張 杰，陳陸望，侯曉偉，張 苗，胡永勝

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

我國(guó)煤炭資源稟賦，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和能源消費(fèi)總量中占有重要地位。華北型煤田作為我國(guó)重要的煤炭產(chǎn)區(qū)與西北、西南產(chǎn)區(qū)共同占有全國(guó)原煤產(chǎn)量的88.3%以及煤炭資源保有總量的95.5%[1]。奧陶系灰?guī)r巖溶含水層作為華北地區(qū)典型灰?guī)r含水層，具有水量充沛、水壓高以及補(bǔ)給范圍廣泛等特點(diǎn)，是當(dāng)?shù)鼐用裰匾纳钣盟Y源。此外，20 世紀(jì)90 年代初期以及“十二五”期間，我國(guó)分別對(duì)華北平原地?zé)豳Y源開(kāi)展了2 次詳細(xì)的系統(tǒng)研究，總結(jié)了華北地區(qū)地?zé)釄?chǎng)特征及地?zé)豳Y源成藏模式，并評(píng)估了地?zé)豳Y源潛力。結(jié)果表明華北平原中、低溫地?zé)豳Y源豐富，擁有巨大的開(kāi)發(fā)潛力，碳酸鹽巖巖溶層是地?zé)崴饕獌?chǔ)層之一[2-3]。因而，華北型煤田奧陶系巖溶水是兼具水、熱于一體的綠色新能源，科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)該類資源具有可觀的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。但是，隨著淺部資源的逐漸枯竭，近年來(lái)華北型煤田煤層開(kāi)采正快速向深部延伸[4]。大規(guī)模地下開(kāi)采勢(shì)必對(duì)區(qū)域地下水系統(tǒng)造成嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，涉及補(bǔ)給來(lái)源、徑流通道以及排泄位置等，致使煤礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜化[5]。對(duì)華北型煤田地下水而言，其水文地球化學(xué)特征及演化是自然過(guò)程(包括地下水循環(huán)、地質(zhì)構(gòu)造以及礦物溶解與沉淀等)和人類活動(dòng)(包括煤炭開(kāi)采、疏排地下水、農(nóng)業(yè)灌溉和生活用水)共同作用的體現(xiàn)[1，6-10]。水文地球化學(xué)特征對(duì)礦區(qū)地下水所經(jīng)歷的以及正在進(jìn)行的水文地球化學(xué)過(guò)程具有重要的指示意義，同時(shí)也為評(píng)價(jià)采動(dòng)影響下煤礦區(qū)深部巖溶地?zé)豳Y源賦存環(huán)境與形成機(jī)制提供了詳細(xì)的水文地質(zhì)信息。

淮北煤田作為典型的華北型隱伏煤田，位于華北平原南端，其煤炭開(kāi)采歷史始于20 世紀(jì)60 年代，是我國(guó)華東地區(qū)重要的煤炭基地[11]。但長(zhǎng)期大規(guī)模的開(kāi)采使得區(qū)內(nèi)煤炭資源逐漸枯竭，北部礦區(qū)多數(shù)礦井已閉坑，南部礦區(qū)多數(shù)礦井也已進(jìn)入深部開(kāi)采階段。因而，在煤炭資源逐漸枯竭的背景下，結(jié)合地區(qū)條件，探索新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)已成為區(qū)內(nèi)主要城市亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。淮北煤田碳酸鹽巖廣泛發(fā)育，且沉積厚度大，尤以?shī)W陶系巖溶含水層最為顯著。前期資源評(píng)價(jià)表明淮北煤田地?zé)岱植紡V、儲(chǔ)量大，深部巖溶含水層地?zé)醿?chǔ)存熱量為62.20×1014kJ，約合標(biāo)準(zhǔn)煤2.11 億t，大力開(kāi)發(fā)地?zé)崾窃搮^(qū)重點(diǎn)發(fā)展方向之一[12]。目前為止，對(duì)淮北煤田的地?zé)嵫芯恐饕性谕ㄟ^(guò)整理與收集地面鉆孔井溫以及井下巷道圍巖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)巖樣熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造分布格局、巖性變化、巖漿巖等分析地溫梯度、地溫場(chǎng)與大地?zé)崃鞣植继卣骷捌淇刂埔蛩氐确矫鎇13-17]。此外，鑒于地下水活動(dòng)對(duì)于圍巖溫度場(chǎng)具有重要影響，且不同的運(yùn)動(dòng)方式其影響程度存在顯著差異[18-19]，亦有學(xué)者分析了淮北煤田各礦區(qū)地下水流場(chǎng)與地溫分布特征之間的關(guān)系[20]。此類研究成果較為全面的闡述了淮北煤田地?zé)岬刭|(zhì)條件的形成及控制因素，為后續(xù)地?zé)豳Y源的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)于淮北煤田深部巖溶水水文地球化學(xué)研究早期以分析水化學(xué)、同位素、微量元素為主，揭示并闡明了其分布特征以及循環(huán)模式[21-23]。近期相關(guān)研究多以分析采動(dòng)影響下包括灰?guī)r在內(nèi)的多個(gè)含水層的水文地球化學(xué)時(shí)空演化及其多因素控制機(jī)制[24-27]。上述成果較為詳細(xì)的闡明了淮北煤田深部巖溶水水文地球化學(xué)特征與演化規(guī)律以及開(kāi)采進(jìn)程中多因素的控制作用。然而迄今為止，水文地球化學(xué)對(duì)淮北煤田深部巖溶地?zé)崴鹪?、賦存環(huán)境和形成機(jī)制等的指示意義還遠(yuǎn)未充分認(rèn)識(shí)，致使區(qū)內(nèi)尚未形成完整的地?zé)嵫芯矿w系。

