納林河深埋礦區(qū)水文地球化學(xué)垂向綜合特征

劉 洋， 楊 建*， 梁向陽(yáng)

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司, 西安 710054； 2.陜西省“四主體一聯(lián)合”黃河流域中段礦區(qū)(煤礦)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)校企聯(lián)合研究中心， 西安 710054)

中國(guó)能源稟賦特征決定了煤炭是中國(guó)未來長(zhǎng)期穩(wěn)定的主體能源[1-2]，2020年中國(guó)煤炭產(chǎn)量高達(dá)39億t，是全球最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，且中國(guó)煤炭資源生產(chǎn)與需求絕對(duì)量仍處于增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，“十四五”期間煤炭產(chǎn)量將維持在40億t左右。隨著東部和淺部煤炭資源的枯竭，未來煤炭開采將向西部的深部延伸，其中蒙陜接壤區(qū)又是重中之重，該地區(qū)煤層埋深普遍超過600 m[3-4]，具有煤質(zhì)優(yōu)良[5-6]、地質(zhì)條件簡(jiǎn)單[7-8]等特點(diǎn)，但是蒙陜深埋礦區(qū)屬于新開發(fā)礦區(qū)，煤層賦存條件、頂板地層結(jié)構(gòu)[9]、含水層空間展布特征[10]等變化較大，對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件仍不完全清楚[11-12]，導(dǎo)致難以形成有針對(duì)性的和科學(xué)有效的防治水措施，多個(gè)礦井在基建和生產(chǎn)過程中發(fā)生了多種類型的水害問題[13-15]，給煤炭資源的安全高效開展造成了嚴(yán)重威脅。利用水化學(xué)判斷突(涌)水水源是最快速有效手段，根據(jù)水中無機(jī)水化學(xué)成分和水位溫度等指標(biāo)，運(yùn)用富水性評(píng)價(jià)[16]、多元統(tǒng)計(jì)[17]、層次分析法[18]等數(shù)學(xué)方法，可以較準(zhǔn)確判別出突水水源。但是蒙陜深埋礦區(qū)主采煤層頂板發(fā)育多層富水含水層[19]，而且相鄰含水層的無機(jī)水化學(xué)特征較為接近，導(dǎo)致難以確定井下涌水的來源。在長(zhǎng)期的補(bǔ)給運(yùn)移過程中，地下水中溶入了大量物質(zhì)，包括無機(jī)組分、有機(jī)組分和環(huán)境同位素[20]，每一種組分都有自己特有的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，導(dǎo)致其特征存在顯著差異。因此，為了區(qū)分蒙陜深埋區(qū)各含水層的水文地球化學(xué)特征，現(xiàn)以納林河礦區(qū)為研究對(duì)象，通過水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探采集各含水層水樣，檢測(cè)無機(jī)組分、環(huán)境同位素和有機(jī)組分等指標(biāo)，并采用Piper三線圖、三維熒光光譜(three-dimensional excitation and emission matrix fluorescence，3DEEM)指紋技術(shù)等手段開展水化學(xué)特征綜合分析，以期確定各含水層之間水文地球化學(xué)特征。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯高原東部，毛烏素沙漠中東部(圖1)。區(qū)內(nèi)總體呈西北高、東南低趨勢(shì)，海拔一般在1 300～1 400 m，地形較為平坦，灘地與沙丘相間，以灘地為主，沙丘廣布；屬于中溫帶、干旱-半干旱半沙漠季風(fēng)帶氣候，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，日照較豐富，干燥少雨，年降水量350～400 mm，年蒸發(fā)量2 200～2 800 mm，風(fēng)大沙多，無霜期短。冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季炎熱而短暫，春季回暖升溫快，秋季氣溫下降顯著。區(qū)內(nèi)主要河流有無定河、納林河、海流圖河，其中納林河發(fā)源于烏審旗陶利蘇木西北部，向東南流經(jīng)納林河鄉(xiāng)谷家畔村匯入無定河，全長(zhǎng)約67 km，流域面積約1 788 km2，年徑流總量1 577×104m3，平均流量0.4 m3/s，年輸沙量為153×104t，為受季節(jié)性控制的常年流水河。目前主要生產(chǎn)礦井有納林河二號(hào)、營(yíng)盤壕，白家海子和陶忽圖處于基建階段。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)屬于鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田，三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組是侏羅紀(jì)聚煤盆地和含煤地層的沉積基底，在延長(zhǎng)組之上發(fā)育有侏羅系、白堊系和第四系地層(圖2)，受到沉積旋回控制，每個(gè)巖段均發(fā)育有中粗砂巖含水層。研究區(qū)屬于鄂爾多斯盆地北部區(qū)的烏蘭木倫河-無定河地下水流系統(tǒng)，地表被現(xiàn)代風(fēng)積沙及湖積沙層覆蓋，降水入滲能力較強(qiáng)，導(dǎo)致第四系松散孔隙含水層透水性好，含水豐富，該段地層厚度8.60～63.57 m，單位涌水量0.69～3.23 L/(s·m)，其中上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組個(gè)別地段大于5.0 L/(s·m)，滲透系數(shù)10.76～11.81 m/d，為中等-強(qiáng)富水性含水層，水位埋深1.0～3.0 m。白堊系志丹群含水層以河湖相碎屑堆積為主，表現(xiàn)為厚度巨大(一般300～600 m)，砂泥巖互層結(jié)構(gòu)和相變復(fù)雜等特點(diǎn)，發(fā)育有多層含水層，含水層厚度53.70～335.02 m，巖性成分和滲透性能變化很大，含水層和隔水層在水平方向上都不穩(wěn)定，各含水層之間存在著水力聯(lián)系，與上覆第四系含水層水力聯(lián)系密切，構(gòu)成了一個(gè)統(tǒng)一的含水綜合體，單位涌水量0.22～1.46 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.23～1.91 m/d，為中等-強(qiáng)富水性含水層。直羅組地層巖性組合下部巖性以中、細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖為主，局部地段為巨厚層狀粗粒長(zhǎng)石砂巖，含水層厚度在29.06～71.20 m，單位涌水量0.01～0.02 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.02～0.07 m/d，含水層富水性弱。延安組為研究區(qū)內(nèi)主要含煤地層，含2、3、4、5、6五個(gè)煤組，按其沉積旋回和巖性組合特征又可劃分三個(gè)巖段，含水層巖性以灰白色的中、細(xì)長(zhǎng)石石英砂巖為主，垂向上與粉砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖隔水層成互層狀分布，含水層厚度在34.70～71.18 m，單位涌水量0.04～0.12 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.08～0.14 m/d，為弱-中等富水性含水層。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)柱狀圖Fig.2 Hydrogeological column diagram

