新集礦區(qū)不同水體氫氧同位素特征及其指示意義

廉法憲 儲成想 姜春露

（1.中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232170；2.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 研究區(qū)概況

新集礦區(qū)位于安徽省北部，地跨淮南和阜陽兩市，現(xiàn)有生產(chǎn)礦井6對（新集一礦、二礦、三礦、劉莊礦和口孜東礦，在建礦井板集礦），煤炭資源儲量100多億噸。礦區(qū)分布在淮河以北，屬平原地貌，地面標高一般為22～26m，為溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫16.6℃，年平均降水量約890mm。新集礦區(qū)位于淮南煤田西南部，構(gòu)造上屬于華北板塊南緣，豫淮坳陷南部、淮南復(fù)向斜謝橋向斜的南翼、阜鳳推覆構(gòu)造中段。礦區(qū)主體構(gòu)造線呈北西西向展布，次級斷裂、褶曲發(fā)育，斷層多為張扭性正斷層。新集礦區(qū)地下水資源主要有第四系松散層孔隙水、煤系碎屑巖類裂隙水和碳酸鹽類巖溶裂隙隙水等。多年開采實踐表明，新生界松散含水層和煤系砂巖含水層是礦井開采主要充水水源，對礦井安全開采造成嚴重威脅。

2 采樣與測試

從新集礦區(qū)6個礦井不同含水層采集水樣共28個，包括地表水樣（地表河流及沉陷區(qū)積水）7個、新生界松散層水樣5個、煤系砂巖水16個。水樣用原水沖洗過三次的聚乙烯瓶采集，并使用0.45μm的玻璃纖維膜過濾，低溫（0～4℃）密封保存至測試。現(xiàn)場采集的水樣用瑞士梅特勒參數(shù)儀測試總?cè)芙庑怨腆w（TDS）含量，單位為mg/L。氫氧穩(wěn)定同位素用50ml離心管裝樣后用激光液態(tài)水同位素分析儀進行分析，測試結(jié)果均以相對于V-SMOW的千分偏差值表示，測試單位為‰，測試精度為0.02‰和0.15‰。用250ml聚乙烯瓶裝水樣后送安徽省環(huán)保廳輻射站采用1220Quantulus型超低本底液體閃爍譜儀測試T同位素，測試單位為TU，儀器精密度為σ≤0.6TU。

3 結(jié)果與討論

3.1 氫氧穩(wěn)定同位素組成分析

新集礦區(qū)各水體氫氧同位素測試結(jié)果如表1。地表水δD范圍為-50.7‰～ -27‰，δ18O值為-6.1‰～-2.7‰，平均值為-39.96‰和-4.71‰；松散層水δD范圍為-63.3‰～-50.48‰，δ18O值為-7.8‰～-6.9‰，平均值為-56.03‰和-7.43‰；煤系砂巖水δD范圍為-71.6‰～-45.1‰，δ18O值為-8.9‰～-5.7‰，平均值為-65.9‰和-8.1‰。可以看出地表水的氫氧穩(wěn)定同位素值較大，總體富重同位素；新生界松散層水和煤系砂巖水穩(wěn)定同位素值較小且較為接近，相對較貧重同位素。

表1 新集礦區(qū)不同水體同位素測試結(jié)果

3.2 δD與δ18O關(guān)系和氘盈余

根據(jù)新集礦區(qū)不同水體的樣品測試結(jié)果，δD與δ18O擬合曲線如圖1所示。從圖1中可看出，所有水樣同位素值均分布在全球大氣降水線的右下方。地表水、松散層水、煤系水擬合曲線的斜率分別為5.55、8.13、7.15，表明地表水的蒸發(fā)作用強烈，而松散層水和煤系砂巖水的蒸發(fā)作用較弱。

