中國(guó)煤中有害微量元素含量的空間分布

曹慶一，任文穎，梁朝銘，張宇飛，楊 柳

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

繪制環(huán)境中化學(xué)元素的區(qū)域分布地圖對(duì)于確定和理解大規(guī)模地球化學(xué)過(guò)程以及記錄空間和時(shí)間地球化學(xué)變化至關(guān)重要。同時(shí)，地球化學(xué)制圖在土地利用規(guī)劃和政策制定方面有許多實(shí)際應(yīng)用，且在了解化學(xué)元素在地方病發(fā)生和分布中具有重要作用[1-4]。1984 年，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)首次提出了“全球一張地球化學(xué)圖”的概念；1988?1997 年，國(guó)際地球化學(xué)填圖計(jì)劃和全球地球化學(xué)基準(zhǔn)計(jì)劃相繼開(kāi)展[5]。此外，各種具有特定目標(biāo)的地球化學(xué)調(diào)查活動(dòng)被廣泛開(kāi)展，如EuroGeoSurveys 農(nóng)業(yè)和牧場(chǎng)土壤地球化學(xué)制圖項(xiàng)目(GEMAS)，該項(xiàng)目旨在獲取歐洲農(nóng)牧區(qū)土壤的金屬含量數(shù)據(jù)[6-7]；在中國(guó)東部第四紀(jì)平原開(kāi)展了為環(huán)境調(diào)節(jié)和農(nóng)業(yè)實(shí)踐提供數(shù)據(jù)的多用途生態(tài)地球化學(xué)制圖項(xiàng)目[8]；巴倫支海生態(tài)地球化學(xué)項(xiàng)目[9]；北美土壤景觀項(xiàng)目等[10]。這些調(diào)查通過(guò)地球化學(xué)制圖以獲取環(huán)境中有害微量元素的含量、分布和影響因素等信息。

煤炭是保證全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要能源之一，未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間將繼續(xù)保持其在全球能源生產(chǎn)中的主導(dǎo)地位。中國(guó)是全球最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)，2020 年原煤產(chǎn)量為39 億t，約占全球煤炭產(chǎn)量的51%。由于煤炭工業(yè)規(guī)模龐大，其開(kāi)發(fā)利用過(guò)程造成的環(huán)境污染問(wèn)題備受關(guān)注[11-12]，重點(diǎn)問(wèn)題之一是煤中有害微量元素對(duì)環(huán)境構(gòu)成的潛在風(fēng)險(xiǎn)[13-15]。煤中有害微量元素向地下水、空氣和土壤的遷移已被廣泛報(bào)道[16-18]。中國(guó)已經(jīng)對(duì)有害微量元素開(kāi)展了大量研究，一般集中在小規(guī)模礦區(qū)或局部地區(qū)。在全國(guó)范圍內(nèi)，較為完整的中國(guó)煤中有害微量元素含量分布圖少有報(bào)道。筆者利用Arc-GIS 技術(shù)繪制中國(guó)含煤區(qū)中Be、Co、Cu、Mo、Th、Zn的含量分布圖，以期為煤中微量元素和地球化學(xué)過(guò)程研究提供科學(xué)信息，并為煤炭環(huán)境管理提供直觀有效的參考。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所使用的分析與制圖數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)煤中微量元素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)(Trace Elements in Coal of China Database，TECC)，包括1 167 個(gè)Be、1 315 個(gè)Co、1 406 個(gè)Cu、1 191 個(gè)Mo、1 247 個(gè)Th 和1 390 個(gè)Zn 樣品數(shù)據(jù)(圖1)。TECC 是第一個(gè)旨在管理中國(guó)煤中微量元素?cái)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，收錄了中國(guó)主要煤礦的地理坐標(biāo)、微量元素含量、工業(yè)分析等數(shù)據(jù)單元[19-20]。這些數(shù)據(jù)主要收集自Web of Science、中國(guó)知網(wǎng) (CNKI)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和相關(guān)專著。中國(guó)含煤區(qū)域的矢量邊界繪制依據(jù)為開(kāi)放源地理空間基金會(huì)(OSGeo)?中國(guó)中心(www.osgeo.cn)網(wǎng)站的“中國(guó)煤炭資源分布在線地圖(1∶3 200 萬(wàn))”[21]。

圖1 中國(guó)煤炭樣品中 Be、Co、Cu、Mo、Th 和 Zn 的含量頻率分布Fig.1 Concentration frequency distribution of Be,Co,Cu,Mo,Th and Zn in Chinese coals

