淮南顧北礦F104斷層兩側(cè)巖溶水化學(xué)形成機(jī)制及導(dǎo)隔水性評價(jià)

鄭竹艷，許光泉，楊婷婷，余世滔，張海濤

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

淮南煤田位于我國華北煤田南緣，為一隱伏式煤田，其深部巖溶較為發(fā)育，石炭系、奧陶系和寒武系巖溶水富水性強(qiáng)，由于受多期地質(zhì)構(gòu)造作用，與上部煤系存在一定的水力聯(lián)系。目前，二疊系下部A 組煤開采深受巖溶水害威脅[1-2]，其中1 號煤是直接受影響煤層。因此，查清諸如陷落柱、裂隙、斷層等導(dǎo)水通道及其性質(zhì)，對于巖溶水害防治至關(guān)重要。目前，判斷斷層、裂隙等的導(dǎo)隔水性主要有地質(zhì)條件綜合分析[3-4]，抽、放水試驗(yàn)[5-7]、地球物理勘探[8-9]、水文地球化學(xué)特征分析[10-12]等方法。其中，利用水化學(xué)信息判斷斷層導(dǎo)隔水性，多從水化學(xué)類型對比、水化學(xué)時(shí)空變化等角度開展研究。王廣才等[10]、張勝軍等[11]、崔芳鵬等[12]從水化學(xué)特征、水環(huán)境同位素特征入手，并未深入研究其化學(xué)組分來源差異性及定量分析徑流路徑上礦物轉(zhuǎn)移的差異性。從水文地球化學(xué)特征及其反向模擬視角，探討巖溶地下水與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系，即斷層導(dǎo)隔水性質(zhì)，分析斷層構(gòu)造與地下水流之間的內(nèi)在聯(lián)系目前尚處于探索階段。

為此，筆者結(jié)合淮南顧北礦井下放水試驗(yàn)，以F104斷層兩側(cè)所采集的51 個(gè)巖溶水樣為對象，采用Piper 三線圖、離子組合比和主成分分析等方法，分析了F104斷層兩側(cè)巖溶水主要化學(xué)組分變化特征，探討水文地球化學(xué)演化過程中的水-巖作用[13]，分析巖溶水的潛在來源和循環(huán)路徑[14]，并采用反向水化學(xué)模擬，定量分析斷層兩側(cè)滲流路徑上水-巖作用差異性，為判識F104斷層導(dǎo)隔水性提供了重要佐證，為巖溶水害防治提供了可靠依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

顧北礦位于淮南煤田中部的顧桂地區(qū)、陳橋背斜東翼與潘集背斜西部的銜接帶。地層走向?yàn)镹10°E—N60°W，傾向?yàn)?S80°E—S30°E，傾角為5°～15°，且傾角從淺部至深部逐漸減小，井田內(nèi)主要構(gòu)造多為平移–正斷層。其中，F(xiàn)86為礦井北部邊界斷層，走向NEE，傾向SE，傾角30°～55°，落差0～76 m；F211為礦井南部邊界斷層，走向NW，傾向SW，傾角50°～70°，落差0～63 m。F104—F104-1斷層組為井田中部的逆斷層，橫穿整個(gè)井田，其中，F(xiàn)104走向NW，傾向SW，傾角65°～75°，落差0～130 m；F104-1走向NW，傾向NE，傾角55°～60°，落差0～60 m，見圖1a。

此外，F(xiàn)211、F109等斷層靠近井田邊緣，距礦井中部采區(qū)較遠(yuǎn)，根據(jù)以往井下勘探和試驗(yàn)分析可知，其對研究區(qū)范圍影響較小。F100、SF83等斷層延伸距離短且落差很小，對整個(gè)研究區(qū)作用微弱。斷層F104位于井田中部，橫穿井田，落差大，延伸廣，將礦區(qū)分割成南北兩個(gè)大的采區(qū)塊段，由于受多期構(gòu)造地質(zhì)作用，其導(dǎo)、隔水性不明，判識F104斷層導(dǎo)隔水性對礦井安全開采至關(guān)重要。