綜上所述，淮北煤田奧陶系巖溶水是集水、熱于一體的綠色能源，筆者在大量收集地質(zhì)與水文地質(zhì)以及水化學(xué)等資料的基礎(chǔ)上，利用地面水文孔及井上下補(bǔ)充勘探孔等采集奧陶系巖溶地?zé)崴畼?，采用試?yàn)測(cè)試與理論分析相結(jié)合的研究手段，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)以及地?zé)岬刭|(zhì)條件等，明確巖溶地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源，評(píng)估熱儲(chǔ)溫度及循環(huán)深度，揭示地?zé)豳x存環(huán)境空間差異的水文地球化學(xué)響應(yīng)，闡明水文地球化學(xué)特征對(duì)地?zé)岱植嫉闹甘疽饬x，提出巖溶地?zé)崴纬裳莼Ｊ?。研究成果?duì)淮北煤田深部巖溶中、低溫地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)和利用具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)對(duì)于區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

1 研究區(qū)概況

淮北煤田位于安徽省北部，地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng)114.92°～118.17°，北緯32.42°～34.58°。在地貌單元上屬華北大平原的一部分，除濉溪、蕭縣和宿州市北部符離集—徐州一帶為震旦、寒武、奧陶系等基巖裸露的剝蝕低山、殘丘和山間谷地外，其余地區(qū)皆為黃、淮河沖積平原[28-29]。其低山、殘丘海拔高程一般為+80～+408 m，平原區(qū)海拔高程一般為+20～+50 m，地勢(shì)總體上呈現(xiàn)西北高而東南略低的微微傾斜。研究區(qū)地層屬華北型地層范疇，區(qū)內(nèi)除晚奧陶世—下石炭世和三疊紀(jì)地層缺失外，其余從太古宙—第四系地層均有發(fā)育[30-31]。

研究區(qū)先后經(jīng)歷了印支期、早燕山期、晚燕山期和喜山期等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，多期運(yùn)動(dòng)的疊加使得區(qū)內(nèi)形成了一系列EW、NNE 和NE 向斷裂交織的復(fù)雜網(wǎng)狀格局[32](圖1)。大型斷裂往往是劃分水文地質(zhì)單元和礦區(qū)邊界的重要依據(jù)，以宿北斷裂為界研究區(qū)劃分為2個(gè)一級(jí)水文地質(zhì)單元，即南區(qū)和北區(qū)[29]。南區(qū)又分別以豐渦斷層和南坪斷層為界劃分為南西亞區(qū)、南中亞區(qū)及南東亞區(qū)，依次對(duì)應(yīng)渦陽(yáng)礦區(qū)、臨渙礦區(qū)和宿縣礦區(qū)。北區(qū)包括北東亞區(qū)的閘河礦區(qū)和北西亞區(qū)的濉蕭礦區(qū)，由于北區(qū)開(kāi)采歷史悠久，多數(shù)礦井已閉坑，目前僅有部分礦井仍在開(kāi)采。

圖1 淮北煤田地質(zhì)構(gòu)造、礦區(qū)與水樣分布(據(jù)文獻(xiàn)[29]修改)Fig.1 Geological structure and mining distracts of Huaibei coalfield,and the location of samples (Modified from Reference [29])

研究區(qū)內(nèi)奧陶系灰?guī)r(以下簡(jiǎn)稱“奧灰”)厚度大于500 m，巖性為灰褐色、淡肉紅色厚層狀石灰?guī)r[22]。

“奧灰”巖溶發(fā)育與富水性均具有不均一性，通常在淺部巖溶裂隙較為發(fā)育，表現(xiàn)中等～強(qiáng)富水，往深部巖溶發(fā)育變差，富水性也隨之減弱(圖2(a))。淮北煤田巖溶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為斷塊型及其他類型，系統(tǒng)補(bǔ)排關(guān)系多樣，無(wú)明顯特點(diǎn)[33]。北部閘河礦區(qū)的閘河向斜兩翼奧陶系地層出露高程相差較小，“奧灰”地下水并未形成從一翼補(bǔ)給并運(yùn)移至另一翼排泄的系統(tǒng)。區(qū)域水文地質(zhì)條件表明閘河向斜“奧灰”水的補(bǔ)給主要來(lái)自兩翼低山丘陵的灰?guī)r地區(qū)，通過(guò)邊緣斷裂側(cè)向補(bǔ)給，而后向核部運(yùn)移，但由于上覆隔水層的存在，無(wú)法從向斜核部進(jìn)行排泄。兩翼“奧灰”水接受補(bǔ)給后主要沿含水層或走向斷裂由北向南運(yùn)移，至南部烈山地形低洼處排泄至第四系松散層[34]。南部宿縣和臨渙礦區(qū)“奧灰”含水層主要通過(guò)層間徑流補(bǔ)給，此外亦在第三隔水層缺失處(如童亭背斜核部與宿南背斜核部)以及隱伏露頭處與上覆松散含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系，其通常沿傾向或走向由承壓水位高處向低處運(yùn)移[35]。研究區(qū)多年數(shù)據(jù)表明北部“奧灰”水位整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且與大氣降水聯(lián)系密切，而南部呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)(圖2(b))，說(shuō)明受礦井疏排水影響“奧灰”水部分補(bǔ)給四含與太灰，并最終以礦井排水方式進(jìn)行排泄。

