煤火主要是指煤炭开采过程中由于人为活动造成的赋存较浅煤层的持续燃烧。长期大规模的煤火不但消耗宝贵的煤炭资源、造成地表荒漠化和地下水资源枯竭，还会向大气中排放大量有害气体、可吸入颗粒物、汞等有毒金属。据估算，全世界每年因煤火所造成的汞排放达32吨，超过了燃煤电厂汞排放的10%。我国的煤火主要发生在内蒙、宁夏和新疆等地，每年造成的煤炭损失据估算达2亿吨。内蒙乌达煤田自上世界六十年代年以来饱受煤火侵扰，共烧毁了超过3000万吨煤。近些年，得力于有关部门的大力整治，乌达地区煤火面积大幅缩减；地表煤火基本扑灭，但是地下煤火却难以根治（图1）。
图1：乌达煤火区热红外影像（图片来源于乌海煤矿火区调查报告）
我院同位素前沿科学研究中心孙若愚教授课题组2018年评估了乌达煤火区及周围城区的大气汞浓度，发现其相比前些年显著降低，但依然显著高于背景值(Shan et al., 2019)。长期的煤火汞排放业已造成周围土壤汞浓度的显著升高(Cao et al., 2021)。乌达区是典型的工业城区，近些年在燃煤发电、化工、金属冶炼等领域迅速发展。定量评估新形势（煤火转入地下、工业产能增加）下乌达城区大气汞的来源对当地的环境管理具有重要的参考价值。
针对上述问题，孙若愚教授课题组结合当地排放源的特征汞同位素信号和气团轨迹运移模型，研究了乌达城区大气不同形态汞浓度及同位素的季节变化规律（图2）。研究取得如下几点发现和结论。
1）乌达城区大气气态汞浓度和同位素组成呈现出显著的季节变化：秋季是冬季的5-7倍，秋季的δ202Hg值比冬季更低且变化范围更大。大气总悬浮颗粒物TSP的浓度也表现出显著的季节变化，但其δ202Hg值的季节差异却不明显；大气细颗粒物PM10的汞浓度和δ202Hg值都无季节差异。所有大气样品中汞同位素的非质量分馏都不明显。
2）煤火汞排放是秋季大气气态汞高浓度、低δ202Hg的主要原因；而工业生产过程则是冬季大气气态汞低浓度、高δ202Hg的主要原因。当到达城区的气团经过煤火区时，城区大气气态汞就会表现出浓度升高、δ202Hg下降的特征；当到达城区的气团不经过煤火区时，城区大气气态汞就会表现出浓度降低、δ202Hg上升的特征。
3）地下煤火处于深部且很难用常规手段进行监测。实验室模拟和实地观测显示地下煤火排放具有汞浓度高、δ202Hg值低的特点，可通过实时测试大气汞含量并结合必要的汞同位素测试监测地下煤火的爆发。
图2：乌达城区大气气态汞和颗粒态汞的源解析图解
本研究利用汞同位素揭示了煤火邻近城区不同形态汞的来源，对理解煤火汞排放和监测地下隐蔽煤火具有重要参考价值。此外，由于煤火汞排放一直未被单列至《全球汞评估报告》，本研究还建议未来应加强相关研究、科学评估煤火汞排放对本地、区域以及全球汞循环的影响。相关成果以“Atmospheric mercury isotope shifts in response to mercury emissions from underground coal fires”为题在Environmental Science & Technology上发表。天津大学地科院孙若愚教授为论文第一作者，博士生曹蜚为论文第二作者。本研究得到国家自然科学基金等项目的支持。
论文信息:
Ruoyu Sun*(孙若愚), Fei Cao (曹蜚), Shifeng Dai(代世峰), Bing Shan(单冰), Cuicui Qi(齐翠翠), Zhanjie Xu(徐占杰), Pengfei Li(李鹏飞), Yi Liu(刘羿), Wang Zheng(郑旺), Jiubin Chen*(陈玖斌). Atmospheric mercury isotope shifts in response to mercury emissions from underground coal fires. Environ. Sci. Technol. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.2c08637
参考文献：
Cao F., Meng M., Shan B. and Sun R. (2021) Source apportionment of mercury in surface soils near the Wuda coal fire area in Inner Mongolia, China. Chemosphere 263, 128348.
Shan B., Wang G., Cao F., Wu D., Liang W. and Sun R. (2019) Mercury emission from underground coal fires in the mining goaf of the Wuda Coalfield, China. Ecotoxicol. Environ. Saf. 182, 109409.
