淮南潘北礦區(qū)太原組灰?guī)r水化學特征及其地質解釋

葛濤，劉桂建，周春財

（1.安徽省地質實驗研究所（國土資源部合肥礦產資源監(jiān)督檢測中心），安徽合肥 230001；2.中國科學技術大學地球與空間科學學院，安徽合肥 230026；3.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，安徽合肥 230009）

0 引言

隨著同位素技術的研究與應用不斷的發(fā)展，同位素技術在水文地質研究工作中也得到了較為廣泛的應用，包括不同水體間的水力聯系，判別含水層的補給源，地下水的年齡等，同位素的特殊性質使得它在現代水文地質研究過程中成為了不可替代的研究工具。

淮南煤田地處華北平原南緣，該區(qū)作為過渡帶氣候，季節(jié)明顯，年平均降水量為926.33mm，低于全年蒸發(fā)量1442.9mm，蒸發(fā)作用明顯。雨量多集中在六、七、八月。礦區(qū)地表水系豐富，淮河流經煤田的東南緣，其支流主要有潁河、西淝河，自西北流向東南，最后注入淮河。流量受季節(jié)控制，排洪蓄水兼顧，對淺層地下水起補給作用。區(qū)內井田自建成投產以來發(fā)生過數次破壞程度不同的水害事故,帶來了巨大的財產損失和人員傷亡。隨著煤礦開采深度的逐漸加深，1 煤底板的灰?guī)r含水層的突水幾率也逐漸增大。近年來，眾多學者從多方面入手，結合數學模型、數理統(tǒng)計等多種方式對煤礦地下水進行了多角度的研究分析，并取得了一定的研究成果。但是由于樣品采集等一系列客觀條件的限制，使得對于深部灰?guī)r水的研究不是很多。本次研究從水化學組分出發(fā)，結合深部灰?guī)r地下水中的氫氧同位素組成特征，探討不同水體間的補給關系，為礦井突水水源的識別奠定基礎。

1 研究區(qū)概況

潘北井田位于淮南煤田的北側，是淮南煤田設計年產400萬噸的特大型礦井。主要的充水水源為第四系砂層孔隙水、二疊系砂巖裂隙水和1 煤底板的太原組及奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水（圖1）。潘北井田東起六勘探線，西至十五勘探線，南以F1、F9 和F9-1 斷層為界，北至向斜軸線與13-1 煤層-900m 等高線的地面投影線（圖2）。主要突水含水層由上而下包括直接覆蓋于煤系地層之上的新生界松散層下部含水層（簡稱“下含”）、對礦井直接充水的二疊系煤系砂巖裂隙含水層（簡稱“煤系”）、埋藏較深、水文地質條件復雜的石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層（簡稱“太灰”）和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層（簡稱“奧灰”）。研究區(qū)1煤層底板下伏石炭系太原組灰?guī)r，巖性主要由砂巖、泥巖和灰?guī)r組成。巖溶裂隙發(fā)育不均，局部地區(qū)巖溶裂隙較為發(fā)育，富水性較強，為1煤層底板直接充水含水層。隨著煤層開采深度的逐漸加深，位于1 煤下部的太原組灰?guī)r含水層作為潛在的直接充水含水層的影響越來越大，須引起關注。

圖1 淮南礦區(qū)地質剖面Figure 1.Geological profile across the Huainan mining area

2 采樣與測試

2.1 樣品采集與前處理

從潘北井田（圖2）的井下放水孔、長觀孔以及從附近的河流共采集了地表水樣3 件、太原組灰?guī)r水樣21件、奧陶系灰?guī)r水樣4件和寒武系灰?guī)r水樣1件（表1），受條件限制，寒武系灰?guī)r水樣樣品只采集到1 件，作為參考。使用酸潤洗過的塑料瓶采集水樣，每個樣品采樣點均采集2500mL的水樣，使用0.45μm的過濾紙過濾，加超純硝酸消解使樣品pH<2，密封后帶回實驗室低溫（小于4°C）保存直至測試。