相關(guān)研究表明研究區(qū)現(xiàn)今地溫梯度總體呈現(xiàn)出西高東低、南高北低的特征[16]。北部閘河礦區(qū)為研究區(qū)地溫梯度低值集中區(qū)，整體在2 ℃/hm 以下；西部渦陽(yáng)礦區(qū)地溫梯度為研究區(qū)最高，整體在2.6 ℃/hm以上且存在多處高溫異常區(qū)大于3 ℃/hm；臨渙礦區(qū)北西部及童亭背斜東翼地溫梯度均高于2.6 ℃/hm，最高值達(dá)到2.87 ℃/hm；宿縣礦區(qū)地溫梯度變化范圍較大，徐宿推覆體上盤(pán)地溫梯度一般在2.2 ℃/hm 以下，而下盤(pán)地溫梯度超過(guò)2.6 ℃/hm，局部達(dá)到2.81 ℃/hm[14，16]。垂向上，溫度隨埋深的增加而增加，整體表現(xiàn)出較好的線性趨勢(shì)，說(shuō)明研究區(qū)為傳導(dǎo)型增溫形式。處于背斜軸部和松散層較薄的區(qū)域溫度隨深度變化較大，而在向斜軸部和松散層較厚區(qū)域則較小[16]。

2 樣品采集與測(cè)試

本次研究的樣品采集工作主要集中于閘河、宿縣和臨渙礦區(qū)，通過(guò)各生產(chǎn)礦井水文補(bǔ)勘孔，共采集“奧灰”水樣7 組。溫度(T)、pH 和總?cè)芙夤腆w(TDS)均在現(xiàn)場(chǎng)使用校正過(guò)的便攜式儀器進(jìn)行測(cè)定。取樣前，使用待取水樣潤(rùn)洗500 mL 高密度聚乙烯取樣容器3 次，所有樣品均在現(xiàn)場(chǎng)使用0.45 μm 濾膜進(jìn)行過(guò)濾。每個(gè)取樣點(diǎn)采集水樣3 瓶，用于測(cè)定陽(yáng)離子濃度的水樣瓶加入濃硝酸至pH 低于2 以進(jìn)行酸化保護(hù)，用于測(cè)定陰離子、δD 與δ18O 的水樣瓶未加任何試劑。所有水樣瓶上部均不留空隙，使用保鮮膜進(jìn)行密封處理，置于低溫條件儲(chǔ)存，并盡快送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。

主要離子濃度及氫氧穩(wěn)定同位素(D 和18O)測(cè)定于國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心以及生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，其中陽(yáng)離子和總Si(K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Si)使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)進(jìn)行測(cè)定，陰離子(Cl-、S)使用離子色譜儀(ICS-900)進(jìn)行測(cè)定，HC和C質(zhì)量濃度采用酸堿滴定法進(jìn)行測(cè)定。氫氧穩(wěn)定同位素(D 和18O)測(cè)試儀器為同位素水分析儀(IWA-35-EP)，結(jié)果以相對(duì)于V-SMOW 的δ(‰)表示，δD 和δ18O 精度分別為0.3‰和0.1‰。

考慮到研究區(qū)范圍較大，另收集和整理了各礦井近年的水文補(bǔ)勘孔成果31 組進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充，數(shù)據(jù)包括取樣位置、常規(guī)離子質(zhì)量濃度、pH 值、TDS 質(zhì)量濃度、水溫和可溶性SiO2質(zhì)量濃度。鑒于取樣與測(cè)試過(guò)程中主客觀誤差的存在，首先對(duì)38 組水樣進(jìn)行電荷平衡檢驗(yàn)，如式(1)所示。

其中，E為相對(duì)誤差，%；mc和ma分別為陽(yáng)離子與陰離子毫克當(dāng)量濃度(meq/L)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，38 組水樣E在±5%范圍，因而認(rèn)為數(shù)據(jù)可用。氫氧穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)通過(guò)整理已發(fā)表成果進(jìn)行補(bǔ)充，共計(jì)25 組[36]。

3 結(jié)果與討論

3.1 巖溶地?zé)崴瘜W(xué)特征及其形成作用

3.1.1 地?zé)崴瘜W(xué)特征

研究區(qū)巖溶地?zé)崴w以弱堿性為主，pH 值范圍6.9～8.1，除HC外其余離子質(zhì)量濃度均在閘河礦區(qū)表現(xiàn)最低，宿縣礦區(qū)次之，而臨渙礦區(qū)表現(xiàn)最高(表1)。通常情況下地?zé)崴疁魰r(shí)間越久、徑流路徑越長(zhǎng)，水巖相互作用更充分，其水化學(xué)成分濃度更高[37]。從閘河、宿縣到臨渙礦區(qū)巖溶地?zé)崴瘜W(xué)特征變化規(guī)律推測(cè)，淮北煤田巖溶地?zé)崴a(bǔ)給應(yīng)為閘河礦區(qū)兩翼灰?guī)r裸露區(qū)。但由于宿北斷層的存在導(dǎo)致南部灰?guī)r埋藏加深，阻隔了北部地?zé)崴蚰喜窟\(yùn)移，因而南部地?zé)崴艽髿饨邓苯友a(bǔ)給可能性很小。

表1 淮北煤田巖溶地?zé)崴畼永砘瘏?shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of physicochemical parameters of karst geothermal water samples in the Huaibei coalfield

