鐵元素含量在煤田火燒區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

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

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?02582014》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80733%，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?？陀^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。