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第 47 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.5 2019 年 10 月 COAL GEOLOGY hydrochemical characteristics; groundwater; ation of hydrochemical constituents 近年来，随着对矿区地下水环境的重视程度加 大，针对煤矿区的地下水水化学特征研究也越来越 广泛。孙林华等[1]采用因子、聚类等多种数理统计 法， 建立了皖北桃园矿两层灰岩含水层的判别方程。 郭钰颖等[2]通过峰峰矿区东部水化学特征研究和水 化学模拟，确定该区水岩作用中主要矿物相的转换 情况及其地球化学演化机制。陈陆望等[3]以宿县矿 区为示范，发现各突水含水层水化学特征分别受断 裂、采矿与褶皱等不同因素的控制。随着华北地区 煤炭开采进入深部阶段，长期人为活动与自然形成 的各种导水构造、岩溶陷落柱等相互结合，使原有 水化学场愈发复杂[4]。国内其他相关文献[5-7]，多针 对某一煤矿或矿区各含水层的水化学特征进行独立 研究，对范围较大的煤田，尤其在不同埋藏深度下 地下水水化学特征的差异研究相对较少。 为此，以淮南煤田为例，利用矿区内不同含水 ChaoXing 第 5 期 汪子涛等 淮南煤田地下水水化学空间分布及其形成作用 41 层的常规离子水化学数据，将离子组合比、Gibbs 图、氯碱指数等多种方法结合，阐述在不同厚度松 散层覆盖影响下，淮南煤田各突水含水层水化学特 征及其形成作用， 以期为不同深度煤矿区水害防治、 水资源利用等提供一定借鉴作用。 1 研究区概况 淮南煤田位于安徽省西北部， 属于华北赋煤区南 缘。 该区煤炭资源主要富集在二叠系地层。 中生代地 层的缺失， 使二叠系地层上覆新生界松散层， 下伏石 炭系太原组灰岩， 并与奥陶系灰岩相隔。 因此在煤炭 开采过程中，主要突水含水层有石炭–二叠系太原 组灰岩岩溶裂隙含水层简称“太灰含水层”、二叠系 煤系砂岩裂隙含水层简称“煤系含水层”和新生界松 散层孔隙含水层简称“新生界含水层”。 淮南煤田整体为复向斜构造，长期以来的地质 作用使新生界松散层厚度分布不均，呈现出由东南 向西北逐渐增厚的格局，南部新集等矿新生界松散 层厚度为 50150 m，部分区域甚至存在灰岩裸露的 情况；而西北部潘谢矿区丁集矿、顾北矿等区域松 散层厚度达到 500 m 以上。基于此，将淮南煤田分 为北区和南区 2 个部分，其中南区包括老矿区及新 集矿区，北区为潘谢矿区图 1。 2 离子含量特征 收集了淮南煤田北区谢桥、张集、丁集、潘三 等 10 个矿井与南区新集、李嘴孜、谢一等 6 个矿井 的 3 大突水含水层即新生界含水层、煤系含水层和 太灰含水层地下水水样中的常规离子 Cl–、HCO – 3、 SO 2– 4、K、Na、Ca2、Mg2由于 K含量很少且性 质与 Na相近，将其合并到 Na[8]、pH 值和总溶解 固体TDS数据， 采样点分布及研究区基岩地质情况 见图 1 所示。为保证水样数据的可靠性，本文采用 了阴阳离子的平衡校验ib[8]，即  100 0.5 yx ib xy      1 式中 ∑x、∑y 分别代表了阴、阳离子物质的量之和， mmol/L。 当 ib≤5时， 说明水样的水化学数据可靠。 表 1 为南北区 111 组采样点常规统计分析结果。 可以看出，研究区主要突水含水层总体均呈现出弱 碱性。北区 3 大含水层 pH 值自上而下分别为 8.51， 8.58，8.43，高于南区的 8.11，8.00，7.93，说明松 图 1 采样点分布及研究区基岩地质图 Fig.1 Geological map of bed rock and distribution of sampling points of water samples ChaoXing 42 煤田地质与勘探 第 47 卷 表 1 淮南煤田地下水水化学常规离子质量浓度统计数据表 单位mg/L Table 1 Statistical analysis of mass concentration of conventional hydrochemical ions of groundwater in Huainan coalfield 水样类别 KNa