煤中矿物质和元素既可以反映聚煤环境的地质背景又能揭示煤层形成后所经历的各种地质作用,因此研究煤中矿物质和元素有助于阐明煤层的成因、煤化作用和区域地质历史演化等基本理论问题。本文综合运用煤田地质学、煤岩学、岩石矿物学、元素地球化学、有机地球化学、数理统计等理论知识,使用X-射线荧光光谱、低温灰化-X射线衍射-Siroquant定量分析和带能谱的扫描电镜等分析测试技术方法对鄂尔多斯盆地西北缘乌海煤中元素的分布规律和矿物质富集分异机理进行了深入的分析。乌海石炭二叠纪煤的地球化学和矿物学组成的变化主要由三个因素控制:(1)沉积源区的输入;(2)泥炭聚集期间海水的影响;(3)多期次热液的作用。乌海聚煤盆地的沉积源区为其西北的阿拉善古陆,主要由前寒武的变质岩组成,而不是为华北聚煤盆地大部分石炭二叠纪煤提供陆源碎屑物质的阴山古陆。和鄂尔多斯东北缘准格尔煤(如:官板乌素煤、哈尔乌素煤和黑岱沟煤)相比,乌海煤具有较低的Th和Li含量,但是SiO2/Al2O3比值则相对较高,说明它们具有不同的源区。Al2O3/TiO2值是最有效的沉积岩源区指示剂,乌海含煤岩系顶底板和夹矸Al2O3/TiO2值均在20.47-49之间,均值为28.63,据此估算出源区岩石SiO2含量在56.8%-71.12%之间,均值为66.42%,表明乌海含煤岩系的源岩为长英质岩石。化学蚀变指数CIA最早作为判别源区岩石化学风化程度的指标而提出,随后又应用于对沉积物沉积时的气候环境的判定,乌海含煤岩系夹矸和顶底板的CIA值从85到97之间变化,均值为92,反映了源区岩石遭受风化的强度很剧烈,且表明乌海含煤岩系是在炎热潮湿的气候条件下沉积形成的。乌海石炭二叠纪煤中富集的微量元素有Li(55.72μg/g)、Be(2.42μg/g)、Ga(10.84μg/g)、Ge(3.56μg/g)、Zr(104.61μg/g)、Hg(0.224μg/g)和F(156.82μg/g)。这些元素相对于中国煤均值的富集系数分别为1.75、1.15、1.66、1.28、1.17、1.37、1.21;相对于世界煤均值的富集系数分别为4.64、1.51、1.87、1.62、2.91、2.24和1.78。在稀土元素地球化学特征方面,乌海煤表现为弱的Eu负异常,与陆源区源岩的控制和海水的调节作用关系密切。乌海煤Eu的负异常是从源区继承下来的,因为陆源区岩石具有Eu的负异常,海水对Eu异常起调节作用,它不仅减少了Eu负异常的程度,而且使稀土元素分布曲线平坦化。乌海煤轻重稀土元素分馏程度较低,主要是由于海水影响的泥炭沼泽环境对稀土元素有更强的改造和均化能力。重稀土元素比轻稀土元素更易在海水作用下溶解而迁移,被吸附的能力相对于轻稀土元素也强,介质中细粒的粘土矿物和有机质优先对其进行吸附并沉淀。乌海大部分煤稀土分布模式为富重或中重稀土型,中重稀土元素相对富集,轻稀土相对亏损,主要归因于重稀土元素更强的有机亲和性以及海水和热液的共同作用。但有少数煤分层的稀土分布模式为富轻稀土型(l-type),这主要是由于陆源区阿拉善古陆(主要为前寒武纪的变质岩)富集轻稀土元素,胶体溶液或者地表水将这些稀土元素在泥炭沼泽形成时期带入聚煤盆地,从而导致乌海少数煤分层(如公乌素煤gws9-11和gws12-2)的稀土分布模式为富轻稀土型。乌海含煤岩系一些煤层以及顶底板和夹矸受到了地下水不同程度的淋溶。如:乌达矿区苏海图15煤顶板和夹矸sht15-2p以及黄白茨12煤顶板、夹矸hbc12-6p和hbc12-8p均遭到了地下水的淋溶。它们的稀土元素总量rey均小于其对应的下伏煤层,轻重稀土分异程度却分别大于其下伏煤层。在地下水的淋溶过程中,ce3+被氧化成ce4+,而沉淀在原地,并没有随地下水一起迁移,从而使夹矸中具有相对较高的ce和ce/ce*。对于乌海煤而言,粘土矿物的吸附以及含rey的有机化合物可能为稀土元素的主要赋存形式。多期热液导致乌海含煤岩系的一些微量元素在煤层、夹矸和顶底板中重新分配。和夹矸中相比,煤层中高的元素比值(yb/la、nb/ta和zr/hf)主要归因于这些元素在煤层中的重新沉淀,夹矸中的这些元素(yb、nb和zr)在淋滤过程中更加活跃,更加容易被淋滤,被淋滤后易被下伏有机质吸附,重新在下伏煤层中沉淀。由于微量元素的重新分配导致乌海煤中的一些元素比值(如zr/hf)高于世界煤均值。siroquant定量结果表明,乌海石炭二叠纪煤中矿物组成主要包括石英、粘土矿物(主要是高岭石、伊利石和伊蒙混层)、黄铁矿、白铁矿、磷灰石、方解石、白云石、铁白云石、锐钛矿、以及少量的勃姆石、黄钾铁矾、硬石膏、三水铝石、烧石膏和长石。乌海一些煤分层中高含量的氟和磷,主要赋存于同生起源的热液成因的磷灰石中。磷灰石在煤中是少见的,但是在乌海煤中则较为普遍。在乌达矿区五虎山9煤w9-12煤分层的低温灰中,磷灰石含量达91.4%。乌海煤中的磷灰石均为单独或者与锐钛矿一起充填在有机质的孔隙中或者有机显微组分的胞腔中。磷灰石的形成是煤化作用早期在有效的孔隙尚未关闭之前自生作用的结果。乌海煤高含量的自生磷灰石的形成主要归因于充足的磷源的供给,以及中到弱碱性的干燥(低水位)的成煤环境,磷可能主要来自于原始泥炭沼泽中有机质的含磷蛋白质。乌达矿区9煤的黄铁矿硫和有机硫的同位素值均较低,表明在9煤的泥炭聚集过程中有繁盛的细菌活动。乌海泥炭沼泽弱还原和碱性的环境有利于细菌的生长和繁殖。由sem-edx技术,在乌达煤中发现了黄铁矿化的杆状细菌菌簇。这些细菌菌簇的特点主要表现为:(1)、黄铁矿化的细菌单体呈针状,长度在10微米左右。(2)、黄铁矿化的细菌集合体呈放射状或者菊花状,直径在20微米左右。(3)一些杆状的黄铁矿菌落,长度在5到20微米之间,充填在胞腔或有机质孔洞中,各黄铁矿化的细菌单体排列紧密,由胞腔壁向胞腔内部生长,形成了一个微型的由黄铁矿化的细菌菌群组成的晶洞。