潘謝礦區(qū)灰?guī)r地下水水化學(xué)特征與成因分析

賀世芳，陳永春，謝 毫，安艷晴，姜春露，鄭劉根

(1.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

0 引言

地下水化學(xué)成分的形成與其經(jīng)歷的地球化學(xué)演化規(guī)律和循環(huán)過程密切相關(guān)，因此地下水水化學(xué)的變化可以指示其地球化學(xué)過程[1]。礦區(qū)地下水化學(xué)組分的形成演化是受水動(dòng)力條件、含水層介質(zhì)特性以及人類活動(dòng)等多因素影響的復(fù)雜過程[2]，許多學(xué)者對(duì)揭示水化學(xué)特征的影響因子、水巖相互作用及識(shí)別水化學(xué)演化的主要水文地球化學(xué)作用等已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。王劍[3]等采用水文地球化學(xué)與環(huán)境同位素研究相結(jié)合的方法，系統(tǒng)探討了礦區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因。陳陸望、張崇良等[4-5]分析了隱伏型煤礦含水層的水化學(xué)形成及其控制因素。地下水循環(huán)過程中，其各離子組分及部分離子比值會(huì)呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，飽和指數(shù)常以定性的預(yù)測(cè)水中碳酸鈣沉淀或溶解的傾向性，故通常利用離子比例系數(shù)及飽和指數(shù)揭示含水層水巖相互作用[6-8]。

潘謝礦區(qū)煤層在開采過程中，主要的充水水源為新生界底部松散層水、頂?shù)装迳皫r裂隙水及A組煤層底板下部的灰?guī)r水等。該區(qū)灰?guī)r含煤巖系直接發(fā)育在穩(wěn)定的寒武系碳酸鹽巖臺(tái)地之上，自下而上灰?guī)r含水層有寒武系白云巖巖溶裂隙含水層、奧陶系白云巖巖溶裂隙含水層及石炭系太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層[9]。由于本區(qū)揭露寒武系地層鉆孔數(shù)量很少，水樣采集困難，故本文不涉及此層位。太灰、奧灰作為A組煤底板，其巖溶富水性對(duì)A組煤的安全開采具有重要的影響。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)背景

潘謝礦區(qū)位于安徽省中北部，橫跨淮南和阜陽兩市，地理位置十分優(yōu)越，交通運(yùn)輸便捷，鐵路東接京滬線，西連京九線，水路通江達(dá)海，公路四通八達(dá)(圖1)。礦區(qū)在構(gòu)造位置上隸屬于華北板塊的東南緣，秦嶺緯向構(gòu)造帶南亞帶的北緣，淮南-豫西臺(tái)陷內(nèi)。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)內(nèi)褶皺、斷層均較發(fā)育，研究區(qū)內(nèi)占主導(dǎo)地位的構(gòu)造特征是NWW向構(gòu)造，受后期強(qiáng)烈構(gòu)造的改造，但是總體的形態(tài)變化并不大，復(fù)式向斜內(nèi)次一級(jí)斷裂及褶皺發(fā)育。

研究區(qū)太原組灰?guī)r整合或假整合于本溪組之上，整合于山西組之下的一套由海陸交互相的頁巖夾砂巖、煤、石灰?guī)r構(gòu)成的旋回層。巖性主要為灰、深灰色結(jié)晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r與深灰色砂質(zhì)泥巖、頁巖互層、薄層砂巖、薄層煤，巖性穩(wěn)定，石灰?guī)r總厚50～60 m，占整個(gè)太原組沉積厚度50%左右。其富水性不均一，屬巖溶裂隙承壓水。

據(jù)區(qū)域地層資料，奧陶系灰?guī)r平均厚約270 m，以灰色隱晶質(zhì)及細(xì)晶、厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r為主，局部夾角礫狀灰?guī)r或夾紫紅色、灰綠色泥質(zhì)條帶。巖溶裂隙發(fā)育極不均一，且在中下部比較發(fā)育，具水蝕現(xiàn)象，以網(wǎng)狀裂隙為主，局部巖溶裂隙發(fā)育，具方解石脈充填，富水性一般弱～中等。是太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層的直接補(bǔ)給水源。

1.2 水化學(xué)數(shù)據(jù)

飽和指數(shù)(SI)能夠判斷和研究礦物相在地下水中的飽和狀態(tài)的指標(biāo)[10-11]，由Phreeqc軟件計(jì)算而得。白云石、方解石、石膏和巖鹽礦物是灰?guī)r含水層中水巖相互作用的關(guān)鍵礦物，故可由SI值的大小判定礦物在水中的溶解沉淀狀態(tài)。如果SI>0時(shí)，表示該礦物相對(duì)水溶液處于過飽和的狀態(tài)；SI<0時(shí)，表示礦物相對(duì)水溶液未達(dá)到飽和狀態(tài)；SI=0時(shí)，表示水溶液與礦物處于平衡狀態(tài)。由于水質(zhì)分析以及礦物平衡常數(shù)和離子活度計(jì)算中的誤差，使礦物飽和指數(shù)的計(jì)算結(jié)果不可避免地帶有不確定性，因此一般認(rèn)為，當(dāng)SI在接近0的一定范圍內(nèi)變化是都認(rèn)為水溶液與礦物處于平衡狀態(tài)，常用的SI變化范圍為0±0.5[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 水化學(xué)特征

表1 灰?guī)r含水層水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì) mg/L,pH無量綱

2.2 離子濃度與TDS的關(guān)系

2.3 離子濃度與飽和指數(shù)的關(guān)系

2.4 離子濃度之間的關(guān)系

3 結(jié)論

(2)離子濃度與TDS的關(guān)系表明，太灰水和奧灰水的水巖相互作用是以含Na+和Cl-離子的礦物溶解為主，即巖鹽的溶解。飽和指數(shù)的研究進(jìn)一步證明了灰?guī)r水中，巖鹽處于不飽和狀態(tài)，處于溶解狀態(tài)，故Na+和Cl-濃度增加，且方解石和白云石在太灰水中趨于發(fā)生沉淀作用，在奧灰水趨于溶解作用。離子比例系數(shù)分析結(jié)果表明個(gè)別太灰水水樣存在硫酸鹽的溶解。離子比例系數(shù)同時(shí)表明，由于離子交替吸附作用，使得研究區(qū)灰?guī)r水多以Cl-Na為主。