铁元素含量在煤田火烧区治理评价中的应用探讨

夏润泽 李涵 刘鼎 阿孜古丽·阿布都虚库尔 胡创

摘 要：新疆拥有丰富的煤炭資源，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

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 02582014》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80733%，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。