張芳齊

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,山西 太原 030024)

1 龍祠水源地概述

1.1 水源地形成原因

龍祠水源地位于臨汾市堯都區(qū)西南13km西山山前的龍祠、晉掌村一帶,是在龍子祠泉域巖性地層、地質(zhì)構(gòu)造和地形條件共同影響下,灰?guī)r裸露區(qū)大氣降水得以入滲補(bǔ)給,通過巖溶水系統(tǒng)的地下徑流匯集,在向東部盆地運(yùn)動(dòng)過程中,受到山前大斷層的阻擋,地下水橫向受阻后便沿?cái)鄬禹樝蜻\(yùn)動(dòng),由于龍子祠一帶地形最低,成為東部阻水邊界的缺口,斷層的東側(cè)坡洪積物厚約35m,下部為石炭二疊系,因而下部阻水,上部部分透水,使巖溶水溢流成泉,從而形成地下水型飲用水水源地,見圖1。

泉水出露區(qū)1956—2000年多年實(shí)測(cè)流量為5.19m3/s[7],水源地于1988年投產(chǎn)使用,設(shè)計(jì)年供水量為2518.5萬(wàn)m3,現(xiàn)狀實(shí)際年供水量約為2000萬(wàn)m3,供水范圍為臨汾市市區(qū),用于城鎮(zhèn)生活和農(nóng)業(yè)灌溉,供水服務(wù)人口約47.5萬(wàn)。

1.2 泉域水文地質(zhì)條件

1.2.1 含水巖組

泉域內(nèi)主要含水巖組有寒武—奧陶碳酸鹽巖含水巖組、石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組、二疊系碎屑巖裂隙水含水巖組和第四系松散層孔隙含水層。

1.2.2 補(bǔ)給、徑流泄水條件

a.補(bǔ)給條件。碳酸鹽巖裸露區(qū)直接接受大氣降水入滲補(bǔ)給、石炭～二疊系碎屑巖類接受大氣降水入滲后,通過斷裂、陷落柱或順巖層傾向,向深部奧陶系巖溶水補(bǔ)給。

b.徑流條件。受地質(zhì)構(gòu)造及水動(dòng)力條件的控制,區(qū)內(nèi)巖溶水形成了主徑流帶的運(yùn)移方式[8],在向斜南端龍祠村形成最低的匯水點(diǎn)。主要徑流方向有:復(fù)向斜東翼灰?guī)r裸露區(qū)在降水入滲后,由北向南經(jīng)羅云山斷裂向龍子祠泉匯流;向斜西翼及北部灰?guī)r裸露區(qū)在降水入滲后自北向南經(jīng)向斜軸部的深循環(huán)后,向龍子祠泉匯集;泉域南部灰?guī)r裸露區(qū)在接受大氣降水入滲后,自南西向北東方向徑流,匯入龍祠主徑流帶,流向龍子祠泉。

c.泄水條件。泉水溢流排泄,通過羅云山斷裂的透水段以側(cè)向徑流的方式補(bǔ)給山前洪積扇地下水及人工開采排泄。

圖2 龍子祠泉水硫酸根離子濃度歷年變化趨勢(shì)

3 成因分析

泉水中硫酸鹽來(lái)源主要有兩個(gè)方面:一是巖溶巖系中石膏的溶解;二是煤系地層中硫和硫化物氧化生成硫酸與硫酸鹽。前者為地層沉積環(huán)境下水巖相互作用的原生產(chǎn)物,后者則是由于煤礦開采改變了硫鐵礦的賦存環(huán)境,發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致離子溶解濃度增加。

3.1 石膏層

臨汾一帶在中奧陶世各期早期為一個(gè)小的膏鹽湖沉積區(qū)(圖3),分別在上、下馬家溝組和峰峰組底部沉積有石膏層,其原始沉積為一套澙湖相泥晶白云巖-泥質(zhì)碳酸鹽巖-石膏及硬石膏巖混合體,由于近代巖溶作用的破壞,地表及淺層部位的石膏已經(jīng)少見,常見的是溶蝕后的石膏結(jié)晶和大量層次不清的膏溶角礫巖,石膏多為層狀和似層狀,受構(gòu)造擠壓后在部分地段呈透鏡狀,同一石膏層沿走向常迅速尖滅。