Ca2 Mg2 Cl– SO 2– 4 HCO – 3 TDS pH AVG 713.66 44.25 26.42 826.47 345.90 240.81 2 077.10 8.51 SD 180.36 17.79 14.01 281.74 159.24 89.61 496.83 0.26 新生界 CV 0.25 0.40 0.53 0.34 0.46 0.37 0.24 0.03 AVG 1 084.60 17.66 6.51 855.16 102.66 1 202.42 2 667.79 8.58 SD 431.73 18.55 6.75 220.69 147.02 1050.25 963.22 0.32 煤系水 CV 0.40 1.05 1.04 0.26 1.43 0.87 0.36 0.04 AVG 837.54 44.93 19.24 948.40 420.28 271.69 2 406.24 8.43 SD 81.92 11.36 9.31 94.40 133.03 106.77 150.44 0.25 北区 太灰水 CV 0.10 0.25 0.48 0.10 0.32 0.39 0.06 0.03 AVG 283.48 43.76 36.98 338.73 84.51 306.49 951.92 8.11 SD 215.48 24.83 18.40 325.09 73.40 69.75 606.42 0.28 新生界 CV 0.76 0.57 0.50 0.96 0.87 0.23 0.64 0.03 AVG 497.81 56.52 29.85 393.86 218.83 538.88 1 494.78 8.00 SD 246.07 95.36 46.38 381.20 357.8 387.73 685.78 0.53 煤系水 CV 0.49 1.69 1.55 0.97 1.64 0.72 0.46 0.07 AVG 440.86 46.58 22.41 423.83 121.46 337.44 1 282.98 7.93 SD 186.33 32.54 14.52 229.12 102.31 222.73 438.11 0.45 南区 太灰水 CV 0.42 0.70 0.65 0.54 0.84 0.66 0.34 0.06 注表中 AVG 为平均值，mg/L；SD 为标准差，mg/L；CV 为变异系数。 散层厚度越大，地下水碱性越强。总溶解固体即 TDS，反映了水中全部溶质的总量。淮南煤田 TDS 总体含量较高，且与松散层厚度呈正相关关系，最 高为北区煤系含水层，达到 2 667.79 mg/L，最低为 南区新生界含水层，为 951.92 mg/L。两区域 TDS 值由大到小均为煤系含水层太灰含水层新生界含 水层。较高的 TDS 值说明研究区地下水流动缓慢， 水体在同一区域内滞留时间较长，与围岩相互作用 充分[10]。离子浓度方面，阳离子中，两区域均为 NaCa2Mg2。阴离子中，北区新生界含水层与太 灰含水层中阴离子含量关系为 Cl–SO 2– 4HCO – 3，煤 系砂岩含水层中的阴离子含量为 HCO – 3Cl–SO 2– 4， 其余则为 Cl–HCO – 3SO 2– 4。由于变异系数 CV 是标 准差 SD 与平均值 AVG 的比，代表了研究区各水样 数据间的离散程度大小。变异系数越大，表明该含 水层中地下水在不同区域差异越显著；变异系数越 小，则说明地下水中各水样点特征越相似。阴离子 的变异系数均较高，也进一步验证该区地下水流动 缓慢，径流不强。总体来看，研究区两大区域及 3 大含水层离子含量均存在不同程度上的差异，说明 水化学成分形成作用较为复杂。 3 水化学空间分布规律 为探究淮南煤田水化学变化的区域特征，绘制 了研究区不同含水层水化学类型分布及TDS等值线 图，如图 2图 4 所示，左端堆积百分比柱状图为 该区离子毫克当量百分数。 3.1 新生界松散含水层 由图 2 可以看出，部分区域阳离子以 Mg2为次 主导型。在南区和北区东部，即松散层埋藏较浅区 域，阴离子呈现出 Cl–为主导，SO 2– 4为次主导，而埋 藏较深的西北部则以 HCO – 3为主导。 TDS 总体趋势为由南向北逐渐增大，由于新生 界含水层补给条件相对较好， 水流较为充分， 地下水 迁移速度较快，TDS 数值整体较低。