喬樓 -大峪溝段煤礦區(qū)巖溶水化學(xué)特征分帶性規(guī)律研究

龐 良,袁巧紅,韓國(guó)童

(河南省地質(zhì)測(cè)繪總院,河南鄭州 450006)

1 采樣及水化學(xué)分析結(jié)果

本次研究范圍邊界的大斷層、背斜、分水嶺等構(gòu)成巖溶水系統(tǒng)的自然邊界,使區(qū)域巖溶水成為一個(gè)相對(duì)完整的地下水系統(tǒng),具備水文地質(zhì)單元所擁有的的補(bǔ)給、徑流和排泄條件。南起巖溶水水文地質(zhì)單元五指嶺分水嶺(補(bǔ)給區(qū)),北至各巖溶泉及煤田各礦區(qū)(排泄區(qū)),西起大峪溝,向東包括新中礦、王河礦、徐莊礦,一直到滎陽(yáng)賈峪鎮(zhèn)的鹿平煤礦和中原煤礦,總面積 950 km2。2007年 7月 9～23日共采集了 37個(gè)水樣,水樣分布點(diǎn)見(jiàn)圖 4[1]。采樣點(diǎn)基本均勻分布巖溶水系統(tǒng)水文地質(zhì)單元,能反映巖溶水系統(tǒng) 4[2][3]補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)的不同特點(diǎn)。其中巖溶泉水樣 8個(gè),前寒武片麻巖中泉水樣 1個(gè),礦井頂?shù)装逅畼?18個(gè)(頂板 L1-2灰?guī)r水 7個(gè)、底板奧灰水 11個(gè)),機(jī)井水樣 5個(gè)(淺層機(jī)井 3個(gè),打到灰?guī)r的深井井水樣 2個(gè)),地表水水樣 3個(gè),雨水樣 1個(gè),礦坑排水混合水樣 1個(gè)。野外取樣與測(cè)試記錄見(jiàn)表 1[1]。全部水樣采用離子色譜和 GC-MS進(jìn)行了常量和微量分析,各類水體的水化學(xué)類型(水質(zhì)類型)等分析結(jié)果見(jiàn)表 2[1](表 1、表 2水樣序號(hào)一致)。另外還收集了煤礦區(qū)各礦歷年已有水質(zhì)分析數(shù)據(jù)[1]。

表1 煤礦區(qū)各種水體野外取樣與測(cè)試記錄表

表2 煤礦區(qū)各種水體主要水質(zhì)分析結(jié)果 mg/L

2 水體主要離子成分分帶性特征

2.1 主要陰離子

根據(jù)表 2和 TDS、HCO3-、SO42-和 Cl-含量曲線 (圖 1、圖2)[1],得出不同水樣主要陰離子含量特點(diǎn)為:從山前補(bǔ)給區(qū)到礦區(qū)排泄區(qū),TDS(礦化度)表現(xiàn)為由低到高的變化趨勢(shì),HCO3-、Cl-含量相對(duì)較穩(wěn)定,其中排泄區(qū)的 17號(hào)(順發(fā)井)水樣、29號(hào)(大峪溝)以及 34號(hào)(任洼水庫(kù))水樣中的礦化度尤其高;SO42-含量變化明顯,從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)其含量由低逐漸升高,其中排泄區(qū)的 17號(hào)(順發(fā)井)水樣、29號(hào)(大峪溝)以及 34號(hào)(任洼水庫(kù))水樣中的SO42-含量尤其高。

圖1 煤礦區(qū)水樣 TDS(礦化度)和 HCO3-曲線圖

圖2 煤礦區(qū)水樣 Cl-和SO42-曲線圖

2.2 主要陽(yáng)離子

從主要陽(yáng)離子含量曲線圖(圖 3)[1]中得出不同水樣陽(yáng)離子含量的差異:從山前補(bǔ)給區(qū)到礦區(qū)排泄區(qū),Ca2+、Mg2+含量總體上沒(méi)有大的變化;從表 2數(shù)據(jù)分析,Na+、K+含量較穩(wěn)定,除 29號(hào)(大峪溝)水樣中含量較高外,其它水樣含量較低。

圖3 煤礦區(qū)巖溶水樣 Ca2+、Mg2+曲線圖

3 各類水體的水化學(xué)類型分帶性及成因分析

將表 2中煤礦區(qū)各類水樣分析結(jié)果,繪制在巖溶水水化學(xué)類型分區(qū)圖(圖 4)[1]和 Piper三線圖上(圖 5)[1][5],總體分為兩個(gè)主要水化學(xué)類型區(qū)。

