鐵元素含量在煤田火燒區(qū)治理評(píng)價(jià)中的應(yīng)用探討———以硫磺溝礦區(qū)為例

　　摘 要: 新疆擁有豐富的煤炭資源，也有面積巨大的煤田火燒區(qū)，本文基于多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查的原理，采用野外采樣調(diào)查與測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的方法，對(duì)硫磺溝煤田火燒區(qū)不同典型區(qū)域土壤中鐵( Fe) 元素的含量變化進(jìn)行分析和比較，簡(jiǎn)單探討了該地區(qū)煤田火燒區(qū)土壤中重金屬鐵( Fe) 元素含量與火燒區(qū)治理效果間可能的聯(lián)系，為該礦區(qū)生態(tài)治理后續(xù)工程做了一些探索性的基礎(chǔ)工作。

　　關(guān)鍵詞: 硫磺溝; 煤田火燒區(qū); 土壤鐵元素含量

　　夏潤(rùn)澤1，2 李 涵1，2 劉 鼎1，2 阿孜古麗·阿布都虛庫(kù)爾1，2 胡 創(chuàng)1，2 ;科技風(fēng) 2021 年 9 月

　　鐵( Fe) 元素是地殼內(nèi)最常見的金屬元素之一，其含量約為整個(gè)地殼的 4.75%，僅次于氧、硅、鋁，位居地殼含量第四。自然界中存在非常多的含鐵礦物，例如赤鐵礦( Fe2O3 ) 、磁鐵礦( Fe3O4 ) 、菱鐵礦( FeCO3 ) 等含鐵礦物，含煤地層中也常常能見到黃鐵礦( FeS2 ) 等含鐵礦物。煤層由于人為挖掘、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等條件的影響，在煤層的自燃過(guò)程中，煤層中的鐵元素在高溫作用下會(huì)隨著溫度向上遷移，上覆巖層中的含鐵礦物由于受到高溫部分會(huì)出現(xiàn)燒熔現(xiàn)象[1]。因此煤層火燒往往也可以使用此法進(jìn)行探測(cè)。燒變巖形成過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)明顯的顏色變化，以烏魯木齊周邊為例，燒變巖往往呈黃色、紅色或紫色，且在地表呈條帶狀展布。這樣的顏色變化往往與鐵元素相關(guān)，因此鐵元素的含量分布往往與火災(zāi)存在一定聯(lián)系[2]。

　　硫磺溝地處烏魯木齊西南面，是重要的煤礦礦區(qū)，也是煤炭火災(zāi)的重災(zāi)區(qū)，2017 年至今，分別使用地表黃土覆蓋法、鉆探、注水、注漿法以及剝離挖除火源法等各類型施工工藝對(duì)煤田火燒區(qū)進(jìn)行治理。目前治理過(guò)的煤田火燒區(qū)地表已經(jīng)很難見到明火，且周邊地區(qū)氣味也有很大改善。

　　本文通過(guò)實(shí)地野外采樣和測(cè)試，對(duì)比 2017 年火燒區(qū)的調(diào)查測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)鐵元素含量在煤田火燒區(qū)治理評(píng)價(jià)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

　　1 研究區(qū)與實(shí)驗(yàn)方案

　　1.1 研究區(qū)域概況

　　本次研究在硫磺溝礦區(qū)范圍劃定 A、B、C 三個(gè)研究區(qū)域 ( 如圖 1) ，其中 A 區(qū)域位于背斜的北部，頭屯河的東岸，該區(qū)域地表顏色為黃色、紅色，是可能的煤層自燃區(qū)域，該區(qū)域地表沒有明顯的自燃現(xiàn)象，也幾乎沒有進(jìn)行人工滅火作業(yè)，可用于作為地表土壤鐵元素的背景值計(jì)算。B 區(qū)位于頭屯河的東部，硫磺溝鎮(zhèn)政府所在的區(qū)域，該區(qū)域人員活動(dòng)頻繁，存在原煤堆放和化工企業(yè)，人為干擾和污染嚴(yán)重，該區(qū)域土壤中鐵元素的含量既可以反映人為污染情況，也可以作為評(píng)價(jià)治理效果的整體指標(biāo)。C 區(qū)為之前的火災(zāi)治理區(qū)域，也是硫磺溝火燒區(qū)治理示范工程的區(qū)域，該區(qū)域土壤的鐵元素含量可以作為滅火區(qū)治理效果的直接指標(biāo)。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)方案

