潘謝礦區灰巖地下水水化學特征與成因分析

賀世芳，陳永春，謝 毫，安艷晴，姜春露，鄭劉根

(1.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司，安徽 淮南 232001；2.安徽大學 資源與環境工程學院，安徽省礦山生態修復工程實驗室，安徽 合肥 230601)

0 引言

地下水化學成分的形成與其經歷的地球化學演化規律和循環過程密切相關，因此地下水水化學的變化可以指示其地球化學過程[1]。礦區地下水化學組分的形成演化是受水動力條件、含水層介質特性以及人類活動等多因素影響的復雜過程[2]，許多學者對揭示水化學特征的影響因子、水巖相互作用及識別水化學演化的主要水文地球化學作用等已經進行了相關研究。王劍[3]等采用水文地球化學與環境同位素研究相結合的方法，系統探討了礦區地下水水化學特征及成因。陳陸望、張崇良等[4-5]分析了隱伏型煤礦含水層的水化學形成及其控制因素。地下水循環過程中，其各離子組分及部分離子比值會呈現出規律性的變化，飽和指數常以定性的預測水中碳酸鈣沉淀或溶解的傾向性，故通常利用離子比例系數及飽和指數揭示含水層水巖相互作用[6-8]。

潘謝礦區煤層在開采過程中，主要的充水水源為新生界底部松散層水、頂底板砂巖裂隙水及A組煤層底板下部的灰巖水等。該區灰巖含煤巖系直接發育在穩定的寒武系碳酸鹽巖臺地之上，自下而上灰巖含水層有寒武系白云巖巖溶裂隙含水層、奧陶系白云巖巖溶裂隙含水層及石炭系太原組石灰巖巖溶裂隙含水層[9]。由于本區揭露寒武系地層鉆孔數量很少，水樣采集困難，故本文不涉及此層位。太灰、奧灰作為A組煤底板，其巖溶富水性對A組煤的安全開采具有重要的影響。

1 研究區概況

1.1 地質背景

潘謝礦區位于安徽省中北部，橫跨淮南和阜陽兩市，地理位置十分優越，交通運輸便捷，鐵路東接京滬線，西連京九線，水路通江達海，公路四通八達(圖1)。礦區在構造位置上隸屬于華北板塊的東南緣，秦嶺緯向構造帶南亞帶的北緣，淮南-豫西臺陷內。地質構造復雜，區內褶皺、斷層均較發育，研究區內占主導地位的構造特征是NWW向構造，受后期強烈構造的改造，但是總體的形態變化并不大，復式向斜內次一級斷裂及褶皺發育。

研究區太原組灰巖整合或假整合于本溪組之上，整合于山西組之下的一套由海陸交互相的頁巖夾砂巖、煤、石灰巖構成的旋回層。巖性主要為灰、深灰色結晶灰巖、生物碎屑灰巖與深灰色砂質泥巖、頁巖互層、薄層砂巖、薄層煤，巖性穩定，石灰巖總厚50～60 m，占整個太原組沉積厚度50%左右。其富水性不均一，屬巖溶裂隙承壓水。

據區域地層資料，奧陶系灰巖平均厚約270 m，以灰色隱晶質及細晶、厚層狀白云質灰巖為主，局部夾角礫狀灰巖或夾紫紅色、灰綠色泥質條帶。巖溶裂隙發育極不均一，且在中下部比較發育，具水蝕現象，以網狀裂隙為主，局部巖溶裂隙發育，具方解石脈充填，富水性一般弱～中等。是太原組灰巖巖溶裂隙含水層的直接補給水源。

1.2 水化學數據

飽和指數(SI)能夠判斷和研究礦物相在地下水中的飽和狀態的指標[10-11]，由Phreeqc軟件計算而得。白云石、方解石、石膏和巖鹽礦物是灰巖含水層中水巖相互作用的關鍵礦物，故可由SI值的大小判定礦物在水中的溶解沉淀狀態。如果SI>0時，表示該礦物相對水溶液處于過飽和的狀態；SI<0時，表示礦物相對水溶液未達到飽和狀態；SI=0時，表示水溶液與礦物處于平衡狀態。由于水質分析以及礦物平衡常數和離子活度計算中的誤差，使礦物飽和指數的計算結果不可避免地帶有不確定性，因此一般認為，當SI在接近0的一定范圍內變化是都認為水溶液與礦物處于平衡狀態，常用的SI變化范圍為0±0.5[12]。

2 結果與討論

2.1 水化學特征

表1 灰巖含水層水化學指標統計 mg/L,pH無量綱

2.2 離子濃度與TDS的關系

2.3 離子濃度與飽和指數的關系

2.4 離子濃度之間的關系

3 結論

(2)離子濃度與TDS的關系表明，太灰水和奧灰水的水巖相互作用是以含Na+和Cl-離子的礦物溶解為主，即巖鹽的溶解。飽和指數的研究進一步證明了灰巖水中，巖鹽處于不飽和狀態，處于溶解狀態，故Na+和Cl-濃度增加，且方解石和白云石在太灰水中趨于發生沉淀作用，在奧灰水趨于溶解作用。離子比例系數分析結果表明個別太灰水水樣存在硫酸鹽的溶解。離子比例系數同時表明，由于離子交替吸附作用，使得研究區灰巖水多以Cl-Na為主。