鸳鸯湖矿区地下水化学特征与成因分析.pdf

161移动扫码阅读Mining AreaJ.Safety in Coal Mines,54(8):161-167.202.3.ZONGWeiqin,ZHAOBaofeng.Groundwater chemicalcharacteristicsandformingreasonsof Yuanyanghu宗伟琴，赵鸯湖矿区地下水化学特征与54(8):161-167.SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月煤砺发全No.8Vol.54第8 期第54卷D0I:10.13347/ki.mkaq.2023.08.022鸳鸯湖矿区地下水化学特征与成因分析宗伟琴1，赵宝峰2，3（1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏银川7 50 0 1 1；2.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安7 1 0 0 54；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安7 1 0 1 7 7）摘要：为了查明鸳鸯湖矿区地下水化学特征与成因，给矿区内矿井水害防治工作提供依据，对矿区内第四系、白垩系、直罗组、2 6 煤间、6 1 8 煤间、1 8 煤以下含水层的水文地球化学进行分析。结果表明：地下水阳离子以K+Na+为主，阴离子以SO2-和CI-为主，并且这4种离子也是TDS的主要来源；第四系含水层地下水主要受到岩石矿物的风化溶滤作用的控制，其他含水层地下水均受到不同程度蒸发浓缩的作用；由地下水氯碱指数可知各含水层均存在不同程度的阳离子吸附作用，由深部1 8 煤以下含水层至浅部第四系含水层氯碱指数逐渐减小，阳离子吸附作用不断加强，Ca2+和Mg2+含量不断下降，各含水层地下水均受到不同程度脱硫酸作用的影响；通过离子比值分析，各含水层地下水水化学成分主要来自岩盐的溶解，其中Ca2+和Mg2+来自硅酸盐和蒸发岩的溶解；从同位素分析可以发现第四系水的补给来源主要为大气降水，蒸发导致直罗组和26煤间延安组地下水中富集重同位素，各含水层之间存在不同程度的相互转化，并且接受其他水源的补给。关键词：水化学；相关性分析；阳离子交替吸附；脱硫酸作用；离子来源；同位素中图分类号：TD741文献标志码：B文章编号：1 0 0 3-49 6 X(2023)08-0161-07Groundwater chemical characteristics and forming reasons of Yuanyanghu Mining AreaZONC Weiqin,ZHAO Baofeng23(1.CHN Energy Group Ningxia Coal Industry Co.,Ltd.,Yinchuan 750011,China;2.China Coal Technology and EngineeringGroup Xi an Research Institute(Croup)Co.,Ltd.,Xian 710054,China;3.Shaanxi Key Laboratory of Preventing andControlling Coal Mine Water Hazard,Xian 710077,China)Abstract:In order to find out the chemical characteristics and causes of groundwater in Yuanyanghu Mining Area,and to providebasis for the prevention and control of water disaster in the mining area,the aquifer hydro-chemistry of Quaternary,Cretaceous,Zhiluo Formation,2#-6#coal seams,6-18#coal seams and below 18#coal seam in the mining area was analyzed.The resultsshow that K+Na*is the main cation,and SO?-and Cl-are the main anions,and these four ions are the main sources of TDS.Groundwater in Quaternary aquifer is mainly controlled by weathering and leaching of rocks and minerals,while groundwatersamples of other aquifers are basically affected by evaporation and concertration to varying degrees.According to the chlor-alkaliindex of groundwater,cationic adsorption exists in different degrees in all aquifers.The chlor-alkali index decreases gradually fromthe deep aquifer below 18 coal seam to the shallow Quaternary aquifer,and the alternating cation adsorption is strengthened,andthe contents of Ca?