张 苗,陈陆望,姚多喜,张 杰

(1.安徽理工大学 地球与环境学院,安徽 淮南 232001; 2.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

煤炭是我国能源工业的重要资源,而华北煤田占全国煤炭产量的60%以上[1]。目前,浅部煤炭资源逐渐开采殆尽,深部煤层正成为华北地区煤炭开采的新目标。由于深部煤层的开采会导致岩体结构破坏和地下水循环状态改变,进一步导致深部地下水化学异常,采煤与地下水资源管理因此发生冲突[2-4],矿区的水质和水环境问题越来越受到人们的重视。

华北地区太原组灰岩(简称“太灰”)含水层因富水性强和裂隙发育成为矿区的主要突水含水层之一[5],严重威胁煤矿开采。一方面,高压岩溶水影响煤矿开采的安全和效率;另一方面,煤矿开采破坏地下水系统,影响地下水的水质和储量,并造成深部地下水化学异常。因此,了解太灰地下水的水文地球化学形成对采煤安全和水资源管理具有重要意义。已有相关研究大多利用水化学方法预防岩溶水害,如文献[6]研究采煤对水循环的影响,给出保水采煤的建议;文献[7]通过距离判别法预测相似矿区的突水;文献[8]采用主成分分析和马尔可夫链蒙特卡洛的贝叶斯方法判别水源以指导矿山水害。上述研究多从采煤对地下水的影响来分析突水问题或进行简单的水化学判别,忽略了含水层自身的水文地球化学形成作用。由于地下水的化学特征主要受降雨、流域、含水层结构和矿物成分等的影响,在一定程度上,水化学成分记录了地下水补给源、迁移和循环的信息[9],而水岩相互作用对地下水化学成分存在重要影响。

本文从地下水化学成分形成的角度分析安徽淮北煤田宿县矿区石炭系太灰地下水,综合运用Piper三线图、Gibbs图、相关性分析、主成分分析、离子组合比及饱和指数对宿县矿区东、中、西部地区石炭系太灰地下水进行水文地球化学类型分析,并对水岩相互作用进行深入探讨,旨在揭示矿区石炭系太灰地下水的水文地球化学形成作用及控制因素,充分了解地下水的水化学环境。研究成果可为地下水资源保护和开采管理提供参考。

1 研究区概况

1.1 构造特征与主要含水层

宿县矿区位于华北古大陆板块东南端,东以东三铺断层和固镇—长丰断层为界,南以板桥—固镇断层为界,西以南坪断层为界,北以宿北断层为界。研究区基岩地质简图如图1所示。

图1 研究区基岩地质简图

已有研究资料表明宿县矿区周围的断裂构造控制了该区地下水的水循环条件,使其基本上形成了一个封闭、半封闭水文地质单元[10]。

研究区主要含煤地层为二叠系的山西组、下石盒子组和上石盒子组,含煤地层平均总厚864 m[11]。东部地区有朱仙庄矿和芦岭矿,中部地区有桃园矿、祁南矿、祁东矿和龙王庙矿,西部地区有骑路孙矿、钱营孜矿、双堆矿和邹庄矿。东部地区开采最早,中部地区次之,西部地区最晚。区内采煤主要影响的含水层有4个,按照岩性、含水层介质和埋藏条件自上而下分为松散层孔隙第4含水层、二叠系煤系砂岩裂隙含水层、石炭系太灰岩溶裂隙含水层和奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。松散层孔隙第4含水层一般覆盖在基岩含水层之上,与二叠系煤系砂岩裂隙含水层和岩溶水之间有一定联系;二叠系煤系砂岩裂隙地下水以静储量为主,接受松散层孔隙第4含水层的垂向补给,富水性不足;石炭系太灰地下水主要赋存于碳酸盐岩溶溶隙内;奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层位于石炭系太灰岩溶裂隙含水层之下并与其类似,含水层厚度较大,富水性较强。区内太灰含水层岩溶裂隙发育、富水性强,是影响采煤安全的主要灰岩含水层。因此,选取石炭系太灰地下水为研究对象。

1.2 岩性特征

宿县矿区内石炭系缺失下石炭统地层,仅包括石炭系中、上统,发育不够完整,地层厚度在130～230 m之间。中石炭统本溪组以铝质泥岩为主,夹0.l m浅灰色隐晶质石灰岩。上石炭统主要为太原组,与本溪组平行不整合,主要岩性为灰岩、砂质页岩、泥岩夹薄煤层,但煤层不稳定且厚度不大(小于5 m),一般不易开采。钻孔资料显示,研究区太灰中碳酸盐矿物以方解石和白云石为主,含薄层泥页岩与煤,黄铁矿含量较高[12-14]。该区石炭系太灰地下水具有的潜在反应物包括碳酸盐矿物(方解石、白云石)、硫酸盐矿物(石膏)、黄铁矿和黏土矿物等。石炭系太灰地下水主要赋存于石灰岩岩溶裂隙内[15],富水性大小受岩溶发育程度控制。

