鐵元素含量在煤田火燒區治理評價中的應用探討———以硫磺溝礦區為例

　　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，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計分析的方法，對硫磺溝煤田火燒區不同典型區域土壤中鐵( Fe) 元素的含量變化進行分析和比較，簡單探討了該地區煤田火燒區土壤中重金屬鐵( Fe) 元素含量與火燒區治理效果間可能的聯系，為該礦區生態治理后續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; 土壤鐵元素含量

　　夏潤澤1，2 李 涵1，2 劉 鼎1，2 阿孜古麗·阿布都虛庫爾1，2 胡 創1，2 ;科技風 2021 年 9 月

　　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，也是煤炭火災的重災區，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進行治理。目前治理過的煤田火燒區地表已經很難見到明火，且周邊地區氣味也有很大改善。

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

　　1 研究區與實驗方案

　　1.1 研究區域概況

　　本次研究在硫磺溝礦區范圍劃定 A、B、C 三個研究區域 ( 如圖 1) ，其中 A 區域位于背斜的北部，頭屯河的東岸，該區域地表顏色為黃色、紅色，是可能的煤層自燃區域，該區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，可用于作為地表土壤鐵元素的背景值計算。B 區位于頭屯河的東部，硫磺溝鎮政府所在的區域，該區域人員活動頻繁，存在原煤堆放和化工企業，人為干擾和污染嚴重，該區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 區為之前的火災治理區域，也是硫磺溝火燒區治理示范工程的區域，該區域土壤的鐵元素含量可以作為滅火區治理效果的直接指標。

　　1.2 實驗方案

　　參考研究區的大小，本次研究參考多目標區域地球化學調查規范《DZ/T 0258-2014》的工作思路，在 A、B、C 三個區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%。

　　根據統計，A 區土壤中鐵元素的含量特征表現為最高，C 區土壤中鐵元素含量次之，B 區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 區沿著公路邊的工業企業一字展開，其中露天堆煤場及工業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 區的采樣點分布于背斜北側，呈均勻展布。研究區中部土壤含鐵量稍稍偏高，野外地質調查在此周圍發現了有私人采集煤炭的痕跡，而且 B 區東部的調查中未發現人為盜采痕跡，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 區之前為煤炭火災嚴重的區域[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 區土壤中的含鐵量是三個區域內最低的，不但低于 A 區人為活動區域的土壤含量，也比 B 區原始地層的要低。客觀反映了火燒區環境治理的有效性。

　　總體來說，地表土壤中的鐵元素含量在 A 區最為富集，這也反映了人為活動，特別是工業和礦業活動對環境的影響; B 區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地表土壤的狀態; 而 C 區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，對于火燒區的土壤環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生態修復可持續的關鍵所在。但受到經費制約，對于滅火區，目前的標準還沒有把監測土壤環境作為一項重點考察內容。從統計的數據發現，不管是人為活動強烈、相對污染嚴重的區域還是煤層的自燃區域，其地表土壤的鐵元素含量與該地區的背景值之間存在一定的區別和聯系。

　　人為活動的區域，特別是原煤堆放或者是煤炭化工單位的地面區域，由于堆煤的過程中，會在地表產生大量的煤渣，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的發生，煤炭中的硫元素最終會以硫酸根或者亞硫酸根的形式隨著水進行運移，而鐵離子往往隨之流動最終賦存在表層土壤中，這就造成了 A 區的表層土壤中的鐵元素含量偏高。

　　水庫東側的 B 區，人為活動較弱，根據在當地的走訪調查，該區域以前也發生了一定程度的煤層自燃，但是規模較小。其地表土壤基本屬于原始地層就地風化的產物，因此對于成土母質具有一定的繼承性。但隨著風化作用的加劇，表層土壤中部分易溶于水的離子逐漸被水搬運走，地表的風化物中的鐵元素越來越多，因此在水庫東側出現了一個土壤鐵元素的高富集。從數值上來說，該區域與 A 區相比數值較低，能夠說明該區域原始背景值偏低。

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

　　而 C 區的鐵元素含量低于 A 區，說明人為施工對于地表土壤中鐵的影響還是非常大，經過滅火作業的 C 區地表土壤質量也要優于 A 區，C 區的鐵元素含量與 B 區接近但略微偏低，一方面反映了該滅火區區域的原始地表土壤集成了部分燒變的性質，另一方面說明滅火區中植被對于地表土壤的元素分配起到了重要的調節作用。鐵元素的含量分布也很好地定性證明了這一點，而定量計算還是需要進一步探索。

　　4 結論

　　通過本次研究，我們總結出了以下結論:

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

　　( 2) 滅火區內的土壤鐵元素含量與滅火區治理效果的定量評價還無法做到，但是可以用過對比采樣的方法進行定性的分析。

　　致謝

　　在此感謝在野外調查工作和室內數據統計工作中提供幫助的古麗戈尼娜·阿不來提、徐航、成志強三位同志，同時感謝新疆工程學院礦業工程與地質學院地質系、自治區地質災害防治重點實驗室、礦山超前預報與安全監測校級重點實驗室張峰瑋副教授、向旻副教授、安然實驗師提供的幫助