寧正礦區(qū)深埋含水層地下水水化學(xué)特征研究

崔俊峰， 李 媛， 王大龍， 鄭潔銘， 汪義龍， 馬永忠， 殷裁云

(1.慶陽新莊煤業(yè)有限公司新莊煤礦,甘肅慶陽 745000；2.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039； 3.華能煤炭技術(shù)研究有限公司，北京 100071)

隨著我國煤炭生產(chǎn)重點(diǎn)逐步西移，鄂爾多斯盆地侏羅系煤炭資源開發(fā)已成為我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。由于該區(qū)域煤層開采條件較好，通常采用大規(guī)模機(jī)械化采煤，大尺度工作面機(jī)械化開采后對頂板覆巖擾動(dòng)強(qiáng)度大，工作面回采產(chǎn)生的導(dǎo)水通道很容易溝通上覆含水層，造成工作面頂板水害事故[1]。通過水文地球化學(xué)特征研究，可以判斷地下水系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜的地下水補(bǔ)給、徑流、排泄關(guān)系，也可以分析各含水層之間的水力聯(lián)系，確定區(qū)域地下水演化規(guī)律及其控制因素[2-5]。因此，水文地球化學(xué)特征研究對保護(hù)地下水資源和控制開采過程中的水害至關(guān)重要[6-9]。

寧正礦區(qū)是我國鄂爾多斯盆地南部典型的侏羅系煤田，主采煤層8煤埋深均超過800m。煤礦開采主要受煤層頂板含水層的影響，主要包括侏羅系延安組、直羅組含水層和白堊系洛河組含水層。寧正礦區(qū)水資源短缺，地下水是該地區(qū)需要保護(hù)的重要飲用水資源，煤炭大規(guī)模開采對深埋含水層地下水的水質(zhì)演變有一定的影響，水文地球化學(xué)研究將對后期礦井防治水及生態(tài)保護(hù)工作奠定基礎(chǔ)[10]。針對研究區(qū)地表水、第四系、白堊系和侏羅系不同深度水文孔的水樣進(jìn)行收集和水化學(xué)分析，通過分析地下水中主要離子成分和離子比值特征，研究該區(qū)域地下水水文地球化學(xué)過程，分析地下水水化學(xué)成因和主要影響因素，以期為后期防治水工作奠定基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

寧正礦區(qū)所在的陳東盆地屬鄂爾多斯盆地南部，為相對獨(dú)立的向斜盆地(也稱慶陽盆地)，為中生代內(nèi)陸坳陷性盆地，屬穩(wěn)定地塊——華北板塊的組成部分，以深大斷裂為界與秦嶺褶皺系相鄰。

寧正礦區(qū)目前正在建設(shè)和生產(chǎn)的礦井有華能煤業(yè)集團(tuán)的新莊和核桃峪礦井。研究區(qū)屬于半濕潤-半干旱季風(fēng)氣候，多年平均降水量約為560mm/a，平均蒸發(fā)量約為1 460mm/a。區(qū)內(nèi)主要地層為第四系、下白堊統(tǒng)志丹群、中侏羅統(tǒng)安定組、直羅組、延安組以及上三疊統(tǒng)延長組。礦井直接充水水源包括白堊系洛河組、侏羅系直羅組及延安組地下水。其中，洛河組含水層平均厚度超過400m，開采煤層與洛河組含水層間距較小，平均為110m，煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙帶將會(huì)導(dǎo)通洛河組含水層。

根據(jù)地下水的補(bǔ)給、徑流及排泄條件，寧正礦區(qū)地下水系統(tǒng)自上而下可劃分為三個(gè)大的系統(tǒng)，分別為黃土及河谷潛水系統(tǒng)(Q)、白堊系地下水系統(tǒng)(K)、侏羅系地下水系統(tǒng)(J)，其中白堊系及侏羅系為承壓含水層，白堊系又包含三個(gè)亞含水系統(tǒng)，為涇川組—羅漢洞組(K1jc—K1lh)、環(huán)河組(K1h)和洛河組(K1l)地下水系統(tǒng)(圖1)。

