復雜構造井田含水層特征及其水力聯系辨識

喬元棟，孟召平，張 村，程岳宏，史利章，徐 愛，張 強，李 琰

(1.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.山西大同大學 建筑與測繪工程學院，山西 大同 037003；3.中海油研究總院，北京 100027；4.晉能控股煤業集團 北辛窯煤業有限公司，山西 忻州 036700)

礦井突水一直是影響煤田安全生產的主要因素。我國煤礦水害事故造成了極為慘重的損失，在礦井生產事故中所占比例僅次于瓦斯事故[1-3]。為了保障礦井建設和生產正常進行，保證煤礦工人的人身安全，降低突水事故的發生概率和危害程度，必須采取相應預防和治理技術。而對構造控水機理及突(涌)水源的準確辨識，不僅可有效預防礦井突水等地質災害，還可指導突水應急救援及治理[4-5]。礦井突水水源的判別、各含水層之間的水力聯系，是斷層發育地區含水層突水治理的重要問題[6- 7]。

基于此，筆者以北辛窯井田各含水層水力聯系辨識為研究對象，在常規水化學分析、微量元素、等常規手段的基礎上，提出同位素示蹤水源判斷方法，在各含水層水力聯系綜合分析的基礎上，構建相應的水源識別圖版，進一步劃分或區分不同含水層的水源，可為突水水源提供水質依據。

1 礦井水文地質條件

北辛窯井田處于寧武煤田中北部轉折端，由于受多期構造應力場影響與控制，為不同期次、不同性質以及不同方向的地質構造相互疊加、改造形成的復合型構造體系，拉張、擠壓、扭動等多種構造行跡并存，斷層、節理、褶皺、層間滑動等各種構造類型皆有發育，但現今以斷裂構造占主導地位，尤以高角度正斷層為主，逆斷層較少，基本不發育，北辛窯井田與周邊井田構造如圖1所示[13]。北辛窯井田地下水的化學成分極其復雜，不僅與周圍的介質密切相關，而且與構造復雜導致各含水層水力聯系有關。在北辛窯礦巷道掘進過程中很難判斷涌水水源，進而無法針對性的提出防治水措施，因此準確地判斷充水水源顯得尤為重要。

圖1 北辛窯井田周緣構造綱要

依據地下水含水介質及賦存條件，井田內發育奧陶系巖溶裂隙含水層、太原組砂巖裂隙與孔隙含水層、山西組砂巖裂隙與孔隙含水層、石盒子組砂巖裂隙與孔隙含水層、第四系松散層孔隙含水層，各含水層的相對位置如圖2所示。

圖2 北辛窯井田主要含、隔水層柱狀

奧陶系巖溶裂隙含水層水位標高為+1 056.56～+1 077.13 m，富水性由中等到強，地下水礦化度231.33～748.53 mg/L，水化學類型為HCO3-Na·Ca,HCO3-Ca,HCO3-Ca·Mg型，地下水水質良好。太原組砂巖裂隙含水層水位標高+1 063.50～+1 190.24 m，富水性弱到中等，砂巖裂隙水礦化度為347.51～898.82 mg/L，水化學類型為HCO3-Na,HCO3-Na·Ca, HCO3·SO4-Na·Ca型。山西組砂巖裂隙含水組水位標高+1 098.26～+1 242.34 m，富水性弱到中等，礦化度為347.51～833.07 mg/L，水化學類型為HCO3·SO4-Na·Ca型為主。石盒子組砂巖裂隙含水組水位標高+1 182.78～+1 290.54 m，富水性弱到中等，裂隙水礦化度為549.79～910.91 mg/L，水化學類型為HCO3·SO4-Na,HCO3·SO4-Na·Ca,HCO3-Na型。新生界含水層地下水位埋深較淺，水位標高+1 245.85～+1 283.95 m，富水性弱到中等，地下水礦化度201.28～938.30 mg/L，水化學類型為HCO3·SO4-Na·Ca,HCO3-Ca·Mg型。

