宿縣礦區(qū)石炭系太灰地下水化學(xué)特征及水巖相互作用

張 苗,陳陸望,姚多喜,張 杰

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

煤炭是我國能源工業(yè)的重要資源,而華北煤田占全國煤炭產(chǎn)量的60%以上[1]。目前,淺部煤炭資源逐漸開采殆盡,深部煤層正成為華北地區(qū)煤炭開采的新目標(biāo)。由于深部煤層的開采會導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)破壞和地下水循環(huán)狀態(tài)改變,進(jìn)一步導(dǎo)致深部地下水化學(xué)異常,采煤與地下水資源管理因此發(fā)生沖突[2-4],礦區(qū)的水質(zhì)和水環(huán)境問題越來越受到人們的重視。

華北地區(qū)太原組灰?guī)r(簡稱“太灰”)含水層因富水性強和裂隙發(fā)育成為礦區(qū)的主要突水含水層之一[5],嚴(yán)重威脅煤礦開采。一方面,高壓巖溶水影響煤礦開采的安全和效率;另一方面,煤礦開采破壞地下水系統(tǒng),影響地下水的水質(zhì)和儲量,并造成深部地下水化學(xué)異常。因此,了解太灰地下水的水文地球化學(xué)形成對采煤安全和水資源管理具有重要意義。已有相關(guān)研究大多利用水化學(xué)方法預(yù)防巖溶水害,如文獻(xiàn)[6]研究采煤對水循環(huán)的影響,給出保水采煤的建議;文獻(xiàn)[7]通過距離判別法預(yù)測相似礦區(qū)的突水;文獻(xiàn)[8]采用主成分分析和馬爾可夫鏈蒙特卡洛的貝葉斯方法判別水源以指導(dǎo)礦山水害。上述研究多從采煤對地下水的影響來分析突水問題或進(jìn)行簡單的水化學(xué)判別,忽略了含水層自身的水文地球化學(xué)形成作用。由于地下水的化學(xué)特征主要受降雨、流域、含水層結(jié)構(gòu)和礦物成分等的影響,在一定程度上,水化學(xué)成分記錄了地下水補給源、遷移和循環(huán)的信息[9],而水巖相互作用對地下水化學(xué)成分存在重要影響。

本文從地下水化學(xué)成分形成的角度分析安徽淮北煤田宿縣礦區(qū)石炭系太灰地下水,綜合運用Piper三線圖、Gibbs圖、相關(guān)性分析、主成分分析、離子組合比及飽和指數(shù)對宿縣礦區(qū)東、中、西部地區(qū)石炭系太灰地下水進(jìn)行水文地球化學(xué)類型分析,并對水巖相互作用進(jìn)行深入探討,旨在揭示礦區(qū)石炭系太灰地下水的水文地球化學(xué)形成作用及控制因素,充分了解地下水的水化學(xué)環(huán)境。研究成果可為地下水資源保護(hù)和開采管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 構(gòu)造特征與主要含水層

宿縣礦區(qū)位于華北古大陸板塊東南端,東以東三鋪斷層和固鎮(zhèn)—長豐斷層為界,南以板橋—固鎮(zhèn)斷層為界,西以南坪斷層為界,北以宿北斷層為界。研究區(qū)基巖地質(zhì)簡圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)基巖地質(zhì)簡圖

已有研究資料表明宿縣礦區(qū)周圍的斷裂構(gòu)造控制了該區(qū)地下水的水循環(huán)條件,使其基本上形成了一個封閉、半封閉水文地質(zhì)單元[10]。

研究區(qū)主要含煤地層為二疊系的山西組、下石盒子組和上石盒子組,含煤地層平均總厚864 m[11]。東部地區(qū)有朱仙莊礦和蘆嶺礦,中部地區(qū)有桃園礦、祁南礦、祁東礦和龍王廟礦,西部地區(qū)有騎路孫礦、錢營孜礦、雙堆礦和鄒莊礦。東部地區(qū)開采最早,中部地區(qū)次之,西部地區(qū)最晚。區(qū)內(nèi)采煤主要影響的含水層有4個,按照巖性、含水層介質(zhì)和埋藏條件自上而下分為松散層孔隙第4含水層、二疊系煤系砂巖裂隙含水層、石炭系太灰?guī)r溶裂隙含水層和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。松散層孔隙第4含水層一般覆蓋在基巖含水層之上,與二疊系煤系砂巖裂隙含水層和巖溶水之間有一定聯(lián)系;二疊系煤系砂巖裂隙地下水以靜儲量為主,接受松散層孔隙第4含水層的垂向補給,富水性不足;石炭系太灰地下水主要賦存于碳酸鹽巖溶溶隙內(nèi);奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層位于石炭系太灰?guī)r溶裂隙含水層之下并與其類似,含水層厚度較大,富水性較強。區(qū)內(nèi)太灰含水層巖溶裂隙發(fā)育、富水性強,是影響采煤安全的主要灰?guī)r含水層。因此,選取石炭系太灰地下水為研究對象。