2 数据来源与研究方法

(1)

其中:E为相对误差, 该值应在±5%以内;下标c、a分别表示阳离子、阴离子;γc、γa为cc、ca与离子自身化合价的乘积,c为离子浓度。经计算,47组水样的离子平衡误差均在±5%以内。

采用AquaChem软件绘制Piper三线图分析石炭系太灰地下水的水化学类型;采用SPSS19.0软件对水样数据进行离子相关性分析和主成分分析,分析主要离子来源;采用水化学模拟软件PHREEQC计算地下水水样中方解石、白云石和石膏的饱和指数(saturation index,SI);采用Origin软件绘制Gibbs图和离子比例系数散点图。

3 结果和讨论

3.1 石炭系太灰地下水化学特征

研究区石炭系太灰地下水化学特征分析结果见表1所列。

表1 研究区石炭系太灰地下水化学特征分析结果

图2 研究区主要离子及TDS质量浓度均值柱状图

(2) 水文地球化学类型及成因。Piper三线图常被用来确定地下水的水文地球化学类型[17]。采用Piper三线图对东、中、西部3个地区的47组水样进行分类,如图3所示。从图3可以看出,研究区石炭系太灰地下水主要被划分为5种水化学类型。

图3 研究区石炭系太灰地下水Piper三线图

东部地区主要为HCO3-Ca·Mg型和HCO3·Na型;中部地区主要为SO4-Na·Ca·Mg型和SO4·Cl-Na型;西部地区主要为HCO3-Na型和HCO3·Cl-Na型。

由此可见,研究区石炭系太灰地下水化学类型具有明显的空间差异性。

Gibbs图多用于确定地表水演化机制,近年来,Gibbs图也被用来分析水化学组分的成因机制[18],以确定蒸发、水岩相互作用和降水对水化学成分的影响。研究区石炭系太灰地下水Gibbs如图4所示。

图4 研究区石炭系太灰地下水Gibbs图

3.2 离子来源分析

3.2.1 相关性分析

不同离子之间并非独立,利用相关性分析可以确定地下水中主要离子之间的联系。3个地区水样水化学组分的Pearson相关性系数矩阵见表2所列。

表2 Person相关性系数矩阵

由表2可知:东部地区Na+与Ca2+、Mg2+的相关系数分别为-0.938、-0.935,可能存在Na+与Ca2+、Mg2+的阳离子交替吸附作用;Ca2+与Mg2+相关系数为0.981,可能存在白云石溶解。中部地区Ca2+、Mg2+与Na+的相关系数分别为-0.913、-0.884,可能存在Na+与Ca2+、Mg2+的阳离子交替吸附作用;SO42-与Ca2+、Mg2+的相关系数分别为0.772、0.808,可能存在石膏溶解。西部地区各组分间相关性均较低,可能同时存在溶滤溶解作用和阳离子交替吸附作用。

3.2.2 主成分分析

水样数据包含多个数据集,对其进行主成分分析,可通过降维将多个变量转换为少数几个相互独立的指标,以综合反映水化学信息[19-20]。利用SPSS19.0对数据进行主成分分析,结果见表3所列,主成分荷载分析结果如图5所示,选取特征值大于1的前2个主成分(principal components,PC) PC1、PC1。由表3可知,前2个主成分的累计贡献率达到92.9%,包含原始水样数据的绝大部分信息。

表3 水样数据主成分分析结果

图5 主成分荷载分析结果

由表3、图5可知,PC1解释了总方差52.1%的信息,以Ca2+、Mg2+和SO42-占较高的正荷载,研究区存在大量碳酸盐矿物、石膏和黄铁矿,其溶解会导致Ca2+、Mg2+、SO42-含量升高; PC2解释了总方差40.8%的信息,以Na+、Cl-和HCO3-占较高的正荷载,Na+和HCO3-高是由于地下水流经岩石时,岩石表面Na+与水中Ca2+发生交换,Cl-高是由于其与Na+伴生于地下水中。因此,PC1可以表示溶滤溶解作用,PC2可以表示阳离子交替吸附作用。

3个地区水样主成分荷载得分如图6所示。东部地区PC1和PC2荷载得分均较低,这是由于东部地区受东三铺断层和固镇—长丰断层影响,水与岩石作用时间较短,导致溶滤溶解作用和阳离子交替吸附作用微弱。

图6 3个地区水样主成分荷载分析结果

中部地区PC1荷载得分高,这是由于中部地区位于宿南向斜附近,岩溶发育且水动力较强,碳酸盐和石膏溶解强烈,且中部地区开采时间较长,采矿使含水层开放而导致黄铁矿氧化;中部地区的PC2得分低,这是由于含水层开放使得阳离子交替吸附作用较弱。