+and Mg?+decrease continuously.The groundwater of each aquifer is affected by desulphurization acid in收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 2责任编辑：庚馨杰基金项目：国家自然科学基金资助项目（41 8 0 7 2 2 1)；陕西省自然科学基础研究计划资助项目（2 0 1 8 JQ5150)；宁夏人才小高地资助项目（2 0 1 8 7 2 7-8）作者简介：宗伟琴（1 9 7 3一），女，江苏宜兴人，高级工程师，本科，从事矿井地质与防治水研究。E-mail：9 2 430 7 1 1 8 q q.c o m通讯作者：赵宝峰（1 9 8 1 一），男，河北涉县人，研究员，博士，从事矿井防治水研究。E-mail：s u n ma n 1 2 2 0 1 6 3.c o m162Safetyin Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤码发全第54卷第8 期different degrees.According to ion ratio analysis,the hydrochemical compostion of each aquifer mainly comes from the dissolutionof rock salt,among which Ca?and Mg*come from the dissolution of silicate and evaporite.From isotope analysis,it can be foundthat Quaternary groundwater is mainly supplied by precititation,and evaporation leads to enrichment of heavy isotopes ingroundwater of Zhiluo Fromation and Yanan Fromation between 2-6 coal seams,and there are dfferent degrees of mutualtransformation among aquifers,and they are supplied by other aquifers.Key words:hydro-geochemistry;correlation analysis;alternating cation adsorption;desulphurization acid;ion source;isotope地下水化学特征的形成与其周边环境有着紧密的联系，在循环过程中不断地与环境进行着物质和能量的交换，在一定程度上能够反映其所在含水层的水文地质条件。地下水化学分析已经在水资源评价、水质评价、环境保护等方面有着广泛的应用，常用的方法包括Piper图、Gibbs图 2 、离子比例系数 3、数理统计 4 和水文地球化学模拟等。陈陆望等 5采用PHREEQC软件对淮北煤田临矿区太灰含水层进行了反向水文地球化学模拟；陈凯等 6 利用相关性分析、因子分析和Unmix模型分析对矿井主要含水层主要离子进行了分析；方刚等7 采用水质全分析、同位素测试、有机物检测、腐蚀性评价等方法对巴拉素井田各类水体的水文地球化学特征进行了研究；刘基等8 运用统计方法、离子比例系数法和Piper三线图法，系统研究了榆林市矿区浅层含水层水质现状和水化学特征；蒙琪 9 运用数理统计、Gibbs图、离子比例关系和水文地球化学模拟等方法，分析了石羊河流域中下游浅层地下水的水文地球化学特征；马铭言等 1 0 运用地下水系统理论及水文地球化学分析方法对乌梁素海周边地下水水化学特征及成因进行了分析；葛婷婷等川通过数理统计方法、空间插值法等对新疆克里雅河流域平原区地下水“三氮”的空间分布特征及影响因素进行了研究；张荣等 2)运用描述性分析、聚类分析、因子分析对羊昌河流域岩溶地下水化学特征及影响因素进行了分析；艾里哈木艾克拉木等 1 3 运用数理统计、Piper图、Gibbs图等对伊犁河谷西北部地下水化学特征进行了研究。张妹等 1 4 采用数理统计、Piper图、相关性分析、离子关系图、Gibbs图等对顾北矿区地下水化学特征进行了分析；汪子涛等 1 5 采用离子组合法、Gibbs图、氯碱指数等对淮南煤田地下水化学空间分布进行了研究；杨婷婷等 1 6 采用多元统计、水化学分析以及地下水系统理论对岩溶含水系统的水文地球化学组分特征进行了探讨。由于地下水化学分析法在探查矿井水文地质条件、判定突水水源、评价充水因素等方面具有一定的优势，已经普遍应用于矿井防治水领域。鸳鸯湖矿区位于黄河流域上游宁东煤田，被列为第2 批煤炭国家规划矿区，同时也是宁东煤化工基地的主要供煤产地，矿区煤炭资源的安全高效开发对于国民经济发展和能源持续供给具有重要意义；鸳鸯湖矿区各矿充水含水层多、富水性差异较大、水文地质条件复杂，查清矿区各含水层的地下水化学特征与成因有助于进一步掌握矿区水文地质条件，同时为矿井防治水工作提供依据和参考。1研究区概况宁东煤田是我国批准建设的1 4个亿吨级大型煤炭生产基地之一，鸳鸯湖矿区位于宁东煤田中部，呈南北条带状展布，由北向南分别为清水营、梅花井、石槽村、红柳和麦垛山5个井田，规划总规模44Mt/a。