　　參考研究區(qū)的大小，本次研究參考多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范《DZ/T 0258-2014》的工作思路，在 A、B、C 三個(gè)區(qū)域布置土壤地球化學(xué)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)間隔 500m，采樣深度為 20cm 以下，對(duì)于采集到的土壤樣品使用奧林巴斯手持式 XRF 進(jìn)行土壤重金屬的測(cè)試和分析。為了減少手持式 XRF 的人為誤差操作影響，在每個(gè)采樣點(diǎn)分別對(duì)相同采樣位置土壤進(jìn)行 5 組測(cè)試數(shù)據(jù)，并采集備份土壤樣品。如果 5 次測(cè)試的數(shù)據(jù)中出現(xiàn) 2 次以上的失真，則在原采樣點(diǎn)進(jìn)行重新采樣。利用SPSS 軟件統(tǒng)計(jì)鐵元素含量的最大值、最小值、方差、中位數(shù)，并利用平均數(shù)加減 2 倍標(biāo)準(zhǔn)差的方法探討其含量特征[3]。本次研究共完成采樣點(diǎn) 70 個(gè)，基本達(dá)到了預(yù)期的效果。

　　2 數(shù)據(jù)與分析

　　2.1 采樣數(shù)據(jù)

　　本次研究共采集到有效的土壤鐵元素含量樣品 59 組，其中在 A 區(qū)域采樣 16 組，有效樣品 12 組，其中土壤中鐵元素含量最高 7.257%，最低 4.1964%，特征值為 5.4160%; 在 B 區(qū)域采樣 23 組，有 效 樣 品 20 組，其 中 土 壤 中 鐵 元 素 含 量 最 高 8. 0733%，最低 1.0576%，特征值為 4.5827%; 在 C 區(qū)域采樣 31 組，有效樣品 27 組，其中土壤中鐵元素含量最高 8.5792%，最低 2.5898%，特征值為 4.5273%。

　　根據(jù)統(tǒng)計(jì)，A 區(qū)土壤中鐵元素的含量特征表現(xiàn)為最高，C 區(qū)土壤中鐵元素含量次之，B 區(qū)土壤中鐵元素的含量特征表現(xiàn)為最低。

　　2.2 數(shù)據(jù)分析

　　由圖 2 所示，A 區(qū)的采樣點(diǎn)沿著 S203 線自東北向西南展開，土壤中的鐵元素含量在 A 區(qū)沿著公路邊的工業(yè)企業(yè)一字展開，其中露天堆煤場(chǎng)及工業(yè)廠房周邊的土壤中鐵元素含量最高，在臨近露天煤場(chǎng)周圍的低洼處水坑位置利用 pH 試紙進(jìn)行測(cè)試，顯示為弱的酸性。這說(shuō)明煤礦開采對(duì)于地表土壤中的鐵元素富集有著直接影響。

　　由圖 3 所示，B 區(qū)的采樣點(diǎn)分布于背斜北側(cè)，呈均勻展布。研究區(qū)中部土壤含鐵量稍稍偏高，野外地質(zhì)調(diào)查在此周圍發(fā)現(xiàn)了有私人采集煤炭的痕跡，而且 B 區(qū)東部的調(diào)查中未發(fā)現(xiàn)人為盜采痕跡，因此判斷中部土壤中鐵含量可能與煤炭開采可能存在一定聯(lián)系。

　　由圖 4 所示，C 區(qū)的采樣點(diǎn)分布于背斜的南側(cè)，位于頭屯河大橋的東南面，C 區(qū)之前為煤炭火災(zāi)嚴(yán)重的區(qū)域[4]，2017 年的野外工作中，使用 XRF 在煤層著火點(diǎn)和冒煙裂縫點(diǎn)附近測(cè)得的土壤中鐵元素的含量達(dá)到了 24.31%，遠(yuǎn)超過(guò)本次測(cè)試得到的值。C 區(qū)土壤中的含鐵量是三個(gè)區(qū)域內(nèi)最低的，不但低于 A 區(qū)人為活動(dòng)區(qū)域的土壤含量，也比 B 區(qū)原始地層的要低。客觀反映了火燒區(qū)環(huán)境治理的有效性。

　　總體來(lái)說(shuō)，地表土壤中的鐵元素含量在 A 區(qū)最為富集，這也反映了人為活動(dòng)，特別是工業(yè)和礦業(yè)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響; B 區(qū)土壤中的鐵元素受到人為活動(dòng)的影響很小，代表了原始的煤田火燒區(qū)地表土壤的狀態(tài); 而 C 區(qū)土壤中的鐵元素含量反映了經(jīng)過(guò)人為修復(fù)后的土壤含鐵情況。

　　3 討論

　　鐵元素作為一種常見的元素，一般很少被用于環(huán)境評(píng)價(jià)，在土壤肥力評(píng)價(jià)和土壤理化指標(biāo)評(píng)價(jià)中往往以 TFe2O3出現(xiàn)，煤田火燒區(qū)的治理評(píng)價(jià)過(guò)程中往往在乎的是火災(zāi)是否消滅，對(duì)于火燒區(qū)的土壤環(huán)境的評(píng)價(jià)往往局限在地表植被覆蓋情況、水源保護(hù)和污染物清理，常忽視土壤質(zhì)量。但是土壤質(zhì)量往往才是滅火區(qū)生態(tài)修復(fù)可持續(xù)的關(guān)鍵所在。但受到經(jīng)費(fèi)制約，對(duì)于滅火區(qū)，目前的標(biāo)準(zhǔn)還沒有把監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境作為一項(xiàng)重點(diǎn)考察內(nèi)容。從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不管是人為活動(dòng)強(qiáng)烈、相對(duì)污染嚴(yán)重的區(qū)域還是煤層的自燃區(qū)域，其地表土壤的鐵元素含量與該地區(qū)的背景值之間存在一定的區(qū)別和聯(lián)系。