西部地区PC1得分低,这是由于西部地区采煤时间较晚,受到南坪断层和宿南背斜影响,含水

层相对封闭,封闭含水层中氧气不足使黄铁矿氧化减少;西部地区PC2得分高,这是由于水与岩石作用时间较长,导致含水层中阳离子交替吸附作用增强。主成分分析结果表明，研究区石炭系太灰地下水化学成分形成存在较大的空间差异性。

以上研究表明，研究区石炭系太灰地下水化学成分主要受水岩相互作用控制,包括溶滤溶解作用和阳离子交替吸附作用。其中,Na+主要源自阳离子交替吸附作用,Cl-常与Na+伴生于地下水中,Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-主要源自碳酸盐、石膏和黄铁矿氧化的溶滤溶解作用。

3.3 水岩相互作用

文献[21]研究表明,淮北煤田断层一般富水性较弱、导水性差,且大多填充较好,宿县矿区的宿北断层、南坪断层和固镇—长丰断层均具有良好的隔水性,致使矿区内部形成一个较为封闭的水文地质单元。研究区矿井生产期间对部分断层进行抽水试验的结果见表4所列。

表4 宿县矿区部分断层抽水试验结果

从表4可以看出,矿区内部主要断层的富水性弱,导水性较差。本文所有水样直接来自深部地下灰岩抽水孔,该区灰岩水压高,也很难接受其他含水层补给[22],因此,断层和陷落柱导致不同含水层间的混合作用影响较小。

3.3.1 溶滤溶解作用

本文根据Kumar的方法,通过采用离子比例系数揭示含水层的水化学形成机制,分析水化学成因[23-24]。碳酸盐矿物溶解表达式为:

(2)

(3)

(4)

从图7b可以看出,东部地区水样聚集在6∶1线附近,中部地区水样主要集中在6∶1线以下,西部地区主要集中在6∶1线以上。分析其原因,东部地区地下水方解石和白云石同时溶解((4)式),中部和西部地区存在Mg2+与Na+的阳离子交替吸附作用导致Mg2+不足,由于方解石比白云石先溶解,结合图7a可知Ca2+为参与阳离子交替吸附作用的主要阳离子。

Ca2+与SO42-的浓度比可指示地下水中石膏溶解,如果Ca2+仅源于石膏溶解,那么c(Ca2+)/c(SO42-)为1∶1。从图7d可以看出,东部地区水样主要集中于1∶1线下,西部地区主要集中于1∶1线附近,中部地区集中在1∶1线以上,可知东部地区石膏溶解不是Ca2+唯一的来源,Ca2+还有其他来源,如方解石和白云石溶解;西部地区Ca2+与SO42-主要来自石膏溶解;结合主成分分析可知,中部地区位于宿南向斜附近,开采时间较长,采矿活动使含水层开放而导致黄铁矿氧化,导致SO42-过多。

图7 研究区地下水离子关系

石膏溶解、黄铁矿氧化表达式分别为:

CaSO4·2H2O(石膏)→
Ca2++SO42-+2H2O

(5)

FeS2(黄铁矿)+15/4O2+7/2H2O→
Fe(OH)3↓+2SO42-+4H+

(6)

SI可以指示岩石矿物是否具有溶解于地下水的能力[26],可用于定量验证上述离子比例系数法对矿物溶滤溶解作用的分析结果,其判断依据为:若SI大于0,则矿物在水中呈过饱和状态;若SI为0,则矿物在水中呈平衡状态;若SI小于0,则矿物在水中呈不饱和状态。研究区石炭系太灰地下水样中石膏的SI均小于0,可知其在地下水中有进一步溶解的趋势;中部和西部地区方解石和白云石的SI大于0,可知其在地下水中有沉淀趋势;东部地区方解石和白云石的SI绝大多数小于0,可知其在地下水中有进一步溶解趋势。

3.3.2 阳离子交替吸附作用

研究区地层含有黏土矿物,该矿物具有良好的吸附特性,其表面的负离子可以吸附水中的阳离子。阳离子交替吸附作用表达式为：

Ca2+(水)+2Na+(岩石)→
2Na+(水)+Ca2+(岩石)

(7)

图8 γ(Na+-Cl-)与γ(Ca2++Mg2+)-γ(HCO3-+SO42-)关系

4 结 论

(2) 离子相关性分析和主成分分析表明,研究区太灰含水层受水岩相互作用影响,包括溶滤溶解作用和阳离子交替吸附作用。由于区域地质构造影响,石炭系太灰地下水化学成分形成作用存在较大的空间差异性:东部地区受东三铺断层和固镇—长丰断层影响,溶滤溶解作用和阳离子交替吸附作用均较微弱;中部地区受宿南向斜和长期采煤的影响,溶滤溶解作用增强,阳离子交替吸附作用较强;西部地区受南坪断层和宿南背斜的影响,含水层封闭,溶滤溶解作用减弱,阳离子交替吸附作用强烈。