圖2 研究區(qū)地質構造圖Figure 2.Map of geological structures in the study area

2.2 實驗與測試

表1 樣品測試結果Table 1.Testing results of samples

3 結果與討論

3.1 太原組灰?guī)r水常規(guī)水化學分析

此次采集的淮南煤田潘北礦區(qū)的太原組灰?guī)r水樣的水質類型主要表現為：Ca-Na-HCO型、Na-SO型和Na-Cl 型共三種類型（圖3）。從樣品的采集位置來看，太原組灰?guī)r水的水質化學類型在由HCO型向Cl型演化的方向為從西北方向向東南方向演化，這與井田前期地質勘查地下水的流向大致相符，可能是局部地區(qū)由于后期的開采導致了地下水的流向發(fā)生了一些改變。多樣性的水質化學類型也許與前期勘察的結果有一定的差別，這可能是由于后期的采動影響導致了局部地區(qū)的太原組灰?guī)r含水層有其他補給源的補給。

圖3 太灰水化學演化圖Figure 3.Evolution of chemical compositions in groundwater of the Taiyuan Formation Limestone aquifer

3.2 太原組灰?guī)r水氫氧同位素組成分析

根據大氣降水線方程，在δD-δO 關系圖中用來表示降水的δD 和δO 關系變化的直線，稱為降水線。除全球降水線外，不同地區(qū)都有反映各自降水規(guī)律的降水線。Craig根據IAEA的觀測資料，給出了全球大氣降水線方程(GWML)：δD=8δO+10(‰)；王 恒純根據統(tǒng)計和采集的降水同位素資料，得出中國的大氣降水線方程(LWML)：δD=7.9δO+8.2(‰)；淮南地區(qū)的大氣降水線由于降水受到強烈的蒸發(fā)作用導致其明顯的偏離全國大氣降水線。

圖4為本次采集的太原組灰?guī)r含水層地下水樣品的氫氧同位素含量的δD-δO 關系圖。由圖4 中可以看出，該區(qū)降水中δD-δO 值之間呈明顯的線性關系。從而得到潘北礦區(qū)太灰水的關系方程為：δD=7.6δO+2.4(‰)，

R

=0.85。太灰水的氫氧同位素變化范圍較 大，δO 在-9.79‰～-5.06‰ 之 間，δD 在-76.58‰～-34.07‰之間變化，較大的變化范圍以及較為分散的樣品點均表明太原組灰?guī)r含水層可能由不同的補給源補給導致。從圖4中也可以看出部分太灰水樣品與采集的大氣降水和地表水樣品的同位素組成較為相似，部分樣品與深部奧灰水和寒灰水的同位素組成較為相似，還有一些位于中間位置。太灰水的氫氧同位素組成表明太原組灰?guī)r水可能有地表水與大氣降水的補給源，以及深部含水層的補給源，并且局部地區(qū)可能出現了補給源的混合。

圖4 水樣關系圖Figure 4.relationof water samples

3.3 太原組灰?guī)r水δD-Cl關系分析

地下水的δD-Cl關系進一步說明地下水的補給來源(圖5)。從圖5 中可以發(fā)現太灰水樣品被明顯的分為三個部分：一組的太灰水樣品具有較高的δD 值和較低的Cl 離子濃度，并且與地表水的組成較為相似，表明該部分的灰?guī)r水應為地表水體的快速補給；二組灰?guī)r水樣所處位置應該為采動影響下多補給源發(fā)生混合導致；三組的太灰水樣品具有和奧灰水和寒灰水較為相似的較低的δD值和較高的Cl離子濃度表明了局部地區(qū)的灰?guī)r水來自于深部古水的補給，這也符合深部古水滯留時間較長、鹽度較高的特點。

圖5 水樣δD-Cl關系圖Figure 5.δD-Cl relation of water samples

4 結論

潘北礦區(qū)太原組灰?guī)r水共出現三種水質類型(Ca-Na-HCO、Na-SO和Na-Cl 型)，且水質化學類型由HCO型向Cl型演化的方向與地下水的流向基本一致。大氣降水是潘北礦區(qū)地下水的主要補給源，太原組灰?guī)r水的氫氧同位素含量分布范圍較大，整體大致分為三個部分，進一步通過同位素與氯離子的關系圖得到太灰水主要由地表水體的快速補給和深部古水的補給，局部地區(qū)由于采動影響導致出現了多補給源混合的現象。