安太堡露天煤礦排土場排棄物料的性質(zhì)

安太堡露天煤礦排土場排棄物料的性質(zhì)

土地恢復(fù)是指對因挖掘、坍塌和變形而造成的破壞、廢棄土地和自然災(zāi)害造成的土地的恢復(fù)，使其恢復(fù)到可使用狀態(tài)。露天礦土地復(fù)墾包括土地重塑、土地重構(gòu)和植被重建。其中,土壤重構(gòu)是土壤質(zhì)量的核心。復(fù)墾母質(zhì)組成物質(zhì)比較復(fù)雜,所以要重構(gòu)一個高質(zhì)量的土壤,就需要對復(fù)墾土壤的母質(zhì)來源進(jìn)行詳細(xì)的分析化驗(yàn),特別是對植物生長有影響的汞、鎘、鉛、砷、銅等污染元素與硼、鐵、鉬等營養(yǎng)元素進(jìn)行分析。本文正是基于以上目的而進(jìn)行研究的。1研究領(lǐng)域的總結(jié)1.1陰山山地地貌區(qū)平朔礦區(qū)地處黃土高原晉陜蒙接壤的黑三角地帶、山西省北部的朔州市境內(nèi),地理坐標(biāo):東經(jīng)112°10′58″～113°30′,北緯39°23′～39°37′。該區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫4.8～7.8℃,年均降雨量428.2～449.0mm,全年蒸發(fā)量1786.6～2598.0mm,超過降水量的4倍。無霜期約115～130d。礦區(qū)地貌屬緩坡丘陵區(qū),黃土廣布、植被稀少,水蝕、風(fēng)蝕嚴(yán)重,沖溝劇烈,切割深度一般為30～50m,以“V”型溝道居多,形成典型的黃土高原地貌景觀。區(qū)內(nèi)地勢北東高、南西低,海拔1180～150lm。礦區(qū)地帶性土壤為栗鈣土與栗褐土,地帶性植被屬干草原。1.2續(xù)開采工藝安太堡露天煤礦采用大型單斗挖掘機(jī)—卡車連續(xù)開采工藝,面積60km2左右,服務(wù)年限92年(1985～2077年)。礦區(qū)各排土場的設(shè)計(jì)參數(shù)、占地規(guī)模、巖土排棄量如表1。2氨基酸甲酰胺比色法復(fù)墾土壤母質(zhì)原始形成環(huán)境分析采用勘探鉆孔資料分析。剝離巖土的化學(xué)元素的分析方法包括:pH-玻璃電極法;Hg-冷原子吸收法;Cd-HF-HNO3消煮—石墨爐原子吸收光譜法;Cu-DTPA浸提—原子吸收光譜法;Pb-HF-HNO3消煮—石墨爐原子吸收光譜法;As-二乙基二硫代氨基甲酸銀比色法;Ca-原子吸收分光光度法;Mg-原子吸收分光光度法;Ba-電位滴定法;燒失量—灼燒減重法;Zn-HF-HNO3消煮—石墨爐原子吸收光譜法;Mo-HNO3-HClO4消煮—原子吸收光譜法;B-NaCO3熔融姜黃素比色法;F-氟離子選擇電極法;Fe-原子吸收分光光度法;Mn-原子吸收分光光度法;P-酸溶-鉬銻抗比色法;Ni-HF-HClO4-HNO3消煮-原子吸收光譜法;SiO2-重量法;P2O5-HClO4-H2SO4法;Fe2O3-重鉻酸鉀容量法;Al2O3-差減法;CaO-EDTA絡(luò)合滴定法;MgO-EDTA絡(luò)合滴定法;K2O-NaOH熔融火焰光度計(jì)法;Na2O-火焰光度計(jì)法;MnO-原子吸收分光光度法;TiO2-H2O2比色法。土樣在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所分析。3結(jié)果與分析3.1通過恢復(fù)土壤中母層的原始形成環(huán)境分析3.1.1中粗砂巖地層勘探鉆孔資料表明:從地表土壤向下22.7m為第四系黃土層,以下為12.9m厚第四系的礫石層,下部為第三系紅土夾河流石塊,而該剖面69.7～71.3m為二疊系石盒子組地層的薄層巖石,由中粗砂巖組成,71.3m以下發(fā)育了厚層的石炭系地層。