圖4 煤礦區(qū)巖溶水水化學(xué)類型分區(qū)圖

Ⅰ區(qū):水化學(xué)類型為 HCO3—Ca?Mg和 HCO3—Ca型。陽(yáng)離子中 Ca2+含量較高且相對(duì)集中,Mg2+含量分布較離散;Na+、K+含量較低。陰離子中 HCO-含量相對(duì)較高;SO2-34+Cl-含量較低,且以 SO42-為主,礦化度較低,平均為 325 mg/L,水質(zhì)良好。該類水主要以泉的形式出露,代表了山區(qū)基巖裸露補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū)地下水的水化學(xué)特征。

圖5 煤礦區(qū)地表水和地下水 Piper三線圖

Ⅱ區(qū):水化學(xué)類型為 HCO3?SO4-Ca?Mg或 SO4?HCO3-Ca?Na型。陽(yáng)離子中仍以 Ca2+、Mg2+為主,但其含量相比補(bǔ)給區(qū)略減少,除個(gè)別水樣中 Na+、K+含量較高外,其它水樣中 Na+、K+含量低,但比Ⅰ區(qū)略高;從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)水中 SO42-含量增加,陰離子中 SO42-+Cl-含量較高,HCO3-含量相比Ⅰ區(qū)較少;礦化度較Ⅰ區(qū)高,平均為 498mg/L。此類水型代表為礦區(qū)排泄地下水及其附近地表水體的水化學(xué)特征。

本區(qū)地下水的主要成因類型為溶濾水。受巖性、地形、構(gòu)造及地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件的影響,煤礦區(qū)地下水主要形成了三類溶濾水,煤礦區(qū)的水化學(xué)成分從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū),具有一定的分帶性規(guī)律。各類水的形成原因分析如下。

3.1 HCO3— Ca? Mg型或 HCO3— Ca型

此類水廣泛分布于山區(qū)灰?guī)r裸露補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū),其形成原因是含 O2和CO2的大氣降水或地表水通過(guò)地表巖溶入滲到地下,CO2溶入水中形成碳酸從而使地下水對(duì)碳酸鹽類具有一定的侵蝕能力,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有侵蝕能力的地下水與碳酸鹽巖相互作用形成的。本區(qū)出露的碳酸鹽巖地層主要包括寒武 -奧陶系的石灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等,其化學(xué)成分主要是 CaCO3和 MgCO3,在水和水中 CO2共同作用下,碳酸巖鹽中的碳酸鈣、碳酸鎂等被溶于水中,從而巖溶水以HCO3-、Ca2+、Mg2+等離子為主。其水巖作用反應(yīng)式為:

此類水由于地下水所處的位置不同,其補(bǔ)給和徑流條件也不同,導(dǎo)致水化學(xué)成分及礦化度略有差異。王河煤礦新打的井下測(cè)壓孔中的水樣大部分(J3-J7)為 HCO3—Ca?Mg型,原因是新打的井下測(cè)壓孔中的奧灰水尚未進(jìn)入礦井,未與煤層頂板水及煤層發(fā)生水力聯(lián)系,故 SO42-含量少,為典型的巖溶地層溶濾水。隨著時(shí)間延長(zhǎng),底板水逐漸與頂板水及煤系地層發(fā)生作用,SO42-含量增加,導(dǎo)致底板水水化學(xué)類型變?yōu)?HCO3?SO4-Ca?M g型,如原來(lái)先打的 J1和 J2孔。

3.2 HCO3? SO4-Ca? Mg型

大部分的礦區(qū)埋藏型灰?guī)r水和礦坑排水都屬此類水。如新中礦頂?shù)装逅⑿烨f煤礦底板水、順發(fā)井頂板水、新建煤礦井水、花河礦井水、王河礦頂板水及王河煤礦礦坑排水。此類水相比灰?guī)r出露區(qū)的水礦化度增加,主要原因是礦區(qū)位于排泄區(qū),地下水徑流途徑變長(zhǎng);另外,由于是承壓水,補(bǔ)給條件差,水循環(huán)交替緩慢,因此礦化度較大。相比補(bǔ)給區(qū),地下水中的 SO42-含量明顯增加,這是由于礦井水來(lái)源于頂板太原組薄層灰?guī)r含水層和底板的奧陶系灰?guī)r含水層,兩含水層中的水沿裂隙和斷層進(jìn)入礦井,進(jìn)入礦井的過(guò)程中水流經(jīng)煤系地層時(shí)與煤系地層中黃鐵礦相互作用形成硫酸鹽與硫酸,使得水中的SO42-含量增加。硫酸的增多有利于溶解灰?guī)r、白云巖中的 CaCO3和 MgCO3,形成重碳酸硫酸型水。另外,大量 CO2的作用增加了地下水對(duì)巖石中 CaCO3、MgCO3的溶解,水中 HCO3-、Ca2+、Mg2含量增加 ,水化學(xué)類型成為HCO3-SO4— Ca? Mg或 SO4? HCO3—Ca? Mg型 。此類水形成過(guò)程中發(fā)生的水化學(xué)作用如下:

