铁元素含量在煤田火烧区治理评价中的应用探讨———以硫磺沟矿区为例

　　摘 要: 新疆拥有丰富的煤炭资源，也有面积巨大的煤田火烧区，本文基于多目标地球化学调查的原理，采用野外采样调查与测试数据统计分析的方法，对硫磺沟煤田火烧区不同典型区域土壤中铁( Fe) 元素的含量变化进行分析和比较，简单探讨了该地区煤田火烧区土壤中重金属铁( Fe) 元素含量与火烧区治理效果间可能的联系，为该矿区生态治理后续工程做了一些探索性的基础工作。

　　关键词: 硫磺沟; 煤田火烧区; 土壤铁元素含量

　　夏润泽1，2 李 涵1，2 刘 鼎1，2 阿孜古丽·阿布都虚库尔1，2 胡 创1，2 ;科技风 2021 年 9 月

　　铁( Fe) 元素是地壳内最常见的金属元素之一，其含量约为整个地壳的 4.75%，仅次于氧、硅、铝，位居地壳含量第四。自然界中存在非常多的含铁矿物，例如赤铁矿( Fe2O3 ) 、磁铁矿( Fe3O4 ) 、菱铁矿( FeCO3 ) 等含铁矿物，含煤地层中也常常能见到黄铁矿( FeS2 ) 等含铁矿物。煤层由于人为挖掘、构造运动等条件的影响，在煤层的自燃过程中，煤层中的铁元素在高温作用下会随着温度向上迁移，上覆岩层中的含铁矿物由于受到高温部分会出现烧熔现象[1]。因此煤层火烧往往也可以使用此法进行探测。烧变岩形成过程中会出现明显的颜色变化，以乌鲁木齐周边为例，烧变岩往往呈黄色、红色或紫色，且在地表呈条带状展布。这样的颜色变化往往与铁元素相关，因此铁元素的含量分布往往与火灾存在一定联系[2]。

　　硫磺沟地处乌鲁木齐西南面，是重要的煤矿矿区，也是煤炭火灾的重灾区，2017 年至今，分别使用地表黄土覆盖法、钻探、注水、注浆法以及剥离挖除火源法等各类型施工工艺对煤田火烧区进行治理。目前治理过的煤田火烧区地表已经很难见到明火，且周边地区气味也有很大改善。

　　本文通过实地野外采样和测试，对比 2017 年火烧区的调查测试数据对铁元素含量在煤田火烧区治理评价中的应用进行探讨。

　　1 研究区与实验方案

　　1.1 研究区域概况

　　本次研究在硫磺沟矿区范围划定 A、B、C 三个研究区域 ( 如图 1) ，其中 A 区域位于背斜的北部，头屯河的东岸，该区域地表颜色为黄色、红色，是可能的煤层自燃区域，该区域地表没有明显的自燃现象，也几乎没有进行人工灭火作业，可用于作为地表土壤铁元素的背景值计算。B 区位于头屯河的东部，硫磺沟镇政府所在的区域，该区域人员活动频繁，存在原煤堆放和化工企业，人为干扰和污染严重，该区域土壤中铁元素的含量既可以反映人为污染情况，也可以作为评价治理效果的整体指标。C 区为之前的火灾治理区域，也是硫磺沟火烧区治理示范工程的区域，该区域土壤的铁元素含量可以作为灭火区治理效果的直接指标。

　　1.2 实验方案

　　参考研究区的大小，本次研究参考多目标区域地球化学调查规范《DZ/T 0258-2014》的工作思路，在 A、B、C 三个区域布置土壤地球化学采样点，采样点间隔 500m，采样深度为 20cm 以下，对于采集到的土壤样品使用奥林巴斯手持式 XRF 进行土壤重金属的测试和分析。为了减少手持式 XRF 的人为误差操作影响，在每个采样点分别对相同采样位置土壤进行 5 组测试数据，并采集备份土壤样品。如果 5 次测试的数据中出现 2 次以上的失真，则在原采样点进行重新采样。利用SPSS 软件统计铁元素含量的最大值、最小值、方差、中位数，并利用平均数加减 2 倍标准差的方法探讨其含量特征[3]。本次研究共完成采样点 70 个，基本达到了预期的效果。

　　2 数据与分析

　　2.1 采样数据

　　本次研究共采集到有效的土壤铁元素含量样品 59 组，其中在 A 区域采样 16 组，有效样品 12 组，其中土壤中铁元素含量最高 7.257%，最低 4.1964%，特征值为 5.4160%; 在 B 区域采样 23 组，有 效 样 品 20 组，其 中 土 壤 中 铁 元 素 含 量 最 高 8. 0733%，最低 1.0576%，特征值为 4.5827%; 在 C 区域采样 31 组，有效样品 27 组，其中土壤中铁元素含量最高 8.5792%，最低 2.5898%，特征值为 4.5273%。

　　根据统计，A 区土壤中铁元素的含量特征表现为最高，C 区土壤中铁元素含量次之，B 区土壤中铁元素的含量特征表现为最低。

　　2.2 数据分析

　　由图 2 所示，A 区的采样点沿着 S203 线自东北向西南展开，土壤中的铁元素含量在 A 区沿着公路边的工业企业一字展开，其中露天堆煤场及工业厂房周边的土壤中铁元素含量最高，在临近露天煤场周围的低洼处水坑位置利用 pH 试纸进行测试，显示为弱的酸性。这说明煤矿开采对于地表土壤中的铁元素富集有着直接影响。

