逆沖推覆體下地下水水化學(xué)特征及其地球化學(xué)模擬

汪子濤 ，劉啟蒙，劉 瑜

(1. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

近年來，隨著對礦區(qū)地下水環(huán)境重視程度的加大，針對煤礦區(qū)的地下水水化學(xué)特征研究也越來越廣泛。地下水中溶解組分的組合形式和條件多種多樣，不同的組分主要受到水巖作用的控制，同時又勢必對周圍環(huán)境造成影響。因此可以利用模擬軟件對其進(jìn)行水文地球化學(xué)模擬，量化不同水化學(xué)作用的強度。文獻(xiàn)[1]針對宿縣礦區(qū)主要突水含水層的常規(guī)離子進(jìn)行了反向水文地球化學(xué)模擬的模型，發(fā)現(xiàn)黃鐵礦氧化和陽離子交替吸附等作用是宿縣礦區(qū)地下水的主要作用。文獻(xiàn)[2]分析了峰峰礦區(qū)東部的地下水水化學(xué)特征，并對其進(jìn)行了飽和指數(shù)及質(zhì)量平衡模擬，認(rèn)為該區(qū)地下水系統(tǒng)中主要是白云石、巖鹽、石膏溶解，方解石沉淀。文獻(xiàn)[3]為探究齊齊哈爾市的地下水水化學(xué)時空演化規(guī)律，利用PHREEQC軟件建立了3組反應(yīng)路徑的模型，并發(fā)現(xiàn)溶濾作用、陽離子交換吸附作用、濃縮作用及人類活動是引起水化學(xué)類型和水巖環(huán)境礦物組成發(fā)生改變的主要原因。

淮南煤田煤炭資源主要覆于較厚的第四系松散沉積物之下，而新集礦區(qū)過去由于受到構(gòu)造運動的影響，使得寒武系與前寒武系地層作為逆沖推覆體，直接覆蓋于主采區(qū)之上。作為外來推覆體，可能會直接影響到原生地層的構(gòu)造復(fù)雜程度，如導(dǎo)水裂隙、斷層的增加，破壞原先水流路徑；同時，推覆體中的灰?guī)r及片麻巖中地下水也可能對下伏地層水化學(xué)造成影響。因此該地的地下水成分及其水巖作用可能會和巨厚松散層覆蓋下有所不同。同時，隨著開采深度的逐年增加，在長期的人為活動及自然形成的各種導(dǎo)水構(gòu)造，巖溶陷落柱等相互影響下，使得該區(qū)原有的水化學(xué)場愈發(fā)復(fù)雜[4]。

為此，本文以新集礦區(qū)為例，收集了礦區(qū)內(nèi)不同含水層常規(guī)離子的水化學(xué)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析，同時利用PHREEQC軟件對太灰含水層進(jìn)行了反向水文地球化學(xué)模擬，闡述了在逆沖推覆體覆蓋下的新集礦區(qū)地下水水化學(xué)特征及其水巖作用，揭示了推覆體對該地地下水的控制與影響。研究成果有望對礦區(qū)水害防治、水資源的利用等提供一定借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

新集礦區(qū)位于安徽省淮南市潘謝礦區(qū)的南麓，隸屬于淮南煤田。由于淮南煤田構(gòu)造運動為自南向北的推擠，使得其在長期的作用中構(gòu)成了兩翼對沖的推覆體構(gòu)造。煤田的南端在阜鳳逆沖斷層和阜李斷層的推動下，致使寒武系與前寒武系作為逆沖推覆體，直接覆蓋于主采區(qū)之上，新集礦區(qū)即位于南翼推覆體的中段。

由于該區(qū)煤炭資源主要富集在二疊系中，加上中生代地層的缺失，使得新集礦區(qū)主采煤層上覆寒武系及前寒武系推覆體，下伏石炭系太原組灰?guī)r，并與奧陶系灰?guī)r相隔。因此，新集礦區(qū)主要的突水含水層自下而上為：奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水含水層(簡稱“奧陶系含水層”)、石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙水含水層(簡稱“太灰含水層”)、二疊系煤系砂巖裂隙含水層(簡稱“煤系含水層”)和推覆體含水層。同時，新集礦區(qū)臨近的張集礦位于阜鳳逆沖斷層的北部，沒有受到推覆體的影響，主采區(qū)二疊系之上即為第四系松散層，因此可作為對照，礦區(qū)基巖地質(zhì)平面圖如圖1所示。

圖1 新集礦區(qū)及張集礦基巖地質(zhì)略圖(單位：m)

2 水化學(xué)分析

2.1 離子含量分布

表1 新集礦區(qū)及張集礦地下水水化學(xué)統(tǒng)計數(shù)據(jù)