顧北礦從上到下主要發(fā)育新生界松散砂巖孔隙含水層、二疊系煤系砂巖裂隙含水層和石炭–二疊系太原組及奧陶系碳酸巖巖溶含水層。其中，石炭–二疊系太原組巖溶裂隙含水層主要以灰?guī)r為主，并夾泥巖、砂巖和薄煤層；奧陶系含水層為厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r及灰質(zhì)白云巖，頂部為石炭系本溪組的灰綠色鋁質(zhì)泥巖(圖1b)。由礦區(qū)水文地質(zhì)勘探及井下疏放水試驗(yàn)可知，太原組灰?guī)r水是1 號煤層底板直接充水水源，尤其是1 號煤層與灰?guī)r含水層對接位置，斷層往往是其突水的直接通道。下部富水性強(qiáng)、高水壓的奧陶系巖溶水，可通過導(dǎo)水?dāng)鄬踊驇r溶陷落柱與太原組灰?guī)r含水層發(fā)生水力聯(lián)系，常構(gòu)成對1 號煤層開采中的嚴(yán)重威脅。所以，F(xiàn)104斷層導(dǎo)隔水性程度大小，是整個(gè)井下采區(qū)布置方案及井下排水系統(tǒng)合理布設(shè)的關(guān)鍵控制因素。

2 水樣采集與測試方法

為了分析F104斷層兩側(cè)水化學(xué)特征差異性，從宏觀上研究兩盤水化學(xué)差異性的控制因素及其形成機(jī)制，本文所采集樣品來自于顧北礦F104斷層兩盤1 號煤層下部的太原組灰?guī)r含水層，共51 個(gè)，其中上盤區(qū)(又稱“南區(qū)”)水樣26 個(gè)，下盤區(qū)(又稱“北區(qū)”)水樣25 個(gè)。南區(qū)采樣點(diǎn)主要位于南一采區(qū)附近，北區(qū)采樣點(diǎn)主要位于北一采區(qū)附近，其采樣點(diǎn)位置如圖1a 所示。依據(jù)礦井水特征離子，樣品測試主要為陰陽離子，其中，陽離子為K+，Na+，Ca2+，Mg2+等，陰離子為、、Cl–、等，此外還測試了pH、TDS 等。由于K+含量少且與Na+化學(xué)性質(zhì)相似，因此與Na+合并。所采取的測試方法為：和用酸堿滴定法；Cl–和用離子色譜法；Ca2+和Mg2+用EDTA 滴定法；K++Na+用火焰原子吸附分光光度法；pH 值、TDS 等指標(biāo)均在現(xiàn)場測定。

3 結(jié)果與討論

斷層兩盤巖溶水組分差異取決于不同形成作用和地下水所處環(huán)境，諸如氧化與還原環(huán)境、溫度場及地下水流場等。本次采樣點(diǎn)同一盤平均深度約為–630 m，多數(shù)水樣來自–550～–650 m 深度，其變化范圍對于水化學(xué)特征影響較小，這為在F104斷層兩盤巖溶水化學(xué)特征分析的基礎(chǔ)上，采用特征離子組合比、主成分分析、水化學(xué)反向模擬等判識F104斷層導(dǎo)隔水性提供了前提條件。

圖1 顧北礦基巖地質(zhì)水文地質(zhì)圖Fig.1 Geological and hydrogeological map of bedrock in Gubei coal mine

3.1 巖溶水化學(xué)特征

利用SPPS 對F104上下盤(南北區(qū))巖溶水化學(xué)組分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表1。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：南區(qū)巖溶水pH 值平均為9.04，北區(qū)pH 值平均為9.07，兩區(qū)水環(huán)境整體偏堿性；但南區(qū)巖溶水中的K++Na+、Cl–、含量要高于北區(qū)，而北區(qū)巖溶水中的含量要高于南區(qū)。南區(qū)水樣中Ca2+、變異系數(shù)較大，北區(qū)水樣中Ca2+、變異系數(shù)較大，表明了上述離子在F104兩側(cè)分布相對不均勻，反映了斷層兩側(cè)地下水環(huán)境存在差異。

根據(jù)采集測試的南北兩區(qū)太原組灰?guī)r水(簡稱“太灰水”)常規(guī)離子組分，繪制其Piper 三線圖(圖2)。其中，南區(qū)太灰水水化學(xué)類型主要為 Cl·HCO3–Na+K，其次為Cl–Na+K 和Cl·SO4–Na+K；而北區(qū)主要以 Cl–Na+K 和 Cl·SO4–Na+K 為主，其次為Cl·HCO3–Na+K。

3.2 巖溶水形成機(jī)制

3.2.1 離子組合比分析

水文地球化學(xué)演化受多種因素控制，離子組合比分析是地下水演化物質(zhì)來源的一種有效手段，往往用來分析水化學(xué)成分形成作用及其離子來源[15]。為考察F104斷層南北兩區(qū)巖溶水演化過程中主要水化學(xué)作用，采用該方法，繪制相關(guān)圖件，分析其作用過程(圖3)。

