鐵元素含量在煤田火燒區(qū)治理評價中的應用探討

夏潤澤 李涵 劉鼎 阿孜古麗·阿布都虛庫爾 胡創(chuàng)

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)，本文基于多目標地球化學調查的原理，采用野外采樣調查與測試數據統(tǒng)計分析的方法，對硫磺溝煤田火燒區(qū)不同典型區(qū)域土壤中鐵（Fe）元素的含量變化進行分析和比較，簡單探討了該地區(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工作。

關鍵詞：硫磺溝;煤田火燒區(qū);土壤鐵元素含量

鐵（Fe）元素是地殼內最常見的金屬元素之一，其含量約為整個地殼的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、構造運動等條件的影響，在煤層的自燃過程中，煤層中的鐵元素在高溫作用下會隨著溫度向上遷移，上覆巖層中的含鐵礦物由于受到高溫部分會出現燒熔現象[1]。因此煤層火燒往往也可以使用此法進行探測。燒變巖形成過程中會出現明顯的顏色變化，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，因此鐵元素的含量分布往往與火災存在一定聯系[2]。

硫磺溝地處烏魯木齊西南面，是重要的煤礦礦區(qū)，也是煤炭火災的重災區(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煤田火燒區(qū)進行治理。目前治理過的煤田火燒區(qū)地表已經很難見到明火，且周邊地區(qū)氣味也有很大改善。

本文通過實地野外采樣和測試，對比2017年火燒區(qū)的調查測試數據對鐵元素含量在煤田火燒區(qū)治理評價中的應用進行探討。

1?研究區(qū)與實驗方案

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象，也幾乎沒有進行人工滅火作業(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)域人員活動頻繁，存在原煤堆放和化工企業(yè)，人為干擾和污染嚴重，該區(qū)域土壤中鐵元素的含量既可以反映人為污染情況，也可以作為評價治理效果的整體指標。C區(qū)為之前的火災治理區(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。

1.2?實驗方案

參考研究區(qū)的大小，本次研究參考多目標區(qū)域地球化學調查規(guī)范《DZ/T?02582014》的工作思路，在A、B、C三個區(qū)域布置土壤地球化學采樣點，采樣點間隔500m，采樣深度為20cm以下，對于采集到的土壤樣品使用奧林巴斯手持式XRF進行土壤重金屬的測試和分析。為了減少手持式XRF的人為誤差操作影響，在每個采樣點分別對相同采樣位置土壤進行5組測試數據，并采集備份土壤樣品。如果5次測試的數據中出現2次以上的失真，則在原采樣點進行重新采樣。利用SPSS軟件統(tǒng)計鐵元素含量的最大值、最小值、方差、中位數，并利用平均數加減2倍標準差的方法探討其含量特征[3]。本次研究共完成采樣點70個，基本達到了預期的效果。

2?數據與分析

2.1?采樣數據

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80733%，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%。

根據統(tǒng)計，A區(qū)土壤中鐵元素的含量特征表現為最高，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為最低。

2.2?數據分析

由圖2所示，A區(qū)的采樣點沿著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，在臨近露天煤場周圍的低洼處水坑位置利用pH試紙進行測試，顯示為弱的酸性。這說明煤礦開采對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)的采樣點分布于背斜北側，呈均勻展布。研究區(qū)中部土壤含鐵量稍稍偏高，野外地質調查在此周圍發(fā)現了有私人采集煤炭的痕跡，而且B區(qū)東部的調查中未發(fā)現人為盜采痕跡，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系。

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

總體來說，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，特別是工業(yè)和礦業(yè)活動對環(huán)境的影響;B區(qū)土壤中的鐵元素受到人為活動的影響很小，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過人為修復后的土壤含鐵情況。

3?討論

鐵元素作為一種常見的元素，一般很少被用于環(huán)境評價，在土壤肥力評價和土壤理化指標評價中往往以TFe2O3出現，煤田火燒區(qū)的治理評價過程中往往在乎的是火災是否消滅，對于火燒區(qū)的土壤環(huán)境的評價往往局限在地表植被覆蓋情況、水源保護和污染物清理，常忽視土壤質量。但是土壤質量往往才是滅火區(qū)生態(tài)修復可持續(xù)的關鍵所在。但受到經費制約，對于滅火區(qū)，目前的標準還沒有把監(jiān)測土壤環(huán)境作為一項重點考察內容。從統(tǒng)計的數據發(fā)現，不管是人為活動強烈、相對污染嚴重的區(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)別和聯系。