圖1 研究區(qū)含水巖組剖面示意Figure 1 Schematic diagram of the section of water-bearing rock formation in the study area

2 樣品采集與處理

3 結(jié)果分析

3.1 水文地球化學(xué)特征的聚類分析

針對53個(gè)水樣的系統(tǒng)聚類分析結(jié)果見圖2a。由圖2a可知，歐式距離小于25時(shí)，樣品可分為兩類，G1和G2。盡管G1和G2類樣品中均包含第四系和白堊系地下水樣品，但地表水(S)樣品均在G1類中，侏羅系地下水樣品大都在G2類中。選擇歐式距離小于5時(shí)，樣品可分為六類，C1至C6，其中C1和C2屬于G1大類，而C3至C6屬于G2。C1和C2類主要為地表水、第四系和白堊系含水層水；C3類主要為第四系、白堊系含水層水。以上結(jié)果表明，地表水、第四系和白堊系含水層水之間存在一定的水力聯(lián)系[11]。C4類主要為白堊系含水層水；C5和C6類均為侏羅系含水層水；該結(jié)果表明侏羅系含水層水與其上部各含水層水水力聯(lián)系程度較低。值得注意的是，C3和C4類的白堊系含水層水分別屬于新莊和核桃峪井田，表明兩個(gè)礦井的白堊系地下水有明顯差異。另外，白堊系含水層水比較分散，分別屬于三類，這是由于白堊系含水層厚度較大，勘探時(shí)期的抽水試驗(yàn)既有志丹群混合抽水，又有洛河組或環(huán)河華池組單獨(dú)抽水導(dǎo)致的。

圖2b為聚類分析結(jié)果的各類樣品的Stiff圖。圖2b表明，G1和G2類樣品的最大差異是離子濃度的差異，G1類樣品的離子濃度遠(yuǎn)小于G2類。G2類中，C5和C6類水樣中各離子濃度含量最高，其次為C3和C4。

a.樹狀圖 b.Stiff圖

3.2 水化學(xué)分布特征及演化規(guī)律

3.2.1 水化學(xué)特征隨地下水位埋深的分布規(guī)律

從地下水動(dòng)力學(xué)角度看，水巖相互作用的程度取決于地下水的滯留時(shí)間，與地下水年齡密切相關(guān)的水位埋深可作為水巖相互作用程度的指標(biāo)[14-15]。圖3顯示了除C6外各水化學(xué)指標(biāo)隨地下水位埋深的變化趨勢。

圖3 地下水化學(xué)成分隨深度變化Figure 3 Map of groundwater chemical composition variation with depth

式中，Φ(t)為沖擊波波陣面在拉格朗日坐標(biāo)系下的位置。結(jié)合初始條件v(0) = V0，式(8)可以給出：

此外，不同深度的地下水TDS變化有不同的趨勢。淺埋地下水TDS隨深度略減小，在中部隨深度幾乎保持不變，在深部則有明顯的隨深度增大趨勢，尤其是C5。該結(jié)果表明，深部含水層地下水，特別是C5代表的侏羅系含水層地下水的滯留時(shí)間是最長的，其水巖相互作用程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其上部的各含水層地下水。

3.2.2 地下水水化學(xué)組分控制作用

圖4 各含水層地下水Gibbs圖Figure 4 Gibbs diagram of groundwater in each aquifer

深部含水層地下水樣品位于蒸發(fā)濃縮區(qū)與其Na+和Cl-高有很大關(guān)系。但在地下水中，Cl-作為惰性元素極少參與地球化學(xué)反應(yīng)，因此Cl-的增加一般作為地下水滯留時(shí)間的指標(biāo)[20]。C3、C4、C5和C6中Cl-的平均濃度分別為713mg/L、1 213mg/L、1 940mg/L和2 490mg/L，遠(yuǎn)高于C1和C2的73.51mg/L和166mg/L。圖3中也顯示Cl-的濃度呈現(xiàn)隨深度增加的趨勢，推測是由于埋深越深，地下水滯留時(shí)間越長造成的。