Piper 三線圖表明巖溶地?zé)崴嘘?yáng)離子以Ca2+和Na++K+為主，個(gè)別水樣中Mg2+毫克當(dāng)量百分比較高(圖3)。陰離子則呈現(xiàn)較為顯著的區(qū)域差異，其中閘河礦區(qū)水樣以HC為主，宿縣礦區(qū)水樣中S和HC質(zhì)量濃度變化較大，臨渙礦區(qū)水樣分別聚集于以S為主、以Cl-為主以及過(guò)渡的3 個(gè)區(qū)域。閘河礦區(qū)巖溶地?zé)崴訦CO3-Ca 為主，宿縣礦區(qū)水化學(xué)類型主要包括SO4-Ca、SO4-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg、SO4-Ca·Na等，臨渙礦區(qū)水化學(xué)類型較為多樣，主要包括SO4-Ca、SO4-Ca·Na、Cl·SO4-Na·Ca、Cl·SO4-Na、Cl-Na、HCO3·Cl-Na、SO4·HCO3·Cl-Na 等。閘河礦區(qū)水樣分布于向斜兩翼(圖1)，但常規(guī)離子質(zhì)量濃度及水化學(xué)類型差異較小，對(duì)應(yīng)于向斜兩翼均為“奧灰”水補(bǔ)給區(qū)，并未形成從一翼補(bǔ)給運(yùn)移至另一翼排泄的系統(tǒng)。宿縣和臨渙礦區(qū)“奧灰”水化學(xué)類型較為多樣，即使處于同一礦區(qū)，其水化學(xué)類型亦表現(xiàn)出顯著的差異，說(shuō)明在地質(zhì)構(gòu)造背景的控制下，不同位置處巖溶水賦存環(huán)境如水動(dòng)力條件、水-巖作用類型與程度以及滯留時(shí)間等存在較大區(qū)別。

圖3 研究區(qū)巖溶水樣Piper 三線圖Fig.3 Paper tri-liner diagram of karst water samples in the study area

3.1.2 地?zé)崴瘜W(xué)成分形成作用

煤礦區(qū)地下水水化學(xué)成分形成通常受自然過(guò)程和人類活動(dòng)影響，對(duì)淮北煤田深部巖溶地?zé)崴?，其水化學(xué)成分形成主要受控于水-巖作用類型和程度差異[26-27]。離子比例可用來(lái)探究地?zé)崴兄饕x子的來(lái)源及可能存在的水-巖作用類型[38]。若地?zé)崴蠧a2+和HC僅來(lái)自碳酸鹽礦物(方解石和白云石)溶解，ρ(HC)/ρ(Ca2+)分別應(yīng)為2 和4(式(2)和(3))[39]。圖4(a)水樣分布特征表明碳酸鹽溶解是閘河礦區(qū)主要的水-巖作用類型，而宿縣和臨渙礦區(qū)水樣中Ca2+除碳酸鹽溶解外還存在別的來(lái)源，如石膏的溶解。由石膏溶解產(chǎn)生的Ca2+和S理論比值應(yīng)為1(式(4))，圖4(b)中閘河礦區(qū)水樣全部位于y=x線下部，結(jié)合圖4(a)證實(shí)了該區(qū)巖溶水中碳酸鹽溶解過(guò)程的主控作用。宿縣和臨渙礦區(qū)水樣主要分布于y=x線及其上部，表明石膏溶解是南部地?zé)崴兄匾乃牡厍蚧瘜W(xué)過(guò)程，同時(shí)還可能存在Ca2+參加的陽(yáng)離子交替吸附作用導(dǎo)致地下水中S濃度相對(duì)富余。

圖4 研究區(qū)巖溶水樣離子比例圖解Fig.4 Ion ratio diagrams of karst water samples in the study area

ρ(K++Na+)/ρ(Cl-)通常用于揭示地?zé)崴蠯++Na+的來(lái)源，圖4(c)中Cl-與K++Na+整體表現(xiàn)正相關(guān)，說(shuō)明鹽巖溶解是研究區(qū)巖溶地?zé)崴兄匾乃?巖作用類型(式(5))。研究區(qū)絕大部分水樣位于y=x線下部，其表征的是陽(yáng)離子交替吸附及硅酸鹽溶解過(guò)程。此外，亦有少量來(lái)自宿縣和臨渙的水樣分布于y=x線上部，可能代表的是反向陽(yáng)離子交替吸附作用。圖4(d)證實(shí)了巖溶地?zé)崴嘘?yáng)離子交替吸附作用(第四象限)及其反向過(guò)程(第二象限)的存在(式(6))。巖溶水中Ca2++Mg2+整體相對(duì)于S+HC表現(xiàn)不足(圖4(e))，表征可能存在硅酸鹽風(fēng)化產(chǎn)生的額外陽(yáng)離子來(lái)中和巖溶水中陰離子。但圖4(f)水樣分布特征表明巖溶水中鈉長(zhǎng)石風(fēng)化溶解作用微弱(式(7))，結(jié)合圖4(d)、(e)分布特征說(shuō)明硅酸鹽溶解對(duì)研究區(qū)巖溶水環(huán)境整體影響微弱，僅在閘河礦區(qū)產(chǎn)生一定影響，且以鈣長(zhǎng)石風(fēng)化溶解為主(式(8))。