根据钻孔资料，研究区地层由上向下分别为第四系、古近系、侏罗系、三叠系，其中侏罗系延安组为主要含煤地层，2 煤、6 煤、1 0 煤、1 2 煤和1 8 煤全区发育，全部或大部分可采。研究区位于鄂尔多斯盆地西缘冲断、推覆构造带中北部，北部以褶皱为主，向南逐渐断层发育,破坏了褶皱的完整性。研究区含水层可划分为孔隙潜水含水层和孔隙裂隙承压含水层，前者主要为第四系含水层，后者又可划分为古近系、侏罗系和三叠系含水层，其中侏罗系含水层根据主要可采煤层可进一步划分为直罗组、2 6 煤间、6 1 8 煤间和1 8 煤以下含水层。2研究区水文地球化学空间特征研究区水化学数据来自各矿煤炭勘探地质资料和水文地质补充勘探资料，所采取水样涵盖了各井田主采煤层的充水含水层；水样采集后根据CB/T14848一2 0 1 7 地下水质量标准中相关规定对样品进行检测，检测的主要项目包括K+、Na*、Ca 2、M g*、CI-、S O 2-、H CO;、CO-、T D S、p H;检测的地下水同位素有O18、H(氛,用D来表示）。2.1研究区含水层水化学特征根据前期获取的研究区主要含水层水化学数据，第四系、古近系、直罗组、2 6 煤间、6 1 8 煤间、1 8 煤以下含水层分别有2 8 组、1 组、2 0 组、1 3组、9 组、3组数据。研究区主要含水层水化学特征见表1。163Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月煤药发全No.8Vol.54第8 期第54卷表1研究区主要含水层水化学特征Tabel 1Hydrochemical characteristics of main aquifers in the research areaK+Nat/Ca2/MgCI-/SO.21CO1HCO;/TDS/含水层(mgL-)(mg:L-)(mgL-)(mg:L-)(mg L-)(mg L)(mgL-)(mg:L-)pH最小值124.365.964.828.2542.81091.46576.006.69第四系最大值3984.50435.14700.883989.396353.15177.01768.4316188.008.78平均值1 080.18121.25167.07969.951542.1423.37312.914.332.867.96最小值2627.38240.20405.093301.442.982.240239.689 8377.84古近系最大值2.627.38240.20405.093.301.442.982.240239.6898377.84平均值2.627.38240.20405.093301.442.982.240239.689 8377.84最小值118.1314.3319.5899.5231.20057.99611.007.24直罗组最大值4 816.001 163.63901.769.265.894.809.5567.701.673.2019 684.008.86平均值2.634.40413.03415.343 591.362.950.497.94272.7510393.387.83最小值600.0052.1135.8284.6611.41093.842.188.007.0626煤间最大值9.550.20739.31956.596.784.9116 386.004.940.857303.0822.068.008.44平均值3358.45382.01485.443 574.143 811.66320.73696.8011 967.137.78最小值375.0011.838.41187.585.70019.281410.007.23618煤间最大值4.100.00612.17641.804.960.764 657.453 445.933 924.6513 410.0012.00平均值2.739.25290.09284.082.799.312.684.81346.62557.549.712.878.00最小值942.1794.34128.11000177.583444.007.3418煤以下最大值4933.80566.18990.246 834.216 206.9118.11390.5219.960.007.88平均值2.306.52348.09476.053 169.132.997.9411.17308.199.622.677.62Piper三线图是分析水化学组分常用的方法,用来表示水中主要离子组成变化及不同水样化学组成类型特征。研究区各含水层地下水Piper图如图1。80%08-10+%0960%.Ca*+-Mg第四系%0t白垩系40%直罗组%07228煤间20%818煤间18煤以下OOH20%0%80%80%060%40%60%4%0940%160%40%0880%20%20%80%60%40%20%20%40%60%80%Ca2+CI图1研究区各含水层地下水Piper图Fig.1Piper diagrams of groundwater from each aquiferin research area由图1 可知：研究区阳离子以K+Nat为主，阴离子以SO2-和Cl-为主，第四系含水层水化学类型包括ClSO4HCO3-NaMg、Cl HCO3-Na、H CO 3Cl-Na等，从直罗组至1 8 煤以下含水层地下水化学类型由SO4Cl-Na逐渐过渡为ClSO4-Na。地下水TDS可以来描述离子特征，研究区地下水TDS与K+Nat、CI-和SO2-关系变化图如图2,研究区地下水TDS与各离子之间的相关系数矩阵见表2。