奧陶系灰巖地下水硬度和硫酸鹽超標成因分析

張彥宏 張昕 張志飛

摘 要：河北省峰峰礦區裝備A區水源地為奧陶系灰巖地下水，作為研究區主要供水水源，其地下水水質將影響周圍居民生活、生產用水安全。根據水質檢測結果，研究區奧陶系灰巖地下水總硬度及硫酸鹽含量大幅超標。為探究該地區地下水的水質成因，在收集區域水環境資料、實地調查和地質勘探的基礎上，開展研究區及其周邊水源井水質分析，以pH值、溶解性總固體、總硬度和硫酸鹽為主要研究因子，從地表水、煤系地層、特定巖相古地理條件和水文地質條件4個方面分析其水質成因，結果表明：研究區地下水總硬度、硫酸鹽含量偏高與地表水和煤系地層無關;膏溶角礫狀灰巖的存在是研究區總硬度和硫酸鹽含量偏高的內因，屬原生水環境因素影響;研究區受滯留區和斷層影響導致水動力條件滯緩，形成相對封閉的滯留環境使得離子富集，獨特的地質構造是區域總硬度和硫酸鹽含量偏高的外因。

關鍵詞：地下水;硬度;硫酸鹽;水質;奧陶系灰巖;峰峰礦區

中圖分類號：X523;TV211.1+2 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.014

Abstract：The water source of equipment area A in Fengfeng mining area of Hebei Province is Ordovician limestone groundwater. As the main water source for the study area， its groundwater quality issues will seriously affect the lives and production safety of the surrounding residents. According to the water quality test results， it can be seen that the total hardness and sulfate concentration of the groundwater in the Ordovician limestone in the study area have been seriously exceeded. Therefore， in order to explore the cause of the special water quality of groundwater in this area， on the basis of collecting regional water environment data， field investigation and geological exploration， this paper carried out the water quality test of the well in the study area and its surrounding water sources. Taking pH value， total dissolved solids， total hardness and sulfate as the main research factors， the special water quality genesis was analyzed from four angles of surface water， coal formation， specific lithofacies palaeogeographic conditions and hydrogeological conditions. The results show that the total hardness of groundwater and high sulfate in the study area have nothing to do with surface water and coal strata; The presence of gypsum breccia limestone is the internal cause of the high total hardness and high sulfate concentration， which is influenced by the original water environment; The study area is affected by the retention zone and faults， which leads to the stagnation of hydrodynamic conditions. Therefore， the closed retention environment makes the ions enrich. The unique geological structure is the external cause of the high total hardness and sulfate concentration.

Key words： groundwater; hardness; sulfate; water quality; Ordovician Limestone; Fengfeng mining area

1 研究背景

我國華北地區地表水資源總量少且污染嚴重，地下水往往是主要甚至唯一的生活及生產供水水源。地下水作為區域水循環的重要形式之一，其形成、流動以及排泄受區域地質條件的影響，地下水受地表水污染或其他地質因素影響存在硬度偏高、有害鹽類超標等現象，嚴重威脅居民生活、生產用水安全[1]。

含水層巖性及地質構造等條件對地下水化學類型的形成起重要作用，眾多學者針對地下水水質問題，在地下水化學演化過程、水巖相互作用以及離子溶解吸附等方面開展了相關研究。楊鄖城等[2]通過分析鄂爾多斯白堊系地下水盆地硫酸鹽水文地球化學特征認為，地層中硫酸鹽（石膏和芒硝）的溶解、硫化物（黃鐵礦）的氧化是該地區地下水中硫酸鹽的主要來源。李云等[3]通過研究長江三角洲揚-泰-靖地區地下水硫酸鹽超標情況發現，研究區頂部和沿江地段淺層孔隙承壓水中硫酸鹽來源于硫化物的氧化，東部深層孔隙承壓水中硫酸鹽主要來源于硫酸鹽巖的溶解或海源硫酸鹽的滯留。秦正峰等[4]探究石家莊滹沱河典型地區地下水高硬度成因表明，地下水總硬度超標是工業、生活污染引起鈣鎂碳酸鹽、硅酸鹽的溶濾作用和陽離子交換反應，農業生產產生的污染，地下水的氧化還原環境這3個因素綜合影響導致的。侯玉松等[5]分析發現，工礦企業廢水排入淺層地下水導致研究區地下水硬度升高，淺層地下水的化學場、動力場變化間接引起地下水硬度升高。卞躍躍等[6]研究兗州煤礦奧陶系灰巖地下水水化學特征及其形成機制發現，地下水水巖相互作用以石膏的溶解為主，石膏的溶解是研究區Ca2+和SO2-4含量增加的主要原因。