從71.3～80.0m形成近9m厚的煤層。煤層頂部2.0m厚為風(fēng)化煤,質(zhì)松軟,往下有0.3m厚的氧化煤層。80～118m主要為細(xì)砂巖、中粗砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖的交互層,間夾有薄煤層。從118～148m為主煤層,間有薄砂質(zhì)泥炭、泥巖、中粗砂巖、主采煤層No4、No9、No10號煤層位于這一層位。從地表至148m厚的地質(zhì)剖面巖層組合煤層的總厚度約28.5m,其余110余m的土層和巖層作為棄物用以構(gòu)筑復(fù)墾地的基礎(chǔ)。3.1.2奧陶世至中石炭世礦區(qū)屬華北聚煤區(qū),晚古炭世到早二疊世早期含煤巖系普遍發(fā)育?？缭搅藘蓚€地質(zhì)時期,在經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)時期,地殼運(yùn)動和氣候變化使煤層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,厚度變化較大,巖性多種多樣。從剖面層組的性狀,可以推斷礦區(qū)形成的地質(zhì)環(huán)境。礦區(qū)自中奧陶世后期整體上升后,經(jīng)過由晚奧陶世至早石炭世的長期風(fēng)化剝蝕,至中石炭世才重新下降接收沉積。因此,中上石炭統(tǒng)主要為海陸交互相的含煤地層是濱海沼澤環(huán)境的產(chǎn)物,煤層底部一般為石英砂巖層。二疊世時地盤逐漸上升,海水退出形成陸地,地層由灰黑色頁巖、砂質(zhì)頁巖、砂巖及煤層組成,含植物化石頗多,推知當(dāng)時氣候溫暖,植被生長繁茂,逐漸堆積了較厚的煤層,但到晚二疊紀(jì)時,氣候逐漸變?yōu)楦稍?不適于植物的大量生長,巖性為黃綠色石英砂巖、炭質(zhì)頁巖、砂巖、含有咸水動物化石,表明由河流沉積過渡為近海泥炭沼澤沉積,夾有無開采價值的薄煤層。由下而上沉積物的顏色由灰綠漸變?yōu)樽霞t色,反映氣候由溫濕向干旱轉(zhuǎn)變,地層轉(zhuǎn)變?yōu)榛∩俚募t色沉積,含泥灰?guī)r,偶夾石膏,表明氣候已變?yōu)閮?nèi)陸盆地河湖相沉積,高嶺土夾層的存在是淡水沉積的反映。整個二疊紀(jì)反映了沉積環(huán)境由近海變?yōu)閮?nèi)陸盆地,氣候由潮濕溫暖漸變?yōu)楦珊?故二疊紀(jì)地層的厚度相差較大。3.2土壤表面的化學(xué)特征分析3.2.1深度和深度交互層ph值變化表2列出了剝離剖面典型層位的pH值,可看出83m以上的土體層,pH值是微堿性,與現(xiàn)代天然土壤表層相近,略偏低,且隨深度的增加有降低的趨勢。83m以下的巖層與土體交互層pH值明顯下降,多在中性范圍,而其中某些層位pH值降到4.2、4.3,明顯的酸化。60m以上的土體通常用于復(fù)墾地的表層,其pH值與當(dāng)?shù)赝寥赖膒H值基本一致,對復(fù)墾土地上植被養(yǎng)分和營養(yǎng)元素的吸收利用不會產(chǎn)生異常的影響。3.2.2當(dāng)?shù)夭煌瑢游坏脑睾刻卣鞯V區(qū)剝離剖面層組全量分析結(jié)果如表3。