一般情況下，可以利用地下水中Mg2+與Ca2+的摩爾比值，即n(Mg2+)/n(Ca2+)識別地下水所流經(jīng)含水層巖性：當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)灰?guī)r含水層時(shí)，地下水中n(Mg2+)/n(Ca2+)介于0.01～0.26；流經(jīng)白云巖含水層時(shí)，地下水中n(Mg2+)/n(Ca2+)＞0.85[16]。從圖3a可以看出，巖溶水樣以方解石溶解、方解石和白云石共同溶解為主。巖溶水中Ca2+、Mg2+、的來源與含水層中方解石、白云石礦物溶解沉淀過程密切相關(guān)，該溶解沉淀方程為：

表1 F104斷層兩盤巖溶水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical analysis of hydrochemical components of karst water in two walls of fault F104

圖2 F104兩側(cè)巖溶水Piper 三線圖(單位：%)Fig.2 Piper trilinear diagram of karst water on both sides of fault F104

自然界中，地下水中的Cl–相對穩(wěn)定，一般用Na+與Cl–的毫克當(dāng)量比值，即ρ(Na+)/ρ(Cl–)比值反映Na+的來源，巖鹽溶解生成的ρ(Na+)/ρ(Cl–)=1。由圖3b 可以看出，所有水樣的ρ(Na+)/ρ(Cl–)＞1，說明巖鹽溶解不是顧北礦巖溶水中Na+的唯一來源。由于Ca2+、Mg2+吸附于巖層顆粒表面能力大于Na+，當(dāng)含有Ca2+、Mg2+的巖溶水流經(jīng)含有Na+的巖層時(shí)，將發(fā)生陽離子交換吸附作用，從而使得TDS 增加過程中Na+的富集。當(dāng)TDS 大于2 000 mg/L 時(shí)，南區(qū)水樣絕大多數(shù)都落在北區(qū)水樣上方，說明南區(qū)太灰含水層陽離子交換吸附作用相對北區(qū)較強(qiáng)，其作用方程為：

自然界中Ca2+、Mg2+主要來源于碳酸巖、硫酸巖溶解，則有=1[17]。由圖3c 可以看出，幾乎所有巖溶水樣都落在線的下方，推斷碳酸巖與硫酸巖的溶解不是太灰水Ca2+、Mg2+唯一來源，勢必有其他來源，間接說明上述陽離子交換吸附作用存在合理性。南區(qū)水樣絕大多數(shù)都落在北區(qū)水樣下方，說明南區(qū)太灰含水層陽離子交換吸附作用相對北區(qū)較強(qiáng)，這與圖3b 分析結(jié)果一致。

當(dāng)Ca2+、Mg2+與主要來源于碳酸巖鹽溶解時(shí)，；而當(dāng)來源于脫硫酸作用時(shí)，＜1[17]。由圖 3e 可看出，南區(qū)水樣幾乎全部落在線的下方，說明南區(qū)太灰含水層的脫硫酸作用較明顯；北區(qū)水樣大多數(shù)落在線附近，說明北區(qū)太灰含水層Ca2+、Mg2+與主要來源于碳酸巖鹽的溶解。脫硫酸作用常發(fā)生于還原環(huán)境中，其反應(yīng)方程為：

圖3 F104兩側(cè)巖溶水主要離子組分比關(guān)系Fig.3 Main ion components proportion of karst water on both sides of fault F104

3.2.2 主成分分析

巖溶地下水離子貢獻(xiàn)大小常采用主成分分析法獲得，該方法是在保證數(shù)據(jù)信息丟失最少原則下，利用降維原理，把多個(gè)分析變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合變量(即主成分)的一種多元統(tǒng)計(jì)方法[19]。采用該方法對51 個(gè)巖溶水樣中的K++Na+、Ca2+、Mg2+、等特征離子進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其特征值大于1.5 的兩個(gè)主成分(F1、F2)，主成分 F1、F2 的方差貢獻(xiàn)率依次為 39.498%、21.515%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到62%，能夠較全面地解釋主要水–巖作用，2 個(gè)主成分的旋轉(zhuǎn)因子載荷見圖4 所示。