随着松散层的 逐渐堆积， 新生界含水层处于还原环境之下， 发生了 较为明显的脱硫酸作用，SO 2– 4也不断消耗，使 HCO – 3含 量增大，形成了 HCO3-NaMg 的水化学类型。 3.2 煤系砂岩含水层 由图 3 可知，TDS 分布趋势仍为西北高、东南 低， 但在数值上明显较新生界含水层要高， 等值线分 布也更加密集， 表明研究区煤系含水层地下水运动更 加迟缓， 其水岩作用更加丰富。 地下水水化学类型由 南区向北区为 HCO3-Na 型→HCO3Cl-Na 型→Cl-Na 型。南北两区阴离子中 SO 2– 4的次主导型地位完全丧 失，大部分区域呈现出 HCO – 3的次主导趋势及 Cl–主 导趋势。 同时 Ca2、 Mg2含量在进入北区后不及 2， Na占比大大增加， 可能是阳离子交替吸附作用导致。 ChaoXing 第 5 期 汪子涛等 淮南煤田地下水水化学空间分布及其形成作用 43 3.3 太灰含水层 由图 4 可看出，TDS 与水化学类型皆呈现出明 显的分带关系。 水化学类型由东南至西北为 ClSO4-Na 型→HCO3Cl-Na 型→Cl-Na 型。由于研究区东南部 松散层厚度较薄，局部地区存在灰岩裸露，太灰含 水层受到大气降水及新生界含水层补给，因此南区 存在与新生界含水层较为相似的水化学类型；随着 地下水越往西北移动，由于灰岩埋藏深度大于煤 图 2 新生界含水层 TDS 等值线及水化学类型分布图 Fig.2 TDS isolines and distribution of hydrochemical type of Cenozoic aquifer 图 3 煤系含水层 TDS 等值线及水化学类型分布图 Fig.3 TDS isolines and distribution of hydrochemical types of aquifer of coal measures 图 4 太灰含水层 TDS 等值线及水化学类型分布图 Fig.4 TDS isolines and distribution of hydrochemical types of limestone aquifer of Taiyuan ation ChaoXing 44 煤田地质与勘探 第 47 卷 系含水层，愈发强烈的脱硫酸作用与 HCO – 3沉淀不 断进行，最终在西北巨厚松散层覆盖之下的太灰含 水层呈现出单一的 Cl-Na 型水化学类型。 4 地下水水化学成分形成作用 为进一步研究在淮南煤田地下水各项水化学作 用的程度变化，分别对各类水化学成分形成作用进 行分析。 4.1 浓缩结晶与大气降水 R. J. Gibbs[12]认为， 影响地球上水化学成分的各 种作用主要分为 3 种途径，即浓缩结晶、大气降水 和岩石风化–溶解。通过绘制 Gibbs 图，可以清晰了 解研究区水化学的主要控制机制，如图 5 所示，横 坐标代表 Cl–在 Cl–HCO – 3中所占比例，纵坐标为 TDS 含量的对数坐标。 图 5 中可以看出，由于松散层埋藏厚度不同， 南北区各区域含水层水样差异明显。北区 3 大含 水层采样点分布集中，表明在巨厚新生界松散层 的覆盖下，矿区难以接受外界水源补给，径流缓 慢，3 大含水层中地下水均受到水岩作用控制。南 区各水样点中，煤系含水层相对于新生界含水层 埋藏深度较大，因此补给较差，水岩作用更为明 显；而南区新生界松散层受到大气降水补给明显， 太灰含水层在南区有露头，并与新生界含水层直 接接触，得到新生界含水层甚至大气降水的直接 补给，故地下水径流速度较快，矿化度较低，浓 缩结晶作用不明显，其主导因素为大气降水和岩 石风化。 图 5 研究区 Gibbs 图 Fig.5 Gibbs diagram of study area 4.2 阳离子交替吸附作用 地下岩土颗粒表面常带有负离子，可吸附水中 阳离子，由于 Ca2、Mg2离子吸附能力较大，常置 换岩土颗粒表面的 Na，使自身在水体中的含量下 降。这种作用称为阳离子交替吸附作用。 为定量分析阳离子交替吸附作用的方向和强 度，绘制氯碱指数图，如图 6a 所示，CAI 1 为横轴， CAI 2 为纵轴，两者计算公式为 Cl Na K CAI1 Cl cc c     2 2 43 Cl Na K CAI 2 SOHCO cc cc      3 式中各离子均为当量浓度。若 CAI 1 和 CAI 2 均为负数，则阳离子交替吸附作用较高，Na含量升 高，Ca2、Mg2含量下降；反之，若 CAI 1 和 CAI 2 均为正数，则阳离子交替吸附作用较差[9]。 