崔俊峰， 李 媛， 王大龍， 鄭潔銘， 汪義龍， 馬永忠， 殷裁云

(1.慶陽新莊煤業(yè)有限公司新莊煤礦,甘肅慶陽 745000；2.中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039； 3.華能煤炭技術研究有限公司，北京 100071)

隨著我國煤炭生產(chǎn)重點逐步西移，鄂爾多斯盆地侏羅系煤炭資源開發(fā)已成為我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。由于該區(qū)域煤層開采條件較好，通常采用大規(guī)模機械化采煤，大尺度工作面機械化開采后對頂板覆巖擾動強度大，工作面回采產(chǎn)生的導水通道很容易溝通上覆含水層，造成工作面頂板水害事故[1]。通過水文地球化學特征研究，可以判斷地下水系統(tǒng)內復雜的地下水補給、徑流、排泄關系，也可以分析各含水層之間的水力聯(lián)系，確定區(qū)域地下水演化規(guī)律及其控制因素[2-5]。因此，水文地球化學特征研究對保護地下水資源和控制開采過程中的水害至關重要[6-9]。

寧正礦區(qū)是我國鄂爾多斯盆地南部典型的侏羅系煤田，主采煤層8煤埋深均超過800m。煤礦開采主要受煤層頂板含水層的影響，主要包括侏羅系延安組、直羅組含水層和白堊系洛河組含水層。寧正礦區(qū)水資源短缺，地下水是該地區(qū)需要保護的重要飲用水資源，煤炭大規(guī)模開采對深埋含水層地下水的水質演變有一定的影響，水文地球化學研究將對后期礦井防治水及生態(tài)保護工作奠定基礎[10]。針對研究區(qū)地表水、第四系、白堊系和侏羅系不同深度水文孔的水樣進行收集和水化學分析，通過分析地下水中主要離子成分和離子比值特征，研究該區(qū)域地下水水文地球化學過程，分析地下水水化學成因和主要影響因素，以期為后期防治水工作奠定基礎。

1 地質及水文地質條件

寧正礦區(qū)所在的陳東盆地屬鄂爾多斯盆地南部，為相對獨立的向斜盆地(也稱慶陽盆地)，為中生代內陸坳陷性盆地，屬穩(wěn)定地塊——華北板塊的組成部分，以深大斷裂為界與秦嶺褶皺系相鄰。

寧正礦區(qū)目前正在建設和生產(chǎn)的礦井有華能煤業(yè)集團的新莊和核桃峪礦井。研究區(qū)屬于半濕潤-半干旱季風氣候，多年平均降水量約為560mm/a，平均蒸發(fā)量約為1 460mm/a。區(qū)內主要地層為第四系、下白堊統(tǒng)志丹群、中侏羅統(tǒng)安定組、直羅組、延安組以及上三疊統(tǒng)延長組。礦井直接充水水源包括白堊系洛河組、侏羅系直羅組及延安組地下水。其中，洛河組含水層平均厚度超過400m，開采煤層與洛河組含水層間距較小，平均為110m，煤層開采形成的導水裂隙帶將會導通洛河組含水層。

根據(jù)地下水的補給、徑流及排泄條件，寧正礦區(qū)地下水系統(tǒng)自上而下可劃分為三個大的系統(tǒng)，分別為黃土及河谷潛水系統(tǒng)(Q)、白堊系地下水系統(tǒng)(K)、侏羅系地下水系統(tǒng)(J)，其中白堊系及侏羅系為承壓含水層，白堊系又包含三個亞含水系統(tǒng)，為涇川組—羅漢洞組(K1jc—K1lh)、環(huán)河組(K1h)和洛河組(K1l)地下水系統(tǒng)(圖1)。

圖1 研究區(qū)含水巖組剖面示意Figure 1 Schematic diagram of the section of water-bearing rock formation in the study area

2 樣品采集與處理

3 結果分析

3.1 水文地球化學特征的聚類分析

針對53個水樣的系統(tǒng)聚類分析結果見圖2a。由圖2a可知，歐式距離小于25時，樣品可分為兩類，G1和G2。盡管G1和G2類樣品中均包含第四系和白堊系地下水樣品，但地表水(S)樣品均在G1類中，侏羅系地下水樣品大都在G2類中。選擇歐式距離小于5時，樣品可分為六類，C1至C6，其中C1和C2屬于G1大類，而C3至C6屬于G2。C1和C2類主要為地表水、第四系和白堊系含水層水；C3類主要為第四系、白堊系含水層水。以上結果表明，地表水、第四系和白堊系含水層水之間存在一定的水力聯(lián)系[11]。C4類主要為白堊系含水層水；C5和C6類均為侏羅系含水層水；該結果表明侏羅系含水層水與其上部各含水層水水力聯(lián)系程度較低。值得注意的是，C3和C4類的白堊系含水層水分別屬于新莊和核桃峪井田，表明兩個礦井的白堊系地下水有明顯差異。另外，白堊系含水層水比較分散，分別屬于三類，這是由于白堊系含水層厚度較大，勘探時期的抽水試驗既有志丹群混合抽水，又有洛河組或環(huán)河華池組單獨抽水導致的。