3 樣品采集和檢測(cè)分析

共采集水樣47組，其中無機(jī)全分析6組、同位素12組、有機(jī)物29組，水樣分別采集自第四系、白堊系、直羅組、延安組等含水層位；另外，還收集了《內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝煤田納林河礦區(qū)陶忽圖井田煤炭勘探報(bào)告》中5個(gè)水質(zhì)全分析樣品，以及納林河二號(hào)井田勘探期間1個(gè)水質(zhì)全分析樣品(地表水)。主要檢測(cè)指標(biāo)包括常規(guī)陰陽(yáng)離子、環(huán)境同位素(D、18O)和溶解性有機(jī)組分[3DEEM、總有機(jī)碳(total organic carbon，TOC)、UV254]。水樣采集后，及時(shí)送至有資質(zhì)單位檢測(cè)分析(檢測(cè)單位包括清華大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所和中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司)。利用Corel DRAW軟件繪制相關(guān)圖件，利用Origin2018和Excel等軟件分析相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果與討論

4.1 無機(jī)水化學(xué)特征

地下水量質(zhì)特征分布的主要規(guī)律之一是其分帶性，主要表現(xiàn)為水文地質(zhì)動(dòng)力分帶和水文地球化學(xué)分帶。

4.1.1 各含水層基本特征

(1)地表水：研究區(qū)主要地表水體為納林河，水中礦化度較低(圖3)，濃度為303.00 mg/L，pH=7.50，屬于弱堿性水，HCO3-Ca型的水化學(xué)類型與大氣降水相同。

圖3 研究區(qū)各含水層水中TDS濃度Fig.3 TDS concentration of each aquifer

4.1.2 含水層特征綜合分析

圖4 各含水層水化學(xué)piper三線圖Fig.4 Piper three line diagram of each aquifer

圖5 各含水層水化學(xué)Ludwig Langelier圖Fig.5 Ludwig Langelier diagram of each aquifer

4.2 同位素水化學(xué)特征

第四系→白堊系→直羅組→延安組，環(huán)境同位素含量表現(xiàn)為向深部含水層演化的特點(diǎn)(圖6)，其中雨水和地表水中氘(δD)氧(δ18O)值分別高于-50.0‰和-8.0‰；進(jìn)入地下含水層后，淺部的第四系和白堊系含水層中δD、δ18O值略降至-59.7‰～-70.6‰和-8.0‰～-9.4‰；當(dāng)?shù)叵滤徛聺B至深部侏羅系地層，δD、δ18O值則進(jìn)一步降低(分別小于-88.0‰和-11.0‰)，且落在全國(guó)雨水線和鄂爾多斯盆地雨水線下端，屬于循環(huán)深度較深，在煤炭開采前為封閉條件較好的滯流地下水，來源于古氣候條件下形成的古溶濾水-滲入水。

