂成因黄铁矿的形成模式

低硫煤形成时，泥炭沼泽环境pH大多＜6.5，但仍然有许多莓粒状黄铁矿，且多分布于粘土薄层中。Canfield(1992)指出，H2S能与层状硅酸盐中格子上铁反应而形成FeS2，其形成速度比沉积物中最活的氢氧化铁与H2S的反应要慢108倍。由此可知，煤中莓粒状黄铁矿中Fe主要来源于粘土，莓子皆为微粒，形成过程缓慢。

很有可能是硫化铁．

硫化铁矿（Sulphide iron）这种矿石含有FeS2,含Fe只有46.6％而S的含量达到53.4％.呈现灰黄色,比重大约为4.95～5.10.由于这种矿石常常含有许多其它较贵重的金属如铜（CoPPer）、镍（Nickel）、锌（Zinc）、金（Gold）、银（Silver）等,所以常被用做他种金属冶炼工业的原料.

我是中国矿业大学（北京）矿物加工专业的在读博士，所以很了解煤炭中赋存的矿物杂质。您说的这种东西应该是硫铁矿，又称“愚人金”。

中文名称：二硫化亚铁

中文别名：硫铁矿；黄铁矿硫精砂硫化铁黄铁矿,矿铁矿硫精矿粉白铁矿硫精矿

英文名称：Pyrite

英文别名：IRON(II) DISULFIDE IRON (III) SULFIDE IRON PYRITES IRON PYRITE FERRIC DISULFIDE

CAS号：1309-36-0  [1]

EINECS号：215-167-7

分子式：FeS2

分子量：119.967

性状：黄色立方晶体。 　

熔点：1171℃ 

密度：5.0g/cm3 　

黄铁矿的主要成分，有反磁性。

黄铁矿化学成分是FeS2，晶体属等轴晶系的硫化物矿物。成分中通常含钴、镍和硒，具有NaCl型晶体结构。常有完好的晶形，呈立方体、八面体、五角十二面体及其聚形。立方体晶面上有与晶棱平行的条纹，各晶面上的条纹相互垂直。集合体呈致密块状、粒状或结核状。浅黄（铜黄）色，条痕绿黑色，强金属光泽，不透明，无解理，参差状断口。摩氏硬度较大，达6-6.5，小刀刻不动。比重4.9―5.2。在地表条件下易风化为褐铁矿。

外形像黄金，所以又称“愚人金”。

如何识别“愚人金”和真正的黄金呢？只要拿它在不带釉的白瓷板上一划，一看划出的条痕（即留在白瓷板上的粉末），就会真假分明了。金矿的条痕是金黄色的，黄铁矿的条痕是绿黑色的。另外，用手掂一下，手感特别重的是黄金，因为自然金的比重是15.6―18.3，而黄铁矿只有4.9―5.2。还有，放在稀盐酸里泡一泡，真金是不会冒泡的！

迄今为止，已经发现的煤中矿物高达 125 种 ( Finkelman，1994) ，由于成煤时代、成煤地区、成煤地质背景、成煤物质来源以及后期赋存、演化、改造上的差异，不同地区煤中矿物种类和数量上的差异相当明显。

邵靖邦等 ( 1999) 给出煤中的常见矿物有 5 类共 20 种 ( 表 2. 7) 。Couch ( 1994) 对所有种类煤经低温灰化后得到的灰状物质用 X 射线衍射 ( XRD) 分析得到的主要矿物种类是黏土矿物 ( 硅酸盐) 、碳酸盐和二硫化物，次要矿物是硫酸盐、长石、硫化物和氧化物，二者合计有 22 种矿物，其他可能存在的矿物有 20 种。

表 2. 7 电厂燃煤中的常见矿物组成

( 据邵靖邦等，1999)

