《Applied Geochemistry》：Mineralogy and Elemental Geochemistry of Coal Seams from underground fire-affected Jharia coal fields: Environmental Significance
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1. 摘要：印度贾哈里亚煤矿区失控的煤层自燃火，是人类造成污染中最严重的形式之一，它们向环境中释放出各种各样的毒性化合物。本研究考察了贾哈里亚地区受火灾影响村庄中氟和重金属在各种环境介质中的出现和分布情况，包括煤、土壤、植物、冷凝物/升华物、静水和叶面尘。氟的含量异常高，煤中
1. 摘要：
印度贾哈里亚煤矿区失控的煤层自燃火，是人类造成污染中最严重的形式之一，它们向环境中释放出各种各样的毒性化合物。本研究考察了贾哈里亚地区受火灾影响村庄中氟和重金属在各种环境介质中的出现和分布情况，包括煤、土壤、植物、冷凝物/升华物、静水和叶面尘。氟的含量异常高，煤中为411-622 mg kg-1，冷凝物中为166-147,333 mg kg-1，土壤中为328-415 mg kg-1，水样中为134-150 mg L-1——远远超出环境中正常水平。铁（最高达37,070 mg kg-1）和锌（268-449 mg kg-1）高度富集，锰、镁、铬、铜和铅则中度富集。地统计指数表明，铁污染极其严重（Igeo = 6.44-7.43），锌污染中等（Igeo = 1.09-1.30），PLI值（1.59-2.23）。氟的生物富集系数（BAF）最高的是一年蓬（9.34）和巴豆（5.47），表明它们是潜在的富集植物。结果表明，在煤炭燃烧过程中，氟磷灰石等挥发矿物会导致邻近地区大气和土壤的广泛污染，构成严重的生态和人类健康风险，尤其是在冷凝物中浓度较高的区域。此外，危害商数（HQ）和危害指数（HI）均小于1，表明在所评估的暴露条件下不存在显著的致癌性健康风险。不过，在某些选定的冷凝物样品中观察到了较高的致癌风险。应当对该易受影响的采矿区进行持续监测和修复措施，以降低氟和重金属的暴露水平。
引言
失控的煤层自燃火是一种全球性现象，在40多个国家都有报道，但对于居住在受影响煤矿附近以外地区、且不从事相关工作的人来说，这一现象往往难以被察觉。然而，这些火灾每年销毁数以百万吨计的宝贵能源资源，污染环境，加剧气候变化，构成物理危害，并毫无疑问地影响煤矿工人和附近居民的健康（Finkelman等，2023）。这些失控的煤层自燃火发生在煤炭暴露于地表的任何地方，无论是堆积在料堆或废渣堆中，还是裸露在矿井的煤层断面或路堑中。一旦点燃，火势会沿煤层向地下蔓延，破坏附近的地面建筑，向矿井和附近的村庄释放可能具有毒性的气体，并使人们暴露于各种有害污染物之中。这些火灾的引发方式多种多样，可能出于意外或有意，通过自燃、雷击、机械或电火花等引发。一旦火势向地下蔓延，就特别难以扑灭。
这些失控的煤层自燃火在印度贾哈里亚地区尤为普遍。100多年来，大规模煤炭开采导致贾哈里亚地区出现了多起失控的煤层自燃火。据《你的故事》（2017）一文报道，贾哈里亚有70处地下火，覆盖约100平方公里。据估计，这些火灾已消耗3700万吨煤炭，并使220亿吨煤炭无法获取（Riyas等，2021）。火灾在地表处的温度达到80摄氏度，从该区域喷出的气体已使约70万人患病（Balogun等，2019）。研究还发现，地下火释放的气体因硫沉积而污染附近的地表和地下水水源，导致腹泻和胃炎等多种疾病（Singh等，2011）。除当地的社会环境影响外，这些火灾还被认为向大气中释放大量二氧化碳，对全球温室气体排放有显著贡献。根据绿和平组织印度分部的报告（2020），贾哈里亚被认定为印度污染最严重的城市，也是因煤层自燃火而导致高污染的关键区域。Swarup Biswal和Kumar Gorai（2022）在分析煤层自燃火对温室气体排放的原位作用时，报告火灾区域的CO浓度远高于该地区其他土地利用区域。
氟（F）是煤炭中少数含量范围较窄的元素之一，不同煤阶和不同地理区域的煤炭中氟含量约为100 ppm左右（Dai等，2023）。这些地下煤层自燃火释放的主要气态污染物之一是氟。氟通常以微量元素的形式存在于煤炭中，浓度在20至500微克/克之间，以无机氟化物的形式存在于黏土、云母和氟磷灰石等矿物中（Dai等，2023）。除黏土、云母和氟磷灰石外，氟在煤中的其他存在形式很少出现（Yang等，2017）。