25.000TDS+K+Nat20000 xCI-*SO.24一15.0001.Bu)/100005000013253749617385水样点图2研究区地下水TDS与K+Na+、CI-和SO.2-关系变化图Fig.2Variation diagram of groundwater TDS andK+Nat,Cl-,SO?-in the research area由图2 结合可知：TDS与Na*+K+、Ca 2+、M g 2+、Cl-、S O 2-均有显著的相关性，相关系数分别为0.945、0.8 8 1、0.8 9 7、0.8 9 1、0.7 8 9，各含水层水样中的阳离子主要是Na*+K+,阴离子主要是Cl-、S O 2-,K+164Safety inCoalMinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤砺发全第54卷第8 期表2 研究区地下水TDS与各离子之间的相关系数矩阵Table 2Correlation coefficient matrix among the groundwater TDS and ions in the research area项目Kt+NatCa2MgCISO.HCO;pHTDSK*+Nat1.000Ca20.7911.000Mg*0.8050.8331.000CI0.8240.8900.8731.000SO.0.8600.6660.7860.7601.000CO.0.2080.033-0.021-0.205-0.1941.000HCO;0.1990.039-0.010-0.199-0.1960.9421.000pH-0.264-0.388-0.326-0.249-0.3260.0010.025TDS0.9450.8810.8970.8910.7890.1720.161-0.3141.000Nat、S O 2-和 Cl-是TDS的主要来源，2.2地下水水化学形成作用2.2.1基于Gibbs图的离子分析RJGibbs提出影响地球上水化学成分的各种作用可以分为蒸发浓缩、岩石风化和大气降水3种类型，通过Gibbs图可以清晰地看出地下水化学的主要控制作用。研究区地下水Gibbs图如图3，横坐标为 CI-/(Cl-+HCO）,纵坐标为TDS含量的对数。105105104104蒸发浓缩蒸发浓缩(-T.Su)/SL103(-T.3u)/SAL103岩石风化岩石风化102102大气降水大气降水1010第四系古近系第四系古近系直罗组26煤间直罗组26煤间*68煤间18煤以下*68煤间18煤以下00.20.40.60.81.000.20.40.60.81.0CI-/(CI-+HCO,)Nat/(Nat+Ca2+)(a）阴离子(b）阳离子图3石研究区地下水Gibbs图Fig.3Gibbs diagrams of groundwater in the research area由图3可知：第四系含水层水样位于岩石风化区，说明主要受到岩石矿物的风化溶滤作用的控制，图3(b)中大部分第四系含水层水样位于曲线的外面，推断是由于Na*和Ca2+之间发生了离子交换作用，导致Na*含量的升高,其他含水层水样基本上均受到不同程度蒸发浓缩的作用。2.2.2阳离子交替吸附作用地下岩土颗粒表面通常带有负离子，可以吸附地下水中的阳离子，由于Ca2+、M g 2+离子吸附能力较大，可以置换岩土颗粒表面的Nat,使自身在地下水中的含量降低，这种作用成为阳离子交替吸附作用。为了定量分析阳离子交替吸附作用的方向与强度，绘制了研究区地下水氯碱指数图，其中CAI为横轴，CAI2为纵轴，计算公式为：CAl,=c(CI)-c(Na*+Kt)(1)c(CI-)CAl,=c(C)-c(Nak)(2)c(SO2-)+c(HCO;).165SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤矿发全第8 期第54卷式中：C为各离子当量浓度。若CAI和CAI均为负数，则阳离子交替吸附作用较高，Nat含量升高，Ca2+、M g?*含量降低；若CAI和CAI,均为正数，则阳离子交替吸附作用较差。研究区地下水氯碱指数图如图4。研究区地下水(Ca?+Ma+)-(SO2-+HCO;)与(K+Na+-Cl-)相关关系如图5。10-1一2-3第四系古近系直罗组2 6 煤间-4*68煤间18煤以下-1.0-0.500.51.0CAI,图4研究区地下水氯碱指数图Fig.4Chlor-alkali index chart of groundwater inthe research area/(00H+-OS)-(+8W+80)100第四系古近系直罗组2 6 煤间0*68煤间。1 8 煤以下(-T.-100.bau)-200-300-1000100200300K*+Nat-Cl-/(meq L-)图5研究区地下水（Ca2+Ma?+)-(SO.+HCO,)与(K+Na+-CI-)相关关系Fig.5The correlation between groundwater(Ca*+Ma2)-(SO,-+HCO,-)and(K*+Na-CI)in the research area由图4可知：研究区各含水层地下水均存在不同程度的阳离子吸附作用，由深部1 8 煤以下含水层至浅部第四系含水层氯碱指数逐渐减小，阳离子交替吸附作用不断加强，Ca?+和Mg2+含量不断下降。由图5可知：c（Na*+K+-Cl-)与c（Ca 2*+M g?+)-（S O 2-+H CO 3）】之间的关系可以表示为：y=0.9383x-1.1149（R=0.9333），且大部分水样c（Ca*+Mg+)-(SO2-+HCO;）小于0,进一步证明地下水与周围岩石之间发生了阳离子吸附作用。