1.2 巖性特征

宿縣礦區(qū)內(nèi)石炭系缺失下石炭統(tǒng)地層,僅包括石炭系中、上統(tǒng),發(fā)育不夠完整,地層厚度在130～230 m之間。中石炭統(tǒng)本溪組以鋁質(zhì)泥巖為主,夾0.l m淺灰色隱晶質(zhì)石灰?guī)r。上石炭統(tǒng)主要為太原組,與本溪組平行不整合,主要巖性為灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、泥巖夾薄煤層,但煤層不穩(wěn)定且厚度不大(小于5 m),一般不易開采。鉆孔資料顯示,研究區(qū)太灰中碳酸鹽礦物以方解石和白云石為主,含薄層泥頁巖與煤,黃鐵礦含量較高[12-14]。該區(qū)石炭系太灰地下水具有的潛在反應(yīng)物包括碳酸鹽礦物(方解石、白云石)、硫酸鹽礦物(石膏)、黃鐵礦和黏土礦物等。石炭系太灰地下水主要賦存于石灰?guī)r巖溶裂隙內(nèi)[15],富水性大小受巖溶發(fā)育程度控制。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

(1)

其中:E為相對誤差, 該值應(yīng)在±5%以內(nèi);下標(biāo)c、a分別表示陽離子、陰離子;γc、γa為cc、ca與離子自身化合價的乘積,c為離子濃度。經(jīng)計算,47組水樣的離子平衡誤差均在±5%以內(nèi)。

采用AquaChem軟件繪制Piper三線圖分析石炭系太灰地下水的水化學(xué)類型;采用SPSS19.0軟件對水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行離子相關(guān)性分析和主成分分析,分析主要離子來源;采用水化學(xué)模擬軟件PHREEQC計算地下水水樣中方解石、白云石和石膏的飽和指數(shù)(saturation index,SI);采用Origin軟件繪制Gibbs圖和離子比例系數(shù)散點圖。

3 結(jié)果和討論

3.1 石炭系太灰地下水化學(xué)特征

研究區(qū)石炭系太灰地下水化學(xué)特征分析結(jié)果見表1所列。

表1 研究區(qū)石炭系太灰地下水化學(xué)特征分析結(jié)果

圖2 研究區(qū)主要離子及TDS質(zhì)量濃度均值柱狀圖

(2) 水文地球化學(xué)類型及成因。Piper三線圖常被用來確定地下水的水文地球化學(xué)類型[17]。采用Piper三線圖對東、中、西部3個地區(qū)的47組水樣進(jìn)行分類,如圖3所示。從圖3可以看出,研究區(qū)石炭系太灰地下水主要被劃分為5種水化學(xué)類型。

圖3 研究區(qū)石炭系太灰地下水Piper三線圖

東部地區(qū)主要為HCO3-Ca·Mg型和HCO3·Na型;中部地區(qū)主要為SO4-Na·Ca·Mg型和SO4·Cl-Na型;西部地區(qū)主要為HCO3-Na型和HCO3·Cl-Na型。

由此可見,研究區(qū)石炭系太灰地下水化學(xué)類型具有明顯的空間差異性。

Gibbs圖多用于確定地表水演化機制,近年來,Gibbs圖也被用來分析水化學(xué)組分的成因機制[18],以確定蒸發(fā)、水巖相互作用和降水對水化學(xué)成分的影響。研究區(qū)石炭系太灰地下水Gibbs如圖4所示。

圖4 研究區(qū)石炭系太灰地下水Gibbs圖

3.2 離子來源分析

3.2.1 相關(guān)性分析

不同離子之間并非獨立,利用相關(guān)性分析可以確定地下水中主要離子之間的聯(lián)系。3個地區(qū)水樣水化學(xué)組分的Pearson相關(guān)性系數(shù)矩陣見表2所列。