2 常規離子特征分析

為了客觀、準確了解井田含水層的特征，筆者采用水文地球化學的方法，分別對不同含水層、不同地區采集水樣，測定水化學組分，具體水樣采集位置及日期見表1。同時收集以往水文化學測試數據，分析各含水層組的地下水水化學類型。

表1 含水層采集樣品信息

2.1 新生界與石盒子組含水層

2.2 石盒子組與山西組含水層

2.3 山西組與太原組含水層

2.4 太原組與奧陶系含水層

3 微量元素變化特征分析

圖4 各含水層地下水中微量元素質量濃度

含氟礦物是地下水中F-質量濃度高的來源。水中富集氟的條件，一方面是氟在堿性水中易于遷移，另一方面是巖石中的氟含量高。由于和Ca2+能形成難溶的CaF2，所以F-的活動性是有限的，在新生界含水層因為地下水運移迅速，氟質量濃度比較低，而奧陶系地下水Ca2+質量濃度較高，所以氟質量濃度也很低。從圖5可以看出，2018年12月到2019年4月，石盒子組含水層F-質量濃度較低且在抽水過程中同時不斷降低，而石盒子組與山西組含水層混合水F-質量濃度也降低，具體如圖5所示，說明石盒子組含水層存在F-質量濃度較低的新生界或者奧陶系含水層的補給。

圖5 各含水層地下水中F-質量濃度變化

山西組含水層F-質量濃度比較高，可能與山西組存在的煤系水中富含有機質有關，氟和碘、溴一樣，能為生物所儲集。因此2018年12月到2019年4太原組F-質量濃度上升，是由于山西組地下水混入的影響，說明山西組和太原組有水力聯系。

4 同位素特征分析

4.1 δD和δ18O特征分析

由于水分子由氘、氧2種元素組成，在自然界不同類型水體之間的成因聯系，了解大氣降水的時空變化和環境控制因素，示蹤水循環等方面，氘氧同位素起著不可替代的作用[14-15]。

按照季節變化先后3次取樣，共完成16個樣品的測試，測試結果見表2。最終結果以SMOW即標準平均海洋水的千分差的形式表示，即

表2 氘氧穩定同位素(δD,δ18O)檢測結果

(1)

式中，Rsample為水樣中穩定核氧(氫)同位素比率；RSMOW為維也納標準平均海洋水中穩定氧(氫)同位素比率。

盡管在世界范圍內大氣降水的氘氧同位素組成會隨時間和空間變化很大，但在各個地區都有反映各自降水規律的降水線(LMWL)，在一定范圍變化不大，研究區緊鄰太原，故以太原地區的大氣降水的氘氧同位素，建立當地大氣降水線方程(LMWL)為

(2)

根據汾河中游地表水的δD和δ18O數據，可以建立當地蒸發線(EL)的方程為

(3)

全球降水線方程(GMWL)的方程為

(4)

用克雷格溫度效應公式進行反饋驗證：

δ18O=0.695T-13.6‰

(5)

δD=5.6T-100‰

(6)

其中，T為當地年平均溫度，℃。式(5),(6)表明大氣降水中的δD，δ18O與當地平均氣溫的關系。北辛窯地區年平均溫度6.7 ℃，代入式(5)和(6)，得δ18O=-8.943 5‰，δD=-62.48‰，將δ18O=-8.943 5‰代入式(3)，得δD=-62.077 2‰，和式(6)驗證結果僅差0.402 8‰，說明式(2)可代表北辛窯井田區域的降水線。

根據采集樣品的δD，δ18O同位素關系(圖6)，前11個樣品均分布于大氣降水線右下方，沿大氣降水線展布，反映了本區不同時間，大氣降雨滲入地下含水層，充分混合后δD，δ18O值仍然符合雨水線的線性關系，表明本區水源均來自大氣降水補給。第1次采集樣品中(1～5號)，4、5號山西組、2號二疊系樣品落點很近，處于δD偏輕端，可能為同一補給水源，且δD的值相對較小，反映了年代相對較老的含水層(表2)；3號石盒子組樣品處于中部，與其他樣品分屬不同的補給水源；1號太原組與其他樣品落點區不同，處于最偏輕端。表明1號水中有地表水或者新生界水的混入，也不排除在處理過程中混入了自來水的影響。