1.2 數(shù)據(jù)處理與成圖

采用箱線圖分析獲得原始含量數(shù)據(jù)集的四分位數(shù)和異常值。四分位數(shù)可反映數(shù)據(jù)的離散程度，計(jì)算過(guò)程如下：首先對(duì)給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，排序后的數(shù)據(jù)范圍為Xi,i=1,2,···,n。隨后，第1 個(gè)四分位數(shù)(Q1)、第2個(gè)四分位數(shù)(Q2)和第3 個(gè)四分位數(shù) (Q3) 都計(jì)算為(1?g)Xi+gXi+1，其中i是等式的整數(shù)部分，g是等式的小數(shù)部分；(n+1)/4，(n+1)/2 和3(n+1)/4 分別是用于計(jì)算Q1、Q2 和Q3 的公式。四分位距(IQR) 計(jì)算式為IQR=Q3?Q1。相應(yīng)地，上限和下限分別使用Q3+1.5IQR 和Q1?1.5IQR 計(jì)算。結(jié)合實(shí)際情況，將下限指定為0，即超出[0,Q3+1.5(Q3?Q1)]范圍的數(shù)據(jù)被定義為異常值。

各元素的含量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)(lg)轉(zhuǎn)換后，呈現(xiàn)正態(tài)分布或近似正態(tài)分布(圖2)。利用ArcGIS 9.0 軟件將lg 轉(zhuǎn)換后的含量數(shù)據(jù)和地理坐標(biāo)整合到地理信息系統(tǒng)中，并運(yùn)用反距離權(quán)重方法繪制中國(guó)煤中微量元素含量的空間分布圖。地圖中的顏色等級(jí)根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的占比進(jìn)行分類，即：0～10%、10%～25%、25%～50%、50%～75%、75%～90%和大于90%。異常點(diǎn)不參與制圖，但其空間位置在地圖上標(biāo)出。

圖2 煤中 Be、Co、Cu、Mo、Th 和Zn 含量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換箱線圖Fig.2 Box plot representing the lg-transformed concentration distribution of Be,Co,Cu,Mo,Th,and Zn in Chinese coals

2 結(jié)果與討論

2.1 煤中有害微量元素的含量特征

中國(guó)煤中Be、Co、Cu、Mo、Th、Zn 含量均表現(xiàn)出較大的跨度，且數(shù)據(jù)分布呈正偏性，不符合正態(tài)分布(圖1)。大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)聚集在相對(duì)較低的值上，標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)和變異系數(shù)(cv)較高(表1)。

基于箱線圖分析排除異常含量值后，識(shí)別出中國(guó)煤中Be、Co、Cu、Mo、Th、Zn 的一般含量范圍分別為0.05～7.51、0.04～22.73、0.06～78.50、0.01～10.60、0.04～26.10、0.38～106.00 mg/kg，分別占樣本總量的86%、90%、93%、83%、93%和 90%。排除異常值后，σ、cv、算術(shù)均值顯著降低。這意味著即使分析中包含相對(duì)較少的異常值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果也會(huì)受到顯著影響(表1)。在不考慮異常值的情況下，中國(guó)煤中 Be、Co、Cu、Mo、Th和Zn 含量的算術(shù)平均值與Dai Shifeng[22]、任德貽[23]、唐修義[24]、白向飛[25]等的計(jì)算結(jié)果接近。因此，在區(qū)域和全國(guó)范圍內(nèi)評(píng)價(jià)煤中微量元素的平均含量水平時(shí)，有必要篩選出異常值，以避免造成較大的分析誤差。

表1 樣品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)Table 1 Statistical indicators of sample data

根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果，我國(guó)煤中Mo 的平均含量為2.19 mg/kg，與全世界煤中Mo 的平均水平(2.2 mg/kg)[26]相當(dāng)；此外，相比于世界煤炭中Be(1.6 mg/kg)、Co(5.1 mg/kg)、Cu(16 mg/kg)、Th(3.3 mg/kg)和Zn (23 mg/kg)的平均含量[26]，我國(guó)煤中Be、Co、Cu、Th、Zn 的平均含量更為富集，平均含量分別為2.10、5.53、21.36、7.35 和30.02 mg/kg。