對(duì)比圖4(e)和(f)可以看出，宿縣和臨渙礦區(qū)水樣中離子的電荷平衡受溶解的S控制顯著，而研究區(qū)巖溶地?zé)崴蠸主要來(lái)源于石膏的溶解，因而可以認(rèn)為石膏的溶解是宿縣和臨渙礦區(qū)巖溶水化學(xué)環(huán)境的主控過(guò)程。此外，圖4(f)中臨渙礦區(qū)水樣中HC與Ca2++Mg2+呈負(fù)相關(guān)性(y=-0.07x+7.29，R2=0.62)，表征同離子效應(yīng)的存在，即石膏的溶解促使方解石產(chǎn)生沉淀(式(9))[40]。圖4(g)中臨渙礦區(qū)水樣S與HC之間具有良好的負(fù)相關(guān)性證實(shí)了該作用的存在。同離子效應(yīng)使得地下水中Ca2+和HC濃度降低，進(jìn)而導(dǎo)致地下水相對(duì)白云石不飽和并使其發(fā)生溶解，致使Mg2+和S濃度上升以及方解石的沉淀(式(10))[41]。臨渙礦區(qū)水樣中Mg2+與S(圖4(h))之間的良好相關(guān)性證實(shí)了上述脫白云石化作用的存在，這也是臨渙礦區(qū)巖溶地?zé)崴蠱g2+的另一重要來(lái)源。

綜合以上分析，研究區(qū)巖溶地?zé)崴兴?巖作用類型多樣，且各礦區(qū)表現(xiàn)出明顯差異，其中閘河礦區(qū)以碳酸鹽、硫酸鹽礦物溶解作用為主，且存在硅酸鹽風(fēng)化過(guò)程；宿縣礦區(qū)主要作用類型包括碳酸鹽和硫酸鹽礦物溶解、陽(yáng)離子交替吸附和反向陽(yáng)離子交替吸附；臨渙礦區(qū)除上述所有作用類型外還存在同離子效應(yīng)以及脫白云石化作用。Raines and Dewers 研究表明地下水只有在流動(dòng)緩慢且石膏接近飽和時(shí)，石膏的溶解速度才會(huì)變得足夠慢，進(jìn)而與碳酸鹽礦物發(fā)生脫白云石化作用[42]。因而，相比于閘河和宿縣礦區(qū)，臨渙礦區(qū)高S濃度水樣表征其在含水層中滯留時(shí)間更久，流動(dòng)更為緩慢。

3.2 巖溶地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源與循環(huán)

3.2.1 巖溶地?zé)崴a(bǔ)給

氫氧穩(wěn)定同位素常用于判斷地?zé)崴鹪磁c確定地?zé)崴a(bǔ)給條件[43-44]。研究區(qū)巖溶地?zé)崴腄 在-64.3‰～-42.8‰，δ18O 在-8.6‰～-5.4‰。水樣平行分布于全球大氣降水線(GMWL：δD=8×δ18O+10)[45]和中國(guó)大氣降水線(LMWL：δD=7.9×δ18O+8.2)[46]下方，表明起源于大氣降水(圖5)。

圖5 研究區(qū)氫氧穩(wěn)定同位素組成散點(diǎn)Fig.5 Scatter plot of δ18O and δD in the study area

閘河礦區(qū)水樣氫氧同位素組成接近于淮北煤田大氣降水年平均值(δD=-52.4‰，δ18O=-7.8‰)，表明其具有良好的補(bǔ)給條件。宿縣和臨渙礦區(qū)水樣可劃分為2 組，其中A 組水樣δD：-52.7‰～-42.8‰，δ18O：-6.9‰～-5.4‰，表現(xiàn)出δ富集的特征?？紤]到宿縣和臨渙礦區(qū)相較于閘河礦區(qū)緯度約低0.5°，其δ分別應(yīng)增加約0.92‰(δD)和0.12‰(δ18O)，但A 組水樣δ明顯高于緯度效應(yīng)計(jì)算值，說(shuō)明該組水樣主要受蒸發(fā)作用影響。B 組水樣δD：-64.3‰～-55.4‰，δ18O：-8.6‰～-7.5‰，平行分布于降水線之下。由于宿縣和臨渙礦區(qū)均被新生界厚松散層所覆蓋，區(qū)域“奧灰”含水層無(wú)地表露頭，因而大氣降水無(wú)法直接入滲補(bǔ)給。相關(guān)研究表明，宿縣和臨渙礦區(qū)深部碳酸鹽巖含水層存在古地下水混合作用[47]。與現(xiàn)代大氣降水相比，古地下水δ更低，因而推測(cè)B 組水樣表征的是與深層古地下水的混合過(guò)程。此外宿縣礦區(qū)水樣多分布于A 組，分屬于宿南背斜兩翼錢(qián)營(yíng)孜和祁南煤礦以及宿東向斜附近蘆嶺和朱仙莊煤礦，表明該區(qū)巖溶地?zé)崴c現(xiàn)代大氣降水聯(lián)系密切，對(duì)應(yīng)于表1 中該4 個(gè)煤礦水樣(8、9、10 和16)均呈現(xiàn)出較低的離子與TDS 質(zhì)量濃度。根據(jù)安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊(duì)對(duì)臨渙礦區(qū)童亭背斜周?chē)牡刭|(zhì)勘探結(jié)果顯示，以楊柳斷層為界童亭背斜可劃分為南北2 個(gè)水文地質(zhì)區(qū)，其中北區(qū)臨渙和童亭煤礦一帶“奧灰”水處于封閉環(huán)境中，補(bǔ)給條件差，徑流微弱；南區(qū)背斜軸部由于古潛山的存在致使第三隔水層在部分區(qū)域缺失，“奧灰”含水層能夠接受上覆松散層補(bǔ)給[35]。因而臨渙礦區(qū)僅有3 個(gè)水樣分布于A 區(qū)，分屬于童亭背斜兩翼任樓和五溝煤礦，說(shuō)明臨渙礦區(qū)整體與現(xiàn)代大氣降水聯(lián)系較低，巖溶地?zé)崴戮徛?，與古地下水混合過(guò)程更為顯著。