為具體了解各采樣點的水化學(xué)含量特征及水化學(xué)類型，繪制了Piper三線圖，如圖2所示。

圖2 Piper三線圖

HCO3-Ca。煤系含水層和老空水以Cl-Na，Cl·HCO3-Na為主，太灰為Cl·HCO3-Na和Cl-Na，奧灰為Cl-Na。而張集礦中，各含水層均以HCO3·Cl-Na、Cl·HCO3-Na以及Cl·SO4-Na為主。

總的來說，研究區(qū)內(nèi)TDS較高，說明水體流動較小，從而導(dǎo)致各自所在區(qū)域的水化學(xué)作用強烈，也易造成兩大礦區(qū)內(nèi)水化學(xué)成分差異。其中，推覆體影響下的區(qū)域，各陽離子含量雖然Na+為主，但其他離子含量相對平衡，陰離子以Cl-為主，表現(xiàn)為單一趨勢。正常地層層序的張集礦與之相反，呈現(xiàn)出陽離子以Na+為絕對優(yōu)勢，三大陰離子相對均衡。說明逆沖推覆體中進(jìn)行過水巖作用的地下水可能會利用導(dǎo)水構(gòu)造直接影響下部含水層的水化學(xué)成分。

2.2 數(shù)理統(tǒng)計分析

為系統(tǒng)地了解各采樣點間離子組分的聯(lián)系程度，利用SPSS進(jìn)行了相關(guān)性分析、聚類分析和主成分分析，相關(guān)性結(jié)果如表2所示，其中電導(dǎo)率用K表示。

表2 新集礦區(qū)地下水各組分相關(guān)性

由表2中可以看出，各種組分間均存在一定程度的相關(guān)性。其中Na+和Cl-是研究區(qū)水體中最豐富最廣泛的離子，也因此和TDS，以及電導(dǎo)率具有很大的相關(guān)性，是電導(dǎo)率和總?cè)芙夤腆w的主要貢獻(xiàn)離子。TDS與電導(dǎo)率間也存在明顯的正相關(guān)。鈣鎂離子間相關(guān)性很高，說明可能是由同一種礦物溶解而成，如白云石溶解，即

(1)

(2)

由于各組數(shù)據(jù)間參數(shù)較多，使得分析數(shù)據(jù)時易出現(xiàn)誤差，因此通過主成分分析法和聚類分析法對新集礦區(qū)常規(guī)離子的水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

主成分分析法即為一種常用的數(shù)理統(tǒng)計方法，利用降維的思想，將數(shù)據(jù)原本多組的參數(shù)移動到新的由主成分組成的空間之中，去除了不必要的冗余，使得數(shù)據(jù)更加具有特征性，并能更加高效的來描述新生成的數(shù)據(jù)。聚類分析則是在現(xiàn)有的參數(shù)基礎(chǔ)上將相似的參數(shù)進(jìn)行歸類，并利用距離的大小衡量各組源數(shù)據(jù)間的相似性大小[7]。這兩種數(shù)理統(tǒng)計方法間既有一定共通性，也可以互補。針對新集礦區(qū)地下水水化學(xué)數(shù)據(jù)的主成分分析和聚類分析見圖3所示。

(a)主成分分析 (b)聚類分析圖3 主成分分析和聚類分析

圖3(a)為主成分分析后所成圖像。根據(jù)累計方差貢獻(xiàn)率大于80%為原則，提取了三條主成分，且貢獻(xiàn)了達(dá)到了84.304%，基本可涵蓋全部參數(shù)信息。圖中橫坐標(biāo)為初始的組分名稱，縱坐標(biāo)為初始組分在主成分中的相應(yīng)得分。三組折線分別代表了三條主成分。

2NaX+C2+=2Na++CaX2

(3)

聚類分析見圖3(b)所示。其中橫軸距離越短代表其相似性越高。結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果可知，研究區(qū)內(nèi)Cl-和Na+的來源均主要為巖鹽溶解，但陽離子交替吸附作用Na+有所增加。Ca2+、Mg2+來源為碳酸鹽、硫酸鹽溶解。HCO3-主要是碳酸鹽溶解，同時脫碳酸作用會使其消耗。

綜上所述，逆沖推覆體下的地下水主要的水化學(xué)作用初步認(rèn)定為鹽巖、碳酸鹽、硫酸鹽的溶解，陽離子交替吸附作用及脫碳酸作用。

3 反向模擬

在上節(jié)已經(jīng)定性的水化學(xué)作用的基礎(chǔ)上，為定量研究該區(qū)地下水中化學(xué)作用程度的大小，使用PHREEQC軟件進(jìn)行了反向水文地球化學(xué)模擬。PHREEQC作為美國地調(diào)部門的計算水文地球化學(xué)反應(yīng)的軟件，可以反演地下水在運移過程中的水巖作用。