2.2 煤中有害微量元素含量的空間分布

根據(jù)聚煤作用特征及聚煤盆地的演化形成，我國(guó)煤炭資源分布被劃分為5 個(gè)賦煤區(qū)：東北賦煤區(qū)、華北賦煤區(qū)、西北賦煤區(qū)、華南賦煤區(qū)以及滇藏賦煤區(qū)(圖3)。就成煤時(shí)代而言，晚石炭世?早二疊世(C2?P1)、晚二疊世(P3)、晚三疊世(T3)、早?中侏羅世(J1-2)、晚侏羅世和早白堊紀(jì) (J3?K1)，以及古近紀(jì)和新近紀(jì) (E?N)是我國(guó)6 個(gè)主要煤炭成煤期。其中，可采煤炭?jī)?chǔ)量主要為J1-2、C2?P1和J3?K1煤，分別占煤炭總儲(chǔ)量的39.6%、38.1%和12.1%；P3、T3和E?N 煤的占比相對(duì)較小，分別為7.5%、0.4%和2.3%[22]。就地域而言，C2?P1煤主要分布在華北地區(qū)，J1-2煤主要分布在中國(guó)西北地區(qū)，東北地區(qū)以J3?K1、E?N 煤為主，南部地區(qū)以P3、T3煤為主，少量的E?N 和T3煤分布在西藏?云南西部地區(qū)。

圖3 中國(guó)含煤區(qū)和成煤時(shí)代分布Fig.3 Distribution of coal-bearing areas and coal-forming periods in China

本文繪制了中國(guó)煤中Be、Co、Cu、Mo、Th 和Zn含量的空間分布(圖4?圖9)。以地域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而不區(qū)分成煤時(shí)代的情況下，根據(jù)本文計(jì)算得到的我國(guó)煤中Be、Co、Cu、Mo、Th 和Zn 的平均含量作為衡量基準(zhǔn)(表1)，各元素含量的空間分布情況如下：①對(duì)于Be 元素，安徽、四川、黑龍江、重慶、云南、湖北等地煤中的平均含量較高，高于全國(guó)平均水平；山西、新疆、湖南、寧夏等地平均含量在全國(guó)平均水平附近；其余省份/自治區(qū)的含量低于全國(guó)平均水平(圖10)。② 對(duì)于Co 元素，高于全國(guó)平均含量的煤主要分布在四川、云南、吉林、貴州、河南、寧夏、廣西、重慶等地；安徽、黑龍江、山東、湖南、新疆等地的煤接近全國(guó)平均水平；其余地區(qū)的含量相對(duì)較低。③對(duì)于Cu 元素，云南、貴州、四川、吉林、河南、湖北等地煤中的含量較高；湖南、重慶、陜西、安徽、山西、河北等地處于中等水平；新疆和遼寧地區(qū)煤中Co 元素較低。④ 對(duì)于Mo 元素，安徽、遼寧、云南、寧夏、廣西等地煤中含量較高；陜西、河北、河南等地的含量低于全國(guó)平均含量；其余地區(qū)處于中間水平。⑤ 對(duì)于Th 元素，廣西、云南、內(nèi)蒙古、四川、江西、吉林、重慶等地的含量較高，且平均含量基本相當(dāng)；河北、山西、陜西、河南、貴州、安徽、山東、湖南、黑龍江等地的含量依次降低；寧夏、遼寧、湖北和新疆等地煤中Th 含量明顯低于全國(guó)平均含量。⑥ 對(duì)于Zn 元素，高于全國(guó)平均含量的煤主要分布在江西、云南、四川、重慶、廣西等地；河北、新疆、山東、黑龍江等地煤中Zn 含量遠(yuǎn)低于全國(guó)平均含量；其余地區(qū)處于中間水平且含量較為接近。

圖4 中國(guó)煤中Be 的空間分布Fig.4 Spatial distribution map of Be in Chinese coals

圖5 中國(guó)煤中Co 的空間分布Fig.5 Spatial distribution map of Co in Chinese coals

圖6 中國(guó)煤中Cu 的空間分布Fig.6 Spatial distribution map of Cu in Chinese coals

圖7 中國(guó)煤中Mo 的空間分布Fig.7 Spatial distribution map of Mo in Chinese coals

圖8 中國(guó)煤中Th 的空間分布Fig.8 Spatial distribution map of Th in Chinese coals

圖9 中國(guó)煤中Zn 的空間分布Fig.9 Spatial distribution map of Zn in Chinese coals

圖10 不同省(自治區(qū)、直轄市)煤中Be、Co、Cu、Mo、Th 和Zn 的平均含量Fig.10 Average concentration of Be,Co,Cu,Mo,Th and Zn in coals in different regions