3.2.2 巖溶地?zé)崴h(huán)

圖6 研究區(qū)巖溶水樣HC/Cl-與Cl-質(zhì)量濃度關(guān)系Fig.6 Relation diagram of HC/Cl- and Cl- concentration of karst water samples in the study area

圖7 為3 個(gè)礦區(qū)巖溶地?zé)崴甌DS 質(zhì)量濃度與取樣標(biāo)高關(guān)系散點(diǎn)圖，本次對(duì)研究區(qū)北部閘河礦區(qū)的取樣主要集中巖溶水補(bǔ)給徑流區(qū)，因而圖7 的分布特征表明向斜兩翼灰?guī)r裸露區(qū)在接受大氣降水直接入滲補(bǔ)給后沿著傾向向核部進(jìn)行運(yùn)移，TDS 質(zhì)量濃度與取樣標(biāo)高呈現(xiàn)良好線性關(guān)系。南部宿縣和臨渙礦區(qū)水樣TDS 質(zhì)量濃度與標(biāo)高雖無(wú)明顯線性關(guān)系，但仍可看出整體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，兩礦區(qū)水樣分布特征表征了南部巖溶地?zé)崴鲃?dòng)循環(huán)條件：其一，南部巖溶地?zé)崴谙蛳碌倪\(yùn)移過(guò)程中往往還會(huì)受到層間徑流補(bǔ)給，進(jìn)而使得即使處于同一標(biāo)高的水樣其TDS 質(zhì)量濃度往往呈現(xiàn)顯著的差異性；其二，巖溶地?zé)崴跍\部接受大氣降水蒸發(fā)入滲補(bǔ)給后，沿傾向向深部流動(dòng)并與圍巖發(fā)生一系列水-巖作用致使TDS 質(zhì)量濃度逐漸增加，而在深部由于水壓和熱動(dòng)力驅(qū)動(dòng)使得地?zé)崴缮畈肯蛏线\(yùn)移，TDS 質(zhì)量濃度繼續(xù)增加，進(jìn)而導(dǎo)致處于淺部的水樣呈現(xiàn)較高的TDS 質(zhì)量濃度。

圖7 研究區(qū)巖溶水樣TDS 質(zhì)量濃度與標(biāo)高關(guān)系Fig.7 Relation diagram of TDS and elevation of karst water samples in the study area

3.3 巖溶地?zé)崴疅醿?chǔ)溫度與循環(huán)深度

地?zé)釡貥?biāo)通常被用來(lái)估算地?zé)崴疅醿?chǔ)溫度，常見(jiàn)的包括Na-K 溫標(biāo)、K-Mg 溫標(biāo)、Na-K-Ca 溫標(biāo)、石英溫標(biāo)、玉髓溫標(biāo)和改進(jìn)的SiO2溫標(biāo)等(式(11)～(16))[49-52]。

式中，ρ(Na+)、ρ(K+)、ρ(Ca2+)和ρ(Mg2+)為各離子質(zhì)量濃度，mg/L；S為可溶性SiO2質(zhì)量濃度，mg/L。

研究區(qū)水樣均位于Na-K-Mg 三角圖中非成熟水區(qū)(圖8(a))，說(shuō)明巖溶地?zé)崴鄬?duì)于Na、K、Mg 等長(zhǎng)石類硅酸鹽礦物未達(dá)到平衡狀態(tài)，因而一般的陽(yáng)離子地溫計(jì)不適用于研究區(qū)熱儲(chǔ)溫度的計(jì)算。通過(guò)PHREEQC (Version 3.0)的計(jì)算，研究區(qū)巖溶地?zé)崴形氖?、方解石和白云石飽和指?shù)均大于0，說(shuō)明上述礦物處于過(guò)飽和狀態(tài)，而石膏飽和指數(shù)均小于0 處于非飽和狀態(tài)(圖8(b))，因而Ca 型溫標(biāo)也不適用于研究區(qū)熱儲(chǔ)溫度計(jì)算。

圖8 巖溶水樣Na-K-Mg 三角圖與主要礦物飽和指數(shù)Fig.8 Na-K-Mg triangular diagram and saturation index of major minerals of karst water samples

圖8(b)中玉髓和無(wú)定型二氧化硅SiO2(a)飽和指數(shù)均小于0，而石英飽和指數(shù)均大于0，說(shuō)明巖溶地?zé)崴惺⑻幱陲柡蜖顟B(tài)。表2 列出了取樣溫度以及石英、玉髓和改進(jìn)的SiO2溫標(biāo)計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度，其中玉髓溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果3.1～36.9 ℃，明顯低于取樣溫度，而石英和改進(jìn)的SiO2溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果相近，熱儲(chǔ)溫度范圍分別為35.9～68.8 ℃和33.7～69.4 ℃，略高于實(shí)測(cè)溫度。因而，石英溫標(biāo)及改進(jìn)的SiO2溫標(biāo)均適用于淮北煤田巖溶熱儲(chǔ)溫度計(jì)算，筆者取2 者的平均值作為最終結(jié)果。經(jīng)計(jì)算，淮北煤田巖溶熱儲(chǔ)溫度范圍34.8～69.1 ℃，平均值51.5 ℃。