根據(jù)前文離子組合比分析可知：主成分F1 上Mg2+、因子載荷高與少量硫酸巖溶解及黃鐵礦氧化作用有關(guān)；主成分F2 上Na+因子載荷高與陽離子交換吸附作用有關(guān)，而Cl–在地下水中常與Na+伴生相累積，濃度隨之增加，巖溶水表現(xiàn)出“咸化”特征；HCO–3在主成分F2 上的因子載荷較高與脫硫酸作用有關(guān)。因此，F(xiàn)1 代表硫酸鹽溶解與黃鐵礦氧化，F(xiàn)2 代表陽離子交換吸附及脫硫酸作用。由巖溶水樣的主成分F1 得分-主成分F2 得分散點(diǎn)圖(圖5)分析發(fā)現(xiàn)：F104一側(cè)北區(qū)淺部地下水中的黃鐵礦氧化作用較南區(qū)強(qiáng)烈，而F104另一側(cè)南區(qū)陽離子交換吸附及脫硫酸作用較北區(qū)明顯，這與前文離子組合比分析得出結(jié)果相一致。

通過以上對F104斷層兩側(cè)巖溶水組分特征及其性質(zhì)分析可知，南北兩區(qū)地下水所處的水環(huán)境及水-巖相互作用程度均存在差異，反映了地下水在流動過程中遇到了阻礙，使得上下盤成為兩個(gè)獨(dú)立的構(gòu)造小單元，從而間接推斷出F104斷層具有較好的阻水性能。

圖4 常規(guī)離子因子載荷Fig.4 Diagram of conventional ions factor loading

圖5 巖溶水主成分荷載得分Fig.5 Diagram of the principal component loading scores of karst water

3.2.3 反向水文地球化學(xué)模擬分析

水-巖相互作用模擬分為正向和反向水文地球化學(xué)模擬[20]，其反向模擬依據(jù)地下水中化學(xué)平衡反應(yīng)質(zhì)量守恒原理，可定量計(jì)算出滲流路徑上各礦物轉(zhuǎn)化量[21]。依此，由太原組碳酸鹽巖露頭區(qū)沿巖溶含水層地下水流動方向，選擇4 條模擬路徑進(jìn)行研究。

a.模擬路徑選擇

F104橫穿井田，據(jù)前文分析其具有較好的阻水性能，結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件可知，斷層兩盤上方均覆蓋較厚的隔水層，與基巖面上方新生界松散含水層系統(tǒng)之間不發(fā)生水力聯(lián)系。因而斷層F104將礦區(qū)分割成南北兩個(gè)相對獨(dú)立的含水系統(tǒng)，巖溶水主要是在斷層兩盤含水層中做順層運(yùn)動。由于下部巷道對太原組疏放水的影響[22]，斷層兩盤巖溶地下水在一定水頭壓力下自太原組碳酸鹽巖露頭區(qū)向下沿含水層傾斜方向發(fā)生徑流，中間為采區(qū)放水試驗(yàn)的疏水巷道，即地下水排泄點(diǎn)。根據(jù)水樣點(diǎn)位置及地下水流向，選擇4 條地下水徑流路徑進(jìn)行反向水化學(xué)模擬，如圖6 所示：路徑1 與路徑2 位于南區(qū)，分別沿S7→S16→S25 線和S6→S17 線；路徑3 與4 位于北區(qū)，分別沿N16→N19→N22 線和N15→N21 線。

b.“可能反應(yīng)相”確定

確定沿滲流路徑發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)取決于“可能反應(yīng)相”選取，它是建立水-巖作用質(zhì)量平衡模型的關(guān)鍵[23-24]。依前面分析可知，巖溶水含水層中發(fā)生了方解石、白云石、巖鹽的溶濾作用、陽離子交換吸附作用、黃鐵礦氧化、脫硫酸作用等。根據(jù)反應(yīng)方程式可知，陽離子交換吸附可用NaX、CaX2表示；黃鐵礦氧化可用FeS2、Fe(OH)3、O2表示；脫硫酸作用可用CO2、H2S 表示。

因而，研究區(qū)巖溶水中“可能反應(yīng)相”為方解石、白云石、巖鹽、NaX、CaX2、FeS2、Fe(OH)3、O2、CO2、H2S 等。

c.模擬結(jié)果分析

巖溶水中化學(xué)組分質(zhì)量平衡反應(yīng)模型是研究F104斷層兩盤地下水徑流過程中水–巖相互作用的重要方法，它不僅可以計(jì)算上述4 條模擬路徑上礦物反應(yīng)物和生成物的數(shù)量，還能解釋地下水水質(zhì)的變化規(guī)律[24]。應(yīng)用PHREEQC 軟件對4 條滲流路徑進(jìn)行質(zhì)量平衡模擬，其結(jié)果如表2 所示，具體分析如下。

