基于環(huán)境穩(wěn)定同位素法分析煤礦開(kāi)采對(duì)巖溶水的影響量

張建友，張 鑫，高旭波，李成城

（1.山西水資源研究所有限公司，山西 太原 030001；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074）

山西作為國(guó)家新型綜合能源與制造業(yè)基地，1949年以來(lái)全省范圍內(nèi)對(duì)煤炭資源進(jìn)行了大規(guī)模、高強(qiáng)度開(kāi)采，造成巖溶大泉衰減，甚至干枯斷流。 我國(guó)目前存在煤礦開(kāi)采破壞巖溶泉域系統(tǒng)方面的研究空白，無(wú)法定量評(píng)估煤礦開(kāi)采對(duì)巖溶水的影響量，管理部門(mén)在缺乏依據(jù)的情況下，無(wú)法要求煤礦企業(yè)開(kāi)展巖溶泉域系統(tǒng)生態(tài)修復(fù)工作。 環(huán)境同位素法作為研究地下水系統(tǒng)水文地球化學(xué)過(guò)程的有效手段，不僅可以探究地下水的起源、形成、埋藏條件、水質(zhì)變化等，而且可以判定地下水的補(bǔ)給來(lái)源、補(bǔ)給強(qiáng)度、地下水與地表水之間的聯(lián)系［1-4］。 筆者以太原西山某煤礦為例，采用硫、鍶和氫氧同位素分析法，揭示影響地下水中這些同位素演化的主要水-巖相互作用和礦坑水對(duì)巖溶地下水的影響，定量評(píng)估煤礦開(kāi)采對(duì)巖溶水的影響量。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省太原市古交市、呂梁山東翼，屬中低山區(qū)，區(qū)內(nèi)地形切割強(qiáng)烈。 全區(qū)地勢(shì)西南高、東北低，最高處海拔為1 400 m，最低處海拔為970 m。 研究區(qū)屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為419.4 mm，降水年內(nèi)分布極不均勻，主要集中在7—9 月。 多年平均蒸發(fā)能力1 871.8 mm。 多年平均氣溫8.1 ℃，極端最高氣溫39.4 ℃，極端最低氣溫-25.5 ℃。

某煤礦位于古交市，1988 年原國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)批準(zhǔn)原煤生產(chǎn)能力為400 萬(wàn)t／a，煤礦于1997 年年底建成并開(kāi)始試生產(chǎn)，2002 年10 月正式投產(chǎn)。 2017 年經(jīng)山西省煤炭工業(yè)廳重新核定，原煤生產(chǎn)能力為450 萬(wàn)t／a，井田面積為73.3 km2，開(kāi)采標(biāo)高為540 ～950 m。1998—2017 年累計(jì)生產(chǎn)原煤6 070.6 萬(wàn)t，累計(jì)礦井排水量為3 154.4 萬(wàn)m3，煤富水系數(shù)為0.52 m3／t。 2017年原煤產(chǎn)量為306.7 萬(wàn)t，礦井排水量為214.1 萬(wàn)m3，其中礦坑排水量為124.0 萬(wàn)m3、裂隙水排水量為59.4萬(wàn)m3，井下水位觀測(cè)井漏失巖溶地下水量為30.7 萬(wàn)m3，煤富水系數(shù)為0.698 m3／t。

煤礦井田位于晉祠泉域古交市巖溶水徑流區(qū)，分布有背斜、向斜、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，位于西部的鮮則溝背斜和元家山向斜都為壓性結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)水性弱，水力聯(lián)系差；位于北部的風(fēng)坪嶺斷層巖溶透水性較差，地下水流動(dòng)緩慢；位于東部的古交斷層兩側(cè)水位相差20 m，巖溶水由北東向西南緩慢流動(dòng)。 按照成因、巖性和地下水賦存特征可把井田內(nèi)地下水劃分為松散巖類(lèi)孔隙含水層組、碎屑巖類(lèi)裂隙含水層組和碳酸鹽巖類(lèi)裂隙巖溶含水層組。 松散巖類(lèi)孔隙水分布于原平河河谷及其一級(jí)階地，巖性主要為沖、洪積作用堆積的砂礫石、中粗砂等，厚度20～30 m；碎屑巖類(lèi)裂隙水主要分布于西山山區(qū)及太原斷陷盆地，二疊系的砂、泥巖互層至上石炭統(tǒng)山西組地層含風(fēng)化裂隙潛水和層間裂隙承壓水；碳酸鹽巖類(lèi)裂隙巖溶水在整個(gè)研究區(qū)均有分布，含水層主要為中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r，其次為泥灰?guī)r夾石膏層。其中碳酸鹽巖類(lèi)裂隙巖溶地下水流場(chǎng)總體呈現(xiàn)向北突起的弧形，巖溶水位為925 ～950 m。 井田內(nèi)8 號(hào)煤層為現(xiàn)狀主采煤層，底板標(biāo)高為540～860 m，低于巖溶水位90～385 m，均為巖溶水帶壓開(kāi)采區(qū)。