通過了解地下水的補給、流動、溶質運移過程，可以探究地下水水質問題，為水資源的合理開發利用和有效管理提供科學依據。以河北省峰峰礦區裝備A區為研究區，在檢測地下水水質硬度和硫酸鹽含量的基礎上，從地表水影響、煤系地層影響、特定巖相古地理條件和水文地質條件4個方面分析其水質成因，以減小水質問題對工農業生產及飲水安全造成的影響，并進一步改善地下水水質。

2 研究區水質情況分析

2.1 研究區概況

河北省峰峰礦區裝備A區是一個以通用裝備制造、金屬冶煉、基礎部件、汽配裝備四大產業為主，涵蓋煤炭、冶金、輕工等領域的經濟園區，為從根本上解決該區及周邊村鎮用水問題，啟動了新建水廠項目，在裝備A區鉆探了兩眼供水水源井。1號、2號水源井出水流量分別為150、140 m3/h，孔深分別為650.0、661.5 m，終孔層位均為奧陶系上馬家溝組，地下水為奧陶系灰巖地下水。

2.2 研究區地下水水質情況分析

為探究水源井水質是否滿足飲用水要求，對水源井進行了72 h抽水試驗，并對各項化學指標進行檢測，包括臭味、肉眼可見物、渾濁度、pH值、總硬度、溶解性總固體、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、氟化物、砷、六價鉻、錳、氨氮、亞硝酸鹽等共25項指標。參照《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）對各指標檢測結果進行對比分析發現，水源井水質總硬度和硫酸鹽含量大幅超標（見表1），總硬度最高達1 156 mg/L、超標1.56倍，硫酸鹽含量最高達847 mg/L，超標2.38倍，其余23項指標均符合標準要求。為保障研究區及周邊村鎮用水安全，需結合區域地質條件，對研究區及周邊供水井進行實地調查、取樣測試，分析水質特征和水質超標的原因。

針對研究區奧陶系灰巖地下水總硬度、硫酸鹽超標情況，為排除偶然因素影響，對研究區其他水源井及其周邊奧陶系灰巖供水井進行水質檢測，以判斷特殊水質成因類型。檢測指標主要為pH值、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、NH+4、SO2-4、Cl-、HCO-3、NO3-、NO2-、OH-、總硬度、礦化度、暫時硬度、永久硬度、總堿度、溶解性總固體。從9個樣品20項指標檢測結果看，除總硬度、硫酸鹽及溶解性總固體含量超標外，其余指標均達標，超標指標情況見表2。

3 水質成因探究

水體硬度反映了水中多價金屬離子含量的總和，是評價水質的重要指標之一，SO2-4作為地下水中常見的離子之一，其含量直接影響地下水水質[7]。因此，從地表水影響、煤系地層影響、特定巖相古地理條件和水文地質條件4個方面分析研究區地下水總硬度及硫酸鹽含量超標的原因。

3.1 地表水水質分析

研究區無地表水系發育，距離最近的地表水系為東北方向5～6 km的滏陽河及東武仕水庫。東武仕水庫部分水質檢測結果見表3，其中：pH值為7.7～8.2、溶解性總固體含量為400～627 mg/L、總硬度為264～456 mg/L、硫酸鹽含量為119～204 mg/L，這幾項指標均未超過《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）要求。研究區奧陶系灰巖水總硬度、硫酸鹽超標與相鄰地表水系東武仕水庫無直接水力聯系。

3.2 煤系地層礦井水水質分析

研究區地處河北省峰峰礦區，周邊礦區地下蘊藏有豐富的煤炭資源，因此需充分考慮研究區周邊礦區煤系地層對地下水水質的影響。煤系地層中無機硫主要以硫化物和硫酸鹽的形式存在，其中硫鐵礦（FeS2）占比最高。硫鐵礦在水、氧及適宜溫度條件下可分解產生SO2-4，見式（1）。在煤炭開采過程中，硫鐵礦與空氣和水充分接觸可氧化成硫酸及硫酸鹽。含硫酸的礦井水可通過斷層、裂隙等通道進入奧陶系灰巖，硫酸與石灰巖或白云巖可發生反應，見式（2）。因此硫鐵礦在有水、有氧的條件下形成的礦井水多為高鐵（含量為100～800 mg/L）、高硫（含量為700～3 400 mg/L）、低礦化度、低pH值（3～4）的酸性水。一般情況下，當pH值<5.5時Fe2+開始水解，當pH值=3時Fe3+開始水解，當pH值=2.2時Fe2+和Fe3+接近全部水解，因此酸性越強，越有利于氧化反應的發生，水中鐵離子含量相應升高。