圖6 樣品δD，δ18O關系

第2次采集樣品中(6～11號)，7號山西組與4號樣品為同一取樣點，不同時期的水，其與第1次取樣結果相似，落于δD偏輕端，9號太原組也落于偏輕端，可能為同一補給來源，通過2,4，5,7和9號樣品可判定山西組和太原組氘氧同位素相近，也與奧陶系16號樣品落點相近，均屬于偏老的含水層，之間存在水力聯系；6號石盒子組與3號樣品為同一取樣點不同時期的水，其跟第1次取樣結果相似，落于中端，可以判定與山西、太原組基本無水力聯系；10號為恢河水樣、11號為神頭泉水樣和8號二疊系混合水，處于δD偏重端，δD的值比較小，反映了年輕地層或與空氣接觸較多的水，以及3號、6號石盒子組和10號恢河樣品相似，可能有地表垂向水源補給，也進一步判定石盒子組和新生界及地表水是存在水力有聯系。第3次采集樣品中(12～15號)奧陶系含水層樣品基本與大多數太原組和山西組所落的區域一致，可以確定山西組和太原組地下水有奧灰水的混入。

進一步對2次采集的樣品疊加對比，發現3號和6號南翼回風巷石盒子組水樣2次的氘氧同位素變化不大，基本處于同一位置；4號和7號南翼運輸巷山西組水樣2次氘氧同位素變化也不大，處于同一位置；但南翼回風巷山西組和運輸巷太原組水樣差異較大，可判定為不同的補給水源，2者無水力聯系，但3號和6號與10號恢河水樣位置近，處于偏重端，可推斷南翼回風巷與上覆新生界或地表水存在一定水力聯系。9號為首采工作面底板太原組水樣和5號BK16井太原組水樣氘氧同位素差異不大，處于偏輕端，且與奧灰的落區很近，與下伏奧灰存在水力聯系；2號和8號為回風立井井壁滲流的水樣，由于回風立井穿過山西組、石盒子、新生界含水層，因此2號和8號為混合水，而該區這2次樣品也分布于兩端，表明2號樣品多為山西組的水，8號取的多為石盒子的水，存在上覆年輕地層水的補給，進一步證明石盒子組和新生界水在部分區域存在水力聯系。

綜上，由δD，δ18O同位素分析可知，石盒子組與新生界含水層有水力聯系，奧陶系含水層與太原組、山西組有水力聯系。

4.2 氚(3H)特征分析

由于天然氚和人工氚在大氣中形成氚水后遍布于整個大氣圈，其降雨對現代環境水起著標記作用，相當于大規模全球性投放的示蹤試驗，因此可以利用氚含量研究和追蹤地下水運動狀況。由于氚含量在自然環境的分布還具有季節、大陸、緯度、高度效應等因素，要得到歷年當地大氣降雨中的氚含量是較為困難的，因此利用氚含量測定地下水年齡也是比較困難的，一般情況只能得出半定量的評價。但地下水中氚含量與降雨補給有緊密聯系，應用地下水氚同位素能有效評估當地降雨入滲補給情況[16-17]。北辛窯井田各含水層所取的16個樣品的檢測結果及指標見表2。

由表2和圖7可以看出，恢河水樣的氚含量為(3.9±0.21)TU，表明該區域地下水和地表水的混合水為次現代水，神頭泉氚含量比恢河高，說明神頭泉有大氣降水補給。其他9個含水層樣品氚含量顯示，1號太原組水達到7.3，數值偏大，反映了有新水或自來水混入，為現代水，與上述氘氧分析認識一致，可能處理時有自來水混入。南翼回風巷石盒子組3號樣品氚含量大于5 TU，為現代水；其余7個樣品氚含量處于1.5～4.3 TU，均為次現代水。