在推覆體或松散層覆蓋下，主要影響的含水層均為二疊系含水層與太灰含水層。由于煤炭開采主要集中在二疊系，為減少人為干擾，選取了處于煤系含水層之下，未經(jīng)大范圍破壞的太灰含水層作為模擬對象。

3.1 模擬路徑選取

低TDS說明水體流動性大，水巖作用產(chǎn)生的離子不易富集，而高TDS則表明水體流動緩慢，可以得知地下水主要的流動方向為自低TDS所在區(qū)域向高TDS所在區(qū)域流動。據(jù)此，利用ArcGIS軟件繪制了太灰含水層TDS分布的熱力圖(見圖4)。其中顏色由淺至深表明TDS逐漸增高。

從圖中可以看出，新集一礦、二礦和張集礦太灰含水層TDS由東北向西南呈逐漸增大，三礦則為東部高于西部。圖中等水位線表明水流由水頭高的區(qū)域向低水頭區(qū)域流動。結(jié)合二者資料可以確立太灰含水層中地下水主要的流動方向，并根據(jù)已有的水化學(xué)數(shù)據(jù)，總結(jié)出四條路徑，其中新集礦區(qū)為X1、X2和X3，張集礦區(qū)為Z作為參照，各路徑分別如圖4所示。

圖4 TDS分布及太灰等水位線

3.2 礦物相選取

礦物相選取是指在進(jìn)行模擬之前，事先擬定地下水在該路徑中可能會發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)基礎(chǔ)。結(jié)合上文的數(shù)理統(tǒng)計分析，可以確定研究區(qū)內(nèi)主要的水化學(xué)作用有巖鹽、碳酸鹽、硫酸鹽溶解以及陽離子交換等作用。因此則選取方解石、白云石、硬石膏、巖鹽、CO2作為可能的礦物相。陽離子交換則選取NaX和CaX2。同時，根據(jù)表1中水樣測試的水化學(xué)數(shù)據(jù)，將 Ca、Mg、Na、Cl、C和S設(shè)為約束變量。

3.3 飽和指數(shù)

飽和指數(shù)反映了地下水中某種該礦物溶解能力的大小，其數(shù)值也表明了該礦物此時在地下水中的溶解程度。關(guān)于飽和指數(shù)公式定義為

(4)

式中：Ksp為溶度積常數(shù)，IAP為活度積，即地下水中某種鹽類的陰，陽離子活度之積[7]。若某種礦物飽和指數(shù)小于0則表明地下水溶解該礦物未飽和，反之，若飽和指數(shù)大于0則為過飽和。利用PHREEQC軟件計算的研究區(qū)內(nèi)各種可能的礦物相飽和指數(shù)SI結(jié)果如表3所示。

表3 飽和指數(shù)SI

由表3中可知，方解石(CaCO3)和白云石(CaMg(CO3)2)作為灰?guī)r最主要的組成礦物，在新集礦區(qū)均已呈現(xiàn)出飽和或過飽和，且SI在終點皆小于起點，則在這一路徑中可能會從水中析出。而張集礦SI方解石雖然小于0，但仍為起點大于終點，說明沉淀在SI<0時依然在繼續(xù)。而盡管Na+和Cl-已在地下水中占據(jù)了主要離子含量，但巖鹽仍處于未飽和狀態(tài)，兩種離子在條件合適的情況下，可能會進(jìn)一步溶解。

總體上看，新集礦區(qū)與張集礦在飽和指數(shù)上未存在明顯差距，反映出推覆體對其影響程度較小。

3.4 模擬結(jié)果

通過模擬路徑兩端的離子含量，確定了選取的礦物在該路徑種溶解或沉淀的轉(zhuǎn)換量。其中，負(fù)值表明這種礦物相中離子在這條路徑上析出了地下水，正值則表明離子溶解進(jìn)入水溶液中。陽離子交替吸附用NaX表示，正值表明Ca2+置換了Na+，NaX負(fù)值則為Na+置換了Ca2+。

由于反向模擬常常會有多個模擬結(jié)果，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行比較和篩選。本文在對條路徑的模擬結(jié)果其進(jìn)行篩選后，各礦物相的轉(zhuǎn)換量如表4所示。

表4 反向水文地球化學(xué)模擬結(jié)果

4 結(jié)論

通過數(shù)理統(tǒng)計方法和利用PHREEQC進(jìn)行反向水文地球化學(xué)模擬，了解了研究區(qū)內(nèi)各主要含水層地下水的水化學(xué)特征及水巖作用，共得出以下結(jié)論。