Ward ( 1989) 对澳大利亚悉尼盆地与美国伊利诺伊盆地烟煤中的矿物进行研究后发现，它们主要由硅酸盐、碳酸盐、磷酸盐以及其他矿物组成。常见的硅酸盐矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石，也常见混层矿物，如伊利石-蒙脱石混层矿物常见的碳酸盐矿物包括方解石、白云石、铁白云石和菱铁矿，在许多情况下，煤中碳酸盐矿物因固态溶解而形成复杂的混合型矿物煤中最常见的氧化物类矿物是石英和金红石硫化物类矿物是黄铁矿，也见有白铁矿，偶尔可见到方铅矿、闪锌矿和黄铜矿磷酸盐类矿物有独居石和磷灰石硫酸盐类矿物在煤中比较少见，只在风化煤中出现。

按照形成时间的不同，煤中矿物可分为同生矿物和后生矿物 ( 孔洪亮等，2001) 。同生矿物是指在泥炭堆积期及早期成岩作用阶段在煤中形成的矿物，如高岭石、石英、菱铁矿、金红石等后生矿物则是指晚期成岩作用及其后生作用阶段的产物，如黄铁矿、方解石、白云石以及由表生作用形成的次生矿物褐铁矿、针铁矿等。

由于低温灰化本质上并不改变煤中矿物的原始状态 ( Demir 等，2001) ，所以为减少煤中有机质对 X 射线衍射 ( XRD) 分析的影响，我们首先将准格尔电厂炉前煤进行低温灰化 ( 170℃) ，然后用 XRD 方法进行分析，得到的结果与其他电厂炉前煤有较大区别( 表 2. 8) 。

表 2. 8 准格尔电厂炉前煤低温灰化 ( 170℃) 后 XRD 分析结果

准格尔电厂炉前煤中矿物一个显著特点是富含高岭石和勃姆石 ( 一水软铝石) ，高岭石的含量为 63. 3% ～ 84. 2%，平均 71. 1%勃姆石的含量为 7. 1% ～ 29. 3%，平均21. 1% 二者之和超过 90% 。煤中矿物以石英含量为最低，范围为 0. 4% ～ 6. 4% ，平均含量仅有 1. 9%，另外还含有少量的方解石和石膏，方解石含量为 0. 6% ～ 4. 0%，平均2. 5% 石膏含量为 0 ～ 5. 3% ，平均 3. 0% 。XRD 分析结果表明，准格尔电厂燃煤中的矿物种类并不复杂，除富含高岭石和勃姆石外，其他能鉴别出来的矿物只有 3 种，且其含量的总和仅为 7. 4%。准格尔电厂燃煤中如此之高的勃姆石含量在国内、外煤中都很罕见。将准格尔电厂长焰煤与首钢电厂长焰煤中矿物组成相比可以看出，后者矿物组成要复杂得多，而且石英含量高达 32% ( 图 2. 3) 。

图 2. 3 准格尔电厂与首钢电厂炉前煤低温灰化后 XRD 分析结果之对比

高岭石是煤中的常见黏土矿物，一般形成于泥炭沼泽的酸性介质中，是湿热气候条件下的产物，也是燃煤产物的主要物质来源。

勃姆石最常见于铝土矿中，它是铝土矿形成过程中的一种矿物类型，而世界不同时代铝土矿床的成因研究表明，铝土矿是在一种特殊气候条件下经表生作用形成的，产于湿热气候和排水良好的环境中，是风化壳化学风化的最终产物 ( 吴国炎，1997) 。从古生代、中生代至新生代，铝土矿往往呈现出一水硬铝石、勃姆石、三水铝石的矿物序列 ( 刘中凡，2001) 。

实验表明，勃姆石矿物主要形成于 pH =7 ～10 的弱碱性环境 ( Okada 等，2002) ，相对干燥的气候条件有利于勃姆石矿物的稳定 ( Mongelli，2002) 。