巖溶地貌下巖溶裂隙、溶洞及暗河普遍發育，含水層與煤層之間斷層發育，地表水與地下含水層之間水力聯系密切，因此礦井水極易通過污染地下水資源，致使地下水硫酸鹽含量升高，酸性增強。此外，降水入滲補給含煤地層中已開采的煤層采空區，形成高硫酸鹽、高鐵、低pH值的礦井水涌出，也會導致地表水和地下水受到污染。

礦區地質勘探結果顯示：相鄰礦區二疊系和石炭系煤系地層中不同層位含有數量不等的塊狀、片狀及星點狀硫鐵礦，主要可采煤層自上而下由低硫煤逐漸演變為高硫煤。若研究區地下水受礦井水影響導致總硬度及硫酸鹽含量升高，則pH值應呈酸性，但勘探得到的資料顯示，研究區相鄰礦區礦井水中硫酸鹽含量較低，為128.39～357.18 mg/L，呈堿性，且Fe2+和Fe3+含量很小，接近未檢出，見表4。由此可知，研究區周邊礦區硫鐵礦未發生氧化反應，生成高硫礦井水，即研究區地下水硫酸鹽含量超標與礦區煤系地層無直接聯系。

3.3 特定巖相古地理條件分析

研究區所屬峰峰礦區中奧陶系巖相古地理屬華北地臺早古生界，其地層主要包括寒武系和奧陶系。馮增昭等[8]將峰峰地區奧陶系按巖性和巖相劃分為三群六組，其中上馬家溝群、中馬家溝群和下馬家溝群對應現采用的中奧陶統劃分的峰峰組、上馬家溝組和下馬家溝組。華北地臺中奧陶系巖石類型較多，例如碳酸鹽巖、碎屑巖、蒸發巖、硅巖等，其中以碳酸鹽巖為主，蒸發巖主要分布在馬家溝群第一、三、五組，各組以準同生白云巖和泥晶石灰巖為主，常含石膏。近代地質學家崔云昊指出：包括峰峰地區在內的整個邯邢地區中奧陶統地層在4次沉積旋回過程中形成了膏溶角礫狀灰巖，在峰峰礦區的鼓山北段、中段、南段及涉縣等剖面中，普遍含有膏溶角礫狀灰巖（見表5），角礫巖層厚度占中奧陶統總厚度的17%～25%。

由上述分析可知，膏溶角礫狀灰巖的存在是研究區硫酸鹽、總硬度較其他區域偏高的主要原因，此外，特定的沉積環境，其石膏平面分布的不連續性也可佐證研究區及周邊供水井奧陶系灰巖水中硫酸鹽、總硬度存在差異的情況。

3.4 研究區水文地質條件分析

研究區處于黑龍洞泉域巖溶地下水系統東南部，靠近系統的東部邊界，即岳城、新坡、中史村一線的邯邢深大斷裂，為阻水邊界。系統東部邊界一帶奧陶系灰巖埋藏較深，其地下水處于相對滯留的地下水環境中，水交替循環條件向東逐步減弱直至滯留，水動力條件滯緩，水中各離子含量較高，加之受EF13-2、EF13正斷層影響，研究區奧陶系灰巖水埋深加大，地下水徑流更弱，有利于硫酸鹽和總硬度的富集，獨特的地質構造是研究區地下水離子含量大于周邊區域的外在原因，間接導致了地下水硬度和硫酸鹽含量超標。研究區斷層分布見圖3。

4 結 論

采用資料收集、實地調查和地質勘探相結合的方法，對研究區水源井進行了抽水試驗、水質檢測，通過系統分析研究區水文地質條件，分析了研究區奧陶系灰巖巖溶水總硬度、硫酸鹽含量偏高的原因。

1號、2號水源井主要水質指標與地表水以及煤系地層地下水水質指標對比分析得出，研究區總硬度、硫酸鹽含量偏高與地表水和煤系地層無關。

作為奧陶系灰巖水的圍巖，中奧陶統峰峰組、上馬家溝組、下馬家溝組地層含有膏溶角礫狀灰巖，在與地下水長期作用下，可以部分溶解于地下水。因此，膏溶角礫狀灰巖的存在是硫酸鹽、總硬度偏高的內因，研究區總硬度、硫酸鹽含量偏高主要是原生水環境影響的結果。

研究區靠近黑龍洞泉域東部邊界滯留區，奧陶系灰巖埋藏較深，水動力條件滯緩，同時受EF13-2、EF13正斷層的影響，研究區奧陶系灰巖水埋深大，形成封閉的滯留環境，從而使得總硬度、硫酸鹽富集，獨特的地質構造是導致區域總硬度、硫酸鹽含量偏高的外因。鑒于膏溶角礫狀灰巖的溶解性，隨著取用水時間的延長，硫酸鹽含量存在逐步減小或階段性增大的可能，因此需對研究區供水井水質進行定期檢測，以保障供水安全。

參考文獻：

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【責任編輯 呂艷梅】