峰峰矿区东部地下水水文地球化学模拟_郭钰颖.pdf

第 44 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 44 No.6 2016 年 12 月COALGEOLOGY 2. Sinorex Resource water-rock interaction; PHREEQC; Fengfeng mining area 地下水中溶解组分存在形式多种多样，溶解组 分的存在形式不同，其水文地球化学和动力学性质 也有很大的差异[1]。传统的化学分析只能提供元素 的总含量，而地下水水文地球化学模拟有助于提供 组分存在形态的信息。而且，地下水水文地球化学 模拟可用于计算饱和指数，模拟溶解、吸附、阳离 子交换、氧化还原等水文地球化学过程，以及进行 逆向模拟[2-3]。郝春明等分析了峰峰矿区岩溶地下水 水化学特征，定性的研究了煤矿开采前后地下水对 矿物的溶解作用[4]。为了定量地研究地下水与岩石 之间的作用机理， 根据邯郸峰峰矿区的水化学数据， 运用 PHREEQC 地球化学模拟软件，对峰峰矿区东 部鼓山东侧的水–岩作用进行水文地球化学模拟。 根据地下水中化学平衡反应的质量作用定律和质量 ChaoXing 102煤田地质与勘探第 44 卷 守恒原理，计算矿物相的饱和指数和地下水流路径 上矿物的转化量，研究结果可望为该矿区地下水化 学成分的形成研究及水资源管理提供依据。 1研究区概况 1.1水文地质概况 峰峰矿区地理坐标为 3613′3654′N， 11340′ 11420′E，地处太行山东麓边缘。地貌类型主要为 平原、丘陵和山区，西部山区及中部鼓山灰岩裸露， 总的地势是西北、西部高，东南、东部低，最高为 西北符山，最低为东部滏阳河黑龙洞泉群一带。属 暖温带半干旱半湿润气候，冬季寒冷干燥，夏季 炎热多雨，多年平均降水量 574.7 mm，降雨多集中 在 7 月9 月，多年平均蒸发量 1 882.27 mm，湿润 系数平均 0.31，属湿度不足带。受构造、地势、排 泄条件的控制，峰峰矿区大体可分为 3 个径流带， 北部崔炉四矿王凤宿凤羊角铺黑龙洞强 径流带，南部岗子窑申家庄黄沙上庄柳庄 黑龙洞强径流带及鼓山东侧牛儿庄五矿一矿 黑龙洞径流带图 1。 本文选取鼓山东侧牛儿庄五矿一矿黑龙 洞径流带上五矿和一矿为研究对象。五矿井田西北 部以 F4 断层为界，西南部以煤层露头线为界；东部 以 F12 断层与峰峰集团有限公司羊渠河矿为界；南 部、北部以技术边界为界，分别与二矿和牛儿庄矿 井田接壤。一矿为废弃矿井，1995 年批准报废，一 矿井田边界西以鼓山东麓老窑区域及断层为界，东 至泉头村以西 600 m，南至临水村以北 240 m 处， 北至街儿庄，与二矿井田接壤，南部为人为边界。 该区地层岩性主要为第四系松散沉积物，二叠 系砂岩、砂质泥岩、泥岩，石炭系砂岩、砂质泥岩、 泥岩，奥陶系灰岩、泥岩，寒武系灰岩、泥岩、白 图 1峰峰矿区水文地质略图 Fig.1Hydrogeological map of Fengfeng mining area 云岩。岩石矿物以长石、方解石、白云石、石膏为 主。矿区含水层可分为 4 大含水岩系第四系松散 岩类孔隙含水层，富水性差；二叠系砂岩含水层， 富水性弱；石炭系薄层灰岩含水层，富水性弱中 等；寒武奥陶系岩溶裂隙含水层，补给径流条件好， 富水性强，是主要的含水层，奥灰水也是该矿区主 要的充水水源之一。 1.2水文地球化学特征 在矿区东部的五矿、一矿采集了地下水样品。 由表 1 可知，五矿奥灰水、一矿奥灰水和一矿副井 水在一矿副井中采集的水样的 pH 分别为 8.07、 7.81、7.64。五矿和一矿奥灰水以及一矿副井水阳离 子以钙镁离子为主，阴离子以重碳酸和硫酸根离子 为主，水化学类型为 HCO3SO4CaMg。 地下水中离子比例系数能帮助分析地下水中离 子的来源， 从而为水文地球化学模拟中“可能的矿物 相”的确定提供依据。