S7→S16，發(fā)生了方解石溶解、陽離子交換、黃鐵礦氧化作用等；S16→S25，發(fā)生了方解石溶解、白云石和巖鹽沉淀、陽離子交換、脫硫酸作用等。N16→N19，發(fā)生了方解石與白云石溶解、巖鹽沉淀、陽離子交換、黃鐵礦氧化等；N19→N22，發(fā)生了方解石和白云石沉淀、黃鐵礦氧化、陽離子交換作用等。即沿著地下水徑流方向，水巖相互作用充分，方解石、白云石、巖鹽趨于飽和，發(fā)生沉淀；基巖露頭區(qū)有利于黃鐵礦氧化的發(fā)生，隨著徑流路徑向深部延伸，地下水由氧化環(huán)境轉(zhuǎn)移至偏還原環(huán)境，從而發(fā)生了脫硫酸作用。

圖6 水流方向與滲流路徑布設(shè)Fig.6 Diagram of flow direction and seepage paths

反向模擬結(jié)果表明：4 條路徑上均表現(xiàn)出沿著地下水徑流方向上發(fā)生了方解石、白云石的溶解和沉淀，但以方解石溶解為主；F104一側(cè)南區(qū)水流路徑上陽離子交換吸附轉(zhuǎn)移量明顯多于北區(qū)，并且南區(qū)水流路徑上有H2S 氣體生成，反映了脫硫酸作用存在；北區(qū)水流路徑上巖鹽溶解量明顯大于南區(qū)巖鹽溶解量；黃鐵礦氧化的礦物轉(zhuǎn)移量北區(qū)明顯多于南區(qū)，這些結(jié)果均與前文分析結(jié)果吻合。

根據(jù)礦井資料，對井下太原組灰?guī)r含水層開展放水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)被F104斷層分為南北兩個(gè)獨(dú)立構(gòu)造單元，其地下水流系統(tǒng)存在一定的差異性，平面上形成兩個(gè)相對獨(dú)立的含水系統(tǒng)[25]。

從圖6 可看出，F(xiàn)104斷層兩側(cè)巖溶地下水從露頭區(qū)沿徑流方向上，其溫度隨深度增加而逐漸增大，溫度在沿途路徑上的變化控制了離子溶解、交換及反應(yīng)速度，加上氧化-還原環(huán)境及地下水流場等因素，共同影響了F104斷層兩盤徑流方向上的水-巖相互作用程度，從而決定了南北兩區(qū)離子組分的差異性。

表2 沿不同路徑反向水文地球化學(xué)模擬礦物轉(zhuǎn)移量Table 2 Mineral transformation of reverse hydrogeochemical simulation along different paths (單位：mmol/L)

4 結(jié)論

a.淮南煤田顧北礦F104斷層上盤區(qū)(南區(qū))巖溶水水化學(xué)類型主要為Cl·HCO3–Na+K，其次為Cl–Na+K 和Cl·SO4–Na+K；而下盤區(qū)(北區(qū))主要以Cl–Na+K 和Cl·SO4–Na+K 為主，其次為Cl·HCO3–Na+K。

b.研究區(qū)F104斷層兩側(cè)地下水所處化學(xué)環(huán)境及水-巖作用均有差異，南北兩區(qū)巖溶水均存在方解石和白云石的溶解和沉淀，但南區(qū)陽離子交換吸附和脫硫酸作用較北區(qū)稍明顯，而北區(qū)黃鐵礦氧化和巖鹽溶解較南區(qū)稍強(qiáng)烈，反映了斷層兩側(cè)地下水沿途流動過程中受斷層帶阻隔，且向下徑流條件變差。

c.水文地球化學(xué)反向模擬不僅揭示了斷層兩側(cè)沿地下水徑流方向發(fā)生了方解石和白云石的溶解沉淀現(xiàn)象，且反映了沿途路徑上陽離子交換吸附轉(zhuǎn)移量、黃鐵礦氧化礦物轉(zhuǎn)移量、H2S 氣體生成量、巖鹽溶解量等差異性，進(jìn)一步驗(yàn)證F104斷層有一定阻水性。

d.因?yàn)镕104斷層存在，影響了顧北礦南北兩區(qū)氧化-還原環(huán)境及溫度場和滲流場的變化，從而控制著地下水徑流方向和水-巖作用程度。