含氟煤的燃烧会产生氢氟酸（HF）、四氟化硅（SiF4）和四氟化碳（CF4）等毒性化合物。这些化合物会带来严重的健康风险，包括氟斑牙和氟骨症，同时也构成环境危害，对环境和人类健康产生不利影响（Yang等，2017）。煤炭中各种形式的氟表现出对无机或有机化合物的亲和力。近期研究表明，保加利亚煤中的氟主要与无机矿物如高岭石、蒙脱石、水云母和绿泥石结合，少量与有机质结合（Yang等，2017；Yossifova等，2024）。相比之下，捷克煤中的氟据报道主要与有机化合物结合，但详细描述这种存在形式的近期研究仍然有限（Godbeer和Swaine，1987）。这些差异凸显了区域地质条件和矿物组成对煤中氟存在形式的影响。
Hong等（2018）报告了从内蒙古乌达煤田收集的灰尘样品中氟污染水平为430至1054 μg/g。Yossifova等（2024）详细描述了保加利亚煤田中氟的地球化学特征，报告氟的平均浓度在74至459 ppm之间。氟是一种环境敏感元素，在中国西南部贵州省西部的一些地区，因室内燃煤使用已导致严重的氟斑牙和氟骨症（Guo等，2021；Liu等，2025）。
尽管失控的煤层自燃火在许多国家普遍存在且持续不断，但有关其健康影响的研究却很少（Finkelman等，2023）。本研究旨在通过分析多种环境介质中的氟浓度，全面评估贾哈里亚煤矿区失控煤层自燃火导致的氟污染水平。研究重点在于测定煤、水、土壤、气体升华物和冷凝物、环境灰尘以及生长在煤层自燃火附近的野生植物中的氟含量。通过评估这些不同的介质，研究旨在了解氟在环境中扩散的程度和途径。煤炭燃烧会释放各种形式的氟，可能污染周边生态系统，影响土壤和水质，并对当地社区构成健康风险。该研究为地下煤层自燃火的环境后果提供了重要见解，并强调了该区域需要采取缓解策略以减少与氟相关的污染。
尽管已有关于失控煤层自燃火的众多已发表研究（Stracher，2007，2011，2013，2015a，2015b，2019），但尚无研究关注氟的异常排放。此外，评估氟对附近植物、土壤和水的影响是一项独特的贡献，凸显了矿工和村民的潜在暴露途径。
本研究也是首次识别出贾哈里亚煤矿区地下火影响生态系统中能够超富集氟的天然野生植物物种，并建立了在田间条件下含氟煤矿物、燃烧过程中形成的冷凝物与土壤富集及植物吸收之间的地球化学联系。
章节摘要
研究区域
研究区域位于地理坐标北纬23.7338°、东经86.4223°至北纬23.7555°、东经86.4219°之间，涵盖Bastacola、Bhagatdih、Rajapur和Lodna等村庄（图1a）。采样点位于Damodar河谷中的活跃地下煤层自燃火现场（表1）。活跃的地下火持续喷出气体，在地表产生冷凝物和升华物（图1b和1c）。选择这些采样点是因为当地有永久居住的人群
煤、冷凝物/升华物、土壤和叶面尘中的氟浓度
研究区域样品中煤炭的氟浓度从411 mg Kg-1到样品JS1中的最高值622 mg Kg-1不等。印度的一项研究（Singrauli地区）报告煤样品中氟浓度范围为0.33-3.1 mg Kg-1（Usham等，2018）。已有研究指出，氟浓度高于176 mg Kg-1可被视为氟富集煤，这表明贾哈里亚地区的这些煤样富含氟（Yang等，2017）。
在
结论
研究清楚地表明，贾哈里亚煤矿区失控的煤层自燃火已导致煤矿区周边环境的极端污染，涉及氟和重金属。在冷凝物、土壤、水和植物组织中都检测到极高水平的氟。氟可能来源于煤炭燃烧过程中氟磷灰石等含氟矿物的挥发。同时存在铁、锌、锰、镁、铬、铜等金属
CRediT作者贡献声明
Robert B Finkelman：数据管理、概念化。Sukalyan Chakraborty：撰写—初稿、资金获取。Naomi Ty Asha Nichols：验证、数据管理、概念化。Wasim Akram Shaikh：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、形式化分析、数据管理。Abhishek Kumar：验证、软件、形式化分析、数据管理
未引用参考文献
Greenpeace India，2020；Li等，2014；Muller G，1969；Stracher等，2011；Stracher等，2013；Stracher等，2015a；Stracher等，2015b；美国环境保护署，1979；美国环境保护署，2011；美国环境保护署，2024；Your Story，2017。
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢：
Sukalyan Chakraborty博士谨感谢USEFI-世界学习中心提供的"富布莱特专家计划拨款"以接待美国教授，2019年。
Sukalyan Chakraborty|Wasim Akram Shaikh|Robert Barry Finkelman|Abhishek Kumar|Naomi Ty Asha Nichols
印度理工学院美斯拉分校土木与环境工程系，印度-835215