圖7 各取樣點氚含量

南翼回風巷(石盒子組)含水層從2018年12月氚含量(5.7±0.2)TU降低為2019年4月氚含量(1.5±0.1)TU，2018年水樣應為現代水，在長時間的抽水過程中，石盒子組含水層的水越來越老，2019年4月的水樣演化為次現代水，表明該區石盒子組含水層在初始情況下與新生界含水層存在混合，以至存在現代水，故而存在水力聯系，但新生界補水量不足，在長期抽水過程中回歸為次現代水。

回風立井(石盒子與山西組)3次采樣氚含量逐漸變小，說明回風立井中有年輕地下水混入，但是南翼運輸巷(山西組)3次采樣氚含量在誤差范圍內穩定，說明石盒子組有新生界含水層的混入，而山西組與新生界無水力聯系。

1號太原組氚含量為7.3 TU，參考表2判斷為現代水，說明1號太原組有新生界含水層地下水的混入，這與δD，δ18O值分析一致。而同一位置5月份采集的9號太原組氚含量與回風立井(石盒子與山西組)、南翼運輸巷(山西組)差異極小，而且BK16(山西組與太原組)混合地下水氚含量為3.1 TU，說明太原組與山西組存在混合。BKS27太原組與BKS14(奧陶)、BK16(奧陶)含水層氚含量相差很小，說明太原組和奧陶系含水層有水力聯系。

另外，2次采樣結果中，南翼回風巷(石盒子組)地下水的氚含量及特征與南翼運輸巷(山西組)相比差異較大，可以判斷該區域山西組和石盒子組不存在水力聯系；石盒子組前后2次采樣地下水氚含量大幅度降低，表明有新生界含水層補充；而南翼運輸巷(山西組)氚含量基本穩定，說明山西組含水層有穩定的年齡較老的地下水進行補給，但與新生界含水層并無水力聯系。

綜上，通過氚同位素示蹤可確定，石盒子組含水層與新生界含水層的地下水存在水力聯系，太原組與山西組、太原組與奧陶系含水層有水力聯系。

4.3 地下水年齡(14C)的確定

放射性碳(14C)是區域含水層研究中應用最廣泛的測年技術[18-19]，筆者應用了地下水放射性測年技術，即通過14C同位素來研究各含水層的水力聯系。上述16個樣品的14C同位素測試采用超低本液體閃爍能譜儀完成，測試結果見表2，14C年齡小于1 ka可以評估為現代水。神頭泉地下水年齡為0.34 ka B.P.為現代水，說明神頭泉所取水樣為地表水。

通過3次采樣結果顯示(圖8)，3號、6號石盒子組含水層采樣前后14C年齡穩定不變，說明抽水過程中，雖然改變了地下水流場，但是沒有改變地下水的年齡。回風立井(石盒子組與山西組)含水層中地下水3次采樣過程中，地下水年齡先減小后增大，說明石盒子組與山西組的混合水不斷有年輕的地下水混入，后來抽水強度大于新生界補給速度，年輕的地下水不斷減少，地下水年齡變老，且抽水前后回風立井(石盒子與山西組)地下水14C年齡穩定不變，說明石盒子組含水層地下水14C年齡范圍在2.28～2.69 ka。

圖8 含水層地下水14C年齡分布

長時間抽水過程中，南翼運輸巷(山西組)含水層地下水14C年齡不斷變老，且年齡與同時期采集的太原組含水層地下水14C年齡相差極小，說明地下水有年老的地下水補給。

1、9號太原組地下水14C年齡相差不大，且在山西組含水層年齡范圍內，說明太原組和山西組含水層地下水存在混合。BKS27太原組地下水14C年齡大，說明有年老的地下水，即奧陶系含水層混入。BK16(山西組與太原組)和BK16(奧陶)2個水樣地下水年齡差異極小，進一步說明太原組和奧陶系含水層存在水力聯系。

