曹慶一，任文穎，梁朝銘，張宇飛，楊 柳

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

繪制環(huán)境中化學(xué)元素的區(qū)域分布地圖對于確定和理解大規(guī)模地球化學(xué)過程以及記錄空間和時間地球化學(xué)變化至關(guān)重要。同時，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，國際原子能機構(gòu)(IAEA)首次提出了“全球一張地球化學(xué)圖”的概念；1988?1997 年，國際地球化學(xué)填圖計劃和全球地球化學(xué)基準計劃相繼開展[5]。此外，各種具有特定目標的地球化學(xué)調(diào)查活動被廣泛開展，如EuroGeoSurveys 農(nóng)業(yè)和牧場土壤地球化學(xué)制圖項目(GEMAS)，該項目旨在獲取歐洲農(nóng)牧區(qū)土壤的金屬含量數(shù)據(jù)[6-7]；在中國東部第四紀平原開展了為環(huán)境調(diào)節(jié)和農(nóng)業(yè)實踐提供數(shù)據(jù)的多用途生態(tài)地球化學(xué)制圖項目[8]；巴倫支海生態(tài)地球化學(xué)項目[9]；北美土壤景觀項目等[10]。這些調(diào)查通過地球化學(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)濟增長的主要能源之一，未來很長一段時間將繼續(xù)保持其在全球能源生產(chǎn)中的主導(dǎo)地位。中國是全球最大的煤炭生產(chǎn)國，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，其開發(fā)利用過程造成的環(huán)境污染問題備受關(guān)注[11-12]，重點問題之一是煤中有害微量元素對環(huán)境構(gòu)成的潛在風(fēng)險[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道[16-18]。中國已經(jīng)對有害微量元素開展了大量研究，一般集中在小規(guī)模礦區(qū)或局部地區(qū)。在全國范圍內(nèi)，較為完整的中國煤中有害微量元素含量分布圖少有報道。筆者利用Arc-GIS 技術(shù)繪制中國含煤區(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)來源

本文所使用的分析與制圖數(shù)據(jù)來源于中國煤中微量元素數(shù)據(jù)庫(Trace Elements in Coal of China Database，TECC)，包括1 167 個Be、1 315 個Co、1 406 個Cu、1 191 個Mo、1 247 個Th 和1 390 個Zn 樣品數(shù)據(jù)(圖1)。TECC 是第一個旨在管理中國煤中微量元素數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，收錄了中國主要煤礦的地理坐標、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、中國知網(wǎng) (CNKI)文獻數(shù)據(jù)庫和相關(guān)專著。中國含煤區(qū)域的矢量邊界繪制依據(jù)為開放源地理空間基金會(OSGeo)?中國中心(www.osgeo.cn)網(wǎng)站的“中國煤炭資源分布在線地圖(1∶3 200 萬)”[21]。

圖1 中國煤炭樣品中 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，計算過程如下：首先對給定的數(shù)據(jù)進行排序，排序后的數(shù)據(jù)范圍為Xi,i=1,2,···,n。隨后，第1 個四分位數(shù)(Q1)、第2個四分位數(shù)(Q2)和第3 個四分位數(shù) (Q3) 都計算為(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 分別是用于計算Q1、Q2 和Q3 的公式。四分位距(IQR) 計算式為IQR=Q3?Q1。相應(yīng)地，上限和下限分別使用Q3+1.5IQR 和Q1?1.5IQR 計算。結(jié)合實際情況，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)過對數(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)和地理坐標整合到地理信息系統(tǒng)中，并運用反距離權(quán)重方法繪制中國煤中微量元素含量的空間分布圖。地圖中的顏色等級根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的占比進行分類，即：0～10%、10%～25%、25%～50%、50%～75%、75%～90%和大于90%。異常點不參與制圖，但其空間位置在地圖上標出。

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)。大部分數(shù)據(jù)點聚集在相對較低的值上，標準偏差(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，識別出中國煤中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較少的異常值，統(tǒng)計結(jié)果也會受到顯著影響(表1)。在不考慮異常值的情況下，中國煤中 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]等的計算結(jié)果接近。因此，在區(qū)域和全國范圍內(nèi)評價煤中微量元素的平均含量水平時，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)計指標Table 1 Statistical indicators of sample data

根據(jù)本文計算結(jié)果，我國煤中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；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，我國煤炭資源分布被劃分為5 個賦煤區(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 (J3?K1)，以及古近紀和新近紀 (E?N)是我國6 個主要煤炭成煤期。其中，可采煤炭儲量主要為J1-2、C2?P1和J3?K1煤，分別占煤炭總儲量的39.6%、38.1%和12.1%；P3、T3和E?N 煤的占比相對較小，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 中國含煤區(qū)和成煤時代分布Fig.3 Distribution of coal-bearing areas and coal-forming periods in China

本文繪制了中國煤中Be、Co、Cu、Mo、Th 和Zn含量的空間分布(圖4?圖9)。以地域進行統(tǒng)計而不區(qū)分成煤時代的情況下，根據(jù)本文計算得到的我國煤中Be、Co、Cu、Mo、Th 和Zn 的平均含量作為衡量基準(表1)，各元素含量的空間分布情況如下：①對于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，高于全國平均水平；山西、新疆、湖南、寧夏等地平均含量在全國平均水平附近；其余省份/自治區(qū)的含量低于全國平均水平(圖10)。② 對于Co 元素，高于全國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平均水平；其余地區(qū)的含量相對較低。③對于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平均含量；其余地區(qū)處于中間水平。⑤ 對于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；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 含量明顯低于全國平均含量。⑥ 對于Zn 元素，高于全國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 含量遠低于全國平均含量；其余地區(qū)處于中間水平且含量較為接近。

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

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

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

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

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

圖9 中國煤中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]通過對中國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間進程分為原生因素(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)造運動、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，中國煤中有害微量元素含量空間分布格局的形成是長時期、多階段、多因素綜合作用的結(jié)果。Cao Qingyi 等[30]通過對比中國煤、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與斷層帶分布具有空間關(guān)聯(lián)性，并且異常富集點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移通道和物質(zhì)來源，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，利用ArcGIS 技術(shù)繪制了中國煤中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)險研究和煤炭環(huán)境管理提供參考。中國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時期、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)庫中已包含了豐富的中國煤中有害微量元素的數(shù)據(jù)，但尚不能完全覆蓋我國所有的含煤地區(qū)。來自于內(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，而來自于西北地區(qū)和滇藏地區(qū)的數(shù)據(jù)相對較少。今后仍需要進行持續(xù)補充分析測試工作。此外，本文中目標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，今后需要對空間數(shù)據(jù)模型做進一步優(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際情況。