喬樓 -大峪溝段煤礦區巖溶水化學特征分帶性規律研究

龐 良,袁巧紅,韓國童

(河南省地質測繪總院,河南鄭州 450006)

1 采樣及水化學分析結果

本次研究范圍邊界的大斷層、背斜、分水嶺等構成巖溶水系統的自然邊界,使區域巖溶水成為一個相對完整的地下水系統,具備水文地質單元所擁有的的補給、徑流和排泄條件。南起巖溶水水文地質單元五指嶺分水嶺(補給區),北至各巖溶泉及煤田各礦區(排泄區),西起大峪溝,向東包括新中礦、王河礦、徐莊礦,一直到滎陽賈峪鎮的鹿平煤礦和中原煤礦,總面積 950 km2。2007年 7月 9～23日共采集了 37個水樣,水樣分布點見圖 4[1]。采樣點基本均勻分布巖溶水系統水文地質單元,能反映巖溶水系統 4[2][3]補給區、徑流區和排泄區的不同特點。其中巖溶泉水樣 8個,前寒武片麻巖中泉水樣 1個,礦井頂底板水樣 18個(頂板 L1-2灰巖水 7個、底板奧灰水 11個),機井水樣 5個(淺層機井 3個,打到灰巖的深井井水樣 2個),地表水水樣 3個,雨水樣 1個,礦坑排水混合水樣 1個。野外取樣與測試記錄見表 1[1]。全部水樣采用離子色譜和 GC-MS進行了常量和微量分析,各類水體的水化學類型(水質類型)等分析結果見表 2[1](表 1、表 2水樣序號一致)。另外還收集了煤礦區各礦歷年已有水質分析數據[1]。

表1 煤礦區各種水體野外取樣與測試記錄表

表2 煤礦區各種水體主要水質分析結果 mg/L

2 水體主要離子成分分帶性特征

2.1 主要陰離子

根據表 2和 TDS、HCO3-、SO42-和 Cl-含量曲線 (圖 1、圖2)[1],得出不同水樣主要陰離子含量特點為:從山前補給區到礦區排泄區,TDS(礦化度)表現為由低到高的變化趨勢,HCO3-、Cl-含量相對較穩定,其中排泄區的 17號(順發井)水樣、29號(大峪溝)以及 34號(任洼水庫)水樣中的礦化度尤其高;SO42-含量變化明顯,從補給區到排泄區其含量由低逐漸升高,其中排泄區的 17號(順發井)水樣、29號(大峪溝)以及 34號(任洼水庫)水樣中的SO42-含量尤其高。

圖1 煤礦區水樣 TDS(礦化度)和 HCO3-曲線圖

圖2 煤礦區水樣 Cl-和SO42-曲線圖

2.2 主要陽離子

從主要陽離子含量曲線圖(圖 3)[1]中得出不同水樣陽離子含量的差異:從山前補給區到礦區排泄區,Ca2+、Mg2+含量總體上沒有大的變化;從表 2數據分析,Na+、K+含量較穩定,除 29號(大峪溝)水樣中含量較高外,其它水樣含量較低。

圖3 煤礦區巖溶水樣 Ca2+、Mg2+曲線圖

3 各類水體的水化學類型分帶性及成因分析

將表 2中煤礦區各類水樣分析結果,繪制在巖溶水水化學類型分區圖(圖 4)[1]和 Piper三線圖上(圖 5)[1][5],總體分為兩個主要水化學類型區。

圖4 煤礦區巖溶水水化學類型分區圖

Ⅰ區:水化學類型為 HCO3—Ca?Mg和 HCO3—Ca型。陽離子中 Ca2+含量較高且相對集中,Mg2+含量分布較離散;Na+、K+含量較低。陰離子中 HCO-含量相對較高;SO2-34+Cl-含量較低,且以 SO42-為主,礦化度較低,平均為 325 mg/L,水質良好。該類水主要以泉的形式出露,代表了山區基巖裸露補給區和徑流區地下水的水化學特征。

圖5 煤礦區地表水和地下水 Piper三線圖

Ⅱ區:水化學類型為 HCO3?SO4-Ca?Mg或 SO4?HCO3-Ca?Na型。陽離子中仍以 Ca2+、Mg2+為主,但其含量相比補給區略減少,除個別水樣中 Na+、K+含量較高外,其它水樣中 Na+、K+含量低,但比Ⅰ區略高;從補給區到排泄區水中 SO42-含量增加,陰離子中 SO42-+Cl-含量較高,HCO3-含量相比Ⅰ區較少;礦化度較Ⅰ區高,平均為 498mg/L。此類水型代表為礦區排泄地下水及其附近地表水體的水化學特征。

本區地下水的主要成因類型為溶濾水。受巖性、地形、構造及地下水的補給、徑流、排泄條件的影響,煤礦區地下水主要形成了三類溶濾水,煤礦區的水化學成分從補給區到排泄區,具有一定的分帶性規律。各類水的形成原因分析如下。

