地下煤火汞排放对区域大气-土壤-水体生态环境影响的同位素示踪研究

Underground coal fire in China is ranked first in both magnitude and frequency. The mercury emission of underground coal fire has been a great geological disaster, seriously threatening the surrounding ecological environment. This project uses the strategy of 'sampling-source tracing-risk assessment' , focusing on the sources and processes of mercury pollution in atmosphere-soil-water ecological system in the underground coal fire region of Wuda Coalfield, Inner Mongolia. First, a mercury emission budget model will be constructed based on in-situ measurement of mercury species in emitted flue gases of underground coal fire and laboratory simulation experiment. Then, mercury concentrations and mercury isotope compositions in the atmosphere, soil, sediment, plant and fish will be measured in order to ascertain the spatial-temporal distribution of mercury in different environmental media, and to quantitatively trace the mercury loading of underground coal fire to regional ecological environment and resolve the biogeochemical processes that control the release, transfer, transformation and enrichment of mercury. Understanding the general cycling model of mercury in the coal fire areas is critically important to reasonably assess the potential risks of regional coal fire mercury emission. This project first uses mercury isotopes to study the cycling processes of mercury in coal fire areas, which would serve as a model role in applying mercury isotopes in tracing the biogeochemcal cycle of mercury.

我国地下煤火影响的范围和发生的频率都位居世界首位，而地下煤火的汞排放已成为一个突出的地质灾害，严重威胁矿区周围的生态环境。本项目以内蒙古乌达地下煤火区为研究对象，采用“样品点采集-污染源解析-风险评价”的研究思路，聚焦大气-土壤-水体生态系统中汞的来源与环境污染过程；通过实地测试地下煤火释放烟气的汞含量，结合实验室模拟煤炭自燃实验，建立具有代表性的地下煤火汞排放通量模型；通过大规模的测试煤火区域大气、土壤、沉积物、植物、鱼体中的汞含量和汞同位素组成，探明汞在不同环境介质中的时空分布规律，进而示踪煤火汞排放对区域生态环境汞污染的贡献并解析控制汞释放、迁移转化与富集的生物地球化学过程，从而认清煤火区域汞循环的基本模式，为准确评估煤火汞排放的环境健康危害提供理论依据。该项目率先利用汞同位素技术系统研究煤火区域的汞循环过程，对拓展汞同位素在环境生物地球化学示踪上的应用具有很好的示范作用。

地下煤火的汞排放已成为一个突出的地质灾害，严重周围的生态环境和人体健康。我国地下煤火发生的频率位居世界首位，尤以内蒙古地下煤火为重。其中，内蒙古乌达煤田半个多世纪以来一直遭受严重的煤火灾害。近十几年来，中央和地方政府为扑灭煤火开展了多次灭火工程，但仍有零星的地下煤火发生。先前研究表明煤火能够向环境中排放大量的汞，但同时乌达地区工业的迅速发展也向环境中排放一定量的汞。认清煤火区域汞循环的基本模式，并定量煤火和工业排放的汞对区域生态环境的影响对于制定适宜的地方环境保护政策至关重要。本项目研究了系统研究以下三个方面的内容。1）地下煤火汞的排放特征和排放通量；2）地下煤火区域环境汞污染的同位素源区示踪；3）地下煤火区域汞循环的基本模式及汞污染概况评估。通过系统地测试煤火区相关的环境地质样品，结合实验室模拟煤炭自燃实验和数值模型，本项目取得了如下的成果。1）探明了汞在煤火区不同环境介质中的时空分布规律，发现地下煤火继续向环境中排放大量的汞，创新性地提出汞浓度的实时、连续的监测能够及时预警地下煤火发生的范围和强度。2）理清了煤火区不同环境介质中汞同位素组成及分馏关系，发现乌达区土壤汞的污染源主要来自于矿区煤火以及水泥厂的汞排放，而乌达区城区的大气汞的污染源主要来自于土壤颗粒的悬浮以及地下煤火的直接排放。3）室内煤炭燃烧的模拟实验表明地下煤火可能以较为隐蔽的阴燃的形式向大气中排放汞，而此种汞排放形式不易表观察觉。本项目定量示踪了煤火汞排放对区域环境汞污染的贡献份额，基本认清了认清煤火区域汞循环的基本模式，并提出以汞排放作为地下煤火汞监测的有效指标。因此，本项目为准确评估煤火汞排放的环境健康危害提供了理论依据，对当地的煤火监测和治理提供了科学层面上行之有效的参考。