上述水巖作用使礦區(qū)地下水類型總體較補(bǔ)給區(qū)復(fù)雜,除大部分為HCO3?SO4-Ca?Mg水型外,少部分底板水為低礦化度的HCO3—Ca?Mg型水,如王河煤礦新打的奧灰觀測(cè)孔水樣。

3.3 SO4? HCO3-Ca? Na型

此次取得的大峪溝礦井水樣屬于此類水型。相比其它礦井水,其礦化度更高,達(dá)到了 1000mg/L,且 Na+和 Cl-含量也比其他礦井水高出很多。據(jù)調(diào)查,5-12汶川大地震時(shí)由于深部斷裂活動(dòng),大峪溝礦井 27采區(qū)的 27 130工作面于5月 14日發(fā)生突水,突水量達(dá)2 500m3/h,突水時(shí)水溫達(dá)到500℃,表明該水經(jīng)過(guò)深部地?zé)嵫h(huán)通過(guò)斷裂帶[6]向上運(yùn)移,由于水壓較大,導(dǎo)致突水。該水來(lái)自深部承壓水,水循環(huán)交替差,故礦化度很高。另外,在深部地下水流經(jīng)一些變質(zhì)巖時(shí),與長(zhǎng)石類(如鈉長(zhǎng)石)礦物發(fā)生水巖作用,導(dǎo)致地下水中 Na+和 K+含量相比其他礦井水高,Cl-的來(lái)源可能是深部巖漿巖中含氯礦物(如方鈉石 NaAlSiO4?NaCl)的風(fēng)化溶解。其溶濾作用的反應(yīng)式為:

據(jù)收集的大峪溝勘探區(qū) 1982年 20多個(gè)水質(zhì)分析數(shù)據(jù)[5]可知:1982年所取大峪溝礦井水的水化學(xué)類型主要為HCO3? SO4-Ca? Mg型,部分為 HCO3—Ca? Mg型。 奧灰水平均礦化度為 334.8mg/L,頂板L1-2灰?guī)r水平均礦化度為 408 mg/L,表明一般情況下大峪溝礦井水水化學(xué)類型及礦化度與其它礦井水相似,唯有 5月 14日突水水源為深部斷裂導(dǎo)出的地?zé)崴畬儆谔乩?/p>

除以上 3類地下水外,王河煤礦區(qū)[1][7]的 2個(gè)地表水來(lái)自王河水庫(kù)及任洼水庫(kù),2個(gè)水庫(kù)均接納王河煤礦礦坑排水,其水化學(xué)類型分別屬于 SO4?HCO3-Ca型和 SO4-Ca?Mg型水,主體成分與礦坑水接近,但 SO42-含量偏高。礦坑排水進(jìn)入地表水庫(kù)后,所處環(huán)境由還原的環(huán)境變?yōu)檠趸h(huán)境,部分硫化物或硫氧化后使水中 SO42-含量增高。

4 水體中 Sr2+/Ca2+分帶性特征及其形成條件

根據(jù)前人研究結(jié)果,海相碳酸鹽巖中普遍含有鍶元素,其來(lái)源是當(dāng)海水濃縮產(chǎn)生 SrSO4鹽類沉淀,而 SrSO4的沉淀在 CaCO3之后。當(dāng)?shù)叵滤c海相碳酸鹽巖接觸過(guò)程中,巖石中的鍶元素以鍶離子形式進(jìn)入地下水中。由于徑流條件不同,水巖接觸時(shí)間不同,使得地下水中的鍶離子濃度也不同,而巖溶水中普遍含有鈣離子,因此 Sr2+/Ca2+可反映地下水的形成和徑流條件。將滎鞏礦區(qū)巖溶水樣的 Sr2+/Ca2+與TDS等水化學(xué)特征進(jìn)行分析,繪制巖溶水樣 Sr2+/Ca2+與 TDS的關(guān)系圖(圖 6)[1]。

根據(jù)各水樣在 Sr2+/Ca2+—TDS關(guān)系圖中的情況,結(jié)合巖溶水運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要?jiǎng)澐譃槎€(gè)區(qū)。