3.1 HCO3— Ca? Mg型或 HCO3— Ca型

此類水廣泛分布于山區灰巖裸露補給區和徑流區,其形成原因是含 O2和CO2的大氣降水或地表水通過地表巖溶入滲到地下,CO2溶入水中形成碳酸從而使地下水對碳酸鹽類具有一定的侵蝕能力,在運動過程中具有侵蝕能力的地下水與碳酸鹽巖相互作用形成的。本區出露的碳酸鹽巖地層主要包括寒武 -奧陶系的石灰巖、白云巖、白云質灰巖等,其化學成分主要是 CaCO3和 MgCO3,在水和水中 CO2共同作用下,碳酸巖鹽中的碳酸鈣、碳酸鎂等被溶于水中,從而巖溶水以HCO3-、Ca2+、Mg2+等離子為主。其水巖作用反應式為:

此類水由于地下水所處的位置不同,其補給和徑流條件也不同,導致水化學成分及礦化度略有差異。王河煤礦新打的井下測壓孔中的水樣大部分(J3-J7)為 HCO3—Ca?Mg型,原因是新打的井下測壓孔中的奧灰水尚未進入礦井,未與煤層頂板水及煤層發生水力聯系,故 SO42-含量少,為典型的巖溶地層溶濾水。隨著時間延長,底板水逐漸與頂板水及煤系地層發生作用,SO42-含量增加,導致底板水水化學類型變為 HCO3?SO4-Ca?M g型,如原來先打的 J1和 J2孔。

3.2 HCO3? SO4-Ca? Mg型

大部分的礦區埋藏型灰巖水和礦坑排水都屬此類水。如新中礦頂底板水、徐莊煤礦底板水、順發井頂板水、新建煤礦井水、花河礦井水、王河礦頂板水及王河煤礦礦坑排水。此類水相比灰巖出露區的水礦化度增加,主要原因是礦區位于排泄區,地下水徑流途徑變長;另外,由于是承壓水,補給條件差,水循環交替緩慢,因此礦化度較大。相比補給區,地下水中的 SO42-含量明顯增加,這是由于礦井水來源于頂板太原組薄層灰巖含水層和底板的奧陶系灰巖含水層,兩含水層中的水沿裂隙和斷層進入礦井,進入礦井的過程中水流經煤系地層時與煤系地層中黃鐵礦相互作用形成硫酸鹽與硫酸,使得水中的SO42-含量增加。硫酸的增多有利于溶解灰巖、白云巖中的 CaCO3和 MgCO3,形成重碳酸硫酸型水。另外,大量 CO2的作用增加了地下水對巖石中 CaCO3、MgCO3的溶解,水中 HCO3-、Ca2+、Mg2含量增加 ,水化學類型成為HCO3-SO4— Ca? Mg或 SO4? HCO3—Ca? Mg型 。此類水形成過程中發生的水化學作用如下:

上述水巖作用使礦區地下水類型總體較補給區復雜,除大部分為HCO3?SO4-Ca?Mg水型外,少部分底板水為低礦化度的HCO3—Ca?Mg型水,如王河煤礦新打的奧灰觀測孔水樣。

3.3 SO4? HCO3-Ca? Na型

此次取得的大峪溝礦井水樣屬于此類水型。相比其它礦井水,其礦化度更高,達到了 1000mg/L,且 Na+和 Cl-含量也比其他礦井水高出很多。據調查,5-12汶川大地震時由于深部斷裂活動,大峪溝礦井 27采區的 27 130工作面于5月 14日發生突水,突水量達2 500m3/h,突水時水溫達到500℃,表明該水經過深部地熱循環通過斷裂帶[6]向上運移,由于水壓較大,導致突水。該水來自深部承壓水,水循環交替差,故礦化度很高。另外,在深部地下水流經一些變質巖時,與長石類(如鈉長石)礦物發生水巖作用,導致地下水中 Na+和 K+含量相比其他礦井水高,Cl-的來源可能是深部巖漿巖中含氯礦物(如方鈉石 NaAlSiO4?NaCl)的風化溶解。其溶濾作用的反應式為:

據收集的大峪溝勘探區 1982年 20多個水質分析數據[5]可知:1982年所取大峪溝礦井水的水化學類型主要為HCO3? SO4-Ca? Mg型,部分為 HCO3—Ca? Mg型。 奧灰水平均礦化度為 334.8mg/L,頂板L1-2灰巖水平均礦化度為 408 mg/L,表明一般情況下大峪溝礦井水水化學類型及礦化度與其它礦井水相似,唯有 5月 14日突水水源為深部斷裂導出的地熱水屬于特例。