表2 研究區(qū)地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算結(jié)果Table 2 Geothermometers calculation results in the study area

大氣降水補(bǔ)給地?zé)醿?chǔ)層后與含水層圍巖礦物之間的的同位素交換受控于溫度，通常大氣降水在高溫碳酸鹽或硅酸鹽熱儲(chǔ)層中會(huì)與圍巖發(fā)生氧同位素交換過(guò)程造成地?zé)崴谐霈F(xiàn)δ18O 正向漂移現(xiàn)象。相關(guān)研究表明在熱儲(chǔ)層溫度低于90 ℃時(shí)，水-巖作用對(duì)地下水中δ18O 的影響較低[38]。圖3 中研究區(qū)巖溶地?zé)崴畼悠叫杏诖髿饨邓€的分布特征說(shuō)明該區(qū)巖溶熱儲(chǔ)溫度應(yīng)低于90 ℃，由石英溫標(biāo)及改進(jìn)的SiO2溫標(biāo)計(jì)算的平均熱儲(chǔ)溫度符合該范圍。循環(huán)深度通常依據(jù)式(17)進(jìn)行計(jì)算。

式中，D為循環(huán)深度，m；TZ為通過(guò)地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度，℃；T0為研究區(qū)年平均氣溫，℃；G為研究區(qū)地溫梯度，℃/hm；D0為恒溫帶厚度，m。

相關(guān)研究表明淮北煤田現(xiàn)今平均地溫梯度G=2.42 ℃/hm，年平均氣溫約為14.6 ℃，恒溫帶厚度30 m。經(jīng)計(jì)算，淮北煤田巖溶地?zé)崴h(huán)深度范圍881～2 281 m，其中閘河礦區(qū)循環(huán)深度881～1 303 m；宿縣礦區(qū)循環(huán)深度1 015～2 209 m；臨渙礦區(qū)循環(huán)深度1 279～2 281 m。受“奧灰”勘探鉆孔地點(diǎn)的制約，閘河礦區(qū)水樣主要分布于補(bǔ)給徑流區(qū)(圖1)，未能采集到排泄區(qū)水樣，因而由相關(guān)公式計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度及循環(huán)深度應(yīng)低于實(shí)際情況。宿縣和臨渙礦區(qū)最大循環(huán)深度遠(yuǎn)大于取樣深度，由于該區(qū)巖溶地?zé)崴疅o(wú)天然排泄點(diǎn)，通常在隱伏露頭處與上覆四含產(chǎn)生水力聯(lián)系，根據(jù)該區(qū)巖溶水位緩慢下降的趨勢(shì)推斷受礦井疏排水影響，巖溶地?zé)崴ㄟ^(guò)越流補(bǔ)給四含再進(jìn)入礦坑最后隨礦井水被排泄至地面，故而隱伏露頭處應(yīng)為其補(bǔ)給排泄區(qū)，因此由相關(guān)公式所計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度與循環(huán)深度應(yīng)與實(shí)際情況相近。

3.4 巖溶地?zé)崴纬裳莼Ｊ?/h3>

淮北煤田巖溶地?zé)崴纬墒軜?gòu)造控制明顯，以宿北斷層為界可劃分為北部和南部2 個(gè)子系統(tǒng)。

北部系統(tǒng)在閘河向斜兩翼灰?guī)r裸露區(qū)接受大氣降水直接入滲補(bǔ)給，氫氧穩(wěn)定同位素組成沿大氣降水線分布且接近于年大氣降水平均值。該系統(tǒng)巖溶地?zé)崴h(huán)更新速率較快，最大循環(huán)深度受控于閘河向斜，巖溶地?zé)崴谙蚝瞬窟\(yùn)移過(guò)程中與圍巖發(fā)生碳酸鹽、硫酸鹽以及硅酸鹽溶濾溶解作用并受到巖石傳導(dǎo)增溫影響，水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca 型且TDS 質(zhì)量濃度低。此外，巖溶地?zé)崴谙蛏畈窟\(yùn)移過(guò)程中與圍巖反應(yīng)體系將逐漸由開(kāi)放轉(zhuǎn)為封閉，且溫度逐漸增高，這在一定范圍內(nèi)會(huì)促進(jìn)方解石的溶解。并且根據(jù)礦物飽和指數(shù)(圖7)，在運(yùn)移過(guò)程中石膏會(huì)持續(xù)保持溶解產(chǎn)生Ca2+和SO42-，而Ca2+質(zhì)量濃度的上升也為陽(yáng)離子交替吸附提供了充分的物質(zhì)來(lái)源。由于北部巖溶熱儲(chǔ)埋藏較淺，巖溶發(fā)育情況優(yōu)于南部，發(fā)生同離子效應(yīng)及脫白云石化作用的可能性較低。因而，推測(cè)北部地區(qū)往深部巖溶地?zé)崴畬l(fā)生碳酸鹽、硫酸鹽溶解以及陽(yáng)離子交替吸附作用。由于閘河礦區(qū)范圍內(nèi)無(wú)天然排泄點(diǎn)，兩翼低溫地下水通常沿傾向向下運(yùn)動(dòng)至向斜核部再沿走向由北向南至閘河礦區(qū)以外地形低洼處排泄至第四系(圖9)。鑒于地下水向下運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致圍巖溫度降低出現(xiàn)低溫異常，阻礙地?zé)豳Y源的形成，并且過(guò)往研究也表明閘河礦區(qū)為淮北煤田范圍內(nèi)的地溫梯度低值異常區(qū)的集中區(qū)段。因而，從地?zé)豳Y源勘探與開(kāi)發(fā)角度，北部應(yīng)在閘河礦區(qū)南部邊界以外奧灰隱伏露頭處設(shè)置勘探鉆孔。