圖1 不同水體δD-δ18O關(guān)系圖

為評價地區(qū)降水因地理與氣候因素偏離全球降水線的程度，Dansgard（1964）提出“氘盈余”或“d參數(shù)”的概念。d為GMWL斜率為8時的截距。氘盈余的主要控制因素為溫度、風速和相對濕度，其中蒸發(fā)作用是最主要的影響因素，與氘盈余呈正相關(guān)，濕度與氘盈余呈負相關(guān)。全球平均大氣濕度約為85%，對應(yīng)的氘盈余值為10‰。從表1中可看出，新集礦區(qū)松散層水和煤系砂巖水氘盈余值變化范圍較小，表明新集地區(qū)地下水的補給源較為穩(wěn)定。松散層水（dmean=3.38‰）和煤系砂巖水（dmean=-1.1‰）的氘盈余平均值明顯低于10‰，這表明新集礦區(qū)松散層和煤系砂巖水多為相對濕度較高的冬季降水所補給，當大氣降水補給到煤系砂巖后，由于水巖作用，水體與巖石中的氧同位素發(fā)生同位素交換導(dǎo)致氧同位素升高，d值下降。

圖2 地下水d與TDS關(guān)系

蒸發(fā)作用同時使水中的鹽度增加，礦化度增大，對于水樣測得水中TDS如表1。三種水體TDS的平均值分別為804.24mg/L、685.75mg/L、2515.13mg/L，且地表水和松散層水的TDS分布較為集中，而煤系砂巖水TDS分布較散，范圍為629.98～5949.59mg/L。新集礦區(qū)地下水中的TDS與d之間的關(guān)系見圖2。從圖中可以看出TDS與d呈負相關(guān)的關(guān)系，這與相關(guān)資料給出的結(jié)果相符合。TDS越小表明水體滯留時間越短，地表水環(huán)境裸露，補給充分，所以其TDS值較小。而深層煤系砂巖地下水由于滯留時間長，交換能力強，所以TDS值明顯增大而d值偏小。

3.3 氚同位素特征

由表1和表2可知，新集礦區(qū)地表水T值范圍為4.27～10.03TU，屬于年齡小于5～10年的現(xiàn)代水；新生界松散層水T值范圍則為1.07～5.13TU，是亞現(xiàn)代水與近期補給水的混合。即新集礦區(qū)松散含水層二含、三含和四含水既有近期補給的水，也有幾十年前補給的亞現(xiàn)代，表明該礦區(qū)新生界松散含水層（二含、三含和四含）水循環(huán)更新年限應(yīng)該在60年以上。

煤系砂巖水中有4個樣品T值小于1，5個樣品T值在1.55～3.84TU之間，7個樣品T值在4.28～8.30TU之間。反映出煤系砂巖水補給較為復(fù)雜，既有1952年以前亞現(xiàn)代水的補給，年齡在5～10年的現(xiàn)代水補給，也有二者混合水。從各礦井煤系砂巖水T值含量來看，劉莊礦、板集礦和新集三礦水樣的氚含量要略大于新集二礦和一礦，主要為現(xiàn)代水，說明這三個礦井煤系砂巖地下水補給、徑流、排條件好于一礦、二礦，地下水的更新能力強。原因在于新集一礦和二礦原地煤系地層之上覆蓋有推覆體灰?guī)r和夾片巖，這有效地阻隔了新生界含水層對原地煤系砂巖含水層的垂向補給，導(dǎo)致新集一礦和二礦原地煤系砂巖含水層主要是側(cè)向徑流進行水補給和更新。而劉莊礦、板集礦和新集三礦煤系砂巖直接與新生界松散含水層不整合接觸，可能存在新生界松散層水對砂巖裂隙含水層的補給。

表2 建立在氚含量基礎(chǔ)上的地下水近似年齡

4 結(jié)論

（1）新集礦區(qū)地表水蒸發(fā)作用較強，相對富重氫氧穩(wěn)定同位素，d值較低；松散層水和煤系砂巖水蒸發(fā)較弱，且主要為冬季降水補給，相對貧重氫氧穩(wěn)定同位素。

（2）新集礦區(qū)新生界松散層水是亞現(xiàn)代水與近期補給水的混合，補給更新時間在60年以上，補給較為復(fù)雜。由于推覆體的存在，阻隔了新生界含水層對原地煤系砂巖含水層的垂向補給，使得新集一礦和二礦煤系砂巖水主要為亞現(xiàn)代水或亞現(xiàn)代水與近期補給的混合水，而新集三礦、劉莊礦和板集礦離推覆體較遠，存在新生界松散層現(xiàn)代水對砂巖裂隙含水層的補給。