除以上 3類地下水外,王河煤礦區[1][7]的 2個地表水來自王河水庫及任洼水庫,2個水庫均接納王河煤礦礦坑排水,其水化學類型分別屬于 SO4?HCO3-Ca型和 SO4-Ca?Mg型水,主體成分與礦坑水接近,但 SO42-含量偏高。礦坑排水進入地表水庫后,所處環境由還原的環境變為氧化環境,部分硫化物或硫氧化后使水中 SO42-含量增高。

4 水體中 Sr2+/Ca2+分帶性特征及其形成條件

根據前人研究結果,海相碳酸鹽巖中普遍含有鍶元素,其來源是當海水濃縮產生 SrSO4鹽類沉淀,而 SrSO4的沉淀在 CaCO3之后。當地下水與海相碳酸鹽巖接觸過程中,巖石中的鍶元素以鍶離子形式進入地下水中。由于徑流條件不同,水巖接觸時間不同,使得地下水中的鍶離子濃度也不同,而巖溶水中普遍含有鈣離子,因此 Sr2+/Ca2+可反映地下水的形成和徑流條件。將滎鞏礦區巖溶水樣的 Sr2+/Ca2+與TDS等水化學特征進行分析,繪制巖溶水樣 Sr2+/Ca2+與 TDS的關系圖(圖 6)[1]。

根據各水樣在 Sr2+/Ca2+—TDS關系圖中的情況,結合巖溶水運動規律主要劃分為二個區。

Ⅰ 區是補給區和徑流區,包括補給區的 1、3、4、5、6、7、8號巖溶泉水樣和徑流區的 10、11號巖溶井水樣。該區 Ca2+/Sr2+比值較小,變化值在 0.0 010～0.0 023之間,礦化度也比較低,在 200～400 mg/L之間,其原因是該區處于灰巖裸露區,直接接受大氣降水補給。由于巖溶發育,滲透性好,地下水交替強烈,溶濾作用強烈,水巖作用時間短,致使巖溶水中 Ca2+濃度大,Sr2+含量很低,故 Sr2+/Ca2+比值很小,礦化度也較低。

Ⅱ區是排泄區,包括 12-16號礦井頂板水樣、20-28號礦井底板水樣和 9號巖溶泉水樣。該區 Sr2+/Ca2+比值變大,大于Ⅰ區。其原因是巖溶水從奧陶系灰巖裸露區(補給區)流向灰巖埋藏區(排泄區),徑流途徑延長,補給條件變差,水交替由積極變為滯緩,溶濾作用變弱,水巖作用時間增長,Ca2+濃度降低,相反 Sr2+濃度增大,水中的 Sr2+/Ca2+比值越來越大;9號反坡泉水樣 Sr2+/Ca2+比值較大是因為取樣點接近排泄區。

另外,在Ⅰ區、Ⅱ區之外還有個別水樣代表深部循環水或老窯積水,包括 17號順發礦井水和 29號大峪溝礦井水。該類水礦化度特別高,Sr2+/Ca2+比值較大。其原因為:順發井是一個廢棄的礦井老窯積水,其礦化度很高 Sr2+/Ca2+比值較大;大峪溝為深部承壓水經斷裂傳導到礦井中的水,其礦化度很高,Sr2+/Ca2+比值特別大。

圖6 煤礦區巖溶水樣Sr2+/Ca2+值與TDS關系圖

5 結論

綜上所述,G 310線鄭州喬樓 -大峪溝段煤礦區巖溶水地下水的陰陽離子、水化學類型等常規組分特征及 Sr2+/Ca2+-TDS關系分布,顯示煤礦區巖溶水化學特征自補給區、徑流區到排泄區具有自然分帶性規律:自南向北及自西向東,隨著巖溶含水層埋深加大,徑流途徑延長,水巖作用時間增加,巖溶地下水的交替條件由快變慢,造成礦化度(TDS)由小變大,Sr2+濃度由小變大,SO42-含量增加。而 Cl-、HCO3-和 Ca2+、Mg2+含量總體上沒有大的變化。由此可以推斷出研究區巖溶地下水總體徑流規律為:一部分降水入滲補給沿著地層傾斜與地形坡降方向自南向北、自西向東徑流,徑流強度受地形控制,當運動到合適的地形地貌、構造、巖溶等有利部位匯集,基巖裸露區灰巖接受降水后向深部以側向徑流的方式補給到礦區充水含水層中,水流循環深度較大,徑流途徑延長,水交替緩慢,地下水以側向和垂直上升運動為主。另一部分巖溶水自南向北以泉的形式溢出地表,地下水在淺部循環,水流運動途徑短,水平運動為主,交替強烈;水化學類型為低礦化度的 HCO3-Ca.Mg型水,Sr/Ca低。本文充分說明巖溶水化學特征分帶性規律對巖溶水的補給、徑流和排泄條件具有明顯的指示作用,這對進一步判定礦區突水水源、礦區圈定補給范圍、預測礦區涌水量等分析復雜的水文地質條件具有很好的借鑒意義。

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