　　由图 3 所示，B 区的采样点分布于背斜北侧，呈均匀展布。研究区中部土壤含铁量稍稍偏高，野外地质调查在此周围发现了有私人采集煤炭的痕迹，而且 B 区东部的调查中未发现人为盗采痕迹，因此判断中部土壤中铁含量可能与煤炭开采可能存在一定联系。

　　由图 4 所示，C 区的采样点分布于背斜的南侧，位于头屯河大桥的东南面，C 区之前为煤炭火灾严重的区域[4]，2017 年的野外工作中，使用 XRF 在煤层着火点和冒烟裂缝点附近测得的土壤中铁元素的含量达到了 24.31%，远超过本次测试得到的值。C 区土壤中的含铁量是三个区域内最低的，不但低于 A 区人为活动区域的土壤含量，也比 B 区原始地层的要低。客观反映了火烧区环境治理的有效性。

　　总体来说，地表土壤中的铁元素含量在 A 区最为富集，这也反映了人为活动，特别是工业和矿业活动对环境的影响; B 区土壤中的铁元素受到人为活动的影响很小，代表了原始的煤田火烧区地表土壤的状态; 而 C 区土壤中的铁元素含量反映了经过人为修复后的土壤含铁情况。

　　3 讨论

　　铁元素作为一种常见的元素，一般很少被用于环境评价，在土壤肥力评价和土壤理化指标评价中往往以 TFe2O3出现，煤田火烧区的治理评价过程中往往在乎的是火灾是否消灭，对于火烧区的土壤环境的评价往往局限在地表植被覆盖情况、水源保护和污染物清理，常忽视土壤质量。但是土壤质量往往才是灭火区生态修复可持续的关键所在。但受到经费制约，对于灭火区，目前的标准还没有把监测土壤环境作为一项重点考察内容。从统计的数据发现，不管是人为活动强烈、相对污染严重的区域还是煤层的自燃区域，其地表土壤的铁元素含量与该地区的背景值之间存在一定的区别和联系。

　　人为活动的区域，特别是原煤堆放或者是煤炭化工单位的地面区域，由于堆煤的过程中，会在地表产生大量的煤渣，煤渣中富含硫化亚铁的矿物，随着降水或者是其他氧化反应的发生，煤炭中的硫元素最终会以硫酸根或者亚硫酸根的形式随着水进行运移，而铁离子往往随之流动最终赋存在表层土壤中，这就造成了 A 区的表层土壤中的铁元素含量偏高。

　　水库东侧的 B 区，人为活动较弱，根据在当地的走访调查，该区域以前也发生了一定程度的煤层自燃，但是规模较小。其地表土壤基本属于原始地层就地风化的产物，因此对于成土母质具有一定的继承性。但随着风化作用的加剧，表层土壤中部分易溶于水的离子逐渐被水搬运走，地表的风化物中的铁元素越来越多，因此在水库东侧出现了一个土壤铁元素的高富集。从数值上来说，该区域与 A 区相比数值较低，能够说明该区域原始背景值偏低。

　　C 区为火烧区的治理区域，其地形地貌和 2017 年调查有着( 如图 5) ，之前由于地下水渗透和火灾共同作用产生的污水水池已经消失不见，施工单位将没有火灾的山头削平，将土石方推向头屯河一侧，覆盖已有的起火点并将自燃的煤层封闭于地下。在原先污水池的基础上新建了一个绿化蓄水池，由头屯河向水池中抽水沉淀，待过滤完泥沙之后，再向灭火区进行喷灌作业。因此 C 区土壤中铁元素的含量是研究区内最低的，且铁元素的展布非常平均。铁元素含量低一方面说明煤层中的铁元素在受到覆盖灭火后，无法到达地表土壤; 另一方面可能说明喷灌过程对地表土壤中的铁元素造成了损失，使之不能富集。

　　而 C 区的铁元素含量低于 A 区，说明人为施工对于地表土壤中铁的影响还是非常大，经过灭火作业的 C 区地表土壤质量也要优于 A 区，C 区的铁元素含量与 B 区接近但略微偏低，一方面反映了该灭火区区域的原始地表土壤集成了部分烧变的性质，另一方面说明灭火区中植被对于地表土壤的元素分配起到了重要的调节作用。铁元素的含量分布也很好地定性证明了这一点，而定量计算还是需要进一步探索。

　　4 结论

　　通过本次研究，我们总结出了以下结论:

　　( 1) 灭火区内地表铁元素的富集受到成土母质、人为扰动和煤炭自燃等多方面的影响。

　　( 2) 灭火区内的土壤铁元素含量与灭火区治理效果的定量评价还无法做到，但是可以用过对比采样的方法进行定性的分析。

　　致谢

　　在此感谢在野外调查工作和室内数据统计工作中提供帮助的古丽戈尼娜·阿不来提、徐航、成志强三位同志，同时感谢新疆工程学院矿业工程与地质学院地质系、自治区地质灾害防治重点实验室、矿山超前预报与安全监测校级重点实验室张峰玮副教授、向旻副教授、安然实验师提供的帮助