2.2.3脱硫酸作用脱硫酸作用指的是地下水中的SO.2-被还原，导致水中的SO.2-含量下降，同时HCO3含量升高的过程。脱硫酸系数c(SO2-)/c(Cl-)是衡量地下水脱硫酸作用强度的重要指标，研究区地下水脱硫酸系数图如图6,横轴为SO2-与Cl-的当量浓度比，纵轴为HCO的当量浓度35(-.bou)/(30X第四系25古近系直罗组2026煤间15*68煤间(-O0H)18煤以下10500.51.01.52.0c(SO,2-)/c(CI-)图6研究区地下水脱硫酸系数图Fig.6Desulphidation coefficient of groundwater inthe research area由图6 可知：研究区大部分水样c（S O 2-)c（Cl-）数值均较小，在0.5 1.0 之间，说明研究区各含水层地下水均受到不同程度脱硫酸作用的影响。2.2.4离子比值分析离子比值分析是用于揭示地下水化学的组成及离子来源的常用方法，岩盐溶解产生的Na+和Cl-物质量的比值为1,所以c（Na+)/c（Cl-)常被用来解释地下水中Na*的来源；当地下水中（Ca?+Mg?+）/c（S O 2-+H CO s-）=1 时，代表Ca2+和Mg+主要来源于碳酸盐和硫酸盐的溶解。研究区各含水层水样c(Na+)/c(Cl-)比值图如图7,研究区各含水层水样c（Ca+M g?+)/c(S O 2-+H CO)比值图如图8。300(i-1.bau)/(-I)200100第四系古近系直罗组26煤间*68煤间18煤以下0100200300400500c(Na)/(meq L-I)图7研究区各含水层水样c（Na t)/c（CI）比值图Fig.7 c(Nat)/c(CI)ratios of water samples from eachaquifer in the research area166:SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤码发全第8 期第54卷400(r-T.bow)/(-00H+-20s)第四系古近系直罗组2 6 煤间300*68煤间1 8 煤以下200100050100150c(Ca?*+Mg*)/(meq L-)图8 研究区各含水层水样c(Ca*+Mg*)/c(SO+HCO,)比值图Fig.8c(Ca2*+Mg2)/c(SO-+HCO,-)ratios of watersamples from each aquifer in the research area由图7 和图8 可知：大部分水样的c（Na+)/c(Cl-)大于1,说明研究区各含水层水化学成分主要来自于岩盐的溶解；大部分水样的c（Ca 2+M g 2+)/c（S O?-+H CO 3-）小于1,说明研究区各含水层Ca2+和Mg2+来自于硅酸盐和蒸发岩的溶解。2.2.5同位素分析研究区地下水同位素数据主要来自各矿水文地质补充勘探阶段的资料，旱季降水3组，雨季降水3组,地表水1 组,第四系水7 组,直罗组2 2 组,2 6煤间延安组5组，矿井排水2 组。研究区地表水和各含水层地下水的1 8 0 差异不大，在-4.8%o-12%之间，随着埋深增大，地下水中稳定同位素D的含量逐渐减小,第四系、直罗组、26煤间延安组水样的8 D分别为-59.6 9%o、-7 4.8 0%o和-8 2.1 0%。研究区大气降水、矿井排水、地下水8180-8D相关关系如图9。10F8D=7.218$180+5.505-30旱季降水0%/CS雨季降水地表水-70第四系水*直罗组水26煤间+矿井排水-110-15-10-505180/%0图9研究区大气降水、矿井排水、地下水0180-D相关关系Fig.9The O-D correlation of precipitation,minewater and groundwater in the research area由图9 可知：研究区大气降水和第四系水的同位素数据基本位于当地雨水线（8 D=7.2188180+5.505)附近，说明第四系水的补给来源主要为大气降水，并且在接受补给过程中不同程度受蒸发的影响。直罗组和2 6 煤间延安组水样均位于当地雨水线以下，说明蒸发导致水体中富集重同位素。研究区水样的1 8 0-8 D的线性关系不是很明显，说明各含水层之间存在不同程度的相互转化，并且接受其他水源的补给3结语1)鸳鸯湖矿区各含水层地下水阳离子以K+Na+为主，阴离子以SO2-和Cl-为主，通过相关性分析，这4种离子也是地下水TDS的主要来源。2)第四系含水层地下水主要受岩石矿物的风化溶滤作用控制，其他含水层地下水均受蒸发浓缩作用控制；各含水层地下水化学成分主要来自岩盐的溶解，并且均存在不同程度的阳离子吸附作用和脱硫酸作用。3)第四系含水层地下水补给来源主要为大气降水,基岩含水层接受第四系含水层的越流补给，并且各含水层之间存在不同程度的水力联系。参考文献(References):1武亚遵，潘春芳，林云，等.鹤壁矿区奥陶系灰岩地下水水文地球化学特征及反向模拟 J.水资源与水工程学报,2 0 1 8,2 9(4)：2 5-32.WU Yazun,PAN Chunfang,LIN Yun,et al.Hydrogeo-chemical characteristics and its reverse simulation of or-dovician limestone 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