主要离子比例系数见表 2。 表 1水样化学成分分析结果 Table 1Results of chemical component analysis of water samples 水样取样位置 离子含量/mgL-1 水化学类型 PHCa2Mg2NaKSO42-Cl-HCO3- 1五矿奥灰水8.0791.4126.3318.421.64117.4421.13298.998HCO3SO4CaMg 2一矿奥灰水7.81112.4031.4827.651.99177.6133.35324.41HCO3SO4CaMg 3一矿副井水7.64131.4940.0945.423.43226.0039.63394.68HCO3SO4CaMg 表 2离子比例系数分析结果 Table 2Results of ion ratio analysis γCaMg/γHCO3SO4γCa/γSO4γNa/γCl 舍勒指数 CAI-ICAI-II 五矿奥灰水0.921.871.35-0.41-0.032 一矿奥灰水0.911.521.28-0.33-0.033 一矿副井水0.561.401.77-0.85-0.085 ChaoXing 第 6 期郭钰颖等 峰峰矿区东部地下水水文地球化学模拟103 a. γCaMg/γHCO3SO4比例系数 γCaMg/γHCO3SO4比例系数法可以用来确 定 Ca2、Mg2的来源。如果 Ca2、Mg2、HCO3-、 SO42-来源于碳酸盐矿物方解石、白云石和硫酸盐 矿物石膏的溶解，那么 γCaMg/γHCO3SO4的 值应该接近于 1[4]。 由表 2 可知， 水样点的γCaMg/ γHCO3SO4值近似等于 1，说明研究区地下中 Ca2、Mg2、HCO3-、SO42-来源以碳酸盐矿物方解 石、 白云石的溶解和硫酸盐矿物石膏的溶解为主； 一矿副井水γCaMg/γHCO3SO4值相对较低，说 明可能发生了阳离子交换作用。 b. γCa/γSO4比例系数 石膏的溶解可以促进地下水中 Ca2和 SO42-的 摩尔平衡。若γCa/γSO4的值大于 1，表明石膏的 溶解不是 Ca2的唯一来源，额外的 Ca2是碳酸盐矿 物的溶解导致的[4-5]。由表 2 的γCa/γSO4的值可 知，研究区不只有石膏的溶解还有碳酸盐矿物方解 石、白云石的溶解。 c. γNa/γCl比例系数 理论上，岩盐的溶解会释放出等量的 Na和 Cl- 进入溶液中。Ca2、Mg2和 Na之间的阳离子交换， 可以解释地下水中 Na的高浓度[4-5]。五矿奥灰水、 一矿奥灰水， 一矿副井水中， γNa/γCl的值大于 1， 说明不仅有岩盐的溶解，还有阳离子交换作用，结 合γCaMg/γHCO3SO4比例系数，可以推测地下 水中的 Ca2Mg2交换了含水层矿物中的 Na， 从而 使得水中 Na含量相对较高。 d. 舍勒指数 阳离子交换可通过舍勒提出的氯碱指数即舍 勒指数来分析。 舍勒指数 CAI-I、 CAI-II 的计算公式 如下 - - ClNa K CAI-I Cl - 1 - -2-2-- 3433 ClNa K CAI- HCOSOCONO II - 2 如果舍勒指数是负值，说明 Ca2、Mg2从溶液 中析出，Na、K取代了它们的位置；如果是正值， 说明发生了相反的交换[5]。由表 2 舍勒指数全部为 负值可知，研究区发生的阳离子交换为含水层矿物 中的 Na交换了地下水中的 Ca2、Mg2。 2研究区计算基础条件的确定 2.1模拟区及水流路径的选取 水文地球化学模拟要求所模拟的水样点必须是 处于同一地下水径流路径上的[7-8]。由图 1 可知，鼓 山为控制矿区的大型褶皱，鼓山东部奥灰水总体流 向为自北向南，受构造、地势、排泄条件控制，可 分为 3 个径流带，北部崔炉四矿王凤宿凤 羊角铺黑龙洞强径流带，南部岗子窑申家庄 黄沙上庄柳庄黑龙洞强径流带及鼓山东侧牛 儿庄五矿一矿黑龙洞径流带。