表2 Person相關(guān)性系數(shù)矩陣

由表2可知:東部地區(qū)Na+與Ca2+、Mg2+的相關(guān)系數(shù)分別為-0.938、-0.935,可能存在Na+與Ca2+、Mg2+的陽離子交替吸附作用;Ca2+與Mg2+相關(guān)系數(shù)為0.981,可能存在白云石溶解。中部地區(qū)Ca2+、Mg2+與Na+的相關(guān)系數(shù)分別為-0.913、-0.884,可能存在Na+與Ca2+、Mg2+的陽離子交替吸附作用;SO42-與Ca2+、Mg2+的相關(guān)系數(shù)分別為0.772、0.808,可能存在石膏溶解。西部地區(qū)各組分間相關(guān)性均較低,可能同時存在溶濾溶解作用和陽離子交替吸附作用。

3.2.2 主成分分析

水樣數(shù)據(jù)包含多個數(shù)據(jù)集,對其進(jìn)行主成分分析,可通過降維將多個變量轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個相互獨立的指標(biāo),以綜合反映水化學(xué)信息[19-20]。利用SPSS19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果見表3所列,主成分荷載分析結(jié)果如圖5所示,選取特征值大于1的前2個主成分(principal components,PC) PC1、PC1。由表3可知,前2個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到92.9%,包含原始水樣數(shù)據(jù)的絕大部分信息。

表3 水樣數(shù)據(jù)主成分分析結(jié)果

圖5 主成分荷載分析結(jié)果

由表3、圖5可知,PC1解釋了總方差52.1%的信息,以Ca2+、Mg2+和SO42-占較高的正荷載,研究區(qū)存在大量碳酸鹽礦物、石膏和黃鐵礦,其溶解會導(dǎo)致Ca2+、Mg2+、SO42-含量升高; PC2解釋了總方差40.8%的信息,以Na+、Cl-和HCO3-占較高的正荷載,Na+和HCO3-高是由于地下水流經(jīng)巖石時,巖石表面Na+與水中Ca2+發(fā)生交換,Cl-高是由于其與Na+伴生于地下水中。因此,PC1可以表示溶濾溶解作用,PC2可以表示陽離子交替吸附作用。

3個地區(qū)水樣主成分荷載得分如圖6所示。東部地區(qū)PC1和PC2荷載得分均較低,這是由于東部地區(qū)受東三鋪斷層和固鎮(zhèn)—長豐斷層影響,水與巖石作用時間較短,導(dǎo)致溶濾溶解作用和陽離子交替吸附作用微弱。

圖6 3個地區(qū)水樣主成分荷載分析結(jié)果

中部地區(qū)PC1荷載得分高,這是由于中部地區(qū)位于宿南向斜附近,巖溶發(fā)育且水動力較強,碳酸鹽和石膏溶解強烈,且中部地區(qū)開采時間較長,采礦使含水層開放而導(dǎo)致黃鐵礦氧化;中部地區(qū)的PC2得分低,這是由于含水層開放使得陽離子交替吸附作用較弱。

西部地區(qū)PC1得分低,這是由于西部地區(qū)采煤時間較晚,受到南坪斷層和宿南背斜影響,含水

層相對封閉,封閉含水層中氧氣不足使黃鐵礦氧化減少;西部地區(qū)PC2得分高,這是由于水與巖石作用時間較長,導(dǎo)致含水層中陽離子交替吸附作用增強。主成分分析結(jié)果表明，研究區(qū)石炭系太灰地下水化學(xué)成分形成存在較大的空間差異性。

以上研究表明，研究區(qū)石炭系太灰地下水化學(xué)成分主要受水巖相互作用控制,包括溶濾溶解作用和陽離子交替吸附作用。其中,Na+主要源自陽離子交替吸附作用,Cl-常與Na+伴生于地下水中,Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-主要源自碳酸鹽、石膏和黃鐵礦氧化的溶濾溶解作用。

3.3 水巖相互作用

文獻(xiàn)[21]研究表明,淮北煤田斷層一般富水性較弱、導(dǎo)水性差,且大多填充較好,宿縣礦區(qū)的宿北斷層、南坪斷層和固鎮(zhèn)—長豐斷層均具有良好的隔水性,致使礦區(qū)內(nèi)部形成一個較為封閉的水文地質(zhì)單元。研究區(qū)礦井生產(chǎn)期間對部分?jǐn)鄬舆M(jìn)行抽水試驗的結(jié)果見表4所列。

