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        東灘礦奧陶系灰?guī)r地下水水化學(xué)特征與成因

        2021-11-09 07:58:36侯俊華謝春雷張冬
        山東煤炭科技 2021年10期
        關(guān)鍵詞:兗州奧陶系水化學(xué)

        侯俊華 謝春雷 張冬

        (兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦,山東 鄒城 273512)

        兗州煤田為山東省境內(nèi)最大的煤炭生產(chǎn)基地,東灘礦區(qū)位于兗州煤田東部,經(jīng)過(guò)多年的開發(fā)與利用,淺部煤炭資源的開發(fā)已經(jīng)步入后期,深部煤層的開采成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)[1]。礦區(qū)深部煤炭資源位于奧陶系灰?guī)r之上,在開采的過(guò)程中奧陶系灰?guī)r地下水為潛在的主要水害之一[2]。因此研究東灘礦區(qū)奧陶系灰?guī)r地下水的水化學(xué)特征及成因,具有重要的意義。

        論文以山東東灘礦區(qū)奧陶系灰?guī)r水為研究對(duì)象,采用Piper 三線圖、離子比例系數(shù)及飽和指數(shù)等方法,分析奧灰水的離子成分、水化學(xué)特征,對(duì)礦區(qū)開采過(guò)程中水害防治和水源識(shí)別具有重要意義。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        東灘礦區(qū)位于兗州煤田,山東省鄒城市西北部,跨兗州、曲阜、鄒城三市(區(qū)),區(qū)內(nèi)主要河流有白馬河,屬溫?zé)釒н^(guò)渡型季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,年平均溫度為14.4 ℃,年平均降雨量752.9 mm[3]。

        東灘礦井位于兗州向斜的核部和深部,以寬緩的褶皺為主,伴有一定數(shù)量的斷裂構(gòu)造。斷層主要是高角度的正斷層,較大的斷層分布在井田的東部和北部邊緣,或?yàn)榫镞吔?。該區(qū)主要含水層自上而下分別為侏羅系砂巖含水層、二疊系砂巖含水層、石炭系灰?guī)r含水層、奧陶系石灰?guī)r含水層。

        研究區(qū)奧陶系灰?guī)r主要以淺灰色或灰白色石灰?guī)r為主,石灰?guī)r致密堅(jiān)硬,溶洞比較發(fā)育,屬巖溶裂隙承壓含水層。研究區(qū)構(gòu)造較為良好,與煤系含水層發(fā)生聯(lián)系,奧灰水可成為這些含水層的主要充水水源。

        1.2 數(shù)據(jù)及分析

        本文收集和整理了東灘礦區(qū)奧陶系灰?guī)r含水層(以下簡(jiǎn)稱奧灰水)水樣的常規(guī)離子數(shù)據(jù),其中 常 規(guī) 離 子 有Cl-、SO42-、HCO3-、Na++K+、Ca2+、Mg2+。水樣合計(jì)44 個(gè),均通過(guò)主要陰陽(yáng)離子的平衡計(jì)算檢驗(yàn)。

        采用繪圖程序GW Chart 繪制奧灰水水樣的Piper 三線圖,離子比例系數(shù)圖由Origin2021 軟件繪制,水樣中的石膏、方解石和白云石的飽和指數(shù)由PHREEQC 軟件計(jì)算。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 水化學(xué)類型特征

        表1 奧灰水水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表(mg/L)

        Piper 三線圖可以表征地下水各離子的含量特征與水化學(xué)類型。由圖1 可以看出,研究區(qū)奧灰水的大部分水化學(xué)類型為SO4-Ca·Mg 型,有少部分水化學(xué)類型為SO4-Ca 型,推斷東灘礦區(qū)奧灰水在滲透過(guò)程中伴隨著硫酸鹽礦物(如石膏)的溶解。

        圖1 奧灰水Piper 三線圖

        2.2 離子比例系數(shù)分析

        利用地下水中的離子比例的比值,可進(jìn)一步分析研究區(qū)中主要離子的來(lái)源。從上述內(nèi)容可以看出,東灘礦區(qū)奧灰水的水化學(xué)特性主要為SO4-Ca·Mg 型和SO4-Ca型,故主要對(duì)這幾個(gè)離子的來(lái)源進(jìn)行探討。

        地下水中Ca2+和Mg2+的來(lái)源可以由γ

        圖2 奧灰水不同離子空間分布圖

        圖3 地下水離子比例關(guān)系圖

        2.3 飽和指數(shù)分析

        礦物飽和指數(shù)(SI)可表示地下水中某種特定礦物的飽和程度,可判斷溶液與固相是否處于平衡狀態(tài)。其計(jì)算公式為:

        式中:IAP為礦物在水中的離子活度積,K為溶解時(shí)平衡常數(shù)。若SI<0,該礦物相對(duì)水溶液未達(dá)到飽和狀態(tài);若SI=0,水溶液與礦物正處于平衡狀態(tài);若SI>0,該礦物處于過(guò)飽和狀態(tài)[5]。一般認(rèn)為當(dāng)SI在-0.5~0.5 之間時(shí),水溶液與礦物達(dá)到平衡狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算可以得出石膏、白云石、方解石的飽和指數(shù)。

        圖4 奧灰水中主要飽和指數(shù)空間分布圖

        3 結(jié)論

        (1)研究區(qū)奧灰水為高礦化度水,陰陽(yáng)離子分別以SO42-和Ca2+為主,水化學(xué)類型主要為SO4-Ca·Mg 和SO4-Ca 型,水中離子的變異系數(shù)較小,水環(huán)境較穩(wěn)定。

        (2)離子比例系數(shù)結(jié)果表明,研究區(qū)奧灰水受蒸發(fā)巖礦物的溶解作用強(qiáng)烈。

        (3)研究區(qū)奧灰水中石膏溶解占主導(dǎo)地位,石膏在水中發(fā)生溶解。白云石和方解石處于飽和狀態(tài),碳酸鹽礦物溶解較少。

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