五矿奥灰水流 经二矿补给一矿奥灰水，一矿奥灰水是一矿副井水 的主要补给来源，一矿断层发育，奥灰水通过断层 补给煤系地层，与其存在密切的水力联系，成为废 弃矿井水一矿副井水的主要充水水源[9]， 因此确定 峰峰矿区东部五矿、二矿、一矿为模拟区，选取五 矿奥灰水一矿奥灰水一矿副井水为模拟路径。 2.2“可能矿物相”的确定 “可能矿物相”的选取是确定沿地下水径流路 径上可能发生的化学反应的基础。因此，选取“可 能矿物相”是建立水岩作用质量平衡模型的关 键[7]。根据国内外已有研究成果，其选取“可能矿 物相”的主要依据是研究区的岩性条件，地下水 的赋存条件以及地下水水化学成分分析结果[7]。 由离子比例系数分析可知，研究区地下水中离子 主要来源于白云石、方解石等碳酸盐矿物，石膏， 岩盐的溶解以及阳离子交换作用。 综上所述，研究区的“可能矿物相”为方解石、 白云石、石膏、岩盐、阳离子交换。反应方程式 见表 3。 表 3矿物的溶解反应方程式 Table 3Mineral dissolution reaction equation 矿物溶解反应方程式 方解石CaCO3H2OCa2HCO3-OH- 白云石 CaMgCO322H2OCa2Mg22HCO3-2OH - 岩盐NaClNaCl- 石膏CaSO42H2O Ca2SO42-2H2O CO2气 阳离子交换 CO2H2OH2CO3 2NaXCa22NaCaX2 3模拟及结果分析 应用 PHREEQC 软件进行水文地球化学模拟， 主要包括矿物饱和指数的计算和质量平衡模拟。将 水化学成分分析结果、可能矿物相及相关参数输入 PHREEQC 中，模拟计算矿物的饱和指数和沿地下 水流路径矿物溶解沉淀的转化量。 3.1饱和指数 饱和指数SI是水文地球化学研究中经常应用 的一个指标，它表示的是矿物相对于地下水的饱和 ChaoXing 104煤田地质与勘探第 44 卷 状态。矿物的饱和指数SI的定义为 sp lg IAP SI K 3 式中IAP为离子活度积，即水溶液中组成某难溶盐 类的阴，阳离子活度之积；Ksp为矿物在某温度下溶 解反应的溶度积常数[10]。 当SI0时，矿物在水溶液中处于溶解平衡状 态；当SI＜0时，表明矿物在水溶液中不饱和，矿 物将发生溶解；当SI＞0时，表明矿物在水溶液中 处于过饱和状态，矿物将发生沉淀[10]。 应用PHREEQC软件计算的各水样中矿物相饱 和指数SI，见表4。 表 4矿物饱和指数SI Table 4Mineral saturation index SI 水样硬石膏文石方解石白云石石膏岩盐 1–1.790.820.961.73–1.49–7.99 2–1.580.660.801.40–1.27–7.62 3–1.450.610.761.34–1.15–7.34 由表4可知，地下水中方解石和白云石的饱和 指数大于0，处于饱和状态，在适当的条件下会沉 淀；而岩盐和石膏的饱和指数小于0，处于未饱和 的状态，在适当的条件下将继续溶解。 3.2质量平衡模拟 质量平衡模拟主要用于研究沿地下水水流路径 上可能发生的化学反应，计算模拟路径上各主要矿 物相的转化量。选取地下水水流路径上的两个点， 根据地下水流路径上地下水与含水层之间的化学反 应，确定径流过程中主要矿物溶解沉淀的转化量， 分析地下水化学成分变化的原因。具体方法是，沿 地下水水流路径，对上游和下游两个点进行水化学 成分分析， 分别记为“初始水化学成分”和“终点水 化学成分”， 则有“初始水化学成分”“反应物”“终 点水化学成分”“产物”[11]。 质量平衡模拟通常都是模拟元素的增加与减少， 如果质量平衡模拟的过程中，考虑了n种元素的质量 平衡关系，则可确定n种矿物溶解沉淀的转化量。 