18O同位素顯示，BKS14(奧陶)地下水δ18O 值比太原組小，說明BKS14不存在碳酸鹽溶解使得δ18O 值上升，因此BKS14地下水碳同位素14C含量降低沒有碳酸鹽溶解影響，使得14C含量降低的原因來源于有機質氧化，也就是死碳。由于山西組煤系地層富含有機質，所以經過氧化生成了13C，從而使得14C含量降低，因此奧陶地下水14C年齡比山西組和太原組小。在長期的煤礦開采過程中，山西組、太原組、奧陶系含水層3者間相互混合。綜上，石盒子組含水層與新生界存在水力聯系，山西組、太原組、奧陶系含水層3者間相互混合。

5 含水層水源識別圖版與水源分析

通過水化學類型、常規離子間的關系、氘氧氚以及14C同位素系統分析，認為北辛窯井田、山西組和太原組在多數地區與下伏奧灰水存在水力聯系，特別是斷裂發育的地區聯系更緊密。山西組和太原組與石盒子組、新生界以及地表水基本不聯系，但在斷裂帶發育區，局部可與石盒子或新生界含水層聯系，但聯系相對較弱。為了方便后期快速鑒別礦井突水水源，在常規水化學分析、微量元素、同位素等多手段對各含水層水力聯系綜合分析的基礎上，構建相應的水源識別圖版，為辨識不同含水層的水源，突水水源提供水質依據。

5.1 常規水化學組分識別圖版

本次研究收集以及采集的樣品共68個，為了確保本次識別圖版的可靠性，統一選取聚類圖上聚類不大于5的樣品作為此次研究的對象。

圖9 北辛窯井田含水層識別圖版

5.2 氘氚同位素識別圖版

大量研究表明，放射性同位素和14C同位素，可以準確確定地下水的來源。在上述各類同位素對含水層水力聯系分析的基礎上，建立了δD-δ18O同位素識別圖版，并得到了14C及3H同位素的驗證，北辛窯井田奧灰水的δD含量，δ18O含量，處于偏輕端；山西組含水層δD含量，δ18O含量，太原組含水層δD含量，δ18O含量，6個樣品基本疊置，并也落在奧灰水偏輕端區域，也反映了本次山西組和太原組水樣均有奧灰水的混入；石盒子組含水層δD含量，δ18O含量，處于中部偏重端，接近地表水；地表水δD含量，δ18O含量，處于偏重端，具體如圖10所示。

圖10 北辛窯井田含水層δD-δ18O同位素識別圖版

6 結 論

(1)常規離子特征分析表明新生界與石盒子組含水層屬于獨立的含水系統；石盒子組與山西組含水層同樣為2個獨立的含水系統，僅在斷裂帶區域存在水力聯系；太原組與山西組在井田大部分地區存在水力聯系；奧陶系與太原組含水層存在顯著水力聯系，局部向上擴展到山西組下部含水層。

(2)山西組和太原組含水層中的微量元素質量濃度相近，初步確定2者存在一定水力聯系；通過抽水過程中太原組F-質量濃度的上升，進一步確定山西組和太原組存在水力聯系。石盒子組含水層存在F-質量濃度較低的奧陶系含水層的補給，表明石盒子組與奧陶系含水層存在水力聯系。

(3)氫氧同位素分析得出石盒子組與新生界含水層有水力聯系，奧陶系含水層與太原組、山西組有水力聯系；氚同位素示蹤可確定石盒子組含水層與新生界含水層的地下水存在水力聯系，太原組與山西組、太原組與奧陶系含水層有水力聯系；14C同位素示蹤表明石盒子組含水層與新生界存在水力聯系，山西組、太原組、奧陶系含水層3者間相互混合。

(4)綜合常規離子、微量元素和同位素3種方法最終確定北辛窯井田奧灰水和砂巖孔隙裂隙水主要來自大氣降水補給；在井田大多數地區奧灰水與太原組、山西組地下水存在水力聯系，奧灰水發生了垂向越流；新生界與石盒子組存在水力聯系，石盒子和新生界與山西組、太原組聯系微弱。