綜上，寧正礦區(qū)淺埋地下水化學(xué)組分的主要控制作用是巖石風(fēng)化作用，而隨著深度增加，陽離子交換作用成為了主要的控制作用。

圖與(Na++K+-Cl-)關(guān)系versus (Na++K+-Cl-)

3.2.3 水化學(xué)特征演化的控制因素

圖6 (Ca2++Mg2+)與關(guān)系Figure 6 Diagram of (Ca2++Mg2+) versus

圖7 Ca2+、Mg2+與關(guān)系Figure 7 Diagram of calcium and magnesium ions versus bicarbonate ions

圖8為Na++K+與Cl-的散點(diǎn)圖。由圖8可以看出，地下水中Na++K+遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Cl-，說明地下水中的Na+和K+除了來源于巖鹽的溶解以外，普遍受到鉀長石、斜長石等硅酸鹽礦物溶解的影響。

圖8 Na++K+與Cl-關(guān)系Figure 8 Diagram of sodium and potassium ions versuschloride ions

離子交換作用是影響水文地球化學(xué)特征的一個(gè)重要過程，可以通過氯堿指數(shù)(CA)來進(jìn)行量化[22]。CAI-1定義為(Cl--(Na++K+))和Cl-的比值。CAI-1的值為負(fù)表明地下水中的Ca2+和Mg2+與含水層中的Na+發(fā)生離子交換；CAI-1的值為正則表明地下水中的Na+與含水層中的Ca2+和Mg2+發(fā)生離子交換。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，本研究區(qū)的所有地下水樣品中CAI-1的值均為負(fù)(圖9)，表明地下水中的部分Na+是從含水層中通過離子交換釋放出來的。

圖9 氯堿指數(shù)CAI-1值隨深度變化Figure 9 The value of CAI-I varies with depth

4 結(jié)論

1)系統(tǒng)聚類分析將53個(gè)水樣分為六類，C1和C2類主要為地表水、第四系和白堊系含水層水；C3類主要為第四系、白堊系含水層水；C4類主要為白堊系含水層水；C5和C6類均為侏羅系含水層水；以上結(jié)果表明，地表水、第四系和白堊系含水層水之間存在一定的水力聯(lián)系，而侏羅系含水層水與其上部各含水層水水力聯(lián)系程度較低。根據(jù)Stiff圖推測各類地下水的水動(dòng)力條件，表明C1類的水動(dòng)力條件優(yōu)于C2，C3的水動(dòng)力條件優(yōu)于C4和C5；即第四系和白堊系含水層水的循環(huán)條件要優(yōu)于侏羅系含水層水。

2)淺埋地下水TDS隨深度略減小，在中部隨深度幾乎保持不變，在深部則有明顯的隨深度增大趨勢，尤其是C5。結(jié)果表明，深部含水層地下水，特別是C5代表的侏羅系含水層地下水的滯留時(shí)間是最長的， 其水巖相互作用程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其上部的各含水層地下水。

3)Gibbs圖表明，寧正礦區(qū)淺埋地下水化學(xué)組分的主要控制作用是巖石風(fēng)化作用，而隨著深度增加，陽離子交換作用成為了主要的控制作用。

4)寧正礦區(qū)地層中碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽礦物均發(fā)生了溶解，共同影響著地下水化學(xué)組分的形成；深埋地下水中Ca2+的來源包括碳酸鹽巖和石膏的溶解；Na+除了來源于巖鹽的溶解以外，普遍受到鉀長石、斜長石等硅酸鹽礦物溶解的影響；另外地下水中的Na+與含水層中的Ca2+和Mg2+還發(fā)生了離子交換作用。