圖9 淮北煤田北部巖溶地?zé)崴纬裳莼Ｊ紽ig.9 Formation and evolution model of karst geothermal water in northern Huaibei coalfield

南部宿縣和臨渙礦區(qū)巖溶地?zé)崴畾溲醴€(wěn)定同位素組成整體沿大氣降水線分布但變化范圍較大，其中高值表征接受大氣降水的蒸發(fā)入滲補(bǔ)給，主要分布于宿縣礦區(qū)宿東向斜、宿南背斜以及臨渙礦區(qū)童亭背斜區(qū)域；低值表征的是與古地下水混合過(guò)程，主要分布于臨渙礦區(qū)除童亭背斜兩翼外其他區(qū)域。巖溶地?zé)崴谙蛏畈窟\(yùn)移過(guò)程中受到巖石傳導(dǎo)增溫，并與圍巖主要發(fā)生巖鹽、碳酸鹽與硫酸鹽溶濾溶解、陽(yáng)離子交替吸附(正反向)等作用，且在部分循環(huán)極其緩慢的區(qū)域還伴有同離子效應(yīng)和脫白云石化作用的存在(圖10)。水-巖作用類型的多樣性以及程度的差別是導(dǎo)致巖溶地?zé)崴瘜W(xué)類型以及TDS 質(zhì)量濃度存在顯著空間差異的主控因素。地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算熱儲(chǔ)最高溫度約為69 ℃，最大循環(huán)深度約為2 200 m。由于南部均被厚松散層所覆蓋，區(qū)內(nèi)巖溶地?zé)崴疅o(wú)天然排泄點(diǎn)，其一方面通過(guò)層間徑流進(jìn)行近水平運(yùn)動(dòng)，并在導(dǎo)水構(gòu)造處越流補(bǔ)給上覆含水層；另一方面則向上運(yùn)移至隱伏露頭處補(bǔ)給松散含水層。當(dāng)經(jīng)過(guò)深循環(huán)被巖石傳導(dǎo)增溫加熱的地下水向上運(yùn)移往往會(huì)導(dǎo)致流經(jīng)的圍巖溫度升高，在淺部形成局部地?zé)岙惓^(qū)，促使地?zé)豳Y源的形成。宿縣和臨渙礦區(qū)前期地?zé)岬刭|(zhì)研究成果也表明南部地溫梯度高值區(qū)主要分布于童亭背斜以及宿南背斜等構(gòu)造隆起部位。因而，南部地?zé)豳Y源勘探與開(kāi)發(fā)應(yīng)首先關(guān)注構(gòu)造隆起區(qū)，如童亭背斜與宿南背斜軸部等。

圖10 淮北煤田南部巖溶地?zé)崴纬裳莼Ｊ紽ig.10 Formation and evolution model of karst geothermal water in southern Huaibei coalfield

4 結(jié)論

(1)氫氧穩(wěn)定同位素組成指示淮北煤田巖溶地?zé)崴饕邮艽髿饨邓a(bǔ)給，北部閘河礦區(qū)接受大氣降水直接入滲補(bǔ)給，水化學(xué)特征主要為HCO3-Ca 型，水-巖作用以溶濾溶解為主，指示巖溶地?zé)崴h(huán)更新條件良好。南部宿縣和臨渙礦區(qū)僅在部分地區(qū)存在蒸發(fā)入滲補(bǔ)給并與古地下水混合明顯，水化學(xué)類型多樣且存在顯著的空間差異，水-巖作用以溶濾溶解、陽(yáng)離子交替吸附(正反向)為主，并伴有脫白云石化作用，指示該區(qū)巖溶地?zé)崴鲃?dòng)更為緩慢，滯留時(shí)間更久，熱儲(chǔ)賦存環(huán)境更為封閉。

(2)淮北煤田巖溶地?zé)崴畼泳h(yuǎn)離Na-K-Mg 三角圖平衡線，表明未達(dá)水-巖平衡狀態(tài)，陽(yáng)離子溫標(biāo)不適用于熱儲(chǔ)溫度的計(jì)算。飽和指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示巖溶地?zé)崴畼酉鄬?duì)于石英達(dá)到飽和狀態(tài)，運(yùn)用石英溫標(biāo)及改進(jìn)的SiO2溫標(biāo)計(jì)算巖溶熱儲(chǔ)溫度34.8～69.1 ℃，循環(huán)深度881～2 281 m。

(3)淮北煤田巖溶地?zé)崴纬墒軜?gòu)造控制明顯，北部系統(tǒng)接受大氣降水直接入滲補(bǔ)給，循環(huán)更新速率較快，循環(huán)深度受控于向斜構(gòu)造，并至地形低洼處排泄至第四系松散含水層。南部系統(tǒng)接受大氣降水蒸發(fā)入滲補(bǔ)給并與古地下水發(fā)生混合，循環(huán)更新緩慢，循環(huán)深度受控于巖溶發(fā)育及構(gòu)造開(kāi)啟程度，并通過(guò)越流以及上行等方式進(jìn)行排泄。淮北煤田深部巖溶地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)和利用應(yīng)綜合考慮區(qū)域特點(diǎn)。