　　人為活動(dòng)的區(qū)域，特別是原煤堆放或者是煤炭化工單位的地面區(qū)域，由于堆煤的過(guò)程中，會(huì)在地表產(chǎn)生大量的煤渣，煤渣中富含硫化亞鐵的礦物，隨著降水或者是其他氧化反應(yīng)的發(fā)生，煤炭中的硫元素最終會(huì)以硫酸根或者亞硫酸根的形式隨著水進(jìn)行運(yùn)移，而鐵離子往往隨之流動(dòng)最終賦存在表層土壤中，這就造成了 A 區(qū)的表層土壤中的鐵元素含量偏高。

　　水庫(kù)東側(cè)的 B 區(qū)，人為活動(dòng)較弱，根據(jù)在當(dāng)?shù)氐淖咴L調(diào)查，該區(qū)域以前也發(fā)生了一定程度的煤層自燃，但是規(guī)模較小。其地表土壤基本屬于原始地層就地風(fēng)化的產(chǎn)物，因此對(duì)于成土母質(zhì)具有一定的繼承性。但隨著風(fēng)化作用的加劇，表層土壤中部分易溶于水的離子逐漸被水搬運(yùn)走，地表的風(fēng)化物中的鐵元素越來(lái)越多，因此在水庫(kù)東側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)土壤鐵元素的高富集。從數(shù)值上來(lái)說(shuō)，該區(qū)域與 A 區(qū)相比數(shù)值較低，能夠說(shuō)明該區(qū)域原始背景值偏低。

　　C 區(qū)為火燒區(qū)的治理區(qū)域，其地形地貌和 2017 年調(diào)查有著( 如圖 5) ，之前由于地下水滲透和火災(zāi)共同作用產(chǎn)生的污水水池已經(jīng)消失不見，施工單位將沒有火災(zāi)的山頭削平，將土石方推向頭屯河一側(cè)，覆蓋已有的起火點(diǎn)并將自燃的煤層封閉于地下。在原先污水池的基礎(chǔ)上新建了一個(gè)綠化蓄水池，由頭屯河向水池中抽水沉淀，待過(guò)濾完泥沙之后，再向滅火區(qū)進(jìn)行噴灌作業(yè)。因此 C 區(qū)土壤中鐵元素的含量是研究區(qū)內(nèi)最低的，且鐵元素的展布非常平均。鐵元素含量低一方面說(shuō)明煤層中的鐵元素在受到覆蓋滅火后，無(wú)法到達(dá)地表土壤; 另一方面可能說(shuō)明噴灌過(guò)程對(duì)地表土壤中的鐵元素造成了損失，使之不能富集。

　　而 C 區(qū)的鐵元素含量低于 A 區(qū)，說(shuō)明人為施工對(duì)于地表土壤中鐵的影響還是非常大，經(jīng)過(guò)滅火作業(yè)的 C 區(qū)地表土壤質(zhì)量也要優(yōu)于 A 區(qū)，C 區(qū)的鐵元素含量與 B 區(qū)接近但略微偏低，一方面反映了該滅火區(qū)區(qū)域的原始地表土壤集成了部分燒變的性質(zhì)，另一方面說(shuō)明滅火區(qū)中植被對(duì)于地表土壤的元素分配起到了重要的調(diào)節(jié)作用。鐵元素的含量分布也很好地定性證明了這一點(diǎn)，而定量計(jì)算還是需要進(jìn)一步探索。

　　4 結(jié)論

　　通過(guò)本次研究，我們總結(jié)出了以下結(jié)論:

　　( 1) 滅火區(qū)內(nèi)地表鐵元素的富集受到成土母質(zhì)、人為擾動(dòng)和煤炭自燃等多方面的影響。

　　( 2) 滅火區(qū)內(nèi)的土壤鐵元素含量與滅火區(qū)治理效果的定量評(píng)價(jià)還無(wú)法做到，但是可以用過(guò)對(duì)比采樣的方法進(jìn)行定性的分析。

　　致謝

　　在此感謝在野外調(diào)查工作和室內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作中提供幫助的古麗戈尼娜·阿不來(lái)提、徐航、成志強(qiáng)三位同志，同時(shí)感謝新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院地質(zhì)系、自治區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、礦山超前預(yù)報(bào)與安全監(jiān)測(cè)校級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張峰瑋副教授、向旻副教授、安然實(shí)驗(yàn)師提供的幫助