Ⅰ 區(qū)是補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū),包括補(bǔ)給區(qū)的 1、3、4、5、6、7、8號(hào)巖溶泉水樣和徑流區(qū)的 10、11號(hào)巖溶井水樣。該區(qū) Ca2+/Sr2+比值較小,變化值在 0.0 010～0.0 023之間,礦化度也比較低,在 200～400 mg/L之間,其原因是該區(qū)處于灰?guī)r裸露區(qū),直接接受大氣降水補(bǔ)給。由于巖溶發(fā)育,滲透性好,地下水交替強(qiáng)烈,溶濾作用強(qiáng)烈,水巖作用時(shí)間短,致使巖溶水中 Ca2+濃度大,Sr2+含量很低,故 Sr2+/Ca2+比值很小,礦化度也較低。

Ⅱ區(qū)是排泄區(qū),包括 12-16號(hào)礦井頂板水樣、20-28號(hào)礦井底板水樣和 9號(hào)巖溶泉水樣。該區(qū) Sr2+/Ca2+比值變大,大于Ⅰ區(qū)。其原因是巖溶水從奧陶系灰?guī)r裸露區(qū)(補(bǔ)給區(qū))流向灰?guī)r埋藏區(qū)(排泄區(qū)),徑流途徑延長(zhǎng),補(bǔ)給條件變差,水交替由積極變?yōu)闇?溶濾作用變?nèi)?水巖作用時(shí)間增長(zhǎng),Ca2+濃度降低,相反 Sr2+濃度增大,水中的 Sr2+/Ca2+比值越來(lái)越大;9號(hào)反坡泉水樣 Sr2+/Ca2+比值較大是因?yàn)槿狱c(diǎn)接近排泄區(qū)。

另外,在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)之外還有個(gè)別水樣代表深部循環(huán)水或老窯積水,包括 17號(hào)順發(fā)礦井水和 29號(hào)大峪溝礦井水。該類水礦化度特別高,Sr2+/Ca2+比值較大。其原因?yàn)?順發(fā)井是一個(gè)廢棄的礦井老窯積水,其礦化度很高 Sr2+/Ca2+比值較大;大峪溝為深部承壓水經(jīng)斷裂傳導(dǎo)到礦井中的水,其礦化度很高,Sr2+/Ca2+比值特別大。

圖6 煤礦區(qū)巖溶水樣Sr2+/Ca2+值與TDS關(guān)系圖

5 結(jié)論

綜上所述,G 310線鄭州喬樓 -大峪溝段煤礦區(qū)巖溶水地下水的陰陽(yáng)離子、水化學(xué)類型等常規(guī)組分特征及 Sr2+/Ca2+-TDS關(guān)系分布,顯示煤礦區(qū)巖溶水化學(xué)特征自補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)到排泄區(qū)具有自然分帶性規(guī)律:自南向北及自西向東,隨著巖溶含水層埋深加大,徑流途徑延長(zhǎng),水巖作用時(shí)間增加,巖溶地下水的交替條件由快變慢,造成礦化度(TDS)由小變大,Sr2+濃度由小變大,SO42-含量增加。而 Cl-、HCO3-和 Ca2+、Mg2+含量總體上沒(méi)有大的變化。由此可以推斷出研究區(qū)巖溶地下水總體徑流規(guī)律為:一部分降水入滲補(bǔ)給沿著地層傾斜與地形坡降方向自南向北、自西向東徑流,徑流強(qiáng)度受地形控制,當(dāng)運(yùn)動(dòng)到合適的地形地貌、構(gòu)造、巖溶等有利部位匯集,基巖裸露區(qū)灰?guī)r接受降水后向深部以側(cè)向徑流的方式補(bǔ)給到礦區(qū)充水含水層中,水流循環(huán)深度較大,徑流途徑延長(zhǎng),水交替緩慢,地下水以側(cè)向和垂直上升運(yùn)動(dòng)為主。另一部分巖溶水自南向北以泉的形式溢出地表,地下水在淺部循環(huán),水流運(yùn)動(dòng)途徑短,水平運(yùn)動(dòng)為主,交替強(qiáng)烈;水化學(xué)類型為低礦化度的 HCO3-Ca.Mg型水,Sr/Ca低。本文充分說(shuō)明巖溶水化學(xué)特征分帶性規(guī)律對(duì)巖溶水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件具有明顯的指示作用,這對(duì)進(jìn)一步判定礦區(qū)突水水源、礦區(qū)圈定補(bǔ)給范圍、預(yù)測(cè)礦區(qū)涌水量等分析復(fù)雜的水文地質(zhì)條件具有很好的借鑒意義。

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