圖2b為聚類分析結果的各類樣品的Stiff圖。圖2b表明，G1和G2類樣品的最大差異是離子濃度的差異，G1類樣品的離子濃度遠小于G2類。G2類中，C5和C6類水樣中各離子濃度含量最高，其次為C3和C4。

a.樹狀圖 b.Stiff圖

3.2 水化學分布特征及演化規(guī)律

3.2.1 水化學特征隨地下水位埋深的分布規(guī)律

從地下水動力學角度看，水巖相互作用的程度取決于地下水的滯留時間，與地下水年齡密切相關的水位埋深可作為水巖相互作用程度的指標[14-15]。圖3顯示了除C6外各水化學指標隨地下水位埋深的變化趨勢。

圖3 地下水化學成分隨深度變化Figure 3 Map of groundwater chemical composition variation with depth

式中，Φ(t)為沖擊波波陣面在拉格朗日坐標系下的位置。結合初始條件v(0) = V0，式(8)可以給出：

此外，不同深度的地下水TDS變化有不同的趨勢。淺埋地下水TDS隨深度略減小，在中部隨深度幾乎保持不變，在深部則有明顯的隨深度增大趨勢，尤其是C5。該結果表明，深部含水層地下水，特別是C5代表的侏羅系含水層地下水的滯留時間是最長的，其水巖相互作用程度要遠遠高于其上部的各含水層地下水。

3.2.2 地下水水化學組分控制作用

圖4 各含水層地下水Gibbs圖Figure 4 Gibbs diagram of groundwater in each aquifer

深部含水層地下水樣品位于蒸發(fā)濃縮區(qū)與其Na+和Cl-高有很大關系。但在地下水中，Cl-作為惰性元素極少參與地球化學反應，因此Cl-的增加一般作為地下水滯留時間的指標[20]。C3、C4、C5和C6中Cl-的平均濃度分別為713mg/L、1 213mg/L、1 940mg/L和2 490mg/L，遠高于C1和C2的73.51mg/L和166mg/L。圖3中也顯示Cl-的濃度呈現(xiàn)隨深度增加的趨勢，推測是由于埋深越深，地下水滯留時間越長造成的。

綜上，寧正礦區(qū)淺埋地下水化學組分的主要控制作用是巖石風化作用，而隨著深度增加，陽離子交換作用成為了主要的控制作用。

圖與(Na++K+-Cl-)關系versus (Na++K+-Cl-)

3.2.3 水化學特征演化的控制因素

圖6 (Ca2++Mg2+)與關系Figure 6 Diagram of (Ca2++Mg2+) versus

圖7 Ca2+、Mg2+與關系Figure 7 Diagram of calcium and magnesium ions versus bicarbonate ions

圖8為Na++K+與Cl-的散點圖。由圖8可以看出，地下水中Na++K+遠遠大于Cl-，說明地下水中的Na+和K+除了來源于巖鹽的溶解以外，普遍受到鉀長石、斜長石等硅酸鹽礦物溶解的影響。

圖8 Na++K+與Cl-關系Figure 8 Diagram of sodium and potassium ions versuschloride ions

離子交換作用是影響水文地球化學特征的一個重要過程，可以通過氯堿指數(shù)(CA)來進行量化[22]。CAI-1定義為(Cl--(Na++K+))和Cl-的比值。CAI-1的值為負表明地下水中的Ca2+和Mg2+與含水層中的Na+發(fā)生離子交換；CAI-1的值為正則表明地下水中的Na+與含水層中的Ca2+和Mg2+發(fā)生離子交換。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，本研究區(qū)的所有地下水樣品中CAI-1的值均為負(圖9)，表明地下水中的部分Na+是從含水層中通過離子交換釋放出來的。

圖9 氯堿指數(shù)CAI-1值隨深度變化Figure 9 The value of CAI-I varies with depth

4 結論

1)系統(tǒng)聚類分析將53個水樣分為六類，C1和C2類主要為地表水、第四系和白堊系含水層水；C3類主要為第四系、白堊系含水層水；C4類主要為白堊系含水層水；C5和C6類均為侏羅系含水層水；以上結果表明，地表水、第四系和白堊系含水層水之間存在一定的水力聯(lián)系，而侏羅系含水層水與其上部各含水層水水力聯(lián)系程度較低。根據(jù)Stiff圖推測各類地下水的水動力條件，表明C1類的水動力條件優(yōu)于C2，C3的水動力條件優(yōu)于C4和C5；即第四系和白堊系含水層水的循環(huán)條件要優(yōu)于侏羅系含水層水。

2)淺埋地下水TDS隨深度略減小，在中部隨深度幾乎保持不變，在深部則有明顯的隨深度增大趨勢，尤其是C5。結果表明，深部含水層地下水，特別是C5代表的侏羅系含水層地下水的滯留時間是最長的， 其水巖相互作用程度要遠遠高于其上部的各含水層地下水。

3)Gibbs圖表明，寧正礦區(qū)淺埋地下水化學組分的主要控制作用是巖石風化作用，而隨著深度增加，陽離子交換作用成為了主要的控制作用。

4)寧正礦區(qū)地層中碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽礦物均發(fā)生了溶解，共同影響著地下水化學組分的形成；深埋地下水中Ca2+的來源包括碳酸鹽巖和石膏的溶解；Na+除了來源于巖鹽的溶解以外，普遍受到鉀長石、斜長石等硅酸鹽礦物溶解的影響；另外地下水中的Na+與含水層中的Ca2+和Mg2+還發(fā)生了離子交換作用。