据 Eriwin 等 ( 1951) 对 Al2O3-H2O 体系的研究，三水铝石向勃姆石的转化温度约为140℃ ( 梁绍暹等，1997) ，但依据所赋煤层煤化程度 ( 长焰煤，Ro= 0. 60% ) 的古温度，应在 85℃左右，这可能是因为上述实验是在液相条件下形成的，而煤中矿物往往是在漫长的地质历史中通过固相转化方式实现的。因此，煤中勃姆石与其他矿物的组合特征及其与煤化作用的依存关系，是一个非常值得探讨的问题。

刘钦甫等 ( 1997) 在研究准格尔黑岱沟露天矿 6 号煤层中的高岭石夹矸时指出，夹矸中的勃姆石在 XRD 曲线上出现 0. 6142 nm、0. 3167 nm、0. 2347 nm 三个明显的特征峰。在显微镜下，具正高突起，一级灰黄干涉色，一般呈隐晶或细小鳞片状结构，可见勃姆石交代蠕虫状高岭石现象，并且指出，这种勃姆石可能是在成岩阶段由于高岭石的脱硅作用形成的。而含量高达 63% ～85%呈隐晶质结构的勃姆石，可能是由原生沉积形成的。

方解石往往充填于煤中的各种裂隙中，是煤中典型的后生矿物。它的形成一方面要求有足够的二氧化碳，同时还要有相应的弱碱性环境，这些条件在泥炭阶段 ( 泥炭层上部有足够的二氧化碳，但介质为酸性) 及成岩阶段 ( 二氧化碳不足) 往往都不具备。所以，煤中的方解石主要是后生的，有时可见方解石交代细胞腔内的高岭石现象。

石英既可作为成煤初期的同生矿物，也可以是后期煤化作用过程中形成的后生矿物，但对燃煤产物而言，石英主要属于原生矿物。

煤中石膏常常是成岩作用或后生作用的产物，煤中黄铁矿和有机硫的风、氧化作用通常可以使其中的硫转化为石膏，另外它也常常形成于煤炭开采、运输和储存过程之中，是煤中新生矿物的主要类型。

这次对煤样低温灰化 ( 170℃) 后所作的 XRD 分析表明，煤中矿物勃姆石出现的 3个特征峰 d 值分别在 0. 616 nm、0. 317 nm 和 0. 235 nm 左右，并且衍射强度较高。另外一个明显的特征峰为高岭石峰，d 值在 0. 721 nm 和 0. 359 nm 左右，均为高岭石的最强衍射峰位置，且强度特征明显，d 值 0. 721 nm 稍高于高岭石的标准值 0. 716 nm。图谱上的石英、方解石和石膏 3 种矿物的谱峰均不明显，特别是石英的特征谱峰 0. 334 nm，在绝大多数电厂燃煤中都普遍作为标准谱峰进行校对，但这一情况在准格尔电厂燃煤中也仅有ZGR-C3 样品中有较明显显示，在其他样品中衍射峰均不明显。

图 2. 4 显示了 7 个炉前煤样低温灰化后的 XRD 图谱。

图 2. 4 准格尔电厂炉前煤低温灰化 ( 170℃) 后的 XRD 图谱

通常情况下，煤灰中 Al2O3的多少主要取决于原煤中黏土矿物的种类和含量，在常见的 3 种黏土矿物中 Al2O3/ SiO2质量比由大到小依次为高岭石、伊利石和蒙脱石，分别为0. 85、0. 61 和 0. 35。高岭石矿物中 Al2O3和 SiO2含量分别为 41. 2%和 48. 0%，所以，高岭石矿物含量较高的煤，其燃烧产物中 Al2O3的含量必然较高。

勃姆石 ( AlOOH) 矿物属于铝的氢氧化物类矿物，其中 Al2O3的含量为 85. 7%，H2O为14. 3%。由此可知，高岭石和勃姆石矿物为准格尔电厂粉煤灰中高 Al2O3含量提供了重要物质来源。