1 n ijji i a xb    4 式中aij在数值上等于1 mol的第j种矿物完全溶解 时所生成第i种元素的值，为第i种元素相对于第j 种矿物的化学计量数，是无量纲的；xj为第j种矿物 溶解沉淀的摩尔数；bi为“终点水化学成分”中第i 种元素的变化量[11-12]。 运用PHREEQC模拟软件进行质量平衡模拟， 计算从五矿奥灰水补给一矿奥灰水路径I以及一 矿奥灰水补给一矿副井水路径II两条模拟路径上 矿物的转化量。已有研究表明，水文地球化学反向 模拟结果常常不是拥有“唯一的”答案，而是可以计 算出许多可能路径。因此，要在认真分析研究区的 地质和水文地质条件的基础上进行水文地球化学模 拟， 以便尽可能准确地确定地下水流路径上的岩石、 矿物相成分，确定“可能矿物相”，然后对多解进行 筛选，确定与实际最相近的解[2,13]。结果见表5。 表 5主要矿物相转化量 Table 5Main mineral phase transation10-4mol/L 路径方解石白云石岩盐石膏 阳离子交换 NaX I–2.1402.1463.4426.2685.742 II–6.6843.5941.7665.0395.911 注“”表示溶解，“–”表示沉淀 由表5可知，模拟路径I和II，都发生了白云 石、岩盐、石膏溶解，方解石沉淀，阳离子交换。 该过程中，CO2溶解产生H，水中H浓度增大， HCO3-浓度增大，pH值减小。岩盐溶解，Na浓度 增大，Cl-浓度增大。白云石、石膏溶解的量大于方 解石沉淀的量，Ca2、Mg2、SO42-浓度增大。根据 各主要矿物相转化量结果可知，Ca2、Mg2、HCO3-、 SO42-、Na、Cl-浓度增大，与实际情况符合，与前 文水文地球化学特征的定性分析结果一致。虽然五 矿奥灰水和一矿奥灰水中白云石处于过饱和状态， 但是地下水中仍然溶解了2.14610-4mol/L的白云 石。 究其原因， 可能是地下水在径流过程中溶解CO2， 使其继续溶解白云石以及受沉淀滞后的影响[14]。已 有研究表明，饱和指数只是指示了矿物溶解或沉淀 的热力学可能性，其并不能指示过程进行的速率， 矿物是否发生溶解或沉淀还取决于反应动力学[15]。 在地下水径流过程中，从五矿奥灰水一矿奥 灰水和一矿奥灰水一矿副井水两个不同阶段，都 发生了白云石、岩盐、石膏溶解，方解石沉淀，以 及阳离子交换，但是路径II的方解石和白云石的溶 解沉淀量要大于路径I的，是因为废弃矿井水与奥 灰水相比，废弃矿井水所处地下水地球化学环境相 对开启，一矿奥灰水补给一矿副井水过程中，CO2 不断得到补充，溶解的CO2更多，pH值更小[16]， 因此方解石和白云石的溶解沉淀量更大。 4结 论 采用PHREEQC软件对邯郸峰峰矿区地下水水 –岩作用进行水文地球化学反向模拟， 通过模拟了解 ChaoXing 第6期郭钰颖等峰峰矿区东部地下水水文地球化学模拟105 地下水径流过程中主要的水–岩作用过程。 a. 通过饱和指数的计算可知，方解石和白云石 饱和指数大于0，处于过饱和状态，在适当的条件下 会沉淀，而岩盐和石膏饱和指数小于0，处于不饱和 的状态， 在适当的条件下将继续溶解。 由质量平衡模 拟可知，白云石的饱和指数虽然一直大于0，处于过 饱和状态， 但是白云石一直处于溶解过程， 这可能是 由反应动力学过程决定的。 岩盐、 石膏的饱和指数沿 着径流路径持续增大，溶解程度逐渐变弱。 b. 从五矿奥灰水一矿奥灰水一矿副井水， 地下水径流过程中，地下水系统中白云石、岩盐、 石膏溶解，方解石沉淀，且发生了阳离子交换作用， 导致地下水中Ca2、Mg2、HCO3-、SO42-、Na、Cl- 浓度增大，与实际情况相符，因此模拟结果可望为 该矿区地下水利用和管理提供依据。 参考文献 [1] 钱会， 王晓娟， 李便琴. 地下水系统平衡化学模型的研究现状 及发展方向[J]. 地球科学与环境学报，2005，27159–62. 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