表4 宿縣礦區(qū)部分?jǐn)鄬映樗囼灲Y(jié)果

從表4可以看出,礦區(qū)內(nèi)部主要斷層的富水性弱,導(dǎo)水性較差。本文所有水樣直接來自深部地下灰?guī)r抽水孔,該區(qū)灰?guī)r水壓高,也很難接受其他含水層補給[22],因此,斷層和陷落柱導(dǎo)致不同含水層間的混合作用影響較小。

3.3.1 溶濾溶解作用

本文根據(jù)Kumar的方法,通過采用離子比例系數(shù)揭示含水層的水化學(xué)形成機制,分析水化學(xué)成因[23-24]。碳酸鹽礦物溶解表達(dá)式為:

(2)

(3)

(4)

從圖7b可以看出,東部地區(qū)水樣聚集在6∶1線附近,中部地區(qū)水樣主要集中在6∶1線以下,西部地區(qū)主要集中在6∶1線以上。分析其原因,東部地區(qū)地下水方解石和白云石同時溶解((4)式),中部和西部地區(qū)存在Mg2+與Na+的陽離子交替吸附作用導(dǎo)致Mg2+不足,由于方解石比白云石先溶解,結(jié)合圖7a可知Ca2+為參與陽離子交替吸附作用的主要陽離子。

Ca2+與SO42-的濃度比可指示地下水中石膏溶解,如果Ca2+僅源于石膏溶解,那么c(Ca2+)/c(SO42-)為1∶1。從圖7d可以看出,東部地區(qū)水樣主要集中于1∶1線下,西部地區(qū)主要集中于1∶1線附近,中部地區(qū)集中在1∶1線以上,可知東部地區(qū)石膏溶解不是Ca2+唯一的來源,Ca2+還有其他來源,如方解石和白云石溶解;西部地區(qū)Ca2+與SO42-主要來自石膏溶解;結(jié)合主成分分析可知,中部地區(qū)位于宿南向斜附近,開采時間較長,采礦活動使含水層開放而導(dǎo)致黃鐵礦氧化,導(dǎo)致SO42-過多。

圖7 研究區(qū)地下水離子關(guān)系

石膏溶解、黃鐵礦氧化表達(dá)式分別為:

CaSO4·2H2O(石膏)→
Ca2++SO42-+2H2O

(5)

FeS2(黃鐵礦)+15/4O2+7/2H2O→
Fe(OH)3↓+2SO42-+4H+

(6)

SI可以指示巖石礦物是否具有溶解于地下水的能力[26],可用于定量驗證上述離子比例系數(shù)法對礦物溶濾溶解作用的分析結(jié)果,其判斷依據(jù)為:若SI大于0,則礦物在水中呈過飽和狀態(tài);若SI為0,則礦物在水中呈平衡狀態(tài);若SI小于0,則礦物在水中呈不飽和狀態(tài)。研究區(qū)石炭系太灰地下水樣中石膏的SI均小于0,可知其在地下水中有進(jìn)一步溶解的趨勢;中部和西部地區(qū)方解石和白云石的SI大于0,可知其在地下水中有沉淀趨勢;東部地區(qū)方解石和白云石的SI絕大多數(shù)小于0,可知其在地下水中有進(jìn)一步溶解趨勢。

3.3.2 陽離子交替吸附作用

研究區(qū)地層含有黏土礦物,該礦物具有良好的吸附特性,其表面的負(fù)離子可以吸附水中的陽離子。陽離子交替吸附作用表達(dá)式為：

Ca2+(水)+2Na+(巖石)→
2Na+(水)+Ca2+(巖石)

(7)

圖8 γ(Na+-Cl-)與γ(Ca2++Mg2+)-γ(HCO3-+SO42-)關(guān)系

4 結(jié) 論

(2) 離子相關(guān)性分析和主成分分析表明,研究區(qū)太灰含水層受水巖相互作用影響,包括溶濾溶解作用和陽離子交替吸附作用。由于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響,石炭系太灰地下水化學(xué)成分形成作用存在較大的空間差異性:東部地區(qū)受東三鋪斷層和固鎮(zhèn)—長豐斷層影響,溶濾溶解作用和陽離子交替吸附作用均較微弱;中部地區(qū)受宿南向斜和長期采煤的影響,溶濾溶解作用增強,陽離子交替吸附作用較強;西部地區(qū)受南坪斷層和宿南背斜的影響,含水層封閉,溶濾溶解作用減弱,陽離子交替吸附作用強烈。