2.3 煤中有害微量元素含量空間分布格局的成因

任德貽等[27-28]將煤中有害微量元素的富集成因類型初步劃分為5 類，包括陸源富集型、沉積?生物作用富集型、巖漿?熱液作用富集型、深大斷裂?熱液作用富集型和地下水作用富集型。Dai Shifeng 等[22]通過(guò)對(duì)中國(guó)煤中微量元素深入分析，將其富集成因類型劃分為物源區(qū)控制型、海洋環(huán)境控制型、熱液控制型(包括巖漿控制型、低溫?zé)嵋嚎刂菩秃秃５讎姎饪刂菩?、地下水控制型和火山灰控制型。劉桂建等[29]結(jié)合前人研究結(jié)論，將煤中微量元素富集成因按照時(shí)間進(jìn)程分為原生因素(物源區(qū)母巖、成煤植物、沼澤水介質(zhì)、氣候、古土壤)、次生因素(巖漿熱液、煤化程度)和后生因素(構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、風(fēng)化作用、地下水作用、圍巖物質(zhì)交換)3 種類型。由此可知，中國(guó)煤中有害微量元素含量空間分布格局的形成是長(zhǎng)時(shí)期、多階段、多因素綜合作用的結(jié)果。Cao Qingyi 等[30]通過(guò)對(duì)比中國(guó)煤、上地殼和深層土壤(>1 m)中有害微量元素含量特征，指出有害微量元素平均含量在三者中的豐度具有相同的變化規(guī)律，并且針對(duì)同一元素，其在3 種介質(zhì)平面空間上的含量分布特征也是類似的，表明煤、巖石和土壤中微量元素的豐度分布同步受到巖石圈內(nèi)元素地球化學(xué)循環(huán)的影響。此外，煤中有害微量元素的異常富集點(diǎn)與斷層帶分布具有空間關(guān)聯(lián)性，并且異常富集點(diǎn)位置往往伴隨著熱液作用的痕跡[30]，這指示斷裂構(gòu)造和熱液作用可能作為煤中有害微量元素的運(yùn)移通道和物質(zhì)來(lái)源，熱液作用可作為煤中有害微量元素異常富集的典型特征。

3 結(jié) 論

a.基于TECC 數(shù)據(jù)庫(kù)，利用ArcGIS 技術(shù)繪制了中國(guó)煤中Be、Co、Cu、Mo、Th、Zn 含量的空間分布地圖。這些地圖有助于快速了解元素的空間分布信息，可以為煤中有害微量元素的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究和煤炭環(huán)境管理提供參考。中國(guó)煤中有害微量元素含量的空間分布極不均勻。煤中Be、Co、Cu、Mo、Th、Zn 的含量主要分布在0.05～7.51、0.04～22.73、0.06～78.50、0.01～10.60、0.04～26.10 和0.38～106.00 mg/kg，平均含量水平分別為2.10、5.53、21.36、2.19、7.35 和30.02 mg/kg。

b.煤中有害微量元素含量的空間分布格局的形成是長(zhǎng)時(shí)期、多階段、多因素綜合作用的結(jié)果。典型影響因素包括物源區(qū)母巖、熱液作用、水運(yùn)移作用等。煤中有害微量元素含量分布受到巖石圈元素地球化學(xué)循環(huán)的影響。熱液作用是煤中有害微量元素異常富集的典型特征。

c.盡管TECC 數(shù)據(jù)庫(kù)中已包含了豐富的中國(guó)煤中有害微量元素的數(shù)據(jù)，但尚不能完全覆蓋我國(guó)所有的含煤地區(qū)。來(lái)自于內(nèi)蒙古、山西、陜西、安徽、貴州、廣西等地區(qū)的樣本數(shù)據(jù)較多，而來(lái)自于西北地區(qū)和滇藏地區(qū)的數(shù)據(jù)相對(duì)較少。今后仍需要進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)充分析測(cè)試工作。此外，本文中目標(biāo)元素含量的空間成圖范圍采用的是含煤區(qū)范圍，而非煤田范圍。這是由于煤田范圍較為分散，不利于空間數(shù)據(jù)展示。因此，今后需要對(duì)空間數(shù)據(jù)模型做進(jìn)一步優(yōu)化，提高空間數(shù)據(jù)的展示精度，使元素含量的空間分布更加符合實(shí)際情況。