2 樣品采集和測(cè)試

在對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，按照補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)順序采集地下水（含巖溶水、裂隙水和礦坑水）和地表水。 共采集10 組地下水樣品和1 組地表水樣品（S1），其中：在補(bǔ)給—徑流區(qū)（礦區(qū)上游）采集4 組巖溶水樣品（Y1、Y2、Y3、Y4），在礦區(qū)采集1 組礦坑水樣品（K1）和1 組裂隙水樣品（L1），在徑流—排泄區(qū)（礦區(qū)下游）采集4 組裂隙水樣品（L2、L3、L4、L5，即西山裂隙水），采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。 地下水樣品采集時(shí)，所有水樣均在現(xiàn)場(chǎng)用0.45 μm的濾膜過(guò)濾后裝入聚乙烯瓶。 濾膜提前在實(shí)驗(yàn)室用3%的稀硝酸浸泡24 h，再用去離子水多次沖洗，備用。水位、水量、水溫、pH 值、堿度、電導(dǎo)率、渾濁度、色、臭和味、肉眼可見(jiàn)物等指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)完成監(jiān)測(cè)。 野外樣品采集后在4 ℃條件下冷藏，在一周內(nèi)完成主要離子和同位素檢測(cè)工作。 主要陰離子采用離子色譜儀測(cè)定；水樣氫氧同位素（δD 和δ18O）采用水同位素分析儀測(cè)定，分析誤差為δD＜0.5‰，δ18O＜0.1‰；水樣硫同位素（δ34S）采用元素分析儀-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀（EAIRMS）測(cè)定；鍶同位素（87Sr／86Sr）采用多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（MC-ICP-MS）測(cè)定。

圖1 研究區(qū)范圍及采樣點(diǎn)分布

3 礦坑水穩(wěn)定同位素特征分析

3.1 氫氧同位素特征

蒸發(fā)過(guò)程中，輕的水分子H162 O 比包含有重同位素的分子（即H2H16O 或H182 O）更為活躍。 因此，從海面蒸發(fā)的水蒸氣比海水中的δ18O 少12‰～15‰、比δD少80‰～120‰。 受同位素分餾作用影響，大氣降水中δ18O、δD 含量由降水形成時(shí)的溫度控制。 通過(guò)對(duì)地下水中δ18O 和δD 的關(guān)系與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€進(jìn)行對(duì)比，可以分析得出地下水的補(bǔ)給來(lái)源［5-6］。

為了研究礦區(qū)裂隙水和礦坑水的穩(wěn)定同位素特征，對(duì)礦區(qū)水（礦坑水和裂隙水）和礦區(qū)上游巖溶水氫氧同位素進(jìn)行分析。 全球大氣降水線方程為δD ＝7.9δ18O＋8.2［7］，太 原 地 區(qū) 大 氣 降 水 線 方程 為δD ＝6.42δ18O-4.66［8］。 由圖2 可以看出，所采水樣基本落在太原地區(qū)大氣降水線附近或下方，說(shuō)明研究區(qū)含水層有統(tǒng)一的補(bǔ)給來(lái)源，都來(lái)自大氣降水補(bǔ)給，而δD 和δ18O 值不同說(shuō)明受蒸發(fā)作用影響不同。 同時(shí)可以看出，礦區(qū)裂隙水δD 和δ18O 值與部分巖溶水的值接近，說(shuō)明礦區(qū)裂隙水和巖溶水均受到較強(qiáng)的水巖作用或外源地表水的入滲補(bǔ)給。 礦坑水落在了太原地區(qū)大氣降水線附近，表明其補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水。