圖3 中奧陶世鄂爾多斯盆地-臨汾巖相古地理圖

石膏(主要成分為CaSO4)的溶解速度是石灰?guī)r和白云巖的約5～10倍[9],不同組織結(jié)構(gòu)及巖性石膏的溶解度為57～332mg/L,比石灰?guī)r和白云巖高5～20倍,因此,夾于碳酸鹽巖中的石膏總是最先溶解,并導(dǎo)致碳酸鹽巖層的一系列破壞。

3.2 煤系地層硫鐵礦

龍子祠泉域內(nèi)分布有59座煤礦,設(shè)計(jì)原煤年生產(chǎn)能力合計(jì)4740萬(wàn)t,井田面積合計(jì)574.3km2,煤礦現(xiàn)狀主要開采2～11號(hào)煤層。煤系地層中常含有較多的硫化礦物,一般含有0.3%～5%的硫,主要以黃鐵礦形式存在,約占煤含硫量的2/3,區(qū)內(nèi)特別是下組煤9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)煤多為中—高硫煤。在自然狀態(tài)下,硫化礦物一般分布在煤層和相對(duì)隔水層之中,深部地下水含氧量甚少,而且硫化物與地下水接觸機(jī)會(huì)也少,不易氧化。

由于多年的歷史欠賬不能完全實(shí)現(xiàn)所有企業(yè)礦坑水達(dá)標(biāo)排放或零排放。煤礦停采后,產(chǎn)生的采空區(qū)逐步蓄積成為“地下水庫(kù)”,形成“老窯水”,它的化學(xué)成分更加復(fù)雜多變,對(duì)泉域巖溶地下水水質(zhì)構(gòu)成的潛在隱蔽危害不容忽視。

3.3 地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式

龍子祠泉域?yàn)椤皢涡蹦嬷眯汀苯Y(jié)構(gòu)系統(tǒng),具有如下特點(diǎn)[10]:?地層傾向與巖溶地下水流向相反;?煤系地層處于上游、碳酸鹽巖滲漏段處于河流下游;?主體河流分散,滲漏段長(zhǎng)度較長(zhǎng)。大面積裸露可溶巖分布在泉域下游,“含煤體”分布在泉域上游。上游煤炭開采破壞了煤系含水層,礦坑排水及城市污水排放經(jīng)過可溶巖河谷時(shí),產(chǎn)生滲漏,給巖溶水的污染提供了路徑。

4 來(lái)源定量分析

硫在自然界中有32S、33S、34S、36S 4種穩(wěn)定同位素,由于不同來(lái)源硫在各自特定的演化過程中形成硫同位素的分餾,因而造成了硫同位素的差別,利用這一差別,可判別它的來(lái)源。

煤中硫鐵礦是在泥炭化及成煤期,在還原環(huán)境中還原細(xì)菌(英文縮寫SRB)作用下,將海水中硫酸鹽還原成H2S,與陸相黏土中鐵反應(yīng)形成的。SRB更青睞原子半徑小的32S[11],故32S 優(yōu)先參與反應(yīng),即硫鐵礦中相對(duì)富集32S,而34S值很低,中國(guó)北方煤總硫的δ34S值平均為3.68‰[12]。有關(guān)學(xué)者對(duì)在娘子關(guān)泉域以及北方其他地方獲得的一些中奧陶系中石膏所做的測(cè)定結(jié)果δ34S值都在23‰以上[13-14]。

水樣δ34S 值測(cè)定在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)室完成,δ34S值采用IsoPrime質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)定,δ34S值采用CDT ( Canyon Diablo Meteorite) 標(biāo)準(zhǔn),測(cè)試精度優(yōu)于±0.1‰。

表1 龍子祠泉水中34S硫同位素測(cè)定值及占總濃度比例

5 結(jié) 論

通過上述研究分析,得出如下結(jié)論:

a.龍子祠水源地水質(zhì)中硫酸根離子濃度自20世紀(jì)80年代就呈超標(biāo)狀態(tài),并有增長(zhǎng)趨勢(shì),超標(biāo)1.2～1.8倍。

b.高濃度的硫酸根主要來(lái)源于中奧陶系的石膏層和煤系地層硫鐵礦的氧化,以及特殊的“單斜逆置型”地質(zhì)結(jié)構(gòu)。水源地水質(zhì)δ34S 值大小取決于石膏和煤系硫鐵礦來(lái)源的混合比,受煤系硫鐵礦影響大時(shí)δ34S 值就偏小。

c.中奧陶統(tǒng)石膏的溶解是硫酸根高濃度的主要原因,占比在75%以上;但煤礦開采導(dǎo)致的硫鐵礦氧化溶解卻是加劇總濃度波動(dòng)變化的直接顯性影響因素。