圖6 不同水源類型δD-δ18O關(guān)系示意圖Fig.6 δD-δ18O diagram of different water sources

4.3 有機(jī)水化學(xué)特征

圖7 地下水中TOC和UV254濃度特征Fig.7 TOC and UV254 characteristic of each aquifer

根據(jù)天然有機(jī)質(zhì)分類[21-23]，DOM三維熒光光譜圖(圖8)中主要包括5種類型，鑒于水體中DOM濃度普遍較低，其DOM熒光峰類型和強(qiáng)度均相對(duì)較弱。地表水的DOM熒光光譜圖中出現(xiàn)了5個(gè)熒光峰：Ⅰ區(qū)(芳香族蛋白質(zhì)-酪氨酸)，熒光峰強(qiáng)度(fluorescence intensity，F(xiàn)I)FI=433.2 QSU；Ⅱ區(qū)(芳香族蛋白質(zhì)Ⅱ-色氨酸)，F(xiàn)I= 433.4 QSU；Ⅲ區(qū)(類富里酸)-疏水性有機(jī)酸，F(xiàn)I= 551.9 QSU；Ⅳ區(qū)(溶解性微生物代謝產(chǎn)物—含色氨酸類蛋白質(zhì))，F(xiàn)I= 340 QSU；Ⅴ區(qū)(類腐殖酸—海洋性腐殖酸)，F(xiàn)I=555.7 QSU；地表水直接接受地表動(dòng)植物和人類活動(dòng)的溶解性有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致水體中有機(jī)質(zhì)濃度和熒光強(qiáng)度均較高。第四系水中DOM熒光光譜指紋圖主要與地表水體相似，主要出現(xiàn)了Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅴ區(qū)的熒光峰，Ⅰ區(qū)的FI=384.6～560.8 QSU，該熒光峰非常顯著，可以作為民井第四系水的標(biāo)志；Ⅲ區(qū)和Ⅴ區(qū)的熒光峰差異極大，其中#1-2水樣中Ⅲ區(qū)和Ⅴ區(qū)熒光峰強(qiáng)度分別為1 334 QSU和1 378 QSU；其他水樣則分別為70.52～509 QSU和58.75～529 QSU。白堊系志丹群水樣中DOM熒光光譜指紋圖與第四系水存在一定差異，Ⅰ區(qū)的FI=65.46～274.7 QSU；Ⅱ區(qū)的FI= 76.27～306.8 QSU；Ⅴ區(qū)的FI= 100～376.7 QSU，反映了白堊系志丹群地下水中溶解性有機(jī)質(zhì)濃度小于第四系，標(biāo)志性熒光峰位置出現(xiàn)在Ⅴ區(qū)。更深部的直羅組含水層，盡管淺部來源的DOM消耗殆盡，但由于直羅組屬于相對(duì)富水含水層，出現(xiàn)了三個(gè)熒光峰，Ⅰ區(qū)的FI=151.7～173.1 QSU，Ⅱ區(qū)的FI=99.59～169.1 QSU，Ⅴ區(qū)的FI=150.3～622.5 QSU。特別是Ⅴ區(qū)熒光峰強(qiáng)度較高，進(jìn)一步證明了直羅組地下水存在其他來源的DOM。延安組含水層可能受到頂板來水和地質(zhì)沉積等因素的影響，其上部主要出現(xiàn)了三個(gè)熒光峰，Ⅰ區(qū)的FI= 121.8～253.1 QSU，Ⅱ區(qū)的FI= 115.3～256.5 QSU；Ⅴ區(qū)的FI= 157.9～611.1 QSU。

圖8 地下水中DOM的3DEEM光譜圖Fig.8 3DEEM spectrogram of DOM in groundwater

5 結(jié)論

(2)本地區(qū)雨水、地表水和第四系水屬于現(xiàn)代地下水，白堊系志丹群水則介于現(xiàn)代地下水和古水之間；深部直羅組和延安組地下水，δD、δ18O值均較低，且落在鄂爾多斯盆地雨水線下端，為循環(huán)深度較深，采礦前為封閉條件較好的滯流狀態(tài)地下水。

(3)地下水中溶解性有機(jī)質(zhì)含量(TOC和UV254)隨著含水層深度增加而逐漸降低；地表水和第四系水中主要出現(xiàn)了Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的熒光峰，其中地表水中DOM來源更加豐富；白堊系志丹群、直羅組和延安組水中也出現(xiàn)了Ⅰ區(qū)的熒光峰，在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間的熒光峰具有標(biāo)志性，另外Ⅴ區(qū)熒光峰也具有標(biāo)志性；白堊系→直羅組，Ⅴ區(qū)熒光峰強(qiáng)度有增大趨勢(shì)，表明深部直羅組含水層存在其他來源的腐殖質(zhì)類DOM。

(4)利用無機(jī)、有機(jī)和同位素等手段開展煤礦區(qū)各含水層水化學(xué)特征綜合分析，很好地解決了單一手段存在的不足，實(shí)現(xiàn)了各含水層之間水文地球化學(xué)特征差異的有效區(qū)分，有助于井下突(涌)水水源的快速準(zhǔn)確判別。