圖2 不同水體氘（δD）和氧（δ18O）同位素組成

3.2 硫同位素特征

圖3 不同水體SO24- 質(zhì)量濃度與δ34S 的關(guān)系

3.3 鍶同位素特征分析

Sr 同位素不會(huì)因物理、化學(xué)風(fēng)化和生物過(guò)程而發(fā)生分餾。 也就是說(shuō)，水體中溶解的Sr 同位素在地下水演化過(guò)程中，不會(huì)因衰變而發(fā)生變化，也不會(huì)因Sr 從水體中分離（礦物沉淀或離子交換）而發(fā)生87Sr 或86Sr的變化。 不同來(lái)源水體的化學(xué)及同位素特征不同，其演化主要受下列條件影響：水體在巖層中滯留和遷移時(shí)間（速度）、初始水成分、水流路徑的曲折程度、水體間的混合作用、所流經(jīng)區(qū)域礦物成分特征及其與水體反應(yīng)情況。 因此Sr 同位素常被用于示蹤地下水的水巖相互作用程度等。 硅酸鹽風(fēng)化來(lái)源的87Sr／86Sr值為0.714～0.715，碳酸鹽風(fēng)化來(lái)源的87Sr／86Sr 值為0.710 2～0.710 8。 同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，奧陶統(tǒng)純灰?guī)r的87Sr／86Sr 值為0.708 40～0.709 94，黃鐵礦的87Sr／86Sr值為0.714 00～0.721 20［1，12］。

為了研究礦區(qū)地下水與礦坑水的Sr 同位素特征，對(duì)部分水樣的Sr 同位素進(jìn)行分析，得到87Sr／86Sr 值與Sr 的關(guān)系見(jiàn)圖4。 從圖4 可以看出，礦區(qū)附近巖溶水Sr質(zhì)量濃度、87Sr／86Sr 值分別為0.2～1.1 mg／L、0.710 92～0.711 79。 西 山 裂 隙 水87Sr／86Sr 比 值 為0.713 15 ～0.715 32，明顯高于巖溶水的。 礦區(qū)礦坑水87Sr／86Sr 值與裂隙水的接近且高于礦區(qū)裂隙水的，同時(shí)接近黃鐵礦中的值，可能受裂隙水補(bǔ)給和黃鐵礦溶解影響。 礦區(qū)裂隙水的87Sr／86Sr值低于西山裂隙水的，接近巖溶水的，同時(shí)Sr 質(zhì)量濃度較大，初步判斷其受到巖溶水補(bǔ)給的同時(shí)，還受地表水等其他來(lái)源水補(bǔ)給。

圖4 礦區(qū)地下水87Sr／ 86Sr 與Sr 質(zhì)量濃度的關(guān)系

4 應(yīng)用鍶同位素分析巖溶水影響量

在分析計(jì)算巖溶水影響量時(shí)，利用質(zhì)量守恒定律和同位素守恒定律計(jì)算巖溶水在礦區(qū)裂隙水和礦坑水中的混合比例。 假定地下水中某一同位素組分的濃度、質(zhì)量分別為C、N，根據(jù)質(zhì)量守恒定律和同位素守恒定律可得

式中：P為巖溶水的混合流量；My為礦區(qū)上游巖溶水鍶同位素組成；Mh為黃鐵礦的鍶同位素組成；M為可能受到巖溶水影響的鍶同位素組成。

圖5 礦區(qū)地下水87Sr／ 86Sr 與δ34S 的關(guān)系

礦區(qū)礦坑水和裂隙水中巖溶水的混合比例計(jì)算結(jié)果為，礦坑水中巖溶水（含地表水）混合比例約為51%，裂隙水中巖溶水（含地表水）的混合比例約為60%。 礦坑排水量為124 萬(wàn)m3／a，裂隙水排水量為59.4 萬(wàn)m3／a，據(jù)此可以計(jì)算出礦坑水中巖溶地下水量為63.2 萬(wàn)m3／a，裂隙水中巖溶地下水量為35.6 萬(wàn)m3／a，加上井下觀測(cè)井漏失的巖溶地下水量30.7 萬(wàn)m3／a，巖溶地下水影響量為129.5 萬(wàn)m3／a。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)穩(wěn)定同位素法分析計(jì)算，太原市西山某煤礦礦坑水中巖溶水（含地表水）的比例為51%，裂隙水中巖溶水（含地表水）的比例為60%，計(jì)算煤礦開(kāi)采影響巖溶地下水量為129.5 萬(wàn)m3／a。 值得注意的是，利用Sr 同位素分析礦坑水與巖溶水的混合比例，可能受混合

比例中巖溶水包含地表水等其他因素影響。 為此，建議作為半定量的評(píng)估手段，分析研究煤礦開(kāi)采對(duì)巖溶地下水的影響量，為生態(tài)修復(fù)與巖溶泉域保護(hù)提供科技支撐。