由图 6 可知，淮南煤田均存在程度不同的阳离 子吸附作用。由松散层较薄的南区至巨厚的北区， 在径流梯度下，氯碱指数逐渐减小，阳离子交替吸 附作用不断加强，Ca2、Mg2含量不断下降。 4.3 脱硫酸作用 脱硫酸作用是指地下水中的 SO 2– 4被还原，导致 水中的 SO 2– 4含量下降，同时 HCO – 3增多的过程，其 主要化学式为 2 4223 SO2C2H OH S2HCO   4 脱硫酸系数 cSO 2– 4/cCl–是衡量矿区地下水脱 硫酸作用强度的重要指标，如图 6b 所示，横轴为 SO 2– 4与 Cl–的当量浓度比，纵轴为 HCO – 3的毫克当量 浓度。从图 6b 可以看出，南北区 cSO 2– 4/cCl–数值 均较小，大部分采样点脱硫酸系数集中在 00.4 间， 说明淮南煤田各矿区地下水均受到不同程度脱硫酸 作用的影响，是导致 SO 2– 4含量较低的主要原因。 HCO – 3在图中未呈现完整的相关性， 表明脱硫酸作用 并不是 HCO – 3的唯一来源。北区部分煤系含水层脱 硫酸系数接近于 0，可能是由于存在含量过高的 Cl– 干扰所致，但其 HCO – 3含量较高，说明北区煤系含 水层在巨厚松散层覆盖下， 仍存在较强的脱硫酸作用。 4.4 溶滤作用 煤矿区地下水成分来源众多，除上述几种作用 外，水体与围岩之间的相互作用也不可忽略。尤其 是在经过长期人为扰动后，地下水平衡的状况被打 破， 使某些原本不接触或接触较少的水体与岩石间、 不同含水层间出现一定程度上的水力联系，溶滤作 用发生改变。对此，采用离子组合比法，对离子来 源及各含水层间水岩反应进行探究，见图 7。 ChaoXing 第 5 期 汪子涛等 淮南煤田地下水水化学空间分布及其形成作用 45 图 6 氯碱指数图与脱硫酸系数图 Fig.6 Chloro-Alkaline indices and desulfurization coefficient 图 7 地下水中主要离子相关性 Fig.7 Correlation of major ions in the groundwater 氯离子的溶解度很大，且不易受到外界影响， 使氯离子成为研究区地下水中最为稳定的离子，因 此，以氯离子的含量为切入点，探究与之相关的其 他阳离子来源。图 7a 横轴可以看出，研究区 TDS ChaoXing 46 煤田地质与勘探 第 47 卷 数值北区集中在 2 0003 000 mg/L， 南区集中在 1 000 2 000 mg/L。对比纵轴可以发现 cNa/cCl–1，说明 Na均高于 Cl–，由此可以推算出 Na的来源除岩盐 溶解作用外，存在其他含钠矿物的溶解。由图 7b 与 图 7d 可以看出， [cCa2cMg2]/[cSO 2– 4cHCO – 3] 均小于 1，而北区[cCa2cMg2]/cHCO – 31，南 区[cCa2cMg2]/cHCO – 3Ca2 Mg2。 阴离子中，北区新生界与太灰含水层中阴离子含量 关系为 Cl–SO 2– 4HCO – 3，南北两区煤系含水层为 HCO – 3Cl–SO 2– 4，其余则为 Cl–HCO – 3SO 2– 4。 b. 水化学类型由南向北呈现梯度变化，其中新 生界含水层为 ClSO4-Na 型→HCO3-NaMg 型； 煤系 含水层为 HCO3-Na 型→HCO3Cl-Na 型→Cl-Na 型； 太灰含水层为 ClSO4-Na 型→HCO3Cl-Na 型→Cl- Na 型。 c. 地下水成分主要受到了浓缩结晶、溶滤作 用、脱硫酸作用和阳离子交替吸附作用的影响。随 着松散层厚度增大， 地下水中各类水化学作用增强， Ca2、Mg2在阳离子交替吸附作用下大量从水中脱 离，Na不断增加。脱硫酸作用消耗水体中的 SO 2– 4， HCO – 3含量增多，同时，浓缩结晶作用的增强导致 HCO – 3随着钙镁重碳酸盐析出并沉淀，并进一步致使 Ca2、Mg2流失，最终在巨厚松散层覆盖下的西北区 域形成了以 Cl-Na 型为主体的高矿化度水体。 参考文献 [1] 孙林华， 桂和荣. 皖北桃源矿深部含水层地下水地球化学数理 统计分析[J]. 煤炭学报，2013，38增刊 2442–447. 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