由表3可看出現(xiàn)代土壤燒失量較剝離層組土體略高,A12O3、CaO、MgO、K2O、MnO、TiO,除60m深的層位外都是隨深度的增加而增加,顯示地質(zhì)環(huán)境暖而干旱趨勢加重,55m向下,60m層位屬第三世,氣候變的濕熱,淋溶增強(qiáng),A12O3和Fe2O3難移動的金屬氧化物明顯富積,而60m深的層位因含有21%的高嶺石,A12O3的含量顯著富積,這是因?yàn)楦邘X石含有A1的成分很高(高嶺石的結(jié)晶化學(xué)式是A14(OH)8[Si4O10]),而易風(fēng)化礦物和易遷移的元素明顯淋失其含量降低,CaO、MgO、Na2O、MnO等都降低幾倍到十幾倍。但剝離剖面土體除55m以下層組和當(dāng)?shù)靥烊煌寥澜饘傺趸锏暮繘]有顯著的差異。表4列出了剝離剖面具有地球化學(xué)標(biāo)志和生態(tài)效應(yīng)明顯的17個元素的含量結(jié)果。按剖面層組四個地質(zhì)時期55～70m屬第三系地層;從表層至25m屬第四系沉積物;71m處屬二疊紀(jì)地層,以下石炭紀(jì)地層。各層位元素含量的分布特征如下:(1)從表層至25m的第四系黃土層,大部分元素與當(dāng)?shù)靥烊煌寥篮蜕轿魍寥赖谋尘爸禌]有顯著的差異,含量偏差多在40%左右。Ba、Fe、Al、Mn、Zn、Ni、F明顯偏高,Pb顯著偏高,為當(dāng)?shù)靥烊煌寥篮蜕轿魇⊥寥辣尘爸档?倍以上,這種現(xiàn)象也曾在以前的研究中報(bào)道過。(2)第三紀(jì)紅土地層剖面層(55m和60m)B、Ba、A1、Pb、Zn、F都較當(dāng)?shù)睾蜕轿魍寥辣尘爸蹈?其中A1、Pb、As顯著高,A1含量增高肯定與該層土體的含有相當(dāng)數(shù)量的高嶺石有關(guān)。(3)二疊紀(jì)地層(71m處)Ca、Mg、Mn、P、As明顯偏低,Cu、Pb、Zn、Hg、Mo、F明顯偏高,這些現(xiàn)象反映了當(dāng)?shù)貧夂虺睗駵嘏奶攸c(diǎn)。(4)石炭紀(jì)地層(71m以下)為深厚交互砂相巖層,經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)時期,隨著地質(zhì)環(huán)境和古氣候的變化,不同時期的巖層,元素的組分和含量變化顯著,如136m深處的巖層,大部分元素含量偏低,系中粗砂巖所致。在石炭系地層剖面中Ca、Mg、Mn偏低;Fe、Al、Mn、Hg、Ni、Mo、As、F含量變幅較大。但與近代沉積層元素的豐度沒有顯著差異,甚至與山西省和全國土壤背景值含量水平也無顯著差異。4地層元素組成及變化4.1平朔安太堡露天煤礦排土場的復(fù)墾土壤母質(zhì)由第四系黃土、第三系紅粘土及石炭系、二迭系泥巖、砂泥巖、砂巖組成,粒度不均,大小不一,成分比較復(fù)雜。4.2剝采剖面的巖土層形成時的原始地質(zhì)環(huán)境不同,中上石炭統(tǒng)主要為海陸交互相的含煤地層是濱海沼澤環(huán)境的產(chǎn)物。二疊世時地盤逐漸上升,海水退出形成陸地,地層由灰黑色頁巖、砂質(zhì)頁巖、砂巖及煤層組成,含植物化石頗多,晚二疊紀(jì)時,氣候逐漸變?yōu)楦稍?巖性為黃綠色石英砂巖、炭質(zhì)頁巖、砂巖、含有咸水動物化石。4.3復(fù)墾地土壤和當(dāng)?shù)靥烊煌寥姥趸锏慕M成和含量基本一致,無明顯的脫硅和易溶金屬氧化物K2O、Na2O的淋失現(xiàn)象;用于復(fù)墾地覆土來源的剝離剖面深部,有明顯的脫硅現(xiàn)象,而易遷移的CaO、MgO、Na2O等金屬氧化物都有明顯的淋失現(xiàn)象。4.4剝采剖面60m以上的土體通常用于復(fù)墾地的表層,其pH與當(dāng)?shù)赝寥赖膒H基本一致,對復(fù)墾土地上植被養(yǎng)分和營養(yǎng)元素的吸收